JP4051366B2 - 液化ガスタンクおよびそのタンクへの液化ガス充填方法 - Google Patents
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Description
本発明は、断熱用真空を保持する外槽と、内部に液化ガス、例えば液体水素が充填される内槽とからなる二重殻断熱構成の液化ガスタンクおよびそのタンクへの液化ガス充填方法に関するものである。
断熱用真空を保持する外槽と、極低温の液化ガスを収納する内槽とからなる二重殻断熱構成になる液化ガスタンクでは、極低温の液化ガスの蒸発量を極力少なくするために、大気からの入熱量をできる限り少なくする必要がある。そのため、例えば低熱伝導率で引張強度に優れた繊維強化プラスチックからなるバンド状荷重支持体を用いた内槽支持装置により外槽の中央部に内槽が支持されると共に、輻射熱による入熱を防止するために内槽の外周部は断熱層によって囲繞されている。
液化ガスタンクを、上記のような構成にしたとしても、内槽への大気からの入熱量をゼロにすることは不可能である。例えば、液化ガスタンクからガスが払い出されているときには、内槽への大気からの入熱量によって、この内槽内の圧力が上昇するようなことはない。しかしながら、夜間、土曜日、日曜日、祝日、ゴールデンウイーク、夏季休暇、正月等のガスが払い出されない状態が一定期間継続する場合には、内槽が封じ切り状態になるので、液化ガスタンク内への入熱によって液化ガスは気化し、内槽の圧力が上昇する。そして、内槽内の圧力が所定圧力より高くなると液化ガスタンクの破壊を防ぐ為、気化ガスを安全弁によって大気中に放出する必要が生じるが、気化ガスを冷凍機で冷却して液化ガスに戻してやると、内槽内の圧力上昇が抑えられ液化ガスの無駄な放出が防止される。この種の冷凍機を設けた液化ガスタンクとして後述するものが公知である(特許文献１参照)。
特開２００２−１９５４９７号公報
以下、上記従来例に係る液化ガスタンクを、図２と、その載置台を示す図３と、その液化手段の作用を示す図４とを参照しながら説明する。即ち、符号６１は、内部に液化天然ガス(ＬＮＧ)５５が収容されてなる液化ガスタンクを示し、この液化ガスタンク６１は、内部が真空に保持された内外二重壁５３，５４で構成されている。符号６０ａは液面センサであり、また符号６０ｂは圧力センサを示し、これら両センサ６０ａ、６０ｂは、何れも確認用のものである。符号６５は液化ガスタンク６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂの上方に配設された液化手段を示し、この液化手段６５は液化ガスタンク６１に脚部６５ｂを介して取付けられた載置台６５ａに載置されている。なお，図３中の符号６７はコンプレッサーを示す。
上記液化手段６５は、断熱箱６６と、この断熱箱６６の天井壁に設けられたパルスチューブ冷凍機６２と、前記断熱箱６６またはパルスチューブ冷凍機６２に取付けられた図示しない温度検出器とからなっており、前記パルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａが断熱箱６６の内部に配設されている。そして、前記パルスチューブ冷凍機６２を作動させた状態では、このパルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａの温度が気化ガスの液化温度以下になるように設定されており、これにより、後述する取り出しパイプ(ガス流入管に相当する。)６３を通って断熱箱６６の上部空間に送られてきた気化ガスを前記冷端部６２ａの冷熱で液化して断熱箱６６の下部に溜めると共に、後述する戻しパイプ(液化ガス戻し管に相当する。)６４を通して液化ガスタンク６１に戻すように構成されている。
また、前記パルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａの温度が液化ガスの凝固点以下になると、これが温度検出器で検出されてパルスチューブ冷凍機６２の作動が停止する。
また、前記パルスチューブ冷凍機６２の冷端部６２ａの温度が液化ガスの凝固点以下になると、これが温度検出器で検出されてパルスチューブ冷凍機６２の作動が停止する。
