(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給装置およびバックアップ装置を備え、消費設備に対して、所定範囲内において変動する所望の圧力および流量からなるガス量Ｇを供給するガス供給システムであって、
前記ガス供給装置から供出されるガスが給送される供給流路と、前記バックアップ装置から供出されるガスが給送されるバックアップ流路と、該供給流路とバックアップ流路との合流点から前記消費設備にガスが給送される給送流路と、該合流点までの前記供給流路に分流点が設けられ、前記ガス供給装置から供出されるガスの一部が分流されるベント流路と、前記それぞれの流路の圧力を検出する圧力検出器または／および流量を検出する流量検出器と、前記それぞれの流路の圧力または／および流量を調整する制御弁と、前記それぞれの圧力検出器，流量検出器からの出力を受信し、前記それぞれの出力を指標に前記それぞれの制御弁への制御信号を作成して送信する制御部と、を備え、
前記消費設備に給送される前記所定範囲内の最小ガス量Ｇｂ，最大ガス量Ｇｍ，平均ガス量Ｇａあるいは所定範囲内の任意のガス量のいずれかから基準ガス量Ｇｏを設定し、
該基準ガス量Ｇｏを前記ガス供給装置から前記分流点に給送されるガス量Ｇｓによって確保するように、前記ガス供給装置から供出されるガスと前記ベント流路に放出されるガスの、それぞれの圧力および流量を制御するとともに、
前記所望のガス量Ｇが前記基準ガス量Ｇｏを超える場合の差量分ｄＧ、および前記ガス供給装置が停止あるいは急速な供給量の低下状態の発生時における所望のガス量Ｇを、前記バックアップ装置から前記分流点に給送されるガス量Ｇｗによって確保するように制御することを特徴とするガス供給システム。
【請求項２】
予め前記それぞれの流路に設けられた制御弁の開度に対する圧力特性または／および流量特性を求め、
前記基準ガス量Ｇｏとなる基準圧力Ｐｏを中点として、前記供給流路およびベント流路に設けられた制御弁の、０〜基準圧力Ｐｏにおける開度に対する圧力特性と、前記バックアップ流路に設けられた制御弁の、基準圧力Ｐｏ〜前記最大ガス量となる最大圧力Ｐｍにおける開度に対する圧力特性を、１つの１次または数次の近似関数によって表わされる関係式に補正し、
または／および前記基準ガス量Ｇｏとなる基準流量Ｆｏを中点として、前記供給流路およびベント流路に設けられた制御弁の、０〜基準流量Ｆｏまでの開度に対する流量特性と、前記バックアップ流路に設けられた制御弁の、基準流量Ｆｏ〜前記最大ガス量となる最大流量Ｆｍまでの開度に対する流量特性を、１つの１次または数次の近似関数によって表わされる関係式に補正することを特徴とする請求項１記載のガス供給システム。
【請求項３】
前記バックアップ装置が、並列に配設された複数のガス貯留部を備え、
該ガス貯留部の少なくとも１つが、前記基準ガス量Ｇｏの供給可能な容量を有し、前記ガス供給装置が停止あるいは急速な供給量の低下状態の発生時において、当該ガス貯留部から前記基準ガス量Ｇｏに相当するガス量をバックアップ流路に給送するとともに、前記ベント流路に設けられた制御弁によって、所望の圧力および流量からなるガス量Ｇを維持することを特徴とする請求項１または２記載のガス供給システム。
【請求項４】
前記ガス供給装置が、精留塔を備えた空気分離装置で構成され、高純度液化ガスを前記消費設備に供給し、前記バックアップ装置に該空気分離装置からの高純度液化ガスを貯留するガス貯留部を備えられるとともに、所定時間内に前記バックアップ装置から前記消費設備に供給される前記差量分ｄＧの総量が、該所定時間内に前記空気分離装置から該ガス貯留部に給送されるガスの総量と同量となるように制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス供給システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のガス供給システムを用いたガス供給方法であって、
前記所望の圧力Ｐおよび流量Ｆに対する制御において、
（１）圧力Ｐまたは流量Ｆが、基準ガス量Ｇｏとなる基準圧力Ｐｏまたは基準流量Ｆｏ以下の場合
前記ガス供給装置から供出されるガスの流量Ｆｓを減少させ、および／またはベント流路に放出されるガスの圧力Ｐｖおよび流量Ｆｖを調整し、前記給送流路を給送させる前記所望のガスの圧力Ｐおよび流量Ｆに調整する。このとき前記バックアップ装置からのガスの供給は停止する。
（２）圧力Ｐまたは流量Ｆが、前記基準ガス量Ｇｏとなる基準圧力Ｐｏまたは基準流量Ｆｏを超える場合
基準流量Ｆｏを超える差量分ｄＧとなるガス流量を前記バックアップ装置から供給し、該ガス流量Ｆｗを下式１のように制御する。
Ｆｗ＝Ｆ−Ｆｏ＋Ｆｖ    …式１
このとき、前記ベント流路に放出されるガスの圧力Ｐｖおよび流量Ｆｖを調整し、前記給送流路を給送させる前記所望のガスの圧力Ｐおよび流量Ｆに調整する。
ことを特徴とするガス供給方法。
【請求項６】
精留塔を備えた空気分離装置で構成された前記ガス供給装置から、高純度液化ガスが前記消費設備に供給されるとともに前記バックアップ装置に供給され、前記（２）における該所定時間内の前記ガス流量Ｆｗの総量を、該所定時間内に前記空気分離装置から前記バックアップ装置に給送されるガスの総量と同量となるように制御することを特徴とする請求項５記載のガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給システムおよびガス供給方法に関するもので、例えば、ガス供給装置より消費設備に対して製品ガスを供給するガス供給システムにおいて、ガス供給装置の異常発生時等にバックアップ装置から製品ガスを別途補完的に供給することができるガス供給システムおよびガス供給方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体製造プロセスをはじめ各種製造プロセスにおいて、各種気体あるいは液体の高純度ガスが用いられ、こうしたガスを所望の圧力条件や流量条件で安定的に供給するために、所定容量のガス供給装置やガス製造装置が用いられている。例えば、精留塔を利用した酸素や窒素あるいはアルゴン等々各種ガスの製造方法（深冷分離）が知られているが、こうしたガス製造装置は、需要者の敷地内に設置し（オンサイト）、常時製造される製品ガスを使用する使用形態がとられることがある。この形態では、ガス製造装置が停電等のトラブルで停止した場合、直ちにバックアップ装置による供給に切り換える必要がある。また、消費設備における消費量は常に一定ではなく、１日の内には時間単位で使用量が変動するため、ガス製造装置は消費量（需要量）の変動に対応できる構造に設計されることが多い。
【０００３】
具体的には、図７に示すような、製品ガスを窒素ガスとし、その消費量の変動に対応できる高純度窒素のガス製造装置を挙げることができる（例えば特許文献１段落０００３〜０００５参照）。１２１は空気圧縮機である。１２２は２個１組の吸着塔であり、内部にモレキュラーシーブが充填されていて空気圧縮機１２１により圧縮された空気中のＨ２ＯおよびＣＯ２を吸着除去する作用をする。１２３はＨ２ＯおよびＣＯ２が吸着除去された圧縮空気を送る圧縮空気供給パイプである。１２４は熱交換器であり、吸着塔１２２によりＨ２ＯおよびＣＯ２が吸着除去された圧縮空気が送り込まれる。１２６は精留塔であり、上部に凝縮器１２７ａ内蔵の分縮器１２７を備えており、熱交換器１２４により超低温に冷却され、パイプ１２５を経て送り込まれる圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気１３６として底部に溜め、窒素のみを気体状態で天井部に溜めるようになっている。１２９は装置外から液体窒素１３４の供給を受けこれを貯蔵する液体窒素貯槽であり、内部の液体窒素（高純度品）１３４を、導入路パイプ１３０を経由させ精留塔１２６の天井部側に送入し、精留塔１２６内に供給される圧縮空気の寒冷源にしている。１３７は精留塔１２６の天井部に溜った窒素ガスを製品窒素ガスとして取り出す取出パイプで、超低温の窒素ガスを熱交換器１２４内に案内し、そこに送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパイプ１３８に送り込む作用をする。１４１はメインパイプ１３８に設けられた流量制御弁である。