(57)【要約】【課題】従来の圧力発生充填装置は、圧力容器にガスを充填するとき断熱現象を起こすことから、規定した充填時間で充填することは困難である。【解決手段】圧力発生装置と、充填装置と、規定数の流量コントローラと前記各流量コントローラに付随する複数の第１の遮断弁と、ガス流路を切り替えする複数の第２の遮断弁と、制御装置とから構成する圧力発生充填装置である。前記制御装置は、断熱圧縮を発生することなく、規定した充填時間内で前記圧力容器を満充填する制御特性カーブを算出する。さらに前記制御装置は、任意の数の圧力設定値を選定する。尚圧力設定値は、制御特性カーブに載る。選定した圧力設定値と制御段数に基づいて、流量コントローラを切り替えて前記圧力容器にガスを充填する。【選択図】図２
2015113938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力発生装置と、規定数の流量コントローラと、前記各流量コントローラに付随する複数の第１の遮断弁と、ガス流路を切り替えに使用する複数の第２の遮断弁と、真空ポンプと、制御装置とから構成する圧力発生充填装置であって、
流量コントローラは、一定量の充填ガスを流す流量コントローラであるとともに、
並列に配管することを、
特徴とする圧力発生充填装置。
【請求項２】
請求項１において、
制御装置は、理想的ＰＩＤ制御装置のシミュレーション機能を備え、
前記シミュレーション機能により、断熱圧縮を発生しない制御特性カーブを算出して記録するとともに、
１個以上、前記流量コントローラの規定数までの範囲の数の範囲内で制御段数を決めて、
前記制御段数と同じ数の前記圧力設定値を算出するとともに、
前記圧力設定値を記録することを
特徴とする圧力発生充填装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記圧力設定値は前記制御特性カーブに載ることを、
特徴とする圧力発生充填装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記制御段数の各制御において、１台の流量コントローラを稼動するともに、
前記圧力容器内の充填圧力が圧力設定値に達した時、
流量コントローラと遮断弁を切り替えることを
特徴とする圧力発生充填装置。       
【請求項５】
請求項１において、
真空ポンプは、前記圧力容器内の圧力が、初期設定圧力値より高い場合、
前記圧力容器内の圧力を、前記初期設定圧力値に等しくする機能を持つことを
特徴とする圧力発生充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧力容器にガスを充填する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス蓄積容器として使用する圧力容器にガスを充填するガス供給装置は、圧力発生装置とディスペンサーと、制御装置から構成する。圧力発生装置は、所定の圧力にガスを圧縮する装置である。充填装置であるディスペンサーは、圧力発生装置が圧縮したガスを圧力容器に供給する装置であり、制御装置は、ガス流量、圧力など物理量を計測するとともに各装置が規定の動作するようコントロールする。
【０００３】
先行技術文献は、圧力容器を規定時間に充填するため圧縮ガス充填を多段回に分けて充填するガス充填装置及びガス充填方法である。圧力容器を初期圧力値からの目標圧力に充填する理論上の充填時間を算出するとともに、複数の実際の充填時間と、前記充填時間に係わる係数を算出する手段を持ち、前記理論的充填時間と一致する、前記実際の充填時間の組み合わせを決定する。決定した複数の段数により、前記圧力容器を充填するガス充填装置及びガス充填方法である。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１７９９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多段で充填することを自動的に装置が算出するので人手の負荷を削減する効果があるものの、何段に分けて容器を充填するのか常に一定ではなく、事前に段数を予測できない。段数が変動すると充填する時間は変動する恐れがある。
【０００６】
圧力容器を初期圧力値から目標圧力値に充填する充填時間を理論的に算出するとしているが、圧力容器にガスを充填するとき断熱現象を起こすことを除去できない。前記断熱現象が生じた場合、圧力容器の計測圧力は目標設定圧力値に到達するものの、前記圧力容器内の圧力が変動して、次段の制御の充填で、事前に計算した充填時間とずれる。
