JP5649557B2 - 等方圧加圧装置及び等方圧加圧装置の加圧方法 - Google Patents
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例えば、特許文献1には、低圧用と高圧用との2つの圧縮機を別個に設けておいて、低圧用の圧縮機で一旦中間圧力まで昇圧したガスを冷却器に通して冷却した後、高圧用の圧縮機で再び高圧まで昇圧することで、温度上昇を抑えつつ昇圧を行うHIP装置が開示されている。
一方、特許文献2の往復動方式の昇圧機構は、左右のプランジャのそれぞれを低圧用の圧縮機と高圧用の圧縮機とに用いて圧媒ガスを短時間に加圧するものである。しかし、特許文献2の昇圧機構は、100MPaを超えるような高圧まで圧媒ガスを昇圧する用途に用いられるものではないし、特に時間のかかる低圧時の圧縮を効率的に行える構造にもなっていない。それゆえ、特許文献1と同様に昇圧の作業性は良くない。
即ち、本発明の等方圧加圧装置は、被処理物を収容する高圧容器と、この高圧容器内に供給されて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う圧媒ガスを供給する圧媒ガス供給源と、この圧媒ガス供給源から前記高圧容器内に圧媒ガスを供給する供給配管と、前記供給配管上に設けられて前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを圧縮する第1圧縮機及び第2圧縮機とを備えていて、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機で圧縮し、前記第1圧縮機で圧縮された圧媒ガスをさらに第2圧縮機で圧縮する高圧圧縮ラインを有する等方圧加圧装置であって、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機の上流側で分岐し、分岐された圧媒ガスの一部を第1圧縮機に送ると共に分岐された圧媒ガスの残りを第2圧縮機に送り、第1圧縮機と第2圧縮機とのそれぞれで圧縮された圧媒ガスを第2圧縮機の下流側で合流させて高圧容器内に送る低圧圧縮ラインも有することを特徴とする。
また、好ましくは、前記低圧圧縮ラインは、前記第1圧縮機の上流側の主配管と、第2圧縮機の上流側の主配管との間を直接結ぶ第1バイパス配管と、前記第1圧縮機と第2圧縮機との間であって、第1バイパス配管の合流位置(A)よりも上流側の主配管と、第2圧縮機よりも下流側の主配管との間を直接結ぶ第2バイパス配管と、を備えているとよい。
また、好ましくは、前記切替弁が、主配管に第1バイパス配管が合流する合流位置(A)より上流側であって、前記主配管から第2バイパス配管が分岐する分岐位置(B)より下流側に設けられているとよい。
また、本発明に係る等方圧加圧装置の最も好ましい形態は、被処理物を収容する高圧容器と、この高圧容器内に供給されて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う圧媒ガスを供給する圧媒ガス供給源と、この圧媒ガス供給源から前記高圧容器内に圧媒ガスを供給する供給配管と、前記供給配管上に設けられて前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを圧縮する第1圧縮機及び第2圧縮機とを備えていて、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機で圧縮し、前記第1圧縮機で圧縮された圧媒ガスをさらに第2圧縮機で圧縮する高圧圧縮ラインを有する等方圧加圧装置であって、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機の上流側で分岐し、分岐された圧媒ガスの一部を第1圧縮機に送ると共に分岐された圧媒ガスの残りを第2圧縮機に送り、第1圧縮機と第2圧縮機とのそれぞれで圧縮された圧媒ガスを第2圧縮機の下流側で合流させて高圧容器内に送る低圧圧縮ラインも有し、前記圧媒ガスの流路を、前記高圧圧縮ラインと低圧圧縮ラインとの間で切り替える切替弁が、前記第1圧縮機と第2圧縮機との間に設けられていることを特徴とする。
一方、本発明の等方圧加圧装置の加圧方法は、被処理物を収容する高圧容器と、この高圧容器内に供給されて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う圧媒ガスを供給する圧媒ガス供給源と、この圧媒ガス供給源から前記高圧容器内に圧媒ガスを送る供給配管と、前記供給配管上に設けられて前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを圧縮する第1圧縮機及び第2圧縮機とを備えた等方圧加圧装置の加圧方法であって、高圧圧縮時には、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機で圧縮し、前記第1圧縮機で圧縮された圧媒ガスをさらに第2圧縮機で圧縮して前記高圧容器に供給し、低圧圧縮時には、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機の上流側で分岐し、分岐さ
