JPS61500451A - 容器へのガス充填方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 容器へのガス充填方法及び装置 本発明は、許容限界精度内で予め定めた密度に、液化性ガスを容器に充填する方 法及び装置に関する。

ガスシリンダ及び容器ならびにそれらへのガスの充填に関し、ガスはそれらの臨 界温度（ＴｃＸ　１９６８年、Ｈｏｍｅ　０ｆｆｉｃｅＲｅｐｏｒｔ　ａｎｄ　 ｒｅｌｅｖａｎｔ　Ｂｒ１ｔｉｓｈ　５ｔａｎｄａｒｄ）に従って分類されてい る。

成るガスの臨界温度（’ｒｅ）は、圧力を受けた状態でそのガスが液化され為最 高温度を言う。この温度以上では、圧力を増すとガスは圧縮されて、その特性は 液体では通常見出し得ない弾性を保存しつつも液体と組合わされた特性に向って 漸次に変化する。Ｔｏが一１０℃未満でらシ従って「標準」または「標準」以上 の温度であれば、圧力の如何に拘らず蒸気及び液体として共存できないガス、は 、「永久ガス」として分類される。

Ｔｏが一１０℃と７０℃との間にあるガスは、高圧液化性ガスに分類され、一方 ７０℃を超えるＴｃをもつガスは、低圧液化性ガスに分類される。

ガスの臨界圧力（ＰＣ）は、臨界温度Ｔｃにおいてこのガスを液化するのに丁度 十分な圧力でちる。

ガスの臨界密度（ＤＣ）は、この臨界点にあるときのガスの密度でちる。

本発明は、高圧液化性ガス、特にＴｃが２０℃と４０℃の間にあるガス、さらに 限定すればＴＣが３１１℃に接近した二酸化炭素に関する。

液化性ガスがＴｃ以上にあるときは、永久ガスに関連した特性をもち、圧力を増 しても液体に凝縮しない単相気状液である。

ガスという語は、通常は気状の要素及び気状であると同時に液体、固体または混 合体形状の化合物として用いられているので、そのあいまいさを避けるために、 本文で用いるＧＡＳとは上記のその臨界温度であってしかもこのガスが固形化し はじめるような極端な圧力（１０００ｂａｒレベルで測られる）は受けていない ときのガスの相状態にあるものを言う。

Ｔｃ以下の温度では、ガスは蒸気のみとして、一部蒸気と一部液体として、液体 のみとして、及び固体としても、種々の状態で存在することができる。

附図の第２図には、温度とエントロピを両軸として二酸化炭素、（Ｃｏｔ）につ いての単相線図を示す。種々の相は実際の関連領域に示されている。

臨界温度は破線で示され、この線図かも乾燥蒸気と記された状態とＧＡＳＳと記 された状態−（及びこれに関連して一般にガスと称される）−への移行、及びＧ Ａ８Ｓから圧縮液体への移行に際しては相の変化は伴わない。

第３図に明示するように、臨界点Ｃ９は４７０ノ／を密度線（不図示）が臨界温 度３１１℃の水平線と交差する点である。

すべての重要な商業用ガスに対しては、圧力、温度、密度、エントロピ及びエン タルピ間の関係は、はとんど極端な温度及び圧力に対して詳細に知られ、そのデ ータは表になって利用でき、または各特定のガスについて精密な温度−エントロ ピ線図を利用することができ、これらの線図には一定圧力、密度、エンタルピの 曲線が記入され、かつ他の特性が単相線図に付記され、第２図はその一例である 。

二酸化炭素（Ｃｏ２）のような液化性ガスのガスシリンダへの再充填は、法制上 の処置である。ガスをシリンダに充填する際には、シリンダへの装入量が設定最 少量（この量は商業用としてシリンダに標記されている）を超えることを保証す るために十分な注意を払わなければならない。しかし、単位容量当りの最大質量 として一般に基準または規則（充填されるシリンダの強さを考慮して）によって 定められた最大安全充填量を超えないように特別な注意が必要である。

連合王国においては、この規定最大値は通常、ＣＯ２に対し７５０９−”／　ｔ ｔで、これは密度でおって、標準充填温度では一部は液体、一部は蒸気の状態に あるので、平均密度と称する方が一層適切な表現と考えられる。

