JPH08320099A - 極低温流体の温度を調節する装置及び方法 - Google Patents

極低温流体の温度を調節する装置及び方法

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JPH08320099A
JPH08320099A JP8129985A JP12998596A JPH08320099A JP H08320099 A JPH08320099 A JP H08320099A JP 8129985 A JP8129985 A JP 8129985A JP 12998596 A JP12998596 A JP 12998596A JP H08320099 A JPH08320099 A JP H08320099A
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heat
fluid conduit
fluid
cryogenic liquid
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Leonard Schoenman
レオナード・ショーンマン
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Abstract

(57)【要約】 【解決課題】 製作コスト及び処理コストの低い断熱シ
ステムを有する極低温流体の温度を調節する装置及び方
法を提供する。 【解決手段】 外壁６及び内壁８を有する貯蔵容器２
は、該内壁８と外壁６との間の断熱空間１０、該内壁８
内部に規定された液化ガスを貯蔵する内部チャンバ１２
を備える。該内部チャンバ（１２）周囲に可変熱抵抗を
実現するために、熱制御流体を該断熱空間（１０）内部
に含む。流体導管（３０）は、該内部チャンバ（１２）
と流体連通関係にある入り口及び出口と、該断熱空間
（１０）内に配された熱交換器コイル（３６）とを有す
る。制御バルブ（３８）は、極低温液体がコイル（３
６）を通過する際に熱制御流体と熱交換関係にあるよう
に、極低温液体を流体導管（３０）を通して流すことが
できる。断熱空間内の制御ガスの圧力を調節することが
できるので、流体導管（３０）を通過する極低温液体野
流速を制御することで内部チャンバ（１２）への熱流を
制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、極低温液体用の貯
蔵容器に関し、特に、ＬＮＧ車両用燃料補給ステーショ
ン等の断熱された二重壁貯蔵容器内の極低温液体の温度
及び圧力を調節する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】極低温液体は、窒素、天然ガス又はガス
状炭化水素等の非常に低い臨界温度（例えば、−２００
°Ｆ以下）を有する液化ガスである。極低温液体は、典
型的には、二重壁の間の真空空間に多重フォイル断熱層
を備える二重壁真空ジャケット構造を有する容器内にお
いて貯蔵され又は輸送される。このタイプの多重断熱層
の欠点は、一般に所定の熱抵抗を有することである。よ
って、液体がこのタイプの容器から抜き出されると、容
器内の圧力を維持するために、抜き出された液体の容積
は等容積のガスで置換されなければならない。さもなけ
れば、チャンバ内の極低温液体の圧力は減少し、液体の
幾分かがフラッシュし気化してしまう。液体のフラッシ
ュ蒸発は、液体の温度を低下させ、タンク内の圧力を減
少させる。典型的な除去された液体容積と等容積のガス
の置換方法は、容器から抜き出された追加の液体を外部
の熱交換器に向ける工程を含む。該熱交換器内で、液体
はより大きな容積のガスに気化され、次いでポンプ又は
重力のいずれかによって容器内に戻される。
【０００３】現存する貯蔵容器の別の欠点は、多重フォ
イル断熱層の製作コストが非常に高いということであ
る。熱交換器システムは、このコストを追加する。一
