CN103477174B - 液化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的液化系统（100）具备：输送来自于原料供给源（1）的原料气体以使原料气体的压力在规定部分（3b、3c）上保持规定压力（P0）以上的供给管路（3）；用于使制冷剂循环的制冷剂循环管路（5）；接收规定压力（P0）以上的气体的供给并可旋转地支持膨胀涡轮（14H、14L）的旋转轴（22）的静压气体轴承（GB）；和为了向静压气体轴承（GB）供给气体，而连接供给管路（3）的规定部分（3b、3c）和静压气体轴承（GB）的气体入口（49）的轴承供给管路（7）。

Description

液化系统
技术领域
本发明涉及用于使原料气体液化的液化系统。
背景技术
以往，使例如氢气、氦气及氖气等的在常温常压下为气体的原料气体液化的液化系统是广泛已知的。液化系统具备输送原料气体的供给管路、使制冷剂循环的制冷剂循环管路及用于通过制冷剂冷却原料气体的热交换器。在制冷剂循环管路中循环的过程中，制冷剂通过压缩机压缩，通过膨胀涡轮绝热膨胀而降温，在热交换器中与原料气体热交换而升温，并回流至压缩机。
在膨胀涡轮中使制冷剂绝热膨胀时，需要用于支持膨胀涡轮的旋转轴的轴承。当轴承应用液体轴承时，存在油等的润滑剂与通过膨胀涡轮的制冷剂混合，而润滑剂流入制冷剂循环管路内的担忧。因此，轴承优选地适用以与制冷剂相同的气体作为润滑剂的气体轴承（参照专利文献1、专利文献2及非专利文献1）。
气体轴承大致区分为静压气体轴承和动压气体轴承。静压气体轴承与动压气体轴承相比，在负荷容量高的方面、在液化系统启动时及停止时不容易发生轴承孔的表面和旋转轴的表面之间的摩擦的方面有优势。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：日本特开2000-55050号公报；
专利文献2：日本特开平6-94032号公报。
非专利文献：
非专利文献1：熊木他：“Linde公司制造的新型氦液化器系列和其运行控制”，太阳日酸技报，No.25，pp.44-46，（2006）。
发明内容
发明要解决的问题：
然而，在应用静压气体轴承时，为了向轴承稳定地供给支持旋转轴所需的压力以上的气体，而需要高压气体源。在用于从外部向静压气体轴承供给气体的管路独立于供给管路及制冷剂循环管路时，需要在该管路中设置用于使气体升压的专用压缩机。于是，会导致液化系统的成本的增加。
也可以考虑使用于向静压气体轴承供给气体的管路从冷却循环管路中制冷剂从压缩机流向膨胀涡轮的部分分叉，而将压缩机出口压力的制冷剂利用于向轴承供给的气体。然而，在液化量的需要较少时，顺应该情况地压缩机会执行部分负荷运行，因此存在压缩机的出口压力低于支持旋转轴所需的压力的担忧。因此，在该情况下，为了向轴承稳定地供给支持旋转轴所需的压力以上的气体，而必须在用于向轴承供给气体的管路上设置专用压缩机。该专用压缩机与向轴承供给气体的管路独立的情况相比可能小型化，但是在制冷剂循环管路上的压缩机额定运行时可能变得无用。
像这样，以往，在将静压气体轴承应用于用于支持膨胀涡轮的旋转轴的轴承时，为了向轴承稳定供给气体而需要专用压缩机（参照专利文献1、2）。因此，尽管认为静压气体轴承适合于膨胀涡轮的旋转轴的支持，但是鉴于因专用压缩机的增加而产生的成本，而存在应用动压气体轴承的情况（参照非专利文献1）。
因此，本发明的目的是在通过静压气体轴承支持膨胀涡轮的旋转轴时，即使在向轴承供给气体的管路上不设置专用压缩机，也可以向轴承稳定地供给支持旋转轴所需的压力的气体。
解决问题的手段：
根据本发明的液化系统具备：输送来自于原料供给源的原料气体以使原料气体的压力在规定部分上保持规定压力以上的供给管路；用于使制冷剂循环的制冷剂循环管路；用于通过在所述制冷剂循环管路中流动的所述制冷剂冷却在所述供给管路中流动的所述原料气体的热交换器；设置于所述制冷剂循环管路中，并且使所述制冷剂通过膨胀而温度下降的膨胀涡轮；设置于所述制冷剂循环管路中，并且压缩所述制冷剂后将其导入至所述膨胀涡轮的循环系统压缩机；控制所述膨胀涡轮及所述循环系统压缩机的动作以能够实施在所述制冷剂循环管路中从所述循环系统压缩机朝向所述膨胀涡轮的部分中流动的所述制冷剂达到所述规定压力以上的高负荷运行、和在该部分中流动的所述制冷剂达到小于所述规定压力的压力的低负荷运行的控制装置；接收所述规定压力以上的气体的供给并可旋转地支持所述膨胀涡轮的旋转轴的静压气体轴承；和为了向所述静压气体轴承供给气体，而连接所述供给管路的所述规定部分和所述静压气体轴承的气体入口的轴承供给管路。
