JP6619551B2 - 低温流体用二重構造管及び低温流体用二重構造貯槽 - Google Patents

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Description

本発明は低温流体用二重構造管及び低温流体用二重構造貯槽に関し、特に簡単な断熱構造でもって低温液化ガスを輸送可能又は貯留可能に構成したものに関する。
従来から、ＬＰＧやＬＮＧ等の低温流体を流す一重管では、その一重管の外周側を発泡体等の断熱材で覆う断熱構造が広く採用されている。しかし、極低温の低温液化ガス（例えば、液化ヘリウム、液化水素、液化窒素、液化酸素等）を流す場合、上記の断熱構造では不十分であり、対流熱伝達を防止する為に内管と外管との間に真空層を形成し、この真空層による断熱効果を利用した真空断熱二重構造管が実用に供されている。
例えば、特許文献１に記載の供給管路（低温流体用二重構造管）においては、ＦＲＰ製の内管とＦＲＰ製の外管とから構成され、内管の外周面にアルミニウムを蒸着した不織布を巻き付け、内管と外管との間に真空層を形成し、内管の内部を流れる液化ヘリウムが気化するのを防止する断熱構造が採用されている。
また、低温流体を収容する為のガス貯槽においても、上記の二重構造管と同様に、低温流体を収容した内槽と、この内槽に空間を空けて外嵌された外槽とで構成され、内槽と外槽との間の空間に真空層を形成した真空断熱二重構造貯槽も一般に知られている。
特開平８−１５３９７号公報
従来の真空断熱二重構造管において、内管と外管との間の筒状空間に真空層を形成する為には、真空ポンプを利用して筒状空間から空気を排出する真空引きを行う必要があり、真空層を形成するのに多大の労力とコストがかかるという問題がある。二重構造貯槽等の他の真空断熱二重構造体においても、上記と同様の問題がある。
本発明の目的は、簡易的な真空断熱二重構造を有する低温流体用二重構造管及び低温流体用二重構造貯槽を提供することである。
請求項１の低温流体用二重構造管は、内管と、密閉された筒状空間を空けて前記内管に外嵌された外管とを備え、前記内管の内部に低温流体を流すようにした低温流体用二重構造管において、前記内管と前記外管との間の筒状空間に、前記低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスを充填し、前記内管の内部を流れる前記低温流体によって、前記不活性ガスを液化又は固体化して前記内管の外周面に液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成することで、前記筒状空間に真空に近い負圧層を形成するように構成し、前記内管の外周面に形成された前記液化不活性ガス層から滴下した液化不活性ガスと前記固体不活性ガス層から剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材を備えていることを特徴としている。
請求項２の低温流体用二重構造管は、請求項１の発明において、前記受容部材は、前記内管と前記外管との間の前記筒状空間のうちの前記内管の下側の空間に内管との間で伝熱可能に設けられたことを特徴としている。
請求項３の低温流体用二重構造管は、請求項１の発明において、前記受容部材は、鉛直方向に延びる前記内管の外周部に長さ方向適当間隔おきに設けられ且つ内周端が前記内管の外周部に固定された複数の環状の受け皿を備えたことを特徴としている。
請求項４の低温流体用二重構造管は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記低温流体が、液化ヘリウムと液化水素のうちの何れかであり、前記不活性ガスが二酸化炭素であることを特徴としている。
請求項１の発明（低温流体用二重構造管）によれば、内管と外管との間の筒状空間に、低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスを充填し、内管の内部を流れる低温流体によって、不活性ガスを液化又は固体化して内管の外周面に液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成することで、筒状空間に真空に近い負圧層を形成するので、簡単な構造の負圧層によって筒状空間における対流熱伝達を防止して断熱性能を確保することができる。
内管の内部に低温流体を流すと、筒状空間に充填された低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスが冷却されて液化又は固体化して内管の外周面に凝固・凝着して液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成するので、真空ポンプを使用せずに、容易に筒状空間を疑似的な真空状態にすることができる。
