JP2009186175A - 貯留容器の冷却方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器を冷却するに際し、冷却の間に蓄積する気体ヘリウムを無駄に放出する必要なく高いエネルギー効率で冷却可能とする。
【解決手段】 ａ）冷却対象の貯留容器(Ｓ)を冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)に直接結合又は間接結合し、ｂ）冷却循環路内には冷却対象の貯留容器内に貯蔵されている流体と同種又は異種の冷却用流体を循環させ、ｃ）冷却循環路内で冷却用流体を圧縮(Ｖ)及び冷却(Ｅ)すると共に極低温を生じるように膨張(Ｔ)させ、ｄ）膨張後の冷却用流体の少なくとも一部の部分流(５，７)を冷却対象の貯留容器(Ｓ)の冷却に使用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器を冷却する方法に関する。
貯留容器を冷却（又は再冷却）するためのこの種の方法は、液相状態のヘリウムや水素の配送に際して利用される。希ガスであるヘリウムは、通常は天然ガスから得られる。従って、ヘリウムの産出は、米国、ロシア、アルジェリア或いはカタール等の少数の国々に限られている。ヘリウムの世界中への分配は、ヘリウムを絶対温度４．５Ｋよりも低温に冷却して液化し、断熱貯留容器に封入して輸送・分配するという形で行われる。
このような液体ヘリウム貯留容器は、本質的に５０〜６０Ｋ以下の温度に保たれていなければならない。この理由から液体ヘリウム貯留容器を完全に空にすることはできない。更に、この種の貯留容器に通常備えられている輻射シールドは、常に液体窒素によって冷却されている必要がある。そうすることでヘリウム貯留容器が滅多に５０〜６０Ｋを超える温度に上昇しないようにする。
ヘリウム貯留容器に液体ヘリウムを再充填する前には、貯留容器を改めて４．５Ｋに再冷却する必要もある。さもないと流入する液体ヘリウムが気化する虞があるからである。ところが実際には、ヘリウム貯留容器が充填ステーションに届けられる時には１５０Ｋ以上の温度になっていることが多い。そのため、充填に先立って貯留容器を先ず液体ヘリウムによって液体ヘリウム温度まで冷却する必要がある。この充填に先立つ貯留容器の再冷却は（ヘリウムの）充填ステーションで行われるのが一般的であり、その場合、再冷却用の液体ヘリウムは充填ステーションの貯蔵タンクから冷却対象の貯留容器に供給され、それにより貯留容器が再冷却される。この場合、再冷却に用いられる液体ヘリウムは完全に気化されるので、廃棄処分せざるを得ない場合を除き、必要に応じて不純物を除去してから再液化する必要がある。
しかしながら、上述の冷却プロセスはエネルギー所要量が比較的大きくなるという欠点がある。その理由は、温度１５０Ｋ以上で使用すべき冷却能力を温度４．５Ｋで発揮させるので、エネルギー効率が極めて低いことによる。更に、上述の冷却プロセスは、冷却の間に余分に蓄積する気体ヘリウムの量が、充填ステーションに一般的に備えられているヘリウム液化装置の能力を超えてしまう事態がしばしば起こるという欠点も有する。その結果、高価なヘリウムガスを周囲大気中に放出しなければならないという問題がある。
本発明が解決すべき課題は、この種の貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器を冷却するに際し、上述の諸欠点を回避して、冷却の間に余分に蓄積する気体ヘリウムを無駄に放出する必要なく高いエネルギー効率で冷却プロセスを実行することのできる貯留容器の冷却方法を提供することである。
この課題を解決するために、本発明による貯留容器の冷却方法は、貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器を冷却するに際して、
ａ）冷却対象の貯留容器を冷却循環路に直接結合又は間接結合し、
ｂ）冷却循環路内には冷却対象の貯留容器内に貯蔵されている流体と同種又は異種の冷却用流体を循環させ、
ｃ）冷却循環路内で冷却用流体を圧縮及び冷却すると共に極低温を生じるように膨張させ、
ｄ）膨張後の冷却用流体の少なくとも一部の部分流を冷却対象の貯留容器の冷却に使用することを特徴とするものである。
貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器のための本発明による冷却方法において、従属請求項の対象となる有利な実施形態は以下に列挙する特徴を備えている。
即ち、本発明の好適な一実施形態によれば、冷却循環路内を循環する冷却用流体が冷却対象の貯留容器に導入されて該貯留容器内を貫流することにより冷却対象の貯留容器と冷却循環路との直接結合が形成される。
本発明の別の好適な一実施形態によれば、冷却循環路内を循環する冷却用流体の寒冷が別の補助冷却循環路に流れる流体に熱交換器を介して伝達され、補助冷却循環路に流れる流体が冷却対象の貯留容器に導入されて該貯留容器内を貫流することにより冷却対象の貯留容器と前記冷却循環路との間接結合が形成される。
