JP2016503876A - 冷凍及び/又は液化装置、並びにこれらに関連する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
− 少なくとも1つの圧縮機を備えた作動ガス圧縮ステーションと、
− 作動ガスを冷却するための、及び直列に配置された複数の熱交換器と作動ガスを膨張させるための少なくとも1つの部材とを備える低温箱と、
− 冷却された作動ガスとユーザー(使用するもの)との間の熱を交換するためのシステムと、
− 熱交換システムを通過した作動ガスを圧縮ステーションに戻す少なくとも1つの戻し管であって、作動ガスを加温するための少なくとも1つの交換器を備える戻し管とを備え、
該装置は、さらに、圧縮ステーションからの出口に、作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムを備え、事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体の少なくとも1つのボリュームを備え、ボリュームは、作動ガスに補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも1つの熱交換器を介して作動回路に接続されており、低温箱は、圧縮ステーションからの出口に配置された第1の交換器と、第2の熱交換器と第3の熱交換器とを備える第1の作動ガス冷却用ステージ備え、第1の熱交換器は、アルミニウム板及びフィンタイプのものであり、第2の熱交換器は、溶接板又は溶接チューブ(複数可)タイプであり、この第2の熱交換器は、補助的な冷却用流体のための浴に浸されている。
そうするために、装置は、このクールダウンの間にフリゴリーを供給する補助的な事前冷却システムを備える。
これらの知られている事前冷却システムは、しかしながら、制約又は不利点を有する。
液体窒素の消費を制限するために、ユーザーが徐々に冷却される際に、冷却されるべきユーザーから戻るヘリウムからフリゴリーを取り戻すことが、さらに必要である。温度差及び性能に関するこれらの制約は、様々な動作構成(クールダウン、公称動作)により異なる熱交換器技術を要求する。
回路及び交換器におけるヘリウム温度が依然として高いとき、圧力降下は、公称動作において要求されるものよりもはるかに大きい。
これらの問題に対処するための存在する解決策は、ヘリウムと窒素との間の熱の交換を提供する低温箱への入り口に主交換器を伴う。他の解決策は、この主交換器への供給が、流体(ヘリウム又は窒素)の性質により異なる熱交換器技術を用いて作り出されたいくつかの独立したセクションに分割されるようにする。
上述に開示した先行技術の不利点の全て又は一部を軽減させることが、本発明の目的である。
この目的に向けて、本発明による装置は、上記前文において与えられたその包括的定義に従う別の点で、本質的に、第2及び第3の熱交換器が第1の熱交換器の下流で作動回路に直列及び並列の両方に接続されていることを特徴としており、これは、第1の熱交換器において冷却された作動ガスは第2及び/又は第3の熱交換器に選択的に通され得ることをいうことを意味し、第2の熱交換器は、液化された補助的なガスの第1のボリュームに浸されていることを特徴とする。
− 第2の熱交換器は、ステンレス鋼又はアルミニウム製のチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼又はアルミニウム製のフィン付きチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼溶接板交換器のうちの1つである、
− 本回路は、第1及び/又は第2の熱交換器からの作動ガスが作動回路において第3の熱交換器を選択的に回避することを可能にする、第3の熱交換器を選択的にバイパスするバイパス脚を備える、
− 本装置は、第1の熱交換器を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第1のボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第1の排出管を備える、
− 気化した補助的流体のための第1の排出管は、第1の熱交換器を選択的にバイパスするためのバイパス脚を備える、
− 第3の交換器は、作動ガスと補助的流体との間の熱の選択的な交換をもたらすタイプのものであり、装置は、第3の熱交換器において作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するために、第3の熱交換器に第1のボリュームを接続する選択的供給管を備える、
− 本装置は、補助的な流体源からの補助的流体が選択的に供給される、流体の第2のボリュームを備え、その中で第3の熱交換器は、作動ガスと第2のボリュームの補助的流体との間のフリゴリーの交換を可能にするために、前記第2のボリュームに浸されている、
− 本装置は、第1の熱交換器を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第2のボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第2の排出管を備える、
− 気化した補助的流体のための第2の排出管は、第1の熱交換器を選択的にバイパスするためのバイパス脚を備える、
− 第2及び第3の熱交換器は、2つの熱交換器と第2の熱交換器をバイパスするバイパスラインとの間に並列接続と直列接続とを形成する管及び弁のネットワークによって、第1の熱交換器の出口で作動回路に直列及び並列の両方に接続される、