１４２はバックアップ系ラインであり、液体窒素蒸発器１４３，これに液体窒素貯槽１２９から液体窒素１３４を供給する導入路パイプ１４４ａ，液体窒素蒸発器１４３で気化生成した窒素ガスをメインパイプ１３８に送入する案内パイプ１４４ｂおよびこの案内パイプ１４４ｂに設けられた圧力調節弁１４５から構成されている。この圧力調節弁１４５は２次側（使用側）の圧力が設定圧力より下がると、弁を開き（または弁の開度を調節し）２次側の圧力が設定圧力を保つように作用する。このバックアップ系ライン１４２では、精留塔ラインが故障したり、または製品窒素ガスの需要量（消費量）が精留塔１２６だけでは対応できないような量に大幅に増加したり（精留塔１２６内で生成される窒素ガスの最大生成量を越えたり）してメインパイプ１３８内の圧力が下がると、圧力調節弁１４５が開成作動するため、液体窒素貯槽１２９から液体窒素１３４が液体窒素蒸発器１４３に流れて気化し、その生成気化液体窒素ガスが製品窒素ガスとしてメインパイプ１３８内に流入するようになっている（同段落０００３〜０００５参照）。また、製品窒素ガスの需要量（消費量）が大幅に減少した場合には、これを流量指示調節計１４６で検出して放出弁１４７を開弁し、余剰の製品窒素ガスを大気に放出することで上記コントロール不能を防いでいる（同段落０００９参照）。ここで、１２８ａは還流液パイプ（案内路）、１３１はパイプ、１３１ａは膨張弁、１３２は液面指示調節計、１３３はバルブ、１３５は液体窒素溜め、１３９は放出パイプ、１４０は保圧弁、１４８は不純物分析計、１４９は弁を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−２１０７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のようなガス製造装置では、以下のような課題があった。
（ｉ）精留塔から供給される製品窒素ガス（ガス発生装置）や液体窒素貯槽から供給されるバックアップ用の窒素ガス（バックアップ装置）が、各々独立して制御されるため、設備間のギャップにより高純度製品ガスのロスが生じている。また、こうした製品ガスのロスは、ガス製造装置のエネルギーロスを発生させている。具体的には、以下に示すロスを挙げることができる。
（ｉ−１）製品ガスの発生量と消費量のミスマッチから生じる余剰の製品ガスの大気放出によるロス
具体的には、ガス発生装置において安定的に製品ガスが作製され、消費量を超える製品ガスがベントから放出され、長期的にみれば、図８（Ａ）のように、放出される製品ガスの余剰分がロスとなる。なお、放出ガスの一部は、消費設備に給送されるガスの安定化に供される。また、こうした製品ガスのロスは、これを作製するために費やされたガス発生装置におけるエネルギーロスを伴うものとなる。
（ｉ−２）消費量の変動に対応したガス発生装置での余裕のある発生量を確保するために生じるエネルギーロス
短期的にも、図８（Ｂ）のように、上記（ｉ−１）と同様のロスが生じる。特に、深冷分離式のガス発生装置等では頻繁に発生量を変化させた場合、発生量を変化させるための消費エネルギー調整が困難であるために、余裕度のある一定量を発生させることから、製品ガスのロスおよびエネルギーロスが生じる。
（ｉ−３）消費設備が要求する圧力を維持するために、ガス発生装置から供給される製品ガスの圧力を、ガス発生装置からのガス供給設備配管での圧力損失に余裕度を加えて設定することによるエネルギーロス
具体的には、図７の例であれば、還流液パイプ１２８ａ，取出パイプ１３７，熱交換器１２４およびメインパイプ１３８における圧力損失分に加え、余裕度が加算された高い供給圧力でガス発生装置を運転する必要があることから、その圧力差に相当するエネルギーロスが生じる。
（ｉ−４）ガス発生装置の不慮の故障に備え、バックアップ装置を、余裕を持った供給圧力に設定した場合、ガス発生装置が消費設備の要求圧力より高い供給圧力で運転されることによって生じるエネルギーロス
具体的には、図７の例であれば、例えば消費設備の要求圧力が約７〜８ＭＰａであって、メインパイプ１３８と案内パイプ１４４ｂの合流点における圧力バランスによってガス発生装置からの製品ガスのみが給送される場合、メインパイプ１３８の供給圧力は、案内パイプ１４４ｂよりも約０．０１〜０．０２ＭＰａ高く設定し、逆流を防止することが必要となる。また、バックアップ装置からのガスとともに消費設備に給送される場合においても、メインパイプ１３８と案内パイプ１４４ｂの供給圧力は、余裕を持った設定圧力が好ましく、消費設備の要求圧力より高い供給圧力で運転される。いずれの場合も、加算された高い供給圧力でガス発生装置を運転する必要があることから、その圧力差に相当するエネルギーロスが生じる。
（ii）また、こうしたロスは、ガス発生装置やバックアップ装置の拡大を招来し、特に、頻繁に、かつ大きく消費量が変動する用途に用いられるガス製造装置では、大きな課題となっている。
【０００６】
本発明の目的は、ガス供給装置の緊急事態への対応、および消費量が変動する用途への対応ができるとともに、こうした対応時においても、製品ガスやエネルギーのロスが少なく、ガス供給システム全体のエネルギー消費を最小化することができるガス供給システムおよびガス供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示すガス供給システムおよびガス供給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。
【０００８】
本発明は、ガス供給装置およびバックアップ装置を備え、消費設備に対して、所定範囲内において変動する所望の圧力および流量からなるガス量Ｇを供給するガス供給システムであって、
前記ガス供給装置から供出されるガスが給送される供給流路と、前記バックアップ装置から供出されるガスが給送されるバックアップ流路と、該供給流路とバックアップ流路との合流点から前記消費設備にガスが給送される給送流路と、該合流点までの前記供給流路に分流点が設けられ、前記ガス供給装置から供出されるガスの一部が分流されるベント流路と、前記それぞれの流路の圧力を検出する圧力検出器または／および流量を検出する流量検出器と、前記それぞれの流路の圧力または／および流量を調整する制御弁と、前記それぞれの圧力検出器，流量検出器からの出力を受信し、前記それぞれの出力を指標に前記それぞれの制御弁への制御信号を作成して送信する制御部と、を備え、
前記消費設備に給送される前記所定範囲内の最小ガス量Ｇｂ，最大ガス量Ｇｍ，平均ガス量Ｇａあるいは所定範囲内の任意のガス量のいずれかから基準ガス量Ｇｏを設定し、
該基準ガス量Ｇｏを前記ガス供給装置から前記分流点に給送されるガス量Ｇｓによって確保するように、前記ガス供給装置から供出されるガスと前記ベント流路に放出されるガスの、それぞれの圧力および流量を制御するとともに、
前記所望のガス量Ｇが前記基準ガス量Ｇｏを超える場合の差量分ｄＧ、および前記ガス供給装置が停止あるいは急速な供給量の低下状態の発生時における所望のガス量Ｇを、前記バックアップ装置から前記分流点に給送されるガス量Ｇｗによって確保するように制御することを特徴とする。
【０００９】
既述のように、バックアップ装置は、ガス供給装置の緊急事態への対応用あるいは消費量が変動する用途への対応用のいずれかのみに用いられるとともに、いずれの場合にも、ガス供給装置とバックアップ装置それぞれ所定の余裕度をもって運転されることから、製品ガスやエネルギーのロスの低減が大きな課題であった。こうした課題に対する検証の結果、本発明は、ガス発生装置とバックアップ装置のガスの供給制御を統合し、基準ガス量を担うガス発生装置とそれを超えたガス量を担うバックアップ装置の供給条件を最適化することにより、緊急事態を含む短時間に大きく変動する消費設備に供給するガス量を、所望の供給条件を維持しつつ、製品ガスやエネルギーのロスを少なく、確実に供給可能なガス供給システムを可能とした。また、消費設備の運転において、消費量が安定している場合には、基準ガス量Ｇｏを最大ガス量Ｇｍに設定し、バックアップ装置は緊急事態のみ機能させる制御操作を行い、消費量が変動する場合には、その変動範囲に対応して基準ガス量Ｇｏを最小ガス量Ｇｂや平均ガス量Ｇａあるいは所定範囲内の任意のガス量に設定することによって、製品ガスやエネルギーのロスを少なく、確実に供給可能なガス供給システムが可能となる。なお、ここでいう「ガス量」とは、所定圧力条件下でのガス流量をいい、標準状態（０℃，０．１０１ＭＰａ）でのガス流量で表わすことがある。