内管の内部に低温流体が流れていない場合、内管と外管との間の筒状空間に不活性ガスからなる不活性ガス層が形成されるので、外管に内側からガス圧が作用し、外管内への外気の侵入を防止することができ、低温流体用二重構造管の破損時の修理後に、内管と外管との間の筒状空間に不活性ガスを充填するだけで済むので、真空引きする場合と比較して労力やコストを軽減することができる。
そして、内管の外周面に形成された液化不活性ガス層から滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層から剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材を備えているので、液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方が常温に晒されている外管と直接接触するのを防止し、液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発により負圧層の真空状態が劣化するのを防止することができる。
請求項２の発明によれば、受容部材は、内管と外管との間の筒状空間のうちの内管の下側の空間に内管との間で伝熱可能に設けられたので、内管の外周面に形成された液化不活性ガス層から下側に滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層から剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受容部材によって確実に受け止めることができる。また、受容部材は、内管との伝熱を介して低温流体によって冷却されているので、受容部材で受け止めた液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発を防止することができる。
請求項３の発明によれば、受容部材は、鉛直方向に延びる内管の外周部に長さ方向適当間隔おきに設けられ且つ内周端が内管の外周部に固定された複数の環状の受け皿で構成されたので、内管の外周面に形成された液化不活性ガス層から外周面に沿って滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層から外周面に沿って剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を環状の受け皿によって確実に受け止めることができる。
請求項４の発明によれば、低温流体が、液化ヘリウム、液化水素のうちの何れかであり、不活性ガスが二酸化炭素であるので、内管がその内部を流れる低温流体で冷却されると、内管の外周面に固体炭酸ガスが形成されるため、固体炭酸ガスの剥離が生じにくく、固体炭酸ガスと外管の接触が生じない。
本発明の実施例１に係る低温流体用二重構造管の平面図である。 低温流体用二重構造管の部分断面斜視図である。 図１のIII-III線断面図である。 低温流体用二重構造管の部分断面斜視図である。 図１のV-V線断面図である。 実施例２に係る低温流体用二重構造貯槽の正面図である。 図６の部分拡大断面図である。
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
先ず、低温流体用二重構造管１の全体構造について説明する。
図１〜図５に示すように、低温流体用二重構造管１は、内管２と、この内管２に密閉された筒状空間を空けて外嵌された外管３とを備えている。この低温流体用二重構造管１においては、内管２の内部に低温流体４（例えば、液化ヘリウム又は液化水素等）が流れ、内管２と外管３との間の筒状空間に真空に近い負圧層５が形成される。
内管２と外管３は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金で製作された素材管を用いて製作される。内管２のサイズは、例えば約６インチであり、外管３のサイズは、例えば約８インチであり、内管２及び外管３の管壁の厚さは、例えば１．０〜３．０ｍｍである。但し、これらの数値は例示であり、これらの数値に限定されるものではない。
尚、図示省略したが、内管２の外周側には輻射熱遮断用のスーパーインシュレーションが巻装されている。
内管２と外管３との間の筒状空間に、低温流体４の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガス（例えば炭酸ガスや窒素ガス）を充填し、内管２の内部を流れる低温流体４によって、不活性ガスを液化又は固体化して内管２の外周面に液化不活性ガス層６ａと固体不活性ガス層６ｂの少なくとも一方を形成することで、前記負圧層５が形成される。尚、全ての不活性ガスが内管２の外周面に固着した場合、固体不活性ガス層６ｂの厚さは、０．０２〜０．０５ｍｍであり、このときの負圧層５の圧力は、４．０×１０-7〜７．０×１０-8Ｐａである。
尚、内管２の内部に低温流体４が流れると、筒状空間に負圧層５が形成されるが、内管２の内部に低温流体４が流れていない場合、筒状空間に内管２の内部に流す低温流体４の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスの不活性ガス層が形成される。
