JP4964462B2 - 高圧ガス供給装置および高圧ガス供給方法 - Google Patents

Description

この発明は、昇圧ポンプや圧縮機などの駆動動力機器を使用することなく、高圧ガスを供給先に供給することが可能な高圧ガス供給装置および供給方法に関する。

特開２００２−２９５７９６号公報には、液化ガス貯槽内に貯留されている低温の液化ガスを、昇圧ポンプを使用せずに昇圧してガス容器に充填する方法として、液化ガス貯槽内の液化ガスを加圧槽へ移送し、加圧槽に設けた加圧蒸発器で液化ガスの一部を気化して昇圧し、液化ガス貯槽内の液化ガスよりも高圧のガスを得た後にガス容器に充填する方法が記載されている。

しかしながら、この方法では、液化ガスを加圧槽へ移送する際、加圧槽の冷却を昇圧対象である液化ガスで行なっている。そのため、加圧槽が冷却されるまで、液化ガスはガス化され、気化したガスを放出しなければならないためロスが発生する問題がある。
また、加圧槽の液化ガスを全て消費せず高圧のガスが残っている状態で、新たに昇圧対象の液化ガスを加圧槽に移送する際には、加圧槽内の圧力を液化ガス貯槽内の圧力以下とする必要があり、そのためガスを放出する事が行われ、多量のロスが発生する問題がある。

特に、供給するガスがアルゴンガスなどの高価なガスである場合には、多量のガス放出などによるロスの発生により、コストアップとなる問題があった。
特開２００２−２９５７９６号公報

よって、本発明における課題は、ポンプ等の駆動動力機器を用いることなく、液体状態のガスを気化して高圧ガスを供給するにあたり、液化ガス容器内の供給ガスを全て消費していない状態であっても、容器内の圧力を大気放出する必要がなく再充填でき、ロスを低減し、安価に高圧ガスを供給できる高圧ガス供給装置および供給方法を提供することにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、冷却槽および加圧槽を備え、
冷却槽は、その内部に冷媒が満たされるものであり、
加圧槽は、その内部に供給元からのガスがガス状で供給され、上記冷却槽に沈められて冷却され、内部のガスが液化し、上記冷却槽から取り出されて加温され、内部のガスが気化し、この気化したガスを供給先に送出するものであり、前記加圧槽に供給元から供給されるガス量を計測する第１積算流量計と、前記第１積算流量計での流量値との差を求めることで前記加圧槽内の残留ガス量を測定するために用いる、前記加圧槽から供給先に供給されるガス量を計測する第２積算流量計と、を有することを特徴とする高圧ガス供給装置である。

請求項２にかかる発明は、１基の冷却槽に対して２基の加圧槽を設けて、ガスを連続的に送出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガス供給装置である。

請求項３にかかる発明は、請求項１記載の高圧ガス供給装置を用い、供給元からのガスを加圧槽内に送り込むとともにこの加圧槽を冷却槽に沈めてガスを液状で貯留し、ついでこの加圧槽を冷却槽から取り出して加温し、内部のガスを気化させ、このガスを供給先に送給することを特徴とする高圧ガス供給方法である。

請求項４にかかる発明は、請求項２記載の高圧ガス供給装置を用い、供給元からのガスを一方の加圧槽内に送り込むとともにこの加圧槽を冷却槽に沈めてガスを液状で貯留し、ついでこの加圧槽を冷却槽から取り出して加温し、内部のガスを気化させ、このガスを供給先に送給する操作と、供給元からのガスを他方の加圧槽内に送り込むとともにこの加圧槽を冷却槽に沈めてガスを液状で貯留し、ついでこの加圧槽を冷却槽から取り出して加温し、内部のガスを気化させ、このガスを供給先に送給する操作を交互に繰り返し、ガスを連続的に供給先に供給することを特徴とする高圧ガス供給方法である。

