JP2001208437A - 極低温ハイブリッド型液化装置 - Google Patents
極低温ハイブリッド型液化装置Info
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- F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ネオン、水素、あるいはヘリウムのような難
液化性流体を液化するたために十分な冷却を発生させる
ための改良システムを提供することである。 【解決手段】 圧縮された多成分冷却流体の流れ３１２
が冷却器３１３内で好適な冷却流体と間接熱交換されて
冷却され、次いで、多成分冷却流体式の熱交換器３０１
を通して送られ、多成分冷却流体と間接熱交換され冷却
される。冷却された多成分冷却流体の流れ３１５は多成
分冷却流体式の熱交換器３０１から膨張装置３１６に送
られて減圧及び低温化される。かくして少なくとも部分
的に凝縮した多成分冷却流体が再生器２５２の高温端に
位置付けた再生器熱交換装置２５８に送られる。
液化性流体を液化するたために十分な冷却を発生させる
ための改良システムを提供することである。 【解決手段】 圧縮された多成分冷却流体の流れ３１２
が冷却器３１３内で好適な冷却流体と間接熱交換されて
冷却され、次いで、多成分冷却流体式の熱交換器３０１
を通して送られ、多成分冷却流体と間接熱交換され冷却
される。冷却された多成分冷却流体の流れ３１５は多成
分冷却流体式の熱交換器３０１から膨張装置３１６に送
られて減圧及び低温化される。かくして少なくとも部分
的に凝縮した多成分冷却流体が再生器２５２の高温端に
位置付けた再生器熱交換装置２５８に送られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に冷却に関し、
詳しくは、液化のために極低温を必要とする、水素のよ
うなガスを液化するための冷却の発生に関する。
詳しくは、液化のために極低温を必要とする、水素のよ
うなガスを液化するための冷却の発生に関する。
【０００２】
【従来の技術】ネオン、水素あるいはヘリウムのような
幾つかのガスを液化するには極めて低温の冷却を発生さ
せる必要がある。例えば、大気圧下では、ネオンは約−
２４６．０５℃（２７．１Ｋ）で、水素は約−２５２．
７６℃（２０．３９Ｋ）で、ヘリウムは約−２６８．９
４℃（４．２１Ｋ）で夫々液化する。そうした極低温の
冷却を発生させるためのコストは非常に高く付く。ネオ
ン、水素、ヘリウムなどの流体の使用は、エネルギー発
生、エネルギー伝達、電子といったような分野において
はますます重要なものになりつつあり、そうした流体を
液化するためのシステムの改良は、なんであれ極めて望
ましいものとなり得る。ガスに圧力パルスを加えて冷却
を発生させるパルス管冷却が、ネオン、水素、ヘリウム
のような流体を液化するために使用されるが、その効果
は比較的小スケールでのものに過ぎない。
幾つかのガスを液化するには極めて低温の冷却を発生さ
せる必要がある。例えば、大気圧下では、ネオンは約−
２４６．０５℃（２７．１Ｋ）で、水素は約−２５２．
７６℃（２０．３９Ｋ）で、ヘリウムは約−２６８．９
４℃（４．２１Ｋ）で夫々液化する。そうした極低温の
冷却を発生させるためのコストは非常に高く付く。ネオ
ン、水素、ヘリウムなどの流体の使用は、エネルギー発
生、エネルギー伝達、電子といったような分野において
はますます重要なものになりつつあり、そうした流体を
液化するためのシステムの改良は、なんであれ極めて望
ましいものとなり得る。ガスに圧力パルスを加えて冷却
を発生させるパルス管冷却が、ネオン、水素、ヘリウム
のような流体を液化するために使用されるが、その効果
は比較的小スケールでのものに過ぎない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ネオン、水素、あるい
はヘリウムのような難液化性流体を液化するに十分な冷
却を発生させるための改良システムを提供することであ
る。ネオン、水素、或いはヘリウムのような難液化性流
体を液化するための、比較的高い生産量水準下に運転す
ることのできる液化システムを提供することである。
はヘリウムのような難液化性流体を液化するに十分な冷
却を発生させるための改良システムを提供することであ
る。ネオン、水素、或いはヘリウムのような難液化性流
体を液化するための、比較的高い生産量水準下に運転す
ることのできる液化システムを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明に従えば、極低温
条件下の製品流体を生成するための方法であって、
（Ａ）多成分冷却剤流体を圧縮し、圧縮した多成分冷却
剤流体を冷却して低温の多成分冷却剤流体を生成し、該
低温の多成分冷却剤流体を膨張させて該低温の多成分冷
却剤流体を少なくとも部分的に凝縮させること、（Ｂ）