方、貨物船等の極低温液体を長期間貯蔵する容器、又は
車両用燃料補給ステーション等の極低温液体の迅速な分
配及び置換を必要とする他の容器のコストは、あまり高
くできない。これらの場合において、現存する断熱シス
テムの製作コスト及び処理コストは正当ではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、製作
コスト及び処理コストのかからない極低温流体の温度を
調節する装置及び方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、貯蔵容器内の
液化ガス又は極低温液体の温度及び圧力を調節するため
の比較的廉価な装置及び方法を指向する。該装置は、貯
蔵容器内に、極低温液体をその臨界温度以下で維持する
に十分な熱バリアを具備する。加えて、該装置は、可変
熱抵抗を有し、容器から多量の極低温液体が抜き出され
る際に、極低温液体の圧力及び温度を所望のレベルに維
持することができるので、液体の分配を促進することが
できる。
【０００６】本発明によれば、液化ガスを維持するチャ
ンバを規定する内壁及び該内壁との間に空間を規定する
外壁と、該液化ガスに対する熱流を調節する該空間内に
配設された熱制御流体と、該チャンバと流体連通関係に
ある入り口及び出口を有し、該空間を通過し、該空間内
に熱転移部分を規定する流体導管と、該流体導管を通過
する液化ガスの流れを制御する制御バルブと、を備え、
該液化ガスが該流体導管の熱転移部分を通過する際に、
該液化ガスは該熱制御流体と熱交換関係にあることを特
徴とする液化ガス貯蔵容器が提供される。
【０００７】上記熱転移部分は、上記空間内に位置付け
られた熱交換器コイルであることが好ましい。また、上
記液化ガス貯蔵容器は、該熱交換器コイルに隣接して設
けられた固体吸収剤を含み、上記熱制御流体は冷却時又
は凝縮時に該固体吸収剤上に吸収されることが好まし
い。さらに、該固体吸収剤は、上記熱交換器コイルの周
囲に設けられた粒子のベッドであることが好ましい。
【０００８】上記流体導管入り口は、上記流体導管の下
方に位置付けられていることが好ましい。
【０００９】上記チャンバは、液化ガスの一部を排出す
るための出口を有することが好ましい。この場合には、
さらに、チャンバ内の圧力を検知するセンサと、上記制
御バルブ及び該センサに作用的に結合され、チャンバ内
の液化ガスの温度をほぼ同等に維持するように、該制御
バルブを通過する液化ガスの流速を制御する制御手段
と、を含むことが好ましい。該制御手段は、チャンバ内
の圧力が減少して熱制御流体の温度が増加する際に液化
ガスの流速を減少させる手段を備え、チャンバ内の液化
ガスの温度をほぼ同等に維持するように内壁を通過する
熱をより多くすることが好ましい。また、該制御手段
は、チャンバ内の圧力が増加して熱制御流体の温度が減
少する際に、液化ガスの流速を増加させる手段を備え、
チャンバ内の液化ガスの温度をほぼ同等に維持するよう
に内壁を通過する熱をより少なくすることが好ましい。
あるいは、該制御手段は、流体導管の断面積を変化させ
るために制御バルブを調節するための手段を備え、チャ
ンバから流体導管内に液化会うを吸引する低い圧力領域
を熱交換器コイルの蒸気下流に生じさせることが好まし
い。
【００１０】さらに、上記貯蔵容器は、上記空間内に配
された閉鎖セル断熱体を含み、該閉鎖セル断熱体及び熱
制御流体がチャンバ内の液化ガスをほぼ取り巻く熱バリ
アを生成し、該閉鎖セル断熱体は内壁上に熱制御流体が
凝縮することを阻止することが好ましい。
【００１１】また、上記貯蔵容器は、上記空間内の開放
セル断熱体及び薄膜蒸気バリアを含み、該蒸気バリアは
内壁の周囲に配されて熱制御流体が内壁上に凝縮するこ
とを阻止し、該開放セル断熱体及び熱制御流体はチャン
バ内の液化ガスをほぼ取り巻く熱バリアを生成すること
が好ましい。
【００１２】本発明によれば、（ａ）該液化ガスを維持
