(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器に充填するに際して、
各種類の成分ガスを個別に供給源から容器へ、ガス流路において互いに並列配置された複数の自動開閉弁を介して、容器内の成分ガス重量を測定しつつ充填し、その測定した容器内の成分ガス重量の設定重量への近接に連れて複数の自動開閉弁を順次閉鎖し、その測定した成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁を閉鎖することを特徴とする混合ガスの製造方法。
【請求項２】
各自動開閉弁から容器に、各自動開閉弁に直列に接続される絞り部を介して成分ガスを充填する請求項１に記載の混合ガスの製造方法。
【請求項３】
最後に閉鎖される自動開閉弁と容器との間の絞り部の開度を、その他の自動開閉弁と容器との間の絞り部の開度よりも小さくする請求項２に記載の混合ガスの製造方法。
【請求項４】
複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器に充填して混合ガスを製造するシステムであって、
各成分ガスの供給源と容器との間のガス流路において、互いに並列に配置される複数の自動開閉弁と、
それら自動開閉弁の入口側を、各成分ガスの供給源の中の何れかに択一的に接続する手段と、
容器内の成分ガス重量を測定する手段と、
各種類の成分ガス毎に、各自動開閉弁それぞれに対応付けた閉鎖ガス重量を記憶する手段と、
その測定した容器内の成分ガス重量が記憶した閉鎖ガス重量に対応した時に、その閉鎖ガス重量に対応付けた自動開閉弁に閉鎖信号を出力する手段とを備え、
その記憶される閉鎖ガス重量は、その測定された容器内の成分ガス重量の設定重量への近接に連れて複数の自動開閉弁が順次閉鎖され、その測定された成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁が閉鎖されるように定められていることを特徴とする混合ガスの製造システム。
【請求項５】
各自動開閉弁と容器との間のガス流路において、各自動開閉弁に絞り部が直列に接続されている請求項４に記載の混合ガスの製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば炭酸ガスレーザー発振用ガス、培養システム用ガス、半導体製造用ガス、各種計器校正用の標準ガス等として用いられる混合ガスを、２種類以上の成分ガスをボンベ等の容器に充填することで製造する方法とシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器１０１に充填して製造する従来の混合ガス製造システムを示す。各成分ガスの供給用ボンベ１０２、１０３、１０４と容器１０１との間のガス流路に、単一の自動開閉弁１０５と単一の手動開閉弁１０６とが互いに並列に配置される。その自動開閉弁１０５の入口側は、各成分ガスの供給源１０２、１０３、１０４の中の何れかに、開閉弁１０７、１０８、１０９の開閉により択一的に接続される。その容器１０１内の各成分ガス重量は容器１０１の重量と共に電子台秤１１０により測定される。その電子台秤１１０に接続されるコンピュータにより構成されるコントローラー１１１は、その測定した容器１０１内の成分ガス重量が設定重量に対して一定割合（例えば９０〜９８％）に達したならば、その自動開閉弁１０５に閉鎖信号を出力する。これにより自動開閉弁１０５が閉鎖された後に、そのコントローラー１１１に接続される表示器１１２により表示される電子台秤１１０による測定重量を目安に、容器１０１内の成分ガス重量が設定重量になるように、人手により手動開閉弁１０６を開閉操作しつつ、残りのガスを容器１０１に充填していた。この作業を全ての成分ガス毎に行うことで混合ガスを製造していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシステムでは、手動開閉弁１０６の開度の微調整を人手により長時間をかけて、しかも電子台秤１１０による数グラム単位の測定重量変化を目視により確認しつつ行っている。そのため、充填作業に熟練と長時間を要して充填コストが増大し、さらに、充填誤差が大きく設定重量からの誤差が±５％以上にもなり、混合ガスの利用価値を低減していた。
【０００４】
一方、その電子台秤１１０による測定重量が容器１０１内のガス重量の設定重量に一致した時に自動開閉弁１０５を閉鎖することで、手動開閉弁１０６を用いることなく容器１０１にガスを充填することも可能である。しかし、電子台秤１１０による重量測定の時間遅れや、その測定値が設定重量になってから自動開閉弁１０５が閉鎖されるまでの時間遅れにより、容器１０１にガスが過剰に充填されてしまう。そのような時間遅れの影響を小さくするためにガス流量を小さくすると、充填完了までに非常に長時間を要する。