【００１０】
本発明は、上記ガス供給システムであって、予め前記それぞれの流路に設けられた制御弁の開度に対する圧力特性または／および流量特性を求め、前記基準ガス量Ｇｏとなる基準圧力Ｐｏを中点として、前記供給流路およびベント流路に設けられた制御弁の、０〜基準圧力Ｐｏにおける開度に対する圧力特性と、前記バックアップ流路に設けられた制御弁の、基準圧力Ｐｏ〜前記最大ガス量となる最大圧力Ｐｍにおける開度に対する圧力特性を、１つの１次または数次の近似関数によって表わされる関係式に補正し、または／および前記基準ガス量Ｇｏとなる基準流量Ｆｏを中点として、前記供給流路およびベント流路に設けられた制御弁の、０〜基準流量Ｆｏまでの開度に対する流量特性と、前記バックアップ流路に設けられた制御弁の、基準流量Ｆｏ〜前記最大ガス量となる最大流量Ｆｍまでの開度に対する流量特性を、１つの１次または数次の近似関数によって表わされる関係式に補正することを特徴とする。
ガス供給システムにおいては、複数の流路における精度の高い流量あるいは圧力制御が要求される。一方、検証過程において、各流路に用いられる制御弁の機能や発生源から供出されるガスの特性（発生装置や貯槽から供出されるガスの圧縮率等）によって、各制御弁の開度と流量や圧力の特性が異なるとの知見を得た。本発明は、同時に機能する各制御弁の開度−流量または圧力特性を考慮し、基準圧力あるいは基準流量を基準に各制御弁に対する制御信号を演算し、複数の制御弁があたかも１つの制御弁として機能するように補正することによって、緊急対応時のガス供給装置からバックアップ装置への切換えや消費量増加に伴うバックアップ装置からの補給に際しても、制御精度を維持することを可能にした。
【００１１】
本発明は、上記ガス供給システムであって、前記バックアップ装置が、並列に配設された複数のガス貯留部を備え、
該ガス貯留部の少なくとも１つが、前記基準ガス量Ｇｏの供給可能な容量を有し、前記ガス供給装置が停止あるいは急速な供給量の低下状態の発生時において、当該ガス貯留部から前記基準ガス量Ｇｏに相当するガス量をバックアップ流路に給送するとともに、前記ベント流路に設けられた制御弁によって、所望の圧力および流量からなるガス量Ｇを維持することを特徴とする。
バックアップ装置におけるガスの供出条件は、緊急対応時のガス供給装置からの切換えの場合と消費量増加に伴う補給の場合では異なることから、バックアップ装置を、複数のガス貯留部を備え、少なくともその１つが基準ガス量Ｇｏの供給可能な容量を有する構成とすることによって、緊急事態を含む短時間に大きく変動する場合であっても、消費設備に対して所望の供給条件を維持しつつ、製品ガスやエネルギーのロスを少なく、確実に供給可能なガス供給システムを可能とした。
【００１２】
本発明は、上記ガス供給システムであって、前記ガス供給装置が、精留塔を備えた空気分離装置で構成され、高純度液化ガスを前記消費設備に供給し、前記バックアップ装置に該空気分離装置からの高純度液化ガスを貯留するガス貯留部を備えられるとともに、所定時間内に前記バックアップ装置から前記消費設備に供給される前記差量分ｄＧの総量が、該所定時間内に前記空気分離装置から該ガス貯留部に給送されるガスの総量と同量となるように制御されることを特徴とする。
高純度の窒素や酸素等のガス供給システムにおいては、ガス供給装置が精留塔を備えた空気分離装置で構成されることが好ましく、安定したガス量の供給に適する一方、上記のように、短時間の消費量の変動への追随は難しい。また、通常消費設備に供給されるガス量（消費量）は、所定時間内において所定量を基に増減を繰り返すことが多い。本発明は、こうした供給側と消費側の機能を整合させるように、例えば基準ガス量Ｇｏを最小ガス量Ｇｂとした場合、精留塔によって平均ガス量Ｇａの製品ガスを作製し、ガス供給装置から最小ガス量Ｇｂを給送するとともに、バックアップ装置に残量（Ｇａ−Ｇｂ）を供給することによって、バックアップ装置から十分な補完量を確保することができる。つまり、ある短時間の時間帯において生じる平均ガス量Ｇａを超える消費量分は、他の（次の）短持間の時間帯における平均ガス量Ｇａを下回る消費量分で補完することができ、特に液化ガスの場合には、小さな容積で大容量のガスを貯留することができることから、ロスを最小化して十分なバックアップを行うことができる。さらに裕度を設け、所定期間、製品ガスの作製量を少し多くしてバックアップ装置に供給して貯留することによって、緊急対応時のガス供給装置からの切換えの場合にも、短時間で直前と同量供給できるガス量を確保することができる。
【００１３】
本発明は、上記いずれかのガス供給システムを用いたガス供給方法であって、
前記所望の圧力Ｐおよび流量Ｆに対する制御において、
（１）流量Ｆが、基準ガス量Ｇｏとなる基準流量Ｆｏ以下の場合
前記ガス供給装置から供出されるガスの流量Ｆｓを減少させ、および／またはベント流路に放出されるガスの圧力および流量を調整し、前記給送流路を給送させる前記所望のガスの圧力Ｐおよび流量Ｆに調整する。このとき前記バックアップ装置からのガスの供給は停止する。
（２）流量Ｆが、前記基準ガス量Ｇｏとなる基準流量Ｆｏを超える場合
基準流量Ｆｏを超える差量分ｄＧとなるガス流量を前記バックアップ装置から供給し、該ガス流量Ｆｗを下式１のように制御する。
Ｆｗ＝Ｆ−Ｆｏ＋Ｆｖ    …式１
このとき、前記ベント流路に放出されるガスの圧力および流量を調整し、前記給送流路を給送させる前記所望のガスの圧力Ｐおよび流量Ｆに調整する。
ことを特徴とする。
上記のように、ガス供給システムにおいては、所定範囲内において変動する消費量に対応した製品ガスの供給が要求される。本発明は、所定範囲内において設定された基準流量Ｆｏを閾値として、ガス発生装置とバックアップ装置のガスの供給制御を統合し、基準ガス量を担うガス発生装置とそれを超えたガス量を担うバックアップ装置の供給条件を最適化した制御を行なうことにより、緊急事態を含む短時間に大きく変動する消費設備に供給するガス量を、所望の供給条件を維持しつつ、製品ガスやエネルギーのロスを少なく、確実に供給することを可能とした。
【００１４】
本発明は、上記ガス供給方法であって、精留塔を備えた空気分離装置で構成された前記ガス供給装置から、高純度液化ガスが前記消費設備に供給されるとともに前記バックアップ装置に供給され、前記（２）における該所定時間内の前記ガス流量Ｆｗの総量を、該所定時間内に前記空気分離装置から前記バックアップ装置に給送されるガスの総量と同量となるように制御することを特徴とする。
こうした制御を行うことによって、供給側と消費側の機能を整合させ、精留塔によって作製された製品ガスの内、所定量をガス供給装置から給送するとともに、残量をバックアップ装置に供給することによって、バックアップ装置から十分な補完量を確保することができる。また、所定期間、製品ガスの作製量を少し多くしてバックアップ装置に供給して貯留することによって、緊急対応時のガス供給装置からの切換えの場合にも、短時間で直前と同量供給できるガス量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るガス供給システムの１の構成例を示す概略図
【図２】本発明に係るガス供給システムにおける制御操作の効果を例示する説明図
【図３】本発明に係るガス供給システムにおける流量制御プロセスを例示する説明図
【図４】本発明に係るガス供給システムにおける圧力制御プロセスを例示する説明図
【図５】本発明に係るガス供給システムにおける制御プロセスを例示する説明図
【図６】本発明に係るガス供給システムの１の構成例を示す概略図
【図７】従来技術に係る高純度窒素のガス製造装置を例示する概略図
