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JPH11257595A - 極低温液体の供給分を保持するタンクを加圧する装置 - Google Patents

極低温液体の供給分を保持するタンクを加圧する装置

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Publication number
JPH11257595A
JPH11257595A JP10345414A JP34541498A JPH11257595A JP H11257595 A JPH11257595 A JP H11257595A JP 10345414 A JP10345414 A JP 10345414A JP 34541498 A JP34541498 A JP 34541498A JP H11257595 A JPH11257595 A JP H11257595A
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JP
Japan
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tank
tubular container
cryogenic liquid
liquid
cryogenic
Prior art date
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Ceased
Application number
JP10345414A
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English (en)
Inventor
James M Weiler
ジェームズ・エム・ウェイラー
Ryan A Erickson
ライアン・エイ・エリクソン
Scott Darrell Isebrand
スコット・ダーレル・アイスブランド
Audrey Duane Preston
オードリー・デュアン・プレストン
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Chart Inc
Original Assignee
MVE Inc
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Publication date
Application filed by MVE Inc filed Critical MVE Inc
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 タンクに入れた液体を著しく加熱せずに、タ
ンク内の圧力を上昇させることのできる装置を提供する
こと。 【解決手段】 極低温液体の供給分を保持するタンク７
を加圧する装置は極低温液体２２中に配置された管状の
容器２０を特徴としている。該管状の容器２０は、その
底部２４に開口部２３を有することを特徴としており、
タンク７の外部にて圧力蓄積装置のコイルと連通してい
る。該圧力蓄積装置のコイルの蒸気側は、タンクのヘッ
ドスペースと連通している。該管状の容器２０の底部２
４には電気ヒータエレメント３０が配置されている。管
状の容器２０の周りに絶縁管５０を選択随意的に配置す
ることができる。更に、逆止弁が形成されるように、管
状の容器２０の開口部２３に隣接する位置にボール５４
を選択随意的に配置することができる。該装置は既存の
極低温タンクの頂部を貫通するように取り付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、タンクに入れた液
体を著しく加熱せずに、タンク内の圧力を上昇させるこ
とのできる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】極低温流体、すなわち、大気圧にて−１
０１°Ｃ（−１５０°Ｆ）以下の沸点を有する流体は、
種々の用途にて使用されている。
【０００３】これら用途の多くは、極低温剤を気体とし
て約２８．１２ｋｇ／ｃｍ２（４００ｐｓｉ）にて供給
することを必要とする。例えば、レーザ切断には、高圧
