(57)【要約】【課題】  高圧ガス配管と、これに接続される弁類との間に設け、高圧ガス配管から弁類に流れる、高圧ガスの圧力を制御して、弁類内のガス温度の上昇を緩和させる、昇温低減装置を提供する。【解決手段】  高圧ガス配管より開閉弁１へ高圧ガスを導通するガス流路を設けた、中空筒体の昇温低減装置４であって、該ガス流路は、円筒形状の第一のガス流路５、第二のガス流路６および第三のガス流路７が順次連結した構造からなる。第二のガス流路６の断面積を、高圧ガス配管のガス流路の断面積よりも大きくし、第二のガス流路６内で高圧ガスを断熱膨張させることで、開閉弁１へ流入するガスの温度を低下させて、開閉弁１内でのガスの温度上昇を緩和させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガス配管と、これに接続される弁類との間に間挿され、高圧ガス配管から弁類に流れる、高圧ガスの圧力を制御して、弁類内におけるガス温度の上昇を緩和させる昇温低減装置であって、
この昇温低減装置は、中空筒体からなり、この筒体内部にガス流路が形成され、このガス流路の長さが２０〜２００ｍｍであり、断面積が高圧ガス配管のガス流路の断面積よりも大きくされていることを特徴とする昇温低減装置。
【請求項２】
昇温低減装置内のガス流路の形状が、円筒形状である請求項１に記載の昇温低減装置。
【請求項３】
高圧ガス配管内のガス流路の内径に対する昇温低減装置内のガス流路の内径比が１．３〜２．２であることを特徴とする請求項２に記載の昇温低減装置。
【請求項４】
中空筒体の内面に、熱放散用フィンが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の昇温低減装置。
【請求項５】
中空筒体の外表面に、放熱板が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の昇温低減装置。
【請求項６】
高熱伝導度の材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の昇温低減装置。
【請求項７】
高圧ガスを供給する設備であって、高圧ガス配管と弁類との間に、請求項１〜６のいずれか一項に記載の昇温低減装置が設けられていることを特徴とする高圧ガス供給設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス配管と、これに接続される弁類との間に設け、弁類内においてガスの温度の上昇を緩和させる昇温低減装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に高圧ガスを供給する設備では、貯蔵タンク内の液化ガスを蒸発器を用いて気化させたのち、圧力調整弁を用いてガス圧を調節し、開閉弁を介して、高圧ガスを貯蔵ボンベに充填したり、ユースポイントへ供給する方法が採られている。これら圧力調整弁や開閉弁などの弁類を、閉塞状態から開放するに際し、弁類下流側のガス圧が低く、弁類上流側のガス圧が高い時は、これらガスの差圧により、ガスが急激に下流側配管に流入し、下流側配管に設置されている弁類が閉となっている場合、該弁類内でガスの断熱圧縮が起こり、ガスの温度が大幅に上昇し、該弁類内のガスケットやダイヤフラムなどの有機材料などで形成されている部材が劣化することがある。これら部材はガスの漏れを抑制しており、その劣化により、高圧ガスを安全かつ確実に供給することができなくなる。
【０００３】
したがって、上記ガスケット等の部材の劣化を抑制するためには、弁類内のガス温度の上昇を緩和する装置の使用が望まれるが、従来、かかる機能を有する装置は実用化されておらず、高圧ガスを供給する時は、ガスの圧力が弁類内で徐々に上昇するように、弁類の開放操作を標準化することにより、弁類内のガス温度の上昇を抑制している。
なお、本発明に関わる先行技術に関する文献は承知していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、弁類の開放操作の如何によらず、弁類内のガス温度の上昇を緩和することができる昇温低減装置であって、高圧ガス配管と、これに接続される弁類との間に設け、高圧ガス配管から弁類に流れる高圧ガスを膨張させ、圧力低減に伴う温度低下をさせることで、弁類内のガス温度の上昇を緩和させる、ガス温度上昇低減装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、高圧ガス配管と、これに接続される弁類との間に間挿され、高圧ガス配管から弁類に流れる、高圧ガスの（流量を制御して  →ご指示下さい）、弁類内におけるガス温度の上昇を緩和させる昇温低減装置であって、この昇温低減装置は、中空筒体からなり、この筒体内部にガス流路が形成され、このガス流路の長さが２０〜２００ｍｍであり、断面積が高圧ガス配管のガス流路の断面積よりも大きくされていることを特徴とする昇温低減装置である。