本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、冷却用流体としてヘリウム又は水素が使用される。
本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、汚染された冷却用流体が冷却循環路から取り出され、新らたな冷却用流体又は再生された冷却用流体に交換される。
本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、冷却循環路内を循環する冷却用流体の圧縮が単段圧縮方式又は多段圧縮方式で行われる。
本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、冷却循環路内を循環する冷却用流体の膨張が単段膨張方式又は多段膨張方式で行われる。
本発明によれば、貯留容器の再冷却に必要な寒冷をエネルギー面で有利な温度レベルで効率よく利用することができ、その結果、冷却プロセスの効率を著しく改善することが可能である。
また、通常は備えられているヘリウム液化装置は本発明による冷却プロセスの実行中に妨害されることがなく、閉ループの冷却循環路を用いるので気体ヘリウムの損失は無視できるほどであり、従って既存のヘリウム液化装置の最大可能な液化能力を連続的に有効利用することができ、冷却対象の貯留容器に対する冷却時間も数日間短縮することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る貯留容器の冷却システムを示す系統図である。 関節結合方式の冷却系における要部を示す系統図である。
貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器のための本発明による冷却方法の好適な実施形態について、図１及び図２と共に詳細に説明すれば以下の通りである。
図１及び図２において、冷却対象の貯留容器は単純化して単なるボックスＳで表わされているが、これは、一基又は複数基の貯留容器、例えば一般的には貨物輸送トレーラーに搭載された液化ヘリウム輸送用貯留容器を表している。
図１に示す冷却循環路は管路２〜８で閉ループに構成され、これら管路からなる閉ループ内を該冷却循環路の冷却用流体が循環している。図示の冷却循環路を冷却対象の貯留容器の直接冷却に用いる限り、貯留容器Ｓは管路５及び７に直接結合されて閉ループに組み込まれる。この場合、冷却対象の貯留容器Ｓがヘリウム貯留容器である場合、該冷却循環路の冷却用流体として好ましくはヘリウムが使用される。同様に、水素貯留容器Ｓを冷却対象とする場合には、冷却循環路内の冷却用流体として好ましくは水素が使用される。
但し、水素貯留容器の再冷却を行う場合には、図２に示すような方式を採用することもできる。これは、冷却対象の貯留容器Ｓと、図１に示したような冷却循環路との「間接結合」による冷却方式である。図２において、冷却対象の貯留容器Ｓと冷却循環路との間接結合のために一基の熱交換器Ｅ’が配置され、この熱交換器Ｅ’の低温側流路には冷却循環路の冷却用流体が管路５と７を通して閉ループで循環される。熱交換器Ｅ’の高温側流路は補助冷却循環路を形成し、低温側流路を流れる冷却用流体の極低温の寒冷が高温側流路を形成する補助冷却循環路に熱交換で伝達される。この補助冷却循環路は管路１３及び１４によって示されている。この補助冷却循環路内を循環する流体は冷却対象の貯留容器Ｓを貫流するように導かれ、従って貯留容器Ｓは図１に示した冷却循環路を循環する冷却用流体の極低温の寒冷により熱交換器Ｅ’による間接結合を介して冷却される。
図２に示す間接結合を含む冷却プロセスでは、冷却循環路の管路２〜８内にはヘリウムが冷却用流体として循環するが、水素貯留容器を再冷却対象とする場合は補助冷却循環路の管路１３及び１４に流れる流体は水素とすることが得策である。この方式によれば、冷却対象の貯留容器Ｓ内に貯留されているのと同種の流体を補助冷却循環路に流すことにより貯留容器内がそれ以外の流体で汚染されることを回避することができるからである。
冷却循環路の管路２〜８内を循環する冷却用流体としてヘリウムを用いる場合、このヘリウムは単段圧縮方式又は多段圧縮方式に構成された圧縮機ユニットＶにより約１バールから約１０バールに圧縮される。圧縮されたヘリウム流は管路３を介して熱交換器Ｅの第１の入口に導入され、この熱交換器内で加温対象の極低温窒素流（これは図示しない極低温窒素供給源から管路１１及び１２を通じて熱交換器Ｅに貫流される）との熱交換により約８０Ｋに冷却される。熱交換器Ｅ内で冷却されたヘリウム流は管路４を介して単段膨張方式又は多段膨張方式に構成された膨張タービンＴに導入され、このタービンＴ内で最終圧力が約２バールとなるように膨張される。タービンＴの出口におけるヘリウム流の温度は約５３Ｋ未満の極低温である。