の窒素、酸素、及びアルゴン気体が必要とされる一方、
レーザ溶接のためには、高圧の窒素及びアルゴン気体が
必要とされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、１容積
の液体はその液体が蒸発し（沸騰し）且つ周囲温度まで
加温されたとき、多容積の気体（液体１容積当たり６０
０乃至９００の容積の気体）を発生させるから、かかる
用途に使用される極低温剤は液体として貯蔵される。同
等の量の気体を貯蔵するためには、その気体を極めて高
圧で貯蔵しなければならない。このことは、貯蔵のため
のより大形で且つ重い容器を使用し、また、貯蔵圧力を
発生させるため高価で且つ頻繁な保守が必要なコンプレ
ッサ又はポンプを使用することを必須のものとする。
【０００５】その結果、比較的低圧な液体から用途箇所
まで高圧の気体を供給するシステムが開発されている。
かかるシステムは、所望の搬送圧力にて（上記の用途の
場合、約２８．１２ｋｇ／ｃｍ２（４００ｐｓｉ））極
低温液体を熱交換器に供給しなければならない。この目
的のためには、特殊なポンプ又はコンプレッサを使用す
ることができるが、これらのポンプ又はコンプレッサ
は、摩耗し、従って、修理、交換及び保守を必要とする
可動の部品を特徴とする。更に、ポンプ又はコンプレッ
サは、製造コストを著しく増し、このため搬送システム
の購入価格が高くなる。
【０００６】所望の搬送圧力を発生させる１つの代替的
な方法は、多量の極低温液体の供給分が貯蔵されるタン
クを加圧することである。かかるシステムは、ミネソタ
州、ニュープラーグのＭＶＥ・インコーポレーテッド
（ＭＶＥ，Ｉｎｃ．）から入手可能である。このシステ
ムは、大形の極低温貯蔵タンクを利用する。この貯蔵タ
ンク内の圧力は、熱交換器に対し極低温液体を重力供給
することにより、上昇する。これにより、形成される蒸
気は、貯蔵タンクに戻されて、タンク内の圧力は、上昇
する。次に、大形のタンクからの極低温液体は、液体と
して使用される所望の搬送圧力にて用途箇所に供給する
か、又は気体が必要とされるならば、それ自体を別の熱
交換器にて蒸発させる。
【０００７】この型式のシステムは、良好に機能するも
のの、約２８．１２ｋｇ／ｃｍ２（４００ｐｓｉ）の範
囲の圧力に耐え得る極低温大形貯蔵タンクは、より低圧
のタンクと比較して高価である。多くの場合、かかるシ
ステムは、多量の極低温液体を貯蔵するため低圧を利用
することが好ましく、また、そのタンクからの極低温液
体は、加圧可能なより小形のタンクに流れることが好ま
しい。
【０００８】かかる搬送タンクは、幾つかの方法にて加
圧することができる。その１つの方法は、搬送タンク内
の流体を電気ヒータにより直接、加熱することである。
このことは、輸送タンク内の圧力を上昇させる一方で、
その輸送タンク内の極低温液体も加温して、飽和状態に
する。その結果、このシステムがある期間、不使用であ
るならば、運送タンク内へ漏洩する熱は、最終的に、そ
の飽和した極低温液体の一部分を沸騰させることとな
る。このことは、タンク内の圧力をタンクの安全弁の設
定圧力以上のレベルまで上昇させ、極低温蒸気の一部を
大気中に排気させることになろう。このことは、望まし
くないことである。排気は無駄であり且つ環境にとって
危険又は有害でもある。
【０００９】輸送タンクを加圧する別の方法は、そのタ
ンク内の極低温液体を圧力蓄積装置の熱交換器に供給す
ることである。これにより発生された蒸気は、その後、
極低温液体の上方の蒸気スペースに戻されて、そのタン
クを加圧する。かかるシステムは、輸送タンク内の極低
温液体を熱交換器に輸送する手段を必要とする。多くの
システムは、タンク内の極低温液体を熱交換器に供給す
るために重力を使用する。このことは効果的ではある
が、多くの既存のタンクは、底部の液体を吸引すること
ができず、かかる配置に対応することができない。
【００１０】従って、本発明の１つの目的は、タンクに
入れた液体を著しく加熱せずに、タンク内の圧力を上昇
させることのできる装置を提供することである。
【００１１】本発明の別の目的は、ポンプ又はコンプレ
ッサを使用せずに、タンク内の圧力を上昇させることの
できる装置を提供することである。
【００１２】本発明の更に別の目的は、頂部吸引式タン
