(57)【要約】【課題】  内槽、熱交換器、およびガス流入管、液化ガス戻し管等の配管内のガスを、充填すべき液化ガスと同種の気化ガスで確実に置換することを可能ならしめる液化ガスタンクを提供する。【解決手段】  外槽２と内槽３の間に形成される真空空間に冷凍機５の冷端部５ａと熱交換器５ｂとを位置させ、上記熱交換器５ｂに内槽３から気化ガスが流入するガス流入管６と液化したガスを内槽３に戻す液化ガス戻し管７とガス放出管１１とを接続する。他方、上記内槽３に、高圧ガス供給管８とガス放出・充填管９とを接続し、内槽３、熱交換器５ｂ、ガス流入管６、および液化ガス戻し管７等の配管内のガスを液化ガスと同種の気化ガスで置換する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱用真空を保持する外槽(2)の内部に極低温の液化ガスを収納する内槽(3)を配設し、これら外槽(2)と内槽(3)との間に冷凍機(5)の冷端部(5a)と熱交換器(5b)とを位置させ、上記熱交換器(5b)に内槽(3)から液化ガスの気化ガスが流入するガス流入管(6)と液化されたガスを熱交換器(5b)から内槽(3)に戻す液化ガス戻し管(7)とを設け、上記内槽(3)に第１開閉弁(8a)を介して外槽(2)の外方から内槽(3)に液化ガスと同種の高圧ガスを供給する高圧ガス供給管(8)と第２開閉弁(9a)を介して内槽(3)内のガスを外槽(2)の外方に放出するとともに、内槽(3)内に液化ガスを充填するガス放出・充填管(9)とを設けてなる液化ガスタンク(1)において、第３開閉弁(11a)が介装され、前記熱交換器(5b)内のガスを前記外槽(2)の外方に放出するガス放出管(11)を前記熱交換器(5b)に連結したことを特徴とする液化ガスタンク。
【請求項２】
前記第１開閉弁(8a)を開弁し、第２開閉弁(9a)、第３開閉弁(8b)および第４開閉弁(11a)を閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽(3)内に充填すると共に、第１開閉弁(8a)を閉弁し、第２開閉弁(9a)を開弁して内槽(3)内のガスを所定圧になるまで放出する第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程と、第１開閉弁(8a)を開弁し、第２開閉弁(9a) 、第３開閉弁(8b)および第４開閉弁(11a)を閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽(3)内に充填すると共に、第１開閉弁(8a)を閉弁し、第４開閉弁(11a)を開弁して内槽(3)内のガスを所定圧になるまで放出する第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程と、第１開閉弁(8a)および第４開閉弁(11a)を閉弁し、第２開閉弁(9a) および第３開閉弁(8b)を開弁して内槽(3)内に液化ガスを充填し、液化ガスの充填終了後に第２開閉弁(9a)を閉弁する液化ガス充填工程とからなることを特徴とする請求項１に記載の液化ガスタンクへの液化ガス充填方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断熱用真空を保持する外槽と、内部に液化ガス、例えば液体水素が充填される内槽とからなる二重殻断熱構成の液化ガスタンクおよびそのタンクへの液化ガス充填方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
断熱用真空を保持する外槽と、極低温の液化ガスを収納する内槽とからなる二重殻断熱構成になる液化ガスタンクでは、極低温の液化ガスの蒸発量を極力少なくするために、大気からの入熱量をできる限り少なくする必要がある。そのため、例えば低熱伝導率で引張強度に優れた繊維強化プラスチックからなるバンド状荷重支持体を用いた内槽支持装置により外槽の中央部に内槽が支持されると共に、輻射熱による入熱を防止するために内槽の外周部は断熱層によって囲繞されている。
【０００３】
液化ガスタンクを、上記のような構成にしたとしても、内槽への大気からの入熱量をゼロにすることは不可能である。例えば、液化ガスタンクからガスが払い出されているときには、内槽への大気からの入熱量によって、この内槽内の圧力が上昇するようなことはない。しかしながら、夜間、土曜日、日曜日、祝日、ゴールデンウイーク、夏季休暇、正月等のガスが払い出されない状態が一定期間継続する場合には、内槽が封じ切り状態になるので、液化ガスタンク内への入熱によって液化ガスは気化し、内槽の圧力が上昇する。そして、内槽内の圧力が所定圧力より高くなると液化ガスタンクの破壊を防ぐ為、気化ガスを安全弁によって大気中に放出する必要が生じるが、気化ガスを冷凍機で冷却して液化ガスに戻してやると、内槽内の圧力上昇が抑えられ液化ガスの無駄な放出が防止される。この種の冷凍機を設けた液化ガスタンクとして後述するものが公知である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１９５４９７号公報
