(57)【要約】【課題】  圧力緩衝効果を最大限に引出し、緩衝容器をコンパクトに抑えるための手段、および簡単な構成によって機能性の高い圧力緩衝方法を提供することを目的とする。【解決手段】  高圧流路に供する圧力緩衝方法であって、その緩衝流体が単成分あるいは少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物で、超臨界圧以上の状態において、その温度を次式１で表される無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整し、操作することを特徴とする圧力緩衝方法。ここで、Ｐは圧力、κＴは等温圧縮率である。    ＫＴ  ＝  Ｐ＊κＴ    （式１）【選択図】  図１
2006038068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流路に供する圧力緩衝方法であって、その緩衝流体が単成分あるいは少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物で、超臨界圧以上の状態において、その温度を次式１で表される無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整し、操作することを特徴とする圧力緩衝方法。ここで、Ｐは圧力、κＴは等温圧縮率である。
ＫＴ  ＝  Ｐ＊κＴ    （式１）
【請求項２】
高圧流路に供する圧力緩衝方法であって、その緩衝流体が少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物で、その圧力を構成流体の臨界圧力の何れよりも高くし、気液二相域状態、過冷却液体状態、過熱蒸気状態のいずれかにおいて、その温度を式１で表される無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整し、操作することを特徴とする圧力緩衝方法。ここで、Ｐは圧力、κＴは等温圧縮率である。
ＫＴ  ＝  Ｐ＊κＴ    （式１）
【請求項３】
増圧手段を含むことを特徴とする請求項１あるいは２記載の圧力緩衝方法。
【請求項４】
前記緩衝流体を収納した容器の一部に温度制御手段との熱交換を促進する手段を付加し等温過程に近づけることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力緩衝方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非圧縮性流体の高圧流路に供する圧力緩衝方法に関する。特に、流体を適切な温度に制御してその圧縮性を利用して熱的に圧力緩衝を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高圧流体の供給装置においては、非圧縮性の高圧流路を流れる流体の一部を貯留あるいは導出させることによって配管系の圧力緩衝を図るために、アキュムレータなどの圧力緩衝方法が用いられる。
【０００３】
アキュムレータとしては、一般的に図１６のような構成が挙げられる。具体的には、制動の対象となる高圧流体（被緩衝流体）３が流れる高圧流路４に接続する容器１があり、その容器１内部に緩衝流体５が存在する。このとき、例えば、高圧流路４を流れる流体が余剰になった場合、高圧流路４内の高圧流体３が容器１に流入し、容器１の内部に封入された緩衝流体５を圧縮して圧力上昇を緩衝する。逆に高圧流路４を流れる流体が不足した場合、容器１内の高圧流体３が高圧流路４に流入するとともに、容器１の内部に封入された緩衝流体５を膨張して圧力降下を緩衝する。これによって、アキュムレータの畜圧あるいは緩衝作用が機能する。
【０００４】
この構成を超臨界圧の流体の緩衝に利用した例も知られる。超臨界圧の流体を加熱すると圧縮性が生じ、一般の気体と同様に振舞うとの良く知られた性質を利用したものである（特許文献１参照）。  
【０００５】
また、アキュムレータの別の構成として、プラダ型、ピストン型、ダイヤフラム型、金属製ベローズ型などの方式も多用される。これらは、制動の対象となる高圧流体（被緩衝流体）と緩衝流体との間を区画する、変形あるいは移動可能な隔壁を有する点が、図１６にあげたアキュムレータと異なる。この隔壁のために、被緩衝流体と緩衝流体の混合が抑止され、緩衝流体としては窒素などの不活性ガスが主に使用される。
【０００６】
具体的には、ピストン型アキュムレータとして、従来から図１７に示すような構成が知られている。有底筒状のアウターケース１０１内にピストン１０２を摺動自在に収納し、このピストン１０２の外周にＯリング１０３等を嵌着し、アウターケース１０１の開口部１０５にはプラグ１０４を固着し、更に気体室Ｓ１には窒素ガス（緩衝流体）を封入してプラグボルト１０６にて封止するとともに、液体室Ｓ２は高圧流体（被緩衝流体）を連結している。そしてこのアキュムレータにおいては、アウターケース１０１の開口部１０５を溶接することによって固着している。（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平６−５０４９２号公報