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、昇温低減装置内のガス流路の形状が、円筒形状である請求項１に記載の昇温低減装置である。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、高圧ガス配管内のガス流路の内径に対する昇温低減装置内のガス流路の内径比が１．３〜２．２であることを特徴とする請求項２に記載の昇温低減装置である。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、中空筒体の内面に、熱放散用フィンが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の昇温低減装置である。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、中空筒体の外表面に、放熱板が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の昇温低減装置である。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、高熱伝導度の材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の昇温低減装置である。
【００１１】
請求項７に記載の発明は、高圧ガスを供給する設備であって、高圧ガス配管と弁類との間に、請求項１〜６のいずれか一項に記載の昇温低減装置が設けられていることを特徴とする高圧ガス供給設備である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１および２の発明によれば、昇温低減装置に形成されたガス流路の断面積が、高圧ガス配管のガス流路の断面積よりも大きいため、高圧ガスは、高圧ガス配管から昇温低減装置内へ流入すると、断熱膨張による圧力低減に伴い温度が低下する。この温度が低下したガスを弁類へ導通することにより、弁類内におけるガスの温度上昇を緩和することができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、昇温低減装置内におけるガスの断熱膨張の効果が大きくなり、より効果的にガスの温度上昇を緩和することができる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、昇温低減装置内のガスが持つ熱を、中空筒体の内面に設けた熱放散用フィンを通じて、中空筒体の外部に効率よく放散させることで、該装置内のガスの温度を下げることができる。
【００１５】
請求項５の発明によれば、中空筒体の外表面に放熱板を設けることで、中空筒体が持つ熱を、中空筒体外部に効率よく放散させることで、該装置内のガスの温度を下げることができる。
【００１６】
請求項６の発明によれば、昇温低減装置を高熱伝導度の材料で形成することにより、昇温低減装置が持つ熱を、効率よく外部に放散させることにより、該装置内のガスの温度を下げることができる。
【００１７】
請求項７の発明によれば、高圧ガスを供給する設備において、高圧ガス配管と弁類との間に上記の昇温低減装置を設けて、弁類の開放操作の如何によらず、弁類内のガスの温度上昇を緩和することができ、弁類内の有機材料等で形成されたガスケット、ダイヤフラム等の部材の劣化を抑制することができる。もって高圧ガスの圧力制御、封止あるいは供給を、正確にかつ安定して行うことができる。
またガスケット、ダイヤフラム等の部材は、従来の有機材料等で形成されたものを使用でき、特殊な材料で形成されたものを使用する必要がないため、安価に施工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１および図２は、本発明のガスの昇温低減装置の一例を示すものである。図１は図２のＩ−Ｉ破線に沿った昇温低減装置の要部縦断面図であり、開閉弁と接続された状態を示すものである。なおこの例では、開閉弁としてボールバルブを例示しているが、本発明の昇温低減装置は、これ以外の各種弁あるいは圧力調整弁にも、接続して使用することができる。
符号１は、開閉弁であり、その内部にはガス流路を備えたボール状の弁体２が設けられ、開閉弁１と弁体２との間には、有機材料等で形成されたガスケット３が設けられている。ガスケット３は、弁体２が閉塞状態の時に、開閉弁１と弁体２との隙間より、ガスが下流側へ漏れることを防止している。
【００１９】
符号４は昇温低減装置を示し、この装置４は、概観が概略筒体であって、その筒体内部には高圧ガスが流れるガス流路が設けられた、中空筒体の形状からなるものである。装置４の一端は、接続部８で高圧ガス配管（図示略）に接続され、装置４の他端は、接続部９で開閉弁１に接続されており、開閉弁１を開放すると、高圧ガスはガス流路内を、上流の接続部８側から下流の接続部９側へ流れる。
【００２０】