れた圧媒ガスの一部を第1圧縮機に送ると共に分岐された圧媒ガスの残りを第2圧縮機に送り、第1圧縮機と第2圧縮機とのそれぞれで圧媒ガスを圧縮し、それぞれで圧縮された圧媒ガスを第2圧縮機の下流側で合流させて前記高圧容器に供給することを特徴とする。
図1は、本発明の等方圧加圧装置1の装置全体を図示している。この等方圧加圧装置1は、被処理物Wを収容する高圧容器2(図1の右上側に配備された容器)と、この高圧容器2内に圧媒ガスを圧縮して圧力容器2内に強制的に送り込むガス供給機構3とを有している。
高圧容器2は、ガス不透過性の材料(ステンレス、ニッケル合金、またはモリブデン合金など)を用いて、被処理物Wを収容できるように内部が空洞な形状に形成されており、高圧容器2の内部は外部から気密的に隔離されている。また、本実施形態の高圧容器2の内部には断熱層4(図1において網掛けで示される部分)が設けられており、この断熱層4により高圧容器2の内部は外部から断熱的に隔離されている。そして、断熱層4の内側には、ガス供給機構3により供給された圧媒ガスを加熱する加熱手段(図示略)が設けられている。
なお、上述した圧媒ガスは、等方圧加圧が可能なように10MPa〜300MPaに昇圧可能なガスであって、被処理物Wとの間に反応を起こしにくいような不活性のガス、例えばアルゴンガスや窒素ガスなどが用いられる。
ガス供給機構3は、被処理物Wに対して等方圧加圧処理を行う圧媒ガスを所定の圧力まで圧縮、加圧しつつ高圧容器2内に強制的に送り込むものである。ガス供給機構3は、圧媒ガスを貯蔵するガスボンベ5(ガス供給源)と、このガスボンベ5から高圧容器2内に圧媒ガスを供給する供給配管と、この供給配管の中途に設けられて圧媒ガスを圧縮する第1圧縮機7及び第2圧縮機8とを有している。
供給配管は、高い耐圧性・耐熱性を有するチューブ(管材)から形成されており、空洞とされた内部に圧媒ガスを流通できるようになっている。供給配管は順次接合され、ガスボンベ5から最初に第1圧縮機7、次に第2圧縮機8を経由して高圧容器2内に圧媒ガスを供給する主配管12を構成し、この主配管12によってガスボンベ5と高圧容器2とは連結されている。また、主配管12には、後述する第1バイパス配管13や第2バイパス配管14が設けられている。
高圧圧縮ライン15は、図1に太線で示すように、「ガスボンベ5→第1圧縮機7→第2圧縮機8→高圧容器2」の順にそれぞれを結ぶ主配管12に沿って圧媒ガスを流通させるものである。この高圧圧縮ライン15を構成する主配管12には、ガスボンベ5から高圧容器2に向かう経路上に第1逆止弁16(CH1)と第2逆止弁17(CH2)とが隣接して配備されている。そして、第1逆止弁16と第2逆止弁17との間の主配管12には、第1圧縮機7(第1シリンダ18)が連通状態で接続されており、このガスボンベ5から第1逆止弁16までの配管系統が低圧ライン15aとされている(図3(b)参照)。
第2圧縮機8は、第1圧縮機7で圧縮された圧媒ガスをさらに10MPa〜300MPaの圧力(中圧域〜高圧域)まで圧縮するピストン式のガス圧縮機であり、上述したように第1圧縮機7と組み合わせて往復動式のガス圧縮機24を構成している。第2圧縮機8で圧縮された圧媒ガスは第2熱交換器23で冷却された後、高圧容器2に送られる。
具体的には、往復動式のガス圧縮機24は、一方側(図1の装置レイアウトでは左側)が第1圧縮機7とされ、有蓋円筒状(有底円筒状)の第1シリンダ18を水平方向に軸心を向けて備えている。また、往復動式のガス圧縮機24は、他方側(図1の装置レイアウトでは右側)が第2圧縮機8とされ、第1シリンダ18より小さな断面積を備えた有蓋円筒状の第2シリンダ21を同じく水平方向に軸心を向けて備えている。
例えば、右油圧ライン33を介して、シリンダ室28の右側空間30へ高圧の作動油が供給されたとする。その場合、ピストンロッド27が左方に移動してゆき、第1シリンダ18内に第1ピストン25が入り込んでゆき、第1シリンダ18内の圧媒ガスが圧縮されるようになる。すなわち、第1圧縮機7がガスボンベ5から低圧ライン15aを介して供給された圧媒ガスを圧縮する。このとき、第2シリンダ21内では第2ピストン26が膨張方向に移動するのに合わせて、既に第1圧縮機7で低圧域〜中圧域へと昇圧された圧媒ガスが中圧ライン15bを通じて第2シリンダ21内に供給される。
