JP2006329359A - ガス供給設備及びガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液化ガス貯留槽から取り出した極低温液化ガスの冷熱により運転停止中の冷凍機のコールドステージの温度を気化ガスの凝縮温度以下に冷却し続けることにより、冷凍機を何時でも起動可能に待機させ得るガス供給設備及びその設備によるガス供給方法を提供する。
【解決手段】 ガス供給設備を、液化ガス貯留槽１に貯留されている極低温液化ガスを取り出してガス供給先に気化ガスを供給する主ガス供給ライン５から副ガス供給ライン６を分岐させ、取り出した極低温液化ガスの一部を副ガス供給ライン６に分流させ、液化ガス貯留槽１の上部に設けられた冷凍機２のコールドステージ２ａに設けた第２熱交換器６ｂに供給してコールドステージ２ａを冷却し、冷却後の極低温液化ガスを気化させて前記主ガス供給ライン５に合流させてガス供給先に供給する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液化ガス貯留槽に気化ガスを凝縮する冷凍機を付設したガス供給設備、及びそのガス供給設備を用いるガス供給方法に関するものである。

液化酸素、液化窒素、液化水素、液化ヘリウムなどの極低温液化ガスの蒸発潜熱は小さく、これらの極低温液化ガスを収納する液化ガス貯留槽は、内槽と外槽の２重構成により構成され、以下の手段によって断熱されている。即ち、大気から内槽へは、気体の対流熱伝達、輻射熱伝達、固体熱伝導によって熱が侵入する。気体による対流熱伝達量を小さくするため、極低温液化ガスを収納する内槽と、この内槽を収容する外槽との間の空間が真空状態に保持される。また、輻射熱伝達を小さくするために、内槽は輻射率が小さい材料からなるシートと、熱絶縁性の高い材料からなるシートを交互に積層してなる積層断熱材により囲繞される。そして、内槽、極低温液化ガス、および積層断熱材は、断熱支持構造体により外槽の内部に浮いた状態で支持される。前記断熱支持構造体は、この断熱支持構造体の固体熱伝導量を少なくするため、ガラス繊維強化プラスチックなどのように、機械的強度が優れると共に、熱伝導率が小さい材料から構成されている。液化ガス貯留槽を、このように構成しても、大気から断熱支持構造体、積層断熱材を介して内槽に侵入する熱量をゼロにすることは不可能である。

従って、大気から内槽内に熱が侵入するが、極低温液化ガスを液化ガス貯留槽から取り出してガス供給先に供給しているときには、大気から内槽に熱が侵入しても、熱の侵入により内槽の圧力が上昇するようなことがない。一方、夜間、土曜日、日曜日などの休日、ゴールデンウイーク、夏季休暇、および正月などのように極低温液化ガスが使用されないときには、極低温液化ガスの取り出しが停止され、液化ガス貯留槽は封じ切りの状態になる。従って、大気からの侵入熱によって極低温液化ガスが蒸発して、内槽の圧力が上昇する。圧力の上昇による内槽の破裂を防止するために、内槽の圧力が所定の圧力を超えると、安全弁により内槽内の気化ガスを大気中に放出する必要がある。

そこで、上記気化ガスを冷凍機により冷却して凝縮させると、内槽の圧力の上昇がなくなり、高価な極低温液化ガスを大気中に放出する必要がなくなる。気化ガスを冷却して凝縮させる冷凍機が設けられた貯蔵タンク（以下、液化ガス貯留槽という）としては、例えば後述する構成になるものが公知である（例えば特許文献１参照）。

以下、従来例に係るガス供給設備（液化ガス貯留槽）を、添付図面を順次参照しながら説明する。図２は従来例に係るガス供給設備（液化ガス貯留槽）の模式的縦断面図である。図中の符号６１は、内部に極低温液化ガス５５が収容されてなる液化ガス貯留槽であり、この液化ガス貯留槽６１の周壁５２は、内部が真空に保持された内外二重壁５３，５４により構成されている。符号６０ａは液面センサであり、また符合６０ｂは圧力センサであって、これら両センサ６０ａ，６０ｂは、何れも確認用のものである。符号６５は、液化ガス貯留槽６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂの上方に配設された液化手段であり、液化ガス貯留槽６１に図示しない脚部を介して取り付けられた載置台６５ａ上に載置されている。