本発明によれば、加圧槽のガスまたは液化ガスを全て消費しなかった場合でも、ガスを放出するなどにより降圧する必要がないので、液化ガスを有効に利用することができる。また高圧ガスをポンプ等を用いることなく供給することができ、さらに加圧槽を冷却する冷媒には、供給するガスと別の液化ガスなどを使用することができるため、冷媒として安価な液体窒素等を用いることができる。
したって、ガスのロスを少なくして高圧ガスを供給することが可能となる。

図１は、本発明の高圧ガス供給装置の一例を示すものである。
この例の高圧ガス供給装置は、供給元からのアルゴンガスなどのガスを冷却し、液化ガスとして溜めるとともに、供給先への供給の際には液化ガスを気化する第１加圧槽１と、同じく第２加圧槽２と、これら加圧槽１、２を冷却する冷却槽３と、加圧槽１、２に供給元から供給されるガス量を計測する第１積算流量計４と、加圧槽１、２から供給先に供給されるガス量を計測する第２積算流量計５と、これら加圧槽１、２内のガス量または液化ガス量を測定する残量測定手段とから概略構成されている。

第１加圧槽１は、銅、ステンレス鋼などからなる金属パイプをスパイラル状に巻回して形成されたもので、金属パイプの一端がガス入口となって開閉弁６に接続され、開閉弁６は逆止弁７を介して管８に接続され、管８は、第１積算流量計４を介して図示しないガス供給元に接続されている。

また、第１加圧槽１をなす金属パイプの他端は、ガス出口となっており、このガス出口は開閉弁９に接続され、この開閉弁９は逆止弁１０を介して管１１に接続され、この管１１は、圧力調整弁１２および第２積算流量計５を介して図示しない供給先に接続されている。
また、第１加圧槽１のガス出口には、ここの温度と圧力を測定する温度計１３と圧力計１４とが設けられている。

また、管８および管１１から分岐するようにして第２加圧槽２が設けられている。この第２加圧槽２は、第１加圧槽１と同様の構造のものであって、そのガス入口は開閉弁１５に接続され、開閉弁１５は逆止弁２３、管１６を介して管８に接続されている。また、そのガス出口は開閉弁１７に接続され、開閉弁１７は、逆止弁１８を介して管１９から管１１に接続されている。
また、第２加圧槽２のガス出口には、ここの温度と圧力を測定する温度計２４と圧力計２５とが設けられている。

冷却槽３は、その内部に液化窒素などの冷媒を満たす密閉可能な容器であって、この冷媒中に上記第１加圧槽１または第２加圧槽２を沈めてこれを冷却し、加圧槽１、２内部のガスを冷却し、液化するように構成されている。
冷却槽３には、冷媒をその内部に所定量導入するための流量調整弁２０が付設され、この流量調整弁２０は図示しない冷媒供給源に接続されている。

また、冷却槽３には、内部の冷媒の温度を計測する測温計２１が設けられ、この測温計２１からの温度信号が上記流量調整弁２０に送られ、冷媒の冷却槽３への供給量が制御されるようになっている。さらに、冷却槽３には、冷媒排出口２２が形成され、加圧槽１、２を冷却して気化した窒素ガスなどのガス状の冷媒が排出されるようになっている。

さらに、この例での残量測定手段は、供給元側の第１積算流量計４と供給先側の第２積算流量計５とで構成されており、両方の積算流量計での流量値の差を求めることで、第１加圧槽１または第２加圧槽２内の残留ガス量を知ることができるようになっている。また、加圧槽１、２のガス出口側の圧力計１４、２５と温度計１３、２４とで残量測定手段を構成することもできる。この場合には、加圧槽１、２内の温度、圧力を上記温度計１３、２４と圧力計１４、２５から計測し、この温度、圧力からガス密度を算出し、このガス密度に加圧槽１、２の有効体積を乗じて残留ガス量を求めることができる。ただし、この場合には加圧槽１、２内のガスがすべて気化していることが前提となる。

次に、図１に示した高圧ガス供給装置を使用し、高圧ガスを供給する方法について説明する。この説明においては、供給するガスにはアルゴンガス、冷却槽３を供給される冷媒には液体窒素を用いるものを例示して説明する。

