(57)【要約】【課題】高圧ガス配管上流側の第一弁と下流側の第二弁との間に設ける流量調整手段の設置位置の適正化を図ることにより、第二弁におけるガス温度の上昇を効果的に抑制できるとともに、ガス供給設備の設計を効率よく行うことができるガス昇温抑制方法及び装置を提供する。【解決手段】上流側に第一弁１３を有する高圧ガス配管１２の下流側に設けられた第二弁１４内のガスの昇温を抑制するガス昇温抑制方法であって、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に設けた流量調整手段１５によって第一弁から第二弁に向かうガスの流量調整を行うことにより、前記第二弁内のガスの昇温を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側に第一弁を有する高圧ガス配管の下流側に設けられた第二弁内のガスの昇温を抑制するガス昇温抑制方法であって、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に設けた流量調整手段によって第一弁から第二弁に向かうガスの流量調整を行うことにより、前記第二弁内のガスの昇温を抑制することを特徴とするガス昇温抑制方法。
【請求項２】
上流側に第一弁を有する高圧ガス配管の下流側に設けられた第二弁内のガスの昇温を抑制するガス昇温抑制装置であって、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に、第一弁から第二弁に向かうガスの流量調整を行うことによって前記第二弁内のガスの昇温を抑制する流量調整手段を設けたことを特徴とするガス昇温抑制装置。
【請求項３】
前記流量調整手段は、固定絞り手段又は可変絞り手段であることを特徴とする請求項２記載のガス昇温抑制装置。
【請求項４】
前記流量調整手段は、オリフィスであることを特徴とする請求項２記載のガス昇温抑制装置。
【請求項５】
前記流量調整手段は、弁であることを特徴とする請求項２記載のガス昇温抑制装置。
【請求項６】
前記流量調整手段の流路断面積は、前記高圧ガス配管の流路断面積に対して４０％以下であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１記載のガス昇温抑制装置。
【請求項７】
前記高圧ガスは、酸素又は酸素含有ガスであることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１記載のガス昇温抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス昇温抑制方法及び装置に関し、詳しくは、高圧ガス供給設備における圧力調整弁や開閉弁等の弁内での断熱圧縮によるガス温度の上昇を抑制する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、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気化させたのち、圧力調整弁を用いてガス圧力を調節し、開閉弁から高圧ガス配管を介して高圧ガス使用機器へ所定圧力のガスを供給する方法が採られている。前記圧力調整弁や開閉弁等の高圧ガス配管の上流側に設けられている弁（以下、第一弁という。）を閉状態から開状態として高圧ガス配管にガスを流す場合、弁前後の差圧によってガスが急激に高圧ガス配管に流入し、高圧ガス配管の下流側に接続されている圧力調整弁や開閉弁等の弁（以下、第二弁という。）が閉状態となっていると、第二弁内でガスの断熱圧縮が起こり、ガス温度が急激かつ大幅に上昇し、第二弁内のガスケットやダイヤフラム等の有機材料等で構成されている部材が劣化することがある。これらの部材が劣化すると、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だけでなく、高圧ガスが酸素や空気等を代表とする支燃性ガスの場合、ガスケットやダイヤフラム等の有機材料等が前記断熱圧縮によるガス温度上昇で自然発火し、発火事故に至ることも懸念される。
【０００３】
したがって、高圧ガスを供給する設備では、第一弁を閉状態から開状態とする際に、第二弁内のガス温度の上昇抑制が望まれる。このような機能を有する装置として、オリフィス等の流量絞り手段を第一弁と第二弁との間の配管に設置する方法が知られている。このような流量絞り手段を設けることで、第一弁の開操作の速度によらず、第二弁内でガス圧力をゆるやかに上昇させることができ、断熱圧縮によるガス温度の上昇を抑制できることが各種文献に記載されている。また、高圧ガス容器に装着される開閉弁（容器弁）として、弁内部に流量絞り手段であるオリフィスを形成し、弁開放操作時の断熱圧縮によるガス温度上昇を抑制した高圧ガス容器用開閉弁が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２６９６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、オリフィス等の流量絞り手段を第一弁と第二弁との間の高圧ガス配管に設置する場合、従来の方法では、流量絞り手段を設置する位置がガス温度上昇の抑制効果に与える影響に関する知見が十分ではなく、設備の設計を効率よく行うことができなかった。また、特許文献１に開示されているように、高圧ガス容器用開閉弁の内部にオリフィスを形成する場合、開閉弁の加工コストや部品コストの増加を招くうえ、製作期間が長くなるという問題があり、効率的ではなかった。