蒸気と液体の両方が充填されるシリンダ（「容器」）内に存在する場合、この容 器内の圧力は、その温度のみに左右される。充填時に、液体が凝縮し始めるのに 十分なガスが存在する時点から容器が満たされる時点までの間、圧力は温度変化 がちった場合のみ変動する。従って、圧力は充填レベルの目安にはならず、一般 に行われている方法は、シリンダの容積量を測定し、規定最大密度から許容でき る最大質量を計算し、かつ前もって測定されかつ通常はシリンダに標記されてい るシリンダ全体の空虚重量を加算することによって充填済みシリンダの安全最大 重量を定める。次にこの最大重量は、最大充填用の標準として用いられる。

よって、これは重量測定技法によってＣＯ２及び類似の液化性ガスを充填する慣 用実施方法である。

一般に、最大充填重量は充填されるシリンダに標記され、または空虚重量及び容 積量は標記されているので、最大値を超えない安全充填目標重量を予め選定でき る。

シリンダはＣＯ工の供給源に接続され、かつ重量測定装置上に配置され、次に充 填中の増加重量をそれが最大重量に近づくまで°監視し、その時点で供給源と絶 縁する。

供給源を機械のシリンダに連結するので、測定された重量に加えるカップリング の部分重量及びその中のガスまたは液体の重量は決定するのがむずかしいので上 述の方法の精度は落ちる。

さらに重要なことは、数値の読取シ、必要な場合の計算及び目標重量と観測重量 との正確な適合の諸装置における誤謬に対する信頼性でおる。

過剰充填はシリンダの安全性を害するので、上記方法は特別な注意を必要としか つ熟練者の手を借シなければならない。

ゆえに、本発明は容器への液化性ガスの改良された充填方法及び装置を提供する ことを目的とする。

本発明はさらに、容器の容積量についての知識を必要とせずかつ充填されている ガスの重量測定や容積測定手段に訴える必要がなく、シかもそのような方法を用 いることがしばしば便利であるにも拘らず、容器及びその内容物を充填されるガ スの臨界温度以上の温度にするという絶対的な要求に従うことなく、予め定めた 所望の密度にガスを容器に充填する方法及び装置を提供することを目的とする。

もし燃料容器がＣＯ２で満たされれば、著しく温かくする必要はない。

本発明の一つの態様は、臨界密度以上の予め選択された密度に高圧液化性ガスを 容器に充填する方法を提供することであって、その方法は、 ａ）充填される特定のガスに対し、及び充填密度の最定め、かつそれぞれが特質 上その密度に対する飽和温度よシも高くもしくは該温度に等しい独自の温度に対 応する圧力群を設定し、 ｂ）指示圧力もしくは指示温度の基準としてまたは比較用として利用できる適切 な形式で圧力と温度間のこの一対一関係を記録し、 Ｃ）容器にガスを供給し、 ｄ）容器、または容器に充填されるガス、もしくはその両方を、予め選択された 密度に達したとき容器の内容物が圧縮された液体もしくはＧＡＳ相であるように 制御しつつ加熱し、 ｅ）容器内の圧力が容器内のガスの測定された温度に対応する記録された圧力レ ベルに達したときガスの供給を断絶する段階を含む。

もし圧力及び温度が継続的に監視されれば好適である。

本発明の第゛２態様は、ガス充填装置を提供することであって、該装置は、ガス の貯留部、ガス貯留部からガス流を誘導する装置、ガスコックを備えかつ容器と ガス流導入装置との間の連通手段を具備するガスをもって充填される容器を受け る連結装置、及び予め選択された密度に充填されたとき容器の内容物の温度が、 充填されたこの特定ガスが圧縮された液相にある最低温度以上であるような高さ まで、容器が連結手段に連結されたときに、容器に圧送されるガスを加熱及び／ または容器を加熱する加熱装置、及び容器内のガスの圧力と温度を検出する圧力 及び温度検出装置を含み、前記最低温度は、それ以上の温度では容器内のガスが すべて単−相にあシそれによって圧力の測定が容器内のガスの密度を直接にあら れすように構成される。