パルス管ガスを圧縮して高温の圧縮パルス管ガスを生成
し、該高温の圧縮パルス管ガスを前記少なくとも部分的
に凝縮させた多成分冷却剤流体と間接熱交換させ、それ
により、低温の圧縮パルス管ガスと、加温された多成分
冷却剤流体とを生成し、前記低温の圧縮パルス管ガス
を、低温の伝熱媒体と直接接触させることにより更に冷
却して低温のパルス管ガスと、加温された伝熱媒体とを
生成し、（Ｃ）低温のパルス管ガスを膨張させて極低温
のパルス管ガスを生成すると共に、ガス圧力波にして、
パルス管作用流体を圧縮及び加熱するガス圧力波を生成
し、次いで、加熱したパルス管作用流体を、前記加温さ
れた多成分冷却剤流体と間接熱交換させることにより冷
却して、一段と加温された多成分冷却剤流体を生成する
こと、（Ｄ）極低温のパルス管ガスを製品流体との間接
熱交換下に送ることにより極低温条件下の製品流体を生
成し、次いで、生じたパルス管ガスを前記加温された伝
熱媒体と直接接触状態下に送ることにより前記低温の伝
熱媒体を生成すること、を含む方法が提供される。
条件下の製品流体を生成するための方法であって、
（Ａ）多成分冷却剤流体を圧縮し、圧縮した多成分冷却
剤流体を冷却して低温の多成分冷却剤流体を生成し、該
低温の多成分冷却剤流体を膨張させて該低温の多成分冷
却剤流体を少なくとも部分的に凝縮させること、（Ｂ）
パルス管ガスを圧縮して高温の圧縮パルス管ガスを生成
し、該高温の圧縮パルス管ガスを前記少なくとも部分的
に凝縮させた多成分冷却剤流体と間接熱交換させ、それ
により、低温の圧縮パルス管ガスと、加温された多成分
冷却剤流体とを生成し、前記低温の圧縮パルス管ガス
を、低温の伝熱媒体と直接接触させることにより更に冷
却して低温のパルス管ガスと、加温された伝熱媒体とを
生成し、（Ｃ）低温のパルス管ガスを膨張させて極低温
のパルス管ガスを生成すると共に、ガス圧力波にして、
パルス管作用流体を圧縮及び加熱するガス圧力波を生成
し、次いで、加熱したパルス管作用流体を、前記加温さ
れた多成分冷却剤流体と間接熱交換させることにより冷
却して、一段と加温された多成分冷却剤流体を生成する
こと、（Ｄ）極低温のパルス管ガスを製品流体との間接
熱交換下に送ることにより極低温条件下の製品流体を生
成し、次いで、生じたパルス管ガスを前記加温された伝
熱媒体と直接接触状態下に送ることにより前記低温の伝
熱媒体を生成すること、を含む方法が提供される。
【０００５】本発明の他の様相に従えば、極低温条件下
に製品流体を生成するための装置であって、（Ａ）コン
プレッサと、多成分冷却剤流体式の熱交換器と、圧縮器
からの流体を多成分冷却剤流体式の熱交換器に送るため
の手段と、膨張装置と、多成分冷却剤流体式の熱交換器
からの流体を膨張装置に送るための手段と、（Ｂ）再生
器にして、再生器熱交換器及び伝熱媒体を収納する再生
器胴部と、を含む再生器と、該再生器内を揺動状態で流
動させるための圧縮ガスを発生させるための手段と、膨
張装置からの流体を再生器熱交換器に送るための手段
と、（Ｃ）パルス管熱交換器及びパルス管胴部を含むパ
ルス管と、再生器熱交換器からの流体をパルス管熱交換
器に送るための手段と、パルス管熱交換器からの流体を
多成分冷却剤流体式の熱交換器に送るための手段と、
（Ｄ）再生器胴部及びパルス管胴部間にガスを通すため
の通路手段にして、製品流体熱交換器を含む通路手段
と、製品流体を製品流体熱交換器に提供するための手段
と、極低温条件下に製品流体熱交換器から製品流体を抜
き出すための手段と、を含む装置が提供される。
に製品流体を生成するための装置であって、（Ａ）コン
プレッサと、多成分冷却剤流体式の熱交換器と、圧縮器
からの流体を多成分冷却剤流体式の熱交換器に送るため
の手段と、膨張装置と、多成分冷却剤流体式の熱交換器
からの流体を膨張装置に送るための手段と、（Ｂ）再生
器にして、再生器熱交換器及び伝熱媒体を収納する再生
器胴部と、を含む再生器と、該再生器内を揺動状態で流
動させるための圧縮ガスを発生させるための手段と、膨
張装置からの流体を再生器熱交換器に送るための手段
と、（Ｃ）パルス管熱交換器及びパルス管胴部を含むパ
ルス管と、再生器熱交換器からの流体をパルス管熱交換
器に送るための手段と、パルス管熱交換器からの流体を
多成分冷却剤流体式の熱交換器に送るための手段と、
（Ｄ）再生器胴部及びパルス管胴部間にガスを通すため
の通路手段にして、製品流体熱交換器を含む通路手段
と、製品流体を製品流体熱交換器に提供するための手段
と、極低温条件下に製品流体熱交換器から製品流体を抜
き出すための手段と、を含む装置が提供される。
【０００６】ここで、“多成分冷却剤流体”とは、２種
類以上の成分を含み且つ冷却を発生させることのできる
流体を意味するものとする。ここで、“可変負荷冷却
剤”とは、２つ以上の成分からなる混合物であって、液
相下において、泡立ち点及び露点間で連続し且つ増大す
る温度変化を受けるような比率を有する混合物を意味す