【０００５】
そこで、自動開閉弁１０５に代えて、測定重量に応じてガス流路の開度を自動調節できる単一の自動開度調節弁を用い、ガス流量を変更することが考えられるかもしれない。しかし、そのような自動開度調節弁においては開度の設定値と実際の開度との誤差が存在し、また、一つの開度の設定値に対して同一の開度を繰り返して再現することは困難である。さらに、開度が設定値に到達するまでの時間遅れが必ず存在する。そのため、充填誤差を小さくするのは困難である。しかも、混合ガスを構成する複数種類の成分ガスの密度、圧力、充填重量は互いに異なることから、その相違に応じてガス流量を調節する必要がある。例えば、通常ガスの充填当初は開度を大きくし、ガスの充填完了直前は開度を小さくする必要がある。そうすると、自動開度調節弁により調節する開度の最小値と最大値との比を極めて大きくしなければならず、市販されている標準的な仕様の自動開度調節弁では充分な開度調節が困難で、特殊仕様の自動開度調節弁を使用する必要があることから充填コストが増大する。そのため、混合ガスの各成分ガスの充填工程の自動化は困難であると考えられていた。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決することのできる混合ガスの製造方法および製造システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による混合ガスの製造方法は、複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器に充填するに際して、各種類の成分ガスを個別に供給源から容器へ、ガス流路において互いに並列配置された複数の自動開閉弁を介して、容器内の成分ガス重量を測定しつつ充填し、その測定した容器内の成分ガス重量の設定重量への近接に連れて複数の自動開閉弁を順次閉鎖し、その測定した成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁を閉鎖することを特徴とする。
本発明方法によれば、容器への成分ガスの充填当初においては全ての自動開閉弁を介して容器にガスを高速に供給し、容器内の成分ガス重量が設定重量に近接するに連れて複数の自動開閉弁を順次閉鎖することでガス流量を少なくし、成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁を閉鎖することで設定重量の成分ガスを容器に充填できる。そのガス流量の変更を自動開閉弁の開き状態から閉じ状態への変更だけで行うので、高速かつ精度よく変更できる。これにより、高価な自動開度調節弁を用いることなく、安価な自動開閉弁を用いて、短時間で精度良く設定重量の成分ガスを容器に充填できる。
【０００８】
本発明方法においては、各自動開閉弁から容器に、各自動開閉弁に直列に接続される絞り部を介して成分ガスを充填するのが好ましい。すなわち、複数種類の成分ガスの密度、圧力、充填重量の相違に応じて、各自動開閉弁と容器との間のガス流路の開度は絞り部により設定される。これにより先に閉じられる自動開閉弁と容器との間の開度と、後に閉じられる自動開閉弁と容器との間の開度の比を大きくできる。その結果、充填時間を短縮すると共に充填重量の設定重量からの誤差を低減できる。特に、最後に閉鎖される自動開閉弁と容器との間の絞り部の開度を、その他の自動開閉弁と容器との間の絞り部の開度よりも小さくするのが好ましい。これにより、容器へのガス充填時間をより短縮し、且つ充填重量の誤差をより低減できる。
【０００９】
本発明システムは、複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器に充填して混合ガスを製造するシステムであって、各成分ガスの供給源と容器との間のガス流路において、互いに並列に配置される複数の自動開閉弁と、それら自動開閉弁の入口側を、各成分ガスの供給源の中の何れかに択一的に接続する手段と、容器内の成分ガス重量を測定する手段と、各種類の成分ガス毎に、各自動開閉弁それぞれに対応付けた閉鎖ガス重量を記憶する手段と、その測定した容器内の成分ガス重量が記憶した閉鎖ガス重量に対応した時に、その閉鎖ガス重量に対応付けた自動開閉弁に閉鎖信号を出力する手段とを備え、その記憶される閉鎖ガス重量は、その測定された容器内の成分ガス重量の設定重量への近接に連れて複数の自動開閉弁が順次閉鎖され、その測定された成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁が閉鎖されるように定められていることを特徴とする。本発明システムにおいて、各自動開閉弁と容器との間のガス流路において、各自動開閉弁に絞り部が直列に接続されているのが好ましい。本発明システムによれば、本発明方法を実施することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示す混合ガスの製造システムにおいては、第１〜第３成分ガス供給源２、３、４から供給される互いに異なる種類の成分ガスを、配管により構成されるガス流路を介して複数の容器１それぞれに設定重量ずつ充填する。各ガス供給源２、３、４は、それぞれ複数のガスボンベにより構成される。
