JP2007225229A - 液体の冷却方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の温度を簡便かつ効率よく低下させることのできる液体の冷却方法および装置を提供する。
【解決手段】冷却すべき液体４を貯留する容器１と、液体４に液体４よりも低い沸点を有する気体２１を注入する導入配管３と、導入配管３の途中に形成され液体４の蒸発ガスと気体２１を熱交換させて気体２１を冷却する熱交換部９とを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の冷却方法および装置に係り、特に液体として極低温の沸点を持つ液化天然ガス、液体酸素、液体窒素、液体ネオン、液体水素、液体ヘリウム等を冷却する液体の冷却方法および装置に関する。

液体の冷却方法には、外部冷熱源によって冷却する方法（特許文献１参照）と、ポンプあるいはエジェクターにより液体を貯留する容器を減圧し液体の蒸発潜熱により冷却する方法（特許文献２参照）がある。外部冷熱源による冷却では、冷凍機や熱交換器を容器に取り付ける必要がある。冷却速度は冷凍機の冷凍能力による。このとき、温度低下に伴い容器内部の圧力が低下するので一定の圧力に保つには何らかの補圧機構が必要となる。

一方、潜熱を利用する方法は減圧するため、容器はそれに見合った耐圧容器が必要となる。また、ポンプ、エジェクター等の外部装置が必要となる。冷却速度はポンプやエジェクターの排気速度に依存する。

特に、液体冷媒としての液体窒素は高温超電導コイルや電流リードの冷却に使用される。この場合、高温超電導コイルおよび高温超電導電流リードは液体窒素中に浸漬して使用されるか、または、液体窒素の入った容器から冷却板を延ばし、被冷却体である高温超電導コイルや電流リードを伝導により冷却する方法がある。このとき、大気圧力下での飽和温度７７K以下の冷却が必要となる場合、前述のような、外部冷熱源による冷却、あるいは減圧による冷却方法がある。超電導材料は温度が低いほど大きな通電電流が流せる。たとえば液体窒素温度で稼動できる（磁場を発生できる）高温超電導コイルを液体窒素で冷却している場合、液体窒素の温度をさらに低下させることで、通電電流を増やすことができ、超電導コイルが発生できる磁場が増大する。

このような超電導マグネットでは、２つの冷却モードがある。ひとつは７７Kから所定の温度まで温度を低下させる予冷モードであり、他のひとつは所定の温度で、ある熱負荷に対しその温度を維持する定常冷却モードである。予冷モードでの冷却時間を短縮するためには、冷凍機、減圧ポンプ、エジェクター等を大型にする必要があるが、これらの装置の大型化は、定常冷却モードでは過剰な能力であることが多い。近年超電導機器の大型化に伴い、ますます、この予冷モードに必要な能力と、定常冷却に必要な能力とのギャップが大きくなる傾向にある。

液体を冷却する簡易方法として、冷却すべき液体よりも沸点の低い気体を液体の液面に吹き付けたり、液体内部に導入して気泡として液中に注入する方法が発明されている（特許文献３参照）。この原理は、液面あるいは気泡中の液面付近で液体のガスの分圧が沸点の低い気体により低下するため、その温度での飽和圧力になるよう蒸発が促進され、その際の潜熱により液体の温度が低下するものである。しかし、特許文献３に開示されている方法では、沸点の低い気体を液体として保持し、その蒸発気体を循環させる複雑な構成や、室温の気体を液中に注入するためにおこる余分な蒸発（室温の気体を冷却するために起こる蒸発）により、温度低下に寄与する気体の割合が減少し効率が低下してしまう。特に、液体として液体窒素、液体水素等の極低温の冷媒を冷却する場合には、前者の装置は、それより低い沸点の冷媒を保持する断熱容器や低温ポンプが必要となり、後者は温度低下に寄与しない蒸発量の増加を伴い、非効率である。
特開平１０−０５４６３７号公報 特開２００３−２３２４９９号公報 特開平７−１１５１５４号公報

背景技術で説明したように、定常冷却モードで過剰な能力となる装置を設けることは、装置のコスト上昇および重量と大きさの増加につながり、効率が悪い。そこで、外部冷却装置は定常冷却モードに必要十分な能力を持たせるだけで、予冷モードでは、別の補助的な冷却手段を持たせる方法がある。このとき、補助冷却手段は、簡便である方がよいことはいうまでもない。
本発明は、液体の温度を簡便かつ効率よく低下させることのできる液体の冷却方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１の発明の液体の冷却方法は、冷却すべき液体よりも低い沸点を有する気体を前記液体の蒸発ガスと熱交換させて冷却したのちに前記液体に注入し前記気体の気泡を前記液体内に発生させる。

請求項２の発明の液体の冷却装置は、冷却すべき液体を貯留する容器と、前記液体よりも低い沸点を有する気体を前記液体に注入する導入配管と、前記液体に注入する前の気体と前記液体の蒸発ガスを熱交換させて前記気体を冷却する熱交換部とを備えている構成とする。