【特許文献２】特開平８−２９６６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の方法において、大きな圧力緩衝機能を持つには、緩衝流体を封ずる空間を大きくする必要があり、圧力緩衝手段あるいは装置が大掛かりなものとなり、コスト面での負担が大きくなることである。
【０００８】
また、同種の流体を緩衝流体として用いた場合にあっては、被緩衝流体の運転圧が高い場合には、同種の流体での圧力緩衝機能が十分働かず、緩衝流体として如何なるものが適するかとの詳細な検討を要する場合がある。
【０００９】
従って、本発明は、圧力緩衝効果を最大限に引出し、緩衝容器をコンパクトに抑えるための圧力緩衝方法を提供することを目的とする。また、簡単な構成によって機能性の高い圧力緩衝方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す圧力緩衝方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１１】
本発明は、高圧流路に供する圧力緩衝方法であって、その緩衝流体が単成分あるいは少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物で、超臨界圧以上の状態において、その温度を次式１で表される無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整し、操作することを特徴とする。ここで、Ｐは圧力、κＴは等温圧縮率である。
【００１２】
ＫＴ  ＝  Ｐ＊κＴ    （式１）
通常、緩衝手段の容積が大きいほど、また緩衝流体の圧縮率が高いほど、圧力緩衝機能が高い。本発明者は、さらに圧力緩衝の効果は、極力等温過程に近づけることが有効であること、および超臨界圧の流体においては、等温圧縮率を稼ぎ緩衝容器の容積を小さく収めるには、最適な温度があることを見出したものである。つまり、緩衝流体の条件として、単成分あるいは少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物で、かつ、その圧力を超臨界圧以上とすることで、非常に圧縮率の高い状態を作り出すことができるとともに、温度を制御することによって、緩衝機能を調整することができることを案出したもので、被緩衝流体の条件が変動しても、容易に緩衝手段を最適の条件に調整することが可能となる。また、緩衝容器の小型化を図り、装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００１３】
このとき、無次元化等温圧縮率ＫＴは、１．０を超える条件であれば、高い値ほど圧力緩衝機能が高く好ましい。しかしながら、１．０近傍を僅かに超える程度では緩衝流体の容積を少なくして効果的な緩衝機能を有することは困難である一方、比較的簡便な方法によって、効果的な圧縮機能を果たす領域で流体を温度制御する観点からもＫＴは１．０を超える一定値以上であることが好ましい。本発明者は、各種流体の解析および実験過程を含む関連技術についての知見から、こうした最適領域として無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整し、操作することが好ましいことを案出したものである。
【００１４】
また、高圧流体の圧力が臨界圧からの隔たりが大きい場合にあっては、同種の流体の緩衝は効果的でなくなることから、より高圧に臨界圧を持った流体で緩衝することが好ましく、高圧流体と異種の単成分流体を超臨界圧以上の状態において用いることによって実現することが可能となる。
【００１５】
さらに、こうした機能は、単成分の緩衝流体では適用範囲が限定されることから、本発明者は、少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物についても、拡張可能であることを見出したもので、これによって幅広い適用範囲を確保し、被緩衝流体（高圧流体）に応じた緩衝流体の物質の選択とその作動温度を設定することによって圧力緩衝効果を最大限に引き出すことが可能となる。
【００１６】
本発明は、高圧流路に供する圧力緩衝方法であって、その緩衝流体が少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物で、その圧力を構成流体の臨界圧力の何れよりも高くし、気液二相域状態、過冷却液体状態、過熱蒸気状態のいずれかにおいて、その温度を式１で表される無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整し、操作することを特徴とする。ここで、Ｐは圧力、κＴは等温圧縮率である。
【００１７】
ＫＴ  ＝  Ｐ＊κＴ    （式１）