るものとする。混合物の泡立ち点とは、混合物が全て液
相であるが、熱の追加により液相と平衡な気相の形成が
開始されるところの所定圧力下の温度を、また混合物の
露点とは、混合物の全てが気相であるが、吸熱により、
気相と平行な液相の形成が開始されるところの所定圧力
下の温度を言う。かくして、混合物の泡立ち点と露点と
の間の温度範囲は、液層及び気相が平衡状態で共存する
温度範囲である。本発明の実施に際し、可変負荷冷却剤
のための泡立ち点と露点との間の温度差は少なくとも約
−２６３．１５℃（１０°Ｋ）、好ましくは少なくとも
約−２５３．１５℃（２０°Ｋ）、最も好ましくは少な
くとも約−２２３．１５℃（５０°Ｋ）である。
類以上の成分を含み且つ冷却を発生させることのできる
流体を意味するものとする。ここで、“可変負荷冷却
剤”とは、２つ以上の成分からなる混合物であって、液
相下において、泡立ち点及び露点間で連続し且つ増大す
る温度変化を受けるような比率を有する混合物を意味す
るものとする。混合物の泡立ち点とは、混合物が全て液
相であるが、熱の追加により液相と平衡な気相の形成が
開始されるところの所定圧力下の温度を、また混合物の
露点とは、混合物の全てが気相であるが、吸熱により、
気相と平行な液相の形成が開始されるところの所定圧力
下の温度を言う。かくして、混合物の泡立ち点と露点と
の間の温度範囲は、液層及び気相が平衡状態で共存する
温度範囲である。本発明の実施に際し、可変負荷冷却剤
のための泡立ち点と露点との間の温度差は少なくとも約
−２６３．１５℃（１０°Ｋ）、好ましくは少なくとも
約−２５３．１５℃（２０°Ｋ）、最も好ましくは少な
くとも約−２２３．１５℃（５０°Ｋ）である。
【０００７】ここで、“極低温”とは、温度が約−１８
３．１５℃（９０°Ｋ）或いはそれ未満であることを意
味するものとする。ここで、“間接熱交換”とは、流体
を、相互に物理的に接触或いは相互混合させることなく
熱交換関係に持ち来すことを意味するものとする。ここ
で、“膨張”とは、減圧化することを意味するものとす
る。ここで、“大気圧ガス”とは、窒素（Ｎ2）、アル
ゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、クセノン（Ｚ
ｅ）、ネオン（Ｎｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭
素（ＣＯ2）、酸素（Ｏ2）、重水素（Ｄ2）、水素
（Ｈ2）、ヘリウム（Ｈｅ）、の何れかを意味するもの
とする。
３．１５℃（９０°Ｋ）或いはそれ未満であることを意
味するものとする。ここで、“間接熱交換”とは、流体
を、相互に物理的に接触或いは相互混合させることなく
熱交換関係に持ち来すことを意味するものとする。ここ
で、“膨張”とは、減圧化することを意味するものとす
る。ここで、“大気圧ガス”とは、窒素（Ｎ2）、アル
ゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、クセノン（Ｚ
ｅ）、ネオン（Ｎｅ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭
素（ＣＯ2）、酸素（Ｏ2）、重水素（Ｄ2）、水素
（Ｈ2）、ヘリウム（Ｈｅ）、の何れかを意味するもの
とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】一般に、本発明は、多成分冷却剤
流体冷却システム或いは能動磁気再生器冷却（ａｃｔｉ
ｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒ
ｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）システムの何れかであるこ
とが好ましい非パルス管システムを使用しての極低温冷
却の発生を含んでいる。非パルス管システムは、パルス
管システムにより発生した熱が非パルス管システム中に
排出される規定様式下にパルス管システムと一体化さ
れ、それにより、パルス管システムにおいて、比較的大
量の製品流体を極低温条件に持ち来すための極低温が有
効裡に発生され得るようにする。
流体冷却システム或いは能動磁気再生器冷却（ａｃｔｉ
ｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒ
ｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）システムの何れかであるこ
とが好ましい非パルス管システムを使用しての極低温冷
却の発生を含んでいる。非パルス管システムは、パルス
管システムにより発生した熱が非パルス管システム中に
排出される規定様式下にパルス管システムと一体化さ
れ、それにより、パルス管システムにおいて、比較的大
量の製品流体を極低温条件に持ち来すための極低温が有
効裡に発生され得るようにする。