タービンＴの出口でヘリウム流は二本の部分流に分岐される。第１の部分流は管路５を介して再冷却対象の貯留容器Ｓに供給されることにより貯留容器Ｓの冷却に使用されるのに対し、第２の部分流は管路６を介して開度調節可能なバイパス弁ａに送られる。再冷却対象の貯留容器Ｓを貫流した後、管路７に現れる第１の部分流は管路６内のバイパス弁ａからの第２の部分流と合流して管路８により熱交換器Ｅの第２の入口に導入され、該熱交換器Ｅ内で管路３から第１の入口に導入されたヘリウム流と向流で熱交換されて加温されてから管路２を介して圧縮機ユニットＶの入口に戻される。
本発明の冷却方法によれば、再冷却対象の貯留容器Ｓを閉ループの冷却循環路を用いて約６０Ｋに冷却することが可能になる。６０Ｋでは、再冷却対象の貯留容器に通常使用されている材料（金属）のエンタルピーは、温度１５０Ｋのときの約１／１０となる。
管路６及び７からの二つの部分流を合流させて混合することにより得られる温度は１２０Ｋを超えない筈であり、従って熱交換器Ｅ内における熱膨張を充分に少なく維持できることは確かである。この混合流の温度が１２０Ｋ以下に制限される結果、再冷却対象の貯留容器Ｓを貫流するように導かれるヘリウムの部分流の流量は、冷却によって貯留容器Ｓ内の温度が低下すると増加する。貯留容器Ｓ内の温度が１２０Ｋよりも低下すると、温度センサーと制御装置とによってバイパス弁ａが直ちに閉鎖される。
上述のようにヘリウム流の分岐をタービンＴによる膨張後に行う形態に代えて、タービンＴによる膨張前にヘリウムの部分流を分岐させ、これをバイパス弁ａ’を介して熱交換器Ｅの第２の入口に導入するようにしてもよい。図１には、この変形形態を分岐管路６’とバイパス弁ａ’として破線により示してある。
冷却循環路内の圧力を維持するために、必要に応じて冷却プロセスの間に冷却流体を補充することができる。ヘリウムを用いる場合、この目的で図示しないヘリウム液化設備から図１の管路１を介してヘリウムが冷却循環路に補充される。
再冷却対象の貯留容器Ｓ内が汚染されている場合、本発明による冷却方法の好適な実施形態に従って冷却プロセス中に貯留容器Ｓ内を流れてきた部分流を管路９及び１０を介して冷却循環路から外部へ取り出し、再精製処理に付すことが可能である。

Claims (7)

  1. 貯留容器、特に極低温流体用可搬貯留容器を冷却するに際して、
    ａ）冷却対象の貯留容器(Ｓ)を冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)に直接結合又は間接結合し、
    ｂ）冷却循環路内には冷却対象の貯留容器内に貯蔵されている流体と同種又は異種の冷却用流体を循環させ、
    ｃ）冷却循環路内で冷却用流体を圧縮(Ｖ)及び冷却(Ｅ)すると共に極低温を生じるように膨張(Ｔ)させ、
    ｄ）膨張後の冷却用流体の少なくとも一部の部分流(５，７)を冷却対象の貯留容器の冷却に使用することを特徴とする貯留容器の冷却方法。
  2. 冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)内を循環する冷却用流体を冷却対象の貯留容器(Ｓ)に導入して該貯留容器内を貫流させることにより冷却対象の貯留容器(Ｓ)と冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)との直接結合を形成することを特徴とする請求項１に記載の冷却方法。
  3. 冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)内を循環する冷却用流体の寒冷を別の補助冷却循環路(１３，１４)に流れる流体に熱交換器を介して伝達し、該補助冷却循環路に流れる流体を冷却対象の貯留容器(Ｓ)に導入して該貯留容器内を貫流させることにより冷却対象の貯留容器(Ｓ)と前記冷却循環路との間接結合を形成することを特徴とする請求項１に記載の冷却方法。
  4. 冷却用流体としてヘリウム又は水素が使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却方法。
  5. 汚染された冷却用流体を冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)から取り出し、新らたな冷却用流体又は再生された冷却用流体に交換することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却方法。
  6. 冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)内を循環する冷却用流体の圧縮(Ｖ)を単段圧縮方式又は多段圧縮方式で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却方法。
  7. 冷却循環路(２〜８，Ｖ，Ｔ，ａ，ａ’)内を循環する冷却用流体の膨張(Ｔ)を単段膨張方式又は多段膨張方式で行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却方法。
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