低温流体４は、例えば、液化ヘリウム、液化水素のうちの何れかであるが、これらに限定されるものではないし、上記の液化ガスの気液二相流体の場合もある。上記の低温流体４の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスとして、二酸化炭素が好適であるが、低温流体４の種類によっては、他の不活性ガスを採用可能である。尚、二酸化炭素の場合、殆ど液化せずに固体化するため、他の不活性ガスと比較すると、内管の外周面から剥離しにくいという効果がある。
次に、受容部材７について説明する。
図１〜図５に示すように。低温流体用二重構造管１は、内管２の外周面に形成された液化不活性ガス層６ａから滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層６ｂから剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材７を備えている。この受容部材７は、少なくとも水平方向に延びる内管２に設けられた１又は複数の樋状の受け皿８と、鉛直方向に延びる内管２に設けられた複数の環状の受け皿９とを備えている。尚、図１には、１つの樋状の受け皿８が部分的に図示され、複数の環状の受け皿９のうちの３つの環状の受け皿９が図示されている。
次に、樋状の受け皿８について説明する。
図１〜図３に示すように、樋状の受け皿８は、内管２と外管３との間の筒状空間のうちの内管２の下側の空間に設けられている。樋状の受け皿８は、内管２のうちの水平方向や傾斜方向に延びる配管部分の長手方向の全長に亙って設けられている。樋状の受け皿８は、伝熱性能に優れたステンレス鋼製の薄板を曲げ形成して鉛直断面が半円形状又はＵ形状に構成されている。
内管２と樋状の受け皿８との間には、樋状の受け皿８を内管２に支持固定する為の支持板部材１１が設けられている。支持板部材１１は、内管２の長手方向に連続的又は間欠的に配置されるステンレス鋼製の１又は複数の帯状の薄板で構成されている。支持板部材１１の上端部が、内管２の外周面の下端部に接合され、支持板部材１１の下端部が、樋状の受け皿８の上面の中央部に接合されている。
樋状の受け皿８の曲率は、内管２の曲率より小さく且つ外管３の曲率より大きくなるように設定されている。樋状の受け皿８の径方向の両端部（上端部）は、内管２の軸心の高さ位置寄りやや下側に位置するように設けられている。
次に、環状の受け皿９について説明する。
図１，図４，図５に示すように、複数の環状の受け皿９は、鉛直方向に延びる内管２の外周部に長さ方向適当間隔おきに且つ内管２と外管３との間の筒状空間に設けられている。各環状の受け皿９は、平面視円形の環状体であり、扁平なカップ形状体の外周側部分で構成され、その内周端が内管２の外周部に固定されている。即ち、各環状の受け皿９は、内管２の外周部から径方向の外方に張り出すように設けられている。
次に、低温流体用二重構造管１の作用及び効果について説明する。
内管２と外管３との間の筒状空間に、低温流体４の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスを充填し、内管２の内部を流れる低温流体４によって、不活性ガスを液化又は固体化して内管２の外周面に液化不活性ガス層６ａと固体不活性ガス層６ｂの少なくとも一方を形成することで、筒状空間に真空に近い負圧層５を形成するので、簡単な構造の負圧層５によって筒状空間における対流熱伝達を防止して断熱性能を確保することができる。
内管２の内部に低温流体４を流すと、筒状空間に充填された低温流体４の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスが冷却されて液化又は固体化して内管２の外周面に凝固・凝着して液化不活性ガス層６ａと固体不活性ガス層６ｂの少なくとも一方を形成するので、真空ポンプを使用せずに、容易に筒状空間を疑似的な真空状態にすることができ、真空引きする場合と比較して労力やコストを軽減することができる。
内管２の内部に低温流体４が流れていない場合、内管２と外管３との間の筒状空間に不活性ガスからなる不活性ガス層が形成されるので、外管３に内側からガス圧が作用し、外管３内への外気の侵入を防止することができ、低温流体用二重構造管１の破損時の修理後に、内管２と外管３との間の筒状空間に不活性ガスを充填するだけで済む。
内管２の外周面に形成された液化不活性ガス層６ａから滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層６ｂから剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材７を備えているので、常温に晒されている外管３と液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方が直接接触するのを防止し、液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発により負圧層５の真空状態が劣化するのを防止することができる。また、受容部材７は、低温流体４によって内管２を介して冷却されているので、受容部材７で受け止めた液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発を防止することができる。