装置４の内部のガス流路は、内径の異なる３つの円筒形状のガス流路が、順次連結された構造からなり、上流側には、高圧ガス配管（図示略）に接続される第一のガス流路５が形成され、この第一のガス流路５の下流側には第二のガス流路６が形成され、第二のガス流路６の下流側には第三のガス流路７が形成され、第三のガス流路７は下流側で開閉弁１に接続されている。
なおこの例では、ガス流路の形状として円筒形状のものを例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、直方体状等他の形状の場合でも、第一のガス流路から第二のガス流路へガスが流れる際、第二のガス流路の断面積が第一のガス流路の断面積よりも大きくされていることにより、第二のガス流路においてガスが断熱膨張し、昇温低減効果を得ることができる。
【００２１】
装置４のガス流路の長さは、２０〜２００ｍｍ、好ましくは５０〜１５０ｍｍであり、高圧ガス配管のガス流路の内径に対する装置４のガス流路の内径比は１．３〜２．２、好ましくは１．６〜２．２である。
【００２２】
装置４の第二のガス流路６に相当する部分の内壁には、この内壁から突出するように四つの熱放散用フィン１０，１０，１０，１０が設けられている。このフィン１０は、第二のガス流路６の長手方向に沿って延びるリブ状のものであって、上記内壁に放射状に配置されている。
【００２３】
なお図１では、便宜上、フィン１０は二つ描いているが、図示していない残り二つのフィンも同様の構造を有するものである。
また、この例では、フィン１０の数が四つの場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、いくつであっても良いが、複数個、具体的には四つ以上設けることが望ましい。また、その配置場所は必ずしも対称関係になくても良く、その形状もリブ状に限定されるものではない。
【００２４】
装置４は、真鍮やモネル等の銅合金、ニッケル合金あるいはステンレス鋼等の材料で形成されており、特に放熱効果が高い真鍮やモネル等の銅合金が好ましい。また、その外表面には、放熱板（図示略）が設けられている。
【００２５】
このように構成された装置４の作用は、以下の通りである。
装置４の上流側に接続されている高圧ガス配管の開閉弁（図示略）と開閉弁１がともに閉じられており、該高圧ガス配管の開閉弁より上流側のガスの圧力が高く、装置４内のガスの圧力が低い場合、該高圧ガス配管の開閉弁を急激に開放すると、高圧ガスが装置４の第一のガス流路５を通過して第二のガス流路６の中に急激に流入する。この時、第二のガス流路６の断面積は、高圧ガス配管のガス流路の断面積よりも大きいため、第二のガス流路６内でガスは断熱膨張し、該ガス流路内でガスの圧力と温度が低下する。第二のガス流路６内のガスは、次いで第三のガス流路７を通過して、開閉弁１内へ流入する。
【００２６】
第二のガス流路６内へのガスの流入が続くと、該流路内でガスの温度が上昇するが、四つの熱放散用フィン１０，１０，１０，１０および装置４の外表面に設けられた放熱板（図示略）により、装置４から外部へのガスの熱の放散が促進される。
さらに、装置４が高熱伝導性の材料で形成されており、装置４から外部へのガスの熱の放散が促進される。もって、開閉弁１へ流入するガスは、圧力が低減されると同時に、温度の上昇が緩和される。
【００２７】
このように、本発明のガス昇温低減装置は、高圧ガス供給設備において、高圧ガス配管と弁類との間に設けられた場合、該装置内における高圧ガスの断熱膨張の効果を利用することにより、弁類へ流れる高圧ガスの圧力と温度を低減して、弁類内におけるガスの温度上昇を緩和することができる。
よって弁類内の有機材料等で形成されたガスケット、ダイヤフラム等の部材の劣化を抑制でき、高圧ガスの圧力制御、封止あるいは供給を、正確にかつ安定して行うことができる。また、これら部材には、特殊な材質のものを使用する必要がなく、従来から使用している材質のものをそのまま使用できるため、安価に施工することができる。
なお、熱放散用フィン１０および装置４外表面の放熱板は、適宜選択して設ければよい。
【００２８】
酸素ガスを例として、昇温低減装置のガス温度の低減効果のシミュレーション結果を以下に示す。
なお本解析にあっては、昇温低減装置として、上記の装置４の構造を単純化した中空筒体状の装置を用いた。すなわち、上流側開口部から下流側開口部まで、同じ大きさの内径からなるガス流路を有し、該ガス流路の断面積が高圧ガス配管中のガス流路の断面積よりも大きくされた装置であって、熱放散用フィンおよび放熱板をいずれも持たず、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６で形成された装置を、高圧ガス配管の下流側末端部に接続した場合を想定した。
【００２９】
数値解析は、汎用流体解析ソフトＦＬＵＥＮＴで行い、支配方程式の線形化には陽的手法を用い、時間の離散化には陰解法を用いた。また、流体の圧縮性を考慮してＴＶＤスキームを使用し、乱流モデルには低レイノズル型のＳｐａｌａｒｔ−Ａｌｌｍａｒａｓモデル（一方程式）を使用した。