ク内の圧力を上昇させることのできる装置を提供するこ
とである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、極低温液体を
保持する輸送タンクを加圧する装置に関するものであ
る。本発明は、極低温液体内に配置された管状の容器を
特徴としている。この管状の容器は、開口部を有し、極
低温液体はこの開口部を通ってその内部に入る。この管
状の容器内には電気ヒータエレメントが配置されてお
り、このため、このヒータエレメントに通電すれば、極
低温液体は加熱される。その結果、極低温液体の流れが
形成される。この流れは、極低温気体及び液体の混合体
を含んでいる。この混合体は、管状の容器から去って、
熱交換器に流れ、この熱交換器にて、その混合体の液体
部分が蒸発される。これによって発生された気体は、当
初の混合体の気体部分と共に、タンクに供給されて該タ
ンクを加圧する。この装置及びその関連する配管数は、
既存の極低温輸送タンクの頂部を貫通するように取り付
けられる。
【００１４】絶縁管は、絶縁源を提供し得るように、管
状の容器を取り囲むことができる。更に、管状の容器の
開口部付近にボールを配置して、逆止弁が形成されるよ
うにすることができる。この逆止弁は、管状の容器の底
部から流体が流れ出るのを防止する。
【００１５】これらの特徴の双方は、ヒータがより効率
的に作動することを可能にし、管状の容器に入っていな
い極低温液体を望ましくなく加熱することを少なくする
ことを可能にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の性質及び範囲をより完全
に理解するため、特許請求の範囲及び添付図面と共に、
以下の詳細な説明を参照することができる。
【００１７】図１を参照すると、本発明の高性能の極低
温圧力蓄積装置の１つの実施の形態を利用するシステム
が図示されている。液体窒素又はアルゴンのような極低
温液体は、約０．７０３ｋｇ／ｃｍ２（１０ｐｓｉ）
と、典型的に、約１２．３０３ｋｇ／ｃｍ２乃至約１
７．５７５ｋｇ／ｃｍ２（１７５ｐｓｉ乃至２５０ｐｓ
ｉ）である、その最高の許容可能な作動圧力との間の低
圧力にて極低温大形貯蔵タンク７内に貯蔵されている。
このシステムは、この大形のタンク７が導管１６を通じ
て輸送タンク（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔａｎｋ）１２又は
１４の何れかと個々に連通するような形態に弁８、９、
１０、１１を介して設定することができる。輸送タンク
１２、１４は、大形の貯蔵タンク７よりも小形の極低温
輸送タンクであり、約３１．６３８乃至約３５．１５３
ｋｇ／ｃｍ２（４５０乃至５００ｐｓｉ）以下の圧力に
て流体を保持することができる。適当なタンクには、ミ
ネソタ州、ニュープラーグのＭＶＥ・インコーポレーテ
ッドが製造するレーザ・Ｃｙｌタンクが含まれる。
【００１８】このシステムは、１つ以上の輸送タンクが
存在するため、極低温気体を略連続的に分配することが
できる。例えば、輸送タンク１２が、開いた弁１８を通
じて極低温液体を分配している間に、弁８、１０は閉じ
ておく、この時間の間、その前に、極低温液体を分配し
て空になった輸送タンク１４は、弁１９が閉じられてい
る間に、弁９、１１を開けることにより重力を介して大
形のタンク７から充填される。重力充填の１つの代替法
として、輸送タンク１４内の圧力が大気圧まで減圧され
るように、その空になった輸送タンク１４を最初に、排
気することができる。その結果、弁９、１１が開けられ
たとき、タンク１４とタンク７との間の差圧によって極
低温液体はタンク１４に流れる。輸送タンク１４が極低
温液体にて充填され、弁９、１１が閉じられると、該輸
送タンク１４は、以下に説明するように、加圧される。
【００１９】タンク１２が空であるとき、弁１８は閉じ
られ且つ弁１９は開いており、このため充填し且つ加圧
されたタンク１４は分配を開始する。次に、タンク１２
が大形のタンク７から重力によって再充填されるよう
に、弁８、１０を開くことができる。タンク１４の場合
と同様に、空のタンク１２は、排気し且つ差圧によって
充填することを交互に行ってもよい。弁８、１０を閉じ
た後、サイクルを繰り返すことができるように、充填さ