本発明の第３の態様は、高圧の液化性ガスを予め定めた密度をもつように容器に 充填する方法を提供することで、ガスの圧力及び／または温度は、その物質がそ の特性図表の圧縮された液体単相区域内に常にあシ、その物質の臨界温度のわず かに高い温度、臨界温度または臨界温度以下の温度に常にあるように制御される 。

また、種々の不正確さの原因によって背反現象が起こシ、それらは、圧力及び温 度の表に示されたデータの不完全さ、検出装置が受ける圧力及び温度間の僅かな 差異及び容器内容物の熱力学的状態をあられす圧力及び温度間の僅少な差異、及 び検出装置自身の出力データ及び充填弁の閉じ動作の精密なタイミングの不完全 さでちる。

従って、装置の設計及び構成部品の選択を慎重に行いそれらの総合効果が既述の 諸制限内で実際の充填を保つようにすることによってこれらの不正確さの原因を 減じて受容性を得ることができる。これとは別に、密度の下することができるが 、一般の商業上の実施手段の広い限界は、十分過ぎると思われるので、本発明を 一層有利に°させる。

二酸化炭素をもってガスシリンダを充填する装置及び方法と本発明の実施例を陰 口を参照しつつ例について以下に述べる。

第、１図は、この装置のブロック線図であシ、第２図は、二酸化炭素のエントロ ピ対温度の関係を示すグラフであシ、 第３図は、エントロピ対温度の関係を示すグラフであって、等圧及び等密度線が 付記され、 第４図は、ＣＯ，の圧力対温度の関係を示すグラフで、等密度線が付記され、 第５図は、最大安全密度未満の予め定めた密度に対する、充填された容器内の０ ０２密度対ＣＯ２充填温度の関係を示す表でちる。

第１図に示すように、ガス貯留部である一対のガスだめ４及び６は弁８及び１０ それぞれを通って二酸化炭素ガスを共通の供給ライン１２に供給する。この供給 ラインは、フィルタ・逆止め弁１４と、随意配役の冷却装置１６と、ポン７’１ ８と加熱装置２０を介して充填弁２４に接続される。充填弁２４に供給されたガ スについて、その温度は温度検出装置２２、圧力は圧力検出装置３５によって検 出される。随意配設の排気消音器２７が充填弁２４の排気通気部（不図示°）に 連結される。随意配役の再循環ライン１７が充填弁２４をポンプ１８に接続する 。

ガスで充填されるシリンダ２６が充填弁２４に連結され、かつ加熱装置３２がシ リンダ２６に熱を供給するために配設される。温度検出装置３４がシリンダ２６ の温度を監視する。

に配設され、かつ温度検出装置３０をガスだめ６の温度を監視するために設ける こともできる。ガスだめ４に対してもガスだめ６と同様に類似の加熱装置及び温 度検出装置（ともに図示を省略する）が配設される。

冷却装置１６、ポンプ１８、加熱装置２８．３２及び２０、充填弁２４、圧力検 出装置３５及び温度検出装置２２．３０及び３４に制御装置３６が接続される。

パネル４０は、圧力及び温度制御目盛盤（不図示）形式の作業者用制御装置を支 持する。

パネル４０はさらに、温度検出装置６４及び圧力検出装置３５によって検出され た圧力及υ温度の視覚または他の表示を提供′する圧力指示器及び温度指示器を 含む。

充填される各種ガス用の一般に制限された数の最大安全充填密度それぞれに対す る予め選択された目標密度に対応する温度及び補合する圧力の表が提供される。

第５図は、ガスＣＯ２用のこのような表の一つである。これらの表は複数の検出 装置からの指示と比較するのに適した形式のものでなければならない。

作用について述べれば、例えばＣＯ２をもって充填されるシリンダ２６は、ガス コック２４形式の充填弁に連結され、かつ制御弁８．１０のうちの一つが開がれ る。ノｅネル４０上の温度制御目盛盤（不図示）が例えば３０℃の温度に調定さ れて、ノ母ネル４０上の始動制御装置が作動される。制御装置６６は三つの加熱 装置２０．３２及び（もし具備すれば）２８を付熱することによって応答して共 通の供給ライン１２、充填されるシリンダ２６及び（もし加熱装置２８を具備す れば）ガスだめ６を加熱する。