特定流体を気液二相域状態にして一定の容積を有する容器内に収納した場合において、温度を所定の範囲に設定すれば、気液の割合が調整されることにより圧力変化を吸収する機能（つまり、圧力緩衝機能に相当する）を有する。本発明者は、こうした機能を利用するとともに、圧力緩衝の効果は、極力等温過程に近づけることによって、非常に圧縮率の高い圧力緩衝方法を形成することができることを案出したもので、特に温度制御によって、容易に調整することができ、多様な仕様に適用できる点において優れた圧力緩衝方法を形成することができる。また、気液二相域状態だけでなく、特定流体を、過冷却液体状態、過熱蒸気状態、さらにはこれらを過渡的に移行する状態においても、同様の機能を発揮することから、こうした機能を利用することによって、非常に圧縮率の高い圧力緩衝方法を形成することが可能となった。また、上記のように、超臨界圧の流体においては、最適な温度おいては等温圧縮率を稼ぎ緩衝容器の容積を小さく収めることができることから、緩衝容器の小型化を図り、装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００１８】
本発明は、上記圧力緩衝方法であって、増圧手段を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明における圧力緩衝方法は、緩衝流体の温度を制御することによって、圧縮率の高い最適条件下での蓄圧・緩衝機能を形成している。しかし、高圧流体の圧力が高いときは、高い圧縮率を得るには緩衝容器における作動圧力を下げたい場合がある。このとき、高圧流体側と緩衝容器との中間に増圧手段を付加することによって、さらに最適な条件を選択することが可能となる。具体的には、ピストンなどを用い、高圧流体側の受圧面積よりも緩衝容器側の受圧面積を大きくすることによって、増圧手段を形成することができる。
【００２０】
本発明は、上記圧力緩衝方法であって、前記緩衝流体を収納した容器の一部に温度制御手段との熱交換を促進する手段を付加し等温過程に近づけることを特徴とする。
【００２１】
本発明における圧力緩衝方法は、基本的に緩衝流体の温度を制御することによって圧縮率の高い最適条件下での蓄圧・緩衝機能を形成し、高圧流体での圧力変化が生じても、その変化に追随する機能を有している。しかし、圧力変化が生じた場合に、畜圧・圧力緩衝に時間的な遅れが生じるおそれがある。そこで、緩衝流容器内に冷却フィン体などの気液熱接触促進手段を設けることによって、その変化にも迅速に追随することができ、緩衝容器内の温度をほぼ一定に維持し、等温過程に近づけることによって、高い畜圧・圧力緩衝機能を保持することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、緩衝流体の温度を制御することによって、圧力緩衝効果を最大限に引出し、緩衝流体容器をコンパクトに押さえることが可能となる。特に、緩衝流体を、単成分あるいは少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物に選択し、超臨界圧力以上の圧力制御、あるいは気液二相域状態、過冷却液体状態、過熱蒸気状態のいずれかとすることによって、非常に圧縮率の高い圧力緩衝方法を形成することができる。また、緩衝流体と被緩衝流体の中間に増圧手段を設けることによって、さらに最適な条件を選択することが可能となり、安定した蓄圧・緩衝機能を確保することができる。以上のように、本発明によって、簡単な構成によってコストを低く抑え、コンパクトで機能性の高い圧力緩衝方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
アキュムレータの畜圧・緩衝作用は、緩衝流体の圧縮率が高い程、高い効率を得ることができる。ここで、一般には、液体は圧縮率が小さく気体は圧縮率が大きいことは良く知られたことである。従って、物質が液体から気体に遷移するとき、圧縮率は高温ほど大きくなると思い易い。しかし、後述する発明者の解析を基に、実際に、二酸化炭素（ＣＯ２）を例に臨界圧力以上の条件下での圧縮率の温度変化を調べてみると、図１の如くである。つまり、圧縮率は、所定圧力条件の下、臨界温度より高い温度でピークを有するカーブとなる。従って、緩衝流体の温度制御を臨界温度近傍で行うことによって安定かつ非常に圧縮率の高い状態を形成することが可能となる。なお、かかる特性は、上記ＣＯ２に限定されるものではなく、実施例に示すように、パラ水素（Ｈ２）など他の流体においても同様である。
【００２５】
具体的には、図１において、Ｐｒ、Ｔｒは圧力Ｐおよび温度Ｔをそれぞれ臨界圧力Ｐｃ＝７３．７７ｂａｒ、臨界温度Ｔｃ＝３０４．１３Ｋで除した対臨界圧力、対臨界温度である。Ｐｒ＝１．１のとき、臨界温度より僅かに高い温度Ｔｒ＝１．０１５近くで鋭いピーク（ＫＴ＝１１．９）を持つ、圧力が上昇するにつれて、ピークの値は小さくなり、幅が大きくなり、また、ピークに対応する温度は高温側に移動していくことが解る。
【００２６】