【図８】従来技術に係るガス製造装置における製品ガスのロスを例示する説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。本発明に係るガス供給システム（以下「本システム」という）は、ガス供給装置およびバックアップ装置を備え、消費設備に対して、所定範囲内において変動する所望の圧力Ｐおよび流量Ｆからなるガス（以下「製品ガスＳ」という）のガス量Ｇを供給する構成を基本とし、消費設備に給送される所定範囲内の最小ガス量Ｇｂ，最大ガス量Ｇｍ，平均ガス量Ｇａあるいは所定範囲内の任意のガス量のいずれかから基準ガス量Ｇｏを設定し、該基準ガス量Ｇｏをガス供給装置から給送されるガス量Ｇｓによって確保するように、ガス供給装置から供出されるガス（以下「供給ガスＫ」という）とベント流路に放出されるガス（以下「ベントガスＶ」という）の、それぞれの圧力および流量を制御するとともに、所望のガス量Ｇが基準ガス量Ｇｏを超える差量分ｄＧ、およびガス供給装置が停止あるいは急速な供給量の低下状態の発生時における所望のガス量Ｇを、バックアップ装置から給送されるガス（以下「バックアップガスＷ」という）のガス量Ｇｗによって確保するように制御することを特徴とする。
【００１７】
ここで、本システムの対象となるガスとしては、ガス供給装置の内部においてガス状の各種気体や液化ガスあるいはこれらの混合体を形態とする高純度ガスを含む。具体的には、酸素や窒素や水素あるいはアルゴンなどの圧縮ガス、半導体製造プロセスなどで使用される特殊材料ガス（ＮＨ３，ＢＣｌ３，Ｃｌ２，ＳｉＨ２Ｃｌ２，Ｓｉ２Ｈ６、ＨＦ、Ｃ３Ｆ８、ＷＦ６等に代表される蒸気圧の低い液化ガス）、二酸化炭素などの液化ガスなどを挙げることができる。また、バックアップガスＷは、基本的に供給ガスＫと同一のガスが用いられる。しかしながら、大量の供給ガスＫをベースとする場合等バックアップ装置の使用条件によっては、純度あるいは組成が一部異なるバックアップガスＷを用いる場合がある。
【００１８】
＜本発明に係るガス供給システムの１の構成例＞
図１は、本システムの１の構成例（第１構成例）を示す概略図である。本システムは、ガス供給装置１およびバックアップ装置２を備え、消費設備３に対して、所定範囲内において変動する所望の圧力Ｐおよび流量Ｆからなるガス量Ｇを供給する。具体的には、ガス供給装置１から供給ガスＫが給送される供給流路Ｌ１と、バックアップ装置２からバックアップガスＷが給送されるバックアップ流路Ｌ２と、供給流路Ｌ１とバックアップ流路Ｌ２との合流点Ｍから消費設備３に製品ガスＳが給送される給送流路Ｌ３と、合流点Ｍまでの供給流路Ｌ１が分岐され、供給ガスＫの一部（ベントガスＶ）が分流されるベント流路Ｌ４と、を備える。それぞれの流路Ｌ１〜Ｌ４の圧力を検出する圧力検出器または／および流量を検出する流量検出器と、それぞれの流路Ｌ１〜Ｌ４の圧力または／および流量を調整する制御弁と、を備え、それぞれの圧力検出器，流量検出器からの出力を受信し、それぞれの出力を指標にそれぞれの制御弁への制御信号を作成して送信する制御部５と、を備える。第１構成例では、さらに給送流路Ｌ３に製品ガスＳを精製する精製部６を備える。ここでは、主として、精留塔（図示せず）等を備えた空気分離装置１１によって作製された高純度の窒素や酸素等（供給ガスＫ）を消費設備３に給送するガス供給システムを例として説明する。なお、第１構成例では、圧力検出器，流量検出器，制御弁について、複数の流路に共用できる場合や必ずしも必須でない場合には略すことがある。また、図中の制御用符号を（  ）内に併記することがある。 
【００１９】
本システムを用いたガス供給制御操作によって、図２（Ａ）〜（Ｄ）に例示するような効果を得ることができる。図２（Ａ）は、所定範囲内において変動する所望の圧力Ｐおよび流量Ｆからなるガス量Ｇと、所定範囲内の最小ガス量Ｇｂ，最大ガス量Ｇｍおよび平均ガス量Ｇａを示す。図２（Ｂ）は、最小ガス量Ｇｂを除いた、変動範囲のガス量Ｇ（破線）および所定時間内における変動範囲内の平均ガス量Ｇａ（実線）を示す。図２（Ｃ）は、従前のガス供給システムにおける余裕度のある一定量を発生させた場合のガス量（破線）、本システムにおける所定範囲内の最小ガス量Ｇｂを基準ガス量Ｇｏに設定にした場合の、ガス供給装置１によって供給ガスＫが給送される範囲（淡色部）およびバックアップ装置２によってバックアップガスＷが給送される範囲（濃色部）を示す。常に最大ガス量Ｇｍに余裕度を加えたガス量を必要とする従前のシステムに比べ、本システムにおいては、平均ガス量Ｇａによって最小のガス量を確保することができる。本システムにおいて給送されるガス量が、従前のガス供給システムにおいて給送されるガス量に比べ、ロスとなるガス量に大きな差があることが判る。
【００２０】
具体的には、例えば基準ガス量Ｇｏを最小ガス量Ｇｂとした場合、精留塔によって平均ガス量Ｇａの供給ガスＫを作製し、ガス供給装置１から基準ガス量Ｇｏを給送するとともに、バックアップ装置２によって残量（Ｇａ−Ｇｂ）を給送することによって、バックアップ装置２から十分な補完量を確保することができる。つまり、図２（Ｄ）に例示するように、ある短時間の時間帯において生じる平均ガス量Ｇａを超える消費量分Ｇａ１，Ｇａ２・・Ｇａｎは、他の短持間の時間帯における平均ガス量Ｇａを下回る消費量分Ｇｂ１，Ｇｂ２・・Ｇｂｎで補完することができ、ロスを最小化して十分なバックアップを行うことができる。特に、供給ガスＫが、液化ガスの場合には、高圧条件下において小さな容積で大容量のガスを貯留することができることから、小容量のバックアップガスＷの貯留容器をバックアップ装置２に設けることによって、十分なバックアップを行うことができ、上記のロスの最小化に加えて、余剰の貯留量に伴うロスの発生を回避することができる。さらに、所定期間供給ガスＫの作製量を少し多くしてバックアップ装置２の貯留量に余裕度を設け、バックアップガスＷの供給量に余裕があるように設定することによって、緊急対応時のガス供給装置１からの切換えの場合にも、短時間で直前と同量供給できるガス量を確保することができる。
【００２１】
〔ガス供給装置〕
ガス供給装置１は、空気分離装置（ＴＣＮ）１１を備える。空気分離装置１１は、既述のガス製造装置（図７）のような深冷分離による精留塔を有する装置，他の深冷分離による装置，あるいは分離膜や吸着塔などを利用した装置等を用いることができる。なお、こうしたガス製造装置ではなく、高圧の液化ガスが収容された大容量のタンクを用い、気化させたガスを供給する装置も可能である。空気分離装置１１には、供出される供給ガスＫの圧力（ＰＩＣ−ＭＰ）を検出する圧力検出器（図示せず）が設けられている。供給ガスＫは、空気分離装置１１から供出され、供給流路Ｌ１を流通し、ガス供給装置保護用開閉弁Ｌ１ａおよびベント流路Ｌ４の分流点Ｖａを介して合流点Ｍに給送される。分流点Ｖａで分流された供給ガスＫの一部は、ベント流路Ｌ４を流通してベント４から放出される。供給ガスＫの流量は、供給流路Ｌ１に設けられた流量検出器Ｆ１によって検出され、制御弁Ｒ１によって調整される（ＦＩＣ−ＴＣＮ）。供給ガスＫの圧力は、ベント流路Ｌ４に設けられた圧力検出器Ｐ４（ＰＩＣ−ＴＣＮ）によって検出され、ベント流路Ｌ４に設けられた制御弁Ｒ４（ＨＩＣ−ＴＣＮ）によって調整される。このとき、制御弁Ｒ４の調整は、強制的に全開状態にした開度に出力を一度合わせてから、圧力制御に復帰させる機能を有することが好ましい。全開状態を基準として、制御弁Ｒ４の開度−流量／圧力特性を利用することによって、製品ガスＳやエネルギーのロスの発生を少なくすることができる。また、ベントガスＶの流量を必要最小限に設定することによって、供給ガスＫのロスを低減することができる。例えば、制御弁Ｒ４を全閉状態にして、ガス供給装置１の供給ガスＫの圧力および流量を基準ガス量Ｇｏに設定する（ＴＣＮ−ＳＥＴ）ことによって、供給ガスＫのロスを軽減することができる。
【００２２】
さらに、第１構成例においては、空気分離装置１１から補給流路Ｌ５を流通させて、バックアップ装置２へバックアップ用の液化ガスを供給する機能を設けている。所定時間内にバックアップ装置２から消費設備３に供給される差量分ｄＧの総量と同量となるバックアップガスＷが、空気分離装置１１から給送されるように制御される。同時に、ガス供給装置１（空気分離装置１１）が停止あるいは急速な供給量の低下状態の異常発生時において、本システムのバックアップが可能なバックアップガスＷのガス量が常にバックアップ装置２に貯留されるように制御される。具体的なバックアップ装置２へ供給される液化ガスの流量は、補給流路Ｌ５に設けられた流量検出器Ｆ５と制御弁Ｒ５からなる流量調整機構（ＦＩＣ−ＬＩＮ）によって検出・調整される。また、上記の異常発生時には、空気分離装置１１から制御部５に対して「装置遮断」信号が送信されるとともに、制御部５からの制御信号を受信して（ＴＣＮ−ＳＥＴ）、ガス供給装置１の停止と同時に、制御弁Ｒ５の開度を全開にしてバックアップ装置２への緊急供給が行われる。