【０００５】
そこで本発明は、高圧ガス配管上流側の第一弁と下流側の第二弁との間に設ける流量調整手段の設置位置の適正化を図ることにより、第二弁におけるガス温度の上昇を効果的に抑制できるとともに、ガス供給設備の設計を効率よく行うことができるガス昇温抑制方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のガス昇温抑制方法は、上流側に第一弁を有する高圧ガス配管の下流側に設けられた第二弁内のガスの昇温を抑制するガス昇温抑制方法であって、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に設けた流量調整手段によって第一弁から第二弁に向かうガスの流量調整を行うことにより、前記第二弁内のガスの昇温を抑制することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明のガス昇温抑制装置は、上流側に第一弁を有する高圧ガス配管の下流側に設けられた第二弁内のガスの昇温を抑制するガス昇温抑制装置であって、前記第一弁と前記第二弁との間で、かつ、第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁に近い位置に、第一弁から第二弁に向かうガスの流量調整を行うことによって前記第二弁内のガスの昇温を抑制する流量調整手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明のガス昇温抑制装置は、前記流量調整手段がオリフィス等の固定絞り手段又は弁等の可変絞り手段であり、前記流量調整手段の流路断面積が前記高圧ガス配管の流路断面積に対して４０％以下であることを特徴とし、特に、前記高圧ガスが酸素又は酸素含有ガスであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高圧ガス配管内に設ける流量調整手段を第一弁と第二弁との中間位置よりも第一弁側に配置することにより、断熱圧縮による第二弁内のガス温度上昇を簡便な構成で効果的かつ効率的に抑制することができる。これにより、高圧ガスを供給する設備に設けられた各種弁内の有機材料等で形成されるガスケットやダイヤフラム等の部材の劣化や自然発火を抑制することができる。したがって、ガスケットやダイヤフラム等に、不燃性、耐熱性といった特殊な材料に限定されることなく、従来の有機材料等で形成されたものを使用することができ、配管設備のコスト低減を図れる。また、流量調整手段の位置を特定したことにより、配管設備の設計も効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明を適用した高圧ガス供給設備の概略構成図である。この高圧ガス供給設備は、高圧ガス供給源１１から高圧ガス配管１２を介して所定圧力のガスを使用先に供給するものであって、前記高圧ガス配管１２の上流側には第一弁１３が設けられ、下流側には第二弁１４が設けられるとともに、第一弁１３と第二弁１４との間に流量調整手段１５が設けられている。
【００１１】
前記流量調整手段１５は、高圧ガス配管１２における第一弁１３と第二弁１４との間で、かつ、第一弁１３と第二弁１４との中間位置よりも第一弁１３に近い位置、すなわち、前記第一弁１３から前記流量調整手段１５までの中心間距離Ｌ１と、該流量調整手段１５から前記第二弁１４までの中心間距離Ｌ２との関係が、Ｌ１＜Ｌ２となる位置、好ましくは（３×Ｌ１）＜Ｌ２となる位置に設定される。
【００１２】
高圧ガス供給源１１は、特に限定されるものではなく、例えば、高圧ガスが充填された容器や高圧ガスを配送するための配管であって、前記第一弁１３を開放することにより、高圧ガス供給源１１からの高圧ガスを高圧ガス配管１２の下流に供給することができる。前記第二弁１４は任意の弁であり、例えば圧力調整弁や開閉弁である。
【００１３】
このように構成した高圧ガス供給設備において、第一弁１３及び第二弁１４が共に閉じられており、高圧ガス供給源１１側の圧力が第一弁１３内の圧力、すなわち、高圧ガス配管１２内の圧力よりもかなり高圧である場合、第一弁１３を急激に開放すると、高圧ガス供給源１１からの高圧ガスが第一弁１３から高圧ガス配管１２内に急激に流入し、高圧ガス配管１２の途中に設けられた前記流量調整手段１５に流れ込む。流量調整手段１５に流入した高圧ガスは、流量調整手段１５で流量調整されることにより、第二弁１４へ向かってガスが急激に流れることが抑制される。これにより、第二弁１４の密閉空間における圧力の上昇速度が緩和されるので、第二弁１４内におけるガス温度の上昇が抑制される。
【００１４】