本発明においては、次式１で表される無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるときに圧縮率の高い状態を保持することができる。ここで、Ｐは圧力、κＴは等温圧縮率である。
【００２７】
ＫＴ  ＝  Ｐ＊κＴ    （式１）
無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５以上、好ましくは２以上のときに高い効率の圧力緩衝機能を有するアキュムレータとすることができる。
【００２８】
つまり、例えばＣＯ２を用いた場合、図１のように、Ｐｒが２を超える条件で圧縮率が１．０近傍を僅かに超える領域では、圧縮率の向上を図ることが困難であり、緩衝流体の小容積化を図ることができない。また、実際の運用では緩衝流体の圧力は、ある幅で変化するので、更に余裕をみておく必要がある。被緩衝流体の条件によって緩衝流体の圧縮率の変更することを必要とする場合もあり、緩衝流体の温度によって圧縮率が所定の可変幅を有することが好ましい。つまり、緩衝流体の特性が図１のＰｒが１．５以下の場合のように、所定温度範囲内に極大の圧縮率を有することが好ましい。こうした要請を、後述する各種の緩衝流体（混合流体を含む）の圧縮率特性を解析あるいは実証した結果を考慮すると、実用化に適した緩衝流体の無次元化等温圧縮率ＫＴは１．５以上、より好ましくは２以上であるの結論を得た。
【００２９】
次に、高圧流体と異なる緩衝流体による圧力緩衝方法について説明する。
つまり、上記のような緩衝流体を高圧流体と同種の流体に限定した場合には、圧力緩衝機能には限界があり、十分な緩衝効果が得ることが困難な場合がある。具体的には、図１のように、ＣＯ２を用いた場合において、Ｐｒが３と４の間でＫＴのピーク値は１となり、より高い圧力では、ＫＴは全ての温度域で１以下となることが解る。つまり、Ｐ＞ＰｃであってＰｃからの隔たりが大きい場合には、同種の流体の緩衝は効果的でなくなる。このような高圧で緩衝ガスとしてＣＯ２を使うことは、汚染の心配が殆ど無い点を利用する場合に限定される。従って、被緩衝流体の運転圧が高い場合において、緩衝流体として如何なるものが適するかとの詳細な検討した結果、次の構成を用いることが有用であることを見出した。
【００３０】
（Ａ）隔壁を持ったアキュムレータの容器に超臨界状態の緩衝流体を充填する方法によって、Ｐｃが高い分、緩衝効果が期待できる。ここに、緩衝流体は、適切な物質の混合による少なくとも２成分からなる混合物である場合を含む適切な物質の対を選択することにより、Ｐｃの高い状態を生成でき、また、温度域の調整が可能となる。
【００３１】
（Ｂ）隔壁を持ったアキュムレータの気室に二相域の緩衝流体を収納、あるいは緩衝流体の気液容器の気相部と連結する。ここに、緩衝流体は、適切な物質の混合による少なくとも２成分からなる混合物である場合を含む適切な物質の対を選択することにより、Ｐｃの高い状態を生成でき、また、温度域の調整が可能となる。
【００３２】
（Ｃ）増圧手段あるいは圧力シフト手段で低い圧力に変換して、二相域あるいはＰｃ近くの流体で緩衝する。
【００３３】
ここで、超臨界流の多成分流体での圧力緩衝方法について、より詳細に述べる。
緩衝流体を少なくとも２種類の成分の適切な組合せの適切な組成からなる混合物とする場合には、緩衝流体の臨界圧力を高めることが可能で、非常に圧縮率の高い状態を作り出すことができるとともに、温度を制御することによって、緩衝機能を調整することができる。具体的には、後述の実施例において挙げるように、緩衝流体としてアルゴン（Ａｒ）とアンモニア（ＮＨ３）の混合物やヘリウム（Ｈｅ）とＣＯ２の混合物などを用いることによって、緩衝容器内に超臨界圧状態を形成する温度を調整することが可能となり、圧縮率の高い条件で作動・制御を行うことができる。
【００３４】
また、高圧流体側の運転圧において、容器内部で気液二相域を形成することが可能な混合物を緩衝流体として選択することによって、温度域の調整が可能で、圧縮率の高い状態を作り出すことができる。つまり、高圧流体の余剰に対しては、緩衝流体の液化によって緩衝し、高圧流体の不足に対しては、緩衝流体の気化によって緩衝する。このように、高圧流体の余剰・不足が生じても、緩衝流体の気液の比率を変化させて、その変化に追随する機能を有している。
【００３５】
さらに、図２−１〜２−３は単成分（ＣＯ２）におけるＫＴの温度変化を示すが、飽和温度より僅かに過冷却の液体の領域では、略Ｐｃ＞Ｐ＞０．９＊Ｐｃの範囲で、ＫＴ＞１の領域が存在し、温度を上げてゆくと、飽和温度に向けて増加する。また、飽和温度より僅かに過熱の蒸気の領域では低圧域までＫＴ＞１の領域が存在する。このような特性は、上記、気液ニ相域の場合と同様、緩衝機能として利用することが可能であり、所定温度に制御することによって、最適の緩衝機能を形成することが可能となる。さらにはこれらを過渡的に移行する状態においても、同様の機能を発揮することから、こうした機能を利用することができる。