根据上述结构，轴承供给管路将供给管路的规定部分和静压供给轴承的气体入口相连接，因此在供给管路中流动的原料气体也从规定部分流向轴承供给管路，并且通过轴承供给管路向静压气体轴承供给。而且，在供给管路中流动的原料气体的压力在规定部分中保持规定压力以上。因此，与循环系统压缩机的运行状态及制冷剂的压力无关地，又，即使在轴承供给管路中不设置专用的压缩机，也可以向静压气体轴承稳定地供给规定压力以上的气体，可以稳定地支持膨胀涡轮的旋转轴。
也可以是所述规定部分在所述供给管路中位于所述热交换器的上游侧。
根据所述结构，可以向静压气体轴承供给常温的气体。
也可以是还具备设置于所述轴承供给管路中，并且用于降低在所述轴承供给管路中流动的气体的压力的压力调节阀。
根据上述结构，可以实现为了使原料气体液化而保持足够高的压力、和将供给至静压气体轴承的气体的压力调节为支持旋转轴所需的压力的两者。
也可以是还具备：在所述规定部分的上游侧上设置于所述供给管路中，并且压缩所述原料气体的供给系统压缩机；和为了将从所述静压气体轴承的气体出口流出的气体回流至所述供给管路，而连接所述气体出口和在所述供给管路中所述供给系统压缩机的上游侧部分的轴承气体回流管路。
根据上述结构，可以将从静压气体轴承流出的气体作为原料气体及供给至轴承的气体再利用。
也可以是具备用于将蒸发气体回流至所述供给管路的蒸发气体回流管路，所述蒸发气体回流管路与所述轴承气体回流管路连接。
根据上述结构，可以不仅将从静压气体轴承流出的气体而且将蒸发气体也作为原料气体及供给至轴承的气体再利用。
也可以是所述制冷剂与所述原料气体相同。
根据上述结构，即使供给至静压气体轴承的气体在膨胀涡轮中与在制冷剂循环管路内循环的制冷剂混合，也不会发生因混入另一种类的气体而引起的问题。又，在膨胀涡轮中，也可能发生制冷剂的泄漏，但是假设发生泄漏，也可以由供给至静压气体轴承的气体补充该泄漏的量。
也可以是还具备为了将从所述静压气体轴承的气体出口流出的气体输送至所述制冷剂循环管路，而连接所述气体出口和在所述制冷剂循环管路中从所述膨胀涡轮朝向所述压缩机的部分的轴承气体回流管路。
根据上述结构，可以将从静压气体轴承流出的气体作为制冷剂再利用。另外，由于供给至轴承的气体与制冷剂相同，因此可以在不会发生因混入另一种类的气体而引起的问题下再利用气体。
发明效果：
如以上所述，根据本发明可以提供即使在向静压气体轴承供给气体的管路中不设置专用的压缩机，也能够将支持膨胀涡轮的旋转轴所需的压力的气体稳定地供给至静压气体轴承中的液化系统。本发明的上述及其他的目的、目的、特征及优点在参照附图的基础上通过以下优选的实施形态的详细说明变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施形态的液化系统的整体结构的概念图；
图2是示出图1所示的膨胀涡轮的结构的剖视图；
图3是示出图1所示的液化系统的要部结构的概念图；
图4是示出相对于循环系统压缩机的负荷的原料气体及制冷剂的压力的线图；
图5是示出根据本发明的第二实施形态的液化系统的要部结构的概念图；
图6是示出根据本发明的第三实施形态的液化系统的要部结构的概念图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施形态。另外，在所有附图中对于相同或相当的要素标以相同的符号，并省略其重复的详细说明。
（第一实施形态）
图1是示出根据本发明的第一实施形态的液化系统100的整体结构的概念图。图1所示的液化系统100使在常温常压下为气体的原料气体液化。作为液化系统100的对象的原料气体，其沸点为接近绝对零度的超低温，在常温常压下为气体，例如为氢气、氦气及氖气。在本实施形态中，只要没有特别说明，则在原料气体中应用氢气来进行说明。
