JP4361620B2 - ガス容器の充填方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス貯蔵容器へのガスの充填方法に関し、更に詳しくは圧力差により容器にガスを充填する場合に、所望量の単一ガスあるいは混合ガスを、より正確にガスシリンダに充填する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスシリンダやガスボンベのようなガス貯蔵容器は、通常、所望の圧力に達するまで容器内へガスを充填することにより、ガスで充満される。容器を可能な限り迅速に充填することが好ましいが、容器に目標量のガスを正確に充填することも重要である。ガス容器内のガス量を正確に測定することを困難にする一つの問題は、含まれるガスの温度と圧力との関係である。気体の法則によって、一定体積でのガス量によって与えられる圧力は、その温度に正比例する。従って、ガスの温度が上がるに従ってガスの圧力も高くなる。従って圧力測定により、ガス貯蔵容器に充填する場合には、容器がその「充填」状態に達した時に、容器内のガスが予め選択された温度になっており、これにより正しいガス量が確実に各容器に充填されていることが重要である。
【0003】
ガス容器を短時間で充填することが好ましいから、充填バルブを開放位置に直ちにいっぱいに開くことが通常である。この結果、空の容器内へガスが急激に送り込まれるため、ガスが容器の壁に衝突して、容器内へ充填されたガスの温度が急激に上昇する。容器内への急激な充填により、充填工程の間中、急激な温度上昇が続くわけではなく、容器内に連続してガスが充填されるとき、最初に加熱したガスは冷却される。しかしガスの温度は充填工程の間に所定温度に戻らないことがある。そのため、所定温度までガス温度を冷却するための時間消費工程なしには、正しいガス量を容器内へ充填することが困難あるいは不可能である。
【0004】
ガス容器に混合ガスを充填する場合には、問題は悪化する。この場合、容器が第1のガスを所望量含むようになるまで第1のガスを容器に充填し、次いで第2のガスを容器に所望量になるまで充填する。全てのガスが容器に充填されるまで、この工程を繰り返す。混合ガスの組成は、精密な仕様に合うことが通常必要である。従って各ガス成分の充填の終了点に近づくとき、混合ガスの温度を狭い範囲内にすることが必要である。充填工程の早い段階で過剰な加熱が生じる場合には、第1ガス成分の最終圧力測定をする前に冷却しなければならず、また混合ガスの各成分の最終圧力測定前に多分冷却しなければならないであろう。
【0005】
ガス容器に一定のガス量を正確に充填することを困難にする他の現象は、ガスが流れるガスパイプライン内の圧力低下が、パイプラインを流れるガスの速度に正比例することである。即ち、パイプラインを通過するガスの速度が大きくなると、一定長さのパイプラインでの圧力の低下が大きくなる。従ってガス容器の上流の圧力ゲージを有するガス管から、ガスをガス容器に充填する場合には、圧力ゲージでの圧力は、容器内の実際の圧力よりも高くなる。そのため、ガスが速い速度で充填ラインに流れており、この圧力ゲージを使用して充填工程のカットオフポイントを決定する場合には、ガス容器には正しい量のガスが充填されない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
充填時間が重要であるとともに充填の正確さも重要であるから、ガスを空の容器に導入するときに、ガスの温度が急激に上昇しない方法によって、単一ガスまたは混合ガスを空のガス容器に充填することが望ましい。また充填ラインの圧力ゲージの示す圧力と容器内の実際の圧力との差によって生じる誤差をなくし、あるいは最小にすることが望ましい。本発明は、これらの目的に合う方法を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特に充填工程の初期に充填する容器内の温度が急に上昇することをなくし又は最小にする方法により、ガス容器に単一ガスまたは混合ガスを充填する方法である。本発明の広い実施例は、(a)空のガス容器内にガスを初期速度で流し始める工程と、(b)所定の最大流量が達成されるまで、ガス容器内へのガスの流量を増加する工程と、(c)最大流量を維持する工程と、(d)ガス容器内のガスの測定した量と所望の最終量との差が減少するに従って、ガス容器内へのガスの流量を減少する工程と、(e)ガス容器がガスの所望の最終量を含む時、ガス容器内へのガスの流入を停止する工程とを有する。
【0008】
好ましい実施例では、ガス容器へのガスの流量が所定の最大流量に達するまでに必要な時間が、ガスの全充填時間の約25〜75%の範囲内である。
【0009】
好ましい実施例では、ガス容器がガスの所望の最終量の約75〜95%を含む時、工程(d)を始める。
【0010】
広い実施例又は好ましい実施例では、工程(a)で設定する初期速度を十分に低くして、ガス容器内のガスの温度の急激な上昇を回避することが好ましい。同様に広い実施例又は好ましい実施例では、工程(b)での容器内へのガス流量の増加割合を十分に低くして、ガス容器内のガスの温度の急激な上昇を回避することが好ましい。