ここで、第二弁１４内のガス昇温に関する現象について、さらに詳しく説明する。第二弁１４内のガス昇温は、第一弁１３と第二弁１４との間にある低圧ガスが、第一弁１３の上流側にある高圧ガスによって第二弁１４内で断熱的に圧縮される現象である。
【００１５】
ところで、断熱圧縮には、ピストン内で起こるような一般的によく知られている等エントロピー的な断熱圧縮の他に、衝撃波が関与する非等エントロピー的な断熱圧縮が存在する。非等エントロピー的な断熱圧縮によるガス昇温は、等エントロピー的な断熱圧縮による昇温よりも大きくなる傾向にある。ここで、弁の急激な開閉による高圧ガスの断熱圧縮においては、等エントロピー的な断熱圧縮と非等エントロピー的な断熱圧縮のどちらが支配的となるか、これまで知られていなかった。
【００１６】
本発明者らによる実験とシミュレーションにより、第一弁１３の上流側と下流側の圧力比が高くなればなるほど、また弁開放操作が速くなればなるほど、衝撃波が関与する非等エントロピー的な断熱圧縮の傾向が強くなることがわかった。
【００１７】
流量調整手段１５によって第二弁１４内のガス温度上昇の抑制効果を効果的かつ効率的に発揮させるためには、前述のように、流量調整手段１５を、第一弁１３と第二弁１４との中間位置よりも上流側、すなわち第一弁１３に近い位置に設ける必要があることがわかった。逆に、第一弁１３と第二弁１４との中間位置よりも下流側、すなわち第二弁１４に近い位置に設けた場合、第二弁１４におけるガス温度上昇の抑制機能を十分に得ることができず、ガス温度の上昇が促進される可能性もあることがわかった。
【００１８】
流量調整手段１５を設置すると、第二弁１４内のガスに対して、昇温抑制効果と昇温促進効果とが生じる。抑制効果は、流量調整手段１５により、第二弁１４内に流入するガス量が抑制されるために、第二弁１４内の圧力上昇速度が遅くなり、ガスが緩やかに圧縮されることで生じる。この場合、圧力上昇に時間がかかるので、管への放熱が生じたり、非等エントロピー的な断熱圧縮が緩和されることで、ガス温度上昇は抑制される。
【００１９】
一方、促進効果は、流量調整手段１５において、第一弁１３から高圧ガス配管１２内に流入した高圧ガスの流量が絞られることで生じる。この場合、流量調整手段１５の上流側でガスが急激に圧縮され、ガス温度は高温になり、この高温高圧ガスによって、流量調整手段１５から第二弁１４のガスが、第二弁内で主に断熱圧縮される。その結果、ガス温度上昇は促進されるが、非等エントロピー的な断熱圧縮が起こっていることに起因している。
【００２０】
ここで、流量調整手段１５が第一弁１３と第二弁１４との中間位置にあると、第二弁１４内のガス昇温に対して抑制効果と促進効果が相殺され、第二弁１４内のガス昇温の抑制効果がほとんど得られない状態となることがわかった。さらに、流量調整手段１５が第一弁１３と第二弁１４との中間位置よりも第二弁１４に近い位置にあると、前記圧力上昇速度の緩和によるガス昇温抑制効果は、流量調整手段１５から第二弁１４までの領域のガス容積が少なくなることで小さくなるが、前記高温高圧ガスによるガス昇温促進効果は、第一弁１３から流量調整手段１５までの領域のガス容積が多くなることで大きくなり、第二弁１４内のガス昇温を効果的に抑制することができないことがわかった。
【００２１】
一方、流量調整手段１５を二つの弁の中間位置より上流側に設けることにより、前記高温高圧ガスによるガス昇温促進効果に比べて、前記圧力上昇速度の緩和によるガス昇温抑制効果が上回り、第二弁１４内のガス昇温を効果的に抑制することができることがわかった。
【００２２】
したがって、高圧ガス配管１２における流量調整手段１５の位置は、できるだけ上流側であることが好ましい。すなわち、高圧ガス配管１２の全体流路容積に対して、流量調整手段１５の上流側流路容積が小さくなれば、流量調整手段１５の上流側で断熱圧縮されるガス容積も少なくなり、流量調整手段１５の下流側容積が大きくなれば、第二弁１４内の圧力上昇速度が小さくなり、ガス昇温抑制効果が期待できる。
【００２３】
また、流量調整手段１５におけるガス流路断面積が高圧ガス配管１２のガス流路断面積の５０％を超えると、ガス流量を絞る効果が低下して十分な昇温抑制効果を得られなくなる。このため、流量調整手段１５におけるガス流路断面積は、高圧ガス配管１２のガス流路断面積に対して４０％以下に設定することが好ましい。流量調整手段１５のガス流路断面積は、小さくするほど昇温抑制効果は大きくなるが、小さくし過ぎると高圧ガス供給先で必要なガス流量を確保できなくなることから、高圧ガス配管１２のガス流路断面積に対して１％以上のガス流路断面積に設定することが望ましい。
【００２４】
図２は、前記流量調整手段１５として使用可能な固定絞り装置２１の一例を示す断面図である。この固定絞り手段２１は、円筒体２２の両端開口側に接続用の雌ネジ部２３，２３をそれぞれ有するとともに、中央部に流路断面積を絞った絞り部２４を形成したものであって、両雌ネジ部２３，２３により前記高圧ガス配管１２の途中に挿入される。
【００２５】