前記取り出しパイプ６３の一端開口は、断熱箱６６の上部空間に連通している。また、取り出しパイプ６３の他端部は液化ガスタンク６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂを貫通して液化ガスタンク６１の上部空間に突入している。前記戻しパイプ６４は、断熱箱６６の底壁から垂下し、液化ガスタンク６１内に連通している。そして、戻しパイプ６４の一端開口が断熱箱６６の下部のＬＮＧ５５に連通している。また、戻しパイプ６４の他端側が液化ガスタンク６１の周壁５２の天井壁部分５２ｂを貫通して液化ガスタンク６１の上部空間に突入している。
このような液化ガスタンクは工場で製造され、そして内槽内を低露点に保持するために、液化ガスタンクの内槽や前記６２の冷端部、取り出しパイプや戻しパイプ等の配管内に大気圧よりも高い圧力で不活性ガス、例えば窒素ガスが充填された状態で据え付け場所まで運搬される。そして、据え付け後、液化ガスと同種のガスの充填・大気放出を繰り返すことで内槽内の窒素ガスを液化ガスと同種のガスで置換し、その後に液化ガスが充填される。この場合、内槽内の液化ガスの純度は９９.９９９％以上、露点−６０℃以下が要求されるため、液化ガスを充填するに際して、内槽や冷端部の冷熱を利用する熱交換器、この熱交換器に連通する各配管内に充填されていた窒素ガスを完全に液化ガスと同種のガスに置換しなければならない。ところが、このような液化ガスタンクでは、内槽への入熱量を可能な限り少なくするため、取り出しパイプ、戻しパイプには極めて細径のパイプが使用され、しかも長いものが用いられており、細径パイプ内の窒素ガスを液化ガスと同種のガスで完全に置換するには、上述の充填・大気放出の繰り返しを数多く行う必要があり、時間と手間がかかる。
勿論、他の置換手段、例えば真空ポンプにより真空引きした後に液化ガスと同種のガスに置換し、次いで液化ガスを充填するという方法の採用も考えられる。しかしながら、このような置換手段では、真空ポンプの作動中にオイルミストが内槽、熱交換器、および取り出しパイプや戻しパイプ等の配管内に逆流し、これらの内部が汚染する恐れがあるので、真空ポンプの使用は好ましくない。
従って、本発明の目的は、液化ガスタンクの内槽、熱交換器、および取り出しパイプや戻しパイプ等の配管内のガスを、充填すべき液化ガスと同種のガスに確実に置換することを可能ならしめる液化ガスタンクおよびそのタンクへの液化ガス充填方法を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するために下記のように構成されている。即ち、本発明の請求項１に係る液化ガスタンクは、断熱用真空を保持する外槽２の内部に極低温の液化ガスを収納する内槽３を配設し、これら外槽２と内槽３との間に冷凍機５の冷端部５aと熱交換器５bとを位置させ、上記熱交換器５bに内槽３から液化ガスの気化ガスが流入するガス流入管６と液化されたガスを熱交換器５bから内槽３に戻す液化ガス戻し管７とを設け、上記内槽３の上部に第１開閉弁８aを介して外槽２の外方から内槽３に液化ガスと同種の高圧ガスを供給する高圧ガス供給管８を連通接続し、内槽３内に充填されているガスを外槽２の外方に放出する状態と内槽３内に液化ガスを充填する状態とで使用可能なガス放出・充填管９を上記内槽３の下部に連通接続し、このガス放出・充填管９に第２開閉弁９aを介装するとともに、前記高圧ガス供給管８に第３開閉弁８bを配置してなる液化ガスタンク１において、前記熱交換器(５b)内のガスを前記外槽(２)の外方に放出するガス放出管(11)を前記熱交換器(５b)に連結し、このガス放出管(11)に第４開閉弁(11a)を介装したことを特徴とするものである。
本発明の請求項２に係る液化ガスタンクの液化ガス充填方法は、請求項１に記載の液化ガスタンクへの液化ガス充填方法であって、前記第１開閉弁８aを開弁するとともに高圧ガス供給管８に配設された第３開閉弁８bと第２開閉弁９aおよび第４開閉弁11aをそれぞれ閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽３内に充填したのち、第１開閉弁８aを閉弁するとともに第２開閉弁９aを開弁して内槽３内のガスを所定圧になるまで放出する第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程と、第１開閉弁８aを開弁するとともに第２開閉弁９aと第３開閉弁８bおよび第４開閉弁11aをそれぞれ閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽３内に充填したのち、第１開閉弁８aを閉弁するとともに第４開閉弁11aを開弁して内槽３内のガスを所定圧になるまで放出する第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程と、