【０００９】本発明を図面を参照して詳しく説明する。
図１を参照するに、流路３１０内の多成分冷却剤流体
が、圧縮器３１１内で、一般に絶対値での０．４１３７
〜０．６８９５Ｍｐａ（６０〜１００ｐｓｉａ）の範囲
内の圧力に圧縮されている。本発明を実施する上で有益
な多成分冷却剤流体には、窒素、アルゴン及びあるいは
ネオンであるのが好ましい少なくとも１つの大気圧ガス
と、４つまでの炭素原子を有する少なくとも１つのフッ
素含有配合物、例えば、フルオロカーボン、ヒドロフル
オロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオ
ロエーテル、及びあるいは、３つまでの炭素原子を有す
る少なくとも１つのヒドロカーボンが含まれる。
図１を参照するに、流路３１０内の多成分冷却剤流体
が、圧縮器３１１内で、一般に絶対値での０．４１３７
〜０．６８９５Ｍｐａ（６０〜１００ｐｓｉａ）の範囲
内の圧力に圧縮されている。本発明を実施する上で有益
な多成分冷却剤流体には、窒素、アルゴン及びあるいは
ネオンであるのが好ましい少なくとも１つの大気圧ガス
と、４つまでの炭素原子を有する少なくとも１つのフッ
素含有配合物、例えば、フルオロカーボン、ヒドロフル
オロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオ
ロエーテル、及びあるいは、３つまでの炭素原子を有す
る少なくとも１つのヒドロカーボンが含まれる。
【００１０】圧縮された多成分冷却剤流体の流れ３１２
は、冷却器３１３内で好適な冷却剤流体、例えば水と間
接熱交換されてその圧縮熱が冷却され、生じた多成分冷
却剤流体の流れ３１４は多成分冷却剤流体熱交換器３０
１を通して送られ、この多成分冷却剤流体熱交換器内
で、以下に説明する加温される多成分冷却剤流体と間接
熱交換されることにより冷却される。冷却された多成分
冷却剤流体の流れ３１５は多成分冷却剤流体熱交換器３
０１から、膨張弁であるのが好ましい膨張装置３１６に
送られ、この膨張装置での絞り作用によって減圧されて
温度が低下する。この温度低下により、多成分冷却剤流
体は少なくとも部分的に凝縮し、好ましくは全体的に凝
縮する。抗して生じた多成分冷却剤流体は、再生器２５
２の高温端に位置付けられた再生器熱交換装置２５８に
向けてライン３１７を通して送られる。
は、冷却器３１３内で好適な冷却剤流体、例えば水と間
接熱交換されてその圧縮熱が冷却され、生じた多成分冷
却剤流体の流れ３１４は多成分冷却剤流体熱交換器３０
１を通して送られ、この多成分冷却剤流体熱交換器内
で、以下に説明する加温される多成分冷却剤流体と間接
熱交換されることにより冷却される。冷却された多成分
冷却剤流体の流れ３１５は多成分冷却剤流体熱交換器３
０１から、膨張弁であるのが好ましい膨張装置３１６に
送られ、この膨張装置での絞り作用によって減圧されて
温度が低下する。この温度低下により、多成分冷却剤流
体は少なくとも部分的に凝縮し、好ましくは全体的に凝
縮する。抗して生じた多成分冷却剤流体は、再生器２５
２の高温端に位置付けられた再生器熱交換装置２５８に
向けてライン３１７を通して送られる。
【００１１】再生器２５２はヘリウム、水素、ネオン、
ヘリウムとネオンの混合物、或いはヘリウムと水素の混
合物であり得るパルス管ガスを含んでいる。ヘリウム
と、ヘリウム及び水素の混合物とが好ましい。パルス、
即ち圧縮力が、パルス矢印１０で例示されるように再生
器２５２の高温端に加えられ、パルス管冷却シーケンス
の第１部分が開始される。パルスは、再生器２５２と流
体連通するパルス管ガスのリザーバを圧縮するピストン
によって提供されるのが好ましい。再生器にパルスを加
えるための好ましい他の手段は、再生器内部のガスに音
響エネルギーを加える熱音響ドライバである。パルスを
加えるための更に別の方法は、モータ／圧縮器の線形配
列構成である。パルスはパルス管ガスを圧縮し、再生器
２５２の高温端位置に高温のパルス管ガスを生成する。
高温のパルス管ガスは再生器熱交換器２５８内で、少な
くとも部分的に凝縮した多成分冷却剤流体と間接熱交換
して冷却され、それにより、加温された多成分冷却剤流
体の流れ３１８を生成し、また、再熱器の残余部分、即
ち再生器胴部を通して送るための、冷却され圧縮された
パルス管ガスを生成する。幾つかのパルス管では二重入
口幾何学が使用され、パルス管ガスの幾分かもまた、パ
ルス管の加温された端部内に送られる。
ヘリウムとネオンの混合物、或いはヘリウムと水素の混
合物であり得るパルス管ガスを含んでいる。ヘリウム
と、ヘリウム及び水素の混合物とが好ましい。パルス、
即ち圧縮力が、パルス矢印１０で例示されるように再生
器２５２の高温端に加えられ、パルス管冷却シーケンス
の第１部分が開始される。パルスは、再生器２５２と流
体連通するパルス管ガスのリザーバを圧縮するピストン
によって提供されるのが好ましい。再生器にパルスを加
