液体窒素ボンベの圧力変化、温度変化について

質問

普段から疑問に思っているのが、ボンベ中に蓄えられた液体窒素はどの位の賞味期限なのか、最後は臨界温度を超えて圧力が高くなったところで安定するのかです。
そこで以下の観点から質問したいと思います。
(1)液体窒素用のボンベは通常どの位の圧力で充填されているのか。恐らくその温度の飽和蒸気圧と思いますが。
(2)ボンベは２重構造の真空断熱でしょうか。
(3)ボンベには安全弁がついていて、ガス化したものを少しずつパージしているのでしょうか。また、その場合の安全弁噴出し圧力の考え方は。
(4)仮に液体窒素を高圧容器に封入していた場合、これが常温になるとどの位の圧力になるのでしょうか。等容変化で計算すればよろしいか。
(5)ボンベに充填するときの温度は沸点以下に過冷却しているのか。
(6)ボンベに貯蔵された液体窒素の賞味期限はどのくらいでしょうか。大きさにもよるでしょうが。
(7)ボンベの頭のところに氷が張っているのを見かけますが、ボンベ内への入熱はここのみからと考えて宜しいでしょうか。
以上厚かましい質問ですが、少しずつでもご回答宜しくお願いします。

回答No.3

nzw · ベストアンサー

いわゆる液体窒素ボンベは、セルファー（自加圧式容器）といって通常の高圧ボンベとは全く異なった構造になっています。

　このボンベはご推察のとおり二重構造の真空断熱になっています。内部に貯蔵された液体窒素から蒸発したガスをもう一度内部に戻す事により加圧し、液体窒素を押し下げることで底面近くまで差し込まれたチューブと接続された取り出し弁から液体を取り出す仕組みになっています。
　このガスを戻す経路に、ガス放出弁が取り付けられており、内圧を解放する仕組みになっています。
　氷が張るのは、この還流させる経路で露出している部分です。ここからの熱流入が大きいのはそうだとおもいますが、取り出し弁等、その他の部分からの流入もそれなりにあるのではないかと思います。
　充填温度は77Kだと思います。でなければ減圧ないし加圧用の特殊な設備が必要になりますが、それをする必然性がありませんので。
　セルファーに充填された液体窒素がどの程度持つのか知りませんが、私の研究室では頻繁に利用していても空になるまで数日はかかります。涼しい実験室内に置いておけばもっと持つでしょう。

　装置の詳しい構造などについては、下記のサイト（東北大学極低温科学センター）のテキストが詳しくわかりやすいのでご参照下さい。

参考URL：

http://ltsd.imr.tohoku.ac.jp/

お礼

有難うございます。本当に理解出来ました。77K(-196.3℃)は常圧での窒素の沸点にほぼ一致します。と言う事は容器内は過冷却液でもなく、飽和液と飽和蒸気が混在した状態になっていると言うことですね。内圧もサイホン管から外に押し出すだけの圧力があればよいと言うことになりますね。
それから思いついたのですが、液体窒素を長持ちさせようと思ったら思い切って臨界圧力(3.39MPa)まで保持をしておくことです。そうすれば臨界温度-147.1℃までは液の状態になる訳ですから。
但し、その様に温度の高い窒素はいくら液体とは言え、利用価値が少ないことと、実際にそれを外（大気圧）に出した場合、沸点以上の状態で液を蓄えておくことになるので、極端な言い方をすれば高温高圧のボイラー水のコックをひねるようなものですね。恐らく水蒸気爆発みたいになってしまうでしょうね。
　更に計算してみたのですが、臨界状態になった時点から理想気体の状態式が成り立つものと仮定すると、P/T＝一定で計算すると、常温27℃に於いては約8MPaの高圧になってしまうことが判りました。

