KR101755744B1 - 가스 공급장치 - Google Patents

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KR101755744B1
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다카시 요네다
다카시 요시다
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다이요 닛산 가부시키가이샤
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Abstract

압축가스를 안정된 상태로 감압하여 공급할 수 있고, 경제성이나 안전성에도 뛰어난 가스 공급장치로서, 압축가스 공급원(고압가스 용기(11))으로부터 공급되는 가스를 감압수단(압력 조정기(21,31))으로 감압하여 공급하는 가스 공급장치에 있어서, 상기 감압수단의 가스 흐름방향 상류측에, 상기 감압수단에 도입되는 가스와 온수 공급원(온수순환 유닛(15))으로부터 공급되는 온수를 열교환시켜 상기 가스를 가온하는 열교환기(22,32)를 설치하는 동시에, 상기 감압수단에, 상기 온수의 일부에 의해서 상기 감압수단을 가온하기 위한 온수 유로(53)를 마련한다.

Description

가스 공급장치{GAS SUPPLY DEVICE}
본 발명은, 가스 공급장치에 관한 것으로, 자세하게는, 압축가스를 감압하여 공급하는 가스 공급장치에 관한 것이다.
47리터의 용기나 대형 용기로부터의 압축가스를 공급할 때에는, 압력 조정 설비, 감압 밸브, 컨트롤 밸브 등의 감압수단에 의해서 지정된 압력으로 감압하여 공급하도록 하고 있다. 이 때, 감압수단으로 감압된 가스는, 단열 팽창 및 줄 톰슨 효과에 의해서 가스온도가 저하하기 때문에, 감압수단의 외면에 의한 결로나 결상(frost formation)이 발생하여 가스 압력의 조정이 곤란하게 되거나 하는 경우가 있다. 이 때문에, 감압수단의 상류측 배관(1차측 배관)을 가열하거나, 감압수단을 가열하거나 함으로써, 감압 후의 가스온도의 저하를 억제하는 것이 행하여지고 있다(예를 들면, 특허문헌 1∼3 참조.).
: 일본 공개특허공보 2006-283812호 : 일본특허공보 제3592446호 : 일본 특허공고공보 평성6-33858호
그러나, 가연성 가스를 공급하는 장치의 배관이나 감압수단을 가열하기 위한 가열원으로서 전기히터를 이용하는 것은, 만일 가스 누출이 발생했을 때에 발화의 위험성이 있기 때문에 바람직한 것은 아니다. 또한, 가열용의 유체가 흐르는 가열용 배관을 가스 배관의 주위에 감아 돌린 것에서는, 가스 배관내의 가스를 충분히 승온(昇溫)시키기 위해서는 열전달면적을 극히 크게 하거나, 가열용 배관내를 흐르는 유체 온도를 고온으로 할 필요가 있어, 설비비용이나 운전비용의 상승을 초래해 버린다.
한편, 모노실란(SiH4)이나 3불화 질소(NF3)는, 임계 압력이 충전압력에 매우 가깝고, 임계 온도도 비교적 실온에 가깝기 때문에, 임계점 근방에서 충전된 상태로부터의 공급이 된다. 그리고, 표준 비점이 높기 때문에, 단열 팽창에 의한 가스온도의 저하가 크고, 가스가 액화하기 쉽고, 감압수단에의 결로나 결상도 많아지기 쉽다. 게다가, 모노실란은 가연성(可燃性), 자연성(自燃性)을 가지고, 3불화 질소도 지연성(支燃性)을 가지고 있기 때문에, 전기히터의 사용은 피하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명은, 압축가스를 안정된 상태로 감압하여 공급할 수 있고, 경제성이나 안전성에도 뛰어난 가스 공급장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 가스 공급장치는, 압축가스 공급원으로부터 공급되는 가스를 감압수단으로 감압하여 공급하는 가스 공급장치에 있어서, 상기 감압수단의 가스 흐름방향 상류측에, 상기 감압수단에 도입되는 가스와 온수 공급원으로부터 공급되는 온수를 열교환시켜 상기 가스를 가온하는 열교환기를 설치하는 동시에, 상기 감압수단에, 상기 온수의 일부에 의해서 상기 감압수단을 가온하기 위한 온수 유로를 마련하였다.