液化系统100具备原料罐1、液化氢罐2、供给管路3、多个热交换器4a～4e、液体储存器18及制冷剂循环管路5。原料罐1为原料气体的供给源，贮留常温常压的氢气。液化氢罐2贮留通过使氢气液化得到的液化氢。
供给管路3连接原料罐1和液化氢罐2。在供给管路3中设置有供给系统压缩机11及焦耳-汤姆逊阀12。供给管路3在供给系统压缩机11和焦耳-汤姆逊阀12之间依次通过五个热交换器4a～4e及液体储存器18。像这样，焦耳-汤姆逊阀12设置于液化氢罐2的上游侧，优选的是设置于紧邻液化氢罐2的上游侧（即，液体储存器18的下游侧）。
原料罐1内的氢气沿着供给管路3输送至液化氢罐2。在该过程中，首先，氢气由供给系统压缩机11升压。通过了供给系统压缩机11的常温高压的氢气通过热交换器4a～4e及液体储存器18，以此保持高压的状态下逐渐被冷却。另外，第二级的热交换器4b是贮留液化氮的液化氮罐。氢气通过该热交换器4b，以此冷却至液化氮的温度程度。其他的热交换器4a、4c、4d、4e及液体储存器18与制冷剂循环管路5连接。在氢气通过各热交换器4a、4c、4d、4e及液体储存器18时，通过与沿着制冷剂循环管路5流动的制冷剂进行热交换而被冷却。通过了液体储存器18的低温高压的氢气接着通过焦耳-汤姆逊阀12。借助于此，氢气膨胀而液化，成为低温常压的液体状态。该液体状态的氢向液化氢罐2输送，并贮留在液化氢罐2内。
制冷剂循环管路5使原料气体的制冷剂循环。制冷剂循环管路5通过制冷剂填充管路6与供给管路3连接。制冷剂填充管路6在启动液化系统100之前打开。借助于此，可以将原料罐1内的氢气填充至制冷剂循环管路5中。制冷剂填充管路6在液化系统100工作时关闭。借助于此，制冷剂循环管路5形成闭环系统，作为制冷剂的氢气沿着冷却循环管路5循环。像这样，在本实施形态中，制冷剂为与原料气体相同的氢气。
在制冷剂循环管路5上设置有两台压缩机（高压循环系统压缩机13H及低压循环系统压缩机13L）、和两台膨胀涡轮（高压膨胀涡轮14H及低压膨胀涡轮14L）。高压循环系统压缩机13H与低压循环系统压缩机13L串联地设置。高压膨胀涡轮14H与低压膨胀涡轮14L串联地设置。低压循环系统压缩机13L压缩制冷剂并将其导入至高压循环系统压缩机13H中。高压循环系统压缩机13H压缩来自于低压循环系统压缩机13L的制冷剂，并将压缩的制冷剂导入至高压膨胀涡轮14H中。
制冷剂在向高压膨胀涡轮14H导入的过程中，依次通过第一级热交换器4a及第二级热交换器4b。借助于此，制冷剂通过与下述的寒冷之间的热交换，而逐渐降温及降压。在高压膨胀涡轮14H中导入冷却至液化氮的温度程度的制冷剂。高压膨胀涡轮14H将从循环系统压缩机13L、13H导入的低温高压的制冷剂通过膨胀降温及降压。来自于高压膨胀涡轮14H的制冷剂通过第四级热交换器4d，并导入至低压膨胀涡轮14L中。低压膨胀涡轮14L也将从高压膨胀涡轮14H导入的低温高压的制冷剂通过膨胀降温及降压。
来自于低压膨胀涡轮14L的制冷剂依次通过第五级热交换器4e、第四级热交换器4d、第三级热交换器4c及第一级热交换器4a并升温。通过第一级热交换器4a的制冷剂与由低压循环系统压缩机13L压缩的制冷剂合并，并回流至高压循环系统压缩机13H的入口。
又，来自于高压循环系统压缩机13H的制冷剂分为通过第二级热交换器4b后流向上述膨胀涡轮14H、14L的制冷剂、和流向液体储存器18的制冷剂。流向液体储存器18的制冷剂进一步依次通过第三级热交换器4c、第四级热交换器4d及第五级热交换器4e而降温。之后，该制冷剂在通过焦耳-汤姆逊阀15并液化后，输送至液体储存器18。液体储存器18内的制冷剂冷却沿着供给管路3输送至液体储存器18的氢气。来自于液体储存器18的制冷剂依次通过第五级热交换器4e、第四级热交换器4d、第三级热交换器4c及第一级热交换器4a而升温后，回流至低压循环系统压缩机13L的入口。像这样，在热交换器4a、4c、4d、4e中，从低压膨胀涡轮14L流向高压循环系统压缩机13H的制冷剂的寒冷、和从液体储存器18流向低压循环系统压缩机13L的制冷剂的寒冷利用于原料气体及制冷剂的冷却中。
图2是示出图1所示的高压膨胀涡轮14H的结构的剖视图。另外，低压膨胀涡轮14L也具有与图2所示的结构相同的结构。如图2所示，高压膨胀涡轮14H具备外壳21、旋转轴22及涡轮桨23。旋转轴22在外壳21内在上下方向上延伸，并且绕上下方向的轴线可旋转地被支持。涡轮桨23形成于旋转轴22的下端部。