【0011】
上記いずれかの実施例において、工程(b)の間のガス容器内へのガス流量の増加割合を一定にするか、所定の最大流量と測定された流量との差が減少するに従って、工程(b)の間のガス容器内へのガスの流量を増加することができる。同様に上記いずれかの実施例において、工程(d)の間のガス容器内へのガスの流量の減少の割合を一定にするか、ガス容器内のガスの実際量とガス容器内のガスの所望の最終量との差が減少するに従って、工程(d)の間のガス容器内へのガスの流量を減少することができる。
【0012】
本発明の好ましい側面では、ガス容器内のガスの実際量とガス容器内のガスの所望の最終量とを、ガス容器内に含まれるガスの分圧によって決定する。
【0013】
本発明は、2種以上の異なるガスの混合ガスをガス容器に充填するために使用できる。混合ガスの1種またはそれ以上の成分を上記実施例のいずれか1つの方法を使用してガス容器に充填できる。
【0014】
また、混合ガスのガス成分をガス容器に連続して充填し、2種またはそれ以上のガス成分の各々に工程(a)〜(e)を繰り返して上記広い実施例のいずれかの方法によって各ガス成分を容器に充填する技術により、本発明を使用してガス容器に混合ガスを充填することもできる。
【0015】
本発明の更に好ましい実施例では、ガス容器が、容器に充填されるガスの所望の最終量の約85〜95%を含む時、工程(d)を開始する。
【0016】
本発明の方法は、圧力測定によりガスシリンダに充填する場合に特に適している。
【0017】
好ましい他の実施例では、本充填方法の種々の工程でのガス流量を、予め選択したプログラムによって決定する。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の1つの特徴は、ガスが最初に速い速度で空の容器に充填された時、空の容器の壁にガスが衝突してガスが急激に加熱し、熱が消散することができないが、容器に入ってくるガスの力を緩和するのに十分な量のガスが容器内に既に存在すれば、ガスの急激な温度上昇は起こらない、ということを利用している。
【0019】
本発明の他の特徴は、ガス管内での圧力低下は、ガス管を通過するガス流の速度に逆比例していることを利用している。従って容器内に含まれるガスが、容器内のガスの急激な温度上昇を防止するのに十分な量になるまでは、最初はガスを容器にゆっくり導入し、その後充填バルブが十分に開放するまで容器内へのガスの導入速度を次第に増加していき、容器内のガス量が所望の値に近づくに従って容器内へのガスの導入速度を次第に減少させていき、充填ラインの圧力ゲージの示す圧力と容器内の圧力との差を減少させ、それにより充填工程の最終時点でこの差によって生じる誤差を減少しあるいは最小にすることによって、ガス圧力ゲージを有するガス充填ラインを介して、正確なガス量をガス容器に素早く充填することができる。
【0020】
本発明は、圧力測定によってガスシリンダを充填するためのシステムを示す添付図面により、良く理解することができる。本システムは、充填するガスシリンダのバッテリ、供給源からガスシリンダへガスを搬送するライン、圧力検知装置Aおよびガスの充填速度を制御する制御ユニットCを有する。本システムは、ガスシリンダに単一ガス又は混合ガスを充填するために使用することができ、これらのガスはライン2,4及び6を介して貯蔵源(図示せず)からシステムに供給される。バルブ8,10及び12は、各々、ライン2,4及び6を通るガス流量を制御する。ライン2,4及び/又は6を流れるガスは、流量制御装置16を有するライン14内に流れ込む。流量制御装置16は、可変オリフィスのように、ライン14の流れを制御することができるどのような手段でも構わない。流量制御装置16は、制御ループ18を介して制御ユニットCから受けた信号に応答して作動する。制御ユニットCは、典型的には圧力検知装置Aから受けた信号を分析するコンピュータであり、該ユニットは必要により流量制御装置16に信号を送り、ライン14を流れるガスの流量を調節する。流量制御装置16の下流では、ライン14はシリンダ充填マニホールド20に接続しており、該シリンダ充填マニホールド20は、順にバルブ28,30及び32を介してガスシリンダ22,24および26に各々接続している。圧力検知手段Aは、圧力検知ライン34に接続されたラインタップを介してライン14内の圧力を測定する。圧力検知手段Aは、制御ループ36を介して制御ユニットCに信号を送る。
【0021】
