(57)【要約】【課題】高圧ガス供給設備における圧力調整弁や開閉弁等の弁内での断熱圧縮や衝撃波圧縮熱によるガス温度の上昇を効果的に抑制できる高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置を得る。【解決手段】本発明に係る高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置１は、高圧ガスが流通する高圧側配管３に設けられて高圧側と低圧側を仕切る第一弁５と、第一弁５の下流側で低圧側配管７に設けられた第二弁９とを有する高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置１であって、第一弁５と第二弁９との間で、かつ第一弁５と第二弁９との中間位置よりも第一弁５に近い位置に２段から４段の多段オリフィス１１を設けてなることを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスが流通する高圧側配管に設けられて高圧側と低圧側を仕切る第一弁と、該第一弁の下流側で低圧側配管に設けられた第二弁とを有する高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置であって、
前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に２段から４段の多段オリフィスを設けてなることを特徴とする高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置。
【請求項２】
前記多段オリフィスの材質として、銅または銅合金を用いたことを特徴とする請求項１記載の高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置。
【請求項３】
前記多段オリフィスにおける各オリフィスの設置間隔が等間隔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置。
【請求項４】
前記多段オリフィスにおける各オリフィスの設置間隔が配管内径の１〜２０倍の長さであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置。
【請求項５】
前記多段オリフィスにおける各オリフィスの厚みを、配管の肉厚以上で、かつ配管内径寸法よりも薄く設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス昇温抑制方法及び装置に関し、詳しくは、高圧ガス供給設備における圧力調整弁や開閉弁等の弁内でガス温度の上昇を抑制する高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスの供給設備の配管内において、高圧側と低圧側を仕切る当該バルブを急速に開けると、低圧側にあったガスが急激に圧縮されること（断熱圧縮）や、バルブの前後の圧力比が２以上ある場合に発生する衝撃波により、低圧側のガスが急速に圧縮されてガス塊となって衝撃波圧縮熱が発生する。
そのガス塊が配管閉止部に到達すると、配管閉止部に設置された有機材料系のシール材の発火点や融点を超えてシール材が熱により損傷する。シール材が発火点の比較的低い有機材料で高圧のガスが酸素などの支燃性ガスであった場合、シール材は容易に焼損し、バルブ筐体まで延焼する可能性がある。
【０００３】
そのため、高圧ガス供給設備配管に設置されている高圧側と低圧側を仕切るバルブの操作は、手動で「ゆっくり開ける」操作を励行することにより、低圧側の昇圧速度を低減させ、配管内部における断熱圧縮及び衝撃波の発生を抑制し、配管内のガスの温度上昇を抑制させてきた。
しかし、高圧ガス供給設備の自動化に伴い、バルブの開閉も機械によって自動で行われるようになり、これまで人が行ってきた「ゆっくり開ける」といった操作を設備の条件に合わせて制御することが困難となり、衝撃波圧縮や断熱圧縮に伴う配管内ガスの温度上昇に起因すると思われる設備損傷事故が発生している。
【０００４】
このような高圧ガス供給設備配管のガス昇温抑制方法に関し、特許文献１には、「上流側に第一弁を有する高圧ガス配管の下流側に設けられた第二弁内のガスの昇温を抑制するガス昇温抑制方法であって、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に設けた流量調整手段によって第一弁から第二弁に向かうガスの流量調整を行うことにより、前記第二弁内のガスの昇温を抑制することを特徴とするガス昇温抑制方法。」が開示されている。
また、特許文献１においては、流量調整手段として、オリフィスを設けることも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３９０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示のガス昇温抑制方法は、オリフィスを１段設け、第一弁と第二弁におけるオリフィスの配置について規定しているが、断熱圧縮による温度上昇や衝撃波圧縮熱の両方を抑制するには十分とは言えない。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、高圧ガス供給設備配管における圧力調整弁や開閉弁等の弁内での断熱圧縮や衝撃波圧縮熱によるガス温度の上昇を効果的に抑制できる高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置は、高圧ガスが流通する高圧側配管に設けられて高圧側と低圧側を仕切る第一弁と、該第一弁の下流側の低圧側配管に設けられた第二弁とを有する高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置であって、
