JP2024503230A - Cryogenic containment system - Google Patents

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Abstract

極低温流体封じ込めシステムが開示されている。システムは、水素などの流体を極低温および極低温圧力で貯蔵することができる。流体が自然に温められると、流体は、流体上で冷却技術を実施するように構成される液化システムの一部分に向けられてもよい。冷却技術は、ジュールトムソン冷却技術であってもよい。液化システムは、非ジュールトムソン冷却技術およびジュールトムソン冷却技術の両方を実施するように装備されてもよい。システムは、流体を液化システムの適切な部分に向けるように構成され、これは、流体のジュールトムソン係数に少なくとも部分的に基づいてもよい。【選択図】図1A cryogenic fluid containment system is disclosed. The system is capable of storing fluids such as hydrogen at cryogenic temperatures and pressures. Once the fluid is naturally warmed, the fluid may be directed to a portion of the liquefaction system that is configured to perform cooling techniques on the fluid. The cooling technique may be a Joule-Thomson cooling technique. The liquefaction system may be equipped to perform both non-Joule-Thomson and Joule-Thomson refrigeration techniques. The system is configured to direct the fluid to the appropriate portion of the liquefaction system, which may be based at least in part on the Joule-Thompson coefficient of the fluid. [Selection diagram] Figure 1

Description

本開示は、極低温および極低温圧力で流体を取り扱うためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本開示は、ボイルオフ廃棄物を低減または除去するためのシステムおよび方法に関する。 The present disclosure relates to systems and methods for handling fluids at cryogenic temperatures and pressures. More particularly, the present disclosure relates to systems and methods for reducing or eliminating boil-off waste.

データセンタなどの大規模な施設では、大量のエネルギーが消費され、電力喪失時に必要不可欠な作業を完了させるのに十分な電力を確保するためにバックアップ機器が必要となる。従来は、ディーゼル発電機セットまたは「発電セット」は、大規模な施設にバックアップ電力を供給するために使用される。水素燃料電池およびエンジンは、この目的のためにますます検討されているが、それら自体の課題を提示する。このようなエンジンの燃料は、バックアップ電源が必要になるまで極低温および極低温圧力で貯蔵される。極低温流体は、典型的には、貯蔵された流体を極低温で受動的に維持するタンクに貯蔵される。ほとんどの場合、こうした受動的な貯蔵タンク内に貯蔵された流体を積極的に冷却することは非効率であると考えられ、その結果、他のシステムを使用して、これらの流体をタンクに入れる前に冷却することが多い。受動的貯蔵タンクは、もちろん不完全であり、このようなタンク内に貯蔵された極低温流体は、時間の経過とともに徐々に温められ、圧力が上昇する。こうした加熱が起こると、貯蔵された水素の少なくとも一部は、タンク内の安全な圧力を維持するために、「ボイルオフ」として放出される必要がある。ボイルオフとは、貯蔵タンク内の温度が上昇するにつれて、極低温流体の量が液相から気相に変化する自然プロセスを指すことに留意されたい。一部の従来的なシステムでは、液体からガスへの相変化を経験する極低温流体の量は、気化の潜熱がシステム内の熱エネルギーを吸収するにつれて、極低温流体の受動的冷却を提供する。これが起こると、ボイルオフを介して生成されたガスを大気中に放出して、安全な貯蔵圧力を維持することができる。一部のシステムでは、水素は、一日あたり最大1%またはそれ以上蒸発しうる。こうしたシステムでは、ボイルオフを捕捉し、少なくとも部分的に再利用するためのプロセスが採用されていない場合、水素はおよそ100日ごとに完全に交換される必要がある。 Large facilities such as data centers consume large amounts of energy and require backup equipment to ensure there is enough power to complete essential tasks in the event of a power loss. Traditionally, diesel generator sets or "gensets" are used to provide backup power to large facilities. Hydrogen fuel cells and engines are increasingly being considered for this purpose, but present their own challenges. The fuel for such engines is stored at cryogenic temperatures and pressures until backup power is needed. Cryogenic fluids are typically stored in tanks that passively maintain the stored fluid at cryogenic temperatures. In most cases, it is considered inefficient to actively cool the fluids stored within these passive storage tanks, and as a result, other systems are used to tank these fluids. It is often cooled beforehand. Passive storage tanks are, of course, imperfect; cryogenic fluids stored in such tanks gradually warm up and increase in pressure over time. When such heating occurs, at least a portion of the stored hydrogen needs to be released as a "boil-off" in order to maintain a safe pressure within the tank. Note that boil-off refers to the natural process in which the amount of cryogenic fluid changes from a liquid phase to a gas phase as the temperature within the storage tank increases. In some conventional systems, the amount of cryogenic fluid that undergoes a phase change from liquid to gas provides passive cooling of the cryogenic fluid as the latent heat of vaporization absorbs thermal energy within the system. . Once this occurs, the gas produced via boil-off can be released to the atmosphere to maintain a safe storage pressure. In some systems, hydrogen can evaporate up to 1% or more per day. In such systems, the hydrogen needs to be completely replaced approximately every 100 days unless a process is employed to capture and at least partially reuse the boil-off.