えるための好ましい他の手段は、再生器内部のガスに音
響エネルギーを加える熱音響ドライバである。パルスを
加えるための更に別の方法は、モータ／圧縮器の線形配
列構成である。パルスはパルス管ガスを圧縮し、再生器
２５２の高温端位置に高温のパルス管ガスを生成する。
高温のパルス管ガスは再生器熱交換器２５８内で、少な
くとも部分的に凝縮した多成分冷却剤流体と間接熱交換
して冷却され、それにより、加温された多成分冷却剤流
体の流れ３１８を生成し、また、再熱器の残余部分、即
ち再生器胴部を通して送るための、冷却され圧縮された
パルス管ガスを生成する。幾つかのパルス管では二重入
口幾何学が使用され、パルス管ガスの幾分かもまた、パ
ルス管の加温された端部内に送られる。
【００１２】再熱器胴部には伝熱媒体が収納される。本
発明を実施する上で好適な伝熱媒体の例には、硬球、金
網、高密度ハニカム構造、エキスパンドメタル、鉛球、
が含まれる。伝熱媒体は低温、一般には約−２７１．１
５〜−２３．１５℃（２〜２５０Ｋ）の範囲内の温度で
あり、以下に説明するパルス管冷却シーケンスの第２部
分においてそうした低温に持ち来される。冷却され圧縮
されたパルス管ガスは、再熱器胴部を通して送られるに
従い、伝熱媒体と直接接触することにより一段と冷却さ
れ、加温された伝熱媒体と、冷却された、一般には約−
２６９．１５〜−２１．１５℃（４〜２５２Ｋ）の範囲
内の低温のパルス管ガスとを生成する。
発明を実施する上で好適な伝熱媒体の例には、硬球、金
網、高密度ハニカム構造、エキスパンドメタル、鉛球、
が含まれる。伝熱媒体は低温、一般には約−２７１．１
５〜−２３．１５℃（２〜２５０Ｋ）の範囲内の温度で
あり、以下に説明するパルス管冷却シーケンスの第２部
分においてそうした低温に持ち来される。冷却され圧縮
されたパルス管ガスは、再熱器胴部を通して送られるに
従い、伝熱媒体と直接接触することにより一段と冷却さ
れ、加温された伝熱媒体と、冷却された、一般には約−
２６９．１５〜−２１．１５℃（４〜２５２Ｋ）の範囲
内の低温のパルス管ガスとを生成する。
【００１３】低温のパルス管ガスは、ライン１１を通し
てパルス管２５３の低温端に送られる。パルス管２５３
はその他端、即ち高温端位置にパルス管熱交換器２５９
を有し、このパルス管熱交換器を出た低温のパルス管ガ
スが、パルス管内に流入する。低温のパルス管ガスは、
パルス管２５３内にその低温端位置から流入するに従い
膨張してその温度を下げて極低温のパルス管ガスを形成
すると共に、パルス管２５３の加温端に向けて流動する
ガス圧力波をも形成する。このガス圧力波はまた、パル
ス管内部のパルス管作用液と称するガスを圧縮してこれ
を加熱する。
てパルス管２５３の低温端に送られる。パルス管２５３
はその他端、即ち高温端位置にパルス管熱交換器２５９
を有し、このパルス管熱交換器を出た低温のパルス管ガ
スが、パルス管内に流入する。低温のパルス管ガスは、
パルス管２５３内にその低温端位置から流入するに従い
膨張してその温度を下げて極低温のパルス管ガスを形成
すると共に、パルス管２５３の加温端に向けて流動する
ガス圧力波をも形成する。このガス圧力波はまた、パル
ス管内部のパルス管作用液と称するガスを圧縮してこれ
を加熱する。
【００１４】ライン３１８内の加温された多成分冷却剤
流体は、パルス管２５３の加温端内のパルス管熱交換器
２５９に送られる。本発明を実施する上で、パルス管胴
部は、パルス管の加温端位置のパルス管作用流体を加熱
するための、低温端位置で膨張するパルス管ガスからの
圧力エネルギーを移行させるためのガスのみを収納す
る。つまり、パルス管２５３は、ピストン配列構成を使
用する場合に用いるような可動部品を何ら含まない。本
発明の大きな利益は、パルス管が可動部材無しで運転さ
れる点にある。加温された多成分冷却剤流体は、パルス
管熱交換器２５９内で、加熱されたパルス管作用液と間
接熱交換されて一段と加温され、それにより、一段と加
温された多成分冷却剤流体を生成する。この、一段と加
温された多成分冷却剤流体は全体的にガス状であり、パ
ルス管熱交換器２５９からライン３１９を通して多成分
冷却剤流体熱交換器３０１に送られる。多成分冷却剤流
体は、多成分冷却剤流体熱交換器３０１内で冷却用の多
成分冷却剤流体と間接熱交換されることにより更に一段
と加温され、先に議論したように、多成分冷却剤流体の
流れ３１４内を熱交換器３０１に持ち来たされる。生じ
た、更に一段と加温された多成分冷却剤流体はライン３
１０を通して熱交換器３０１から圧縮器３１１に送ら
れ、多成分冷却剤流体の冷却サイクルが新たに開始され
る。
流体は、パルス管２５３の加温端内のパルス管熱交換器
２５９に送られる。本発明を実施する上で、パルス管胴
部は、パルス管の加温端位置のパルス管作用流体を加熱
するための、低温端位置で膨張するパルス管ガスからの
圧力エネルギーを移行させるためのガスのみを収納す
る。つまり、パルス管２５３は、ピストン配列構成を使