【０００４】
以下、上記従来例に係る液化ガスタンクを、図２と、その載置台を示す図３と、その液化手段の作用を示す図４とを参照しながら説明する。即ち、符号６１は、内部に液化天然ガス（ＬＮＧ）５５が収容されてなる液化ガスタンクを示し、この液化ガスタンク６１は、内部が真空に保持された内外二重壁５３，５４で構成されている。符号６０ａは液面センサであり、また符号６０ｂは圧力センサを示し、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は液化ガスタンク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を示し、この液化手段６５は液化ガスタンク６１に脚部６５ｂを介して取付けられた載置台６５ａに載置されている。なお，図３中の符号６７はコンプレッサーを示す。
【０００５】
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に取付けられた図示しない温度検出器とからなっており、前記パルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａが断熱箱６６の内部に配設されている。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液化温度以下になるように設定されており、これにより、後述する取り出しパイプ（ガス流入管に相当する。）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を前記冷端部６２ａの冷熱で液化して断熱箱６６の下部に溜めると共に、後述する戻しパイプ（液化ガス戻し管に相当する。）６４を通して液化ガスタンク６１に戻すように構成されている。
また、前記パルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａの温度が液化ガスの凝固点以下になると、これが温度検出器で検出されてパルスチューブ冷凍機６２の作動が停止する。
【０００６】
前記取り出しパイプ６３の一端開口は、断熱箱６６の上部空間に連通している。また、取り出しパイプ６３の他端部は液化ガスタンク６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂを貫通して液化ガスタンク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の底壁から垂下し、液化ガスタンク６１内に連通している。そして、戻しパイプ６４の一端開口が断熱箱６６の下部のＬＮＧ５５に連通している。また、戻しパイプ６４の他端側が液化ガスタンク６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂを貫通して液化ガスタンク６１の上部空間に突入している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような液化ガスタンクは工場で製造され、そして内槽内を低露点に保持するために、液化ガスタンクの内槽や前記６２の冷端部、取り出しパイプや戻しパイプ等の配管内に大気圧よりも高い圧力で不活性ガス、例えば窒素ガスが充填された状態で据え付け場所まで運搬される。そして、据え付け後、液化ガスと同種のガスの充填・大気放出を繰り返すことで内槽内の窒素ガスを液化ガスと同種のガスで置換し、その後に液化ガスが充填される。この場合、内槽内の液化ガスの純度は９９．９９９％以上、露点−６０℃以下が要求されるため、液化ガスを充填するに際して、内槽や冷端部の冷熱を利用する熱交換器、この熱交換器に連通する各配管内に充填されていた窒素ガスを完全に液化ガスと同種のガスに置換しなければならない。ところが、このような液化ガスタンクでは、内槽への入熱量を可能な限り少なくするため、取り出しパイプ、戻しパイプには極めて細径のパイプが使用され、しかも長いものが用いられており、細径パイプ内の窒素ガスを液化ガスと同種のガスで完全に置換するには、上述の充填・大気放出の繰り返しを数多く行う必要があり、時間と手間がかかる。
【０００８】