【００１１】
そのガス流路は、各ガス供給源２、３、４に接続される第１〜第３流路５、６、７を有し、それら第１〜第３流路５、６、７の下流側は第４流路８に合流され、その第４流路８の下流側は第５〜第８流路９、１０、１１、１２に分流され、それら第５〜第８流路９、１０、１１、１２の下流側は第９流路１３に合流され、その第９流路１３の下流側が各容器１に接続される流路に分流される。
【００１２】
上記第５流路９における上流側に第１自動開閉弁２１が下流側に第１絞り部３１が配置され、第６流路１０における上流側に第２自動開閉弁２２が下流側に第２絞り部３２が配置され、第７流路１１における上流側に第３自動開閉弁２３が下流側に第３絞り部３３が配置され、第８流路１２における上流側に第４自動開閉弁２４が下流側に第４絞り部３４が配置されている。これにより、そのガス供給源２、３、４と容器１との間のガス流路において第１〜第４自動開閉弁２１、２２、２３、２４は互いに並列に配置され、各自動開閉弁２１、２２、２３、２４と容器１との間のガス流路において、各自動開閉弁２１、２２、２３、２４に絞り部３１、３２、３３、３４が直列に接続されている。各絞り部３１、３２、３３、３４は、本実施形態では手動可変絞り弁により構成される可変絞り部であるが、ガス流れ抵抗を与えることができるものであればよく、例えば固定オリフィスにより構成される固定絞り部でもよい。
【００１３】
上記第１流路５における上流側に第１手動開閉弁４１が下流側に第１減圧弁５１が配置され、第２流路６における上流側に第２手動開閉弁４２が下流側に第２減圧弁５２が配置され、第３流路７における上流側に第３手動開閉弁４３が下流側に第２減圧弁５３が配置されている。これにより、第１〜第３手動開閉弁４１、４２、４３を開閉することで、上記第１〜第４自動開閉弁２１、２２、２３、２４の入口側を、各ガス供給源２、３、４の中の何れかに択一的に接続することができる。
【００１４】
一つの容器１内の成分ガス重量を容器１の重量と共に測定するセンサとして電子台秤６０が設けられている。その電子台秤６０と上記第１〜第４自動開閉弁２１、２２、２３、２４に、コンピュータにより構成されるコントローラー６１が接続されている。
【００１５】
そのコントローラー６１は、各種類の成分ガス毎に、上記第１〜第４自動開閉弁２１、２２、２３、２４それぞれに対応付けた閉鎖ガス重量を記憶する。そのコントローラー６１に、表示装置６２とキーボード等により構成される入力装置６３とが接続される。そのコントローラー６１は、その電子台秤６０により測定された容器１内の成分ガス重量が上記記憶した閉鎖ガス重量に対応した時に、その閉鎖ガス重量に対応付けた自動開閉弁に閉鎖信号を出力する。その記憶される閉鎖ガス重量は、測定された容器１内の成分ガス重量の設定重量への近接に連れて複数の自動開閉弁２１、２２、２３が順次閉鎖され、その測定された成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４が閉鎖されるように定められている。具体的には、設定重量から各自動開閉弁に対応した所定の重量を差し引いた値として定められる。
【００１６】
上記システムにより複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器１に充填して混合ガスを製造する手順を説明する。
初期状態において各自動開閉弁２１、２２、２３、２４は閉鎖される。まず、第１手動開閉弁４１を開き、第２、第３手動開閉弁４２、４３を閉鎖することで、第１ガス供給源２を各自動開閉弁２１、２２、２３、２４の入口側に接続する。この状態で入力装置６３の操作によりコントローラー６１に始動信号を入力することで、コントローラー６１は全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４を開き、また、電子台秤６０から送られる測定信号を読み込み、測定した容器重量と充填開始前の容器重量とから容器１内の成分ガス重量を演算する。これにより、容器１内の成分ガス重量を測定しつつ、第１ガス供給源２から供給される成分ガスを自動開閉弁２１、２２、２３、２４と絞り部３１、３２、３３、３４を介して容器１へ充填する。次にコントローラー６１は、その測定された容器１内の成分ガス重量が、第１ガス供給源２から供給される成分ガスに関して第１自動開閉弁２１に対応付けて記憶された閉鎖ガス重量に対応するか否かを判断し、対応しなければ成分ガス重量を測定しつつ同一判断を繰り返し、対応した時に第１自動開閉弁２１に閉鎖信号を出力する。