【００２３】
〔バックアップ装置〕
第１構成例では、バックアップ装置２は、液化ガスが貯留され、並列に配設された複数（３つ）のガス貯留部２１〜２３を備え、蒸発器２４によって気化されたバックアップガスＷが供出される構成を例示する。バックアップガスＷが高圧ガスとして貯留可能な場合には、蒸発器２４は省略されるが、以下液化ガスとして貯留される場合を説明する。ガス貯留部２１〜２３のいずれか、あるいは、そのいくつかから供出された液化バックアップガスＷは、蒸発器２４によって気化され、バックアップ流路Ｌ２から合流点Ｍに給送される。バックアップガスＷの圧力は、消費設備３での圧力変動に対応するように、バックアップ流路Ｌ２に設けられた圧力検出器Ｐ２（ＰＩ−Ｃ１）によって検出され、バックアップ流路Ｌ２に設けられた制御弁Ｒ２（ＨＩＣ−Ｃ１）によって調整される。バックアップ流路Ｌ２には、蒸発器２４の下流に気化されたバックアップガスＷの圧力を検知するための圧力検出器Ｐ２ａ（ＴＩＡ−ＧＡＮ）が設けられ、合流点Ｍの直前にバックアップ装置２への逆流を防止するための逆止弁Ｍａが設けられる。
【００２４】
また、ガス供給装置１の停止あるいは急速な供給量の低下状態の発生等緊急事態への対応時には、制御部５から発信された緊急指令信号に基づき（ＨＳ−Ｃ２）、制御弁Ｒ２が基準ガス量Ｇｏに相当するガス量を給送する開度に調整（予め設定された開度に切換）され（ＨＩＣ−Ｃ２）、ガス供給装置１の停止等に伴う供給ガスＫの減量を補完する。このとき、合流点Ｍに給送されたバックアップガスＷは、給送流路Ｌ３に流通して製品ガスＳとして消費設備３に給送される一方、その一部は供給流路Ｌ１を供給ガスＫと逆方向に流通し、ガス供給装置１において、分流点Ｖａを介してベント流路Ｌ４を流通してベント４から放出される。これによって、消費設備３の使用条件に適合した製品ガスＳの圧力Ｐｓを確保し、維持することができる。製品ガスＳの圧力Ｐｓは、圧力検出器Ｐ４によって検出される。
【００２５】
ガス貯留部２１〜２３には、液化ガスが所定量貯留される。バックアップガスＷの給送に伴う減量分は、上記のように、補給流路Ｌ５を流通し、開閉弁２１ｆ〜２３ｆを介して供給装置１から補給される。ただし、本バックアップ装置２は、こうした供給装置１から補給される構成に限定されるものではなく、外部からの補給あるいは大容量のガス貯留部２１〜２３からなる構成が可能である。ガス貯留部２１〜２３には、液化ガスの供給を担う開閉弁２１ａ〜２３ａ，内部ガス圧力を調整する圧力調整器２１ｂ〜２３ｂ，内部ガス圧力を検出する圧力検出器２１ｃ〜２３ｃ，内部液圧力とガス圧力とのバランス調整する圧力調整器２１ｄ〜２３ｄ，ガス貯留部用の蒸発器２１ｅ〜２３ｅが設けられ、以下のように機能する。
（ｉ）消費量の変動に対応するバックアップガスＷの供給時には、開閉弁２１ａ〜２３ａを開とするとともに、内部の気相に繋がる圧力調整器２１ｂ〜２３ｂによって調整された内部ガス圧力によって液相の液化ガスが押し出される。ガス貯留部２１〜２３内部の気相−液相のバランス、つまり液面低下に伴う内部ガス圧力の変動は、蒸発器２１ｅ〜２３ｅによって形成される気相部に設けられた圧力調整器２１ｄ〜２３ｄによって調整される。
（ii）ガス供給装置１の緊急事態に対応するバックアップガスＷの供給時には、開閉弁２１ａ〜２３ａを開とするとともに、圧力調整器２１ｄ〜２３ｄを基準ガス量Ｇｏに相当するガス量を給送する開度に調整（予め設定された開度に切換）し、急激に加圧された内部ガス圧力によって液化ガスを急速に押し出すことによって、迅速にバックアップ流路Ｌ２へのバックアップガスＷの供給を可能にする。
【００２６】
また、制御弁Ｒ２は、制御部５からの制御信号を電気的に伝達駆動させるタイプだけではなく、電気信号を制御弁駆動用空気の圧力信号（以下「空気信号」という）に変換して制御することができる。具体的には、図１（ａ）に示すように、通常時のバックアップガスＷの給送時においては、切換弁Ｃに対する制御信号Ｃｚ（例えばＯＮ−ＯＦＦ信号）が制御部５から送信され、切換弁Ｃを流路Ｘが開状態となるようにすると同時に、制御部５からの制御信号Ｃｘ（例えば４−２０ｍＡの絶縁電流信号）が電気信号−空気信号の変換器ＩＰｘに送信され、同じく変換器ＩＰｘに供給される空気信号Ａｘ（例えば約０．４ＭＰａの空気）が変換されて駆動用空気（例えば０．０２〜０．１ＭＰａの空気）が流路Ｌｘを介して制御弁Ｒに供給され、所定の開度に設定される。緊急時のバックアップガスＷの給送時においては、切換弁Ｃに対する制御信号Ｃｚによって切換弁Ｃを流路Ｌｙが開状態となるよう切換えると同時に、制御部５からの制御信号Ｃｙ（Ｃｘと同様の信号）が変換器ＩＰｙ（ＩＰｘと同一構成）に送信され、空気信号Ａｙ（Ａｘと同様の空気）が変換されて駆動用空気が流路Ｌｙを介して制御弁Ｒに供給され、所望のガス量Ｇの給送が可能な所定の開度に設定される。なお、こうした構成の制御弁は、制御弁Ｒ２に限定されるものではなく、他の制御弁Ｒ１やＲ４あるいはＲ５にも適用が可能である。
【００２７】
〔精製部〕
第１構成例において給送流路Ｌ３に設けられた精製部６には、精製ユニット６１およびフィルタ６２が配設されるとともに、給送流路Ｌ３に消費設備３に給送される製品ガスＳの所望の圧力Ｐおよび流量Ｆからなるガス量Ｇを確認する圧力検出器Ｐ３（ＰＩＣ−ＧＡＮ）および流量検出器Ｆ３（ＦＩ−ＧＡＮ）が設けられる。精製ユニット６１は、製品ガスＳを構成する供給ガスＫおよびバックアップガスＷ中の不純物、例えば微量の水分や油分を除去するために用いられ、活性炭や活性ゼオライト等の吸着剤等が充填される。フィルタ６２は、製品ガスＳ中の微粒子や微小粉塵を除去するために用いられ、高分子樹脂やセラミックス等からなる濾材等が使用される。第１構成例においては、各々２系統を配設し切換え可能な構成によって、連続的に使用することができる。
【００２８】
＜本システムを用いたガス供給方法＞
本システムを用いたガス供給方法は、（１）製品ガスＳの所望の流量Ｆが、基準ガス量Ｇｏとなる基準流量Ｆｏ以下の場合あるいは（２）これを超える場合、（３）製品ガスＳの所望の圧力Ｐが、基準ガス量Ｇｏとなる基準圧力Ｐｏ以下の場合あるいは（４）これを超える場合、および（５）緊急事態の場合、において、所望の圧力Ｐおよび流量Ｆの製品ガスＳを給送する操作、から形成される。こうした操作を体系的に表した制御図を、図３，４に例示する。
【００２９】
図３は、主として製品ガスＳを所望の流量Ｆに制御するために行われるガス供給装置１およびバックアップ装置２と制御部５との交信、および制御部５における演算と制御処理内容を示す。特に、ガス供給装置１に対する供給ガスＫの流量制御処理内容を示す。供給ガスＫの流量Ｆｓと消費量（流量Ｆ）のギャップを最小化する流量制御が行われる。
【００３０】
図４は、通常製品ガスＳを所望の圧力Ｐに制御するために行われるガス供給装置１およびバックアップ装置２と制御部５との交信、および制御部５における演算と制御処理内容に加え、緊急事態においてバックアップガスＷを製品ガスＳとして給送する制御操作の内容を示す。ガス供給装置１は、消費設備３の所望の圧力Ｐに対応した基準圧力Ｐｏに設定される。通常時には、基準圧力Ｐｏ（あるいは基準流量Ｆｏ）を超えるガス量ｄＧがバックアップ装置２から供給開始されるに際して、基準ガス量Ｇｏの圧力制御を担う制御弁Ｒ４とバックアップ装置２の圧力制御を担う制御弁Ｒ２の特性の相違により制御がスムーズに移行しないことがないように、制御弁Ｒ２，Ｒ４の特性が補正され、所望の圧力Ｐに制御される。緊急時（ガス供給装置遮断時）には、時間遅れなくバックアップ装置２からのバックアップガスＷの供給を開始するため、所望の圧力Ｐに対応した圧力Ｐ２に必要な開度に強制的に切換えさせる。
【００３１】
〔基準ガス量Ｇｏの設定〕
消費設備３に給送される製品ガスＳについて、予め把握された所定範囲内の最小ガス量Ｇｂ，最大ガス量Ｇｍ，平均ガス量Ｇａあるいは所定範囲内の任意のガス量のいずれかから基準ガス量Ｇｏを設定する。ガス供給装置１とバックアップ装置２のガスの供給制御を統合し、基準ガス量を担うガス供給装置１とそれを超えたガス量を担うバックアップ装置２の供給条件を最適化することによって、消費設備３に供給するガス量を、製品ガスＳやエネルギーのロスを少なく、所望の供給条件を維持することを可能とした。また、ガス供給装置１において、ベントガスＶの流量を必要最小限に設定することによって、供給ガスＫのロスを低減することができる。
