液体窒素容器とは
液体窒素容器とは、液体窒素を貯蔵と保存をしたり、運搬をしたりするために使用する容器のことです。液体窒素とは、マイナス196℃以下で液体の状態にした窒素のことで、主に物体の冷却に使用されます。
使用方法を誤ると、爆発や窒息や凍傷などを引き起こして大変な事故などに繋がる危険があるため、取り扱いには注意が必要です。液体窒素保存容器を用いることで、液体窒素を安全で効率的に貯蔵・保存・運搬が可能となります。
液体窒素容器の使用用途
液体窒素容器は、サンプルの保存や実験を行う研究室や医療機関、食品関連の瞬間冷凍やIT関連機器の冷却材などで液体窒素を使用する際に、保存・運搬などの目的で用いられます。また、特殊な分析機器において液体窒素が使用されることもあります。
液体窒素容器には、開放容器と密閉容器の2種類があり、開放容器は小型から中型の大きさの容器が主流で、密閉容器は容量の大きい大型の容器が主流となっています。液体窒素を充填する容器口にキャップがかぶせてあるだけで固定されていないのが開放容器で、固定されて密閉状態になっているものが密閉容器です。
液体窒素容器は、長期間の保存に適していませんが、毎日の使用や短期間での使用には向いています。液体窒素容器を用いることで、短距離の運搬や、短期間の貯蔵・保存、定期的な補充などが可能です。
液体窒素容器の原理
窒素は液体から気体になる際に体積が約700倍に膨張するため、爆発や酸欠などの事故に繋がります。そのため、液体窒素容器は真空二重構造によって断熱し、高い保温性で温度を安定させることで、液体窒素の保存が可能となります。
また、衝撃や振動に強い構造にすることで、破損にも耐えられるようにしてあります。ただし、液体窒素容器に入れている場合でも、少しずつ気化していきます。
液体窒素容器の構造
液体窒素容器は、容器の外側を形成する外槽と、液体窒素を充てんする内槽から構成され、外槽と内槽との間には真空断熱層が配置されています。開放型の液体窒素容器は、内槽の開放端にキャップを被せるだけで固定しない簡易的な構造を有しており、大学の研究室等で多く使用されています。
開放型は、外槽がアルミニウム製のものが一般的であり、内槽に硬質ガラス、金属、FRP(ガラス繊維強化樹脂)などで構成されたものが一般的に使用されています。
図1. 液体窒素容器の構造 (1)
自加圧型(密閉型)の液体窒素容器は、外槽と内槽との間に加圧コイルが配置されており、内槽の圧力を高めて内槽中の液体窒素を加圧することにより、液体窒素を取り出す構造を有しています。
自加圧型には、液体窒素の取出し側に配置される液取出弁と、内槽の圧力を高めるときに使用する昇圧元弁と、内槽中の内圧の過剰な上昇を抑制するガス放出弁が設けられており、これらの制御弁を調整することにより必要な量の液体窒素を取り出せるようになります。
液体窒素容器のその他情報
1. 液体窒素容器の使い方
開放型の液体窒素容器は、小型で比較的軽量であるため容器を持ち上げて傾けると、液体窒素を取り出すことができます。しかし、安全性を考慮してサイフォンなどを使用して取り出すことが推奨されています。
サイフォンには、ゴム球を使用した手動タイプとコントローラを使用した自動で送液するタイプがあります。特に電子顕微鏡のEDX検出器の冷却用デュワーなどは中の液面が見えにくいため、レベルセンサーがついたサイフォンを使用すると、あふれて精密機器に液体窒素がかかることを防止できます。
図2. 液体窒素容器の使い方
また、容器を保管する場合には、内部で水分が凍結して取出しが遮られないように専用の蓋を使用する必要があります。万が一、蓋を紛失するなどで被せられない場合には、乾燥したウェスをかぶせるなどして、密閉は避けながら大気開放を抑えなければなりません。
内槽は必要最小限の構造で固定されているのみの構造を有しています。このため、横からの力に弱く、保管場所にも注意が必要です。自加圧型(密閉型)の液体窒素容器は、複数の弁を調整してガスを取り出す構造を有しており、各調整弁の取り扱いにも注意する必要があります。
容器から液を取り出す際には、まずガス放出弁を閉め、加圧弁を開いて容器内圧が上昇することを確認します。そして、液取出弁を開き、容器内圧が過度に上昇しないように確認しながら液体窒素を取り出します。
取り出しが終了したら、液取出弁と加圧弁を順に閉めた後、ガス放出弁を開いて容器の内圧を下げます。
2. 液体窒素容器使用時の注意点
液体窒素を取り扱う上で、窒息、凍傷、爆発に注意する必要があります。凍傷を防止するために、使用時はグローブやフェイスガードを使用し、スリッパなどは液体窒素がこぼれた際に直接接触する可能性があるため、液体が侵入しにくい履物を着用してください。
同様に、軍手などでは浸透する可能性があるため、乾燥した専用の手袋を使用することが推奨されています。液体窒素を屋内で出し入れする場合は、部屋を十分に喚起する必要があります。また、エレベーターを使用する場合は内部が密室になるため、液体窒素と同乗はしないようにします。
エレベーターに液体窒素を載せている場合は、看板などで注意書きを出し、他の人が乗らないようにしましょう。頻繁に液体窒素を使用する部屋などは、酸素モニタの取り付けをおすすめします。
開放式の場合は当然ですが密閉を想定した構造になっていないため、密閉は厳禁です。また、使い方で説明したように蓋をしないまま放置をすることも厳禁です。これは、単に液体窒素の気化が早くなるだけでなく、保存容器内で水分や酸素が液化し、混入する可能性があるためです。
特に液体酸素は、有機物と接触した際に急激に反応を起こすことがあります(液体酸素は青みを帯びています)。蓋を損失したなどの場合は、乾燥した布などをかぶせます。開放式は構造上、揺れや衝撃に弱く、真空断熱層が壊れる可能性があるため、丁寧に使用する必要があります。
自加圧式では安全弁により内部の圧力を安全な状態に保っているため、安全弁が正しく機能していることを定期的に確認しましょう。また、配管内で凍結が起きた場合に正しく取り出しができなかったり、急に吹き出す可能性があるため、取り出し口をのぞき込むことは危険です。
参考文献
http://www.csrea.kobe-u.ac.jp/teion_vesselse.html
https://www.labinox.co.jp/item_thermolyne_03.html
http://physics.s.chiba-u.ac.jp/cryo2/nitrogenatukai.html
https://www.ekitaichisso.com/ln2_2
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http://ic.ims.ac.jp/kiki/teion/N2_user_manual2008.pdf