これにより第１自動開閉弁２１が閉鎖される。次にコントローラー６１は、その測定された容器１内の成分ガス重量が、第１ガス供給源２から供給される成分ガスに関して第２自動開閉弁２２に対応付けて記憶された閉鎖ガス重量に対応するか否かを判断し、対応しなければ成分ガス重量を測定しつつ同一判断を繰り返し、対応した時に第２自動開閉弁２２に閉鎖信号を出力する。これにより第２自動開閉弁２２が閉鎖される。次にコントローラー６１は、その測定された容器１内の成分ガス重量が、第１ガス供給源２から供給される成分ガスに関して第３自動開閉弁２３に対応付けて記憶された閉鎖ガス重量に対応するか否かを判断し、対応しなければ成分ガス重量を測定しつつ同一判断を繰り返し、対応した時に第３自動開閉弁２３に閉鎖信号を出力する。これにより第３自動開閉弁２３が閉鎖される。次にコントローラー６１は、その測定された容器１内の成分ガス重量が、第１ガス供給源２から供給される成分ガスに関して第４自動開閉弁２４に対応付けて記憶された閉鎖ガス重量に対応するか否かを判断し、対応しなければ成分ガス重量を測定しつつ同一判断を繰り返し、対応した時に第４自動開閉弁２４に閉鎖信号を出力する。これにより第４自動開閉弁２４が閉鎖される。その第４自動開閉弁２４に対応付けて記憶される閉鎖ガス重量は、第１ガス供給源２から供給される成分ガスの設定重量に対応する。これにより、容器１内における第１ガス供給源２から供給される成分ガス重量の測定値の設定重量への近接に連れて自動開閉弁２１、２２、２３が順次閉鎖され、その測定された成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４が閉鎖される。
次に、第２手動開閉弁４２を開き、第１、第３手動開閉弁４１、４３を閉鎖することで、第２ガス供給源３を各自動開閉弁２１、２２、２３、２４の入口側に接続する。この状態で入力装置６３の操作によりコントローラー６１に始動信号を入力することで、上記と同様にして、容器１内における第２ガス供給源３から供給される成分ガス重量の測定値の設定重量への近接に連れて自動開閉弁２１、２２、２３が順次閉鎖され、その測定された成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４が閉鎖される。
次に、第３手動開閉弁４３を開き、第１、第２手動開閉弁４１、４２を閉鎖することで、第３ガス供給源４を各自動開閉弁２１、２２、２３、２４の入口側に接続する。この状態で入力装置６３の操作によりコントローラー６１に始動信号を入力することで、上記と同様にして、容器１内における第３ガス供給源４から供給される成分ガス重量の測定値の設定重量への近接に連れて自動開閉弁２１、２２、２３が順次閉鎖され、その測定された成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４が閉鎖される。
以上により、複数種類の成分ガスを設定重量ずつ容器１に充填して混合ガスを製造することができる。
【００１７】
上記混合ガスの製造方法によれば、容器１への成分ガスの充填当初においては全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４を介して容器１に成分ガスを高速に供給し、測定された容器１内の成分ガス重量が設定重量に近接するに連れて自動開閉弁２１、２２、２３を順次閉鎖することでガス流量を少なくし、測定された容器１内の成分ガス重量が設定重量に対応した時に全ての自動開閉弁２１、２２、２３、２４を閉鎖することで、設定重量の成分ガスを容器１に充填できる。また、そのガス流量の変更を自動開閉弁２１、２２、２３、２４の開き状態から閉じ状態への変更だけで行うので、高速かつ精度よく変更できる。これにより、高価な自動開度調節弁を用いることなく、安価な自動開閉弁２１、２２、２３、２４を用いて、短時間で精度良く設定重量の成分ガスを容器１に充填できる。また、複数種類の成分ガスの密度、圧力、充填重量の相違に応じて、各自動開閉弁２１、２２、２３、２４と容器１との間のガス流路の開度を絞り部３１、３２、３３、３４により設定できる。これにより先に閉じられる自動開閉弁と容器１との間の開度と、後に閉じられる自動開閉弁と容器１との間の開度の比を大きくできる。その結果、充填時間を短縮すると共に充填重量の設定重量からの誤差を低減できる。特に、最後に閉鎖される第４自動開閉弁２４と容器１との間の絞り部の開度を、その他の第１〜第３自動開閉弁２１、２２、２３と容器１との間の絞り部の開度よりも小さくするのが好ましい。これにより、容器へのガス充填時間をより短縮し、且つ充填重量の誤差をより低減できる。各絞り部３１、３２、３３、３４の開度は、ガス流量が過大になって充填重量が設定重量を超えることがなく、また、ガス流量が少な過ぎて充填時間が過大になることがないように設定すればよい。例えば、容器１の容量が４０〜４７リットルであって第１〜第３自動開閉弁２１、２２、２３が閉鎖された後に、第４自動開閉弁２４を介して残り２０〜５０ｇのガスを容器１に充填する場合、第１〜第３絞り部３１、３２、３３の開度は、容器１本当たりのガス流量が３００ｇ／分以下、好ましくは３０〜２００ｇ／分になるように設定し、第４絞り部３４の開度は、容器１本当たりのガス流量が２０ｇ／分以下、好ましくは２〜１７ｇ／分になるように設定するのが好ましい。