外壳21具有制冷剂入口24、喷嘴25及制冷剂出口26。制冷剂入口24在外壳21的底部开口。喷嘴25在一端与制冷剂入口24连通，在另一端与外壳21内部的涡轮桨23的容纳部分连通。制冷剂出口26在外壳21的底中央部开口，借助于此上述涡轮桨23的容纳部分与外壳21的外部连通。
制冷剂入口24与制冷剂循环管路5中从高压循环系统压缩机13H朝向高压膨胀涡轮14H的路径的下游端部连接。制冷剂出口26与制冷剂循环管路5中从高压膨胀涡轮14H经过热交换器4d朝向低压膨胀涡轮14L的路径的上游端部连接。来自于高压循环系统压缩机13H的制冷剂从制冷剂入口24流入外壳21内部。流入制冷剂入口24的制冷剂通过喷嘴25的上述另一端向涡轮桨23喷射。制冷剂在随着涡轮桨23的旋转而膨胀及降温后，从制冷剂出口26向外壳21的外部流出。
在外壳21内设置有静压气体轴承单元GB。静压气体轴承单元GB具有上静压推力气体轴承27、下静压推力气体轴承28、上静压轴颈气体轴承29、下静压轴颈气体轴承30、上块31及下块32。这些六个部件27～32形成为大致圆筒状，并以围绕旋转轴22的外周侧的方式被设置，且以沿着旋转轴22的轴线方向排列的方式配置。上静压推力气体轴承27及下静压推力气体轴承28以在上下方向上夹住从旋转轴22的上下中央部向径方向突出的推力环33的方式配置，又，在与推力环33的外缘相比靠近外周侧的位置上相互接触。上静压轴颈气体轴承29及上静压推力气体轴承27以在上下方向上夹住上块31的方式配置。下静压轴颈气体轴承30及下静压推力气体轴承28以在上下方向上夹住下块32的方式配置。
静压气体轴承单元GB具有共通进气通路34和共通排气通路35。共通进气通路34及共通排气通路35在周方向形成于不同的位置上，并且以贯通六个部件27～32的方式在轴线方向上延伸。共通进气通路34是将轴承气体供给至各静压气体轴承的轴承间隙的轴承气体流动的通路，共通排气通路35是从各静压气体轴承的轴承间隙排出的轴承气体流动的通路。另外，上静压推力气体轴承27的轴承间隙形成于气体轴承27的下端面和推力环33的上端面之间。下静压推力气体轴承28的轴承间隙形成于气体轴承28的上端面和推力环33的下端面之间。上静压轴颈气体轴承29的轴承间隙形成于气体轴承29的内周面和旋转轴22的外周面之间。下静压轴颈气体轴承30的轴承间隙形成于气体轴承30的内周面和旋转轴22的外周面之间。
各静压气体轴承27、28、29、30具有进气槽36、38、40、42、和进气口37、39、41、43。进气槽36、38、40、42在轴承27、28、29、30内从共通进气通路34向内周侧延伸。进气口37、39、41、43将对应的进气槽36、38、40、42与轴承间隙连通。静压推力气体轴承27、28的进气槽36、38在轴线方向上延伸，静压轴颈气体轴承29、30的进气槽40、42在径方向上延伸。进气槽40在轴线方向上远离的两个位置的各个上，在周方向上隔着间隔设置。进气槽42也相同。
上块31及下块32具有排气槽44、45。上块31的排气槽44使上静压推力气体轴承27的轴承间隙的内周侧及上静压轴颈气体轴承29的轴承间隙的下侧与共通排气通路35连通。下块32的排气槽45使下静压推力气体轴承28的轴承间隙的内周侧及下静压轴颈气体轴承30的轴承间隙的上侧与共通排气通路35连通。另外，静压推力气体轴承27、28的轴承间隙的外周侧通过形成于这些轴承27、28上的排气槽46与共通排气通路35连通。上静压轴颈气体轴承29的轴承间隙的上侧通过形成于外壳21上的排气槽47与共通排气通路35连通。下静压轴颈气体轴承30的轴承间隙的下侧通过形成于该轴承30的下部的排气槽48与共通排气通路35连通。
外壳21具有轴承气体入口49及轴承气体出口50。轴承气体入口49与共通进气通路34连通。轴承气体出口50与共通排气通路35连通。轴承气体入口49与轴承供给管路7的下游端部连接。轴承供给管路7向膨胀涡轮14H的外壳21内的静压气体轴承单元GB供给高压的轴承气体。在本实施形态中，轴承气体的供给源如下所述为供给管路3，在轴承气体中利用氢气。轴承气体出口50与轴承气体回流管路8的上游端部连接。