制御装置は検出装置２２（加熱装置２０からの出口に取付けられている）に応答 してＣＯｚ供給ガスを３０℃以上に維持し、かつ検出装置３４に応答して加熱装 置３２を、充填の完了に近づいたときシリンダ２６及びその内容物が６０℃近く に達するように制御する。制御装置はまた、加熱装置２８が装着され゛〔いる場 合は、温度検出装置３０に応答して、加熱装置２８を制御してシリンダ６を適切 な温度、例えば２０℃に昇温］−かつこの温度に維持する。

検出装置２２がまず３０℃に達したことを指示すると直ちに、制御装置３６はポ ンプ１８を付勢するように作用し、これによシガスは加熱装置２０及び充填弁２ ４を通ってシリンダ２６に圧送される。

検出装置３５及び２２によって検出されたシリンダ２６−内の圧力と温度は、ツ クネル上で監視されかつ使用者によって、所望密度におけるＣＯ２用の温度対圧 力を示す選択された表と比較される。

充填作業が進行するにつれて、温度は比較的緩徐に上昇するので、予め選択され た密度に対する関連圧力は表に記載の値に追従される。検出装置３５によって指 示されかつパネル４０上で監視された圧力が所望の密度を示す表記された圧力と 調和することを作業者が視認すると、作業者は充填弁２４の作動器を閉鎖／はず してシリンダ２６へのガスの供給をしゃ断し、この行為によって制御装置はポン プ１８を停止させ加熱装置５２及び（適宜（イ）加熱装置２０及び２８を除勢す る。これとは別に、ポンプ１８を停止する代りに、ガスの供給は随意配設される ライン１７を介してポンプ１８の流入部に再循珈される。

この時点で、シリンダは許容可能な接近した限度内で予め選択された密度をもっ てガスが満たされる。最後に制御装置は排気消音器２７に連結された排気通気部 を開き、カップリングからＣＯ２を無くして充填済みの容器の取外しを便ならし める。

変更型制御装置３６は、容器内で検出された実際の圧ける予め選択されたガス密 度（圧縮された液相またはＧＡＳＳ相にあるとき）に対応する圧力レベルを示す データとを自動的に比較する比較器３６　Ａ　ｆ：含む。この比較器は比較結果 に従って充填弁の作動器を不作動にしガスの供給を制御し、かつ加熱装置６２の 接続を絶ち、かつポンプ１８を一つの方向に制御して接続が断たれた後に容器内 に予め選択された密度のガスをつくる。

容器内のガスに対して予め選択された目標密度は、普通には臨界密度をはるかに 超えるであろう。商業的な理由から、及び明確さを助長するために、本文で使用 する密度という語は臨界密度以上の密度を指すものとする（臨界値以下の目標密 度に対する相当方法も明らかでちろう）。第３図は臨界密度より大きい密度に対 する圧力と温度の関係がさらに明瞭に示されている。第３図はまた、液相とＧＡ ＳＳ相の並存を示し、かつ臨界温度以下の温度において単一相状態で容器内に０ ０２を、もし温度が適切に制御されれば、どのように詰めるか全示ず。

実際には、Ｃｏｔで容器を充填するとき、最大７５０　ｇｍｓ７ｔｔを超えない 安全低充填を達成するために充填密度（例えば７３０　ｇｍｓ／ｌｔ）の密度が 予め選択される。

達成される実際の充填は、慎重な重量測定により任意所望の精度をもつように実 施でき、かつ観測された予め選択された充填状態からの任意の組織立った偏差が その精度を改善するために、この装置の校正に用いることができることが考えら れる。

ともに目標密度が予め選択されなければならない−りの範囲を定め、それによっ てこの予め選択された密度からの最大偏差値が実際の充填密度を規定されたこの 範囲内に保たれるであろう。

容器の充填に際して、目標温度は容器の内容物に対し２て選択される。容器及び ／または容器に供給されたガスの加熱は、容器の内容物が充填完了時点で目標温 度に近接しているように制御される。目標温度は、ＣＯ，の臨界温度附近にある ように選択されるが、確実に予め選択された密度の液体飽和温度以上に定められ る。目標温度は５７℃または血温を超えないことが好適である。

