JP6313564B2 - 低温流体移送管 - Google Patents

Description

本発明は、恒久的な輸送設備を設けるほどの頻度が見込めない、突発的な事情で、液体窒素等の低温流体を大略１０ｍ以上で数百ｍ以下の距離について比較的大量に移送する場合に用いて好適な低温流体移送管に関する。

従来、液体窒素を多量に使用する冷却設備等では、熱侵入によって液体窒素が蒸発する移送ロスの低減を目的として、真空断熱２重構造移送管を用いることが一般的であった。このような用途には、例えば特許文献１、２で提案された真空断熱構造が使用されている。また、非特許文献１では、真空断熱構造が示されていると共に、熱損失のデータが記載されている。

しかしながら、特許文献１、２、非特許文献１の移送管では、可撓性はあるものの真空断熱構造であるので、輸送距離１ｍ当たり数万円から十数万円程度の設備コストが発生する。また、当該特許文献の移送管では、金属を使用しているので重く、施工性が悪いという課題がある。
同様に、非特許文献２の移送管では、真空断熱構造が提案されている。しかし、非特許文献２の真空断熱構造は、固定配管、真空断熱構造であるため、恒久的な移送配管設備を目的とするものであり、臨時的に一時使用の場合のように用途に用いるのでは、設備コストが高額になると共に、流路経路の自由度が乏しく、配管設置場所の選定が困難になる場合がある。

他方で、非特許文献３では移送距離が２〜３ｍ以下の場合に用いて好適な、容器の組合せのフレキシブルホースが提案されている。これによれば供給先の場所に応じて、適宜に液体窒素等を容器から供給先に移送でき、好都合である。
しかしながら、非特許文献３の装置では断熱構造を有していないので、液体窒素等を例えば１０ｍ以上移送する場合、移送途中の低温流体移送管で液体窒素が気化温度まで上昇して、液体窒素の移送ロスが大きくなるか、最悪の場合は液体状態での移送が不可能になるという課題があった。

特許第５１８８７６９号公報 特許第４６２６８８７号公報

古河電工時報 第１１６号、５３〜５９頁 (株)千代田精機のＨＰ http://www.chiyoda-seiki. co.jp/page.php (株)バイオメディカルサイエンスのＨＰ http://www. bmsci.com/system/sample_m/cryojet.php

上述したように、恒久的な輸送設備を設けるほどの頻度が見込めない、突発的な事情で、液体窒素等の低温流体を１０ｍ以上で数百ｍ以下の距離について比較的大量に移送する場合には、従来の真空断熱２重構造移送管では非常に高価であると共に、施工性が悪いという課題があった。このような臨時的な使用状況として、例えば以下の事例がある。
(i) 大型超伝導マグネットの液体Ｈｅ注入前の液体窒素による予備冷却、
(ii) 臨時的に必要となった液体窒素の移送、
(iii) 食品、医療関係の低温保存需要に対する液体窒素による冷却

また、断熱構造を有していない移送管では、液体窒素の液体状態での移送が困難になるという課題があった。特に、上記(i)のように、液体窒素を数百リットル移送する場合には、液体状態での移送効率が大切である。移送すべき液体窒素が大量になると、小型の運搬容器を用いて頻繁に移送作業を繰り返すのは妥当性に欠ける。

本発明は、上記の課題を解決したもので、恒久的な輸送設備を設けるほどの頻度が見込めない、突発的な事情で、液体窒素等の低温流体を１０ｍ以上で数百ｍ以下の距離について比較的大量に移送する場合に用いて好適な低温流体移送管を提供することにある。

本発明の低温流体移送管は、例えば図１に示すように、沸点が７０Ｋ以上の液化ガスを移送するための冷温流体移送管１０であって、前記液化ガスの流路部となる樹脂管２０と、樹脂管２０の外周側に被覆した状態で設けられる断熱層３０であって、独立気泡を有する前記断熱層とを備え、樹脂管２０と断熱層３０による熱侵入量は、１９Ｗ／ｍ以下であることを特徴とする。液化ガスには、例えば液体窒素が適しているが、液体酸素、液体二酸化炭素などでもよい。
本発明の低温流体移送管の延長には、例えば図７、図８に示すように、接続治具本体のフランジ部分の両側に設けられた、樹脂管２０を接続するための突起部６０を有する接続治具５０と、突起部６０に樹脂管２０を挿入した状態で、樹脂管２０が突起部６０から抜けることを防止する係止治具７０とを有し、冷温流体移送管１０の相互の接続箇所において、係止用紐８０によって、接続治具５０と係止治具７０が嵌合した状態で保持されることを特徴とする。

本発明の低温流体移送管において、好ましくは、移送距離が１０ｍ以上２００ｍ以下であるとよい。移送距離は、例えば冷温流体移送管１０の全体の長さや、低温流体移送元容器１００と低温流体移送先容器２００との距離、並びに真空断熱２重構造移送管の区間を冷温流体移送管１０で延長する場合の延長長さがある。

