JP2022142995A - ガス混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合精度の高い混合ガスを大流量で供給できるようにする。【解決手段】原料ガスをそれぞれ所定の圧力と流量で供給する複数の原料ガス供給ライン１２，１３の後段に備えられて原料ガスを混合する混合器２１と、混合器２１の後段に設けられるバッファタンク３１を備えたガス混合装置１４において、バッファタンク３１の下部に入口３２を、上部に出口３３を形成する。入口３２には、混合器２１で混合された一次混合ガスをバッファタンク３１内に噴き出す導入管３４を接続し、出口３３には、バッファタンク３１内で流動して混合された二次混合ガスを吸入する導出管３５を接続する。【選択図】図１

Description

この発明は、種類の異なる２種以上のガスを混合するガス混合装置に関する。

ガス混合装置は、例えば合成空気などのような混合ガスを製造・供給するのに用いられる。

一般にガス混合装置は、原料ガスをそれぞれ所定の圧力と流量で供給する複数の原料ガス供給ラインの後段に備えられたミキサと、ミキサの後段に備えられたバッファタンクを備えている。すなわち、それぞれ原料ガス供給ラインを通る複数種類の原料ガスをミキサにおいて撹拌して混合し、撹拌された混合ガスをバッファタンク内に貯留する。バッファタンク内の混合ガスは圧力調整されて混合ガスを必要とするユースポイントに安定供給される。

しかし、供給量の変化等で混合精度が低下することがある。このため、下記特許文献１のガス混合装置は、バッファタンクの混合ガスの流入口と流出口との間に網状物を設けるという構成を採用している。網状物の網目に混合ガスが通過することによって、混合ガス中の各種ガスの濃度が均一化するというものである。

特開平９－９４４５１号公報

ミキサでいったん混合された混合ガスを網状物に通すと混合精度が高まるとしても、混合ガスにとって網状物は大きな抵抗になるので、バッファタンクに網状物を設ける構成は大流量型の装置とするのには適さない。

そこで、この発明は、供給流量が大きい大流量型の装置とすることができるうえに、混合精度を高められるようにすることを主な目的とする。

そのための手段は、原料ガスをそれぞれ所定の圧力と流量で供給する複数の原料ガス供給ラインの後段に備えられて前記原料ガスを混合する混合器と、前記混合器の後段に設けられるバッファタンクを備えたガス混合装置であって、前記バッファタンクに入口と出口が形成され、前記入口には、前記混合器で混合された一次混合ガスをバッファタンク内に噴き出す噴出口を有した導入管が接続され、前記出口には、前記バッファタンク内で流動して混合された二次混合ガスを吸入する吸入口を有した導出管が接続されたガス混合装置である。

この構成では、複数種類の原料ガスは所定の混合比率で混合器において混合されて一次混合ガスとしてバッファタンク内に入口から入る。入口に接続された導入管を通る一次混合ガスは噴出口から出てバッファタンク内を流動する。移動に伴って更に混合された二次混合ガスは、バッファタンク内に備えられた導出管の吸入口に入ると更に混合されつつ導出管を通って出口から混合ガスとして供給される。

この発明によれば、バッファタンクの入口と出口を上下に分けて形成し、入口には導入管を、出口には導出管を接続して、それぞれ内部に混合ガスを通す構成であるので、バッファタンクを通過する際の抵抗は小さくできる。このため、大流量型の装置とすることができる。しかも、混合ガスがバッファタンクを出る際には高い精度で混合されているので、通常運転の場合にはもちろん、負荷変動（流量変動）がある場合であっても、安定した混合精度が得られる。

混合ガス供給装置の概略構造を示すフロー図。 混合器の断面図。 バッファタンクの概略構造を示す斜視図。 導入管と導出管の平面図。 バッファタンクの概略構造を示す縦断面図。 バッファタンクの概略構造を示す縦断面図。 バッファタンクの設計要素を示す説明図。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図１は、混合ガス供給装置１１の概略構造を示すフロー図である。混合ガス供給装置１１は、例えば医療、クリーンルーム等をはじめとする様々な用途に用いられ、大量の混合ガスを混合精度高く供給するものである。