前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に２段から４段の多段オリフィスを設けてなることを特徴とするものである。
【０００９】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記多段オリフィスの材質として、銅または銅合金を用いたことを特徴とするものである。
【００１０】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記多段オリフィスにおける各オリフィス間距離が等間隔であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス昇温抑制装置。
【００１１】
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記多段オリフィスにおける各オリフィス間距離が配管内径の１〜２０倍の長さであることを特徴とするものである。
【００１２】
（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記多段オリフィスにおける各オリフィスの厚みを、配管の肉厚以上で、かつ配管内径寸法よりも薄く設定したことを特徴とするものである。
【００１３】
（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記多段オリフィスを、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に設けてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、高圧ガスが流通する高圧側配管に設けられて高圧側と低圧側を仕切る第一弁と、該第一弁の下流側の低圧側配管に設けられた第二弁との間で、かつ第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に２段から４段の多段オリフィスを設けたことにより、第一弁を急速に開けた場合に発生する断熱圧縮や衝撃波による配管内ガスの温度上昇を圧縮熱の放出と衝撃波の減衰を同時に実現することができる。これにより、設備の損傷へ至る配管内部における温度上昇を抑制し、設備を健全に保つことが可能となる。
また、既存の高圧ガス供給設備配管の一部に多段オリフィスを設置するだけで本装置を実現できるので、設備の配管系統や制御機構を大幅変更することなく、運転することができ、恒久的に設備の健全性を保つことが可能となる。
また、本発明の高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置は機械的な駆動部が存在しないことから、恒久的に設備の健全性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高圧ガス供給設備に多段オリフィスを設置した状態の装置構成を説明する説明図である。
【図２】多段オリフィスの軸方向断面図である。
【図３】多段オリフィスの温度上昇抑制効果の実験結果を示すグラフである。
【図４】多段オリフィスの設置位置の効果確認実験の結果を示すグラフである。
【図５】多段オリフィスの各オリフィス間距離と圧力減衰比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施の形態に係る高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置１は、高圧ガスが流通する高圧側配管３に設けられて高圧側と低圧側を仕切る第一弁５と、第一弁５の下流側の低圧側配管７に設けられた第二弁９とを有する高圧ガス供給設備配管の昇温抑制装置１であって、第一弁５と第二弁９との間に多段オリフィス１１を設けてなることを特徴とするものである。
【００１７】
多段オリフィス１１の段数は、供給設備に合わせて、２段〜４段設けるのが好ましい。図２は、多段オリフィス１１の段数を４段にしたときの、軸方向断面を示している。
多段オリフィス１１は、ガスの流れに対して垂直に設置されるため、配管内部を通過するガスとの接触面積が増加し、効果的に熱交換することができる。これによって、閉止部となる第二弁９の位置におけるガス塊の圧縮熱を低減することができる。
【００１８】
一般に、高圧ガス設備においては耐食性や加工性を考慮してステンレス鋼が用いられるが、熱交換の効率をさらに高めるために、多段オリフィス１１を形成する材質として、ステンレスに比べて熱伝導率が高く、融点が比較的高い銅または銅合金を用いることがより望ましい。
【００１９】
多段オリフィス１１の温度上昇抑制効果を確認する実験を行ったのでこれについて説明する。実験は、１段〜４段の多段オリフィス１１を設置した場合、及びオリフィスを設置しない場合について、第一弁５前後の圧縮比に対する圧縮後の温度を測定するというものである。
図３は実験結果を示すグラフであり、縦軸が圧縮後温度（Ｋ）を示し、横軸が圧縮比を示している。
【００２０】
図３のグラフに示されるように、オリフィスの段数が増えるに従って圧縮後温度は低くなっており、多段オリフィス１１を設けることで温度上昇抑制効果があることがわかる。圧縮比100の条件で、４段のオリフィスを設置した場合、オリフィスがない場合に比べ、約200℃温度が低下しており、十分な温度抑制効果があり、これにより設備の損傷を防止できることが実証されている。