【０００７】
断熱現象が前記圧力容器内の圧力に変動に及ぼすことを、図１を用いて説明する。前記図１は、３段回に分けて圧力容器を充填することを示している。Ｐは圧力容器の圧力、Ｐ０は圧力容器の初期圧力である。Ｐ１、Ｐ２とＰ３はそれぞれ各段の圧力設定値である。ｔ１、ｔ２、とｔ３は、それぞれ前記圧力設定値Ｐ１、Ｐ２とＰ３に到達した時刻である。前記ｔ３は、前記圧力容器の最終到達時間なので、前記圧力容器を満充填する充填時間の意味を持つ。
【０００８】
規定の大きさの圧力容器に気体を強制的にかつ短時間で充填した場合、前記気体の内部エネルギーが上昇するので前記気体の温度が上昇する。前記圧力設定値Ｐ１に充填した後、時間経過とともに前記気体の温度が下がる。温度が低下することで前記圧力容器内の圧力は前記圧力設定値Ｐ１より下がる。前記領域Ｓ-adは時間経過とともに圧力が下がる領域を示す。
【０００９】
充填装置は２段目の充填で、前記圧力容器を圧力設定値Ｐ２になるように動作する。しかし圧力が前記P1より下がったので、下がった分ΔＰだけ多くガスを充填しなければならない。このことは前記圧力P2まで充填するのにＰ２−Ｐ１の差圧で規定した充填時間、即ちｔ２−ｔ１は事前に求めた値より長くかかることになる。この様に断熱現象が発生すると、事前に規定した充填時間より、実際の充填時間は長くなる。
【００１０】
規定した数の段数で充填するとともに、断熱現象を発生することなく、規定の充填時間で圧力容器を充填する圧力発生充填装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の圧力発生充填装置は、圧力発生装置と、規定数の流量コントローラと、前記各流量コントローラに付随する複数の第１の遮断弁と、ガス流路を切り替える複数の第２の遮断弁と、制御装置とを有する。上記流量コントローラは、一定量の充填ガスを流す流量コントローラであり、並列に配管されるものである。また、前記制御装置は、理想的ＰＩＤ制御装置のシミュレーション機能を備えるものであってもよい。このシミュレーション機能を用いて、規定した充填時間内で前記圧力容器を、初期圧力から目標の圧力設定値に満充填するとともに断熱圧縮を発生しない制御特性カーブを演算する。さらに前記制御装置は１個以上、設置した前記流量コントローラの規定数までの数の範囲内の任意の個数の圧力設定値を選定する（流量コントローラがN台設置されている場合、規定数はN、圧力設定値の個数はN以下）。選定した圧力設定値の個数を、制御段数と呼ぶ。圧力発生充填装置は、圧力設定値と制御段数に基づいて、流量コントローラを切り替えて前記圧力容器にガスを充填する。
【発明の効果】
【００１２】
規定した回数の制御段数で充填するので実際の装置運転で充填時間は変動する恐れは少ない。さらに、断熱圧縮を発生しない理論上の制御特性カーブに載る圧力設定値を採用するので、断熱圧縮現象が発生しないので、確実に各段の充填時間は計算通りになる。本発明の圧力発生充填装置は圧力計の校正用圧力容器にも使える。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】断熱圧縮現象の説明図
【図２】本発明に係わる第１実施の圧力発生充填装置の装置構成図
【図３】本発明に係わる圧力充填の特性説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態１.を図２と図３を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
実施の形態１．
【００１６】
図２は、本発明の圧力発生充填装置を説明する装置構成図である。流量コントローラを３台並列に設置している例である。複数の流量コントローラを設置した理由は、個々の流量コントローラが動作する圧力と流量の範囲が異なるとともに、本発明の圧力発生充填装置がコントロールできる流量の範囲を広げるためである。
【００１７】
ＦＣ１、ＦＣ２とＦＣ３は流量コントローラである。前記流量コントローラはガス流量が一定となるようにコントロールする。ＡＶ１、ＡＶ２とＡＶ３は、流量コントローラ用遮断弁である。ＡＶ１０は遮断弁であり、ＧＶはゲートバルブである。なお、流量を確実に遮断する機能を持つ流量コントローラを用いる場合は、前記流量コントローラ用遮断弁ＡＶ１、ＡＶ２とＡＶ３は使用しなくてもよい。
【００１８】
ＶＰ１０は、真空ポンプであり、前記流量コントローラ用遮断弁よりも下流のガス配管内および前記圧力容器ＣＢ内の圧力を、規定の圧力に下げる場合に使用するものである。
【００１９】