− 第1のボリュームは、補助的流体の源に接続され、弁を備えた輸送管によって、補助的流体が選択的に供給される、
− 第1の熱交換器は、異なるそれぞれの温度の作動ガスの異なる流れの間で熱を交換するタイプのものであり、圧縮ステーションを離れる熱い高圧作動ガスといわれるものが供給される第1の通路と、第1の通路と流れが対向し、冷たく低圧であるといわれる作動ガスのための戻し管によって供給される第2の通路と、第1の通路と流れが対向し、熱交換システムを通過しなかった低温箱からの作動ガスを戻す作動回路戻し管によって、中圧であるといわれる作動ガスが供給される第3の通路とを備える。
図面を参照して以下に与えられる説明を読むことから、さらなる詳細及び利点が明らかになるであろう。
例えば、ボリューム3は、補助的流体の源(不図示)に接続され、弁23(図3参照)が取り付けられた輸送管113によって補助的流体が供給され得る。
圧縮ステーション1からの出口で、ヘリウムは低温箱2に通され、このヘリウムはいくつかの交換器5で熱の交換により冷却され、ヘリウムはタービン7を通って膨張させられる。
例示されるように、作動回路は、熱交換システム14を通過しなかった低温箱2からのヘリウムを圧縮ステーション1に戻す戻し管19を備えていてもよい。
低温箱2は、ヘリウムが圧縮ステーション1を離れるとすぐにそれを受容する第1のヘリウム冷却ステージを備える。
この第1の冷却ステージは、第1の熱交換器5と、第2の熱交換器15と、第3の熱交換器25とを備える。
第1の熱交換器5は、好ましくは、アルミニウムろう付け板及びフィンタイプのものである。そのような交換器は、例えば、ALPEMA(蝋付けアルミニウム板−フィン熱交換器製造業協会(aluminum plate-fin heat exchanger manufacturer’s association))が推薦するものに適合する。
第2の熱交換器15及び第3の熱交換器25は、第1の熱交換器5の下流の作動回路に直列及び並列の両方に接続されており、これは、第1の熱交換器5において冷却された作動ガスは、第2の熱交換器15及び/又は第3の熱交換器25に選択的に通され得るということを意味する。
これは、当初400Kから250Kまでの間の温度でユーザーをクールダウンする動作の開始に対応し得る。この第1の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第1の熱交換器5からの出口で300Kにほぼ等しい、
− 第3の熱交換器25からの出口で250Kにほぼ等しい、
であってもよい。
これは、当初250Kから150Kまでの間の温度でユーザーをクールダウンする動作に対応し得る。この第2の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第1の熱交換器5からの出口で145Kにほぼ等しい、
− 第2の熱交換器15からの出口で120Kにほぼ等しい、
− 第3の熱交換器25からの出口で80Kにほぼ等しい、
− バイパス脚130において120Kにほぼ等しい、及び
− バイパス脚130の下流の分岐合流点の後で95Kにほぼ等しい、
であってもよい。
これは、当初150Kから95Kまでの間の温度でユーザーをクールダウンする動作に対応し得る。この第3の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第1の熱交換器5からの出口で130Kにほぼ等しい、
− 第2の熱交換器15からの出口で100Kにほぼ等しい、
− 第3の熱交換器25からの出口で80Kにほぼ等しい、
であってもよい。
これは、当初95Kから80Kまでの間の温度でユーザーをクールダウンさせる動作に対応し得る。この第4の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第1の熱交換器5からの出口で95Kにほぼ等しい、
− 第3の熱交換器25からの出口で80Kにほぼ等しい、
であってもよい。
この連続的な冷却の間、装置は、また、図7の構成により動作してもよい。それが意味することは、圧縮ステーション1を離れる作動ガスは、第1の熱交換器5において次いで第3の熱交換器25において熱の交換により(第2の熱交換器15を経由して通ることなく)直列に冷却され得るということであり、第2のボリューム33のみは、補助的流体が供給されてもよい。第2のボリューム33において気化した補助的流体は、第1の熱交換器5によって排出されてもよい(弁230は閉鎖及び弁430は開放)。
− 第1の熱交換器5の出口で90Kにほぼ等しい、
− 第3の熱交換器25の出口で80Kにほぼ等しい、
であってもよい。
アルミニウム板及びフィンタイプの2つの交換器(第1の5及び第3の25熱交換器)、チューブタイプの熱交換器(第2の交換器15)の使用は、事前冷却及び公称動作と呼ばれる動作の様々な段階(事前冷却後)のための装置の動作を最適化することを可能にする。
これらの構成は、特に、第2の熱交換器15を、低温箱2、したがって同様に第1のボリューム3の外部に位置付けることを可能にする。
装置によってもたらされる別の利点は、これは、回路とクールダウンのためのみに使用される機器とを隔離することによって、公称動作の間、作動ガスへの熱の侵入を制限することである。これらの機器は、低温箱から離れて設置されてもよく、これは同様に、低温箱チャンバーのサイズ及びコストを低減する。
Claims (15)