なお、図２に示す固定絞り装置２１は、絞り部２４を断面円形の流路としているが、第一弁１３から第二弁１４に向かうガスの急激な流れを抑制できればよく、雌ネジ部２３，２３等の継手部の間にオリフィスや邪魔板等を設けたものを採用することもできる。また、ガスの急激な流れを抑制できることから、弁のような可変絞り手段も用いることができる。
【実施例１】
【００２６】
図３に示す構成のガス昇温抑制装置を使用して第二弁１４におけるガス昇温抑制効果を確認するシミュレーションを行った。なお、以下の説明において、前記形態例に示した各構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２７】
第一弁１３及び第二弁１４には、開閉器３１を備えた同一仕様のボール弁３２をそれぞれ使用した。また、高圧ガス配管１２は、内径１０．９ｍｍ、肉厚３．２ｍｍとし、配管途中に設けた流量調整手段１５の上流側及び下流側の各配管長を調節し、第一弁１３及び第二弁１４の中心間距離を１３５０ｍｍとした。流量調整手段１５は、継手部を含めた長さが１００ｍｍで、その中央部分に内径２ｍｍ、長さ２ｍｍのオリフィスを設けたものとした。なお、これらの材質は全てＳＵＳ３１６とした。供給する高圧ガスは、２５ＭＰａ（絶対圧、以下同じ）の酸素ガスとし、第一弁１３を開く前の高圧ガス配管１２内のガス圧力は０．１ＭＰａ、ガス温度及び環境温度は２５℃とした。
【００２８】
シミュレーションは、第一弁１３と流量調整手段１５との中心間距離Ｌ１を、２８０、６７５、１１００ｍｍとした場合及び流量調整手段１５を設けない場合に加え、仮想的に第一弁１３を流量調整手段１５に置き換えて両者の距離Ｌ１を０ｍｍとした場合の５通りを行い、それぞれ第一弁１３を急激に全開したときの第二弁１４の密閉空間内における酸素ガスの到達最高温度及びガスケットの到達最高温度を各々算出した。なお、酸素ガスの物性値について、密度は理想気体の状態方程式から算出した値を使用し、比熱、粘性係数、熱伝導度は温度の多項式関数で算出した値を用いた。装置と外部との伝熱に関しては、熱伝達係数を１Ｗ／ｍ２Ｋと仮定した。
【００２９】
算出した各温度を、流量調整手段１５を設けない場合を０（ゼロ）として相対的な温度差をそれぞれ求めた。結果を以下に示す。  
距離Ｌ１［ｍｍ］    酸素ガス温度差［℃］  ガスケット温度差［℃］
０                  −１１６                −５５
２８０                    −６７                −５０
６７５                    −１３                  −２
１１００                    ＋４３              ＋１２３
【実施例２】
【００３０】
次に、実施例１と同じ構成の装置を使用し、流量調整手段１５のオリフィス径を変化させたシミュレーションを行った。なお、オリフィスの長さは０．２ｍｍとし、第一弁１３とオリフィスとの距離は、仮想的に第１弁をオリフィスに置き換えた０ｍｍとした。各オリフィス径における高圧ガス配管１２に対するガス流路の断面積比と、オリフィスを設けないときの温度に対するガスケットの温度差とをそれぞれ算出した。このシミュレーション結果を以下に示す。  
オリフィス径［ｍｍ］    断面積比（％）  ガスケット温度差（℃）
２              ３．４                −５５
３              ７．６                −４９
５              ２１                  −３０
７              ４１                    −６
７．７            ５０                      ０
８              ５４                      ０
【００３１】
また、図４の変形例に示すように、流量調整手段１５として手動ボール弁４１を使用したときにも同様の結果が得られた。このように、流量調整手段１５として流量調節可能なものを使用することにより、高圧ガスの圧力条件や第二弁１４のガスケット等の条件に応じて流量調節することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を適用した高圧ガス供給設備の概略構成図である。
【図２】流量調整手段として使用可能な固定絞り装置の一例を示す断面図である。
【図３】実施例１で使用したガス昇温抑制装置の断面図である。
【図４】ガス昇温抑制装置の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１…高圧ガス供給源、１２…高圧ガス配管、１３…第一弁、１４…第二弁、１５…流量調整手段、２１…固定絞り装置、２２…円筒体、２３…雌ネジ部、２４…絞り部、３１…開閉器、３２…ボール弁、４１…手動ボール弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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