回答No.5

takashou

(1)通常1.0MPa程度の圧力です。充填時は蒸発ガスを放出しながら圧力を下げて充填します。
(2)その通りです。内槽はオーステナイト系（１８－８）ステンレス、外槽は高張力鋼又はステンレス鋼で超真空断熱構造です。
(3)蒸発ガスは放出弁というバルブがあり休みで圧力が上昇した場合に放出させます。常時放出はしません。安全弁は内部圧力が以上に上昇した場合に作動する弁なので通常は作動させないような運転をします。安全弁の吹き出し圧力は一概には言えませんが最高充填圧力が14MPaの場合その圧力より若干高い圧力に設定されています。
(4)高圧容器というのは今まで説明した低温容器で宜しいのですか？低温容器を前提に話しをすれば密閉状態であれば延々と上昇し容器の破壊圧力（私にも分かりませんが恐らく50MPa以上の高圧だと思います）まで到達します。（安全弁が作動しないとして）
(5)容器の内槽が常温であればガスで予冷しながら除々に充填します。急に充填すると一気に蒸発して圧力が上昇し過ぎるので注意が必要です。沸点以下までは冷却しません。
(6)賞味期限はありません。基本的に食品ではありませんので。また超低温なので雑菌は繁殖できませんので衛生的に良好です。ただし容器はほとんどがガス会社からの貸し出し（レンタル）なので返却期限を決めているのが普通です。
(7)ボンベの頭の氷りはガス出口配管か保圧配管（容器の圧力が低下した場合に液体ガスを蒸発（ガス化）させて内圧を保つ配管）の氷りだと思います。侵入熱による氷りではないでしょう。ガスを使用しない密閉状態で氷りがつけば侵入熱と思われますがその場合容器圧力が異常に上昇します。
業界では低温容器のことをＬＧＣ（Liquid　Gas　Container）と呼んでいます。もっと興味がおありでしたらgoogleで「ＬＧＣ　低温容器」と入力すれば結構見つかりますよ。

回答No.4

foobar

補足
高圧容器（170ｌくらいの容量で、ガスボンベみたいな形をしている容器）で購入、保管するときには液は大体10-15気圧位になっているかと思います。（高圧容器だと安全弁が17気圧くらいに設定されていたような）
このときには、液温が高いので、使用するために大気圧まで減圧したときに気泡混じりの液になって出てきます。（温度を大気圧の沸点まで下げるために、一部の液の気化熱が使われる。大体、2割くらい目減りしたかと思います。）
なお、液を取り出すときには、出口バルブのところで減圧、気化が起きますが、蒸気爆発のようなことにはなりません。（数日保存して内圧が高くなっているときには、圧力放出弁を開いて、内部を数気圧くらいまで減圧、温度を下げてから取り出すことが多いような。）
充填圧力は、色々かと思います。（液体窒素ＣＥ（加圧用蒸発器付のタンク）だと数気圧くらいで保持されていることが多いような。）

回答No.2

foobar

2.容器によるらしいです。真空断熱以外に、多孔質の断熱材使っている容器もあると聞いたことがあります。
3.低圧容器の場合には、保管中は放出弁を開いておいて蒸発ガスを逃がし、内部圧力=大気圧になっているかと思います。高圧容器の場合には、安全弁は圧力容器の常用圧力より少し高い圧力に設定されているかと思います。
4.体積一定で計算すればよいかと思います。
6.圧力容器で数日以下かと思います。

お礼

有難うございます。やっと判りました。圧力容器と言うよりも２重構造の容器とイメージですね。

回答No.1

aquamarin1

ボンベの種類によって違います、どのようなボンベを想像されてますか？
よく目にする入れ物は銀色の容器（表現がうまくなくてすみません）だと思いますが、あれは蓋を閉めることはできません
ただ被せてるだけです、密封すると危険だからです
容器は真空になっています、真空度が落ちてくると持ちも下がりますね
鉄製のボンベで液体窒素を保管されてるところはあまり見たことありません
http://www.mysci.co.jp/c2/other/click/index.html　こんな容器
この容器で3日持てばいいほうじゃないでしょうか
リコン容器などだとしても安全弁はついてます（２つか３つ）

お礼

有難うございます。
確かに金属材料の使用下限界は炭素鋼で－１０℃位であり極低温で使用出来る汎用材料はアルミかオーステナイト系ステンレスですから。