極低温流体のボイルオフストリームを変換するための一つのシステムは、米国特許第6,672,104号(以下、「‘104参照」と呼ぶ)に開示されている。‘104参照は、ボイルオフストリームを加圧し、加圧されたボイルオフストリームを冷却し、次いでボイルストリームを拡張することを開示する。‘104参照で説明したように、ボイルオフストリームをさらに拡張すると、さらに冷たくなり、少なくとも部分的にボイルオフストリームが液化される。‘104参照は、貯蔵された極低温流体の蒸気圧よりも大きい蒸気圧を有する一つまたは複数の構成要素の第一の所定量を、ボイルオフストリームから除去することによって得られる、結果として生じる加圧液体の予め選択されたバブル点温度を開示する。予め選択されたバブル点温度を得るために、’104参照は、貯蔵された極低温流体の分子量よりも重い分子量を有し、貯蔵された流体の蒸気圧力よりも低い蒸気圧力を有する、第二の所定量の一つまたは複数の添加剤を、ボイルオフストリームに添加することも記述する。 One system for converting a cryogenic fluid boil-off stream is disclosed in US Pat. No. 6,672,104 (hereinafter referred to as the '104 reference). The '104 reference discloses pressurizing a boil-off stream, cooling the pressurized boil-off stream, and then expanding the boil-off stream. As discussed in reference '104, further expansion of the boil-off stream results in further cooling and at least partially liquefies the boil-off stream. The '104 reference describes the resulting additives obtained by removing from a boil-off stream a first predetermined amount of one or more components having a vapor pressure greater than the vapor pressure of the stored cryogenic fluid. A preselected bubble point temperature of the pressure liquid is disclosed. To obtain a preselected bubble point temperature, the '104 reference uses a second cryogenic fluid having a molecular weight heavier than the molecular weight of the stored cryogenic fluid and a vapor pressure lower than the vapor pressure of the stored fluid. Adding a predetermined amount of one or more additives to the boil-off stream is also described.

‘104参照に記載されるシステムは、貯蔵された極低温流体のボイルオフストリームを制御可能に変換するよう構成されてもよいが、システムは、貯蔵された流体の加圧、冷却、および拡張に特化した複数の構成要素の使用を必要とする。このようなコンポーネントは、システムのコストと複雑さを増大させる。さらに、このような構成要素は、経時的に故障しやすい。したがって、’104参照に記載されるシステム、および他の類似のシステムは、典型的には、こうした構成要素の修理および/または交換に関連する高いメンテナンスコストを被り、また対応するメンテナンスダウンタイムに関連する非効率性に悩まされる。 Although the system described in the '104 reference may be configured to controllably convert a boil-off stream of stored cryogenic fluid, the system is specifically designed for pressurizing, cooling, and expanding stored fluid. Requires the use of multiple standardized components. Such components increase the cost and complexity of the system. Furthermore, such components are prone to failure over time. Accordingly, the systems described in the '104 reference, and other similar systems, typically suffer from high maintenance costs associated with the repair and/or replacement of such components and corresponding maintenance downtime. suffer from inefficiency.

本開示の例は、上述の欠陥の一つまたは複数を克服することに向けられる。 Examples of the present disclosure are directed to overcoming one or more of the deficiencies mentioned above.

本開示の例は、二相混合で極低温水素を貯蔵するように構成された貯蔵タンク、液化システム、およびボイルオフループを含むシステムを対象とする。具体的には、液化システムは、ジュールトムソン冷却段階と、ジュールトムソン冷却段階に流体接続された非ジュールトムソン冷却段階とを含み得る。さらに、液化システムが、外部ソースから水素を受け取り、非ジュールトムソン冷却段階で水素を受け取り、水素を非ジュールトムソン冷却段階で温度閾値を下回る第一の温度まで冷却し、第一の温度で、非ジュールトムソン冷却段階からジュールトムソン冷却段階へ水素を移送し、水素をジュールトムソン冷却段階で第一の温度よりも低い第二の温度に冷却し、第二の温度で、ジュールトムソン冷却段階から貯蔵タンクに水素を移送するように構成され得る。さらに、ボイルオフループは、貯蔵タンクから液化システムのジュールトムソン冷却段階に、ボイルオフ水素を移送するように構成され得る。したがって、ジュールトムソン冷却段階は、ボイルオフ水素を第三の温度に冷却し、冷却されたボイルオフ水素を第三の温度で貯蔵タンクに移送するように構成され得る。 Examples of the present disclosure are directed to a system that includes a storage tank, a liquefaction system, and a boil-off loop configured to store cryogenic hydrogen in a two-phase mixture. Specifically, the liquefaction system may include a Joule-Thomson cooling stage and a non-Joule-Thomson cooling stage fluidly connected to the Joule-Thomson cooling stage. Additionally, the liquefaction system receives hydrogen from an external source, receives the hydrogen in a non-Joule-Thomson cooling stage, cools the hydrogen in the non-Joule-Thomson cooling stage to a first temperature below a temperature threshold, and at the first temperature, the hydrogen is transferring hydrogen from the Joule-Thomson cooling stage to a Joule-Thomson cooling stage; cooling the hydrogen in the Joule-Thomson cooling stage to a second temperature lower than the first temperature; and transferring the hydrogen from the Joule-Thomson cooling stage to a storage tank at the second temperature. may be configured to transfer hydrogen to. Additionally, the boil-off loop may be configured to transfer boil-off hydrogen from the storage tank to the Joule-Thompson cooling stage of the liquefaction system. Accordingly, the Joule-Thomson cooling stage may be configured to cool the boil-off hydrogen to a third temperature and transfer the cooled boil-off hydrogen to a storage tank at the third temperature.