第１開閉弁８aおよび第４開閉弁11aを閉弁し、第２開閉弁９aおよび第３開閉弁８bを開弁して内槽３内に液化ガスを充填し、液化ガスの充填終了後に第２開閉弁９aを閉弁する液化ガス充填工程とからなることを特徴とする液化ガス充填方法である。
第１開閉弁８aおよび第４開閉弁11aを閉弁し、第２開閉弁９aおよび第３開閉弁８bを開弁して内槽３内に液化ガスを充填し、液化ガスの充填終了後に第２開閉弁９aを閉弁する液化ガス充填工程とからなることを特徴とする液化ガス充填方法である。
本発明の請求項１に係る液化ガスタンク、または本発明の請求項２に係る液化ガスタンクへの液化ガス充填方法では、第１開閉弁８ａの開弁により外槽２の外方から内槽３に高圧ガス供給管８を介して液化ガスと同種のガスを供給し、そして第２開閉弁９ａの開弁によりガス放出・充填管９を介して内槽３内のガスが所定圧になるまで放出する第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程により、内槽３内のガスが所定圧になるまで放出される。さらに、第１開閉弁８ａの開弁により外槽２の外方から内槽３に高圧ガス供給管８を介して液化ガスと同種のガスを供給し、そして第４開閉弁１１ａの開弁によりガス放出管１１を介して内槽３内のガスが所定圧になるまで放出する第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程により、内槽３内のガスがガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂを経由してガス放出管１１を介して外槽２の外方に放出される。
従って、本発明の請求項１に係る液化ガスタンク、または本発明の請求項２に係る液化ガスタンクへの液化ガス充填方法によれば、第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程により、液化ガスタンクの内槽３内に充填されていたガスが液化ガスと同種のガスに置換される。次いで、第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程により、完全に置換された内槽３内の液化ガスと同種のガスが、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂを経由してガス放出管１１を介して放出されるので、内槽３、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂ内が完全に液化ガスと同種のガスに置換されることになる。
このように、本発明の請求項１に係る液化ガスタンク、または本発明の請求項２に係る液化ガスタンクへの液化ガス充填方法によれば、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂ内のガスを、ガス放出管１１を介して、次第に純度が高められた内槽３内の液化ガスと同種のガスによって液化ガスタンクの外方に押し出すことができるから、ガス流入管６、および液化ガス戻し管７が細径で、長くても支障なく液化ガスと同種のガスに置換することができる。従って、液化ガスが、例えば液体水素である場合には、液化ガスタンク１の内槽３、熱交換器５ｂ、およびガス流入管６や液化ガス戻し管７中を、容易に９９.９９９％以上の純度、−６０℃以下の露点の液体水素で満たすことができる。
以下、本発明の実施形態に係る液化ガスタンクを、内槽に充填される液化ガスが液体水素である場合を例として説明する。図１は、本発明の実施形態に係る液化ガスタンク(液体水素タンク)の模式的縦断面図である。
図１に示す符号１は、本発明の実施形態に係り、液体水素(液化ガス)を収納する液化ガスタンクを示し、この液化ガスタンク１は、据え付けのために下方に突出する据え付け支脚２ａが下部に設けられ、断熱用真空を保持する外槽２を備えている。この外槽２の内部には、この外槽２からの輻射熱を防ぐために外周部が、例えばアルミニウム箔とガラス繊維製布の積層体からなる断熱層３ａで囲繞されてなる極低温の液体水素を収納する内槽３が設けられている。この内槽３は、低熱伝導率のバンド状荷重支持体(図示省略)を用いた複数の内槽支持装置４を介して外槽２の内側に支持されている。なお、この低熱伝導率のバンド状荷重支持体は、繊維強化プラスチック(アルミナファイバーＦＲＰやカーボンファイバーＦＲＰあるいはガラスファイバーＦＲＰ等)で構成されている。