勿論、他の置換手段、例えば真空ポンプにより真空引きした後に液化ガスと同種のガスに置換し、次いで液化ガスを充填するという方法の採用も考えられる。しかしながら、このような置換手段では、真空ポンプの作動中にオイルミストが内槽、熱交換器、および取り出しパイプや戻しパイプ等の配管内に逆流し、これらの内部が汚染する恐れがあるので、真空ポンプの使用は好ましくない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、液化ガスタンクの内槽、熱交換器、および取り出しパイプや戻しパイプ等の配管内のガスを、充填すべき液化ガスと同種のガスに確実に置換することを可能ならしめる液化ガスタンクおよびそのタンクへの液化ガス充填方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために下記のように構成されている。即ち、本発明の請求項１に係る液化ガスタンクは、断熱用真空を保持する外槽２の内部に極低温の液化ガスを収納する内槽３を配設し、これら外槽２と内槽３との間に冷凍機５の冷端部５ａと熱交換器５ｂとを位置させ、上記熱交換器５ｂに内槽３から液化ガスの気化ガスが流入するガス流入管６と液化されたガスを熱交換器５ｂから内槽３に戻す液化ガス戻し管７とを設け、上記内槽３に第１開閉弁８ａを介して外槽２の外方から内槽３に液化ガスと同種の高圧ガスを供給する高圧ガス供給管８と第２開閉弁９ａを介して内槽３内のガスを外槽２の外方に放出するとともに、内槽３内に液化ガスを充填するガス放出・充填管９とを設けてなる液化ガスタンク１において、第３開閉弁１１ａが介装され、前記熱交換器５ｂ内のガスを前記外槽２の外方に放出するガス放出管１１を前記熱交換器５ｂに連結したことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係る液化ガスタンクの液化ガス充填方法は、請求項１に記載の液化ガスタンクへの液化ガス充填方法であって、前記第１開閉弁８ａを開弁し、第２開閉弁９ａ、第３開閉弁８ｂ、および第４開閉弁１１ａを閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽３内に充填すると共に、第１開閉弁８ａを閉弁し、第２開閉弁９ａを開弁して内槽３内のガスを所定圧になるまで放出する第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程と、第１開閉弁８ａを開弁し、第２開閉弁９ａ、第３開閉弁８ｂ、および第４開閉弁１１ａを閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽３内に充填すると共に、第１開閉弁８ａを閉弁し、第４開閉弁１１ａを開弁して内槽３内のガスを所定圧になるまで放出する第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程と、第１開閉弁８ａ、および第４開閉弁１１ａを閉弁し、第２開閉弁９ａ、および第３開閉弁８ｂを開弁して内槽３内に液化ガスを充填し、液化ガスの充填終了後に第２開閉弁９ａを閉弁する液化ガス充填工程とからなることを特徴とする液化ガス充填方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に係る液化ガスタンク、または本発明の請求項２に係る液化ガスタンクへの液化ガス充填方法では、第１開閉弁８ａの開弁により外槽２の外方から内槽３に高圧ガス供給管８を介して液化ガスと同種のガスを供給し、そして第２開閉弁９ａの開弁によりガス放出・充填管９を介して内槽３内のガスが所定圧になるまで放出する第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程により、内槽３内のガスが所定圧になるまで放出される。さらに、第１開閉弁８ａの開弁により外槽２の外方から内槽３に高圧ガス供給管８を介して液化ガスと同種のガスを供給し、そして第４開閉弁１１ａの開弁によりガス放出管１１を介して内槽３内のガスが所定圧になるまで放出する第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程により、内槽３内のガスがガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂを経由してガス放出管１１を介して外槽２の外方に放出される。
【００１３】