本開示のさらなる例は、貯蔵タンク、液化システム、およびコントローラを含むシステムを対象とする。具体的には、貯蔵タンクは、流体を、極低温閾値未満かつ極低温圧力閾値未満の、極低温状態で貯蔵するように構成され得る。さらに、液化システムは、第一の段階および第一の段階に流体接続された第二の段階を含み得る。さらに、液化システムは、第一の段階で流体を受け取り、流体の温度を極低温閾値未満の貯蔵温度に低下させ、第二の段階から貯蔵タンクへ、貯蔵温度で、および第一の流体通路を介して、流体を移送するように構成され得る。一部の例では、第二の流体通路は、貯蔵タンクを第二の段階と流体接続することができる。さらに、コントローラが、液化システムおよび一つまたは複数の流体制御装置に動作可能に接続されてもよく、コントローラが、一つまたは複数の流れ制御装置に、貯蔵タンクから液化システムの第二の段階に、ボイルオフ流体を移動させ、液化システムの第二の段階に、ボイルオフ流体を液化させ、一つまたは複数の流れ制御装置を、液化システムの第二の段階から貯蔵タンクに液化ボイルオフ流体を移送させるように構成される。 Further examples of the present disclosure are directed to systems that include a storage tank, a liquefaction system, and a controller. Specifically, the storage tank may be configured to store the fluid at cryogenic conditions, below a cryogenic threshold and below a cryogenic pressure threshold. Further, the liquefaction system can include a first stage and a second stage fluidly connected to the first stage. Additionally, the liquefaction system receives a fluid in a first stage, reduces the temperature of the fluid to a storage temperature below a cryogenic threshold, and connects a second stage to a storage tank at the storage temperature and a first fluid path. The device may be configured to transfer fluid through the device. In some examples, the second fluid passageway can fluidly connect the storage tank with the second stage. Further, a controller may be operably connected to the liquefaction system and the one or more fluid control devices, the controller being operable to connect the flow control device from the storage tank to the second stage of the liquefaction system. moving the boil-off fluid to a second stage of the liquefaction system to liquefy the boil-off fluid; and one or more flow control devices configured to transport the liquefied boil-off fluid from the second stage of the liquefaction system to a storage tank. It is composed of

本開示のさらにさらなる例は、貯蔵タンクに関連付けられた第一のセンサを用いて、貯蔵タンク内に貯蔵された水素の温度を決定することと、貯蔵タンクに関連付けられた第二のセンサを用いて水素の圧力を決定することを含む方法を対象とする。さらに、方法は、第一のセンサおよび第二のセンサに動作可能に接続されたコントローラを用いて、水素の温度が温度閾値を超えること、および水素の圧力が圧力閾値を超えることのうちの少なくとも一方を判定することを含み得る。さらに、本方法は、コントローラを用いて、および少なくとも部分的に、水素の温度が温度閾値を超えること、および水素の圧力が圧力閾値を超えることのうちの少なくとも一方を判定することに基づいて、コントローラに動作可能に接続された第一の流れ制御装置に、貯蔵タンクから貯蔵タンクに流体接続される液化システムにボイルオフ水素を向けさせることを含み得る。液化システムは、非ジュールトムソン冷却技術を実行するように構成された第一の段階と、第一の段階に流体接続される第二の段階とを含んでもよく、第二の段階は、ジュールトムソン冷却技術を実行するように構成される。したがって、本方法は、コントローラを用いて、コントローラに動作可能に接続された第二の流れ制御装置に液体水素を液化システムの第二の段階から貯蔵タンクに移送させることを含み得る。 Still further examples of the present disclosure include determining a temperature of hydrogen stored in the storage tank using a first sensor associated with the storage tank; and using a second sensor associated with the storage tank. Determining the pressure of hydrogen using Further, the method includes a controller operably connected to the first sensor and the second sensor to determine at least one of: the temperature of the hydrogen exceeds a temperature threshold; and the pressure of hydrogen exceeds a pressure threshold. may include determining one. Additionally, the method is based, using the controller and at least in part, on determining at least one of: the temperature of the hydrogen exceeds a temperature threshold; and the pressure of the hydrogen exceeds a pressure threshold. The first flow control device operably connected to the controller may include directing boil-off hydrogen from the storage tank to a liquefaction system fluidly connected to the storage tank. The liquefaction system may include a first stage configured to perform a non-Joule-Thomson cooling technique and a second stage fluidly connected to the first stage, the second stage configured to perform a non-Joule-Thomson cooling technique. configured to perform cooling techniques. Accordingly, the method may include using the controller to cause a second flow control device operably connected to the controller to transfer liquid hydrogen from a second stage of the liquefaction system to a storage tank.

図1は、本開示の例による、大規模施設用の電力システムの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a power system for a large facility, according to an example of the present disclosure. 図2は、本開示の例による、図1の電力システムに関連付けられた極低温封じ込めシステムの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a cryogenic containment system associated with the power system of FIG. 1, according to an example of the present disclosure. 図3は、本開示のさらなる例による、図1の電力システムに関連付けられた極低温封じ込めシステムの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a cryogenic containment system associated with the power system of FIG. 1, according to a further example of the present disclosure. 図4は、本開示のさらなる例による多段階液化システムの概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a multi-stage liquefaction system according to a further example of the present disclosure. 図5は、本開示の例による方法を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram illustrating a method according to an example of the present disclosure. 図6は、単一の液化段階が、ボイルオフ目的に使用される、本開示のさらなる実施例による方法を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating a method according to a further embodiment of the present disclosure in which a single liquefaction stage is used for boil-off purposes.