【００１８】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、成分ガスの種類数は特に限定されない。自動開閉弁の数は複数であればよいが３以上であるのが好ましい。成分ガスが充填される容器の数は特に限定されない。上記実施形態では一本の容器内の成分ガス重量を測定したが、複数本の容器内の成分ガス重量を測定し、その平均値を成分ガス重量の測定値としてもよい。自動開閉弁の入口側を、自動切り替え弁を介して各成分ガスの供給源の中の何れかに択一的に接続してもよい。最後に閉鎖する自動開閉弁の閉鎖ガス重量は、成分ガスの設定重量としてもよいし、制御遅れを考慮したり、一つの種類の成分ガスを充填した後に別の種類の成分ガスを充填するために配管内に残留する成分ガス重量を考慮して定めてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、熟練作業者を必要とすることなく成分ガスの容器への充填精度を向上して混合ガスの利用価値を向上し、充填時間を短縮すると共に省力化による生産性を向上し、充填コストの大幅低下を達成でき、成分ガスの充填工程の自動化に貢献できる混合ガスの製造方法と製造システムを提供できる。
【００２０】
【実施例】
上記実施形態のシステムと方法により、ＣＯ2 、Ｎ2 、Ｈｅの炭酸ガスレーザー用混合ガスの各成分ガスを、１本当たり４７リットル容量のボンベ容器１に、ゲージ圧で１５０ｋｇ／ｃｍ2 まで１０本同時に充填した。第１ガス供給源２からＣＯ2 、第２ガス供給源３からＨｅ、第３ガス供給源４からＮ2 を供給した。容器１本当りの設定重量をＣＯ2 が５４５ｇ、Ｈｅが９０２ｇ、Ｎ2 が１０４０ｇとした。第１、第２絞り部３１、３２を構成するニードル弁は口径９．４ｍｍφで全開とし、第３絞り部３３を構成するニードル弁は口径６．５ｍｍφで全開とし、第４絞り部３４を構成するニードル弁は口径６．５ｍｍφで１／４開とした。ＣＯ2 に関しては、第１自動開閉弁２１の閉鎖ガス重量を３９５グラム（設定重量−１５０グラム）、第２自動開閉弁２２の閉鎖ガス重量を４９５グラム（設定重量−５０グラム）、第３自動開閉弁２３の閉鎖ガス重量を５２５グラム（設定重量−２０グラム）、第４自動開閉弁２４の閉鎖ガス重量を５４５グラム（設定重量）とした。Ｈｅに関しては、第１自動開閉弁２１の閉鎖ガス重量を７０２グラム（設定重量−２００グラム）、第２自動開閉弁２２の閉鎖ガス重量を８０２グラム（設定重量−１００グラム）、第３自動開閉弁２３の閉鎖ガス重量を８５２グラム（設定重量−５０グラム）、第４自動開閉弁２４の閉鎖ガス重量を９０２グラム（設定重量）とした。Ｎ2 に関しては、第１自動開閉弁２１の閉鎖ガス重量を８４０グラム（設定重量−２００グラム）、第２自動開閉弁２２の閉鎖ガス重量を９４０グラム（設定重量−１００グラム）、第３自動開閉弁２３の閉鎖ガス重量を９９０グラム（設定重量−５０グラム）、第４自動開閉弁２４の閉鎖ガス重量を１０４０グラム（設定重量）とした。
以下の表１に、混合ガスの目標組成、設定重量、実際の充填重量、実際組成、充填時間を示す。
【００２１】
【表１】
0004305691.tif 000002
【００２２】
【比較例】
従来例で示したシステムと方法により、実施例と同様の目的で同様の成分ガスを１０本の容器に充填した結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
0004305691.tif 000003
【００２４】
比較例に対して実施例によれば、充填精度を大幅に向上でき、且つ充填時間を大幅に短縮できることを確認できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の混合ガスの製造システムの構成説明図
【図２】従来の混合ガスの製造システムの構成説明図
【符号の説明】
１  容器
２、３、４  成分ガス供給源
２１、２２、２３、２４  自動開閉弁
３１、３２、３３、３４  絞り部
４１、４２、４３  手動開閉弁
６０  電子台秤
６１  コントローラー
【図１】
0004305691.tif 000004
【図２】
0004305691.tif 000005