するチャンバを規定する内壁及び該内壁との間に空間を
規定する外壁を有する貯蔵容器内に、該液化ガスを位置
付ける工程と、（ｂ）該液化ガスと該空間内に配設され
た熱制御流体とを断熱する工程と、（ｃ）該液化ガスの
一部を制御された流速にて、該空間内に熱転移部分を有
する流体導管を通過させて、該液化ガスを含む熱制御流
体を制御された温度まで冷却する工程と、を備えること
を特徴とする液化ガスの温度を調節するための方法が提
供される。
【００１３】上記（ｃ）工程の間に、さらに液化ガスの
一部を蒸発させて、チャンバ内に蒸気を戻す工程を備え
ることが好ましい。この場合には、上記工程（ｃ）は、
制御バルブを調節して、流体導管の断面積を変化させる
工程と、熱交換器部分の下流に低い圧力領域を生じさせ
流体導管内に液化ガスを吸引する工程と、を備えること
が好ましい。あるいは、上記工程（ｃ）は、熱交換器コ
イルを通過する液化ガスを方向づける工程と、熱制御流
体が液化ガスの一部の温度とほぼ同等の温度に達する際
に熱制御流体を熱制御液体に凝縮させる工程と、を備え
ることが好ましい。また、上記工程（ｄ）は、熱制御流
体が液化ガスの一部の温度とほぼ同等の温度に達する際
に、流体導管の熱交換部分近くに配された固体材料上に
熱制御流体を吸収する工程を備えることが好ましい。
【００１４】さらに、本発明の方法は、貯蔵容器内の出
口を通して液化ガスの一部を排出して、チャンバ内の圧
力を減少させ、チャンバ内の液化ガスを冷却する工程を
備えることが好ましい。この場合には、さらにチャンバ
内の圧力が減少して熱制御流体の温度及び圧力を増加さ
せる際に、流体導管を通る液化ガスの流速を減少させ
て、チャンバ内の液化ガスの温度をほぼ同等に維持する
ように内壁を通過する熱をより多くする工程を備えるこ
とが好ましい。あるいは、チャンバ内の圧力が増加して
熱制御流体の温度及び圧力を減少させる際に、流体導管
を通る液化ガスの流速を増加させて、チャンバないの液
化ガスの温度をほぼ同等に維持するように内壁を通過す
る熱をより少なくする工程を備えることが好ましい。
【００１５】上記貯蔵容器は、内壁及び外壁を備える。
該内壁は、極低温液体を保持するチャンバを取り巻く。
極低温液体を断熱するために、概してガス状である熱制
御流体を減圧下にて内壁及び外壁の間の断熱空間に維持
する。熱制御ガスを通過して極低温液体まで流れる熱流
は、概して制御ガスの圧力に比例する。貯蔵容器は、さ
らに、チャンバ及び断熱空間内に配設された熱交換器コ
イルと流体連通する入り口及び出口を有する流体導管を
含む。制御バルブにより、極低温液体は流体導管内に流
通可能となるので、極低温液体が熱交換器コイルを通過
する際に極低温液体は熱制御ガスと熱交換関係にある。
極低温液体は冷却されて、熱制御ガスを凝縮し、制御ガ
ス圧力を減少させる。したがって、断熱空間内の制御ガ
スの圧力は流体導管を通過する極低温液体の流速を制御
することで調節される。
【００１６】貯蔵容器は、さらに、極低温液体を用いる
ため分配するための出口を含む。極低温液体が貯蔵容器
から抜き出される際には、断熱空間内にて低い熱抵抗を
有し、内部チャンバの温度は液体が抜き出されるにつれ
て低下しないことが好ましい。低い熱抵抗は、コイルを
通る循環速度を比較的低速にして、コイルの冷却効率を
最小にし、環境中から熱を抜き出すことで熱制御ガスの
圧力及び温度を上昇させることによって達成される。貯
蔵容器から液体が少量だけ抜き出されるか又は抜き出さ
れない場合には、極低温液体の臨界温度を維持するため
に高い熱抵抗が望ましい。これは、流体導管を通過する
循環速度を高速にすることで達成され、低圧の凝縮され
た液体相内に熱制御ガスの大部分を維持して、内部チャ
ンバ周りの熱バリアをより効果的にする。
【００１７】本発明の利点の一つは、熱制御ガスが上述
の多重層フォイル断熱材等であり、極低温液体用の公知
の断熱システムに比較して廉価な熱バリアであるという
点にある。別の利点は、断熱空間内に可変熱抵抗を提供