【００３６】
以上の知見を基に、実際のアキュムレータを構成した場合の基本的な実施形態を図３によって説明する。具体的には、制動の対象となる高圧流体（被緩衝流体）３が流れる高圧流路４に接続する容器１に緩衝流体５が存在し、高圧流体３が、その流体の超臨界状態（運転圧＞臨界圧Ｐｃ）の場合、その温度を無次元化等温圧縮率ＫＴが１．５を超えるように調整している。なお、上記のように、ＫＴは、１．５以上さらには２以上であることが好ましい。こうした条件を確保するために、容器１の周囲に加熱手段、温度検出手段および断熱手段からなる恒温手段６を配し温度制御を行っている。従って、アキュムレータの容積を小さくすることができ、また、装置のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００３７】
このときの容器１における緩衝機能は、例えば、高圧流路４を流れる流体が余剰になった場合、高圧流路４内の高圧流体３が容器１に流入するとともに、緩衝流体５を圧縮して圧力上昇を緩衝する。逆に高圧流路４を流れる流体が不足した場合、容器１内の高圧流体３が高圧流路４に流入するとともに、緩衝流体５を膨張して圧力降下を緩衝する。これによって、アキュムレータの畜圧あるいは緩衝作用が機能する。容器１には接続部７が設けられており、緩衝流体５の充填、あるいは容器１の容積が少ない時における別容器の追加的接続などに用いられる。なお、容器１に相当する空間部は、各々１つに限定されるものではなく、複数の空間部を直列に配することの緩衝効果あるいは並列に配することの分散効果を生かすことで、より一層アキュムレータの機能強化を図ることも可能となる。なおこうしたアキュムレータは、目的に応じて種々の構成が可能であり、図３の構成に限定されないことはいうまでもない。
【００３８】
また、Ｐ＞ＰｃであってＰｃからの隔たりが大きい場合には、同種の流体の緩衝は効果的でなくなることから、増圧手段あるいは圧力シフト手段で低い圧力に変換して、同種の流体の二相域あるいはＰｃ近くの流体で緩衝することが可能である。具体的には、図４に例示するように、容器１と容器２の間に増圧手段として容器１２を付加し、容器１２内部に摺動自在なピストン８ｂを配し、容器２の内部に配されたピストン８ａとを連結部１３によって連動させるとともに、ピストン８ｂの容器２側の受圧面８ｄをピストン８ａの高圧流路３側の受圧面８ｃよりも大きな面積を形成し、かつピストン８ｂによって分割された容器１２の容器１側空間１２ｂを容器１の恒温手段６内部に設ける構成を採っている。ここで、容器１２を容器１と別体とした上記構成例だけではなく、容器１内部に内蔵し一体化した構成、あるいは容器１に代えてピストン機構を設けることも可能である。
【００３９】
また、高圧流体３での圧力変化が生じる場合には、容器１において畜圧・圧力緩衝に時間的な遅れが生じるおそれがある。容器１の内部に恒温手段６との熱交換促進手段１４を設けることによって、容器１の内部の温度をほぼ一定に維持し、等温過程に近づけることによって、高い畜圧・圧力緩衝機能を保持することが可能となる。熱交換促進手段１４としては、具体的には、図５のようなシェルアンドチューブ式熱交換器状のもの、あるいはフィン体を有する管状体を挙げることができ、容器２内部における緩衝流体５との接触面積が大きく、気液熱接触を促進することができる熱交換率の高い手段が好適である。恒温手段６と接続し、熱交換促進手段１４を恒温手段６の制御温度と変わらない温度に維持することで、一層容器２内の温度を一定に維持することができる。
【００４０】
以下、超臨界圧の場合を中心に圧力緩衝効果を高めるための条件について解析した結果を詳述する。
【００４１】
（１）アキュムレータのサイズをコンパクトに収めるには、緩衝用流体の温度を適切に制御することが有効である。つまり、等温的過程におけるアキュムレータのサイズの解析には、下式に示す等温圧縮率κＴ、
κＴ＝−（ｄｖ／ｄＰ）t／ｖ＝（ｄρ／ｄＰ）t／ρ
が利用できる。
ΔＰの範囲でκＴの変化が無視できる時、ΔＰの圧力変化によりΔＶの変化を吸収するために必要な緩衝用流体の体積Ｖoは、
Ｖ０＝（ΔＶ／ΔＰ）／κＴ          ．．．．．（１）
と表すことができる。
特に理想気体を用いる時は、
κＴ＝1／Ｐ                        ．．．．．（２）
となる。
【００４２】
（２）さて、圧縮率には、
κＳ＝−（ｄｖ／ｄＰ）ｓ／ｖ＝（ｄρ／ｄＰ）ｓ／ρ      ．．．．．（３）
で表される断熱圧縮率κＳも存在する。
また、音速Ｖｓは、
Ｖｓ＝ｓｑｒｔ（（ｄρ／ｄＰ）ｓ）
と表され、
κＳ＝ｖ／Ｖｓ２＝１／Ｖｓ２／ρ     ．．．．．（４）
なる関係が存在する。
特に、アキュムレータでの圧力変化が速いときには、κＳが重要となる。逆に、緩やかな変化に対し、Ｖ０を小さく抑えるにはκＴの大きな流体を選ぶことが有利である。
【００４３】
（３）緩衝流体の特性を特徴づけるには、理想気体の場合との比率であるところの無次元化等温圧縮率ＫＴ =Ｐ＊κＴの導入が有効である。