シリンダの目標温度は２０℃から３１１℃の間の範囲４、さもなければ５１１℃ を超える範囲内で選択されることが好適である。

第４図は、液化ＣＯ２用の圧力対温度のグラフであり、種々の密度曲線を示す。

固め・ら分かるように、１５．０．６及び０．７密度曲線はすべて２０℃以上の 温度における液体飽和線に接続併合するので、この図はこれらの密度及び２０℃ 以下の温度においてはなぜＣＯ：の充填が重量測定をせずには不可能であること を示す。

第゛４図は、制御される因子である温度及び圧力に対する充填密度に関するグラ フであるから有用である。

の装置において用いるのに全く好適であシ、特にこのような複６数のデータ組の 内部記憶群内の一組からの（そうなるである、うと予想される）データと監視さ れたデータの比較、及び適正なデータ適合が達せられたときに作業順序の瞬時の 初動という機能に関しては適切である。もちろん、作業者は供給ガスだめが装備 されるときは制御装置上に選択されたガスをまず記憶しなければならず、かつ所 望の充填密度を記憶し、恐らくさらに充填が完了される温度範囲を定める選択さ れた標準温度を記憶しなければならない（この作業は充填されるガス及び密度を 記憶するとき好適に自動ｉｚ＋、％ｆることもできるが）。作業者はまた、もし 所望の充填密度または任務に変更があればこれらの記憶を再調定しなければなら ないが、商業上実施面では、このようなと七が要求されることは稀で第２図にお いて、液体・蒸気相を圧縮液体相から区分する曲線は、一般に液体飽和曲線と称 し、蒸気が液体と混在するがガスはすべて蒸気を含まない液体である圧力と温度 にあるときのガスの物理的状態の範囲をあられす。

シリンダの充填に際しては、ガスはシリンダが丁度液体で満たされ最後の気泡が 凝縮されたときに臨界温度（’ｒｅ　）（それぞれこのような温度に対応する相 補関係の密度及び圧力をもって）における状態をあられす。

上述の方法及び装置は、所望の密度に対する温度及び圧力の両方が、それぞれそ の密度に対応する飽和線上の温度及び圧力を超えることを保証し、それによって 充填されたシリンダ内のガスの物理的状態が圧縮された液体相であること、従っ てその圧力及び温度がその密度を示すものであることを併せて保証することが理 解されるであろう。

よって、この発明を用いることによシ、容積量の測定と充填される安全質量の計 算を必要とせず、かつそれに伴う誤謬発生のおそれがなくしかも熟練者に依存す ることなく、所望の充゛填安全密度を直接に達成できることが理解されるであろ う。

