JPH11270792A - 極低温流体シリンダ充填システム - Google Patents

極低温流体シリンダ充填システム

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JPH11270792A
JPH11270792A JP11025118A JP2511899A JPH11270792A JP H11270792 A JPH11270792 A JP H11270792A JP 11025118 A JP11025118 A JP 11025118A JP 2511899 A JP2511899 A JP 2511899A JP H11270792 A JPH11270792 A JP H11270792A
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cylinder
gas
temperature
cryogenic liquid
high pressure
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JP11025118A
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English (en)
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John Notaro
ジョン・ノタロー
Jr Erwin Schulze Beckinghausen
アーウィン・シュルツェ・ベッキングハウゼン・ジュニア
Bruce Hall Davidson
ブルース・ホール・デイビドソン
Thomas Edward Debriae
トマス・エドワード・デブリエ
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Praxair Technology Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダのガス内容物の温度が周囲温度より
も著しく上昇すると言う蓄熱の問題を生じることなく、
従来可能であったよりも著しく速い速度でシリンダに高
圧にガスを充填することのできるシリンダ充填システム
を提供すること。 【解決手段】 高圧の極低温液体２６の第２の部分２８
が蒸発器３をバイパスされる。高圧ガスからの熱が、高
圧の極低温液体の第２の部分と直接熱交換して第２の部
分を蒸発させ、シリンダ２１を急速に充填するための所
望の温度に温度制御された高温の高圧ガス３１を生成す
る。温度制御された高温の高圧ガス３１の温度は、バイ
パス弁６の開閉の何れかの度合いを大きくするように操
作し、高圧の極低温液体２６における第２の部分２８を
形成する部分量を変化させることで所望の範囲内に維持
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般にシリンダの充
填に関し、詳しくは、シリンダに高圧下にガスを充填す
るために極低温流体を使用することに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス充填シリンダは非常に多くの用途で
使用される。例えば、酸素を充填したシリンダは治療用
途のための酸素を患者に投与するために使用され、アル
ゴンを充填したシリンダは溶接作業におけるシールドガ
ス用のアルゴンを送るために使用され、窒素を充填した
シリンダは不活性化のための多くの用途に対して窒素を
送るために使用され、ヘリウムを充填したシリンダは、
膨張性構造体を持ち上げるためのヘリウムをこの膨張性
構造体中に充填するために使用され、水素或いは炭化水
素を充填したシリンダは、これら水素或いは炭化水素を
燃焼させるべく分与するために使用され、そして二酸化
炭素を充填したシリンダは、飲料を炭酸飽和させるべく
この二酸化炭素を分与するために使用される。ガス混合
物もまた、シリンダから分与する上で幅広く使用され
る。
【０００３】シリンダは代表的には比較的小型であり、
通常は0.01〜2.0ft3（約0.0003〜0.05m3）の水容量を有
し、従って、充填ステーションから使用場所への搬送は
容易である。一般に、シリンダは中央の充填ステーショ
ンでガスを充填され、この充填ステーションから使用場
所に送られる。ガスは、シリンダに充填するガスの量或
いは質量が最大化されるよう、代表的には2000ポンドps
ia/時(絶対値での毎時約907kg）の高圧下にシリンダに
充填される。シリンダを充填するに際しては、ガスが貯
蔵容器からシリンダに流入され、シリンダ内の圧力が増
大するに従い、シリンダ容積は一定であるのでシリンダ
内のガス温度が理想気体の法則に則って上昇する。シリ
ンダ内のガス温度は周囲温度を著しく越えないことが重
要である。シリンダ内のガス温度が周囲温度を超える