同様に、断熱圧縮率について無次元化断熱圧縮率ＫＳ ＝Ｐ＊κＳなる表現も使用する。
κＴ、κＳの間には、
κＴ ＝κＳ＊Ｃｐ／Ｃｖ              ．．．．．（５）
の関係が存在する。
熱力学的に常にＣｐ＞ＣｖであるのでκＴ＞κＳの関係が成り立つ。
【００４４】
（４）大まかな認識として、液体は圧縮率が小さく、気体は圧縮率が大きいことは良く知られたことである。
液体から気体に遷移するとき、圧縮率は高温ほど大きくなると思い易い。
特に断らない限り、以降の解析には、世界的にみて信頼性の高いＮＩＳＴのデータによった。
【００４５】
（５）ＣＯ２を例に（４）、（５）式を利用して、Ｐ＞ＰｃでＫＴの温度変化を調べてみると図１および図６の如くである。
図１において、Ｐｒ、Ｔｒは圧力Ｐおよび温度Ｔをそれぞれ臨界圧力Ｐｃ＝７３．７７ｂａｒ臨界温度Ｔｃ＝３０４．１３Ｋで除した対臨界圧力、対臨界温度である。Ｐｒ＝１．１のとき、臨界温度より僅かに高い温度Ｔｒ＝１．０１５近くで鋭いピーク（ＫＴ＝１１．９）を持つ、圧力が上昇するにつれて、ピークの値は小さくなり、幅が大きくなり、また、ピークに対応する温度は高温側に移動していくことが解る。さらに、Ｐｒが３と４の間でＫｔのピーク値は１となり、より高い圧力では、ＫＴは全ての温度域で１以下となることが解る。
【００４６】
また、図６では、Ｐ＝１．５Ｐｃ（約１００．７ｂａｒ）でのＫＴ、ＫＳおよび同圧力・温度におけるＮ２に対するＫＴ、ＫＳの値もＫＴ_Ｎ２、ＫＳ_Ｎ２として示した。ＣＯ２のＫＴの値は５４℃近くでピーク値（約２．５）を持つのに対し、Ｎ２に対するＫＴの値は示した温度範囲で１以下（０．９５〜０．９６）である。この圧力においては緩衝ガスとして、ごく一般的に用いられるＮ２に比較しＣＯ２を５４℃近くに加熱して用いると、蓄圧器のサイズをコンパクトにできる。一方、ＫＳについてのＮ２との比較では６７℃以上で僅かにＣＯ２が有利との結果である。
ＫＴのピークが圧力の上昇と供に高温側にずれることは、図７に示したＣＯ２の等容曲線（ｖ＝ｖｃ）で理解できる。図示した範囲ではほとんど直線であり、図１、図６と比較するとほぼ似た傾向が見られる。Ｐ＞Ｐｃで等容曲線（ｖ＝ｖｃ）を横切るあたりで流体密度が液から気体の値に急激に遷移する。その遷移点は圧力ＰがＰｃから離れるほど高温側にずれる。圧縮率はＰに関する微分的な性質であるので、この遷移点の近くでピークを持つ。これが、ＫＴの大きくなる主要因と判断される。
【００４７】
（６）Ｐ＜Ｐｃの単相域についても、同様にＫＴの温度変化を調べた。
図２−１〜２−３に示したのはＰが０．９５＊Ｐｃ、０．９＊Ｐｃ、０．７＊ＰｃでのＫＴ、ＫＳの値である。
先ず、飽和温度より僅かに過冷却の液体の領域では、略Ｐｃ＞Ｐ＞０．９＊Ｐｃの範囲でＫＴ＞１の領域が存在する。温度を上げてゆくと、飽和温度に向けて増加する。また、飽和温度より僅かに過熱の蒸気の領域では低圧域までＫＴ＞１の領域が存在する。温度を下げてゆくと、飽和温度に向けて増加する。いずれもＰｃに近づくほどピークの値は大きくなり、Ｐ→Ｐｃの極限でＴ＝Ｔｃにおいて発散する。これらＰ＜Ｐｃの領域のＫＴの異常は、Ｐ＞Ｐｃの領域とつながっている。
【００４８】
以上の計算はＣＯ２に対するものであるが対応状態の原理に従えば、他の分子に対してもＰｃ、Ｔｃでの換算を行えば、同様の傾向を示すものと判断される。
【００４９】
（７）更に、以上の傾向を別の角度からこれを眺めてみる。
Ｂｏｙｌｅ曲線は、（ｄ（Ｐｖ）／ｄｐ）ｔ＝０で定義される。これは、ＫＴ＝１の条件と等価である。
Ａｒに対するＢｏｙｌｅ曲線を図８に示す。また、ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓの状態方程式に対するＢｏｙｌｅ曲線の例を図９に示す。Ｂｏｙｌｅ曲線は、飽和液の状態から始まり、超臨界点近傍（低温・高圧側を迂回）を通り圧力約３．５Ｐｃ（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓの状態方程式では２７／８＊Ｐｃ）で最高圧となり、低圧高温側の気相へ向う。
実は、この曲線の内部で無次元化等温圧縮率に関しＫＴ＞１が満たされる。
【００５０】
（８）上記は、緩衝流体として単成分を用いた場合を基本として解析したが、使用するシステムにおいては高圧流路の温度・圧力は指定され、緩衝流体の物質の選択とその作動温度・圧力の設定を如何にするかが課題となる。緩衝流体の物質の選定に関しては、圧縮率の大きな状態を作り出すことに注目する。現実には、緩衝流体の運転温度の妥当性や、その流体の安全性、扱い易さ、入手性など他の多くの要素も考慮する必要がある。代表的な物質の臨界圧力・臨界温度を表１に示す（国立天文台編「理科年表」丸善株式会社発行より引用）。臨界温度は、低温から高温まで幅広く分布する。ＣＯ２は常温近くで比較的大きな臨界圧力を持つことが分かる。これ以上の臨界圧力を持つ身近な物質はＮＨ３、水である。但し、臨界温度が高くなるので扱い難い場合もある。