図1は、本開示の実施形態による極低温流体ボイルオフ軽減システム100の概略図である。極低温流体ボイルオフ軽減システム100は、任意の相または相の組み合わせで、各場合の要求に応じて流体および流体の種類の特定の用途に応じて、様々な温度および圧力で、任意の流体と共に使用することができる。水素は、極低温流体ボイルオフ軽減システム100によって貯蔵および維持され得る一つのそのような流体である。当然のことながら、他の流体も、本開示による極低温流体ボイルオフ軽減システム100と共に使用されてもよく、水素に対する任意の特定の参照は、本開示の範囲を任意の流体の種類に限定しない。例えば、極低温流体は、メタン、二酸化炭素、窒素ヘリウム、希ガス、および他の要素/化合物を含み得る。 FIG. 1 is a schematic diagram of a cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 according to an embodiment of the present disclosure. The cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 can be used with any fluid, in any phase or combination of phases, at various temperatures and pressures, depending on the specific application of the fluid and fluid type as required in each case. can do. Hydrogen is one such fluid that can be stored and maintained by the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100. Of course, other fluids may also be used with the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 according to the present disclosure, and any specific reference to hydrogen does not limit the scope of the present disclosure to any fluid type. For example, cryogenic fluids may include methane, carbon dioxide, nitrogen helium, noble gases, and other elements/compounds.

水素は、貯蔵に関して特定の課題を提起しうる。例えば、水素は揮発性であり、液化温度は低い(約33ケルビン)。そのため、水素を燃料としてまたは他の用途で使用できるように、安全、効率的な方法で水素を維持することは困難であり得る。当然のことながら、いかなる貯蔵システムにおいても、水素が温まり、さらには蒸発する傾向がある。これが起こると、タンクの内部圧力が上昇し、チェックしないままであれば、封じ込め手段を超えることになる。したがって、内部圧力により、タンクが破裂し、周囲施設、機器、人員、および/または資産への損傷につながる可能性がある。一部の事例では、気化水素は、圧力レベルを維持するように大気に放出することができる。別の方法として、または追加的に、極低温流体ボイルオフ軽減システム100は、貯蔵された水素(または極低温流体)を大気に放出することに関連する損失を軽減し、またタンク内の圧力上昇の問題にも対処することができる。 Hydrogen can pose particular challenges regarding storage. For example, hydrogen is volatile and has a low liquefaction temperature (approximately 33 Kelvin). As such, it can be difficult to maintain hydrogen in a safe, efficient manner so that it can be used as fuel or for other applications. Naturally, in any storage system the hydrogen tends to warm up and even evaporate. When this happens, the internal pressure of the tank increases and, if left unchecked, can exceed containment measures. Therefore, internal pressure can cause the tank to rupture, leading to damage to surrounding facilities, equipment, personnel, and/or property. In some cases, vaporized hydrogen can be vented to the atmosphere to maintain pressure levels. Alternatively or additionally, the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 reduces losses associated with releasing stored hydrogen (or cryogenic fluid) to the atmosphere and also reduces pressure build-up within the tank. You can also deal with problems.

極低温流体ボイルオフ軽減システム100は、水素源104に結合される、またはそうでなければ水素源104から水素を提供される、吸気機構102を介して水素を受け取ることができる。さらに、極低温流体ボイルオフ軽減システムは、極低温流体ボイルオフ軽減システム100内の水素源104からの水素の分配を制御するように構成された分流弁106、段階間導管114によって接続される二つ以上の冷却段階(例えば、冷却段階1 110および冷却段階2 112)で構成される液化システム108、および貯蔵タンク116を含み得る。上述のように、液化システム108は、各々、一つまたは複数の冷却システムを含んでもよい、冷却段階1 110および冷却段階2 112などの複数の冷却段階を含んでもよい。さらに、分流弁106および/または極低温流体ボイルオフ軽減システム100のその他の構成要素は、水素源104から入ってくる水素を調節し、入ってくる水素を一つまたは複数の目的地に経路指定する、吸気コントローラ118によって制御され得る。以下でより詳細に説明するように、こうした目的地は、経路Aに沿った冷却段階1 110、経路Bに沿った冷却段階2 および/または経路Cに沿った貯蔵タンク116を含むことができる。同様に、タンクコントローラ120は、貯蔵タンク116からボイルオフの抽出を調節し、経路Dに沿った冷却段階1 110にボイルオフを向けるように構成されてもよい。一部の例では、タンクコントローラ120はまた、経路Eに沿った冷却段階2 112にボイルオフを向けるように構成されている。したがって、施設システム124に関連付けられた電力需要が一次電力システム126によって満たされない場合、バックアップ電力システム122によって利用するために、水素(または別の極低温流体)を貯蔵することができ、本明細書に記載の極低温流体ボイルオフ軽減システム100の様々な構成は、ボイルオフによって引き起こされる水素の損失を回避するのを助けることができる。 The cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 can receive hydrogen via an intake mechanism 102 that is coupled to or otherwise provided with hydrogen from a hydrogen source 104 . Additionally, the cryogenic fluid boil-off mitigation system includes two or more flow divider valves 106 connected by an interstage conduit 114 configured to control the distribution of hydrogen from the hydrogen source 104 within the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100. A liquefaction system 108 comprised of cooling stages (eg, cooling stage 1 110 and cooling stage 2 112), and a storage tank 116. As mentioned above, liquefaction system 108 may include multiple cooling stages, such as cooling stage 1 110 and cooling stage 2 112, each of which may include one or more cooling systems. Additionally, the diverter valve 106 and/or other components of the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 condition the incoming hydrogen from the hydrogen source 104 and route the incoming hydrogen to one or more destinations. , may be controlled by the intake controller 118. As described in more detail below, such destinations may include cooling stage 1 110 along path A, cooling stage 2 along path B, and/or storage tank 116 along path C. Similarly, tank controller 120 may be configured to regulate the extraction of boil-off from storage tank 116 and direct the boil-off to cooling stage 1 110 along path D. In some examples, tank controller 120 is also configured to direct boil-off to cooling stage 2 112 along path E. Accordingly, hydrogen (or another cryogenic fluid) may be stored for utilization by backup power system 122 if the power demands associated with facility system 124 are not met by primary power system 126, as described herein. Various configurations of the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 described in can help avoid hydrogen loss caused by boil-off.