게다가, 본 발명의 가스 공급장치는, 상기 온수를 30∼40℃의 온도로 가온하여 상기 열교환기 및 상기 감압수단의 온수 유로에 공급하는 온수순환수단을 구비하고 있다. 또한, 상기 감압수단이 직렬 또는 병렬로 복수 배치되고, 각 감압수단의 가스 흐름방향 상류측에 상기 열교환기가 각각 배치되어 있다. 게다가, 상기 가스가 모노실란 또는 3불화 질소이다.
본 발명의 가스 공급장치에 의하면, 온수를 가열원으로 하는 열교환기로 가스를 가온하므로, 배관내를 흐르는 가스를 효율적으로 확실히 가온할 수 있고, 감압수단도 온수에 의해서 가온함으로써 감압 후의 가스가 액화되는 것을 확실히 방지할 수 있다. 또한, 가열원을 온수로 하는 것에 의해, 전기히터에 비해 안전성을 높일 수 있다. 게다가, 온수온도를 40℃ 이하로 함으로써, 가스온도가 지나치게 높아지는 일이 없이, 가온에 필요로 하는 에너지도 줄일 수 있다. 또한, 감압수단을 직렬 또는 병렬로 복수 설치하는 것에 의해, 각 감압수단에 있어서의 감압도를 최적으로 설정할 수 있으므로, 감압수단이나 배관계에 결로나 결상을 발생시키지 않고, 보다 효율적으로 감압 가스를 공급할 수 있고, 특히, 모노실란이나 3불화 질소와 같은 가스도 안전하게 안정된 상태로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 가스 공급장치의 한 형태예를 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명의 가스 공급장치에서 사용하는 열교환기의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 가스 공급장치에서 사용하는 압력 조정기의 일례를 나타내는 단면도이다.
본 형태예에 나타내는 가스 공급장치는, 소정의 고압 상태로 압축가스를 충전한 압축가스 공급원이 되는 고압가스 용기(11)로부터 공급하는 가스의 압력을 저하시키기 위한 감압수단으로서 2개의 압력 조정기(21,31)를 직렬로 설치한 것으로, 가스 흐름방향 상류측의 제 1 압력 조정기(21)에서 고압의 가스를 미리 설정한 감압도(減壓度)로 감압하여 중압의 가스로 하고, 하류측의 제 2 압력 조정기(31)에서 중압의 가스를 미리 설정한 감압도로 감압하는 것에 의해, 공급처의 요망에 따른 압력의 저압가스를 공급하도록 형성되고 있다. 예를 들면, 충전압력이 9MPa(절대압, 이하 같다)의 압축가스를 대기압 근처까지 감압하여 공급하는 경우, 제 1 압력 조정기(21)에서 4MPa 정도의 중압으로 감압한 후, 제 2 압력 조정기(31)에서 4MPa로부터 대기압에 가까운 공급압력으로 감압하여 공급한다.