【００５１】
【表１】
2006038068.tif 000003
緩衝流体の物質の選定での第一の方法は、これら比較的大きな臨界圧力を持つ物質を選ぶことである。但し、先述のように、圧縮率の大きな状態に対する温度が受け入れ難い場合や余りにも高圧で充分な圧縮率が稼げない場合には別の方法を見出す必要がある。
【００５２】
（９）具体的には、単成分でなく多成分系の緩衝流体を用いる方法があり、高圧における２成分系の気液平衡をエチレン−ｎ−へプタン系について概観しておく。
図１０には、エチレン（Ｃ２Ｈ４）濃度が８９．３１ｍｏｌ％、６０．５２ｍｏｌ％および２８．５７ｍｏｌ％の場合について、一定組成の混合物のＰ−Ｔ線図が示されている。ＡＡ’、ＢＢ’はそれぞれＣ２Ｈ４、ｎ−へプタン単成分の蒸気圧曲線で、Ａ点、Ｂ点はそれぞれの臨界点である。混合物では沸点と露点が異なるため、例えば、Ｃ２Ｈ４６０．５％の例では、気液二相域はＤ’ＤＣの沸点曲線とＥ’ＥＣの露点曲線で挟まれた領域となり、Ｃ点はこの組成における臨界点である。Ｃ２Ｈ４濃度を変えると、１００ｍｏｌ％のＡ点から０ｍｏｌ％のＢ点へのＡＣ’ＣＢなる破線で示した臨界軌跡を描く。２成分の臨界温度が適度に離れた組み合わせの混合物では、この例のように、中間組成において、混合物を構成するいずれの単成分より高い臨界圧を持つ。
この事実は、高圧での緩衝用流体の選定に重要な意味を持つ。
高圧のため単成分では無次元等温圧縮率ＫＴが大きい状態を選定し難い場合であっても、適切に選定された少なくとも２種の成分からなる混合物で、その組成を適切に調合すると臨界圧力を高めることにより、適切な温度域にＫＴが大きい状態を生成できることである。
例えば、Ｈｅ、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）などの超低温に臨界点を持つ物質と高温に臨界点を持つ物質との混合物（Ｈｅ−ＣＯ２など）は広い温度範囲で高い臨界圧力を持ち、比較的高圧まで気液二相域が延びる。
多成分系では、圧力を指定しても平衡温度は組成に依存するのでアキュムレータの動作温度を考慮しつつ組成を選定する必要がある。
【００５３】
本発明は、上記の解析をもとに緩衝流体を作動させる最適条件を検証し、具体化を図るものである。
【実施例】
【００５４】
以下実施例として、上記の解析結果を活用し、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、Ｈ２を被緩衝流体とし、Ｃ３Ｈ８、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒ、ＮＨ３あるいはこれらの組み合わせを緩衝流体として利用した場合について検証した。
【００５５】
高圧流体の利用分野は多枝にわたるが、以下の実施例１および２における、高圧流体の圧力温度条件の選定に、米国特許４，５３１，５２９号を参考とした。上記特許では、流体として、メタン、エタン、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ８、イソブタン、ｎ−ブタン、Ｒ−１２、Ｒ−２２が掲っているが、中でも、Ｃ３Ｈ８の利用が詳述されている。また、超臨界条件温度は３２〜１２０℃で圧力は最大１４２Ｋｇ／ｃｍ２ｇ（＝１４０ｂａｒ）また、典型的値として１０６Ｋｇ／ｃｍ２ｇ（＝１０５ｂａｒ）である。
【００５６】
＜実施例１＞
Ｃ３Ｈ８（温度３２〜１２０℃、圧力１０５ｂａｒ）の高圧流路での圧力緩衝にＣＯ２を緩衝流体とするアキュムレータを利用する。Ｃ３Ｈ８の臨界圧力Ｐｃは約４２．５ｂａｒであるのに対し、ＣＯ２の臨界圧力Ｐｃは約７３．８ｂａｒである。
１０５ｂａｒでの無次元化等温圧縮率の温度変化を求めると図１１のようである。緩衝流体として、Ｎ２、Ｃ３Ｈ８を使う場合も合わせ示した。
無次元化等温圧縮率について、一般的によく使用されるＮ２の場合表示範囲で約０．９６で、Ｃ３Ｈ８自身を用いると約１６０℃以上で１以上となるが、最大値約１．２４にとどまった。一方ＣＯ２を用いると約５０℃で約２．８８の最大値をとり、約４６〜６４℃の範囲で２以上となり、ＣＯ２の緩衝効果の優れていることが示された。無次元化断熱圧縮率については、約６０℃以下では窒素が、約６０〜１８０℃ではＣＯ２が、約１８０℃以上ではＣ３Ｈ８が大きな値を持つことが示された。
【００５７】
＜実施例２＞
Ｃ３Ｈ８（温度３２〜１２０℃、圧力１４０ｂａｒ）の高圧流路での圧力緩衝にＮＨ３を緩衝流体とするアキュムレータを利用する。Ｃ３Ｈ８の臨界圧力Ｐｃは約４２．５ｂａｒであるのに対し、ＮＨ３の臨界圧力Ｐｃは約１１２．８ｂａｒである。
１４０ｂａｒでの無次元化等温圧縮率の温度変化を求めると図１２のようである。緩衝流体として、Ｎ２、ＣＯ２を使う場合も合わせ示した。
無次元化等温圧縮率について、Ｎ２の場合表示範囲で約０．９３で、ＣＯ２を用いると約７５℃で約１．６４最大値をとり、約６６〜９２℃の範囲で１．５以上となる。一方ＮＨ３を用いると約１４６℃で約５．３７の最大値をとり、ＮＨ３の緩衝効果の優れていることが示された。