前記外槽２の上部には、冷端部５ａとこの冷端部５ａの冷熱を利用して、流入する水素ガスを冷却して液体水素にして溜める熱交換室を備える熱交換器５ｂとを有する冷凍機５(パルスチューブ冷凍機等)が設けられている。この冷凍機５の冷端部５ａと熱交換器５ｂとは、外槽２と内槽３との間に形成される真空空間内に位置している。そして、前記熱交換器５ｂには、内槽３から液体水素の気化ガスである水素ガスが流入するガス流入管６が設けられると共に、熱交換器５ｂから液化された液体水素を内槽３内に戻す液化ガス戻し管７が設けられている。
前記内槽３の上部には、前記外槽２の外方に設けられた高圧ガス容器１０から、第１開閉弁８ａ、第３開閉弁８ｂが介装されてなる高圧ガス供給管８が連通しており、前記内槽３の上部から水素ガス(液化ガスと同種のガス)が流入するようになっている。また、前記内槽３の下部には、前記外槽２の外方から第２開閉弁９ａが介装されてなるガス放出・充填管９が連通しており、前記内槽３内のガスを前記外槽２の外方に放出する一方、内槽３内に液体水素が充填されるようになっている。さらに、前記熱交換器５ｂには、第４開閉弁１１ａが介装され、他端側が前記外槽２の外方に連通するガス放出管１１の一端側が連結されており、前記熱交換器５ｂ内のガスを前記外槽２の外方に放出し得るように構成されている。
上記実施形態に係る液化ガスタンク１に水素ガスを充填する場合には、後述する種々の工程を経て、この液化ガスタンク１内の窒素ガスを水素ガスに置換した後、この液化ガスタンク１内に液体水素が充填される。即ち、第１開閉弁８ａを開弁すると共に、第２開閉弁９ａ、第３開閉弁８ｂ、および第４開閉弁１１ａをそれぞれ閉弁して、高圧ガス容器１０内の高圧水素ガスを高圧ガス供給管８を介して内槽３内に充填する。このようにして、内槽３内への高圧水素ガスの充填が終了すると、第１開閉弁８ａを閉弁すると共に、第２開閉弁９ａを開弁して、内槽３内の水素ガスを窒素ガスと共にガス放出・充填管９を介して所定圧(例えば０.０１ＭＰａＧ)になるまで外槽２の外方に放出する(第１ガス置換工程)。そして、このようなガス置換工程を、例えば５回繰り返して内槽３内の水素ガスの純度を高める(第１ガス純度向上工程)。
次いで、上記第１ガス置換工程の場合と同様に、第１開閉弁８ａを開弁すると共に、第２開閉弁９ａ、第３開閉弁８ｂ、および第４開閉弁１１ａをそれぞれ閉弁して、高圧ガス容器１０内の高圧水素ガスを高圧ガス供給管８を介して内槽３内に充填する。このようにして、内槽３内への高圧水素ガスの充填が終了すると、第１開閉弁８ａを閉弁すると共に、第４開閉弁１１ａを開弁して、内槽３内の水素ガスを、ガス流入管６，液化ガス戻し管７、熱交換器５ｂを経てガス放出管１１から、内槽３内の水素ガスの圧力が０.０１ＭＰａＧの所定圧になるまで外槽２の外方に放出する(第２ガス置換工程)。そして、このようなガス置換工程を、例えば５回繰り返して内槽３内の水素ガスの純度を高める(第２ガス純度向上工程)。
このような第１ガス置換工程、第１ガス純度向上工程、第２ガス置換工程、第２ガス純度向上工程を経て、内槽３、ガス流入管６，液化ガス戻し管７、熱交換器５ｂ、およびガス放出管１１内が水素ガスで置換されると、第１開閉弁８ａおよび第４開閉弁１１ａを閉弁すると共に、第２開閉弁９ａ、および第３開閉弁８ｂを開弁して、ガス放出・充填管９を介して内槽３内に液体水素を充填し、液体水素の充填終了後に第２開閉弁９ａを閉弁する(液体水素充填工程)。
従って、本発明の実施形態に係る液化ガスタンク１によれば、第１ガス置換工程と、この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程により、液化ガスタンク１の内槽３内に充填されていた窒素ガスが水素ガスに置換される。次いで、第２ガス置換工程と、この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程により、完全に置換された内槽３内の水素ガスが、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂを経由してガス放出管１１を介して放出されるので、内槽３、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、および熱交換器５ｂ、ガス放出管１１内が完全に水素ガスに置換されることになる。