本発明の低温流体移送管において、好ましくは、独立気泡型の断熱層３０が前記樹脂管を被覆する厚さが４０ｍｍ以上であるとよい。独立気泡型のガスの種類は、空気、アルゴン、二酸化炭素等が用いられる。空気に比べ、アルゴン、二酸化炭素ガスの場合、断熱性能は約１．５倍になる。なお、Ｒ−１１等のフロンガスは分子量が二酸化炭素よりさらに大きく熱伝導率は小さく断熱材用途に優れている。しかし、フロンガスは成層圏オゾン層破壊ガスであり、行政法上の規制から、独立気泡型のガスとして使用できない。

本発明の低温流体移送管において、好ましくは、独立気泡型の断熱層３０は、クロロプレンゴム、ニトリル系ゴム、硬質ポリウレタンゴムの少なくとも一つであるとよい。なお、硬質ポリウレタンゴムは、クロロプレンゴムより断熱性（熱伝導性）が優れているが、可撓性に劣るため、可撓性が要求されない用途に適している。
また、最内層の樹脂管２０の外周、または移送管全体の外周にアルミニウム等の輻射熱侵入を防止する層を設けてもよい。これにより、外気からの熱侵入はさらに抑えられる。

本発明により、従来の真空断熱管方式に比較して次の利点がある。
(i) 設備費用が従来の真空断熱方式に比べ、約１／１０以下と非常に安価であること。
(ii) 金属製の真空断熱方式に比べ、フレキシブルな樹脂製であるため設置が容易で移送経路の制約が少なく簡便であること。
(iii) 特別な真空断熱／極低温に関する技術または知識を必要とせず、初歩的な教育のみで窒素移送の業務に従事できること。
(iv) 断熱機構が真空断熱でないため、多少の蒸発ロスは発生するものの、その蒸発ロス量は実務上許容される範囲内ですむ。

本発明の一実施の形態としての移送管の断面構成図である。 移送管の被覆断熱部の厚みを変えた場合の、被覆部表面温度の時間変化を示した図である。 本発明の一実施の形態としての移送管を適用した時の液体窒素移送状況を示す図である。 図３の本発明適用時の液体窒素移送結果を示す図である。 本発明の一実施の形態としての移送管を適用した時の液体窒素移送状況を示す図である。 図５で示した移送時の９３０ＭＨｚＮＭＲマグネットの冷却曲線を示す図である。 本発明の一実施の形態としての移送管接続治具を説明する斜視状態の図である。 本発明の一実施の形態としての移送管接続治具を説明する組立状態の構成図である。 本発明の一実施の形態としての移送管接続治具を説明する斜視状態の図である。 図７や図９の移送管接続治具の取付状況を説明する斜視状態の図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳述する。
［実施例１］
本発明の原理が実現可能か、可能ならば断熱材の最適な厚みはどの位かを確認するための予備実験を実施した。
図１は、本発明の一実施の形態としての移送管の断面構成図である。中心に内径１２ｍｍ、外径１６ｍｍのポリウレタン製の樹脂管２０を配し、断熱被覆材として独立気泡型の厚み１０ｍｍのクロロプレンゴムを単数又は複数枚を積層して、断熱層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆとしている。ここでは、クロロプレンゴムの厚みが１０ｍｍなので、断熱層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆの厚みは、積層した状態で１０ｍｍから６０ｍｍまで、１０ｍｍ刻みで６種類変えて、液体窒素移送時の表面温度、結露状況を調査した。図において、クロロプレンゴムの各層には、温度測定用の熱電対４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆが設けてある。

図２は、被覆厚みを変えた時の移送管の表面温度の経時変化を示したものである。外気温は２４℃である。断熱層３０としてクロロプレン厚み４０ｍｍ以上では、温度の低下が少なく熱侵入が少ないことがわかる。また。断熱層３０としてクロロプレン厚みが３０ｍｍ以下では明らかに結露が見られた。このデータをもとに、被覆材の熱伝導率、被覆材の表面放射率、熱伝達率をベースに、熱侵入量を求めると、被覆厚み６０ｍｍ；１４Ｗ／ｍ、被覆厚み５０ｍｍ；１６Ｗ／ｍ、被覆厚み４０ｍｍ；１９Ｗ／ｍ、被覆厚み３０ｍｍ；３０Ｗ／ｍ、被覆厚み２０ｍｍ；３９Ｗ／ｍ、被覆厚み１０ｍｍ；５９Ｗ／ｍであり、４０ｍｍ以下で急激に熱侵入量が多くなることが分かった。以上の実験結果から、断熱層３０の被覆厚みは４０ｍｍ以上必要であることが分かった。

［実施例２］
次に、本発明で５０ｍレベルの長距離移送が可能かの実験を実施した。実施例１の結果をもとにポリウレタン中心移送管の外周に厚さ７０ｍｍの独立気泡型クロロプレン断熱材を被覆した。
図３は実験状況を示す図である。低温流体移送元容器１００としての５００Ｌの液体窒素タンクから、本発明の一実施の形態としての移送管５５ｍを介して、低温流体移送先容器２００としての２００Ｌのタンクへの移送を実施した。スペースを取らないように７周巻いて液体窒素移送実験を行った。