上記液化手段６５は、断熱箱６６と、この断熱箱６６の天井壁に設けられたパルスチューブ冷凍機６２と、前記断熱箱６６またはパルスチューブ冷凍機６２に取り付けられた図示しない温度検出器とからなっており、このパルスチューブ冷凍機６２の冷端部（コールドステージ）６２ａは断熱箱６６の内部に位置している。そして、前記パルスチューブ冷凍機６２を作動させた状態では、このパルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａの温度が気化ガスの温度以下になるように設定されている。これにより取り出しパイプ６３を通って断熱箱６６の上部空間に送られてきた気化ガスは前記冷凍機６２の冷端部６２ａにより液化されて断熱箱６６の下部に溜められる。そして、断熱箱６６の下部に溜められた極低温液化ガスは、戻しパイプ６４を通して液化ガス貯留槽６１に戻されるように構成されている。また、前記冷凍機６２の冷端部６２ａの温度が極低温液化ガスの凝固点以下になると、この温度が温度検出器で検出されて、このパルスチューブ冷凍機６２の作動が停止されるようになっている。

前記取り出しパイプ６３の一端開口部は、前記断熱箱６６の上部空間に連通している。
また、この取り出しパイプ６３の他端部は液化ガス貯留槽６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂを貫通して、この液化ガス貯留槽６１の上部空間に突入している。前記戻しパイプ６４は、断熱箱６６の底壁から下方に延設されると共に、液化ガス貯留槽６１内に連通している。そして、この戻しパイプ６４の一端開口部が、断熱箱６６の下部に溜まっている極低温液化ガス５５中に連通している。また、この戻しパイプ６４の他端側が液化ガス貯留槽６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂを貫通して液化ガス貯留槽６１の上部空間に突入している。
特開２００２−１９５４９７号公報

上記のとおり、極低温液化ガスを供給しないときには冷凍機を運転し、極低温液化ガスを供給しているときには、大気から内槽に熱が侵入しても内槽の圧力が上昇するようなことがないから、冷凍機を運転する必要がない。冷凍機の運転を停止すると、コールドステージは１０時間程度で大気温度まで上昇する。そこで従来例では極低温液化ガスを供給しているときでも冷凍機の運転を継続し、コールドステージを極低温液化ガスの気化ガスが凝縮する凝縮温度以下に冷却し続けなければならない。しかし、この場合には冷凍機を駆動し続けるため、その分だけランニングコストがアップする。他方、取り出しパイプ６３、戻しパイプ６４を短くすると共にパイプ壁の断面積を大きくすることも考えられる。この場合、パイプの固体熱伝導により間接的に冷凍機のコールドステージが冷却されるので、冷凍機の運転中止中でもコールドステージを極低温に保持することができる。しかしながら、内槽への熱の侵入量が増加し、冷凍能力の大きな冷凍機が必要になるため、冷凍機自体のコストアップに加えて、冷凍機を駆動するためのランニングコストがより一層アップする。

極低温液化ガスを供給しない夜間、土曜日、日曜日などの休日、ゴールデンウイーク、夏季休暇、および正月などでは、液化ガス貯留槽の内槽内圧力が上昇するのを回避するため冷凍機は運転される。しかしながら、極低温液化ガスを供給しない場合において、冷凍機の始動運転に際しては、冷凍機が始動運転可能な状態になるまでコールドステージを冷却するのに２０時間程度を要する。従って、冷凍機が始動運転可能な状態になるまでの間は極低温液化ガスが気化し、内槽内圧力が所定の圧力を超えることになるので、気化ガスを大気中に放出せざるを得ない。