図示例の混合ガス供給装置１１は２種類の原料ガスを混合するものを示すが、３種類以上の原料ガスを混合するものであってもよい。

混合ガス供給装置１１は、原料ガスをそれぞれ所定の圧力と流量で供給する複数の原料ガス供給ライン１２，１３と、原料ガス供給ライン１２，１３の後段に備えられるガス混合装置１４と、得られた混合ガスを供給する混合ガス供給ライン１５を備えている。ガス混合装置１４は、複数種類の原料ガスを混合する混合器２１と、混合器２１の後段に設けられるバッファタンク３１で構成される。

混合するガスが３種類以上であって、複数の混合器２１を直列配置する場合には、バッファタンク３１は各混合器２１の後段に設けるほか、混合するすべての原料ガスを混ぜ合わせる混合器２１の後段のみに設けることもできる。

ここで、２種類の原料ガスを「Ａガス」及び「Ｂガス」とする。これらはそれぞれ液化ガス貯槽（ＣＥ・コールドエバポレーター）等から供給される。

各原料ガス供給ライン１２，１３は、主に、減圧ユニット４１、圧力センサ４２、流量制御ユニット４３、電磁弁４４、逆止弁４５を上流側から順に有している。

減圧ユニット４１は、減圧弁（レギュレータ）４１ａを備え、供給されたガスをあらかじめ定められた圧力に調整して流すものである。この圧力は、ガスをバッファタンク３１にまで送るのに必要な圧力であって、例えば０．６５ＭＰａなどに設定される。

圧力センサ４２は、供給される原料ガスの圧力を監視するためのものであり、異常があれば報知するように構成される。

流量制御ユニット４３は、オリフィス４３ａと、オリフィス４３ａに接続されて流量を測定するフロートランスミッタ４３ｂと、フロートランスミッタ４３ｂから信号が入力される流量計コントローラ４３ｃと、流量計コントローラ４３ｃに従って開閉される制御弁４３ｄを有している。上流側に位置する制御弁４３ｄと、それより下流側に位置するオリフィス４３ａは直管で接続されて所定間隔があけられている。

原料ガスについての所定の圧力と流量は、製造する混合ガスの組成に基づいて所定の混合比率になるように定められる。

電磁弁４４は後段に位置するバッファタンク３１内の圧力に基づいて原料ガス供給ライン１２，１３を開閉するものである。

これらのほか、原料ガス供給ライン１２，１３は異物除去のためのストレーナやフィルター（図示せず）、温度計（図示せず）など必要な機器を備えている。

なお、複数の原料ガス、この例では２種類の原料ガスを等圧で供給する場合には、等圧弁（図示せず）を介して原料ガス供給ライン同士を接続することもできる。

各原料ガス供給ライン１２，１３は、混合ガス供給装置１１の所望の供給流量（流量）等を考慮しつつ、前述したように所定の圧力と流量で原料ガスを供給するように制御される。制御の一例として、混合ガスが合成空気（酸素２２％、窒素７８％）である場合を示す。

Ａガスを酸素、Ｂガスを窒素とし、供給流量を３００Ｎｍ^３／ｈとすると、液化ガス貯槽からは、例えば酸素は０．７５ＭＰａ、６６Ｎｍ^３／ｈで、窒素は０．７５ＭＰａ、２３４Ｎｍ^３／ｈで供給して、減圧ユニット４１において所定の設定圧力０．６５ＭＰａにするとよい。また、前述した流量制御ユニット４３における制御弁４３ｄとオリフィス４３ａとの間の距離は、酸素を供給する原料ガス供給ラインでは４００ｍｍ以上にし、窒素を供給する原料ガス供給ラインでは６００ｍｍ以上にするとよい。