し、貯蔵容器内の極低温液体の温度及び圧力の制御を促
進する点にある。本発明は、車両用燃料補給ステーショ
ン等の貯蔵容器から多量の極低温液体がしばしば分配さ
れる場所に特に適している。これらの場所では、液体は
短時間だけ容器内に残留するのでコストがかかる断熱シ
ステムは適当ではない。加えて、多量の極低温液体が貯
蔵容器から抜き出される際には、内部チャンバ内の圧力
及び温度は比較的大幅に低下する。本発明の方法を利用
することで、コイルを通過する極低温液体の低い循環速
度を選択することができるので、チャンバ内への熱流を
増加させて、液体の抜き取りにより生じる温度低下を相
殺することができる。
【００１８】
【好ましい実施形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限
定されるものではない。
【００１９】図面において、同様の要素には同様の符号
を付して示した。貯蔵容器２は、本発明の原理に従って
図示されている。貯蔵容器２は、例えば、液化天然ガス
を分配するための出口４を有する車両用燃料補給ステー
ションとして用いることができる。貯蔵容器２の別の適
用形態としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ＬＰＧ
（液化石油ガス）又は他の極低温液体の長期又は短期貯
蔵及び／又は輸送用の容器を挙げることができる。
【００２０】図１に示したように、貯蔵容器２は、外壁
６及び内壁８を含み、該外壁及び内壁の間には断熱空間
１０が規定されている。内壁８は、極低温液体を収容す
るための内部チャンバ１２を規定し、低温にて使用する
に適当な金属又は複合材料で形成されている。本実施形
態においては、外壁６及び内壁８はともに、内部チャン
バ１２と同様、球体である。しかしながら、外壁６及び
内壁８は、所望により円筒状でもよくあるいは四角形、
長方形、楕円形等他の種々の横断面形状を有していても
よい。貯蔵容器２は、さらに、内壁８及び外壁６の間の
空間を維持し、外壁６を地面の上方又は下方に支持する
ための支持構造体（図示せず）を含む。
【００２１】内部チャンバ１２の回りに可変熱バリアを
設けるために、断熱空間１０は、開放セル断熱体２０及
び閉鎖セル断熱体２１の両者と、開放セル断熱体２０の
開放空間内に配された熱制御流体と、を含む。開放セル
断熱体２０は、熱制御ガスを熱交換器表面（後述する）
に搬送することができ、またパーライトを含有すること
が好ましい。閉鎖セル断熱体２１は、好ましくは内壁６
の外面上に熱制御流体を凝縮液化できる材料、例えばポ
リスチレンフォームである。あるいは、薄膜蒸気バリア
（図示せず）を開放セル断熱体２０及び閉鎖セル断熱体
２１の間に用いてもよく、内壁６上に熱制御流体が凝縮
することを阻止する。
【００２２】熱制御流体は、比較的低い熱伝導性を有し
極低温液体の断熱を促進する単一の流体若しくは流体混
合物でもよい。加えて、熱制御流体は特定の温度及び圧
力依存特性を有するように選択できるので、断熱空間１
０は熱制御流体の温度及び／又は圧力に依存する可変熱
抵抗を有するであろう。好ましくは、該流体は、特定の
温度範囲にて流体の容積が比較的大きく増加し、増加量
だけ圧力が増加する（逆もまた同じ）ような相転移特性
（固体−気体又は液体−気体）を有する。この場合に
は、チャンバ１２回りの熱バリアを熱制御流体の温度、
したがって圧力を制御することで調節することができ
る。詳細は後述する。
【００２３】図１及び図２の好ましい実施形態におい
て、熱制御流体は、極低温液体が貯蔵容器２内に貯蔵さ
れている温度とほぼ等しい温度にて液体相にある。熱制
御流体は、極低温液体の温度よりもわずかに高温にて気
化する。好ましくは、この流体は窒素であり、１気圧の
圧力にて、約０．０１３Ｂｔｕ／ｈｒ−ｆｔ−°Ｆ
（５．６８×１０-4ｇ−ｃａｌ／ｓ−ｃｍ2（℃／ｃ
ｍ））の伝導率と−３２０°Ｆ（−１６０℃）の沸点を