なお、オリフィスの段数を５段以上にすると、温度上昇を抑えることができる反面、ガスの供給速度が低下してガスの供給効率が低下することから、オリフィスの段数は２〜４段が好ましい。
【００２１】
また、各オリフィスの内径d2（図２参照）は、配管内径d1（図２参照）の4分の1以下にするのが望ましい。なぜなら、オリフィス内径が内径の4分の1以上になると、圧縮後のガス温度が、オリフィスがない場合と比べ変化が少なくなるからである。
【００２２】
多段オリフィス１１を設ける位置は、第一弁５と第二弁９との間で、かつ、第一弁５と第二弁９との中間位置よりも第一弁５に近い位置に設けることが必要である。
具体的には、図１に示すように、第一弁５と第二弁９の距離をＬ１、第一弁５と多段オリフィス１１の下流側端部の距離をＬ２とすると、Ｌ２＜Ｌ１/２となるように、多段オリフィス１１を配置する。
【００２３】
多段オリフィス１１の配置とガス温度上昇抑制効果との関係について実験を行ったのでこれについて説明する。
実験は、高圧ガス配管を模擬した試験装置を用い、第二弁９の位置にシール材を設置し、ガス圧縮比を100〜250の範囲で変える断熱圧縮試験を行って、シール材の損傷回数を調べるというものである。
この実験で用いた多段オリフィス１１の段数は、２段である。
多段オリフィス１１の配置は、第一弁５側から２８０mmの位置に設けたもの、第二弁９側から２６０mmの位置に設けたものとし、参考にオリフィスを設けなかったものについても実験を行った。
【００２４】
図４は、この実験結果を示すグラフであり、縦軸が発火頻度、横軸が圧縮比を示している。発火頻度とは、断熱圧縮試験を実施した回数に対するシール材が損傷した回数の比であり、断熱圧縮時の発火のしやすさを示す値である。
図４に示すように、多段オリフィス１１を第一弁５側に設けることで、第二弁９のような閉止部におけるガス温度上昇を抑制できることがわかる。
なお、多段オリフィス１１を第二弁９側に設けると、オリフィスを設けない場合よりも発火頻度が増しているが、これは、オリフィス通過後にガスの乱れが生じ、その乱れが整流されないまま圧縮されたガスが伝熱対象物へ接触することにより、伝熱対象物への対流伝熱量が増加し、管端部の温度が上昇しやすくなるためであると考えられる。
このことから、本発明では、多段オリフィス１１を第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に配置することにした。
【００２５】
多段オリフィス１１における各オリフィスの設置間隔は、等間隔とするのが好ましい。
その理由は、オリフィス通過後のガス流れの乱れの発生を抑制し、伝熱対象物への対流伝熱の影響を極力抑えるためである。
【００２６】
また、多段オリフィス１１における各オリフィス間距離ｌ（図２参照）は、配管内径ｄ1の１〜２０倍の長さに設定するのが好ましい。
この点について、実験を行ったので説明する。
実験は、配管内径φ10mmの配管を用い、オリフィス間距離lと多段オリフィス１１前後の圧力の減衰比の関係を調べた。ここで、減衰比とは多段オリフィス１１前後の圧力差をオリフィス前の圧力で割った値であり、減衰比が大きいほど多段オリフィス１１の効果が高いことを示す。
【００２７】
図５は、実験結果をグラフ表示したものであり、縦軸が圧力減衰比、横軸がオリフィス間距離を示している。この実験では、オリフィスの段数が１段、２段、４段について実験を行った。
図５のグラフに示されるように、オリフィス間距離ｌを長くすると、圧力減衰比が徐々に大きくなり、オリフィス間距離ｌが200mm（内管内径10mmの20倍）を超えると圧力減衰比の変化が小さくなる。
【００２８】
この結果から、オリフィス間距離ｌは、配管内径d1の１〜２０倍が好ましいと言える。また、図５のグラフから、オリフィスの段数が４段の場合、オリフィス間距離ｌが0〜100mmの間で圧力減衰比が急激に上昇してオリフィス間距離ｌが100mm(配管内径10mmの10倍)以降で安定し、また、オリフィスの段数が２段の場合には、オリフィス間距離ｌが100mmを越えたところから、オリフィスの段数が１段のものとの圧力減衰比の差が大きくなっている。これらのことから、オリフィス間距離ｌのより好ましい値として、配管内径d1の１０〜２０倍であると言える。
【００２９】
多段オリフィス１１における各オリフィスの厚みto（図２参照）は、配管の肉厚tp以上で配管内径ｄ１よりも薄く設定することが好ましい。
各オリフィスの厚みtoを配管の肉厚tp以上にするのは、オリフィスの最低限の強度を確保するためである。また、各オリフィスの厚みtoを、配管内径ｄ１よりも薄くするのは、各オリフィスの厚みtoを厚くしすぎると多段オリフィス１１を通過する際の圧損が大きくなり、ガスの供給効率を著しく損ねてしまうためである。
【００３０】
以上のように、高圧ガスが流通する高圧側配管３に設けられて高圧側と低圧側を仕切る第一弁５と、該第一弁５の下流側で低圧側配管７に設けられた第二弁９との間に２段から４段の多段オリフィス１１を設けることにより、第一弁５を急速に開けた場合に発生する断熱圧縮や衝撃波による配管内ガスの温度上昇を圧縮熱の放出と衝撃波の減衰を同時に実現することができる。これにより、設備の損傷へ至る配管内部における温度上昇を抑制し、設備を健全に保つことが可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１  昇温抑制装置
３  高圧側配管
５  第一弁
７  低圧側配管
９  第二弁
１１  多段オリフィス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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