ＧＦは、圧力発生装置（図示せず）から流れる充填ガスの方向を示す。前記圧力発生装置としてガス圧縮ポンプなどを想定している。充填ガスが、空気以外のガスで、例えば窒素のときは、前記圧力発生装置のガス取り入れ口（図示せず）に、窒素ガスボンベを繋ぐ。
【００２０】
ＰＩ２０は、前記圧力容器ＣＢに設置した圧力計である。遮断弁ＡＶ２０は、前記圧力計ＰＩ２０を保護するために使う。
【００２１】
制御装置（図示せず）は、前記流量コントローラＦＣ１、ＦＣ２およびＦＣ３、並びに前記真空ポンプＶＰ１０、並びに各流量コントローラに付随する流量コントローラ用遮断弁ＡＶ１、ＡＶ２およびＡＶ３と、前記遮断弁ＡＶ１０と、前記ゲートバルブＧＶと、を制御する。また、この制御装置には、前記圧力計ＰＩ２０からの圧力計測値がフィードバックされる。さらに前記制御装置は、理想的に動作するＰＩＤ制御装置のシミュレーションを実施する任意のアルゴリズム演算機能（図示せず）を備える。前記アルゴリズム演算機能をPIDシミュレータであるとする。
【００２２】
図３は、本発明の多段切り替え動作に係わる圧力充填の特性説明図である。ここでは、Ｐ０からＰ１、Ｐ１からＰ２、Ｐ２からＰ３、という３段の制御段が設定されている。
【００２３】
任意の初期圧力をＰｏと、満充填後の任意の圧力設定値をＰ３と、任意の充填時間をｔ３とを、規定するとともに、各数値を前記制御装置の入力装置（図示せず）に作業者が入力する。前記制御装置は、断熱圧縮現象が発生しない条件で、前記ＰＩＤシミュレータを稼動したとき、前記充填時間ｔ３でガスを充填する理想制御特性カーブ（図示せず）を算出するとともに、前記制御装置のメモリー（図示せず）に記憶する。前記理想制御特性カーブは曲線であり、オーバーシュート、振動そしてオフセットなどが存在しないカーブである。前記理想制御特性カーブの代表数値、あるいはＰＩＤの各パラメートの数値、その他必要パラメータの数値を、作業者が前記制御装置の入力装置に入力してもよい。
【００２４】
前記図３が示しているのは、制御段数を流量コントローラに設置する数と同じ数値３にして前記圧力容器ＣＢを充填するとともに、圧力設定値Ｐ１、Ｐ２およびＰ３を満充填圧力の８０％、９５％と、１００％にした事例である。制御段数の数値３と、前記圧力設定値Ｐ１およびＰ２の数値は、前記制御装置が任意のアルゴリズム演算で算出してもよいし、あるいは作業者が前記制御装置の入力装置に入力してもよい。
前記圧力設定値Ｐ１、Ｐ２およびＰ３の数値は、前記理想制御特性カーブの上に載る必要がある。
【００２５】
前記圧力設定値Ｐ１、Ｐ２を前記制御装置の入力装置に入力する代わりに、任意に規定したｔ２−ｔ１とｔ３−ｔ２の制御時間の数値を作業者が前記制御装置の入力装置に入力して、前記理想制御カーブ上の圧力設定値Ｐ１、Ｐ２の数値を前期制御装置が算出しても良い。
【００２６】
前記初期圧力Ｐｏ、前記圧力設定値Ｐ１、Ｐ２およびＰ３と、充填時間ｔ３の数値が定まった後に圧力発生充填装置が動作する内容を示す。
【００２７】
前記初期圧力Ｐｏと、前記圧力容器ＣＢの残圧が異なり、かつ前記圧力容器ＣＢの内部圧力が大気圧以上であるとともに、前記初期圧力Ｐｏが大気圧力以下である場合、前記流量コントローラ用遮断弁ＡＶ１、ＡＶ２、ＡＶ３を閉じるとともに、前記遮断弁ＡＶ１０および前記ゲートバルブＧＶを開けて前記真空ポンプＶＰ１０を稼動して前記圧力容器ＣＢの内部圧力を、前記初期圧力Ｐｏにする。前記圧力容器ＣＢが前記初期圧力Ｐｏと一致した時、稼動していた前記真空ポンプＶＰ１０は停止するとともに、前記ゲートバルブＧＶと前記遮断弁ＡＶ１０を閉じる。尚、前記真空ポンプＶＰ１０を使わず残圧充填ガスを排出する機構は別なものを採用してもかまわない。
【００２８】
前記圧力容器ＣＢの内部圧力が前記初期圧力Ｐｏ以上であるとともに、前記初期圧力Ｐｏが大気圧または大気圧以上である場合は、前記流量コントローラ用遮断弁ＡＶ１、ＡＶ２、ＡＶ３を閉じるとともに、前記遮断弁ＡＶ１０を開け、前記真空ポンプＶＰ１０は稼動させず、前記ゲートバルブＧＶは閉めた状態にして、前記圧力容器ＣＢに取り付けた開放弁（図示せず）を開けて前記圧力容器ＣＢ内のガスを放出する。前記圧力容器ＣＢが前記初期圧力Ｐｏと一致した時、前記開放弁と前記遮断弁ＡＶ１０を閉じる。
【００２９】