【００３２】
具体的には、消費設備３の運転において、消費量が安定している場合には、基準ガス量Ｇｏを最大ガス量Ｇｍに設定することによって、少ないロスで制御可能であり、バックアップ装置２は緊急事態のみ機能させる制御操作を行うことが好ましい。消費量の安定なベースが大きいと同時に変動量も大きな場合には、基準ガス量Ｇｏを最小ガス量Ｇｂとすることによって、その変動範囲に対応してバックアップガスＷを給送することによって、少ないロスで制御することができる。消費量の安定なベースが大きく変動量が小さな場合には、基準ガス量Ｇｏを平均ガス量Ｇａとすることによって、少ないロスで制御することができる。つまり、基準ガス量Ｇｏを超える変動範囲に対応してバックアップガスＷを給送し、基準ガス量Ｇｏを以下の変動範囲に対応してベントガスＶを増量あるいは供給ガスＳを減量させることによって、少ないロスで制御することができる。また、消費設備３での消費量の変動範囲が予め判る場合には、こうした基準ガス量Ｇｏの設定を、ガス供給装置１やバックアップ装置２の応答性および安定性を確保することができる範囲において、その変動時間および変動範囲に対応して変更することによって、より少ないロスで制御することができる。さらに、消費量の変動範囲の設定が難しい場合には、最小ガス量Ｇｂ，最大ガス量Ｇｍ，平均ガス量Ｇａではなく、その中間量あるいは所定範囲内の任意のガス量に設定することによって、実際の消費量の変動時間および変動範囲に対応して変更することができ、より少ないロスで制御することができる。
【００３３】
図３は、流量制御プロセスにおいて、基準流量Ｆｏを設定するプロセスを例示する。所定の変動範囲（±ｘ）を有する所望の流量Ｆあるいは実測の消費量（製品ガスＳの流量）に基づき（ＦＩ−ＧＡＮ）、下式２によって演算されたＦｔが、予め把握された所定範囲とされる。
Ｆｔ＝Ｆ＋ｋ１  …式２
ここで、ｋ１：補正係数（±ｘ）
こうした所定範囲から、最小ガス量Ｇｂに相当する最小流量Ｆｂ（＝Ｆ−ｘ），最大ガス量Ｇｍに相当する最大流量Ｆｍ（＝Ｆ＋ｘ）あるいは平均ガス量Ｇａに相当する平均流量Ｆａ（＝Σ［Ｆｔ］／Σｔ）のいずれかから基準ガス量Ｇｏ相当する基準流量Ｆｏが設定される。なお、平均流量Ｆａの演算は所定時間ｔ（例えば１〜３０ｍｉｎ）内の移動平均をすることが好ましい。単純平均値よりも消費量の変化を迅速に反映し、製品ガスやエネルギーのロスの発生を少なくすることができる。また、既述の通り所定範囲内の任意のガス量に相当する流量を基準流量Ｆｏに設定することも可能である。緊急事態においては、こうした設定は解除される。
【００３４】
〔本システムを用いたガス供給における流量制御操作〕
本システムを用いたガス供給操作は、流量制御において、（１）流量Ｆが基準流量Ｆｏ以下の場合、（２）流量Ｆが基準流量Ｆｏを超える場合、における操作から形成される。その具体的な操作手順を詳述する。
【００３５】
（１）流量Ｆが、基準流量Ｆｏ以下の場合の操作
基準流量Ｆｏを最大流量Ｆｍに設定した場合、あるいは流量Ｆが所定時間基準流量Ｆｏ以下となる場合には、制御部５の制御に基づき、ガス供給装置１からの供給ガスＫのみを製品ガスＳとして給送する。具体的には、供給ガスＫの流量Ｆｓを減少させる操作、ベントガスＶの圧力Ｐｖおよび流量Ｆｖを調整する操作、あるいはこれらを組合せた操作を行い、消費設備３に給送させる供給ガスＫを所望の圧力Ｐおよび流量Ｆに調整される。このとき、バックアップ装置２からのバックアップガスＷの供給は停止される。また、ベントガスＶの流量Ｆｖを必要最小限に設定することによって、供給ガスＫのロスを低減することができる。例えば、制御弁Ｒ４を全閉状態にして、ガス供給装置１の供給ガス流量を基準流量Ｆｏに設定する（ＴＣＮ−ＳＥＴ）ことによって、供給ガスＫのロスを軽減することができる。
【００３６】
（２）流量Ｆが、基準流量Ｆｏを超える場合
基準流量Ｆｏを最小流量Ｆｂに設定した場合、あるいは流量Ｆが所定時間基準流量Ｆｏを超える場合には、制御部５の制御に基づき、基準流量Ｆｏに対してガス供給装置１からの供給ガスＫにより供給し、基準流量Ｆｏを超える流量分（Ｆ−Ｆｏ）に対してバックアップ装置２からのバックアップガスＷを補給し、両者を集合して製品ガスＳとして給送する操作を行う。つまり、バックアップガスＷのガス流量Ｆｗを下式１のように制御する。
Ｆｗ＝Ｆ−Ｆｏ＋Ｆｖ    …式１
このとき、ベント流路Ｌ４に放出されるガスの圧力Ｐｖおよび流量Ｆｖを調整し、給送流路Ｌ３を給送させる所望のガスの圧力Ｐおよび流量Ｆに調整する。
【００３７】
具体的には、以下の操作が行われる。
（ｉ）流量Ｆｓ≧流量Ｆの状態となる場合
このときは、上記（１）と同様の操作が行われる。バックアップガスＷの供給はない。
（ii）流量Ｆｓ＜流量Ｆの状態となる場合
図３の流量制御プロセスに例示するように、流量Ｆｓと基準流量Ｆｏを比較し、操作内容を変えることが好ましい。以下の（ii−１）および（ii−２）において詳細を述べる。このとき、流量Ｆｓ，流量Ｆのいずれかが選択され、信号Ａ１０としてバッファＢｆ１に入力されてメモリされる（Ａ１０）。つまり、上記（ｉ）の場合には、ガス発生装置１で一部ベントガスＶを放出しているので、消費量（ＦＩ−ＧＡＮ）の流量Ｆがメモリされる。上記（ii）の場合には、バックアップ装置２からバックアップガスＷを供給しているため、発生量（ＦＩＣ−ＴＣＮ）の流量Ｆｓがメモリされる。その選択は、流量Ｆｓ＜流量Ｆの状態と判断された信号がフィリップフロップ回路ＦＦ１に導入されて得られた制御信号が用いられる。
【００３８】
（ii−１）流量Ｆｓ＞基準流量Ｆｏとなる場合において
基準流量Ｆｏに対して、下式３のように補正係数ｋ２（±ｙ）を付加した演算信号Ａ１に基づき、流量ＦｓがＦｏとなるように、ガス供給装置１を制御される（ＴＣＮ−ＳＥＴ）。
Ａ１＝Ｆｓ＋（Ｆｏ−Ｆｓ）＋ｋ２  …式３
詳しくは、ガス供給装置１からの流量Ｆｓに係る信号（ＦＩＣ−ＴＣＮ）は、バックアップガスＷの流量Ｆｗ信号とともにフィリップフロップ回路ＦＦ１に導入され、得られた制御信号Ｆｃ１によって、演算信号Ａ１がＯＮ−ＯＦＦ制御される。ＯＮ−ＯＦＦ制御された演算信号Ａ３は、バッファＢｆ２においてメモリされるとともに、演算信号Ａ４として変換部Ｅｘ１に入力され、変換された演算信号Ａ５によって、ガス供給装置１に対し流量ＦｓがＦｏとなるように制御される（ＴＣＮ−ＳＥＴ）。変換部Ｅｘ１においては、流量Ｆｓの上昇と下降で増減幅、増減速度（制御周期）を変更することが好ましい。例えば、空気分離装置１１においては、供給ガスＫの製造量を減少させる場合と、増加させる場合の制御周期が異なり、減少時速度＞増加時速度であることから、ガス供給装置１の供給ガスＫの供給特性に合った制御によって、ガス供給装置１の効率を上げ、ロスを軽減することができる。
【００３９】
（ii−２）流量Ｆｓ＜基準流量Ｆｏとなる場合において
基準流量Ｆｏに対して、下式４のように補正係数ｋ３（±ｙ）を付加した演算信号Ａ２に基づき、流量ＦｓがＦｏとなるように、ガス供給装置１を制御される（ＴＣＮ−ＳＥＴ）。
Ａ２＝Ｆｓ＋（Ｆｏ−Ｆｓ）＋ｋ３  …式４
詳しくは、流量Ｆｓに係る信号（ＦＩＣ−ＴＣＮ）は、ベントガスＶの流量Ｆｖ信号とともにフィリップフロップ回路ＦＦ２に導入され、得られた制御信号Ｆｃ２によって、演算信号Ａ２がＯＮ−ＯＦＦ制御される。上記（ii−１）同様、ＯＮ−ＯＦＦ制御された演算信号Ａ３が変換された演算信号Ａ５によって、ガス供給装置１に対し流量ＦｓがＦｏとなるように制御される（ＴＣＮ−ＳＥＴ）。
【００４０】
〔本システムを用いたガス供給における圧力制御操作〕
本システムは、さらに、図４に例示するような圧力制御が行われる。具体的な圧力制御プロセスは、（３）圧力Ｐが基準圧力Ｐｏ以下の場合、（４）圧力Ｐが基準圧力Ｐｏを超える場合、において以下の操作が行われる。
【００４１】