図４は、図３の本発明適用時の液体窒素移送結果を示す図である。移送開始後約１０分で液体窒素は低温流体移送先容器２００に貯蔵開始され、６７分後に２００Ｌ充填された。従って、３Ｌ/分の移送速度である。低温流体移送元容器１００としての５００Ｌのタンクの液体窒素の減量は約３００Ｌであり、３０％が気化ロスとなっていた。前述した熱侵入量から計算した本発明の一実施の形態としての移送管の気化ロスは、約１５％である。以上の実験から、５０ｍレベルの液体窒素の長距離に本発明、被覆断熱移送管が十分使用できることが分かった。

［実施例３］
実施例２で使用した液体窒素移送管を使用して、低温流体移送先容器２００としての９３０ＭＨｚＮＭＲマグネットシステムの液体窒素温度レベルへの予冷を行った。マグネットシステムのクライオスタットの内容積は約１５００Ｌである。
図５に、本発明の一実施の形態としての移送管を適用した時の液体窒素移送状況を示す図である。また、図６にクライオスタット内の冷却曲線を示した。約１３日で、液体窒素温度レベルの１００Ｋまで冷却できた。その後は、液体ヘリウムで冷却した。液体ヘリウムによる冷却は本発明の一実施の形態としての移送管は使用していない。
図６の結果にみられるように、本発明液体窒素移送管は大型超伝導マグネットの予冷に十分機能することが確かめられた。

移送管を延長する場合、図７、図８に示すような、外径１１．２ｍｍの真鍮製の治具５０を用いて内径１２ｍｍ、外径１６ｍｍのポリウレタン製の樹脂管２０を両側に挿入接続した。接続治具５０は、本体のフランジ部分の両側に、樹脂管２０を接続するための突起部６０が設けてある。突起部６０に樹脂管２０を挿入した状態で、樹脂管２０が突起部６０から抜けることを防止するため、係止治具７０が装着される。組立状態では、係止用紐８０によって、接続治具５０と係止治具７０が嵌合した状態で保持される。

図９は、片側が低温流体移送元容器１００側または移送先容器２００側の場合の接続治具５２を示した。接続治具５２は、本体のフランジ部分の一方側に、樹脂管２０を接続するための突起部６２が設けてあり、他方に低温流体移送元容器１００側または移送先容器２００側と接続するためのネジ部６４が設けてある。ネジ部６４には、例えばＭ２６の雌ねじを用いる。
図１０は、実際の移送管治具５０の取付状況を示したものである。接続治具５０の一方には樹脂管２０が接続してあり、他方には樹脂管２０を接続するための突起部６０が露出している。
以上のような、端末または延長接続治具を用いることにより、液体窒素移送は長時間、少ないロスで移送することができる。

なお、上記の実施の形態は本発明を例示するものであり、本発明を制限的に解釈すべきものではない。従って、当業者にとって上記の実施の形態から自明な範囲は、本発明の保護範囲に含まれるものである。
例えば、独立気泡型の断熱層３０に用いられる材料は、クロロプレンゴム、ニトリル系ゴム、硬質ポリウレタンゴムであり、その物性値は表１のようになっている。そこで、表１の物性値を有するゴム性材料であれば、独立気泡型の断熱層３０として他の汎用有機化合物を用いても差し支えない。

本発明の低温流体移送管は、恒久的な輸送設備を設けるほどの頻度が見込めない、突発的な事情で、液体窒素を１０ｍ以上で数百ｍ以下の距離について比較的大量に移送する場合に用いて好適であり、典型的には次の類型がある。
(i) 大型超伝導マグネットの液体Ｈｅ注入前の液体窒素による予備冷却、
(ii) 臨時的に必要となった液体窒素の移送、
(iii) 食品、医療関係の低温保存需要に対する液体窒素による冷却。

１０ 冷温流体移送管
２０ 樹脂管
３０ 断熱層
４０ 熱電対
５０ 接続治具
１００ 移送元容器
２００ 移送先容器

Claims (4)

1. 沸点が７０Ｋ以上の液化ガスを移送するための冷温流体移送管であって、前記液化ガスの流路部となる樹脂管と、前記樹脂管の外周側に被覆した状態で設けられる断熱層であって、独立気泡を有する前記断熱層とを備え、前記樹脂管と前記断熱層による熱侵入量は、１９Ｗ／ｍ以下であると共に、
   接続治具本体のフランジ部分の両側に設けられた、前記樹脂管を接続するための突起部を有する接続治具と、
   前記突起部に前記樹脂管を挿入した状態で、前記樹脂管が前記突起部から抜けることを防止する係止治具とを有し、
   前記冷温流体移送管の相互の接続箇所において、係止用紐によって、前記接続治具と前記係止治具が嵌合した状態で保持されることを特徴とする冷温流体移送管。
2. 前記液化ガスの移送において、移送距離が１０ｍ以上２００ｍ以下であることを特徴とする請求項1に記載の冷温流体移送管。
3. 前記独立気泡型の前記断熱層が前記樹脂管を被覆する厚さが４０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷温流体移送管。
4. 前記独立気泡型の前記断熱層は、クロロプレンゴム、ニトリル系ゴム、硬質ポリウレタンゴムの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷温流体移送管。