樋状の受け皿８は、内管２と外管３との間の筒状空間のうちの内管２の下側の空間に内管２との間で伝熱可能に設けられたので、内管２の外周面に形成された液化不活性ガス層６ａから下側に滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層６ｂから剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を樋状の受け皿８によって確実に受け止めることができる。また、樋状の受け皿８は１又は複数の支持板部材１１により内管２と伝熱可能に接続されているため、受け皿８に溜まった液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発を防止することができる。
複数の環状の受け皿９は、鉛直方向に延びる内管２の外周部に長さ方向適当間隔おきに設けられ且つ内周端が内管２の外周部に接合されているため、内管２の外周面に形成された液化不活性ガス層６ａから外周面に沿って滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層６ｂから外周面に沿って剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を環状の受け皿９によって確実に受け止めることができる。また、これら環状の受け皿９の内周端が内管２に接合されて内管２との間で伝熱可能になっているため、環状の受け皿９に溜まった液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発を防止することができる。
次に、低温流体用二重構造貯槽２１の全体構造について説明する。
図６に示すように、低温流体用二重構造貯槽２１は、内槽２２と、この内槽２２に密閉された空間を空けて外嵌された外槽２３とを備えている。この低温流体用二重構造貯槽２１においては、内槽２２の内部に低温流体（例えば、液化ヘリウム、液化水素等）を収容し、内槽２２と外槽２３との間の空間に真空に近い負圧層２５が形成される。
内槽２２は、例えば、ステンレス鋼製のものであり、略円筒状の胴体部２２ａ、胴体部２２ａの上端に溶接接合された上側鏡板部２２ｂ、胴体部２２ａの下端に溶接接合された下側鏡板部２２ｃから一体的に形成されているが、この形状は特に限定する必要はなく、適宜変更可能である。外槽２３も同様に、例えば、ステンレス鋼製やアルミニウム合金製のものであり、箱状に構成されているが、この形状は特に限定する必要はなく、適宜変更可能である。
内槽２２は、その底部から下方へ延びる複数の支持脚２２ｄを備えている。複数の支持脚２２ｄは、内槽２２の下側鏡板部２２ｃの外周部に周方向３等分位置に設けられている。各支持脚２２ｄは、薄鋼板製の縦長のブロック体に構成されている。
負圧層２５は、内槽２２と外槽２３との間の空間に、低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガス（例えば窒素ガス）を充填し、内槽２２の内部に収容された低温流体によって、不活性ガスを液化又は固体化して内槽２２の外周面に液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成することで形成される。
図６，図７に示すように。低温流体用二重構造貯槽２１は、内槽２２の外周面に形成された液化不活性ガス層から滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層から剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材２７を備えている。この受容部材２７は、内槽２２と外槽２３との間の空間のうちの内槽２２の下側の空間に設けられた受け皿で構成されている。この受け皿は、ステンレス鋼製の薄板を曲げ形成して部分球面状に構成されている。
内槽２２と受容部材２７との間には、受容部材２７を内槽２２に支持固定する為のステンレス鋼製の支持部３１が設けられている。支持部３１の上端部が、内槽２２の下側鏡板部２２ｃの下端部に接合され、支持部３１の下端部が、受容部材２７の上面の中央部に接合されている。
さらに、内槽２２は、例えば断熱性に優れるＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）製の３本の支持脚２２ｄで支持されている。受容部材２７には、複数の支持脚２２ｄに対応するように開口部２７ａが形成されている。開口部２７ａの周縁には、上方に突出する筒状部２７ｂが夫々形成されている。３本の支持脚２２ｄは、筒状部２７ａと開口部２７ｂを挿通して、その下端部が外槽２３の底板の上端面に夫々固定されている。