ところで、上述したような圧媒ガスは、ガス密度との関係から、高圧状態では圧縮性が小さいものの、低圧状態では高い圧縮性を備えている。つまり、ガス吐出量が一定で且つ昇温速度が一定であっても、ガス圧縮性が大きい低圧状態とガス圧縮性が小さい高圧状態とでは、圧縮機によって昇圧される速度にも大きな違いが生じてしまう。当然、ガス圧縮性が大きな低圧状態では、圧縮機から加わるエネルギの多くが圧媒ガス自体の圧縮に使われてしまうので、低圧な状態での昇圧の方が効率(昇圧速度)が悪くなるのである。
図2(a)に示すように、低圧圧縮ライン34は、第1圧縮機7を迂回する第1バイパス配管13と、第2圧縮機8を迂回する第2バイパス配管14と、を備えている。
第1バイパス配管13は、ガスボンベ5から供給された圧媒ガスを、第1圧縮機7を迂回して直接第2圧縮機8に送る配管であり、第1圧縮機7の上流側と下流側との主配管12間を結んでいる。具体的には、第1バイパス配管13は、第1圧縮機7の上流側の分岐点(図2(a)の位置C)で主配管12から分岐している。そして、第1バイパス配管13は、第2圧縮機8の上流側(図2(a)の位置A)で主配管12に合流している。
図3(a)に示すように、圧媒ガスの圧力が低い場合は、切替弁35を塞止状態としておく。そうすると、第1圧縮機7で圧縮された圧媒ガスは切替弁35を通じて第2圧縮機8に流れることはない。それゆえ、第1圧縮機7で低圧域〜中圧域へと圧縮された圧媒ガスは、第2圧縮機8側に流れず第2バイパス配管14を通じて直接、高圧容器2内に流れる。また、第1バイパス配管13を通じてガスボンベ5から供給された圧媒ガスも、同じく切替弁35が塞止状態とされているので、切替弁35を通じて第1圧縮機7側に逆流することはない。それゆえ、第1バイパス配管13を通じて第1圧縮機7を経由することなく位置Aまで流れてきた圧媒ガスは、この第2圧縮機8で低圧域〜中圧域へと圧縮された後、直接、高圧容器2内に流れる。
実施例の等方圧加圧装置1は図1に示す等方圧加圧装置1のうち、点線で囲まれた部分を図2(a)に示す配管で構成したものである。この等方圧加圧装置1には高圧容器2(一例として容積約3m3)が設けられており、この高圧容器2に対してはガスボンベ5からアルゴンガスが161Nm3/hrで供給されている。また、比較例は、図1の点線で囲まれた部分を図2(b)に示す配管で構成したものである。この比較例の高圧容器に対してはガスボンベからアルゴンガスが116Nm3/hrで供給されている。
図4に実線で示すように、実施例の等方圧加圧装置1(昇圧機構3)では0〜75MPaまで低圧圧縮ライン34を用いて昇圧を行い、高圧容器2内が75MPaになった時点でガスの流路を低圧圧縮ライン34から高圧圧縮ライン15に切り替え、75MPa〜200MPaまでは高圧圧縮ライン15を用いて昇圧を行った。また、同じく図4に点線で示す比較例では、0〜200MPaまで高圧圧縮ラインだけを用いて昇圧している。図4から明らかなように、高圧圧縮ライン15に加えて低圧圧縮ライン34を併用した実施例では低圧域での昇圧時にガス吐出量が161Nm3/hrと、比較例の116Nm3/hrより大きくなっており、昇圧速度が向上していることが分かる。
図5(a)から明らかなように、最終圧力である200MPaまで到達するのに必要な時間(図中に実線で示す実施例の昇圧時間)は、比較例(図中に点線で示すもの)に比べて83%と短くなっている。このことから実施例のように高圧圧縮ライン15に加えて低圧圧縮ライン34を用いれば、昇圧に必要な時間を17%程度短縮できるものと判断される。また、この低圧圧縮ライン34を用いた場合の昇圧時間の短縮効果は、加熱を行わない図6(a)を合わせて考えれば10〜17%となると判断される。
図5(b)から明らかなように、圧媒ガスの圧力が75〜200MPaの高圧域においては、実施例の装置1であっても高圧圧縮ライン15のみを用いており、この場合の加圧速度は比較例と殆ど同一である。しかし、0〜75MPaの低圧域においては、低圧圧縮ライン34を用いている実施例の装置は比較例より40%程度加圧速度が大きくなっている。このことから、実施例のように低圧圧縮ライン34を用いれば、昇圧に必要な時間を高圧圧縮ライン15を用いた場合に比べて40%程度短縮できるものと判断される。
以上の実施例から明らかなように、本実施形態の等方圧加圧装置1(昇圧機構)を用いることで、高圧容器2内の圧媒ガスを低圧と高圧とに分けて2段階で圧縮する際に、低圧時のガス吐出量を増大することによって低圧域の昇圧速度を増大し、目標圧力に到達する時間を短縮することが可能となる。
2 高圧容器
3 ガス供給機構
4 断熱層
5 ガスボンベ(圧媒ガス供給源)
7 第1圧縮機
8 第2圧縮機
9 供給バルブ
10 圧力計