このとき、本システムでは、予め各流路に設けられた制御弁の開度に対する圧力特性または／および流量特性を求め、基準ガス量Ｇｏとなる基準圧力Ｐｏまたは／および基準流量Ｆｏを中点として、供給流路Ｌ１およびベント流路Ｌ４に設けられた制御弁Ｒ１，Ｒ４の、０〜基準圧力Ｐｏにおける開度に対する圧力特性または／および０〜基準流量Ｆｏまでの開度に対する流量特性と、バックアップ流路Ｌ２に設けられた制御弁Ｒ２の、基準圧力Ｐｏ〜最大ガス量となる最大圧力Ｐｍにおける開度に対する圧力特性または／および基準流量Ｆｏ〜最大ガス量となる最大流量Ｆｍまでの開度に対する流量特性を、１つの１次または数次の近似関数によって表わされる関係式に補正することが好ましい。各流路に用いられる制御弁の機能や供給ガスＫの特性によって異なる各制御弁の開度と流量や圧力の特性を補正することによって、緊急対応時のガス供給装置からバックアップ装置への切換えや消費量増加に伴うバックアップ装置からの補給に際しても、制御精度を維持することができる。
【００４２】
具体的には、図５（Ａ）に例示する制御弁における開度−流量特性、および図５（Ｂ）に例示する制御弁における制御信号−開度特性を基に説明する。図５（Ａ）に示すように、制御弁Ｒ１における開度−流量特性と制御弁Ｒ２における開度−流量特性は異なる特性を有する。従って、基準流量Ｆｏまでの供給ガスＫの給送を制御弁Ｒ１によって調整し、基準流量Ｆｏを超えるバックアップガスＷの給送を制御弁Ｒ２によって調整した場合、基準流量Ｆｏ前後でのシステム全体としての開度−流量特性は、変曲点を有することから精度よく制御することが難しい。特に基準流量Ｆｏを定期的あるいは随時変更する場合には一層安定した制御を行うことが難しい。従って、図５（Ｂ）に示すように、例えば、基準流量Ｆｏまでの流量における制御弁Ｒ１に対する制御信号−開度特性を線形化し、基準流量Ｆｏ以上の流量における制御弁Ｒ２に対する制御信号−開度特性を関数化した後さらに逆関数をかけるとともに、図５（Ａ）に示す開度−流量特性から、変曲点のない連続性を有する制御信号（開度）−流量特性に基づく制御を行うことができる。複数の制御弁があたかも１つの制御弁として機能するように補正することによって、緊急対応時のガス供給装置からバックアップ装置への切換えや消費量増加に伴うバックアップ装置からの補給に際しても、制御精度を維持することができる。
【００４３】
（３）圧力Ｐが、基準圧力Ｐｏ以下の場合
基準圧力Ｐｏを最大圧力Ｐｍに設定した場合、あるいは圧力Ｐが所定時間基準圧力Ｐｏ以下となる場合には、制御部５の制御に基づき、ガス供給装置１からの供給ガスＫのみを製品ガスＳとして給送する。具体的には、供給ガスＫの流量Ｆｓを減少させる操作、ベントガスＶの圧力Ｐｖおよび流量Ｆｖを調整する操作、あるいはこれらを組合せた操作を行い、消費設備３に給送させる供給ガスＫを所望の圧力Ｐおよび流量Ｆに調整される。このとき、バックアップ装置２からのバックアップガスＷの供給は停止される。また、ベントガスＶの流量Ｆｖを必要最小限に設定することによって、供給ガスＫのロスを低減することができる。例えば、制御弁Ｒ４を全閉状態にして、ガス供給装置１の供給ガス流量を基準圧力Ｐｏに設定する（ＴＣＮ−ＳＥＴ）ことによって、供給ガスＫのロスを軽減することができる。
【００４４】
具体的には、図４の圧力制御プロセスに例示するように、以下の操作が行われる。ここでは、基準圧力Ｐｏを「所望圧力Ｐの５０％」と設定した場合を例に説明する。制御部５に入力された所望の圧力Ｐに係る信号（ＰＩＣ−ＧＡＮ）に基づき、基準圧力Ｐｏ未満であることが確認された演算信号Ｃ１について、下式５のように演算した演算信号Ｃ２を得ることができる。
Ｃ２＝Ｃ１×２  …式５
演算信号Ｃ２は、変換部Ｅｘ２に入力され、線形化（折れ線関数）された基準圧力Ｐｏまでの制御弁Ｒ４の制御信号（開度）−圧力（流量）特性を利用し、演算信号Ｃ３に関数変換される。変換された演算信号Ｃ３は、圧力検出器Ｐ４の出力（ＰＩＣ−ＴＣＮ）を指標として制御弁Ｒ４を調整する制御信号（ＨＩＣ−ＴＣＮ）として使用され、所望の圧力Ｐに調整される。
【００４５】
また、当該圧力制御においては、供給ガスＫの流量Ｆｓの変動に合わせた圧力が必要となる。供給ガスＫの流量Ｆｓの変動によりガス供給装置１の内部と出口の圧力損失が変化する。供給ガスＫの流量Ｆｓの変動に見合った圧力設定をすることにより過剰圧力を防ぎエネルギー効率を最適化することができる。具体的には、供給ガスＫの流量Ｆｓの変動に伴う圧力損失の変動に対しては、流量Ｆｓに係る信号（ＦＩＣ−ＴＣＮ）が変換部Ｅｘ３に入力され、下式６のような折れ線関数によって演算・補正された演算信号Ｅ１と、圧力検出器Ｐ４に係る信号（ＰＩＣ−ＴＣＮ）から得られた演算信号Ｅ３が用いられ、下式７によって演算された演算信号Ｅ２によってガス供給装置１の供給ガスＫの圧力（ＰＩＣ−ＭＰ）が制御される。
Ｅ１＝ｋ４×Ｆｓ２＋ｋ５  …式６
ここで、ｋ４は圧力損失を基に算出された係数，ｋ５は補正定数を示す
Ｅ２＝Ｅ１＋Ｅ５  …式７
このとき、演算信号Ｅ５は、演算信号Ａ４としてバッファＢｆ３にメモリされる演算信号Ｅ３が変換された信号である。
【００４６】
（４）圧力Ｐが、基準圧力Ｐｏを超える場合
基準圧力Ｐｏを最小圧力Ｐｂに設定した場合、あるいは圧力Ｐが所定時間基準圧力Ｐｏを超える場合には、制御部５の制御に基づき、基準圧力Ｐｏに相当するガス量（通常基準流量Ｆｏに相当）をガス供給装置１からの供給ガスＫにより供給し、基準圧力Ｐｏを超える圧力分（Ｐ−Ｐｏ）に相当するガス量をバックアップ装置２からのバックアップガスＷにより補給し、両者を集合して製品ガスＳとして給送する操作を行う。このとき、給送流路Ｌ３を給送させる所望のガスの圧力Ｐおよび流量Ｆは、ベント流路Ｌ４に放出されるガスの圧力Ｐｖおよび流量Ｆｖにより調整する。
【００４７】
具体的には、図４の圧力制御プロセスに例示するように、以下の操作が行われる。ここでは、上記（３）同様、基準圧力Ｐｏを「所望圧力Ｐの５０％」と設定した場合を例に説明する。制御部５に入力された所望の圧力Ｐに係る信号（ＰＩＣ−ＧＡＮ）に基づき、基準圧力Ｐｏ以上であることが確認された演算信号Ｃ４（無次元化した値）について、下式８のように演算した演算信号Ｃ５（無次元化した値）を得ることができる。
Ｃ５＝（Ｃ４−０．５）×２  …式８
演算信号Ｃ５は、変換部Ｅｘ４に入力され、基準圧力Ｐｏを超えるバックアップガスＷの給送を担う制御弁Ｒ２の制御信号（開度）−圧力（流量）特性を利用して補正された演算信号Ｃ６に関数変換（折れ線関数）される。変換された演算信号Ｃ６は、圧力検出器Ｐ２の出力（ＰＩ−Ｃ１）を指標として制御弁Ｒ２を調整する制御信号Ｃ７（ＨＩＣ−Ｃ１）として使用され、所望の圧力Ｐに調整される。
【００４８】
〔本システムにおける緊急事態が発生した場合の操作〕
本システムは、さらに、（５）緊急事態が発生した場合において、制御部５の制御に基づき、バックアップガスＷのみを製品ガスＳとして給送できるように、以下の操作が行われる。
【００４９】
（ｉ）緊急事態の検知
本システムにおけるガス供給装置１における緊急事態は、図１に示すようなガス供給装置１が有する検知機能に基づく異常判断によって発せられる「ガス供給装置遮断信号」以外に、供給ガスＫの圧力（ＰＩＣ−ＭＰ）や供給流量Ｆｓ（ＦＩＣ−ＴＣＮ），供給圧力Ｐｓ（ＰＩＣ−ＴＣＮ）および補給流路Ｌ５に設けられた流量検出器Ｆ５（ＦＩＣ−ＬＩＮ）の検出信号によって検知することができる。
【００５０】
（ii）制御システムに対する操作
緊急事態が検知された時、ガス供給装置１が停止操作あるいは急速な供給量の低下操作がされると同時に、バックアップ装置２において、図１に示すように、制御部５から発信された緊急指令信号に基づき（ＨＳ−Ｃ２）、バックアップガスＷによる補完ができる制御弁Ｒ２の開度に制御され（ＨＩＣ−Ｃ２）、ガス供給装置１の停止等に伴う供給ガスＫの減量が補完される。具体的には、図３に示すように、制御部５から発信された緊急指令信号（ＨＳ−ＧＡＣ１）に基づく信号Ａ１１によってガス供給装置１の機能（ＴＣＮ−ＳＥＴ）を停止させる（ＳＷ）。
【００５１】
同時に、図４に示すように、制御部５から発信された緊急指令信号（ＨＳ−ＧＡＣ２）に基づく信号Ｃ８によってガス供給装置１の圧力制御機能（ＰＩＣ−ＴＣＮ，ＨＩＣ−ＴＣＮ）を停止させ（ＳＷ）、緊急指令信号（ＨＳ−ＧＡＣ３）に基づく信号によってガス供給装置１の圧力制御機能（ＰＩＣ−ＭＰ）を停止させる（ＳＷ）とともに、緊急指令信号（ＨＳ−ＧＡＣ４）に基づく信号をフィリップフロップ回路ＦＦ４に導入して得られた制御信号によって演算信号Ａ３のバッファＢｆ３へのメモリが制御（停止）される。
【００５２】