次に、低温流体用二重構造貯槽２１の作用及び効果について説明する。
内槽２２と外槽２３との間の空間に、低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスを充填し、内槽２２の内部に収容された低温流体によって、不活性ガスを液化又は固体化して内槽２２の外周面に液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成することで、空間に真空に近い負圧層２５を形成するので、簡単な構造の負圧層２５によって空間における対流熱伝達を防止して断熱性能を確保することができる。
内槽２２の内部に低温流体が収容され、空間に充填された低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスが冷却されて液化又は固体化して内槽２２の外周面に凝固・凝着して液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成するので、真空ポンプを使用せずに、容易に空間を疑似的な真空状態にすることができる。
内槽２２の内部に低温流体が収納されていない場合、内槽２２と外槽２３との間の空間に不活性ガスからなる不活性ガス層が形成されるので、外槽２３に内側からガス圧が作用し、外槽２３内への外気の侵入を防止することができ、二重構造管の破損時の修理後に、内槽２２と外槽２３との間の空間に不活性ガスを充填するだけで済むので、真空引きする場合と比較して労力やコストを軽減することができる。
内槽２２の外周面に形成された液化不活性ガス層から滴下した液化不活性ガスと固体不活性ガス層から剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材２７を備えているので、液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方が常温の外槽２３と直接接触するのを防止し、負圧層２５の真空状態の劣化を防止することができる。また、受容部材２７は、低温流体によって内槽２２を介して冷却されているので、受容部材２７で受け止めた液化不活性ガスと固体化不活性ガスの少なくとも一方の蒸発を防止することができる。
次に、前記実施例１，２を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例１，２の受容部材７，２７において、その裏面側に合成樹脂発砲体や繊維間空気層断熱材等の断熱材を設けても良い。この構造の場合、受容部材７，２７の裏面側に不活性ガスが固着せず、液化不活性ガス層や固体化不活性ガス層が形成されないので、受容部材７，２７から液化不活性ガスが下側に滴下することや固体化不活性ガスが剥落することがなく、疑似真空層５，２５の真空状態をより確実に維持することができる。
［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例１，２の種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
１ 低温流体用二重構造管
２ 内管
３ 外管
４ 低温流体
５，２５ 負圧層
６ 固体不活性ガス層
７，２７ 受容部材
８ 樋状の受け皿
９ 環状の受け皿
２１ 低温流体用二重構造貯槽
２２ 内槽
２３ 外槽

Claims (4)

  1. 内管と、密閉された筒状空間を空けて前記内管に外嵌された外管とを備え、前記内管の内部に低温流体を流すようにした低温流体用二重構造管において、
    前記内管と前記外管との間の筒状空間に、前記低温流体の温度以上の融点と沸点を有する不活性ガスを充填し、前記内管の内部を流れる前記低温流体によって、前記不活性ガスを液化又は固体化して前記内管の外周面に液化不活性ガス層と固体不活性ガス層の少なくとも一方を形成することで、前記筒状空間に真空に近い負圧層を形成するように構成し、前記内管の外周面に形成された前記液化不活性ガス層から滴下した液化不活性ガスと前記固体不活性ガス層から剥落した固体化不活性ガスの少なくとも一方を受け止める受容部材を備えていることを特徴とする低温流体用二重構造管。
  2. 前記受容部材は、前記内管と前記外管との間の前記筒状空間のうちの前記内管の下側の空間に内管との間で伝熱可能に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の低温流体用二重構造管。
  3. 前記受容部材は、鉛直方向に延びる前記内管の外周部に長さ方向適当間隔おきに設けられ且つ内周端が前記内管の外周部に固定された複数の環状の受け皿を備えたことを特徴とする請求項１に記載の低温流体用二重構造管。
  4. 前記低温流体が、液化ヘリウムと液化水素のうちの何れかであり、前記不活性ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の低温流体用二重構造管。
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