本発明によれば、液体の温度を簡便かつ効率よく低下させることができる。

以下、本発明の液体の冷却方法および装置の第１ないし第８の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態を示す。すなわち、断熱容器１内に満たされた冷却すべき液体４中に、この液体４よりも低い沸点を有する低沸点気体２１が充填された気体ストレージ２から、導入配管３を通して低沸点気体２１が液体４中に注入される。液体４中に放出された低沸点気体２１は、気泡５となり、浮力により液体４中を上昇し、液面に達する。気泡５が液体４中にある間は、液体４から気泡５へ蒸発が起こる。この蒸発は、気泡５内の液体４が蒸発した気体状の物質の分圧がその状態での飽和圧力になるか、あるいは気泡５が液面に到達するまで続く。このとき、液体４の蒸発潜熱により界面の液体４は温度を下げる。気泡５により液体４の攪拌も同時に行なわれるため、この温度低下（冷却）は、断熱容器１内の液体４全体にわたって起こる。

ここで、液体４中に低沸点気体２１を導入する前に、液体４が蒸発した低温のガスと、導入する低沸点気体２１（最初は室温）とを熱交換するための熱交換器９を、断熱容器１内のガス層１ａに設置することで、導入された低沸点気体２１を冷却しておくことが可能となる。そうすることの効果は、次のように説明される。液体４が蒸発する原理は２つある。一つは前記のように分圧低下による蒸発の促進であり、これにより液体４の温度は低下する。もう一つは、導入される低沸点気体２１を冷却する際、液体４には低沸点気体２１からの熱侵入があり、そのために起こる蒸発である。後者の蒸発は、導入された低沸点気体２１を冷却するために起こるもので、液体４の温度を下げる効果はなく、したがって、無駄に液体４を消費させてしまう。熱交換器９をガス層１ａに設けることで、蒸発ガスの顕熱（飽和温度→室温）を有効利用でき、液体４を無駄に蒸発させることなく、導入された低沸点気体２１は飽和温度に近い温度まで冷却が可能である。

図２，図３に、本実施の形態の効果を検証した試験結果を示す。すなわち、約４．５リットルの液体窒素を入れた断熱容器において、標準状態（０℃、１ａｔｍ）で３ｍ³／ｈの流量の室温ヘリウムガスを配管により液中に導き、液体窒素の温度の時間経過を測定した（図２）。またその試験において、液体窒素の残量も測定した（図３）。この試験において、ヘリウムガスの配管（銅製）を螺旋状に巻き、断熱容器内のガス槽に設置した場合（熱交換器あり）と、直接液体窒素に配管を入れた場合（熱交換器なし）で、結果を比較すると、液体の到達温度に約３Ｋの差があり、熱交換器ありの場合のほうが到達温度は低い結果が得られた。また、液体窒素の蒸発ガスの顕熱を有効利用しているため、熱交換器ありの場合の方が蒸発速度は小さく、効率的に冷却が可能であることが実証された。

本実施の形態によれば、低沸点気体２１を液体４中に注入するだけで冷却効果があることから、装置への取り付けは非常に簡便である。またポンプ等の減圧の必要がないため、断熱容器１は開放にすることが可能で、このとき、圧力が加わったり、あるいは減圧になることがないため、断熱容器１は強度の弱いものでよく、簡便で安全な容器となる。さらに蒸発潜熱の大きい液体４では、その冷却効果も非常に大きい。

なお、導入配管３の先端部の気体噴出口３ａはできる限り液体４の底部に近いほうが良い。その理由は、気泡５が液面に達するまでの時間が長くなるためであり、同じ注入気体量で、液体４の蒸発量を増やすことができ、冷却の効率が良くなるためである。また、気体噴出口３ａを覆って多孔質部材を設けると微細な気泡が発生して冷却効率を更に高めることができる。

（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、断熱容器１の排気筒１０に低沸点気体２１の導入配管３を通して熱交換機能をもたせた構成である。本実施の形態によれば、複雑な冷却機構を設けることなく、既存の低温容器で簡易に沸点より低い温度の液体４を得ることが可能である。

（第３の実施の形態）
図５に本発明の第３の実施の形態を示す。本実施の形態は第２の実施の形態の構成に加えて、液体４の中から液面上にわたる気泡集積筒１６を設けた構成である。気泡５は漏斗状の気泡集積筒１６により液体４中で集められ、気泡５が出てくる液面の面積が抑えられている。こうすることの効果は、気泡５が出てこない液面の面積を増加させることで、液面付近の液体４の、気泡による擾乱を防ぎ、液面近くの温度勾配層の乱れを防ぐことである。温度勾配層が安定していると、断熱容器１内の圧力は安定し、熱侵入量の低減も図ることが可能となる。

（第４の実施の形態）
図６に本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態は第２の実施の形態の構成に加えて、気体噴出口３ａの上部に障害筒７を設けた構成である。障害筒７は上下端は開放されており、内部には水平方向に複数の障害板８が設けられ、あるいは多孔質材料や網状材料が充填されている。本実施の形態によれば気泡５が液面に到達するまでにかかる時間が延長され、液体４の蒸発量を増加させ、液体４の冷却効果を高めることができる。