吸気機構102は、水素(または別の極低温流体)が、極低温流体ボイルオフ軽減システム100に注入され、および/または極低温流体ボイルオフ軽減システム100によって受け取られ得る、任意の適切な機構であってもよい。一部の例では、水素源104は、送達トラック、送達パイプライン、または外部の水素源からの任意の他の適切な送達手段を含み得る。さらに、吸気機構102は、極低温流体ボイルオフ軽減システム100を水素源104に流体接続することを可能にする、弁、フランジ、コネクタ、カップリング、およびその他の締結手段を含み得る。さらに、吸気機構は、温度センサ(例えば、熱電対、温度計など)、圧力センサ(例えば、絶対圧力、ゲージ圧力、差圧など)、フローセンサ(例えば、速度流れ、質量流れなど)、および/または入ってくる水素の特性を識別するように構成された他のセンサを含み得る。同様に、吸気機構は、極低温流体ボイルオフ軽減システム100への水素の圧力および流れを制御するため、ポンプ(例えば、流体の流れを引き起こし、圧力差を生成し、さもなくば、流体に作業を充当するように構成された機構)、制御弁(例えば、受信した信号および/または付与された力に応答して流体流れを許容するように開き、流体流れを制限するように閉じるように構成される弁)、絞り弁(例えば、流体流量およびシステム圧力を制御するために利用される弁)、ならびにその他の圧力制御および流量制御システムなどの調節システムを含み得る。一部の追加の例では、水素源104から受け取られる水素は、混合相溶液中、ガス状態、または液体状態であってもよい。したがって、吸気機構102は、異なる相状態に関連付けられた流入流体を処理し、気相を液相から分離し、異なる相状態を極低温流体ボイルオフ軽減システム100の適切な部分へ向けるように構成され得る。一部のさらなる例では、水素源104は、加水分解システム(例えば、化学プロセスにおいて少なくとも水素を生成するために、水と物質と反応するように構成されたシステム)、電気分解システム(例えば、水を水素および酸素に分割する電流を提供するように構成されたシステム)、および/または他の水素生成システムであってもよい。一部の加水分解反応では、物質および水は、加水分解の標的分子(または親分子)が水素イオンを得るように反応することができる。さらに、水素は、化学反応によって生成され、吸気機構102に供給されることができる。吸気機構102は、任意の形態の水素を受け取り、極低温流体ボイルオフ軽減システム100への流入を容易にすることができることに留意されたい。 Intake mechanism 102 is any suitable mechanism by which hydrogen (or another cryogenic fluid) may be injected into and/or received by cryogenic fluid boil-off mitigation system 100. Good too. In some examples, the hydrogen source 104 may include a delivery truck, a delivery pipeline, or any other suitable delivery means from an external hydrogen source. Additionally, the intake mechanism 102 may include valves, flanges, connectors, couplings, and other fastening means that allow the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 to be fluidly connected to the hydrogen source 104. Additionally, the intake mechanism may include temperature sensors (e.g., thermocouples, thermometers, etc.), pressure sensors (e.g., absolute pressure, gauge pressure, differential pressure, etc.), flow sensors (e.g., velocity flow, mass flow, etc.), and/or or may include other sensors configured to identify characteristics of the incoming hydrogen. Similarly, the intake mechanism may be used to control the pressure and flow of hydrogen into the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 by pumping (e.g., causing fluid flow, creating a pressure differential, or otherwise applying work to the fluid). a control valve (e.g., configured to open to permit fluid flow and close to restrict fluid flow in response to a received signal and/or an applied force); control systems), throttle valves (e.g., valves utilized to control fluid flow and system pressure), and other pressure and flow control systems. In some additional examples, the hydrogen received from hydrogen source 104 may be in a mixed phase solution, in a gaseous state, or in a liquid state. Accordingly, the intake mechanism 102 is configured to process incoming fluids associated with different phase conditions, separate the gas phase from the liquid phase, and direct the different phase conditions to the appropriate portions of the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100. obtain. In some further examples, the hydrogen source 104 is a hydrolysis system (e.g., a system configured to react with water and a substance to produce at least hydrogen in a chemical process), an electrolysis system (e.g., a water (a system configured to provide an electrical current that splits hydrogen into hydrogen and oxygen), and/or other hydrogen generation systems. In some hydrolysis reactions, substances and water can react such that the target molecule (or parent molecule) of the hydrolysis obtains a hydrogen ion. Furthermore, hydrogen can be produced by a chemical reaction and supplied to the intake mechanism 102. Note that the intake mechanism 102 can receive any form of hydrogen and facilitate entry into the cryogenic fluid boil-off mitigation system 100.