温度°Ｃ 温度゛Ｓ 表 ＦＸ（：ｙ、　５ 閑　静　１罵　審　飴　牛 ；＋；Ｎ＝ｘ　ＴＯτｂ−ｒＮＴＥＲＮ入：：ＯＮ入ＬＳＥ入ＲＣＨＦＸ？ＯＦ 、τ　０ｎＤＥ−Ａ−２６０３６６４０４１０８／７フ　Ｎｏｎ＠υ５−Ａ−１ ３３９４３１Ｎｏｎ＠ ＤＥ−Ｂ−１５０１７３５２２１０１／フＯＮｏｎ＠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ａ）充填される特定のガスに対し、及び充填密度の最大安全限度に対して、該 密度より低い適正な目標密度を定めかつそれぞれが特質上その密度に対する飽和 温度よりも高くもしくは該温度に等しい独自の温度に対応する圧力群を設定し、 ｂ）指示圧力もしくは指示温度の基準としてまたは比較用として利用できる適切 な形式で圧力と温度間のこの一対−関係を記録し、 ｃ）容器にガスを供給し、 ｄ）容器、または容器に充填されるガス、もしくはその両方を予め選択された密 度に達したとき容器の内容物が単一相であるように制御しつつ加熱し、ｅ）容器 内の圧力が容器内のガスの測定された温度に対応する記録された圧力レベルに達 したときガスの供給を断絶する段階を含む、予め選択された密度にて高圧液化性 ガスの容器への充填方法。 ２．予め選択された密度が臨界密度を超える密度に選択される特許請求の範囲第 １項記載の方法。 ３．ａ）容器の温度を監視し、気体内容物の温度を推定し、かつ該ガス温度及び 選択された密度に対応する記憶された圧力レベルを確認し、 ｂ）容器内の上昇圧力を監視しかつ該圧力を記憶された圧力レベルまたは確認さ れた継続する圧力レベルを確認する段階をさらに含む特許請求の範囲第１項また は第２項記載の方法。 ４．供給されるガスが二酸化炭素である特許請求の範囲第１項から第３項までの いずれか一項記載の方法。 ５．シリンダの内容物が充填中に２０℃から３１１℃までの範囲の温度に上昇さ れる特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６．シリンダの内容物が充填中に３１１℃を超える温度に上昇される特許請求の 範囲第４項記載の方法。 ７．容器の内容物に対して目標温度が選択され、かつ容器及び／または容器に供 給されたガスの加熱が容器の内容物が充填完了時に前記選択された温度と近接す るように制御され、前記目標温度が充填されるガスの臨界温度を上下にはさんで 近接する温度の範囲内のいずれかの温度に選択されるが予め選択された密度に対 するガスの液体飽和温度上り確実に高い温度である特許請求の範囲第１項から第 ３項までのいずれか一項記載の方法。 ８．二酸化炭素を充填するとき、目標温度が選択される前記温度範囲の上限が血 温または３７℃である特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９．ガスだめと、ガスだめからガスの流量を導入する装置と、ガスコツクを具備 しかつガスを充填される容器を受けかつ容器と流量導入装置間の連通を提供する 連結装置と、容器の内容物の温度が、予め選択された密度に充填されるとき、充 填された特定ガス圧縮された液相であるときの最低温度以上であるように容器に 流入するガスを加熱し及び／または連結装置に連結されたとき容器を加熱する加 熱装置と、容器内のガスの圧力と温度を検出する圧力及び温度検出装置とを含み 、前記最低温度がその温度以上では容器内のガスがすべて単一の相状態にある温 度であつて、それにより圧力測定が容器内のガスの密度を直接に示すガス充填装 置。 １０．ガスだめからガスを導入する装置がポンプである特許請求の範囲第９項記 載の装置。 １１．予め選択された目標温度の記憶及びその温度近くに充填された容器内にガ スを導入するように制御可能な制御装置を含む特許請求の範囲第７項または第８ 項記載の装置。 １２．温度及び圧力検出装置によつて検出された温度及び圧力、及び検出装置か らの指示との比較に好適な形態の圧縮された液相またはＧＡＳ相にあるとき予め 選択されたガス密度に対する温度に関連する特性の圧力を与えるデータの視認ま たは他の指示を提供する圧力及び温度指示器を含む特許請求の範囲第９項から第 １１項までのいずれか一項記載の装置。 １３．制御装置が、温度検出装置によつて通常指示された温度におけるガスの予 め選択された密度（圧縮された液相またはＧＡＳ相）に対応する圧力レベルをあ らわす資料を容器内で検出された圧力に比較する自動式装置を含み、かつ制御装 置がこの比較作用に応答して受納シリンダ加熱装置及び流量導入装置への供給及 び断絶を、容器内のガスの予め選択された密度を生成させる方向に制御する特許 請求の範囲第１２項記載の装置。 １４．ガスの圧力及び／または温度が、該物質用の特性表の圧縮液相またはガス 相の単一相区域内に、かつ該物質用の臨界温度より僅かに高いか、等しいかもし くはそれ以下の区域内の温度に常にあるように制御される予め選択された密度に て高圧液化性ガスの容器への充填方法。 １５．容器にガスを供給し、容器内のガスの圧力と温度を監視し、容器及び／ま たは容器にあつてかつ容器に供給されたガスの温度を容器内のガスが予め選択さ れた密度に充填される前に圧縮液相またはＧＡＳＳ相にされるのに十分なレベル に上昇し、かつ容器内の単一相状態のガスが収容されたガスの温度及び予め選択 された密度に対応する選択された圧力に達したとき、容器内へのガスの供給を断 絶する段階を含むガスを容器に充填する特許請求の範囲第１４項記載の方法。