가스 공급장치와 고압가스 용기(11)와의 사이에는, 고압밸브(12)와 압력 검출기(13)가 설치되고, 가스 공급장치와 공급처와의 사이에는 저압밸브(14)가 설치되어 있다. 그리고, 각 압력 조정기(21,31)의 가스 흐름방향 상류측(1차측)에는, 열교환기(22,32)와 차단밸브(23,33)가 설치되고, 각 압력 조정기(21,31)의 가스 흐름방향 하류측(2차측)에는, 압력 검출기(24,34)가 각각 설치되어 있다. 또한, 본 형태예에 나타내는 가스 공급장치에는, 상기 압력 조정기(21,31) 및 상기 열교환기(22,32)에 가온용의 온수를 각각 순환 공급하기 위한 온수순환 유닛(15)이, 상기 압력 조정기(21,31)나 열교환기(22,32) 등을 배치한 장치 본체부(16)와는 격리된 상태로 설치되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 상기 열교환기(22,32)에는, 상방이 개구한 유저의 용기(41)내에 금속제의 코일관(42)을 수납한 구조(쉘 앤드 코일 구조)의 것이 이용되고, 용기(41)의 상부 개구에는, 코일관(42)의 입구관(42a)과 출구관(42b)을 삽입통과한 덮개(43)가 탈착 가능하게 부착되어 있다. 또한, 용기(41)가 대향하는 측벽의 한쪽에는 온수 도입구(44)가 설치되고, 다른쪽의 측벽에는 온수 도출구(45)가 설치되는 동시에, 용기(41)의 내부에는, 온수 도입구(44)로부터 용기(41)내에 유입된 온수를 코일관(42)과 효율적으로 접촉시키기 위한 복수의 방해판(배플판, baffle board)(46)이 코일관(42)에 간섭하지 않도록 하여 설치되어 있다. 온수 도입구(44)로부터 용기(41)내에 유입된 온수는, 방해판(46)의 작용으로 용기(41)내를 구불거리면서 흐르는 것에 의해서 코일관(42)의 외면에 골고루 접촉하여, 코일관(42)의 관벽을 사이에 두고 코일관(42)의 내부를 흐르는 가스와 열교환하는 것에 의해 가스를 가온한 후, 온수 도출구(45)로부터 도출된다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 상기 압력 조정기(21,31)에는, 중앙의 가스 유로(51,52)의 주위를 둘러싸도록 하여 온수 유로(53)가 마련된 보온기능이 부착된 것이 이용되고 있다. 상기 온수 유로(53)의 일단에는 온수 도입구(54)가, 타단에는 온수 도출구(55)가 각각 설치되어 있고, 온수 도입구(54)로부터 온수 유로(53)에 유입된 온수는, 가스 유로(51)의 주위에 형성된 입구측 고리 형상 유로(53a)를 통과하여, 상기 입구측 고리 형상 유로(53a)로부터 밸브상자부분의 주위에 마련된 밸브상자 외주 유로 (53b)를 통과하여, 출구측 고리 형상 유로(53c)에 유입되어, 이들의 각 유로를 흐를 때에 압력 조정기(21,31)를 가온한 후, 온수 도출구(55)로부터 도출된다.
온수순환 유닛(15)은, 임의의 열에너지를 이용하여 미리 설정된 온도의 온수를 생성하는 온수 생성기(17)와, 상기 온수 생성기(17)와 상기 장치 본체부(16)내의 가온 대상을 접속하는 온수 공급관(18) 및 온수 복귀관(19)을 구비하고 있다. 온수 생성기(17)는, 예를 들면 전기히터에 의해서 30∼40℃의 온도로 가온한 온수를 생성하여 펌프로 공급하는 것으로서, 온수 생성기(17)에서 생성한 온수는, 온수 공급관(18)을 통과하여 열교환기(22,32)나 압력 조정기(21,31)에 각각 대응하는 도입측 분기관(18a)으로 나뉘어, 열교환기(22,32)나 압력 조정기(21,31)로부터 도출된 온수는, 각 도출측 분기관(19a)으로부터 온수 복귀관(19)에 합류하여 온수 생성기(17)에 순환하여 재이용되도록 형성되어 있다.