- ヘリウムを含有するか又は純ヘリウムからなる作動ガスの冷凍及び/又は液化のための、前記作動ガスのためのループの形状の作動回路を備える装置であって、該装置は、順に、
− 少なくとも1つの圧縮機(11、12)を備えた作動ガス圧縮ステーション(1)と、
− 前記作動ガスを冷却するための、直列に配置された複数の熱交換器(5)と前記作動ガスを膨張させるための少なくとも1つの部材(7)とを備える、低温箱(2)と、
− 前記冷却された前記作動ガスとユーザー(10)の間の熱を交換するためのシステム(14)と、
− 前記熱交換システム(14)を通過した前記作動ガスを前記圧縮ステーション(1)に戻す少なくとも1つの戻し管(9)とを備え、該戻し管(9)は、前記作動ガスを加温するための少なくとも1つの交換器(5)を備えるものであり、
該装置は、さらに、前記圧縮ステーション(1)からの出口に、前記作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムを備え、該事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体の少なくとも1つのボリューム(3)を備え、該ボリューム(3)は、前記作動ガスに対する前記補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも1つの熱交換器を介して前記作動回路に接続されており、
前記低温箱(2)は、前記圧縮ステーション(1)からの前記出口に配置された第1の交換器(5)と、第2の熱交換器(15)と、第3の熱交換器(25)とを備える第1の作動ガス冷却ステージを備え、前記第1の熱交換器(5)は、アルミニウム板及びフィンタイプであり、前記第2の熱交換器(15)は、溶接板又は溶接チューブ(複数可)タイプであり、前記第2の熱交換器(15)は、補助的な冷却用流体のための浴に浸されている、前記装置において、
前記第2の熱交換器(15)及び第3の熱交換器(25)は、前記第1の熱交換器(5)の下流で前記作動回路に直列に及び並列の両方に接続されていることを特徴とし、これは、前記第1の熱交換器(5)内で冷却された前記作動ガスは前記第2の熱交換器(15)及び/又は前記第3の熱交換器(25)に選択的に通され得るということを意味し、前記第2の熱交換器(15)は液化された補助的なガスの前記第1のボリューム(3)に浸されていることを特徴とする、装置。 - 前記第2の熱交換器(15)は、ステンレス鋼又はアルミニウム製のチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼又はアルミニウム製のフィン付きチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼溶接板交換器、のうちの1つであることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 前記回路は、前記第1の熱交換器(5)及び/又は前記第2の熱交換器(15)からの前記作動ガスが前記作動回路において前記第3の熱交換器(25)を選択的に回避することを可能にする、前記第3の熱交換器(25)を選択的にバイパスするバイパス脚(250)を備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記第1の熱交換器(5)を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに前記第1の(3)ボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第1の排出管(30)を備えることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
- 気化した補助的流体のための前記第1の排出管(30)は、前記第1の熱交換器(5)を選択的にバイパスするためのバイパス脚(130)を備えることを特徴とする、請求項4に記載の装置。
- 前記第3の交換器(25)は、前記作動ガスと前記補助的流体との間の熱の選択的な交換をもたらすタイプのものであり、前記装置は、前記第3の熱交換器(25)において前記作動ガスに前記補助的流体からフリゴリーを伝達するために、前記第3の熱交換器に前記第1のボリューム(3)を接続する選択的供給管(13)を備えることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
- 補助的流体源から補助的流体が選択的に供給される流体の第2のボリューム(33)を備えることを特徴とし、前記第3の熱交換器(25)は、前記作動ガスと前記第2のボリューム(33)の前記補助的流体との間のフリゴリーの交換を可能にするために、前記第2のボリューム(33)内に浸されていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第1の熱交換器(5)を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに前記第2の(30)ボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第2の排出管(330)を備えることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。