また、ガス供給装置１からの「ガス供給装置遮断信号」の１つは、フィリップフロップ回路ＦＦ５に導入され、得られた制御信号によって、演算信号Ｃ６が制御弁Ｒ２を調整する制御信号Ｃ７（ＨＩＣ−Ｃ１）として使用される場合に、変換部Ｅｘ４における関数変換による補正を行うことを制御（停止）する。「ガス供給装置遮断信号」のもう１つは、フィリップフロップ回路ＦＦ６に導入され、得られた制御信号によって、以下の３つの役割を果す。
（ア）緊急指令信号に基づく制御弁Ｒ２を強制的に開度制御する（ＨＳ−Ｃ２）。製品ガスＳの圧力Ｐｓの低下を防止する。
（イ）下式９のように演算された演算信号Ｄ１を、演算信号Ｄ２として制御（接続）し、強制的に開度制御された制御弁Ｒ２の開度を設定し、バックアップガスＷによる補完ができるように制御する（ＨＩＣ−Ｃ２）。開度が大きすぎると圧力の過上昇を起こすので、適切な開度を設定する。
Ｄ１＝１＋ｌｏｇ（Ａ１０／Ｆｃｍ）／ｌｏｇＲ＋ｋ６  …式９
ここで、Ａ１０はバッファＢｆ１に入力されてメモリされた流量Ｆｓ，流量Ｆいずれかの値、Ｆｃｍは所定範囲内の１００％流量、Ｒは基準流量Ｆｏを無次元化された数値であり２０〜６０が設定され、ｋ６は補正定数を示す。
（ウ）上記（ｂ）によって設定された制御弁Ｒ２の開度条件でバックアップガスＷを給送するように制御し（ＨＩＣ−Ｃ２）、制御された制御信号Ｄ３を基に下式１０のように制御信号Ｄ４を演算する。
Ｄ４＝Ｐｏ＋Ｄ３×（１−Ｐｏ）  …式１０
ここで、Ｐｏは基準圧力Ｐｏを無次元化した値を示し、例えば「０．５」とする。
演算された制御信号Ｄ４を用い、圧力検出器Ｐ３を指標として（ＰＩＣ−ＧＡＮ）所望のガス圧力Ｐとなるように圧力制御される（ＰＩＣ−ＧＡＮ）。このとき、制御弁Ｒ２に対して強制的に全開あるいは基準ガス量Ｇｏに相当するガス量を給送する開度に制御出力を設定（予め設定された開度に切換）した後、通常時の圧力制御に復帰させることによって、緊急事態に対する迅速な回復を図るとともに、所望の圧力Ｐおよび流量Ｆを確実に供給することができる。
【００５３】
＜本システムの他の構成例＞
図６は、本発明に係るガス供給システムの他の構成例（第２構成例）を示す概略図である。第２構成例は、基本は本システムと同様の構成であるが、バックアップ装置２から給送されるバックアップガスＷの制御方法、特に緊急時の制御方法において特有の機能を有する。第１構成例では、複数（３つ）のガス貯留部２１〜２３からの液化ガスを集合させて蒸発器２４によって気化されたバックアップガスＷを制御し、圧力Ｐｗおよび流量Ｆｗに調整されたバックアップガスＷが供出される構成であったが、第２構成例では、バックアップ装置２に備えられた複数のガス貯留部２１〜２３のそれぞれにおいて、その内部の液化ガス気相部の圧力Ｐ２１ｂ〜Ｐ２３ｂおよび供出する液化ガスの液圧Ｐ２１ａ〜Ｐ２３ａを指標として、バックアップガスＷの供出量を個々に独立して制御することができる構成を特徴とする。また、第２構成例は、供給ガスＫが給送される流路Ｌ１の圧力ＰｓとバックアップガスＷが給送される流路Ｌ２の圧力Ｐｗの差圧を測定する差圧検出器Ｐｍが設けられている。以下、主に第１構成例と異なる構成および機能について詳述する。
【００５４】
〔第２構成例におけるバックアップ装置〕
第２構成例におけるバックアップ装置２は、ガス貯留部２１〜２３のいずれからでもバックアップガスＷが供出され、蒸発器２４によって気化されてバックアップ流路Ｌ２から合流点Ｍに給送することができる機能を有する。こうした独立性を有したガス貯留部２１〜２３を備えることによって、バックアップ装置２として、種々の対応が可能となる。例えば、１つまたは特定のガス貯留部を、通常状態におけるバックアップガスＷ給送用として使用し、他のガス貯留部を、緊急事態におけるバックアップガスＷ給送用として使用することができる。または、通常状態，緊急事態いずれにおいても、複数のガス貯留部２１〜２３を、順番にあるいは同時に分担してバックアップガスＷ給送用として使用することも可能である。さらに、ガス貯留部２１〜２３の少なくとも１つ（例えばガス貯留部２３とする）が、基準ガス量Ｇｏの供給可能な容量を有することが好ましい。緊急時専用のガス貯留部２３を設定することによって、上記緊急事態が発生した場合に補給する基準ガス量ＧｏのバックアップガスＷを常時確保することができる。あるいは、常時いずれかのガス貯留部２１〜２３に基準ガス量ＧｏのバックアップガスＷが貯留されるように、バックアップガスＷの給送量と補給量を設定することによって、同様の準備ができる。以下、主に１つのガス貯留部２１を使用して場合を例として説明する。
【００５５】
（ｉ）通常状態において
消費量の変動に対応するバックアップガスＷの供給時には、開閉弁２１ａを開とするとともに、圧力検出器２１ｃの出力を指標とし（ＰＩＣ−１）、ガス貯留部２１内部の気相に繋がる圧力調整器２１ｂによって調整された内部ガス圧力Ｐ２１ａによって液相の液化ガスを押し出される（ＨＩＣ−１）。液面低下に伴う内部ガス圧力Ｐ２１ａの変動は、圧力検出器２１ｃの出力を指標とし、圧力調整器２１ｄによって調整される（ＨＩＣ−１）。ガス貯留部２１から供出される液化ガスの流量は、内部ガス圧力Ｐ２１ａおよび液面によって決定され、最終的には液圧Ｐ２３の出力を指標として（ＰＩＣ−１）、圧力調整器２１ｂによって調整される。合流点Ｍに給送されるバックアップガスＷの供給圧力Ｐｗは、圧力検出器Ｐ２ａによって検知される（ＴＩＡ−ＧＡＮ）。このとき、供給ガスＫが給送される流路Ｌ１の圧力ＰｓとバックアップガスＷが給送される流路Ｌ２の圧力Ｐｗの差圧（ｄＰＩ−ＢＫ）が差圧検出器Ｐｍで測定され、バックアップ装置２あるいはガス供給装置１を含む本システム全体の異常が監視される。
【００５６】
（ii）緊急事態において
ガス供給装置１の緊急事態に対応するバックアップガスＷの供給時には、開閉弁２１ａ開状態において、制御部５から発信された緊急指令信号に基づき（ＨＳ−１）、圧力調整器２１ｄを全開にする。製品ガスＳの圧力Ｐｓの低下を防止する。同時に、圧力調整器２１ｂを緊急事態の所定圧力に設定し（ＨＩＣ−１）、急激に加圧された内部ガス圧力により液化ガスを急速に押し出すことによって、迅速にバックアップ流路Ｌ２へのバックアップガスＷの供給を可能にする。圧力調整器２１ｂの開度が大きすぎると圧力の過上昇を起こすので、適切な開度を設定する。合流点Ｍに給送されるバックアップガスＷの供給圧力Ｐｗは、圧力検出器Ｐ２ａによって検知され（ＴＩＡ−ＧＡＮ）、製品ガスＳの圧力Ｐｓは、圧力検出器Ｐ４によって検出され、ガス供給装置１の停止等に伴う供給ガスＫの減量を補完する。
【００５７】
上記（ｉ），（ii）いずれの場合においても、逆止弁Ｍａを介して合流点Ｍに供給されたバックアップガスは、給送流路Ｌ３を流通して製品ガスＳとして消費設備３に給送され、ベント流路Ｌ４に設けられたベント弁Ｒ４によって調整され、所望の圧力Ｐおよび流量Ｆからなるガス量Ｇが維持される。製品ガスＳの圧力は、圧力検出器Ｐ４によって検出される。
【符号の説明】
【００５８】
１    ガス供給装置
１１  空気分離装置
２    バックアップ装置
２１〜２３  ガス貯留部
２１ａ〜２３ａ，２１ｆ〜２３ｆ  開閉弁
２１ｂ〜２３ｂ，２１ｄ〜２３ｄ  圧力調整器
２１ｃ〜２３ｃ  圧力検出器
２１ｅ〜２３ｅ  ガス貯留部用蒸発器
２４  蒸発器
３    消費設備
４    ベント
５    制御部
６    精製部
６１  精製ユニット
６２  フィルタ
Ａｘ，Ａｙ  空気信号
Ｃ    切換弁
Ｃｘ，Ｃｚ  制御信号
Ｆ    消費設備所望の流量
Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５  流量検出器
ＩＰｘ  変換器
Ｌ１  供給流路
Ｌ２  バックアップ流路
Ｌ３  給送流路
Ｌ４  ベント流路
Ｌ５  補給流路
Ｌｘ，Ｌｙ  流路
Ｍ    合流点
Ｍａ  逆止弁
Ｐ    消費設備所望の圧力
Ｐ１〜Ｐ４，Ｐ２ａ  圧力検出器
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５  制御弁
Ｖａ  分流点
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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