11 ガス圧調整弁
12 主配管
13 第1バイパス配管
14 第2バイパス配管
15 高圧圧縮ライン
15a 低圧ライン
15b 中圧ライン
15c 高圧ライン
16 第1逆止弁
17 第2逆止弁
18 第1シリンダ
19 第3逆止弁
20 第4逆止弁
21 第2シリンダ
22 第1熱交換器
23 第2熱交換器
24 往復動式のガス圧縮機
25 第1ピストン
26 第2ピストン
27 ピストンロッド
28 シリンダ室
29 左側空間
30 右側空間
31 仕切板
32 左油圧ライン
33 右油圧ライン
34 低圧圧縮ライン
35 切替弁
W 被処理物
Claims (6)
- 被処理物を収容する高圧容器と、この高圧容器内に供給されて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う圧媒ガスを供給する圧媒ガス供給源と、この圧媒ガス供給源から前記高圧容器内に圧媒ガスを供給する供給配管と、前記供給配管上に設けられて前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを圧縮する第1圧縮機及び第2圧縮機とを備えていて、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機で圧縮し、前記第1圧縮機で圧縮された圧媒ガスをさらに第2圧縮機で圧縮する高圧圧縮ラインを有する等方圧加圧装置であって、
前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機の上流側で分岐し、分岐された圧媒ガスの一部を第1圧縮機に送ると共に分岐された圧媒ガスの残りを第2圧縮機に送り、第1圧縮機と第2圧縮機とのそれぞれで圧縮された圧媒ガスを第2圧縮機の下流側で合流させて高圧容器内に送る低圧圧縮ラインも有し、
前記圧媒ガスの流路を、前記高圧圧縮ラインと低圧圧縮ラインとの間で切り替える切替弁が、前記第1圧縮機と第2圧縮機との間に設けられていることを特徴とする等方圧加圧装置。 - 前記高圧圧縮ラインは、前記圧媒ガス供給源から第1圧縮機を経由し、この第1圧縮機の次に第2圧縮機を経由して前記高圧容器内に圧媒ガスを供給する主配管に沿って、圧媒ガスを流通させる構成とされていることを特徴とする請求項1に記載の等方圧加圧装置。
- 前記低圧圧縮ラインは、
前記第1圧縮機の上流側の主配管と、第2圧縮機の上流側の主配管との間を直接結ぶ第1バイパス配管と、
前記第1圧縮機と第2圧縮機との間であって、第1バイパス配管の合流位置(A)よりも上流側の主配管と、第2圧縮機よりも下流側の主配管との間を直接結ぶ第2バイパス配管と、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の等方圧加圧装置。 - 前記切替弁が、主配管に第1バイパス配管が合流する合流位置(A)より上流側であって、前記主配管から第2バイパス配管が分岐する分岐位置(B)より下流側に設けられて
いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の等方圧加圧装置。 - 前記第1圧縮機及び第2圧縮機は、それぞれのシリンダ内に導入された圧媒ガスを1本のピストンを往復移動させることで圧縮する方式とされていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の等方圧加圧装置。
- 被処理物を収容する高圧容器と、この高圧容器内に供給されて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う圧媒ガスを供給する圧媒ガス供給源と、この圧媒ガス供給源から前記高圧容器内に圧媒ガスを送る供給配管と、前記供給配管上に設けられて前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを圧縮する第1圧縮機及び第2圧縮機とを備えた等方圧加圧装置の加圧方法であって、
高圧圧縮時には、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機で圧縮し、前記第1圧縮機で圧縮された圧媒ガスをさらに第2圧縮機で圧縮して前記高圧容器に供給し、
低圧圧縮時には、前記圧媒ガス供給源から送られてきた圧媒ガスを第1圧縮機の上流側で分岐し、分岐された圧媒ガスの一部を第1圧縮機に送ると共に分岐された圧媒ガスの残りを第2圧縮機に送り、第1圧縮機と第2圧縮機とのそれぞれで圧媒ガスを圧縮し、それぞれで圧縮された圧媒ガスを第2圧縮機の下流側で合流させて前記高圧容器に供給することを特徴とする等方圧加圧装置の加圧方法。
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