分流弁106は、遠隔的に電子入力を介して、またはサーボ/モータを介して直接、吸気コントローラ118によって制御され得る。分流弁は、流入コネクタ(例えば、パイプ、ホース、チューブなど)と一つまたは複数の排出コネクタとの間で流れる流体を制御するように構成され得る。上述のように、一つまたは複数のセンサ(例えば、吸気機構102の構成要素である温度センサ、圧力センサ、およびフローセンサは、水素源104から受け取った水素の物理的特性に関連付けられた一つまたは複数の信号を生成することができる。一つまたは複数の信号は、吸気コントローラ118に送信され、水素の調節および経路決定のために利用され得る。別の方法として、または追加的に、吸気機構102は、既知の圧力および既知の温度で水素を提供する水素のベンダーなどの送達サービスを伴いうる。一部の例では、吸気コントローラ118は、水素の反転温度に対する水素の温度を監視するように構成され得る。反転温度は、水素(または他の極低温流体)のジュールトムソン係数が符号を変える(例えば、ジュールトムソン係数は、反転温度よりも高い温度で負であり、膨張すると流体を加熱させ、ジュールトムソン係数は、反転温度より低い温度で正であり、膨張すると流体を冷却させる)温度であることに注意すべきである。したがって、吸気コントローラ118が、水素の流入温度が反転温度を上回っていると判定する場合、吸気コントローラ118によって、分流弁106に、水素を経路Aに沿って冷却段階1 110に向けさせる。同様に、吸気コントローラ118が、水素の流入温度が反転温度を下回っていると判定する場合、吸気コントローラ118によって、分流弁106に、水素を、経路Bに沿って冷却段階2 112に向けさせる。いくつかの追加の例では、吸気コントローラが、水素が反転温度よりも低い別の閾値温度を下回っていると判定する場合があり、経路Cに沿ってタンク116に直接向きを変えられてもよい(例えば、水素が、水素の圧力に対する凝縮点を下回り、液体である)。少なくとも一つの例では、追加の閾値温度は、貯蔵温度と呼んでもよく、貯蔵温度は、貯蔵タンク116内の温度または圧力を上昇させることなく、水素が貯蔵タンク116内に安全に導入され得る温度を示す。 Divert valve 106 may be controlled by intake controller 118 remotely via electronic input or directly via a servo/motor. A diverter valve may be configured to control fluid flow between an inlet connector (eg, a pipe, hose, tube, etc.) and one or more outlet connectors. As mentioned above, one or more sensors (e.g., temperature sensors, pressure sensors, and flow sensors that are components of the intake mechanism 102) may be connected to a physical characteristic of the hydrogen received from the hydrogen source 104. Alternatively, or in addition, the one or more signals may be sent to the intake controller 118 and utilized for hydrogen regulation and routing. The mechanism 102 may involve a delivery service such as a hydrogen vendor that provides hydrogen at a known pressure and a known temperature. In some examples, the intake controller 118 may be configured to monitor the temperature of the hydrogen relative to the inversion temperature of the hydrogen. The inversion temperature is the temperature at which the Joule-Thomson coefficient of hydrogen (or other cryogenic fluid) changes sign (e.g., the Joule-Thomson coefficient is negative at temperatures above the inversion temperature, heating the fluid as it expands). It should be noted that the Joule-Thomson coefficient is positive at temperatures below the inversion temperature, causing the fluid to cool when expanded.Thus, the intake controller 118 ensures that the hydrogen inlet temperature is below the inversion temperature. If so, the intake controller 118 causes the diverter valve 106 to direct the hydrogen along path A to the cooling stage 1 110. Similarly, the intake controller 118 causes the intake controller 118 to direct the hydrogen along path A to the cooling stage 1 110. If the intake controller 118 determines that the hydrogen is below the inversion temperature, the intake controller 118 causes the diverter valve 106 to direct the hydrogen along path B to the cooling stage 2 112. may also be determined to be below another low threshold temperature and may be diverted directly to tank 116 along path C (e.g., if the hydrogen is below the condensation point for the pressure of the hydrogen and in liquid form). In at least one example, the additional threshold temperature may be referred to as a storage temperature, where hydrogen can be safely introduced into storage tank 116 without increasing the temperature or pressure within storage tank 116. Indicates the temperature that can be used.

一部のさらなる例では、吸気コントローラ118は、分流弁106に、少なくとも、一つまたは複数の温度閾値、一つまたは複数の圧力閾値、一つまたは複数の流れ閾値、または様々な閾値の組み合わせに基づいて、水素源104から受け取った水素を、経路A、経路B、および経路Cに沿って調節および経路指定させることができる。具体的には、水素源から受け取った水素に関連する温度および圧力は、水素に関連付けられた熱エネルギーおよび/または水素を水素源104の温度および圧力から貯蔵タンク116の温度および圧力まで冷却するために必要な仕事量を決定するために利用することができる。したがって、吸気コントローラ118は、水素源104から受け取った水素を、水素の初期冷却のために冷却段階1 110に、ならびに追加の冷却および/または液化のために冷却段階2 112に向けさせることができる。 In some further examples, the intake controller 118 sets the flow divider valve 106 to at least one or more temperature thresholds, one or more pressure thresholds, one or more flow thresholds, or a combination of various thresholds. Based on this, hydrogen received from hydrogen source 104 can be conditioned and routed along Path A, Path B, and Path C. Specifically, the temperature and pressure associated with the hydrogen received from the hydrogen source may be used to cool the hydrogen and/or the thermal energy associated with the hydrogen from the temperature and pressure of the hydrogen source 104 to the temperature and pressure of the storage tank 116. It can be used to determine the amount of work required. Accordingly, intake controller 118 may direct hydrogen received from hydrogen source 104 to cooling stage 1 110 for initial cooling of the hydrogen and to cooling stage 2 112 for additional cooling and/or liquefaction. .