ガス混合装置１４の混合器２１は、適宜のインラインミキサーで構成できる。混合器２１は、例えば管内にガスを細分化しながら混合する混合ノズルを備えたものや、合流したガスを通過させて撹拌する撹拌エレメントを管内に備えたものなどを使用することもできる。好ましくは、混合器２１は混合する原料ガスを同じ方向に流す構成であるとよく、より好ましくは、各原料ガスを所定量ずつ混ぜることに重点を置いた構成であるとよい。つまり、原料ガス供給ライン１２，１３で所定量ずつ供給される原料ガスの混合比率を所望通りにするために、合流時に引き込みや吸い出しを生じさせない構成であるのが望ましい。

具体的には、図２に示したように、混合器２１は、複数の原料ガスのうち主たる原料ガスを通す流路２２と、流路２２内で下流側に向けて延びて他の原料ガスを吐出する吐出管２３を備え、吐出管２３の先端の吐出口２３ａが流路２２内で開口している構成であるとよい。主たる原料ガスとは、原料ガスのうち混合比率が最も多い原料ガスである。

この混合器２１は、Ｔ字型をなす配管（継手）、いわゆるチーズ２４を用いて構成できる。具体的には、混合器２１はチーズ２４における一直線状に延びる本管２４ａにおける一方の開口を閉塞部材２５で閉じるとともに、閉塞部材２５の中心に、吐出管２３を接続して吐出管２３の先端をチーズ２４内に延ばして構成される。チーズ２４の枝管２４ｂは、主たる原料ガスを供給する供給口であり、チーズ２４内が流路２２となり、枝管２４ｂに供給された原料ガスはＬ字状に曲がって閉塞部材２５を有する側と反対側に向けて流れることになる。

前述例の合成空気の場合、主たる原料ガスを窒素とし、他の原料ガスを酸素とする。

混合器２１のサイズ等は、混合ガス供給装置１１の所望の供給流量（流量）と、原料ガスを供給する際の圧力と流量を考慮して、所定比率の混合が精度良くなされるように設定される。その要素としては、例えばチーズ２４における枝管２４ｂの内径ｄ１や、本管２４ａの内径ｄ２、吐出管２３の内径ｄ３、吐出管２３の吐出口２３ａ位置（又はチーズ２４内における吐出管２３の長さＬや、チーズ２４の枝管２４ｂとの位置関係）がある。

バッファタンク３１は、混合器２１で混ぜられた原料ガスを単に貯留するだけではなく、積極的に混合を行うように構成されている。

図３にバッファタンク３１の概略構造の外観を示す。この図に示すようにバッファタンク３１は縦長形状であり、円筒状の胴部３１ａと、縦断面半楕円形の下端部３１ｂと上端部３１ｃを有している。バッファタンク３１には、下部から導入し上部から導出するように、バッファタンク３１の下部の側面に入口３２を、上部の側面に出口３３を一つずつ形成している。

これら入口３２と出口３３にはそれぞれバッファタンク３１内に位置する管体が接続されている。すなわち、入口３２には、混合器２１で混合された一次混合ガスをバッファタンク３１内に噴き入れる導入管３４が接続され、出口３３には、バッファタンク３１内で流動して混合された二次混合ガスを導き出す導出管３５が接続されている。

導入管３４と導出管３５は直線状であり、バッファタンク３１の直径部分を通るように配設されている。また導入管３４と導出管３５の向きは互いに交差する向きであり、このため、導入管３４と導出管３５はねじれの位置関係になる。

具体的には、導入管３４と導出管３５は互いに直交する向きに設定され、入口３２と出口３３は上下方向に並ぶことはなく、９０度異なる方向に向いている。図中、３６は接続のためのフランジである。導入管３４の入口３２と反対側の端と、導出管３５の出口３３と反対側の端は閉塞されている。

導入管３４は、図４の（ａ）に示したように、バッファタンク３１に導入する一次混合ガスを噴出すための噴出口３７を複数有している。同様に、導出管３５は、図４の（ａ）に示したように、バッファタンク３１内の二次混合ガスをバッファタンク３１から排出するために内部に吸入する吸入口３８を複数有している。噴出口３７と吸入口３８は円形である。