れた輸送タンク１２を加圧する。上述した弁は、ソレノ
イド作動式とし、システムが自動化され且つプロセッサ
を介して制御されるように、圧力センサ（図示せず）を
輸送タンク１２、１４内に配置することができる。
【００２０】一例として、輸送タンク１２について続け
て説明すると、一旦、輸送タンク１２が略充填され、大
形のタンク７からの極低温液体の流れが遮断されると、
この輸送タンクは、次のように、所望の輸送圧力、すな
わち、約２８．１２ｋｇ／ｃｍ２（４００ｐｓｉ）まで
加圧することができる。
【００２１】図２に図示するように、管状の容器２０が
輸送タンク１２の頂部を貫通するように配置されてお
り、そのタンク内に貯蔵された極低温液体２２内まで下
方に伸びている。この管状の容器２０は、その底部２４
に開口部２３を有しており、導管２８を介して圧力蓄積
装置のコイル２６の入口と連通している。導管４０は、
圧力蓄積装置のコイル２６の出口からタンク１２の頂部
に戻る。その結果、これらのタンクは、以下に説明する
ように、底部から液体を除去することなく、効率良く加
圧することができるように、タンクを改装するべく本発
明の装置を利用することができる。
【００２２】電気ヒータエレメント３０が管状の容器２
０内に同心状に配置されている。ヒータエレメント３０
は、ブラケット（明確化のため省略）により管状の容器
２０の内面に対して保持することができ且つ電気導線３
２に接続されている。電気導線３２は電源に接続され且
つ電気フィードスルー３６を通じて管状の容器２０に入
り、この電気フィードスルーは、蒸気が逃げるのを防止
し得るように圧力で支承されている。
【００２３】作動時、極低温流体は底部２４の開口部か
ら管状の容器２０に入り、輸送タンク１２内にて液体２
２の液位３８まで上昇する。次に、管状の容器２０内の
極低温液体が加熱されるように電気ヒータエレメント３
０に通電する。この加熱が続けられると、ヒータエレメ
ント３０に最も近い液体の一部分の密度が低下する。こ
れにより、その極低温液体の部分は管状の容器２０の頂
部に向けて上昇する。その結果、管状の容器２０の液体
内にて上方への循環が開始される。加熱が更に続けられ
ると、管状の容器２０内の極低温液体の一部分は沸騰し
始める。このようにして発生した蒸気は導管２８を通っ
て管状の容器２０から出る。より多くの蒸気が導管２８
を通って出るに伴い、吸引力、すなわちサイフォン効果
が発生される。この効果は、より低密度の流体が上方に
循環することと相俟って、管状の容器２０内の液体を液
位３８よりも上昇させる。更に加熱を続けると、極低温
気体及び液体の混合体は導管２８を通って圧力蓄積装置
のコイル２６まで流れる。
【００２４】極低温液体及び気体の混合体が圧力蓄積装
置のコイル２６に達すると、残りの液体は気体に変換さ
れる。この気体は、圧力蓄積装置のコイル２６に供給さ
れた気体と共に、導管４０を介して輸送タンク１２のヘ
ッドスペースに戻され、このため、この輸送タンク内の
圧力は上昇する。ヒータエレメント３０と圧力蓄積装置
のコイル２６との組み合わさった作動により、輸送タン
ク１２内の圧力は極めて急速に上昇することが可能とな
る。輸送タンク１２内の圧力が、例えば約２８．１２ｋ
ｇ／ｃｍ２（４００ｐｓｉ）といった所望のレベルに達
したとき、ヒータエレメント３０を不作動にし、極低温
液体を圧力蓄積装置のコイル２６に熱動力的に圧送する
ことが停止するようにする。
【００２５】図１を参照すると、輸送タンク１２内の極
低温液体は、そのタンク内のヘッド圧力により付勢され
て、弁１８を開放することにより、液体供給管４４を介
して選択随意の熱交換器４２まで流れることが可能とな
る。極低温液体が熱交換器４２に達すると、その極低温
液体は蒸発されて、所望であるならば、気体を使用装置
に直接、提供するか、又は貯蔵タンク４８内に貯蔵する
ことができる。熱交換器４２を省略することにより、該
システムは使用装置に対し高圧の極低温液体を交互に提
供するために使用することができる。
【００２６】輸送タンク１２内の液体２２の全てを加熱
する場合と異なり、管状の容器２０内の極低温液体のみ
を加熱することにより、本発明は「保持時間（ｈｏｌｄ
ｔｉｍｅ）」の点にてタンクの性能を劇的に改良する