極低温流体ボイルオフ軽減システム100は、液化システム108を含み得る。具体的には、液化システム108は、異なる温度、圧力、および/または状態で液化システム108に提供される極低温流体の温度および/または圧力を減少させる様々な構成要素を含み得る。示される例では、液化システム108は、冷却段階1 110および冷却段階2 112を含む。冷却段階1 110は、非ジュールトムソン効果およびジュールトムソン冷却技術(ジュールトムソン係数が負である)を利用して、水素104の温度を冷却段階2 112の閾値温度および/または閾値圧力まで低減することができる。一部の例では、閾値温度(および閾値圧力)は、少なくとも、極低温流体(例えば、水素)の反転温度、貯蔵タンク116の貯蔵温度もしくは貯蔵圧力、貯蔵タンク116のボイルオフに関連付けられたボイルオフ温度およびボイルオフ圧力、または極低温流体ボイルオフ軽減システム100に関連付けられた他の決定された温度および圧力に基づいて決定され得る。さらに、冷却段階2 112は、ジュールトムソン冷却技術を利用して、極低温流体の温度(例えば、水素源104から受け取った水素)をさらに低減することができる。 Cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 may include a liquefaction system 108. Specifically, liquefaction system 108 may include various components that reduce the temperature and/or pressure of cryogenic fluid provided to liquefaction system 108 at different temperatures, pressures, and/or conditions. In the example shown, liquefaction system 108 includes cooling stage 1 110 and cooling stage 2 112. Cooling stage 1 110 utilizes non-Joule-Thomson effects and Joule-Thomson cooling techniques (where the Joule-Thomson coefficient is negative) to reduce the temperature of hydrogen 104 to a threshold temperature and/or pressure of cooling stage 2 112. Can be done. In some examples, the threshold temperature (and threshold pressure) is at least the inversion temperature of the cryogenic fluid (e.g., hydrogen), the storage temperature or storage pressure of the storage tank 116, the boil-off temperature associated with the boil-off of the storage tank 116. and boil-off pressure, or other determined temperatures and pressures associated with cryogenic fluid boil-off mitigation system 100. Additionally, cooling stage 2 112 may utilize Joule-Thomson cooling techniques to further reduce the temperature of the cryogenic fluid (eg, hydrogen received from hydrogen source 104).

一部の例では、非ジュールトムソン冷却技術は、流体(例えば、ガス、液体など)の温度を低減することができる任意の冷凍サイクル、または非周期冷凍技術を含み得る。冷凍サイクルには、蒸気圧縮サイクル、吸収サイクル、吸着サイクル、およびシステムから熱エネルギーを除去するための作業を周期的に利用する(例えば、水素源104から受け取った水素を冷却する)他の冷凍技術が含まれ得る。別の方法として、または追加的に、非周期冷凍には、冷却後に分散または廃棄される作動流体の利用が含まれる(例えば、液体窒素は比較的安価であり、冷凍利用後に大気に放出され得る)。上述のように、冷却段階1 110は、非ジュールトムソン技術を利用して、水素源104から受け取った水素を冷却することができる。こうした技術は、熱を一方の流体から他方へと伝達するために、互いに熱接触させられる、様々な流れ経路に異なる流体を有する熱交換器を利用することができる(随意に、周期冷却システムまたは非周期冷却システムで)。熱交換器のいくつかの例示的な種類は、シェルアンドチューブ熱交換器、プレート熱交換器、プレートアンドシェル熱交換器、断熱ホイール熱交換器、ピロープレートヒア交換器、流体熱交換器、および動的かきとり式表面熱交換器である。 In some examples, a non-Joule-Thomson cooling technique may include any refrigeration cycle that can reduce the temperature of a fluid (e.g., gas, liquid, etc.) or a non-periodic refrigeration technique. Refrigeration cycles include vapor compression cycles, absorption cycles, adsorption cycles, and other refrigeration techniques that periodically utilize work to remove thermal energy from the system (e.g., to cool hydrogen received from hydrogen source 104). may be included. Alternatively, or additionally, aperiodic refrigeration involves the use of working fluids that are dispersed or discarded after cooling (e.g., liquid nitrogen is relatively inexpensive and can be released to the atmosphere after refrigeration). ). As mentioned above, cooling stage 1 110 may utilize non-Joule-Thomson techniques to cool the hydrogen received from hydrogen source 104. Such techniques may utilize heat exchangers having different fluids in various flow paths brought into thermal contact with each other to transfer heat from one fluid to another (optionally a cyclic cooling system or in non-periodic cooling systems). Some exemplary types of heat exchangers are shell and tube heat exchangers, plate heat exchangers, plate and shell heat exchangers, insulated wheel heat exchangers, pillow plate here exchangers, fluid heat exchangers, and It is a dynamic scraped surface heat exchanger.

冷却段階1 110のいくつかの例では、非ジュールトムソン冷却技術を利用して、水素、または別の低反転温度流体(例えば、ヘリウム、ネオンなど)を、反転温度まで冷却する。水素の温度を反転温度未満に下げることにより、ジュールトムソン効果を利用して水素(または他の極低温流体)を冷却することができる。水素および他のいくつかの材料は、気相において、反転温度が室温(約20°C)を下回るという、やや固有の特性を有することに留意されたい。したがって、液化システム108の冷却段階1 110は、冷却段階1 110ですべての極低温流体に対して非ジュールトムソン効果冷却を利用するように構成され得る。さらに、液化システム108の冷却段階1 110は、冷却段階1 110の動作温度を超える反転温度を有する極低温流体に対して、冷却段階1 110でジュールトムソン効果冷却を利用するように構成され得る。液化システム108は、段階間導管114が、ジュールトムソン効果冷却が水素104の温度をさらに低減するために実施される、段階1 110から段階2 112まで水素を通過することを含み得る。 Some examples of cooling stage 1 110 utilize non-Joule-Thomson cooling techniques to cool hydrogen, or another low inversion temperature fluid (eg, helium, neon, etc.) to an inversion temperature. The Joule-Thompson effect can be used to cool hydrogen (or other cryogenic fluids) by lowering the temperature of the hydrogen below the inversion temperature. Note that hydrogen and some other materials have the somewhat unique property that in the gas phase, the inversion temperature is below room temperature (approximately 20° C.). Accordingly, cooling stage 1 110 of liquefaction system 108 may be configured to utilize non-Joule-Thomson effect cooling for all cryogenic fluids in cooling stage 1 110. Further, cooling stage 1 110 of liquefaction system 108 may be configured to utilize Joule-Thomson effect cooling in cooling stage 1 110 for cryogenic fluids having an inversion temperature that exceeds the operating temperature of cooling stage 1 110. The liquefaction system 108 may include an interstage conduit 114 passing the hydrogen from stage 1 110 to stage 2 112 where Joule-Thomson effect cooling is performed to further reduce the temperature of the hydrogen 104.