図４は導入管３４と導出管３５の平面図であり、この図に示したように、導入管３４の噴出口３７は、まっすぐ上に向けずに、斜め上に向けられている。しかも、導入管３４の長さ方向に沿って一直線上に配設された噴出口３７は、一方向に傾けた噴出口３７ａと他方向に傾けた噴出口３７ｂを有しており、これら向きの異なる噴出口３７は長手方向の中間において分けられている。

これに対して導出管３５の吸入口３８は、まっすぐ上に向けて開口している。また、導入管３４と導出管３５の太さは同じであるのに対して、吸入口３８は噴出口３７よりも大きく形成されている。吸入口３８の大きさは噴出口３７の２倍～３倍程度にするとよい。

図５は、バッファタンク３１の概略構造を示す縦断面図であり、バッファタンク３１の中心において導入管３４を横切る方向に切断した状態を示している。この図に示すように導入管３４の噴出口３７は左右の斜め上４５度に向けて開口している。

導入管３４については、図６に示したように、噴出口３７を斜め下に向けて取り付けてもよい。

バッファタンク３１には、図１に示したように、バッファタンク３１内の圧力を測定し信号を送る圧力トランスミッタ４６が接続されている。圧力トランスミッタ４６は、圧力センサ４７を介して原料ガス供給ライン１２，１３の電磁弁４４に接続されるとともに、圧力計コントローラ４８を介して原料ガス供給ライン１２，１３の流量計コントローラ４３ｃに接続される。すなわち電磁弁４４はバッファタンク３１内の圧力が所定圧力よりも高ければ閉じ、低ければ開くように開閉制御される。また、流量計コントローラ４３ｃに接続される制御弁４３ｄは、流量計コントローラ４３ｃに従って、バッファタンク３１内の圧力が所定圧力よりも高ければ閉じ、低ければ開くように開閉調整されて適切な流量を維持するように制御される。

バッファタンク３１の出口３３とは反対側の端には、分析計４９が接続される。分析計４９は、導出管３５内の混合ガスをサンプリングして分析するためのものであって適宜の機器で構成される。混合ガスが合成空気の場合には、分析計４９は酸素濃度を測定する機器で構成し、酸素濃度が所定の範囲内にあるか否かを基準にして混合比率の良否を判定するように構成できる。

分析計４９は、原料ガス供給ライン１２，１３の流量計コントローラ４３ｃに接続されている。流量計コントローラ４３ｃに接続される制御弁４３ｄは流量計コントローラ４３ｃに従って開閉度が調整され、酸素濃度が高ければ酸素を送る原料ガス供給ライン１２の流量を低減するか、窒素を送る原料ガス供給ライン１３の流量を増加する。逆に酸素濃度が低ければ、酸素を送る原料ガス供給ライン１２の流量を増加するか、窒素を送る原料ガス供給ライン１３の流量を低減して、適切な混合比率を維持できるように流量が制御される。

バッファタンク３１から延びる混合ガス供給ライン１５は、図１に示したように、減圧ユニット５１を有しており、混合ガスを必要とする場所（ユースポイント）に接続される。減圧ユニット５１は、得られた混合ガスを、原料ガス供給ライン１２，１３の減圧ユニット４１よりも低い所定の設定圧力、例えば０．４ＭＰａほどに安定させる。

バッファタンク３１についても混合器２１の場合と同様に、混合ガス供給装置１１の所望の供給流量（流量［Ｎｍ^３／ｈ］）と、原料ガスを供給する際の圧力と流量を考慮して、混合が精度良くなされるように各部の寸法や具体的構成が設定される。

バッファタンク３１は下部の入口３２から導入した一次混合ガスを流動させて上部の出口３３から排出するものであるので、精度良い混合のためには図７に示したように線速度（ＬＶ：Ｌｉｎｅａｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）と空間速度（ＳＶ：Ｓｐａｃｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を考慮するとよい。