用する場合に用いるような可動部品を何ら含まない。本
発明の大きな利益は、パルス管が可動部材無しで運転さ
れる点にある。加温された多成分冷却剤流体は、パルス
管熱交換器２５９内で、加熱されたパルス管作用液と間
接熱交換されて一段と加温され、それにより、一段と加
温された多成分冷却剤流体を生成する。この、一段と加
温された多成分冷却剤流体は全体的にガス状であり、パ
ルス管熱交換器２５９からライン３１９を通して多成分
冷却剤流体熱交換器３０１に送られる。多成分冷却剤流
体は、多成分冷却剤流体熱交換器３０１内で冷却用の多
成分冷却剤流体と間接熱交換されることにより更に一段
と加温され、先に議論したように、多成分冷却剤流体の
流れ３１４内を熱交換器３０１に持ち来たされる。生じ
た、更に一段と加温された多成分冷却剤流体はライン３
１０を通して熱交換器３０１から圧縮器３１１に送ら
れ、多成分冷却剤流体の冷却サイクルが新たに開始され
る。
【００１５】パルス管２５３の加温端には、リザーバ２
５４に導通するオリフィス２５７を有するラインが取り
付けられる。パルス管作用液の圧力波は、パルス管の加
温端の壁面と接触し、パルス管冷却シーケンスの第２部
分に戻る。オリフィス２５７とリザーバ２５４とは、こ
の圧力波の相を、パルス管２５３の低温端内の低温のパ
ルス管ガスが膨張して発生する次の圧力波と干渉しない
状態に維持するために使用される。
５４に導通するオリフィス２５７を有するラインが取り
付けられる。パルス管作用液の圧力波は、パルス管の加
温端の壁面と接触し、パルス管冷却シーケンスの第２部
分に戻る。オリフィス２５７とリザーバ２５４とは、こ
の圧力波の相を、パルス管２５３の低温端内の低温のパ
ルス管ガスが膨張して発生する次の圧力波と干渉しない
状態に維持するために使用される。
【００１６】パルス管２５３内の極低温のパルス管ガス
はライン１１を通して再生器２５２に戻る。この戻り通
路内で、極低温のパルス管ガスは製品流体熱交換器２５
５を通して送られ、ライン１２内を通して製品流体熱交
換器２５５に持ち来たされる製品流体とそこで間接熱交
換されて加温される。本発明を実施するに際し、冷却さ
れ、液化され、及びあるいは過冷却される製品流体に
は、中でも、水素、重水素、ヘリウム、ネオン、窒素、
アルゴン、これらを１つ以上含む混合物、を挙げること
ができる。
はライン１１を通して再生器２５２に戻る。この戻り通
路内で、極低温のパルス管ガスは製品流体熱交換器２５
５を通して送られ、ライン１２内を通して製品流体熱交
換器２５５に持ち来たされる製品流体とそこで間接熱交
換されて加温される。本発明を実施するに際し、冷却さ
れ、液化され、及びあるいは過冷却される製品流体に
は、中でも、水素、重水素、ヘリウム、ネオン、窒素、
アルゴン、これらを１つ以上含む混合物、を挙げること
ができる。
【００１７】製品流体は、製品流体熱交換器２５５を通
して送られるに従い、極低温のパルス管ガスと間接熱交
換することにより極低温状況に持ち来たされる。極低温
化され、ガス、液体或いはスラッシュの形態であり得る
製品流体が製品流体熱交換器２５５から抜き出され、回
収される。製品流体熱交換器２５５を出たパルス管ガス
はライン１１を通して再生器２５２に送られ、そこで再
生器内部の伝熱媒体と直接接触して先に言及した低温の
伝熱媒体を生成し、それによりパルス管冷却シーケンス
の第２部分を完了し、再生器を、引き続くパルス管冷却
シーケンスの第１部分のための状況とする。
して送られるに従い、極低温のパルス管ガスと間接熱交
換することにより極低温状況に持ち来たされる。極低温
化され、ガス、液体或いはスラッシュの形態であり得る
製品流体が製品流体熱交換器２５５から抜き出され、回
収される。製品流体熱交換器２５５を出たパルス管ガス
はライン１１を通して再生器２５２に送られ、そこで再
生器内部の伝熱媒体と直接接触して先に言及した低温の
伝熱媒体を生成し、それによりパルス管冷却シーケンス
の第２部分を完了し、再生器を、引き続くパルス管冷却
シーケンスの第１部分のための状況とする。
【００１８】図２には本発明の他の実施例が例示され、
パルス管冷却システムにより発生する熱が、パルス管冷
却システムと一体化した能動磁気再生器冷却システムに
排出されるようになっている。図２では、図１のものと
同じ構成要素については同じ参照番号が付記され、それ
ら構成要素に関する説明は省略される。
パルス管冷却システムにより発生する熱が、パルス管冷
却システムと一体化した能動磁気再生器冷却システムに
排出されるようになっている。図２では、図１のものと
同じ構成要素については同じ参照番号が付記され、それ
ら構成要素に関する説明は省略される。
【００１９】図２を参照するに、加温された冷却剤流体
が流れ３２０としてポンプ３２１に送られ、次いで、流
れ３２２として冷却器３２３に送られ、そこで冷却され
て低温の冷却剤流体３２４となる。能動磁気再生器３０