まず、供給するアルゴンガスを液化する工程について説明する。
初めに冷却槽３内に第１加圧槽１を設置し、開閉弁６を開、開閉弁９を閉とする。次に、第１加圧槽１の圧力を、供給元のアルゴン貯槽の圧力より低くし、アルゴンガスを、第１積算流量計４を通して第１加圧槽１に供給するとともに、冷却槽２に冷媒供給源からの液体窒素を流量調整弁２０から供給し、第１加圧槽１内のアルゴンガスを冷却する。

液体窒素は、大気圧で−１９６℃の液体である。一方、アルゴンガスは、ガス状態では大気圧、加圧された状態であっても、−１９６℃以上のガスであるから、液体窒素はアルゴンガスを冷却し、液化する。アルゴンガスの冷却および液体アルゴンへの相変化に伴い、第１加圧槽１内の圧力は低下するため、アルゴンガスはガス供給元から第１加圧槽１へ継続的に供給される。

第１積算流量計４の積算値により加圧槽１に貯留できた液体アルゴンの量を把握することができ、第１積算流量計４が所定の値になれば開閉弁６を閉とする。開閉弁６は、第１積算流量計４からの指示で自動的に開閉するようにすることが好ましい。

次に、第１加圧槽１において液化した液体アルゴンをガス化し、所望の圧力で供給する工程について説明する。
まず、第１加圧槽１を冷却槽３から取り出す。第１加圧槽１内の液体アルゴンは大気との熱交換により、徐々にガス化され、第１加圧槽１内は昇圧される。所定の圧力になった後、開閉弁９を開とする。これに併せて圧力調整弁１２を設定するまたは予め設定しておくことにより、所望の圧力のアルゴンガスを供給することが可能になる。

アルゴンガスの供給に伴って、第２積算流量計５にて供給量を把握することができ、第１加圧槽１内にアルゴンガスが残っているかどうかが判る。残っている場合には、次の充填の際にその量が存在することを考慮して充填する。
なお、第１加圧槽１内の液化アルゴンを気化する際、大気との熱交換により加温したが、ヒーターを内蔵した加温槽を別途設けることにより、昇温速度を上げることができることは言うまでもない。

供給先へ連続してアルゴンガスを供給する場合には、第１加圧槽１を冷却槽３から取り出した後、第２加圧槽２を冷却槽３に沈め、第２加圧槽２にアルゴンガスを同様に供給し、液化させておき、第１加圧槽１内のアルゴンガスがなくなる前に、第２加圧槽２を冷却槽３から取り出し、同様の操作をすることで、可能になる。すなわち、一方の加圧槽からアルゴンガスを供給先に供給しながら、他方の加圧槽でアルゴンガスを液化後加圧し、これを交互に切替えることにより連続供給が可能となる。

第１加圧槽１に貯留した液体アルゴンを全て消費せずに残っている場合、またはアルゴンガスが残っている場合、第１加圧槽１を再び冷却槽３に沈め、冷却槽３に対して、その設定温度に応じて液体窒素を供給することにより冷却し、第１加圧槽１内の残アルゴンガスを再び液化することが可能となる。残アルゴンガスが液化された後は、先と同様に操作することで、新たに高圧のアルゴンガスを供給することができる。

このように、加圧槽１、２を冷却してその内部のアルゴンガスを液化する際には、アルゴンガス以外の液体窒素などの冷媒を用いているので、供給すべきアルゴンガスの無駄がなくなる。
また、加圧槽内にアルゴンが残っても、加圧槽を再度冷却槽３に沈めてこの残留ガスを液化できるので、加圧槽１、２内の残留ガスを放出する必要もなく、これによってもアルゴンガスの無駄がなくなる。

上記実施例では、加圧槽１、２には、それぞれの入口および出口に、開閉弁をそれぞれ設けたが、加圧槽の出入り口を共通の１個として、１個の開閉弁を設けてもよい。
また、加圧槽１、２にはフィンなどを設けることにより、伝熱面積を大きくすることができ、冷却、加温能力を大きくすることができる。
さらに、加圧槽が１基の場合には、高圧ガスの供給は間欠的に行われる。