来自于轴承供给管路7的轴承气体通过轴承气体入口49流入共通进气通路34。流入共通进气通路34的轴承气体通过进气口37、39、41、43喷射至各静压气体轴承27、28、29、30的轴承间隙内。喷射至轴承间隙的轴承气体通过排气槽44～48向共通排气通路35排出。共通排气通路35内的轴承气体从轴承气体出口50向外壳21的外部流出。流出至外壳21的外部的轴承气体为了氢气的再利用而沿着轴承气体回流管路8向再利用地点输送。
像这样高压的轴承气体供给至静压气体轴承27～30的轴承间隙内，以此可以使旋转轴22在外壳21内可旋转地被支持，可以良好地支持旋转轴22的径向载荷及推力载荷。在启动时及停止时，在旋转轴22的外周面和静压轴颈气体轴承29、30的内周面之间不发生摩擦。因此，可以谋求高压膨胀涡轮14H及静压轴颈气体轴承29、30的长寿命化。另外，在下静压轴颈气体轴承30的轴承间隙和外壳21内部的涡轮桨23的容纳部分之间设置有迷宫结构51。因此，可以良好地抑制喷射至气体轴承30的轴承间隙的轴承气体被引入至上述涡轮桨23的容纳部分的情况。在本实施形态中，轴承气体与原料气体相同，制冷剂也与原料气体相同。因此，假设轴承气体越过迷宫结构51而混入至制冷剂中，也不会引起在制冷剂中混入另一种类的气体的问题。
图3是示出图1所示的液化系统100的要部结构的概念图。在图3中，为了便于说明，省略第二级热交换器至第四级热交换器4b、4c、4d、液体储存器18、制冷剂填充管路6、制冷剂循环管路5中在液体储存器18折回的路径及低压循环系统压缩机13L的图示。在图3中示出冷却循环管路5中的从高压循环系统压缩机13H的出口朝向至低压膨胀涡轮14L的入口的去路5a、以及从低压膨胀涡轮14L的出口朝向至高压循环系统压缩机13H的入口的归路5b。
图3中符号3a～3d表示构成供给管路3的路径。符号3a是从原料罐1（参照图1）朝向供给系统压缩机11的入口的第一路径，符号3b是从供给系统压缩机11的出口朝向第一级热交换器的第二路径，符号3c是从第一级热交换器4a朝向焦耳-汤姆逊阀12的入口的第三路径，符号3d是从焦耳-汤姆逊阀12的出口朝向液化氢罐2（参照图1）的第四路径。
如图3所示，液化系统100具备控制装置10。控制装置10是以CPU、ROM及输入输出接口为主体而构成的微型电子计算机。控制装置10的输入侧被输入启动系统的指令、停止的指令、液化量的设定值等。又，控制装置10的输入侧被输入液化系统100的处理数据（process data）（原料气体及制冷剂的温度、压力、流量和液化量等）的测定值。控制装置10的输出侧与供给系统压缩机11、高压循环系统压缩机13H、低压循环系统压缩机13L、高压膨胀涡轮14H及低压膨胀涡轮14L连接。CPU执行存储于ROM中的控制程序。CPU监控处理数据的测定值，与此同时控制供给系统压缩机11、高压循环系统压缩机13H、低压循环系统压缩机13L、高压膨胀涡轮14H及低压膨胀涡轮14L以能够按照设定得到液化量。
为了促进根据焦耳-汤姆逊效应的液化，优选的是不管原料气体的流量或液化量如何，都使焦耳-汤姆逊阀12的入口压力达到高压。因此，供给系统压缩机11以不论液化量的设定值都在一定压力下运行的方式被控制。在液化量的设定值为额定值时，循环系统压缩机13H、13L及膨胀涡轮14H、14L也以额定运行的方式被控制。另一方面，在液化量的设定值小于额定值时，循环系统压缩机13H、13L及膨胀涡轮14H、14L以部分负荷运行的方式被控制。像这样，控制装置10控制循环系统压缩机13H、13L及膨胀涡轮14H、14L的动作以能够实施高负荷运行和低负荷运行。因此，产生与原料气体的流量或液化量的设定值相对应的寒冷。借助于此，可以很好地防止在液化量的设定值较小时高压循环系统压缩机13H及低压循环系统压缩机13L做无用的工作而产生过量的寒冷的情况。作为实现该控制的方法能够采用各种方法，但是只要是相对于所需的负荷（液化量）的设定值改变循环系统的压缩机负荷的控制方法，则也可以采用任何一种方法。