（第５の実施の形態）
図７に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態は、排気筒１０の先端に減圧用ポンプまたはエジエクター１２を設けた構成である。本実施の形態によれば、液体４の蒸発ガスは注入された低沸点気体２１とともに減圧用のポンプまたはエジェクター１２により排気され、あるいは断熱容器１内を減圧される。これによって冷却効果を高めることができる。

（第６の実施の形態）
図８に本発明の第６の実施の形態を示す。本実施の形態は、第２の実施の形態の構成に加えて、断熱容器１に冷凍機の冷却ステージ１４を取り付け、冷凍機のコールドヘッド１５を液体４に浸漬させた構成である。

冷却システムにおいては、目的温度まで温度を下げるのに必要とされる冷却能力と、定常状態（目的温度で温度一定の状態）で必要とされる冷却能力にギャップが生じ、アンバランスなシステムになる（定常時の冷却能力の過剰、または、予冷時間が非常に長い）ことがしばしば起こる。そこで、簡易的に予冷時間を短縮できるような補助冷却システムがあると、装置の簡素化、低コスト化に有効である。特に、いったん運転が開始され、以降長期的に運転されるような場合は、補助冷却装置の簡素化の効果は増大する。本実施の形態は、予冷時間短縮のための補助冷却手段として有効である。

（第７の実施の形態）
図９に本発明の第７の実施の形態を示す。本実施の形態は、第２の実施の形態の構成に加えて、断熱容器１内のガス層１ａに擾乱防止板１９と低密度気体捕集板２０を設け、擾乱防止板１９の上面に開口を有する高密度気体回収配管１７を設けた構成である。

ガス層１ａに留まった気体は、擾乱防止板１９によってその密度差により分離され、高密度の気体は高密度気体回収配管１７により、低密度の気体は排気筒１０によって断熱容器１外に回収される。本実施の形態は高価な低沸点気体２１と液体４を用いる場合に有効であり、さらに、回収した気体のうち沸点の低い方の気体を昇圧し再度液体４中に注入することによってランニングコストの低減を図ることができる。

（第８の実施の形態）
図１０に本発明の第８の実施の形態を示す。本実施の形態では超電導コイル１３を液体４に浸漬し低沸点気体２１を供給して冷却温度を低くすることで、超電導コイル１３の通電電流を増加させることができる。

なお、本発明は、液体４として液体窒素または液体ネオンまたは液体水素を採用し、低沸点気体２１として液体４よりも沸点の低い物質（液体窒素の場合はネオンまたは水素またはヘリウム、液体ネオンの場合は水素またはヘリウム、液体水素の場合はヘリウム）を用いた場合に特に高い効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の液体の冷却装置の効果を示すグラフ。 本発明の第１の実施の形態の液体の冷却装置の効果を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第４の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第５の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第６の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第７の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。 本発明の第８の実施の形態の液体の冷却装置を示す断面図。

符号の説明

１…断熱容器、１ａ…ガス層、２…気体ストレージ、３…導入配管、３ａ…気体噴出口、４…液体、５…気泡、７…障害筒、８…障害板、９…熱交換器、１０…排気筒、１２…減圧用ポンプまたはエジェクター、１３…超電導コイル、１４…冷凍機冷却ステージ、１５…冷凍機コールドヘッド、１６…気泡集積筒、１７…高密度気体回収配管、１９…擾乱防止板、２０…低密度気体捕集板、２１…低沸点気体。

Claims (10)

1. 冷却すべき液体よりも低い沸点を有する気体を前記液体の蒸発ガスと熱交換させて冷却したのちに前記液体に注入し前記気体の気泡を前記液体内に発生させることを特徴とする液体の冷却方法。
2. 冷却すべき液体を貯留する容器と、前記液体よりも低い沸点を有する気体を前記液体に注入する導入配管と、前記液体に注入する前の前記気体と前記液体の蒸発ガスを熱交換させて前記気体を冷却する熱交換部とを備えていることを特徴とする液体の冷却装置。
3. 前記熱交換部は、前記容器内の蒸発ガス層に形成されていることを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
4. 前記熱交換部は、前記容器の排気筒内に形成されていることを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
5. 前記液体中に前記気体の気泡を集める気泡集積筒を設けたことを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
6. 前記液体中に前記気体の気泡の上昇を遅延させる障害物を設けたことを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
7. 前記液体に注入された前記気体および前記液体の蒸発ガスの前記容器外へ排出させる排気装置を備えていることを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
8. 前記容器に前記液体を冷却する冷凍機が備えられていることを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
9. 前記液体の液面上に設けられた気体分離手段と、この気体分離手段で分離された前記気体を回収する気体回収手段とを備えていることを特徴とする請求項２記載の液体の冷却装置。
10. 前記気体回収手段で回収した前記気体を再度前記液体中に注入するための昇圧装置を備えていることを特徴とする請求項９記載の液体の冷却装置。
    
    

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