온수 생성기(17)로부터 공급되는 온수의 온도는, 공급하는 가스 유량이나 열교환기(22,32)의 열교환 효율, 압력 조정기(21,31)에 있어서의 가온 효율 등의 조건에 따라서 임의로 설정하는 것이 가능하지만, 누설시의 안전성을 고려하면, 40℃ 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 가스의 가온 효과를 고려하면, 30℃ 이상, 특히 35℃ 이상이 최적이다. 온수 유량도, 열교환기(22,32)에 있어서의 가스 유량이나 열교환 효율 등에 따라서 적절히 설정하는 것이 가능하지만, 예를 들면, 열교환기(22,32)에 있어서, 코일관(42)내의 가스와 향류(向流, counterflow)방향의 흐름으로 열교환을 행하는 것에 의해서 온도가 저하한 온수의 온도, 즉, 온수 도출구(45)에 있어서의 온수온도가, 온수 도입구(44)에 있어서의 온수온도에 대해서 -5℃ 미만, 바람직하게는 -2℃ 미만이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 코일관(42)에는, 공급처가 요망하는 가스 유량과, 상기 코일관(42)을 통과하는 가스 압력에 따른 지름이나 두께의 파이프가 이용된다. 이 코일관(42)의 길이는, 코일관(42)을 길게 하는 것에 의해서 열교환 후의 가스온도를 온수온도에 가까이 할 수 있지만, 사용하는 파이프의 비용 상승에 걸맞는 충분한 효과를 기대할 수 없기 때문에, 온수와의 열교환에 의해 가온된 가스온도가, 온수온도에 대해서 -5℃ 미만, 바람직하게는 -3℃ 미만이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
이 때, 코일관(42)내를 흐르는 가스와, 코일관(42)의 주위를 흐르는 온수는, 코일관(42)의 관벽을 사이에 두고 열교환을 행하여, 가스 배관의 주위에 온수 배관을 감아 돌리는 종래의 경우와 같이, 2개의 파이프의 관외면끼리가 선접촉하거나 관 끼리의 사이에 공기층이 개재되거나 하는 일이 없기 때문에, 코일관(42)의 안팎의 각 표면적, 관벽의 두께, 안팎의 온도차, 비열(比熱) 등의 각종 조건을 설정하는 것에 의해, 열교환 후의 가스온도 등을 계산에 따라서 용이하게 구할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 가스온도를 충분히 상승시킬 수 없게 되거나, 가스온도가 불안정하게 되거나 하는 일이 없어, 하류측의 압력 조정기(21,31)에 유입되는 가스를 소정 온도로 확실히 가온할 수 있다.
또한, 압력 조정기(21,31)에서는, 감압 후의 가스온도와 온수의 가온 효과를 고려하여 각 압력 조정기(21,31)에 있어서의 감압도를 각각 설정하는 것이 바람직하고, 열교환기(22,32)에 공급하는 온수온도로, 압력 조정기(21,31)의 외면에 결로가 생기지 않을 정도로 압력 조정기(21,31)의 외면을 가온할 수 있도록 온수 유량이나 온수 유로(53)의 구조, 형상을 설정하면 좋다.
게다가, 상기 온수온도나 상기 온수순환 유닛(15)의 온수 공급 능력, 열교환기(22,32)의 열교환 능력, 압력 조정기(21,31)의 가온 능력은, 일반적으로, 공급하는 가스의 최대유량에 대응시켜 설정하게 되지만, 최대유량의 계속시간이 단시간이고, 그 때의 압력 조정기(21,31)에의 결로량을 무시할 수 있는 정도라면, 최대유량보다 적은 가스유량에 대응시켜 각 능력을 설정할 수 있다.