ここで、線速度（ＬＶ）はガスがバッファタンク断面を通過する速度であり、と空間速度（ＳＶ）はバッファタンク３１に入ったガスがバッファタンク３１を抜ける（通過する）速度である。線速度（ＬＶ［ｍ／ｈ］）は、Ｑ：流量［Ｎｍ^３／ｈ］／Ａ：バッファタンク断面積［ｍ^２］で得られる。空間速度（ＳＶ［１／ｈ］）は、Ｑ：流量［ｍ^３／ｈ］／Ｖ：バッファタンク容積［ｍ^３］で得られる。

線速度（ＬＶ）と空間速度（ＳＶ）は、供給流量（流量［Ｎｍ^３／ｈ］）と、バッファタンク３１の内径：Ｄ［ｍ］と高さ：Ｈ［ｍ］の値で変化する。

またバッファタンク３１内の具体的構成として、導入管３４と導出管３５の形態、これらのバッファタンク３１高さＨとの関係における上下位置関係（ａ：ｂ：ｃ）、高さに対する間隔の割合（ｂ：Ｈ）、噴出口３７や吸入口３８の大きさ（ｄ４，ｄ５）のほか、その個数（Ｘ個、Ｙ個）や位置、向きなどによって、主に混合の完成度が変化する。

これらの諸条件を、所望の供給流量（流量［Ｎｍ^３／ｈ］）において所定の混合比率の混合ガスを精度高く得られるように設定する。

このような構成のガス混合装置１４を備えた混合ガス供給装置１１では、次のようにして混合ガスが生成され、供給される。

まず、各原料ガスが原料ガス供給ライン１２，１３を通して所定の圧力と流量で供給されると、各原料ガスは混合器２１においてあらかじめ定められた所定の混合比率で混ざり合う。具体的には図２に示したように、チーズ２４内の流路２２を流れる主たる原料ガスの流れに、吐出管２３の吐出口２３ａから出る他の原料ガスが合流して各原料ガスは混ざり合う。３種類以上のガスを混ぜる場合も同様であり、混合器２１を複数段階に接続した場合には、２種類ずつのガスが順次混ざり合うことになる。

各原料ガスが混合した一次混合ガスは、バッファタンク３１の入口３２から導入管３４に入り、図５に示したように噴出口３７から噴出される。噴出された一次混合ガスはバッファタンク３１内で広がりながら上昇し、バッファタンク３１の天井面に当たっては降下し再び上昇する流動が起きて、更なる混合がなされる。このような流動によって混合された二次混合ガスは、上部に位置する導出管３５の吸入口３８から導出管３５内に入り、出口３３から排出される。

出口３３に至る混合ガスは、各原料ガスがそれぞれあらかじめ定められた所定の圧力と流量で供給されて、まず混合器２１において所定の混合比率で混ざり合ったのち、バッファタンク３１内において流動して更になる混合がなされたものである。このため、適切な混合比率で均一に混合された状態である。

しかも、バッファタンク３１内には導入管３４と導出管３５のみを備える構造であるので、ガスを通過させることで撹拌させる部材を充填した構成と比較して、圧力損失を抑えることができる。

導出管３５内の混合ガスの成分分析の結果、もし所定の範囲を逸脱している場合には、分析計４９に接続された流量計コントローラ４３ｃを介してすぐさま制御弁４３ｄの開閉調整がなされて、原料ガスの流量が所定の混合比率を得られるように調整される。

また、バッファタンク３１内の圧力を圧力トランスミッタ４６が監視し、あらかじめ定められた範囲を逸脱すると、圧力センサ４７を介して電磁弁４４が開閉される。すなわち電磁弁４４は、圧力が所定値より高い場合には閉じ、低い場合には開く。同時に、圧力計コントローラ４８と流量計コントローラ４３ｃを介して制御弁４３ｄが開閉調整されて、原料ガスの流量が所定の混合比率を得られるように調整される。