選択された単一ガスを、ライン2を介してシステムに接続された供給源から図に示すシステムのガスシリンダ22に充填する本発明の工程を以下説明する。バルブ8及び28は開放している。流量制御装置16は、流入ガスが空のシリンダ22の壁に衝突することにより、著しい温度上昇がガスシリンダ内で生じる限界流量以下の初期ガス流量を提供するように設定されている。十分なガスがガスシリンダ内へ導入されて、シリンダ22内のガスの急激な温度上昇を防止する緩衝作用が提供されたとき、シリンダ内に充填されたガスが著しく加熱することを避けるような増加割合で、充填工程の第1段階の間、流量を徐々に増加させていく。もちろん、シリンダ内のガスが過剰な加熱を引き起こさないという目的に照らして、可能な限り素早く、ライン14を介して最大ガス流量を達成することが望ましい。流量は一定割合で、あるいは可変割合で増加しても良い。一般に充填工程が進行するに従って、ガス流量を、より急速に増加させることができる。即ち、シリンダ内のガス圧とライン14内のガス圧との差が減少するに従って、ガス充填速度の感度が次第に減少してくる。従って通常は、充填工程が進行するに従って、ライン14を通るガス流量を増加させることが好ましい。圧力センサAによる圧力として測定した、シリンダ内に充填すべき全ガス量の約5〜25%、好ましくは約5〜15%だけガスシリンダが充填された時に、最大ガス流量に到達することが望ましい。
【0022】
充填工程の第2段階は、最大速度でガスをシリンダ内に充填する工程を有する。この段階は、圧力センサAによる圧力として測定した、シリンダに充填する全体ガス量の約75〜95%、好ましくは約85〜95%の量がシリンダに充填されるまで続けられる。そして充填工程は、その第3段階に入る。
【0023】
充填工程の第3段階の間、シリンダに充填されるガス流量は次第に減少し、制御ループ34がライン14に入る地点での圧力とガスシリンダ22内の圧力との差が減少する。圧力センサAにより測定された圧力と目標圧力との差が減少するに従って充填速度が減り続け、所望の終了点に達する直前の流量は十分小さくなって、ライン34がライン14に接続する地点での圧力とシリンダ22内の圧力との差が僅かになる。圧力センサAにより検出された圧力は、シリンダ22内の圧力を正確に反映する。第2圧力が所望の終了点に達すると、制御ユニットCが流量制御装置16を閉鎖してシリンダ22内へのガスの流入を止める。各シリンダ22,24及び26を上記工程によって充填することにより、各シリンダには実質的に同量のガスが充填される。
【0024】
本発明の充填方法を、ガスシリンダに混合ガスを充填するために用いる場合には、所望の順番でバルブ8,10及び12を開けることにより、上記工程を混合ガスのガス成分毎に繰り返す。シリンダに最初に最も軽いガスを充填して、シリンダ内でガスがより早く混合するようにすることが通常好ましい。混合ガスを準備するときに、シリンダ内に充填されるべき第1ガス成分の量が十分に多いために、他のガス成分をシリンダに充填するときにガスシリンダの温度上昇が防止される場合には、流量制御装置16の開口速度を厳密にせずに、急激な温度上昇を伴うことなしに流量制御装置を急に開けることができる。しかし、シリンダに導入される第1ガス成分の量が少ない場合には、第1ガス成分をゆっくり導入し、そしてシリンダ内に十分な全ガス量を導入して、残りの充填工程の間の急激な温度上昇を防止できるように十分なガス緩衝作用を提供するまで、第2ガス成分(および、おそらく続くガス成分)を最初ゆっくりと流し込むことが必要である。
【0025】
上記の充填方法は、フィードバック技術を実行したときの本発明の方法である。前に示したように、本発明の方法はフィードフォワード工程を実行することもできる。フィードフォワード工程においては、本発明の方法の種々の工程中のガス流量を、例えば所定のプログラムによって制御することができる。
【0026】
本発明の範囲において、従来の機器を利用して、システム内のガス流量を監視したり自動調節することにより、システムを完全に自動化して効果的な方法で連続的に作動させることができる。
【0027】
【実施例1】
添付図面に示すシステムを変更して、水の体積で約50リットルの14本のガスシリンダに、98モル%のアルゴンと2モル%の酸素から構成される混合ガスを、21.1℃の基準温度で182.02バール(bara)の最終圧力になるように同時に充填した。酸素供給源をライン2に接続し、アルゴン供給源をライン4に接続した。両方のガス成分を206バール(bara)の圧力で供給した。充填前に、シリンダを開放して、約0.4バール(bara)の初期圧力になるように排気した。この間、オリフィス制御バルブ16とシリンダバルブとを開放状態にし、バルブ16の上流のラインを排気した。
【0028】
所望の混合ガスを生じさせるために、シリンダ温度が21.1℃で3.85バール(bara)の酸素の目標分圧が必要である。
【0029】
バルブ16を閉じ、バルブ8を開放して充填工程を開始した。全てのシリンダバルブを開放状態にしておいた。そして流量制御バルブ16を、その最大開度の約1%開けた。これにより、ライン20内が約0.48バールの初期圧力に上がった。制御ユニットCがバルブ16のオリフィスサイズを調節し、圧力上昇の割合がほぼ毎分0.69バールとなった。シリンダ内の酸素分圧が3.85バール(bara)に達した時、バルブ8を閉じた。バルブ16のオリフィスを、その最大の1%に再度設定し、アルゴン供給バルブ10を開いた。オリフィスを制御して、圧力上昇の割合がほぼ毎分10バールになるようにした。最終圧力(21.1℃で182.02バール(bara)以下の圧力5.5バールにおいて、ガス流量を毎分1.7バールに減らし、最終圧力以下の1.4バールにおいて、ガス流量を毎分0.69バールに減らした。21.1℃で182.02バール(bara)の全圧に達した時、供給バルブ10と全てのシリンダバルブを閉じた。シリンダ内の混合ガスを分析して、平均1.86%の酸素を含むことが分かった。