酸素ガスの物性値に関しては、密度は理想気体の状態方程式で得た値を使用し、比熱、粘性係数、熱伝導度は温度の多項式関数で得た値を使用した。また、装置と外部との伝熱に関しては、熱伝達係数を６Ｗ／ｍ２Ｋと仮定した。さらに、装置内のガス流路の、中心軸に対する対称性を考慮して、非定常計算を実施した。
【００３０】
シミュレーションは、装置内のガス流路の内径、中心軸方向の長さを変化させて、高圧ガス配管の開閉弁を急激に開放した場合の、該ガス流路の下流側末端部における酸素ガスの温度を算出する方法で実施した。
また、算出に当たっては、装置の比較対象として、材質はＳＵＳ３１６、流路の内径が１０．９ｍｍ、流路の長さが２１８０ｍｍである標準配管を想定してシミュレーションした。
さらに、開閉弁開放前の装置内もしくは標準配管内のガス流路の酸素ガスの圧力を０ＭＰａ、高圧ガス配管内のガス流路の酸素ガスの圧力を４０ＭＰａと設定した。
【００３１】
まず、装置を設置しない場合として、該装置に代わり、上記の標準配管を高圧ガス配管の下流側末端部に接続した場合についてシミュレーションした結果、標準配管内のガス流路の下流側末端部における酸素ガスの温度は１２８１℃であった。
次いで、装置を高圧ガス配管の下流側末端部に接続した場合について、該装置内のガス流路の下流側末端部における酸素ガスの温度を順次シミュレーションした。結果を図３に、実線、破線、二点鎖線に示す。
【００３２】
本シミュレーションの結果を確認するため、ガス流路の中心軸方向の長さを２００ｍｍ、１００ｍｍ、５０ｍｍ、２０ｍｍとして実験を行った。
装置内のガス流路の中心軸方向の長さが２００ｍｍの場合、標準配管内のガス流路の内径に対して、装置内のガス流路の内径を、１．３倍、１．６倍、２．２倍と変化させた場合では、酸素ガスの温度は、それぞれ５％、１５％、２１％低下した。
【００３３】
一方、装置内のガス流路の中心軸方向の長さを１００ｍｍとした場合は、該ガス流路の内径を、１．３倍、１．６倍、２．２倍と変化させた場合は、酸素ガスの温度は、それぞれ１２％、３１％、４５％低下した。
さらに、装置内のガス流路の中心軸方向の長さを５０ｍｍとした場合は、該ガス流路の内径を、１．３倍、１．６倍、２．２倍と変化させた場合は、酸素ガスの温度は、それぞれ１５％、３８％、５２％低下した。
装置内のガス流路の中心軸方向の長さを２０ｍｍとした場合は、いずれの内径でも酸素ガスの昇温低減効果は、５０ｍｍ、１００mmの場合よりも小さくなった。
【００３４】
実験データより、この装置による昇温低減効果は、該装置内のガス流路の中心軸方向の長さが、２０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲のいずれでも認められるが、５０mmの場合に最大となること、また内径は１．３倍〜２．２倍の範囲のいずれでも認められ、大きいほど効果も大きくなることを示した。なお、２．２倍以上となると装置が大きくなり好ましくない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
高圧ガスの需要は、近年増加する傾向にあり、特に従来よりも高い圧力、具体的には２０ＭＰａを超える、より高圧でのガスの取り扱いが増加している。例えば、身近なところでは、医療分野で使用される酸素の充填であり、さらに今後注目されるものは、環境調和型化学プロセスを志向した超臨界流体、なかでも、難分解性の有害化学物質の分解無害化に有効な手段と考えられている、超臨界水酸化処理法に必要な、高圧酸素の提供などである。また水素自動車への水素の充填にも適用可能である。
これら高圧ガスの取り扱い機会の増加に際し、本発明のガス昇温低減装置は、従来の弁類の開放操作の標準化に代わる、有効で安全かつ確実な、高圧ガスの取り扱い手段を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のガス昇温低減装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のガス昇温低減装置内に形成されたガス流路の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のガス昇温低減装置のガス温度低減効果のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・開閉弁、  ２・・・弁体、  ３・・・ガスケット、  ４・・・昇温低減装置、  ５・・・第一のガス流路、  ６・・・第二のガス流路、  ７・・・第三のガス流路、  ８・・・高圧ガス配管連結部、    ９・・・開閉弁連結部、  １０・・・熱放散用フィン  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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