ものである。輸送タンクの保持時間とは、あるタンクが
排気することなく極低温流体を保持することのできる時
間をいう。電気加熱エレメントによりタンク内の全ての
極低温液体を加熱するならば、タンク内の漏洩熱がその
タンク内の圧力を安全弁の圧力レベルまでより迅速に蓄
積させるため、保持時間を短くすることにつながる。本
発明は、加熱エレメント、及び該エレメントにより加熱
された極低温流体を周囲の管２０内の部分に拘束するこ
とにより、この問題点を解決するものである。
【００２７】図２に図示するように、管状の容器２０
は、環状の絶縁スペース５２が形成されるように同心状
に配置された絶縁管５０により取り巻くことができる。
環状絶縁スペース５２は、底部にて開放し、頂部にて閉
じられている。その結果、輸送タンク１２が極低温液体
２２で充填されるとき、環状の絶縁スペース５２内に極
低温蒸気が取り込まれる。このことは、管状容器２０に
対し絶縁性ジャケットを提供することになり、この絶縁
性ジャケットは、ヒータエレメント３０から輸送タンク
１２内の残りの極低温液体２２への熱伝導を最小にす
る。更に、底部２４の開口部２３に隣接して管状の容器
２０内にボール５４を選択随意的に配置し、逆止弁が形
成されるようにしてもよい。このことは、管状の容器２
０内の加熱された極低温流体が輸送タンク１２内に逆流
するのを防止する。
【００２８】熱伝導を最小にすることにより、管状の容
器２０内にて極低温液体を加熱するのに必要な熱は少な
くて済むから、絶縁管５０及びボール５４の双方が本発
明の効率を向上させる。その結果、ヒータエレメント３
０によるエネルギ消費量が少なくなる。更に、絶縁管５
０及びボール５４は、タンクの保持時間性能を向上させ
る。
【００２９】本発明の好適な実施の形態を図示し且つ説
明したが、特許請求の範囲によってその範囲が画成され
る、本発明の精神から逸脱せずに、その変更及び改変例
が可能であることが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態を利用する、高圧の
極低温流体供給システムの概略線図である。
【図２】本発明の詳細を示す拡大断面側面図である。
【符号の説明】
７ 貯蔵タンク ８、９、１０、１１
弁 １２、１４ 輸送タンク １６ 導管 １８、１９ 弁 ２０ 管状の容器 ２２ 極低温液体 ２３ 管状の容器の開口部 ２４ 管状の容器の
底部 ２６ 圧力蓄積装置のコイル ２８ 導管 ３０ 電気ヒータエレメント ３２ 電気導線 ３６ 電気フィードスルー ３８ 極低温液体の
液位 ４０ 導管 ４２ 熱交換器 ４４ 液体供給管 ４８ 貯蔵タンク ５０ 絶縁管 ５２ 環状の絶縁ス
ペース ５４ ボール
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１月１４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
フロントページの続き (72)発明者 スコット・ダーレル・アイスブランド アメリカ合衆国ミネソタ州55407，ミネア ポリス，ロングフェロ・アベニュー 3829 (72)発明者 オードリー・デュアン・プレストン アメリカ合衆国ミネソタ州56071，ニュ ー・プラギュー，イクリプス・パークウェ イ 803

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 極低温液体の供給分を保持するタンクを
    加圧する装置において、 ａ）該極低温液体の供給分内に配置された管状の容器で
    あって、該タンク内の極低温液体の一部分が該管状の容
    器に入るのを許容する開口部を有する管状の容器と、 ｂ）内部の極低温液体を加熱して蒸気を発生させ得るよ
    うに該管状の容器内に配置されたヒータエレメントと、 ｃ）前記タンクが所望の値まで加圧されるように、該管
    状の容器からの前記蒸気を前記タンクの上方部分まで搬
    送する導管とを備える、装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、その間
    に環状の絶縁スペースが形成されるように前記管状の容
    器の周りに同心状に配置された絶縁管を更に備える、装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の装置において、前記管