従って、本発明の目的は、液化ガス貯留槽から取り出した極低温液化ガスの冷熱により運転停止中の冷凍機のコールドステージの温度を気化ガスの凝縮温度以下に予冷し続けることにより、冷凍機を何時でも起動可能に待機させ得るガス供給設備及びその設備によるガス供給方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るガス供給設備は、下記の構成を特徴としている。即ち、極低温液化ガスを貯留する液化ガス貯留槽１と、上記液化ガス貯留槽１内の気化ガスを冷却して極低温液化ガスにする冷凍機２と、この液化ガス貯留槽１に接続されてガス供給先側にガスを供給する主ガス供給ライン５と、上記主ガス供給ライン５の上流側から分岐され、当該主ガス供給ライン５の下流側で合流される副ガス供給ライン６とを備えて成り、前記主ガス供給ライン５には、上記分岐部から合流部の間に下流側に向って、第１開閉弁５ａと、第１熱交換器５ｂと、第１圧力調整弁５ｃとが順に介装され、前記副ガス供給ライン６には、前記分岐部から合流部の間に下流側に向って、第２開閉弁６ａと、前記冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却する第２熱交換器６ｂと、第３熱交換器６ｃと、第２圧力調整弁６ｄと、流量調整弁６ｅとが順に介装されて成ることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に係るガス供給方法は、上記請求項１に記載したガス供給設備を用いて下記の手順を踏むことを特長としている。即ち、極低温液化ガスを気化させてガス供給先に供給するときには、液化ガス貯留槽１から極低温液化ガスを取り出し、その主要部を主ガス供給ライン５に導いて第１熱交換器５ｂで気化させるとともに、液化ガス貯留槽１から取り出した極低温液化ガスの一部は副ガス供給ライン６を介して第２熱交換器６ｂに導いて運転停止中の冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却し、その冷却した極低温液化ガスを第３熱交換器６ｃに導いて気化させ、流量調整弁６ｅにより気化ガスの流量を調整し、その調整後の気化ガスを前記主ガス供給ライン５に合流させてガス供給先に供給する一方、ガス供給先に気化ガスを供給しないときには、第１開閉弁５ａと第２開閉弁６ａを閉にし、液化ガス貯留槽１からの極低温液化ガスの取り出しを停止するとともに、前記冷凍機２を即時稼動運転することを特徴とする方法である。

請求項１又は請求項２に記載の発明によれば、ガス供給先に気化ガスを供給するに際して、液化ガス貯留槽から取り出した極低温液化ガスの一部を副ガス供給ラインに介装した第２熱交換器６ｂに導き、運転停止中の冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却し続けることでコールドステージ２ａは低温に維持される。つまり、液化ガス貯留槽１から取り出した極低温液化ガスの冷熱により運転停止中の冷凍機２のコールドステージ２ａの温度を気化ガスの凝縮温度以下に冷却し続けることにより、冷凍機２を何時でも起動可能に待機させることができる。

従って、冷凍機のコールドステージを冷却するために当該冷凍機そのものを駆動しなくても良いので、冷却のためのランニングコストが不要になるという経済効果を奏する。また、ガス供給先に気化ガスを供給しない場合において、従来例のように冷凍機が始動運転可能な状態になるまで気化ガスを大気中に放出しなくて済む。つまり、内槽内圧力が所定の圧力を超えるのを回避するために気化ガスの放出をしなくて済む。これにより気化ガスの無駄な放出がなくなるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施形態に係るガス供給設備とその設備を用いるガス供給方法について添付図面を参照しながら説明する、図１は本発明の実施形態に係るガス供給設備の模式的縦断面図である。

図示のガス供給設備は、例えば液化酸素、液化窒素、液化水素、液化ヘリウムなどの極低温液化ガスを貯留する内槽１ｂを有する液化ガス貯留槽１を備えている。この液化ガス貯留槽１は、内部が真空に保持される外槽１ａと、図示しない断熱支持構造体により前記外槽１ａ内に保持され、積層断熱材１ｃで囲繞されてなる内槽１ｂとから構成されている。この液化ガス貯留槽１の上に図示しない脚部を介して載置台４が設けられており、この載置台４の上には断熱箱３が載置されている。また、この断熱箱３の天井壁には冷凍機２が設けられており、この冷凍機２のコールドステージ２ａは断熱箱３の内部に位置している。

そして、前記冷凍機２を作動させた状態では、この冷凍機２のコールドステージ２ａの温度が気化ガスの温度以下になるように設定されている。これにより取り出しパイプ２ｂを通って断熱箱３の上部空間に送られてきた気化ガスは前記コールドステージ２ａの冷熱による冷却により液化されて断熱箱３の下部に溜められる。そして、断熱箱３の下部に溜められた極低温液化ガスは、戻しパイプ２ｃを介して液化ガス貯留槽１に戻されるように構成されている。また、前記冷凍機２のコールドステージ２ａの温度が極低温液化ガスの凝固点以下になると、それが図示しない温度検出器で検出されて、この冷凍機２が停止作動されるように構成されている。

