カスケード充填システムは、高圧ガスボンベ貯蔵システムであり、小型の圧縮ガスボンベの充填に使用されます。[1] [2]用途によっては、各大型ボンベはコンプレッサーによって充填されますが、そうでない場合は遠隔で充填し、圧力が低すぎて効果的な移送が不可能な場合は交換されます。カスケードシステムでは、コンプレッサーを使用せずに小型ボンベを充填できます。さらに、カスケードシステムは貯蔵タンクとしても有用であり、低容量のコンプレッサーで複数の小型ボンベを連続して充填する需要に対応し、貯蔵ボンベへの充填のための中間期間を長くすることができます。
動作原理
高圧のシリンダー内のガスを、より低圧のガスが入った別のシリンダーに流すと、両シリンダーの圧力は最初の2つの圧力の間のどこかの値に等しくなります。平衡圧力は温度の影響を受けるため、移動速度によっても影響を受けますが、温度が一定であれば、平衡圧力はドルトンの分圧の法則と理想気体に対するボイルの法則によって記述されます。
平衡圧力の式は次のとおりです。
- P 3 = (P 1 ×V 1 +P 2 ×V 2 )/(V 1 +V 2 )
- ここで、P 1と V 1は、1つのシリンダーの初期圧力と容積である。
- P 2と V 2 は、他のシリンダーの初期圧力と容積です。
- P 3は平衡圧力です。
例えば、100リットル（内容積）のシリンダー（V 1）を200バール（P 1 ）に加圧し、加圧されていない（P 2 = 1バール） 10リットル（内容積）のシリンダー（V 2 ）に充填すると、両方のシリンダーの圧力は約180バール（P 3）に等しくなります。次に、今度は250バールに加圧された別の100リットルシリンダーを使用して10リットルシリンダーを「補充」すると、これらのシリンダーの両方の圧力は約240バールに等しくなります。しかし、高圧の100リットルシリンダーを最初に使用すると、10リットルシリンダーは約225バールに等しくなり、低圧の100リットルシリンダーを使用して補充することはできません。カスケード貯蔵システムでは、常に最も低い使用可能な圧力の供給シリンダーを最初に使用し、次に次に圧力が低いシリンダー、などとなります。
実際には、理論的な伝達効率を達成するには、ガスが切断前に温度平衡に達する必要があります。これにはかなりの時間がかかり、時間を節約するために効率を低く抑える必要がある場合もあります。実際の伝達効率は、シリンダー内のガス温度を正確に測定できれば、一般的な気体状態方程式を用いて計算できます。
用途
呼吸セット
呼吸セットシリンダーは、より大きな（多くの場合50リットル）シリンダーからデカンテーションすることで、作動圧力まで充填することができます。（これを容易にするために、Siebe Gorman Salvus リブリーザーのシリンダーのネックには、酸素貯蔵シリンダーと同じネジ山が付いていますが、雄雌が逆になっており、直接デカンテーションできます。）貯蔵シリンダーは様々なサイズがあり、通常、内容積50リットルから100リットルを超えるものまであります。[3]
より一般的なケースでは、充填ホイップと呼ばれる高圧ホースを使用して、充填パネルまたは貯蔵シリンダーを受容シリンダーに接続します。
カスケード充填は、ダイビング用の呼吸ガス混合物の部分圧力混合によく使用され、比較的高価な酸素を節約し、ナイトロックスや、さらに高価なトリミックスやヘリオックス混合物のヘリウムを節約します。[2]
圧縮天然ガス燃料
カスケード貯蔵は、圧縮天然ガス（CNG）給油スタンドで使用されています。通常、3つのCNGタンクが使用され、車両はまずそのうちの1つのタンクから燃料を補給されます。そのため、3000 psigのタンクで2000 psig程度までしか充填されないことがあります。2つ目と3つ目のタンクで、車両のタンクの圧力は3000 psiに近づきます。スタンドには通常、コンプレッサーが設置されており、公共設備からの天然ガスを使ってスタンドのタンクを補充します。これにより、1つの給油タンクで車両の目標圧力よりも高い圧力で燃料を補給するシステムで起こり得る、タンクへの過充填を防止できます。
水素貯蔵
水素貯蔵のためのカスケード貯蔵システムが提案されている。例えば、水素ステーションの燃料ディスペンサーでは、 別々のディスペンサーごとに別々のカスケードバンクが使用され、1つのディスペンサーが過剰に使用された場合に高圧バンクに自動的に切り替わるシステムが搭載されている。[4]
貯蔵バンクはそれぞれ3つのタンクで構成され、貯蔵タンクと車両タンクの正の差が小さい順に、車両タンクが満杯になるまでバランス圧力まで充填が進められます。貯蔵バンクには、過充填を防止するための安全ベントシステムが備えられ、コンプレッサーと貯蔵ユニットの間には高圧破裂板（8000psi）が追加され、人員およびインフラから安全な距離を置いて大気に放出されます。[4]
システムの配置
貯蔵シリンダーは、圧力ゲージと手動ブリードバルブを備えたポータブル移送ホイップを使用して順番に独立して使用し、適切な充填圧力に達するまで受入シリンダーを移送することができます。また、貯蔵シリンダーを、1 つ以上の充填ホイップを備えたマニホールド システムおよび充填制御パネルに接続することもできます。
理想的には、各貯蔵シリンダーには、そのシリンダー専用の内容物圧力ゲージと供給バルブ、および充填ホイップに接続された充填ゲージを備えた充填パネルへの独立した接続があり、オペレーターは、受入シリンダー圧力と比較して次に高い貯蔵シリンダー圧力を一目で確認できます。
貯蔵シリンダーは、使用時にフレキシブル ホースでマニホールドに接続して遠隔的に充填することも、自動または手動で制御される専用の充填システムを介してコンプレッサーによって恒久的に接続して充填することもできます。
シリンダーの過充填を防ぐために、通常、圧縮機と貯蔵ユニットの間に過圧安全弁がインラインで設置され、各シリンダーは破裂ディスクによって保護されることもあります。
参考文献
- ^ Millar IL; Mouldey PG (2008). 「圧縮呼吸用空気 ― 内部からの悪影響の可能性」.ダイビングと高圧医学. 38 (2).南太平洋水中医学協会: 145–51 . PMID 22692708.
- ^ ab Harlow, V (2002).酸素ハッカーのコンパニオン. エアスピード・プレス. ISBN 0-9678873-2-1。
- ^ 「特殊ガスシリンダーの寸法」（PDF）www.airproducts.com。 2008年9月11日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。
- ^ ab Baur, Stuart; Sheffield, John; Enke, David; Martin, Kevin; Brownfield, Mark; Amornwattana, Sunisa; Tirasirichai, Chakkaphan; Hartman, Travis; Ganson, Troy; Brower, Michael; Morton, Nicholas; Baird, Greg; Cremer, Chris; Stecher, Ryan; O'Connell, Dan; Kukic, Amir; Cox, Leroy (2004). 第1回大学学生水素デザインコンテスト：水素燃料ステーション(PDF) (レポート). ミズーリ大学ローラ校. 2007年7月26日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。リンク切れ
外部リンク