图4是示出相对于循环系统压缩机13H、13L的负荷的原料气体及制冷剂的压力的线图。在图4中，横轴表示循环系统压缩机13H、13L的负荷（即相当于液化量的设定值），纵轴表示压力。线P3b表示在供给管路3的第二路径3b中的原料气体的压力。线P5a表示在制冷剂循环管路5的去路5a中流动的制冷剂的压力。线P0表示作为供给至轴承气体入口49的轴承气体的压力想要最低限度确保的压力（以下，称为“规定压力”），是静压气体轴承单元GB为了在支持旋转轴22的径向负荷及推力负荷的同时可旋转地支持该旋转轴22所需的压力的一个示例。
如图4所示，规定压力是P0与循环系统压缩机13H、13L的负荷的变化无关地大致一定。在第二路径3b中流动的原料气体的压力P3b也与循环系统压缩机13H、13L的负荷的变化无关地大致一定。此外，该压力P3b为了促进根据上述的焦耳-汤姆逊效应的液化，而保持规定压力P0以上的较高值。
在去路5a中流动的制冷剂的压力P5a随着循环系统压缩机13H、13L的负荷的变化而变化。在实施部分负荷运行的某一运行状态S1下，该压力P5a与规定压力P0相等。在实施与该运行状态S1相比循环系统压缩机13L、13H的负荷变高的高负荷运行时，该压力P5a为规定压力P0以上，另一方面在实施与该运行状态S1相比循环系统压缩机13L、13H的负荷变低的低负荷运行时，该压力P5a小于规定压力P0。假设当去路5a中流动的制冷剂利用于轴承气体的供给源时，在实施该低负荷运行时，不能良好地支持膨胀涡轮14H、14L的各旋转轴22，因此在轴承供给管路7中必须设置专用压缩机。
回到图3，在本实施形态中，轴承供给管路7的上游端与供给管路3的第二路径3b连接，在第二路径3b中流动的原料气体利用于轴承气体的供给源。如上所述，在第二路径3b中流动的原料气体与液化量的设定值等无关，具有规定压力P0以上的高压。因此，即使在轴承供给管路7上不设置用于使轴承气体升压的专用压缩机，也可以不管循环系统压缩机13H、13L及膨胀涡轮14H、14L的运行状态如何都将规定压力P0以上的轴承气体稳定地供给至静压气体轴承单元GB中。借助于此，可以防止液化系统100的成本的增加，与此同时可以得到通过应用静压气体轴承27～30而产生的效果。即，可以增大负荷容量，并且即使液化系统100重复启动及停止，静压气体轴承单元GB及旋转轴22的磨损也不容易继续进行。
在第一路径3a中流动着常压的原料气体，在第四路径3d中以液体状态流动着常压的原料气体。在第三路径3c中，高压的原料气体尽可能不降压而维持气体状态流向焦耳-汤姆逊阀12的入口。因此，在第三路径3c中流动的原料气体的压力也与循环系统压缩机13H、13L的负荷的变化无关而保持规定压力P0以上的较高值。在本实施形态中，在规定压力P0以上的原料气体以气体状态流动的部分中，使在配置于与第一级热交换器4a相比靠近上游侧的位置的第二路径3b中流动的原料气体利用于轴承气体。因此，可以使轴承气体为常温。也可以使在第三路径3c中流动的原料气体利用于轴承气体。在该情况下，外壳21内的制冷剂和轴承气体之间的温度差减小，可以抑制轴承气体给制冷剂带来的热影响。
在轴承供给管路7上设置有用于使轴承气体的压力减压的压力调节阀16。设置这样的压力调节阀16，可以实现为了液化而足够高地保持在第二路径3b中流动的原料气体的压力、和将供给至静压气体轴承单元GB的轴承气体的压力调节为支持旋转轴22所需的压力的两个方面。
在本实施形态中，在制冷剂循环管路5上设置有两个膨胀涡轮14H、14L。因此，轴承供给管路7的下游部分成二股，并且与两个膨胀涡轮14H、14L的各轴承气体入口分别连接。借助于此，可以向设置于各膨胀涡轮中的静压气体轴承稳定地供给高压的轴承气体。轴承供给管路7在与压力调节阀16相比靠近下游侧的位置上分叉为二股，因此对任意一个膨胀涡轮14H、14L都可以供给减压调节后的轴承气体。
轴承气体回流管路8将两个膨胀涡轮14H、14L的各轴承气体出口50与供给管路3的第一路径3a连接。因此，从轴承气体出口50排出的轴承气体沿着轴承气体回流管路8向第一路径3a回流，以作为原料气体及轴承气体再利用。另外，轴承气体在轴承气体入口49中为高压，但是通过轴承间隙而压力下降，在轴承气体出口50中达到常压程度。因此，难以将轴承气体回流至与供给系统压缩机11相比靠近下游侧的第二路径3b。如本实施形态所示，如果是与供给系统压缩机11相比靠近上游侧的第一路径3a，则无需使轴承气体升压就可以回流。
（第二实施形态）