본 형태예에 나타내는 바와 같이, 압축가스의 감압을 복수 단계에서 행하는 것에 의해, 각 감압 단계에 있어서의 감압도를 작게 할 수 있는 동시에, 감압수단(압력 조정기(21,31))에 도입하는 압축가스를 고온으로 가열할 필요가 없어져, 40℃ 이하의 온수를 이용한 열교환기(22,32)에서 가스를 가온함으로써 감압수단에서의 가스의 액화나 감압수단 외면에의 결로를 방지할 수 있다. 특히, 온수에 의한 가스의 가온을 열교환기로 행하는 것에 의해, 가스를 소정온도로 효율적으로 가온할 수 있어, 40℃ 이하의 온수를 이용하는 것에 의해, 전기히터로 배관 등을 가열하는 경우에 비해 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 압축가스가 흐르는 배관계를 구비한 장치 본체부(16)와, 온수를 생성하는 온수 생성기(17)를 격벽 등을 사이에 두고 격리된 상태로 설치하는 것에 의해, 온수 생성기(17)의 가열원에 전기히터를 이용해도, 압축가스와 전기히터가 격리되어 있기 때문에, 안전성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다. 또한, 온수를 이용하는 것에 의해서, 열수(熱水)나 스팀을 이용한 경우에 비해 가온에 필요로 하는 에너지의 저감이 도모되어, 배관계로부터의 열 손실도 적어져서, 만일, 온수가 누설되어도 화상 등의 위험은 없다.
한편, 감압 후의 저압가스를 공급처에 연속 공급하는 경우에는, 상기 장치 본체부(16)와 온수순환 유닛(15)을 구비한 가스 공급장치를 복수 설치해도 좋지만, 하나의 온수순환 유닛(15)을 복수의 장치 본체부(16)에 대응시킬 수도 있다. 또한, 단열 팽창에 의한 가스온도의 저하가 비교적 작고, 감압도가 작은 압축가스를 감압하여 공급하는 경우에는, 감압수단 및 열교환기를 한개씩만 설치하도록 할 수 있다.
11 : 고압가스 용기
12 : 고압밸브
13 : 압력 검출기
14 : 저압밸브
15 : 온수순환 유닛
16 : 장치 본체부
17 : 온수 생성기
18 : 온수 공급관
18a : 도입측 분기관
19 : 온수 복귀관
19a : 도출측 분기관
21, 31 : 압력 조정기
22, 32 : 열교환기
23, 33 : 차단 밸브
24, 34 : 압력 검출기
41 : 용기
42 : 코일관
42a : 입구관
42b : 출구관
43 : 덮개
44 : 온수 도입구
45 : 온수 도출구
46 : 방해판
51, 52 : 가스 유로
53 : 온수 유로
53a : 입구측 고리 형상 유로
53b : 밸브 상자 외주 유로
53c : 출구측 고리 형상 유로
54 : 온수 도입구
55 : 온수 도출구

Claims (5)

  1. 압축가스 공급원으로부터 공급되는 가스를 감압수단으로 감압하여 공급하는 가스 공급장치로서, 상기 감압수단의 가스 흐름방향 상류측에, 상기 감압수단에 도입되는 가스와 온수 공급원으로부터 공급되는 온수를 열교환시켜 상기 가스를 가온하는 열교환기를 설치하는 동시에, 상기 감압수단에, 상기 온수의 일부에 의해서 상기 감압수단을 가온하기 위한 온수 유로를 상기 감압수단의 중앙의 가스 유로를 둘러싸도록 마련하고,
    상기 온수 유로는, 일단에 온수 도입구를, 타단에 온수 도출구를 형성하며, 온수 도입구로부터 유입한 온수가, 상기 가스의 유로의 주위에 형성된 입구측 고리 형상 유로를 통과하여, 상기 입구측 고리형상 유로로부터 상기 감압수단의 밸브상자부분의 주위에 마련된 밸브상자 외주 유로를 통과하여, 출구측 고리형상 유로에 유입되어, 온수 도출구로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 가스 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온수를 30∼40℃의 온도로 가온하여 상기 열교환기 및 상기 감압수단의 온수 유로에 공급하는 온수순환수단을 구비하고 있는 가스 공급장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 감압수단이 직렬 또는 병렬로 복수 배치되고, 각 감압수단의 가스 흐름방향 상류측에 상기 열교환기가 각각 배치되어 있는 가스 공급장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스가 모노실란 또는 3불화 질소인 가스 공급장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 가스가 모노실란 또는 3불화 질소인 가스 공급장치.
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