【００５８】
＜実施例３＞
加速器を利用した冷中性子源装置では中性子の減速に超臨界圧力約１５ｂａｒ温度約２０Ｋの高圧パラ水素（Ｈ２）循環ループが使用される。このループで、Ｈ２自体を緩衝流体としたアキュムレータを利用したときの１５ｂａｒにおける無次元化等温圧縮率の温度依存性を調べた。比較のため、緩衝流体として、この条件域超臨界ガスであるＨｅを利用したときも同時に調べた。
無次元化等温圧縮率の温度変化を求めると図１３のように、Ｈｅの場合は表示範囲において約０．９６で一定となり、一方、Ｈ２自体は約３４．１Ｋで最大値約６．０８、約３３．７〜３６．３Ｋの範囲で２以上となり、Ｈ２自体の緩衝効果が優れていることが示された。
【００５９】
＜実施例４＞
上記実施例２での圧力を１８０ｂａｒに上げ、緩衝流体としてＡｒとＮＨ３の混合物を利用した場合も調べた。Ａｒの臨界圧力Ｐｃは約４８．７ｂａｒであるのに対し、ＮＨ３の臨界圧力Ｐｃは約１１２．８ｂａｒである。
Ａｒ２１ｍｏｌ％とＮＨ３７９ｍｏｌ％の混合物に対する圧力１８０ｂａｒでの無次元化等温圧縮率の修正Ｒｅｄｌｉｃｈ−Ｋｗｏｎｇ状態方程式による計算結果を、図１４に示す。比較のため、ＮＨ３単体についても示した。
ＮＨ３単体を用いると約１６８℃で約２．５１の最大値を取り、約１６０〜１８４℃の範囲で２以上となる。一方、Ａｒ２１ｍｏｌ％とＮＨ３７９ｍｏｌ％の混合物に対しては約１２４℃で約２．０３の最大値を取り、約１１３〜１５３℃の範囲で１．５以上となり、最大値を採る１２４℃以下は気液ニ相域状態、１２４℃以上は過熱蒸気状態であった。
無次元化等温圧縮率の観点では、ＮＨ３単体を１６８℃近くで用いた方が有利であるが、Ａｒとの混合物を用いることにより、操作温度を下げることが出来る点と爆発性ガスであるＮＨ３を不活性ガスで希釈する効果がある。
【００６０】
＜実施例５＞
上記実施例２での圧力を２００ｂａｒに上げ、緩衝流体としてＨｅとＣＯ２の混合物を利用した場合も調べた。Ｈｅの臨界圧力Ｐｃは約２．２７ｂａｒであるのに対し、ＣＯ２の臨界圧力Ｐｃは約７３．８ｂａｒである。
Ｈｅ５５ｍｏｌ％とＣＯ２４５ｍｏｌ％の混合物に対する圧力２００ｂａｒでの無次元化等温圧縮率の修正Ｒｅｄｌｉｃｈ−Ｋｗｏｎｇ状態方程式による計算結果を、図１５に示す。無次元化等温圧縮率は約６４．２〜７０．２℃の範囲で、それぞれ約６４８〜１８．８の非常に大きな値を持つことが解った。この範囲でこの混合物は気液ニ相域状態であった。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
上記のように、本発明は各種流体を被緩衝流体として適用することができることから、高圧流体の利用は多枝に渡ることができる。また、本願では、基本的な使用方法に限定して記述したが、上記各構成例を任意に組合せることで、さらに有用なシステム構成を形成することが可能である。また、多様な技術との組合せにより、さらに多くの場合にも応用できることは明らかであり、高い汎用性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】流体の圧縮率の対臨界温度変化を例示する説明図
【図２−１】ＣＯ２の圧縮率の温度変化を例示する説明図
【図２−２】ＣＯ２の圧縮率の温度変化を例示する説明図
【図２−３】ＣＯ２の圧縮率の温度変化を例示する説明図
【図３】本発明に係るアキュムレータの構成例を示す説明図
【図４】本発明に係る増圧手段の構成を例示する説明図
【図５】本発明に係る熱交換促進手段の構成を例示する説明図
【図６】流体の圧縮率の温度変化を例示する説明図
【図７】ＣＯ２の等容曲線を例示する説明図
【図８】Ａｒに対するＢｏｙｌｅ曲線を例示する説明図
【図９】ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓの状態方程式に対するＢｏｙｌｅ曲線を例示する説明図
【図１０】エチレン−ｎ−へプタン系の蒸気圧曲線を示す説明図
【図１１】実施例１における圧縮率の温度変化を示す説明図
【図１２】実施例２における圧縮率の温度変化を示す説明図
【図１３】実施例３における圧縮率の温度変化を示す説明図
【図１４】実施例４における圧縮率の温度変化を示す説明図
【図１５】実施例５における圧縮率の温度変化を示す説明図
【図１６】従来技術に係るアキュムレータの１の構成例を示す説明図
【図１７】従来技術に係るアキュムレータの他の構成例を示す説明図
【符号の説明】
【００６３】
１、２，１２  容器
３    高圧流体（被緩衝流体）
４    高圧流路
５    緩衝流体
６    恒温手段
７    接続部
８    ピストン
９    シール手段
１３  連結部
２０  熱交換促進手段
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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