このように、本発明の実施形態に係る液化ガスタンク１によれば、ガス流入管６、液化ガス戻し管７、熱交換器５ｂ、およびガス放出管１１内の窒素ガスがガス放出管１１を介して、次第に純度が高められた内槽３内の水素ガスによって液化ガスタンク１の外方に押し出されるから、ガス流入管６、液化ガス戻し管７が細径で、長くても支障なく水素ガスに置換することができる。従って、液化ガスタンク１の内槽３、熱交換器５ｂ、およびガス流入管６や液化ガス戻し管７内を、容易に９９.９９９％以上の純度、−６０℃以下の露点の液体水素で満たすことができる。
以上の説明では、液化ガスが燃料電池の燃料となる液体水素であって、そしてこの液体水素が収納され、水素ステーションに設置される液体水素充填用の液化ガスタンクを例として説明した。しかしながら、本発明の技術的思想を、例えば液体空気、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液化天然ガス(ＬＮＧ)用の液化ガスタンクに対しても適用することができるので、上記実施形態に係る用途に限定されるものではない。また、上記実施形態に係る液化ガスタンクは本発明の１具体例に過ぎないから、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内における設計変更等は自由自在である。
１…液化ガスタンク
２…外槽，２ａ…据え付け支脚
３…内槽，３ａ…断熱層
４…内槽支持装置
５…冷凍機，５ａ…冷端部，５ｂ…熱交換器
６…ガス流入管
７…液化ガス戻し管
８…高圧ガス供給管，８ａ…第１開閉弁, ８ｂ…第３開閉弁
９…ガス放出・充填管，９ａ…第２開閉弁
１０…高圧ガス容器
１１…ガス放出管，１１ａ…第４開閉弁
２…外槽，２ａ…据え付け支脚
３…内槽，３ａ…断熱層
４…内槽支持装置
５…冷凍機，５ａ…冷端部，５ｂ…熱交換器
６…ガス流入管
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８…高圧ガス供給管，８ａ…第１開閉弁, ８ｂ…第３開閉弁
９…ガス放出・充填管，９ａ…第２開閉弁
１０…高圧ガス容器
１１…ガス放出管，１１ａ…第４開閉弁
Claims (2)
- 断熱用真空を保持する外槽(２)の内部に極低温の液化ガスを収納する内槽(３)を配設し、これら外槽(２)と内槽(３)との間に冷凍機(５)の冷端部(５a)と熱交換器(５b)とを位置させ、上記熱交換器(５b)に内槽(３)から液化ガスの気化ガスが流入するガス流入管(６)と液化されたガスを熱交換器(５b)から内槽(３)に戻す液化ガス戻し管(７)とを設け、上記内槽(３)の上部に第１開閉弁(８a)を介して外槽(２)の外方から内槽(３)に液化ガスと同種の高圧ガスを供給する高圧ガス供給管(８)を連通接続し、内槽(３)内に充填されているガスを外槽(２)の外方に放出する状態と内槽(３)内に液化ガスを充填する状態とで使用可能なガス放出・充填管(９)を上記内槽(３)の下部に連通接続し、このガス放出・充填管(９)に第２開閉弁(９a)を介装するとともに、前記高圧ガス供給管(８)に第３開閉弁(８b)を配置してなる液化ガスタンク(１)において、前記熱交換器(５b)内のガスを前記外槽(２)の外方に放出するガス放出管(11)を前記熱交換器(５b)に連結し、このガス放出管(11)に第４開閉弁(11a)を介装したことを特徴とする液化ガスタンク。
- 前記第１開閉弁(８a)を開弁するとともに高圧ガス供給管(８)に配設された第３開閉弁(８b)と第２開閉弁(９a)および第４開閉弁(11a)をそれぞれ閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽(３)内に充填したのち、第１開閉弁(８a)を閉弁するとともに第２開閉弁(９a)を開弁して内槽(３)内のガスを所定圧になるまで放出する第１ガス置換工程と、
この第１ガス置換工程を繰り返す第１ガス純度向上工程と、
第１開閉弁(８a)を開弁するとともに第２開閉弁(９a)と第３開閉弁(８b)および第４開閉弁(11a)をそれぞれ閉弁して液化ガスと同種の高圧ガスを内槽(３)内に充填したのち、第１開閉弁(８a)を閉弁するとともに第４開閉弁(11a)を開弁して内槽(３)内のガスを所定圧になるまで放出する第２ガス置換工程と、
この第２ガス置換工程を繰り返す第２ガス純度向上工程と、
第１開閉弁(８a)および第４開閉弁(11a)を閉弁し、第２開閉弁(９a)および第３開閉弁(８b)を開弁して内槽(３)内に液化ガスを充填し、液化ガスの充填終了後に第２開閉弁(９a)を閉弁する液化ガス充填工程と
からなることを特徴とする請求項１に記載の液化ガスタンクへの液化ガス充填方法。
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