従って、本発明の請求項１に係る液化ガスタンク、または本発明の請求項２に係る液化ガスタンクへの液化ガス充填方法によれば、第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程により、液化ガスタンクの内槽３内に充填されていたガスが液化ガスと同種のガスに置換される。次いで、第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程により、完全に置換された内槽３内の液化ガスと同種のガスが、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂを経由してガス放出管１１を介して放出されるので、内槽３、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂ内が完全に液化ガスと同種のガスに置換されることになる。
【００１４】
このように、本発明の請求項１に係る液化ガスタンク、または本発明の請求項２に係る液化ガスタンクへの液化ガス充填方法によれば、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂ内のガスを、ガス放出管１１を介して、次第に純度が高められた内槽３内の液化ガスと同種のガスによって液化ガスタンクの外方に押し出すことができるから、ガス流入管６、および液化ガス戻し管７が細径で、長くても支障なく液化ガスと同種のガスに置換することができる。従って、液化ガスが、例えば液体水素である場合には、液化ガスタンク１の内槽３、熱交換器５ｂ、およびガス流入管６や液化ガス戻し管７中を、容易に９９．９９９％以上の純度、−６０℃以下の露点の液体水素で満たすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る液化ガスタンクを、内槽に充填される液化ガスが液体水素である場合を例として説明する。図１は、本発明の実施形態に係る液化ガスタンク（液体水素タンク）の模式的縦断面図である。
【００１６】
図１に示す符号１は、本発明の実施形態に係り、液体水素（液化ガス）を収納する液化ガスタンクを示し、この液化ガスタンク１は、据え付けのために下方に突出する据え付け支脚２ａが下部に設けられ、断熱用真空を保持する外槽２を備えている。この外槽２の内部には、この外槽２からの輻射熱を防ぐために外周部が、例えばアルミニウム箔とガラス繊維製布の積層体からなる断熱層３ａで囲繞されてなる極低温の液体水素を収納する内槽３が設けられている。この内槽３は、繊維強化プラスチック（アルミナファイバーＦＲＰやカーボンファイバーＦＲＰあるいはガラスファイバーＦＲＰ等）からなる、低熱伝導率のバンド状荷重支持体（図示省略）を用いた複数の内槽支持装置４を介して外槽２の内側に支持されている。
【００１７】
前記外槽２の上部には、冷端部５ａとこの冷端部５ａの冷熱を利用して、流入する水素ガスを冷却して液体水素にして溜める熱交換室を備える熱交換器５ｂとを有する冷凍機５（パルスチューブ冷凍機等）が設けられている。この冷凍機５の冷端部５ａと熱交換器５ｂとは、外槽２と内槽３との間に形成される真空空間内に位置している。そして、前記熱交換器５ｂには、内槽３から液体水素の気化ガスである水素ガスが流入するガス流入管６が設けられると共に、熱交換器５ｂから液化された液体水素を内槽３内に戻す液化ガス戻し管７が設けられている。
【００１８】
前記内槽３の上部には、前記外槽２の外方に設けられた高圧ガス容器１０から、第１開閉弁８ａ、第３開閉弁８ｂが介装されてなる高圧ガス供給管８が連通しており、前記内槽３の上部から水素ガス（液化ガスと同種のガス）が流入するようになっている。また、前記内槽３の下部には、前記外槽２の外方から第２開閉弁９ａが介装されてなるガス放出・充填管９が連通しており、前記内槽３内のガスを前記外槽２の外方に放出する一方、内槽３内に液体水素が充填されるようになっている。さらに、前記熱交換器５ｂには、第４開閉弁１１ａが介装され、他端側が前記外槽２の外方に連通するガス放出管１１の一端側が連結されており、前記熱交換器５ｂ内のガスを前記外槽２の外方に放出し得るように構成されている。
【００１９】
上記実施形態に係る液化ガスタンク１に水素ガスを充填する場合には、後述する種々の工程を経て、この液化ガスタンク１内の窒素ガスを水素ガスに置換した後、この液化ガスタンク１内に液体水素が充填される。即ち、第１開閉弁８ａを開弁すると共に、第２開閉弁９ａ、第３開閉弁８ｂ、および第４開閉弁１１ａを閉弁して、高圧ガス供給管８を介して高圧ガス容器１０内の高圧水素ガスを内槽３内に充填する。このようにして、内槽３内への高圧水素ガスの充填が終了すると、第１開閉弁８ａを閉弁すると共に、第２開閉弁９ａを開弁して、ガス放出・充填管９を介して内槽３内の水素ガスを窒素ガスと共に所定圧、例えば０.０１ＭＰａＧになるまで外槽２の外方に放出する（第１ガス置換工程）。そして、このようなガス置換工程を、例えば５回繰り返して内槽３内の水素ガスの純度を高める（第１ガス純度向上工程）。
【００２０】