また、上記実施例では、冷却用の媒体として大気圧の液体窒素を用いたが、供給用のガスの状態により、−１９６℃の冷源が不要な場合には、測温計２１の設定値で変更すればよい。この条件は、供給ガスの供給量、ガス圧力などにより決定すればよいが、冷媒を節約するためには温度は高く設定することが望ましい。

次に、本発明の高圧ガス供給装置を以下の仕様にて作成し、効果を確認した。 第１加圧槽１には、管サイズ１０Ａスケジュール８０（外径１７．３ｍｍ、肉厚３．２ｍｍ）のステンレス鋼管、長さ１１ｍをスパイラル状とし、内容積を約１．１リットルとして製作した。

この第１加圧槽１を冷却槽３に設置した。冷却槽３には、液体窒素を導入し、温度が−１５０℃に設定した。液体窒素が満たされ、アルゴンガスボンベからアルゴンガスを３ＭＰａ以上の圧力で第１加圧槽１に移送し、液化させ、３ＭＰａ未満の液体アルゴンとし、開閉弁６を閉とした。

次に、第１加圧槽１を冷却槽３から取り出し、液体アルゴンを全て気化させ、第１加圧槽１内圧力が４０ＭＰａになった時点で開閉弁９を開（このときの加圧槽１内の温度は２８０Ｋ）とし、あらかじめ２０ＭＰａに設定された圧力調整弁１２を介して高圧のアルゴンガスを供給先に供給した。

このとき、２０ＭＰａのアルゴンガスを２．０Ｌ／ｍｉｎで１時間連続供給することができた。供給終了後の加圧槽１内の圧力は、２５ＭＰａ、温度は２８０Ｋであり、ガス密度が４５６．１７ｋｇ／ｍ^３であることから、これに第１加圧槽１の有効内容積から第１加圧槽１内の残ガス量は０．５０１８ｋｇであることが判った。

本発明の高圧ガス供給装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１：第１加圧槽 ２：第２加圧槽 ３：冷却槽

Claims (4)

1. 冷却槽および加圧槽を備え、
   冷却槽は、その内部に冷媒が満たされるものであり、
   加圧槽は、その内部に供給元からのガスがガス状で供給され、上記冷却槽に沈められて冷却され、内部のガスが液化し、上記冷却槽から取り出されて加温され、内部のガスが気化し、この気化したガスを供給先に送出するものであり、
   前記加圧槽に供給元から供給されるガス量を計測する第１積算流量計と、
   前記第１積算流量計での流量値との差を求めることで前記加圧槽内の残留ガス量を測定するために用いる、前記加圧槽から供給先に供給されるガス量を計測する第２積算流量計と、
   を有することを特徴とする高圧ガス供給装置。
2. １基の冷却槽に対して２基の加圧槽を設けて、ガスを連続的に送出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガス供給装置。
3. 請求項１記載の高圧ガス供給装置を用い、供給元からのガスを加圧槽内に送り込むとともにこの加圧槽を冷却槽に沈めてガスを液状で貯留し、ついでこの加圧槽を冷却槽から取り出して加温し、内部のガスを気化させ、このガスを供給先に送給することを特徴とする高圧ガス供給方法。
4. 請求項２記載の高圧ガス供給装置を用い、供給元からのガスを一方の加圧槽内に送り込むとともにこの加圧槽を冷却槽に沈めてガスを液状で貯留し、ついでこの加圧槽を冷却槽から取り出して加温し、内部のガスを気化させ、このガスを供給先に送給する操作と、供給元からのガスを他方の加圧槽内に送り込むとともにこの加圧槽を冷却槽に沈めてガスを液状で貯留し、ついでこの加圧槽を冷却槽から取り出して加温し、内部のガスを気化させ、このガスを供給先に送給する操作を交互に繰り返し、ガスを連続的に供給先に供給することを特徴とする高圧ガス供給方法。
   
   

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