前記取り出しパイプ２ｂの一端部は断熱箱３の上部空間に連通し、他端部は液化ガス貯留槽１を貫通して、この液化ガス貯留槽１の上部空間に突入している。また、前記戻しパイプ２ｃの基端部は断熱箱３の底壁に固定されて下方に延出され、その先端部は液化ガス貯留槽１内の上部空間に連通しており、断熱箱３の下部に溜まっている極低温液化ガスを液化ガス貯留槽１内に戻すように構成されている。なお、冷凍機２の構成は前記従来例に係るものと同等の構成であり、その説明は省略する。

このような構成になる冷凍機２を備えた液化ガス貯留槽１の内槽１ｂ内に貯留されている極低温液化ガスは、主ガス供給ライン５と副ガス供給ライン６を介してガス供給先に供給されるように構成されている。即ち、液化ガス貯留槽１の底部に主ガス供給ライン５の一端が接続され、副ガス供給ライン６は上記主ガス供給ライン５の上流側から分岐され、当該主ガス供給ライン５の下流側で合流される。上記主ガス供給ライン５には、上記分岐部から合流部の間に下流側に向って、第１開閉弁５ａと、極低温液化ガスを蒸発させる第１熱交換器５ｂと、ガス供給先が要求するガス圧力になるように開度が制御される第１圧力調整弁５ｃとが順に介装されている。

また、前記副ガス供給ライン６には、前記分岐部から合流部の間に下流側に向って、第２開閉弁６ａと、前記冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却する第２熱交換器６ｂと、コールドステージ２ａを冷却した極低温液化ガスを蒸発させる第３熱交換器６ｃと、気化ガスの圧力を調整する第２圧力調整弁６ｄと、開度が制御される流量調整弁６ｅとが順に介装されている。上記副ガス供給ライン６は、前記主ガス供給ライン５から取り出された極低温液化ガスの一部を前記冷凍機２のコールドステージ２ａに巻回されたコイル状の銅管からなる第２熱交換器６ｂに迂回させて、前記冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却するものである。

なお、上記流量調整弁６ｅは、前記コールドステージ２ａの温度を検出する温度検出器７からの温度検出値に基づいて気化ガスの流量を調整することにより、コールドステージ２ａの温度が予め設定した所定範囲内の温度になるように、副ガス供給ライン６に流入させる極低温液化ガスの分流量を間接的に制御するものである。

この実施形態に係るガス供給設備においては、上記のとおり、前記副ガス供給ライン６の第３熱交換器６ｃの下流側に、主ガス供給ライン５の連通部側に向って、第２圧力調整弁６ｄ、流量調整弁６ｅが順に介装されているが、これとは逆順に、つまり流量調整弁６ｅ、第２圧力調整弁６ｄの順に介装しても、上記と同等の機能を発揮することができる。

以下、本発明の実施形態に係るガス供給設備の作用態様を説明する。極低温液化ガスをガス供給先側に供給するときには、液化ガス貯留槽１から取り出された極低温液化ガスの主要部分は主ガス供給ライン５に流入し、第１熱交換器５ｂで気化されると共に、第１圧力調整弁５ｃでガス供給先側が要求するガス圧に調整されてガス供給先に供給される。

これと並行して、副ガス供給ライン６に流入した極低温液化ガスの一部は第２熱交換器６ｂに流入して運転停止中の冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却する。つまり、運転停止中の冷凍機２のコールドステージ２ａの温度を気化ガスの凝縮温度以下に冷却し続けることにより、冷凍機２を何時でも起動可能に待機させるのである。コールドステージ２ａを冷却した極低温液化ガスは第３熱交換器６ｃで気化されると共に、第２圧力調整弁６ｄでガス供給先側が要求するガス圧に調整される。次いで、流量調整弁６ｅにより、前記コールドステージ２ａの温度が予め設定した所定範囲内の温度になるように気化ガスの流量が制御される。そして、主ガス供給ライン５の第１圧力調整弁５ｃの下流側合流部に流入して、この主ガス供給ライン５を流れる気化ガスと合流してガス供給先に供給される。

他方、ガス供給先に気化ガスを供給しないときには、第１開閉弁５ａ、および第２開閉弁６ａが閉弁されて、液化ガス貯留槽１からの極低温液化ガスの取り出しが停止される。そして、極低温液化ガスの取り出し停止と同時に冷凍機２が始動運転され、液化ガス貯留槽１内に充満する蒸発ガス（ＢＯＧ）の凝縮が開始される。