    状容器の開口部に隣接する位置に配置されたボールを更
    に備え、該ボールが、極低温液体が前記開口部を通って
    前記管状の容器から流れ出るのを防止されるように逆止
    弁として機能する、装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の装置において、ヒータ
    エレメントが電気式である、装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置において、前記導
    管と回路を成す圧力蓄積装置のコイルを更に備え、該圧
    力蓄積装置のコイル内に吸引された極低温液体が蒸発さ
    れ且つその後、タンクの上方部分に供給され、該液体が
    所望の値まで加圧されるようにした、装置。
  6. 【請求項６】 請求項２に記載の装置において、環状の
    絶縁スペースが閉じた頂部と、開放した底部とを特徴と
    し、タンクが極低温液体で充填されるとき、気体が環状
    の絶縁スペース内に取り込まれるようにする、装置。
  7. 【請求項７】 ポンプを使用せずにタンクから極低温液
    体を分配する装置において、 ａ）該極低温液体の供給分内に配置された管状の容器で
    あって、該タンク内の極低温液体の一部分が該管状の容
    器に入るのを許容する開口部を有する管状の容器と、 ｂ）内部の極低温液体を加熱して蒸気を発生させ得るよ
    うに該管状の容器内に配置されたヒータエレメントと、 ｃ）該管状の容器からの前記蒸気を前記タンクの上方部
    分まで搬送する導管とと、 ｄ）前記導管と回路を成す圧力蓄積装置のコイルとを更
    に備え、該圧力蓄積装置のコイル内に吸引された極低温
    液体が蒸発され且つその後、タンクの上方部分に供給さ
    れるようにし、 ｅ）前記タンクと連通する液体供給管を備え、 これにより、前記タンク内の極低温液体が前記液体の供
    給管を通じて所望の圧力にて分配され得るように前記タ
    ンクが加圧される、装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の装置において、極低温
    気体を所望の圧力にて分配し得るように前記液体供給管
    と回路を成す熱交換器を更に備える、装置。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の装置において、その間
    に環状の絶縁スペースが形成されるように前記管状の容
    器の周りに同心状に配置された絶縁管を更に備える、装
    置。
  10. 【請求項１０】 請求項７に記載の装置において、前記
    管状容器の開口部に隣接する位置に配置されたボールを
    更に備え、該ボールが、極低温液体が前記開口部を通っ
    て前記管状の容器から流れ出るのを防止されるように逆
    止弁として機能する、装置。
  11. 【請求項１１】 請求項７に記載の装置において、ヒー
    タエレメントが電気式である、装置。
  12. 【請求項１２】 請求項９に記載の装置において、環状
    の絶縁スペースが閉じた頂部と、開放した底部とを特徴
    とし、タンクが極低温液体で充填されるとき、気体が該
    環状の絶縁スペース内に取り込まれるようにする、装
    置。
  13. 【請求項１３】 極低温液体を保持するタンクを加圧す
    る方法において、 ａ）管状容器内にて極低温液体の一部分を分離するステ
    ップと、 ｂ）管状容器内の極低温液体の部分を加熱して、蒸気及
    び液体極低温剤の流れを生じさせるステップと、 ｃ）蒸気及び液体極低温剤の流れを圧力蓄積装置のコイ
    ルに向けるステップと、 ｄ）蒸気の全体量が発生されるように、圧力蓄積装置の
    コイル内にて液体極低温剤の流れを蒸発させるステップ
    と、 ｅ）タンクが所望の値まで加圧されるように、蒸気の全
    体量をタンクに供給するステップとを備える、方法。
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