と、所定のシリンダ内に任意の所定圧力下に充填し得る
ガス量が減少し、シリンダのガス内容物が周囲温度に落
ち着くに従い、シリンダは部分的にのみ充填されるよう
になり、そうでなければ搬送し得たであろうよりも著し
く少ないガス量が充填されたのみで充填ステーションか
ら使用場所に搬送される。
【０００４】シリンダに加圧ガスを充填するに従いシリ
ンダ内のガスが高温になると言う問題を回避するため
に、現場ではシリンダを低速、代表的には毎分約100psi
（約７kg/cm2）の速度で充填しそれにより、シリンダ内
の増圧による発熱量がシリンダ壁から周囲環境に対して
消散される熱量と概略等しくなるようにしている。こう
すれば、シリンダ内容物の温度が周囲温度を著しく越え
ることはなくなる。この方法はシリンダを部分的に充填
する場合の問題に対する有効な解決策ではあるが時間浪
費的であり、従って高コスト且つ非効率的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】シリンダのガス内容物
の温度が周囲温度よりも著しく上昇すると言う蓄熱の問
題を生じることなく、従来可能であったよりも著しく速
い速度でシリンダに高圧にガスを充填することのできる
シリンダ充填システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、シリン
ダにガスを充填するための方法であって、 ａ）極低温液体を高圧にポンピングし、高圧の極低温気
体を生成すること、 ｂ）高圧の極低温液体の第１の部分を蒸発させることに
より、高圧ガスを生成すること、 ｃ）高圧の極低温液体の第２の部分を前記高圧ガスと混
合して前記高圧ガスと直接熱交換させることにより、高
圧の極低温液体の前記第２の部分を蒸発させ、温度制御
された高圧ガスを生成すること、 ｄ）該温度制御された高圧ガスをシリンダに送ること、 を含む方法が提供される。
【０００７】本発明の別の様相によれば、シリンダにガ
スを充填するための装置であって、 ａ）極低温液体貯蔵タンクと、液体ポンプと、極低温液
体を極低温液体貯蔵タンクから液体ポンプに送るための
手段と、 ｂ）蒸発器と、極低温液体を液体ポンプから蒸発器に送
るための入口手段と、蒸発器からガスを送出するための
出口手段と、 ｃ）シリンダと、出口手段からシリンダにガスを送るた
めの手段と、 を含む装置が提供される。ここで、“極低温液体”とは
-40°Ｆ或いはそれ以下の温度を有する流体を意味し、
“直接熱交換”とは、２つの流体を相互に接触或いは相
互混合させることにより熱交換関係に持ち来すことを意
味する。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明を
詳しく説明する。図面には極低温液体貯蔵タンクが番号
１で示され、極低温液体２０を貯蔵している。本発明を
実施する上で使用することのできる極低温液体には、酸
素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、メ
タン、天然ガス、そしてそれら２つ或いはそれ以上の混
合物が含まれる。
【０００９】シリンダを充填する場合、１本或いはそれ
以上のシリンダを、単数或いは複数の充填ライン２２を
介して充填ラック或いは充填マニホルド４に結合する。
図に例示される実施例では４本のシリンダ２１から成る
第１のシリンダ列がマニホルド４に結合され充填準備状
態とされている。図には第２のシリンダ列が充填のため
に結合された状態も例示される。実用上、第１のシリン
ダ列が充填される間、第２のシリンダ列はポンプ５に結
合され排気される。第１のシリンダ列への充填が完了す
ると適宜の弁が閉じられ、これら第１のシリンダ列への
ガス流れが停止され、次いで適宜の弁が開放され、第２
のシリンダ列へのガス流れが開始される。第２のシリン
ダ列が充填される間、充填された第１のシリンダ列のシ
リンダは脱着され、使用地点に輸送するための準備状態
とされる。また第２のシリンダ列の充填が完了すると充
填のために空のシリンダがマニホルドに接続される。こ
の手順は所望の全てのシリンダ数が充填されるまで反復
される。図ではマニホルドに４つのシリンダ列が結合さ
れている。本発明によれば、マニホルドに結合したシリ
ンダ列に関し、同時に数百本までのシリンダを充填する
ことができる。図には各充填ライン２２に、導管２３を
介してガスを分析装置１１に分岐させるための弁１０が
使用される状態も例示される。分析装置１１はシリンダ
に充填するガスの純度を監視する。
【００１０】極低温液体は、極低温液体ポンプ２によ
り、ライン２４内の液体貯蔵タンク１から弁２５を通し
て抜き出される。極低温液体ポンプ２は極低温液体を、
一般には1000〜10000psia（絶対値での約7〜70kg/cm2）
の範囲内の圧力に昇圧する。極低温液体ポンプ２からポ