次いで、上記第１ガス置換工程の場合と同様に、第１開閉弁８ａを開弁すると共に、第２開閉弁９ａ、第３開閉弁８ｂ、および第４開閉弁１１ａを閉弁して、高圧ガス供給管８を介して高圧ガス容器１０内の高圧水素ガスを内槽３内に充填する。このようにして、内槽３内への高圧水素ガスの充填が終了すると、第１開閉弁８ａを閉弁すると共に、第４開閉弁１１ａを開弁して、内槽３内の水素ガスを、ガス流入管６，液化ガス戻し管７、熱交換器５ｂを経てガス放出管１１から、内槽３内の水素ガスの圧力が０.０１ＭＰａＧの所定圧になるまで外槽２の外方に放出する（第２ガス置換工程）。そして、このようなガス置換工程を、例えば５回繰り返して内槽３内の水素ガスの純度を高める（第２ガス純度向上工程）。
【００２１】
このような第１ガス置換工程、第１ガス純度向上工程、第２ガス置換工程、第２ガス純度向上工程を経て、内槽３、ガス流入管６，液化ガス戻し管７、熱交換器５ｂ、およびガス放出管１１内が水素ガスで置換されると、第１開閉弁８ａおよび第４開閉弁１１ａを閉弁すると共に、第２開閉弁９ａ、および第３開閉弁８ｂを開弁して、ガス放出・充填管９を介して内槽３内に液体水素を充填し、液体水素の充填終了後に第２開閉弁９ａを閉弁する（液体水素充填工程）。
【００２２】
従って、本発明の実施形態に係る液化ガスタンク１によれば、第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程により、液化ガスタンク１の内槽３内に充填されていた窒素ガスが水素ガスに置換される。次いで、第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程により、完全に置換された内槽３内の水素ガスが、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂを経由してガス放出管１１を介して放出されるので、内槽３、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂ、ガス放出管１１内が完全に水素ガスに置換されることになる。
【００２３】
このように、本発明の実施形態に係る液化ガスタンク１によれば、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、熱交換器５ｂ、およびガス放出管１１内の窒素ガスがガス放出管１１を介して、次第に純度が高められた内槽３内の水素ガスによって液化ガスタンク１の外方に押し出されるから、ガス流入管６、液化ガス戻し管７が細径で、長くても支障なく水素ガスに置換することができる。従って、液化ガスタンク１の内槽３、熱交換器５ｂ、およびガス流入管６や液化ガス戻し管７内を、容易に９９．９９９％以上の純度、−６０℃以下の露点の液体水素で満たすことができる。
【００２４】
以上の説明では、液化ガスが燃料電池の燃料となる液体水素であって、そしてこの液体水素が収納され、水素ステーションに設置される液体水素充填用の液化ガスタンクを例として説明した。しかしながら、本発明の技術的思想を、例えば液体空気、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液化天然ガス（ＬＮＧ）用の液化ガスタンクに対しても適用することができるので、上記実施形態に係る用途に限定されるものではない。また、上記実施形態に係る液化ガスタンクは本発明の１具体例に過ぎないから、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内における設計変更等は自由自在である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る液化ガスタンク（液体水素タンク）の模式的縦断面図である。
【図２】従来例に係る液化ガスタンクの図1相当図である。
【図３】従来例に係り、液化ガスタンクの載置台の要部拡大図である。
【図４】従来例に係り、液化ガスタンクの液化手段の作用を示す要部拡大図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…液化ガスタンク
２…外槽，２ａ…据え付け支脚
３…内槽，３ａ…断熱層
４…内槽支持装置
５…冷凍機，５ａ…冷端部，５ｂ…熱交換器
６…ガス流入管
７…液化ガス戻し管
８…高圧ガス供給管，８ａ…第１開閉弁, ８ｂ…第３開閉弁
９…ガス放出・充填管，９ａ…第２開閉弁
１０…高圧ガス容器
１１…ガス放出管，１１ａ…第４開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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