２は、磁化されると高温化し、消磁されると低温化する
床材料を含む。プロセスにおいて、能動磁気再生器３０
２が消磁されると、流れ３２４として能動磁気再生器３
０２の熱交換器部分を通して送られる冷却剤流体は、消
磁されて低温化した床材料と熱交換することにより冷却
される。こうして低温化された冷却剤流体の流れ３２５
は、加温され、先に説明したようにパルス管システムを
通して更に加温され、生じた加温された冷却剤流体は、
磁化された能動磁気能動磁気再生器３０２に戻され、か
くして冷却剤流体を一段と加温する。加温された冷却剤
流体は流れ３２０として能動磁気再生器３０２を出、サ
イクルが新たに開始される。以上、本発明を実施例を参
照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得る
ことを理解されたい。
が流れ３２０としてポンプ３２１に送られ、次いで、流
れ３２２として冷却器３２３に送られ、そこで冷却され
て低温の冷却剤流体３２４となる。能動磁気再生器３０
２は、磁化されると高温化し、消磁されると低温化する
床材料を含む。プロセスにおいて、能動磁気再生器３０
２が消磁されると、流れ３２４として能動磁気再生器３
０２の熱交換器部分を通して送られる冷却剤流体は、消
磁されて低温化した床材料と熱交換することにより冷却
される。こうして低温化された冷却剤流体の流れ３２５
は、加温され、先に説明したようにパルス管システムを
通して更に加温され、生じた加温された冷却剤流体は、
磁化された能動磁気能動磁気再生器３０２に戻され、か
くして冷却剤流体を一段と加温する。加温された冷却剤
流体は流れ３２０として能動磁気再生器３０２を出、サ
イクルが新たに開始される。以上、本発明を実施例を参
照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得る
ことを理解されたい。
【００２０】
【発明の効果】ネオン、水素、あるいはヘリウムのよう
な難液化性流体を液化するに十分な冷却を発生させるた
めの改良システムが提供される。ネオン、水素、或いは
ヘリウムのような、難液化性流体を液化するための、比
較的高い生産量水準下に運転することのできる液化シス
テムが提供される。
な難液化性流体を液化するに十分な冷却を発生させるた
めの改良システムが提供される。ネオン、水素、或いは
ヘリウムのような、難液化性流体を液化するための、比
較的高い生産量水準下に運転することのできる液化シス
テムが提供される。
【図１】多成分冷却剤流体冷却システムをパルス管冷却
システムと一体化した本発明の好ましい１実施例の概略
図である。
システムと一体化した本発明の好ましい１実施例の概略
図である。
【図２】能動磁気再生器冷却システムをパルス管冷却シ
ステムと一体化した本発明の他の実施例の概略図であ
る。
ステムと一体化した本発明の他の実施例の概略図であ
る。
２５２ 再生器 ２５３ パルス管 ２５４ リザーバ ２５５ 製品流体熱交換器 ２５７ オリフィス ２５８ 再生器熱交換装置 ２５９ パルス管熱交換器 ３０１ 多成分冷却剤流体熱交換器 ３１０ 流路 ３１１ 圧縮器 ３１２ 圧縮された多成分冷却剤流体の流れ ３１３、３２３ 冷却器 ３１４ 多成分冷却剤流体の流れ ３１５ 冷却された多成分冷却剤流体の流れ ３１６ 膨張装置 ３１８ 加温された多成分冷却剤流体の流れ ３２１ ポンプ ３２４ 低温の冷却剤流体 ３０２ 能動磁気再生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ヘンリー・ロイアル アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、セトラーズ・ロウ102 (72)発明者 クリスチャン・フリードリック・ゴッツマ ン アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス、トンプソン・ロード5308 (72)発明者 ダンテ・パトリック・ボナキスト アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、ランサム・ロード1036 (72)発明者 バイラム・アルマン アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、ザ・コモンズ16
Claims (10)
- 【請求項１】 極低温条件下の製品流体を生成するため
の方法であって、 （Ａ）多成分冷却剤流体を圧縮し、圧縮した多成分冷却
剤流体を冷却して冷却された多成分冷却剤流体を生成
し、冷却された多成分冷却剤流体を膨張させて少なくと
も部分的に凝縮された多成分冷却剤流体を生成するこ
と、 （Ｂ）パルス管ガスを圧縮して高温の圧縮されたパルス
管ガスを生成し、高温の圧縮されたパルス管ガスを、少
なくとも部分的に凝縮された多成分冷却剤流体と間接熱
交換させることにより冷却して、冷却され圧縮されたパ