有する。しかしながら、閉鎖セル断熱体のタイプ、貯蔵
容器内に貯蔵されている極低温液体のタイプ等、種々の
ファクターに応じて、種々のガスを用いることができ
る。例えば、熱制御流体としては、ヘリウム、メタン、
空気、二酸化炭素、アルゴン及びクリプトン等を用いる
ことができるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】図１に示すように、貯蔵容器２は、さら
に、内部チャンバ１２の底部と連通する出口３２及び内
部チャンバ１２の頂部と連通する入り口３４を有するパ
イプ等の流体導管３０を含む。流体導管３０は、断熱空
間１０内部に配置されている熱交換器コイル３６を貫通
して延びる。制御バルブ３８は、出口３２及び熱交換器
コイル３６の間で、流体導管３０に取り付けられてい
る。制御バルブ３８は、好ましくは流体導管３０の横断
面積を変えるように調節可能な慣用の可変バルブであ
り、導管３０を通過する極低温液体の流速を調節するこ
とができる。後述するように、極低温液体は熱交換器コ
イル３６の蒸気下流に戻されるので、流体導管３０が開
放されている際に、極低温液体は出口３２を通して自動
的に抜き出される。蒸気の密度がより低くなることで、
極低温流体を出口３２から入り口３４まで吸引する差圧
が生じる。
【００２５】貯蔵容器２は、流体導管３０を通過する極
低温液体の流速を内部チャンバ１２内の液体の圧力に依
存して自動的に制御する自動制御手段を含む。好ましい
形状において、該自動制御手段は、内部チャンバ１２内
に配設され、マイクロプロセッサ等のコントローラ４２
に作用的に結合された圧力ゲージ等のセンサ４０を含
む。コントローラ４２は、マイクロプロセッサからの信
号に基づいてバルブ３８を開閉する電気機械装置（図示
せず）に結合されている。さらに、第２のセンサ４４を
断熱空間１０内に設け、熱制御流体の圧力又は温度をモ
ニターしてもよい。
【００２６】図２に示されているように、熱交換器コイ
ル３６は、好ましくは、断熱空間１０内で流体導管３０
の周りに延びる複数のフィンコイル５０を備える大表面
積フィンチューブ熱交換器である。極低温液体がフィン
コイル５０を通過するにつれ、熱制御流体は、熱を極低
温液体に転移し、極低温蒸気に気化させる。次いで、熱
制御流体は、フィンコイル５０の周りで凝縮、すなわち
固化するので、断熱空間１０内の全体の温度及び圧力は
減少する。
【００２７】再び、図１を参照すれば、極低温液体は概
して、分配される前の短時間、内部チャンバ１２内に貯
蔵される。この時間の間、液体を所望の貯蔵温度に維持
するために、制御バルブ３８は開放され、極低温液体の
一部は流体導管３０内部を入り口３２から出口３４まで
通過する。冷たい液体が熱交換器コイル３６を通過する
際に、該熱交換器コイルは断熱空間１０内の熱制御流体
に熱を転移させる。こうして、極低温液体は極低温蒸気
に気化して、熱制御流体はフィンコイル５０内に凝縮さ
れる。極低温蒸気は出口３２を通過して、内部チャンバ
１２内に戻る。容器の頂部に戻る蒸気は、重力ヘッドゆ
えに内部チャンバ１２の底部における極低温液体よりも
低い圧力であるので、制御バルブが開放されている間、
流体は流体導管３０を通過して抜き出される。熱制御流
体の凝縮は、断熱空間１０内の温度及び圧力を減少さ
せ、よって、空間の熱抵抗を減少させる。こうして、内
部チャンバ１２内の極低温液体の周りに十分な熱バリア
を提供するので、極低温液体をその臨界温度よりも低く
維持することができる。
【００２８】大容積の極低温液体が貯蔵容器２の出口４
を通過して分配されると、内部チャンバ１２内の圧力は
突然低下し、チャンバ内の極低温液体の温度を減少させ
る。このとき、センサ４０が圧力の低下を検知し、コン
トローラ４２は制御バルブ３８を部分的に又は完全に閉
鎖して、流体導管３０を通過する極低温液体の流れを緩
慢にするか又は停止させる。冷たい液体はもはや熱交換
器コイル３６を通過して流れないので、熱制御流体の温