ンピングされる高圧の極低温液体２６は第１の部分２７
と第２の部分２８とに分岐される。第１の部分２７は高
圧の極低温液体２６を少なくとも60％含み、第２の部分
２８は高圧の極低温液体２６を40％まで含んでいる。
【００１１】蒸発器３は、極低温液体ポンプ２と連通し
て極低温液体ポンプ２からこの蒸発器３内に極低温液体
２６を送り込む入口と、蒸発器からガスを排出する出口
とを有している。本発明を実施するに際しては任意の好
適な蒸発器、例えば蒸気加熱式或いは電気加熱式の蒸発
器を使用することができる。好ましい蒸発器は米国特許
第4,399,660号に記載される大気蒸発器である。蒸発器
３内では高圧の極低温液体２６の第１の部分２７が蒸発
されて高圧ガス２９が生成される。この高圧ガス２９は
出口を通して蒸発器３から排出される。
【００１２】高圧の極低温液体の第２の部分２８は蒸発
器３をバイパスされる。バイパス弁６は、蒸発器の入口
と連通し前記第２の部分２８をバイパス弁６に送る第１
の通路と、極低温液体の流れ３０内の第２の部分をこの
バイパス弁６から蒸発器の出口に送り、高圧ガスと混合
させるための第２の通路とを有する。高圧ガスからの熱
が、高圧の極低温液体の第２の部分と直接熱交換してこ
の第２の部分を蒸発させ、シリンダ２１を急速に充填す
るための所望の温度に温度制御された高温の高圧ガス３
１を生成する。温度制御された高温の高圧ガス３１の温
度は、-40°Ｆから-90°Ｆ（約-40℃から-67℃）の範囲
内であるのが好ましい。温度制御された高温の高圧ガス
３１の温度は、バイパス弁６の開閉の何れかの度合いを
大きくするように操作し、高圧の極低温液体２６におけ
る第２の部分２８を形成する部分量を変化させることに
より、所望の範囲内に維持される。
【００１３】次いで、温度制御された高温の高圧ガス３
１は各シリンダ２１に送られる。各シリンダ２１に送り
込まれる温度制御された高温の高圧ガス３１は低温に制
御されていることから、非常に速い速度、一般には毎分
200〜500psi（約14.6〜35.1kg/cm2）の範囲内という、
従来プラクティスを使用して可能であった速度の２倍以
上もの早い速度で、しかも各シリンダ内の温度が周囲温
度を超える事態を生じることなく各シリンダに流入され
る。各シリンダ２１のガス内容物の最終圧力は代表的に
は1000〜10000psia（絶対値での約7〜70kg/cm2）の範囲
内であり、温度は60°Ｆから90°Ｆ（約15℃から32.2
℃）、つまり周囲温度の範囲内である。かくして、シリ
ンダは従来プラクティスの約半分に過ぎない時間で充填
される。各シリンダは、充填後、マニホルドに配列され
た状態から脱着され、先に説明したように使用場所に輸
送するための準備状態とされる。
【００１４】本発明のシリンダ充填システムによれば、
シリンダ充填の精度が一段と保証される。従来プラクテ
ィスでは、制御シリンダ型のシリンダと同時に充填さ
れ、制御シリンダの内容物の温度及び圧力が監視され
る。制御シリンダ内容物の温度及び圧力が、制御シリン
ダが正しく充填されたことを示す場合には、全てのシリ
ンダが充填されたとみなされ、全てのシリンダへのガス
流れが遮断される。温度及び圧力を監視することにより
妥当な精度が提供されるとはいえ、温度及び圧力はシリ
ンダ内容物の指標としては二次的なものである。一次的
な指標、従ってシリンダ内容物を監視するためには恐ら
くずっと正確であろうパラメータは、シリンダのガス内
容物の質量である。本発明のシリンダ充填システムでは
図示されるようなそうした質量監視システムを使用す
る。
【００１５】再度図面を参照するに、制御シリンダ７が
秤８に載置されている。制御シリンダ７の初期温度が、
充填サイクルの最後の部分での製品としての各シリンダ
２１のそれと同じであることを保証するための調節用熱
交換器９が組み込まれる。この調節用熱交換器９は、先
のサイクル後、調節シリンダ７に送り込まれるガスを加
熱し排気させる。運転上、温度制御された高圧ガスがマ
ニホルド４からシリンダ２１に送り込まれるに際し、こ
の温度制御された高圧ガスは弁３２及び３３を通して制
御シリンダ７にも送られる。シリンダ２１の充填は、プ
ログラム自在の制御体及びコンピュータシステム１２に
より自動化され且つ制御される。秤８で読み取った重量
が電気的接続ライン３４を通してシステム１２により監
視され、この読み取り値が制御シリンダ７にガスが完全
に充填されたことを示すとき、システム１２からは、第
１のシリンダ列に対して入口弁３５を閉じ、第２のシリ
ンダ列に対しては入口弁３７を開放し、次の充填サイク
ルが開始されるようにするための信号が発生される。
【００１６】シリンダに充填するための加圧ガスが、製
品であるシリンダに充填されるに先立って、所定の非常
に低い温度を有するように同時に制御する１段階で生成
される本発明の極低温流体シリンダ充填システムを使用