- 気化した補助的流体のための前記第2の排出管(330)は、前記第1の熱交換器(5)を選択的にバイパスするためのバイパス脚(130)を備えることを特徴とする、請求項8に記載の装置。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び/又は液化のための装置を用いてユーザー(10)を冷却する方法であって、前記ユーザー(10)は、熱交換システム(14)によって冷却される方法において、前記方法は、250Kから400Kまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー(10)を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション(1)を離れる前記作動ガスは、前記第1の熱交換器(5)において熱の交換によって冷却され、次いで2つの流れに細分され、そのうちの第1の流れは、前記第2の熱交換器(15)において、次いで前記第3の熱交換器(25)において冷却され、第2の流れは、前記第3の熱交換器(25)において直接的に冷却されることを特徴とし、前記第1のボリューム(3)において気化した前記補助的流体は前記第1の熱交換器(5)にフリゴリーを引き渡すことなく排出されることを特徴とする、方法。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び/又は液化のための装置を用いてユーザー(10)を冷却する方法であって、前記ユーザー(10)は、熱交換システム(14)によって冷却される方法において、前記方法は、250Kから150Kまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー(10)を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション(1)を離れる前記作動ガスは、前記第1の熱交換器(5)において次いで前記第2の熱交換器(15)において熱の交換によって冷却され、次いで、2つの流れに分割され、そのうちの第1の流れは前記第3の熱交換器(25)において冷却され、第2の流れは前記第3の交換器(25)を回避することを特徴とし、前記第3の交換器(25)は、前記第3の交換器(25)において前記作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するための前記補助的流体が供給されることを特徴とし、前記第1のボリューム(3)において及び/又は前記第3の交換器(25)に接触して気化した前記補助的流体は、前記第1の熱交換器(5)にフリゴリーを引き渡すことなく排出されることを特徴とする、方法。
- ユーザー(10)は熱交換システム(14)によって冷却される、請求項1から9のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び/又は液化のための装置を用いてユーザー(10)を冷却する方法。
- 前記方法は、150Kから95Kまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー(10)を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション(1)を離れる前記作動ガスは、前記第1の熱交換器(5)において次いで前記第2の熱交換器(15)において次いで前記第3の熱交換器(25)において熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第1のボリューム(3)において及び/又は前記第3の交換器(25)に接触して気化した前記補助的流体の少なくとも一部は、前記第1の(5)熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 前記方法は、95Kから80Kまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー(10)を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション(1)を離れる前記作動ガスは、前記第1の熱交換器(5)において次いで前記第3の熱交換器(25)のみにおいて熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第3の交換器(25)に接触して気化した前記補助的流体は、前記第1の(5)熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、請求項12又は13に記載の方法。
- 可能性のある事前冷却段階の後に、前記装置は、公称動作と呼ばれるものにおいて前記ユーザーを冷却し、前記圧縮ステーション(1)を離れる前記作動ガスは、前記第1の熱交換器(5)において次いで前記第3の熱交換器(25)のみにおいて熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第3の交換器(25)は、前記第3の交換器(25)において前記作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するために、前記補助的流体が供給されることを特徴とし、前記第3の交換器(25)に接触して気化した前記補助的流体は、前記第1の熱交換器(5)にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、請求項12から14のいずれか一項に記載の方法。
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