前記圧力容器ＣＢの内部圧力が初期圧力Ｐｏより低い場合、前記ゲートバルブＧＶと、全流量コントローラ用遮断弁を閉じる。その後、前記遮断弁ＡＶ１０を開けるとともに、前期圧力発生器を運転する。前記制御装置は、任意の流量コントローラを稼動させるとともに、稼動する当該流量コントローラ用遮断弁を開く。前記圧力容器ＣＢの内部圧力が初期圧力Ｐｏに一致した時、前記圧力発生器と、稼動していた流量コントローラを停止する（制御を行わない状態、または流量をゼロに制御している状態にする）とともに、当該流量コントローラ用遮断弁と、前記遮断弁ＡＶ１０と、を閉める。
【００３０】
充填ガスを前記圧力容器ＣＢに充填ガスを流す直前、前記遮断弁ＡＶ１０を開け、前記ゲートバルブＧＶは閉めておく。
【００３１】
前記制御装置は、前期初期圧力Ｐｏと前記圧力設定値Ｐ１の圧力範囲内で稼動する流量コントローラを１台稼動させるとともに、当該流量コントローラ遮断弁を開ける。稼動しない流量コントローラの流量コントローラ用遮断弁は閉じたままにする。
【００３２】
前記圧力容器ＣＢが、目標の圧力設定値Ｐ３に到達した時、前記制御装置は、稼動している流量コントローラを停止するとともに、当該流量コントローラ遮断弁と、前記遮断弁ＡＶ１０を閉じる。
【００３３】
前記圧力容器ＣＢの計測値が、前記圧力設定値Ｐ１、Ｐ２とＰ３に到達した時、そのつど前記制御装置は稼動する流量コントローラを切り替えるとともに、流量コントローラの遮断弁の開閉も切り替える。この切り替え手段を備えていることから、圧力設定値に到達した後のオーバーシュートの発生を防げる。前記図３は直線の折れ線グラフになっているのは、各流量コントローラは流量一定で流量制御していることを示している。ガス流量の次元は、単位時間当たりのガスの圧力と体積の積とする。例えば圧力をＰａ（パスカル），体積をｍ３（立法メートル）そして時間をｓ（秒）とした場合、Pa・m３/s である。
【００３４】
なお、前記圧力設定値Ｐ１およびＰ２は前記理想特性カーブの上に載ることからｔ２−ｔ１ないしｔ３−ｔ２である流量コントローラの各稼働時間は、圧力容器の体積と、圧力差の積を、流量コントローラが流すガス流量で割ることで求めることができる。
【００３５】
流量コントローラの設置台数を３台以外の場合、例えば台数が５台であれば、１段から最大５段の中で、任意に選んだ段数の制御で前記圧力容器ＣＢを充填できる。尚、各段数の圧力設定の数値は、前記理想特性カーブの上に載る数値でなければならない。
【００３６】
上述の実施の形態では、各段制御段で稼動する流量コントローラは１台ずつとしたが、各制御段において２台以上の流量コントローラを同時に稼動させて圧力容器を充填する圧力発生充填装置であっても本発明の請求の範囲に含まれる。例えば、最大ガス流量が１の第１の流量コントローラと、最大ガス流量が２の第２の流量コントローラとを並列に接続した場合、第１の流量コントローラのみを稼動させると最大ガス流量は１となり、第２の流量コントローラのみを稼動させると最大ガス流量は２となり、第１と第２の流量コントローラを同時に稼動させると最大ガス流量は３となる。すなわち、２台の流量コントローラで３段の制御段を実現することができる。２台以上の複数の流量コントローラを稼動するケースにおいては、理想制御特性カーブは適宜変更することで対応可能になる。
【符号の説明】
【００３７】
ＧＦ                        圧力発生器から流れる充填ガスの方向
ＦＣ１，ＦＣ２、ＦＣ３      流量コントローラ
ＡＶ１、ＡＶ２、ＡＶ３      流量コントロール用遮断弁
ＡＶ１０                    遮断弁
ＡＶ２０                    遮断弁
ＧＶ                        ゲートバルブ
ＶＰ１０                    真空ポンプ  
ＣＢ                        圧力容器
ＰＩ２０                    圧力計
Ｐ                          圧力
Ｐｏ                        圧力容器の初期圧力
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３            圧力設定値
ｔ                          時間
ｔ１、ｔ２、ｔ３            圧力設定値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の圧力に到達する時刻
Ｓ-ad                        断熱圧縮の現象により圧力が変化する領域
【図１】
2015113938.tif 000003
【図２】
2015113938.tif 000004
【図３】
2015113938.tif 000005