することにより、シリンダ充填のための運転を、従来可
能であったよりもずっと速いペースで実施し、シリンダ
充填手順の効率を向上し且つコストを低下させることが
できるようになる。
【００１７】
【発明の効果】シリンダのガス内容物の温度が周囲温度
よりも著しく上昇すると言う蓄熱の問題を生じることな
く、従来可能であったよりも著しく速い速度でシリンダ
に高圧にガスを充填することのできるシリンダ充填シス
テムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】充填ステーションにおいて複数のシリンダがマ
ニホルドを通して同時に充填される状況を例示する本発
明の特に好ましい実施例の概念図である。
【符号の説明】
１ 液体貯蔵タンク ２ 極低温液体ポンプ ３ 蒸発器 ４ 充填マニホルド ５ ポンプ ６ バイパス弁 １０、２５ 弁 １１ 分析装置 ２０ 極低温液体 ２２ 充填ライン ２３ 導管 ２６ 高圧の極低温液体 ２７ 第１の部分 ２８ 第２の部分 ２９ 高圧ガス ３０ 極低温液体の流れ ３１ 高温の高圧ガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーウィン・シュルツェ・ベッキングハウ ゼン・ジュニア アメリカ合衆国ニューヨーク州イースト・ アマスト、スターリー・ロード8685 (72)発明者 ブルース・ホール・デイビドソン アメリカ合衆国ニューヨーク州イースト・ アマスト、ムアフィールズ・コート83 (72)発明者 トマス・エドワード・デブリエ アメリカ合衆国オハイオ州シンシナティ、 ラウンドボトム・ロード3590、スイート・ エフ197069

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダにガスを充填するための方法で
    あって、 ａ）極低温液体を昇圧して高圧の極低温液体を生成する
    こと、 ｂ）高圧の極低温液体の第１の部分を蒸発させて高圧ガ
    スを生成すること、 ｃ）高圧の極低温液体の第２の部分を高圧ガスと混合
    し、該第２の部分を高圧ガスと直接熱交換させるて蒸発
    させることにより、温度制御された高圧ガスを生成する
    こと、 ｄ）温度制御された高圧ガスをシリンダに送り込むこ
    と、 を含んでなるシリンダにガスを充填するための方法。
  2. 【請求項２】 高圧の極低温液体の第１の部分が少なく
    とも60％以上の高圧の極低温液体を含み、第２の部分が
    40％までの高圧の極低温液体を含んでいる請求項１の方
    法。
  3. 【請求項３】 温度制御された高圧ガスの温度が-40°
    Ｆから-90°Ｆ（約-40℃から-67℃）の範囲内である請
    求項１の方法。
  4. 【請求項４】 温度制御された高圧ガスが複数のシリン
    ダに同時に送り込まれる請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 温度制御された高圧ガスが毎分200〜500
    psi（約14.6〜35.1kg/cm2）の範囲内の充填速度でシリ
    ンダに送り込まれる請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 極低温液体が酸素、窒素、アルゴン、ヘ
    リウム、水素、メタン、二酸化炭素の１つ以上を含んで
    いる請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 シリンダにガスを充填するための装置で
    あって、 ａ）極低温液体貯蔵タンクと、液体ポンプと、極低温液
    体を極低温液体貯蔵タンクから液体ポンプに送るための
    手段と、 ｂ）蒸発器と、極低温液体を液体ポンプから蒸発器に送
    るための入口手段と、蒸発器からガスを送出するための
    出口手段と、 ｃ）シリンダと、出口手段から該シリンダにガスを送る
    ための手段と、 を含む装置。
  8. 【請求項８】 出口手段からシリンダにガスを送るため
    の手段がマニホルドを含み、該マニホルドが、出口手段
    から複数のシリンダに同時にガスを送り込むことが可能
    である請求項７の装置。
  9. 【請求項９】 秤に載置した制御シリンダと、マニホル
    ドから制御シリンダにガスを送るための手段と、制御シ
    リンダと流体連通する調節用の熱交換器と、秤と電子的
    に連通されたプログラム可能な制御コンピュータシステ
    ムと、 を更に含んでいる請求項８の装置。
  10. 【請求項１０】 ガス分析装置と、マニホルドからガス
    分析装置にガスを送るための手段とを更に含んでいる請
    求項８の装置。
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