ルス管ガス及び加温された多成分冷却剤流体を生成し、
冷却され圧縮されたパルス管ガスを低温の伝熱媒体と直
接接触させて一段と冷却し、低温のパルス管ガス及び加
温された伝熱媒体を生成すること、 （Ｃ）低温のパルス管ガスを膨張させ、極低温のパルス
管ガスを生成すると共に、パルス管作用流体を圧縮及び
加熱するガス圧力波を生成し、加熱されたパルス管作用
流体を加温された多成分冷却剤流体と間接熱交換させて
冷却し、一段と加温された多成分冷却剤流体を生成する
こと、 （Ｄ）極低温のパルス管ガスを製品流体との間接熱交換
状況下に送ることにより極低温条件下の製品流体を生成
し、生じた極低温条件下の製品流体を加温された伝熱媒
体との直接接触状況下に送ることにより前記低温の伝熱
媒体を生成すること、 を含む極低温条件下の製品流体を生成するための方法。 - 【請求項２】 膨張した多成分冷却剤流体が完全に凝縮
される請求項１の方法。 - 【請求項３】 多成分冷却剤流体が少なくとも１つの大
気圧下のガスを含むようにした請求項１の方法。 - 【請求項４】 多成分冷却剤流体が可変負荷冷却剤であ
るようにした請求項１の方法。 - 【請求項５】 極低温条件下の製品流体を生成するため
の装置であって、 （Ａ）圧縮器と、多成分冷却剤流体熱交換器と、圧縮器
からの流体を多成分冷却剤流体熱交換器に送るための手
段と、膨張装置と、多成分冷却剤流体熱交換器からの流
体を膨張装置に送るための手段と、 （Ｂ）再生器にして、再生器熱交換器と、伝熱媒体を収
納する再生器胴部と、を含む再生器と、再生器内におけ
る揺動流れのための圧縮ガスを発生させるための手段
と、膨張装置からの流体を再生器熱交換器に送るための
手段と、 （Ｃ）パルス管熱交換器及びパルス管胴部を含むパルス
管と、再生器熱交換器からの流体をパルス管熱交換器に
送るための手段と、パルス管熱交換器からの流体を多成
分冷却剤流体熱交換器に送るための手段と、 （Ｄ）再生器胴部とパルス管胴部にガスを送るための送
り手段にして、製品流体熱交換器と、製品流体を該製品
流体熱交換器に提供するための手段と、製品流体熱交換
器から極低温条件下の製品流体を抜き出すための手段
と、 を含む極低温条件下の製品流体を生成するための装置。 - 【請求項６】 膨張装置が弁である請求項５の装置。
- 【請求項７】 再生器内部の揺動流れのための圧縮ガス
を発生させるための手段がピストンを含んでいる請求項
５の装置。 - 【請求項８】 再生器内部の揺動流れのための圧縮ガス
を発生させるための手段が熱音響ドライバを含んでいる
請求項５の装置。 - 【請求項９】 極低温条件下の製品流体を生成するため
の方法であって、 （Ａ）冷却剤流体を冷却し、冷却された冷却剤流体を生
成すること、 （Ｂ）パルス管ガスを圧縮して高温の圧縮されたパルス
管ガスを生成し、高温の圧縮されたパルス管ガスを、冷
却された冷却剤流体と間接熱交換させることにより冷却
し、冷却され圧縮されたパルス管ガス及び加温された冷
却剤流体を生成し、冷却され圧縮されたパルス管ガスを
低温の伝熱媒体と直接接触させることにより一段と冷却
し、低温のパルス管ガス及び加温された伝熱媒体を生成
すること、 （Ｃ）低温のパルス管ガスを膨張させて、極低温のパル
ス管ガスを生成すると共に、パルス管作用流体を圧縮及
び加熱するガス圧力波を生成し、加熱されたパルス管作
用流体を、加温された冷却剤流体と間接熱交換させるこ
とにより冷却して、一段と加温された冷却剤流体を生成
すること、 （Ｄ）極低温のパルス管ガスを、製品流体との間接熱交
換状況下に送ることにより極低温条件下の製品流体を生
成し、生じたパルス管ガスを、加温された伝熱流体と直
接接触状況下に送ることにより前記低温の伝熱媒体を生
成すること、を含む極低温条件下の製品流体を生成する
ための方法。 - 【請求項１０】 極低温条件下の製品流体を生成するた
めの装置であって、 （Ａ）冷却剤流体熱交換器と、冷却剤流体を冷却剤流体
熱交換器に送るための手段と、 （Ｂ）再生器にして、再生器熱交換器と、伝熱媒体を収
納する再生器胴部とを含む再生器と、再生器内部におけ
る揺動流れのための圧縮ガスを発生させるための手段
と、冷却剤流体熱交換器からの冷却剤流体を再生器熱交
換器に送るための手段と、 （Ｃ）パルス管にして、パルス管熱交換器及びパルス管
胴部を含むパルス管と、再生器熱交換器からの冷却剤流
体をパルス管熱交換器に送るための手段と、パルス管熱
交換器からの冷却剤流体を冷却剤流体熱交換器に送るた
めの手段と、 （Ｄ）再生器胴部とパルス管胴部との間にガスを送るた
めの送り手段にして、製品流体熱交換器を含む送り手段
と、製品流体を製品流体熱交換器に提供するための手段
と、製品流体熱交換器から極低温条件下の製品流体を抜
き出すための手段と、 を含む極低温条件下の製品流体を生成するための装置。
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