图5是示出根据本发明的第二实施形态的液化系统200的要部结构的概念图。以下以与上述实施形态的不同点为中心说明本实施形态。
如图5所示，在根据本实施形态的液化系统200中，供给系统压缩机并未设置于供给管路203上。取而代之，原料罐201贮留预先升压至与上述实施形态中的供给系统压缩机11的出口压力相当的压力的原料气体。此时，在供给管路203中从原料罐201流向至焦耳-汤姆逊阀12的入口的气体状态的原料气体的压力与高压循环系统压缩机13H等的负荷无关地维持规定压力P0以上的高压。像这样，在供给管路203上也可以不一定设置供给系统压缩机。
又，在该情况下，如图5所示，可以将轴承供给管路7的上游端与在供给管路203中从原料罐201至第一级热交换器4a的路径203b连接。借助于此，与上述实施形态相同地可以向静压气体轴承单元GB稳定地供给高压的轴承气体。从第一级热交换器4a至焦耳-汤姆逊阀12的入口的路径3c也成为规定压力P0以上的压力的原料气体以气体状态流动的部分，因此轴承供给管路7的上游端也可以与该路径3c连接。在该情况下，与上述实施形态相同地在外壳21内的制冷剂和轴承气体之间的温度差减小，可以抑制轴承气体给制冷剂带来的热影响。
在本实施形态中，在供给管路203中不存在低压的原料气体以气体状态流动的部分，因此难以将轴承气体回流管路208的下游端与供给管路203连接，并将轴承气体作为原料气体再利用。因此，如图5所示，可以将轴承气体回流管路208的下游端与制冷剂循环管路的归路5b连接。此时，也可以将轴承气体回流管路208的下游端与归路5b中制冷剂温度接近轴承气体的温度的部分连接，例如与制冷剂从第一级热交换器4a回流至循环系统压缩机13H的部分连接。轴承气体是与制冷剂相同的气体，因此即使将轴承气体作为制冷剂再利用，也不存在制冷剂中混入另一种类的气体的问题。为了防止包含在轴承气体中的杂质混入制冷剂中，也可以在轴承气体回流管路208上设置吸附杂质的吸附器。
（第三实施形态）
图6是示出根据本发明的第三实施形态的液化系统300的要部结构的概念图。以下，以与上述实施形态的不同点为中心说明本实施形态。
如图6所示，根据本实施形态的液化系统300与第一实施形态相同地在供给管路3上设置有供给系统压缩机11，轴承气体回流管路308将轴承气体出口50与在供给管路3中与供给系统压缩机11相比靠近上游侧的路径3a连接。又，液化系统300具备使在液化氢罐302内产生的蒸发气体回流的蒸发气体回流管路309、310。蒸发气体回流管路309、310与轴承气体回流管路308连接。因此，在本实施形态中，与轴承气体一起蒸发气体也可以作为原料气体及轴承气体再利用。另外，热交换器4a～4e、液化氢储存器18及膨胀涡轮14H、14L的涡轮部容纳于用于将它们保冷的冷箱（低温箱）内。
液化氢罐302内的蒸发气体达到液化氢的沸点附近的低温。因此，蒸发气体回流管路309在从液化氢罐302至与轴承气体回流管路308的连接点之间依次通过第五级热交换器4e、第四级热交换器4d、第三级热交换器4c及第一级热交换器4a。借助于此，可以将蒸发气体的寒冷利用于原料气体及在去路5a中流动的制冷剂的冷却中，可以降低在制冷剂循环管路5上的循环系统压缩机13H、13L及膨胀涡轮14H、14L的负荷。另一方面，蒸发气体回流管路310在从液化氢罐302至与轴承气体回流管路310的连接点之间不通过任何热交换器。取而代之，在蒸发气体回流管路310上设置有用于加热从液化氢罐302流向轴承气体回流管路308的蒸发气体的加热器311。借助于此，可以减小温度差并再利用蒸发气体。
由上述说明，本领域技术人员明了本发明的较多的改良和其他的实施形态等。因此，上述说明应仅作为例示解释，是以向本领域技术人员教导实施本发明的最优选的形态为目的提供的。在不脱离本发明的精神的范围内可以实质上变更其结构和/或功能的具体内容。例如在根据第二实施形态的液化系统200中也可以应用根据第三实施形态的蒸发气体回流管路。又，即使在供给管路3上设置压缩机的情况下，也可以将轴承气体回流管路的下游端与制冷剂循环管路的去路连接，在此基础上，也可以应用蒸发气体回流管路。也可以是根据第三实施形态的蒸发气体回流管路309、310中的任意一方被省略。又，在应用两方的蒸发气体回流管路309、310时，液化系统也可以形成为可对回流蒸发气体时利用哪一个管路进行切换的结构。为了该切换，也可以在各管路上设置开闭阀。