度は上昇して熱制御流体が気化し、断熱空間１０内部の
圧力を増加させる。断熱空間１０内の圧力が高くなる
と、内部チャンバ１２への熱流は増加し、液体の抜き出
しにより生じた温度及び圧力の低下を相殺する。
【００２９】図３は、本発明の別の実施形態を示す。こ
の実施形態において、熱交換器コイル５２は、流体の温
度に依存して溶解し又は液体を吸収する固体又は液体材
料５４で満たされている。好ましくは、該材料５４は、
クリプトン、アルゴン又は窒素等の流体被吸収剤を有す
るＳａｒａｎ（商標）チャコールである。しかしなが
ら、当業者には、ハイドライド等の他の固体又は液体材
料を用いてもよいことが自明であろう。この実施形態に
おいて、熱制御流体は、好ましくは、極低温液体の温度
にほぼ等しい温度にて材料５４に吸収され又は溶解さ
れ、極低温液体よりもわずかに高い温度にて脱着される
ガスである。ゆえに、極低温液体が比較的高速にて流体
導管３０を通過して流れる際に、熱制御ガスは材料５４
上に吸収され、断熱空間１２内の圧力は減少する。同様
に、極低温液体が低速で流れるか又は流れない場合に
は、熱制御流体は材料５４から脱着され、断熱空間１２
内の圧力は増加する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の貯蔵容器の概略断面図であ
る。
【図２】図２は、図１の貯蔵容器の断熱空間内に配設さ
れた熱交換器の拡大図である。
【図３】図３は、図２の熱交換器の別の実施形態の拡大
図である。
【符号の説明】
２：貯蔵容器 ６：内壁 ８：外壁 １０：断熱空間 ２０：開放セル断熱体 ２１：閉鎖セル断熱体 ３０：流体導管 ３６：熱交換器コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595144628 Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ 13222，Ｓａｃｒａｍｅ ｎｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ 95813, Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍ ｅｒｉｃａ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化ガスを貯蔵するための貯蔵容器であ
    って、 液化ガスを維持するチャンバを規定する内壁及び該内壁
    との間に空間を規定する外壁と、 該液化ガスに対する熱流を調節する該空間内に配設され
    た熱制御流体と、 該チャンバと流体連通関係にある入り口及び出口を有
    し、該空間を通過し、該空間内に熱転移部分を規定する
    流体導管と、 該流体導管を通過する液化ガスの流れを制御する制御バ
    ルブと、を備え、該液化ガスが該流体導管の熱転移部分
    を通過する際に、該液化ガスは該熱制御流体と熱交換関
    係にあることを特徴とする貯蔵容器。
  2. 【請求項２】 液化ガスの温度を調節するための方法で
    あって、 （ａ）該液化ガスを維持するチャンバを規定する内壁及
    び該内壁との間に空間を規定する外壁を有する貯蔵容器
    内に、該液化ガスを位置付ける工程と、 （ｂ）該液化ガスと該空間内に配設された熱制御流体と
    を断熱する工程と、 （ｃ）該液化ガスの一部を制御された流速にて、該空間
    内に熱転移部分を有する流体導管を通過させて、該液化
    ガスを含む熱制御流体を制御された温度まで冷却する工
    程と、を備えることを特徴とする方法。
JP8129985A 1995-05-25 1996-05-24 極低温流体の温度を調節する装置及び方法 Pending JPH08320099A (ja)

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