【0030】
上記と対照的に、シリンダへの酸素導入の開始時に、ライン14のオリフィスを完全に開いた時、バルブ8が開かれた最初の1秒間に、圧力は13.8バール以上に上がった。即ち圧力は、21.1℃で3.85バール(bara)の目標値を越えた。
【0031】
本発明を特定の装置構成と特定の例を特に参照しながら説明したが、これらの特徴は単に本発明の代表例に過ぎず、変更例が考えられる。例えば、ガスシリンダ以外の容器に本発明の方法によって充填することもできるし、他の装置構成を本発明で使用することもできる。同様に、ガス容器に3種類以上のガス成分を含む混合ガスを充填することもできる。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の方法によってガスシリンダを充填するために有用なシステムを示す。コンプレッサ、熱交換機及びバルブを含む補助装置は、本発明の理解のために必要なく、発明の検討を簡単にするために図面から省略されている。
【符号の説明】
2,4,6、14 ライン
8,10,12、28,30,32 バルブ
16 流量制御装置
18、36 制御ループ
20 シリンダ充填マニホールド
22,24、26 ガスシリンダ
34 圧力検知ライン
Claims (10)
- ガス供給源と、ガス容器と、ガス供給源からガス容器へとガスを供給するラインと、前記ラインを流通するガスの圧力を検知する圧力検知装置と、前記圧力検知装置によってガス流量を制御する制御ユニットと、を具備するガス充填システムを用いてガス容器にガスを充填する方法であって、
(a)ガス容器内にガスを初期速度で流し始める工程と、
(b)前記圧力検知装置により測定した前記ラインを流通するガスの圧力が前記ガス容器内のガスの所望の最終圧力の5〜25%となるまで、前記ガス容器内へのガスの流量を増加する工程と、
(c)前記ガス容器へ前記ガスを最大流量で充填する工程と、
(d)前記圧力検知装置により測定した前記ラインを流通するガスの圧力が前記ガス容器内のガスの所望の最終圧力の75〜95%となった時、前記ガス容器内への前記ガスの流量を減少する工程と、
(e)前記圧力検知装置により測定した前記ラインを流通するガスの圧力が前記ガス容器内のガスの所望の最終圧力となった時、前記ガス容器内への前記ガスの流入を停止する工程と、
を有する、ガス容器へのガスの充填方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記工程(b)は、前記圧力検知装置により測定した前記ラインを流通するガスの圧力が前記ガス容器内のガスの所望の最終圧力の5〜15%となるまで行われる充填方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記工程(c)は、前記圧力検知装置により測定した前記ラインを流通するガスの圧力が前記ガス容器内のガスの所望の最終圧力の85〜95%となるまで行われる充填方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法であって、前記工程(b)の間の前記ガス容器内へのガス流量の増加割合が一定である充填方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法であって、前記工程(d)の間の前記ガス容器内への前記ガスの流量の減少割合が一定である充填方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の充填方法であって、ガス容器へ充填すべきガスが2種以上のガスの混合ガスであり、前記ラインを流通するガスの圧力と前記ガス容器内の混合ガスの所望の最終圧力とが、前記ガス容器内に含まれるガスの分圧によって決定される充填方法。
- ガス容器に2種以上のガスの混合ガスを充填する方法であって、前記混合ガスの少なくとも1種のガス成分を、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法によって前記ガス容器に充填し、前記ラインを流通するガスの圧力及びガス容器内のガスの所望の最終圧力は少なくとも1種のガス成分の分圧である充填方法。
- 請求項7に記載の方法であって、前記混合ガスの各ガス成分に対して前記工程(a)〜(e)を繰り返すことにより、前記混合ガスのガス成分を連続的に前記ガス容器に充填する充填方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法であって、前記ガス容器がガスシリンダである充填方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記工程(a)〜(d)の間の前記ガスの流量は、前記圧力検知装置からの信号を受信して分析し、前記工程(a)〜(d)の間のガスの流量を調節する制御信号を前記制御ユニットに送る予め選択されたプログラムによって決定される充填方法。
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