上記のとおり、本発明に係るガス供給設備によれば、ガス供給先にガスを供給する際に、副ガス供給ライン６を介して冷凍機２コールドステージ２ａを冷却し続けることにより、冷凍機２を何時でも起動可能に待機させることができる。

従って、本発明に係るガス供給設備によれば、下記の効果を奏することができる。即ち、冷凍機のコールドステージを冷却するために当該冷凍機そのものを駆動しなくても良いので、冷却のためのランニングコストが不要になるという経済効果を奏する。また、ガス供給先に気化ガスを供給しない場合において、従来例では冷凍機が始動運転可能な状態になるまで極低温液化ガスが気化し、内槽内圧力が所定の圧力を超えるのを回避するために気化ガスの放出をせざるを得ないが、本発明では、従来例のように冷凍機が始動運転可能な状態になるまで気化ガスを大気中に放出しなくて済む。これにより気化ガスの無駄な放出がなくなるという優れた効果を奏する。

なお、上記の実施形態においては、副ガス供給ライン６に流量調整弁６ｅを介装し、コールドステージ２ａの温度が予め設定した所定範囲内の温度になるように、副ガス供給ライン６に流入させる極低温液化ガスの分流量を間接的に制御する構成にしたものについて例示したが、例えば運転経験に基づいて副ガス供給ライン６に分流させる極低温液化ガスの分流量を、季節ファクターを考慮して決定し、決定した一定の量の極低温液化ガスを分流させるように構成しても良い。

本発明の実施形態に係るガス供給設備の模式的縦断面図である。 従来例に係るガス供給設備（液化ガス貯留槽）の模式的縦断面図である。

符号の説明

１…液化ガス貯留槽、
１ａ…外槽、１ｂ…内槽、１ｃ…積層断熱材、
２…冷凍機、
２ａ…コールドステージ、２ｂ…取り出しパイプ、２ｃ…戻しパイプ、
３…断熱箱、
４…載置台、
５…主ガス供給ライン、
５ａ…第１開閉弁、５ｂ…第１熱交換器、５ｃ…第１圧力調整弁、
６…副ガス供給ライン、
６ａ…第２開閉弁、６ｂ…第２熱交換器、６ｃ…第３熱交換器、
６ｄ…第２圧力調整弁、６ｅ…流量調整弁、
７…温度検出器。

Claims (2)

1. 極低温液化ガスを貯留する液化ガス貯留槽１と、上記液化ガス貯留槽１内の気化ガスを冷却して極低温液化ガスにする冷凍機２と、この液化ガス貯留槽１に接続されてガス供給先側にガスを供給する主ガス供給ライン５と、上記主ガス供給ライン５の上流側から分岐され、当該主ガス供給ライン５の下流側で合流される副ガス供給ライン６とを備えて成り、前記主ガス供給ライン５には、上記分岐部から合流部の間に下流側に向って、第１開閉弁５ａと、第１熱交換器５ｂと、第１圧力調整弁５ｃとが順に介装され、前記副ガス供給ライン６には、前記分岐部から合流部の間に下流側に向って、第２開閉弁６ａと、前記冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却する第２熱交換器６ｂと、第３熱交換器６ｃと、第２圧力調整弁６ｄと、流量調整弁６ｅとが順に介装されて成ることを特徴とするガス供給設備。
2. 請求項１に記載のガス供給設備によるガス供給方法であって、
   極低温液化ガスを気化させてガス供給先に供給するときには、液化ガス貯留槽１から極低温液化ガスを取り出し、その主要部を主ガス供給ライン５に導いて第１熱交換器５ｂで気化させるとともに、液化ガス貯留槽１から取り出した極低温液化ガスの一部は副ガス供給ライン６を介して第２熱交換器６ｂに導いて運転停止中の冷凍機２のコールドステージ２ａを冷却し、その冷却した極低温液化ガスを第３熱交換器６ｃに導いて気化させ、流量調整弁６ｅにより気化ガスの流量を調整し、その調整後の気化ガスを前記主ガス供給ライン５に合流させてガス供給先に供給する一方、ガス供給先に気化ガスを供給しないときには、第１開閉弁５ａと第２開閉弁６ａを閉にして液化ガス貯留槽１からの極低温液化ガスの取り出しを停止するとともに、前記冷凍機２を即時稼動運転することを特徴とするガス供給方法。
   

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