又，在上述实施形态中，尽管使原料气体的供给源为原料罐，但是供给源也可以是产生原料气体的机械设备，在该情况下，在该机械设备中产生的常压或高压的原料气体被输入至供给管路3中。又，在上述实施形态中，尽管将原料气体作为氢气以说明，但是在生产液化氦、液化氖的系统中也可以很好地适用本发明。
工业应用性：
本发明发挥能够提供即使在向静压气体轴承供给气体的管路中不设置专用的压缩机，也可以将支持膨胀涡轮的旋转轴所需的压力以上的气体向静压气体轴承稳定地供给的液化系统的作用效果，并且能够广泛地利用于具备支持膨胀涡轮的旋转轴的静压气体轴承的液化系统中。
符号说明：
100、200、300 液化系统；
1、201    原料罐；
2、302    液化氢罐；
3、203、303 供给管路；
4a、4b、4c、4d、4e 热交换器；
5         制冷剂循环管路；
7         轴承供给管路；
8、208、308 轴承气体回流管路；
309、310  蒸发气体回流管路；
11        供给系统压缩机；
12        焦耳-汤姆逊阀；
13H       高压循环系统压缩机；
13L       低压循环系统压缩机；
14H       高压膨胀涡轮；
14L       低压膨胀涡轮；
15        焦耳-汤姆逊阀；
16        压力调节阀；
18        液体储存器；
22        旋转轴；
27        上静压推力气体轴承；
28        下静压推力气体轴承；
29        上静压轴颈气体轴承；
30        下静压轴颈气体轴承；
GB        静压气体轴承单元；
49         轴承气体入口；
50         轴承气体出口。

Claims (7)

1.一种液化系统，具备：
输送来自于原料供给源的原料气体以使原料气体的压力在规定部分上保持规定压力以上的供给管路；
用于使制冷剂循环的制冷剂循环管路；
用于通过在所述制冷剂循环管路中流动的所述制冷剂冷却在所述供给管路中流动的所述原料气体的热交换器；
设置于所述制冷剂循环管路中，并且使所述制冷剂通过膨胀而温度下降的膨胀涡轮；
设置于所述制冷剂循环管路中，并且压缩所述制冷剂后将其导入至所述膨胀涡轮的循环系统压缩机；
控制所述膨胀涡轮及所述循环系统压缩机的动作以能够实施在所述制冷剂循环管路中从所述循环系统压缩机朝向所述膨胀涡轮的部分中流动的所述制冷剂达到所述规定压力以上的高负荷运行、和在该部分中流动的所述制冷剂达到小于所述规定压力的压力的低负荷运行的控制装置；
接收所述规定压力以上的气体的供给并可旋转地支持所述膨胀涡轮的旋转轴的静压气体轴承；和
为了向所述静压气体轴承供给气体，而连接所述供给管路的所述规定部分和所述静压气体轴承的气体入口的轴承供给管路。
2.根据权利要求1所述的液化系统，其特征在于，所述规定部分在所述供给管路中位于所述热交换器的上游侧。
3.根据权利要求1所述的液化系统，其特征在于，还具备设置于所述轴承供给管路中，并且用于降低在所述轴承供给管路中流动的气体的压力的压力调节阀。
4.根据权利要求1所述的液化系统，其特征在于，还具备：
在所述规定部分的上游侧上设置于所述供给管路中，并且压缩所述原料气体的供给系统压缩机；和
为了将从所述静压气体轴承的气体出口流出的气体回流至所述供给管路，而连接所述气体出口和在所述供给管路中所述供给系统压缩机的上游侧部分的轴承气体回流管路。
5.根据权利要求4所述的液化系统，其特征在于，
具备用于将蒸发气体回流至所述供给管路的蒸发气体回流管路；
所述蒸发气体回流管路与所述轴承气体回流管路连接。
6.根据权利要求1所述的液化系统，其特征在于，所述制冷剂与所述原料气体相同。
7.根据权利要求6所述的液化系统，其特征在于，还具备为了将从所述静压气体轴承的气体出口流出的气体输送至所述制冷剂循环管路，而连接所述气体出口和在所述制冷剂循环管路中从所述膨胀涡轮朝向所述循环系统压缩机的部分的轴承气体回流管路。
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