バッファタンク３１の出口３３から排出される混合ガスは、混合ガス供給ライン１５を通って供給される。

以上のように、複数種類の原料ガスは所定の混合比率のなるように混合器２１で混合されたのち、バッファタンク３１内を流動して更に混合される。バッファタンク３１は縦型とするとともに、入口３２と出口３３を上下に分けて形成し、入口３２の導入管３４と出口３３の導出管３５を利用して流動させて混合する構成であるので、バッファタンク３１を通過する際の抵抗は小さくできる。このため、速やかな混合が行え、混合ガス供給装置１１の供給流量を、例えば６００Ｎｍ^３／ｈ、１０００Ｎｍ^３／ｈなどのような大流量にしても、混合精度の高い所望の混合ガスを得ることができる。

しかも、バッファタンク３１で積極的に混合を行うので、混合器２１において完全な混合を行う必要はない。このため、混合器２１は、大流量にも対応できるような簡素な構成にできる。

また、混合ガスはバッファタンク３１を出る際には高い精度で混合されているので、負荷変動（流量変動）がある場合であっても、高い混合精度が得られる。

また導入管３４と導出管３５は直線状であるので構成が簡素なうえに、バッファタンク３１内を横切るように配置されるので、効率よくガスの混合ができる。しかも、導入管３４と導出管３５の向きは互いに交差する向きであるため、ガスの流動に変化をつけることができ、この点からも効率よい混合が可能である。

効率の良い混合は、導入管３４の噴出口３７を鉛直方向に対して傾けるとともに、傾きの異なる噴出口３７を共存させていることからも実現できる。

加えて、混合器２１は、複数の原料ガスのうち主たる原料ガスを通す流路２２と、流路２２内で下流側に向けて延びて他の原料ガスを吐出する吐出管２３を備え、吐出管２３の吐出口２３ａを流路２２内で開口して構成している。このため、構成が簡素であるうえに、原料ガスの混合に際して過度の引き込みや吸い出しもなく、所定比率での混合を正確に行うようにすることが可能である。

以上の構成はこの発明を実施するための一形態であって、この発明は前述の構成のみに限定されるものではなく、その他の構成を採用することができる。

例えば、導入管３４の噴出口３７や導出管３５の吸入口３８は、円形ではなくスリット（細溝）形状などであってもよく、噴出口３７や吸入口３８は複数でなくともよい。

導入管３４と導出管３５の形態は、直線状のほか、環状や波形に湾曲したものなど、その他の形態であってもよく、実施例で示したバッファタンク３１における入口３２と出口３３の配置を上下反対にしたり、入口３２や出口３３と共に複数備えてもよい。

また、バッファタンク３１の形態は縦長でなくともよい。

１２，１３…原料ガス供給ライン
１４…ガス混合装置
２１…混合器
２２…流路
２３…吐出管
２３ａ…吐出口
３１…バッファタンク
３２…入口
３３…出口
３４…導入管
３５…導出管
３７…噴出口
３８…吸入口

Claims (5)

1. 原料ガスをそれぞれ所定の圧力と流量で供給する複数の原料ガス供給ラインの後段に備えられて前記原料ガスを混合する混合器と、前記混合器の後段に設けられるバッファタンクを備えたガス混合装置であって、
   前記バッファタンクに入口と出口が形成され、
   前記入口には、前記混合器で混合された一次混合ガスをバッファタンク内に噴き出す噴出口を有した導入管が接続され、
   前記出口には、前記バッファタンク内で流動して混合された二次混合ガスを吸入する吸入口を有した導出管が接続された
   ガス混合装置。
2. 前記導入管と前記導出管が直線状である
   請求項１に記載のガス混合装置。
3. 前記導入管と前記導出管の向きが互いに交差する向きである
   請求項２に記載のガス混合装置。
4. 前記導入管の前記噴出口が鉛直方向に対して傾いているとともに、
   傾きの異なる前記噴出口を有している
   請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のガス混合装置。
5. 前記混合器が、複数の原料ガスのうち主たる原料ガスを通す流路と、前記流路内で下流側に向けて延びて他の原料ガスを吐出する吐出管を備え、
   前記吐出管の先端の吐出口が前記流路内で開口している
   請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のガス混合装置。
   

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