液化システム108の段階2 112は、ジュールトムソン冷却技術を用いて、水素源104から受け取った水素の温度をさらに低減することができる。一部の例では、ジュールトムソン冷却技術を利用して、冷却段階1 110によって処理された水素から液体水素を生成することができる。ジュールトムソン効果(ジュールケルビン効果またはケルビンジュール効果としても知られる)は、圧力がかけられたときに、熱が環境と交換されないように(例えば、極低温流体が断熱または実質的に断熱膨張を受ける)、実際のガスまたは液体(理想的なガスと区別される)が断熱されながら弁または多孔性プラグを通されるときの温度変化を説明する。この手順は、スロットリングプロセスまたはジュールトムソンプロセスと呼ばれる。室温で、ほとんどのガスは、ジュールトムソン技術によって膨張すると冷却される。しかしながら、上述のように、水素、ヘリウム、およびネオンなどの一部のガスは、ガスの温度が反転温度を下回るまで膨張時に加熱させる、室温を下回る反転温度を有する。したがって、反転温度より低く冷却されると、水素、ヘリウム、およびネオンに対してジュールトムソン技術を使用できる。ノズル、弁、または多孔性プラグを含む所望のジュールトムソン冷却を達成するには、多くの方法があり、冷却段階2 112は、任意の数のこれらの技術を含み得る。さらに、冷却段階2 112は、複数の冷却動作を含み得る。一部の実施形態では、複数の冷却動作は、温度を下げる段階であってもよい。一部の実施形態では、冷却段階2 112には複数の冗長冷却動作があり、冷却される水素の量に応じて、冷却段階2 112の一部分が、別の部分がアイドルの間、採用され得る。 Stage 2 112 of liquefaction system 108 may use Joule-Thompson cooling techniques to further reduce the temperature of the hydrogen received from hydrogen source 104. In some examples, Joule-Thomson cooling technology may be utilized to produce liquid hydrogen from the hydrogen processed by cooling stage 1 110. The Joule-Thomson effect (also known as the Joule-Kelvin effect or the Kelvin-Joule effect) is a phenomenon in which, when pressure is applied, no heat is exchanged with the environment (e.g., a cryogenic fluid undergoes an adiabatic or substantially adiabatic expansion). ), describes the temperature change when a real gas or liquid (as distinguished from an ideal gas) is passed through a valve or porous plug while being insulated. This procedure is called the throttling process or Joule-Thomson process. At room temperature, most gases are expanded and cooled by the Joule-Thomson technique. However, as mentioned above, some gases, such as hydrogen, helium, and neon, have inversion temperatures below room temperature that cause them to heat up during expansion until the temperature of the gas is below the inversion temperature. Therefore, the Joule-Thomson technique can be used for hydrogen, helium, and neon when cooled below the inversion temperature. There are many ways to achieve the desired Joule-Thomson cooling, including nozzles, valves, or porous plugs, and cooling stage 2 112 may include any number of these techniques. Additionally, cooling stage 2 112 may include multiple cooling operations. In some embodiments, the plurality of cooling operations may be steps to lower the temperature. In some embodiments, cooling stage 2 112 has multiple redundant cooling operations, and depending on the amount of hydrogen to be cooled, one portion of cooling stage 2 112 may be employed while another portion is idle. .

一部の例では、図1は、本開示の例による施設用の極低温流体ボイルオフ軽減システム100の図である。具体的には、極低温流体ボイルオフ軽減システム100は、バックアップ電力システム122によって燃料として利用され得る極低温流体を維持するように構成され得る。さらに、極低温流体ボイルオフ軽減システムは、ボイルオフを再液化することによって処理することによって、貯蔵タンク116からのボイルオフの放出が大気に放出されるのを防止するように構成され得る。さらに、極低温流体ボイルオフ軽減システムは、施設システム124の電力需要が一次電力システム126によって満たされない場合に、電力予備として極低温を維持するように構成され得る。一部の追加の例では、一次電力システム126は、地方自治体または別の標準一次電源からのグリッド電力であり得る。さらに、施設システム124は、少なくとも施設内の様々なシステムによって消費される電力に基づいて決定される電力需要と関連付けられ得る。したがって、電力需要は、任意の、およびすべての電力付きHVACシステム、照明、加熱システム、冷却システム、モータ、エンジン、ネットワーク、サーバ、他のコンピューティングデバイス、および施設内の電力を消費する実質的に任意の他の機構の電力要件を含み得る。 In some examples, FIG. 1 is an illustration of a cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 for a facility according to examples of the present disclosure. Specifically, cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 may be configured to maintain cryogenic fluid that may be utilized as a fuel by backup power system 122. Additionally, the cryogenic fluid boil-off mitigation system may be configured to prevent boil-off emissions from storage tank 116 from being released to the atmosphere by treating the boil-off by reliquefying it. Additionally, the cryogenic fluid boil-off mitigation system may be configured to maintain cryogenic temperatures as a power reserve when the power demands of facility system 124 are not met by primary power system 126. In some additional examples, primary power system 126 may be grid power from a municipality or another standard primary power source. Further, facility systems 124 may be associated with power demands determined based on at least the power consumed by various systems within the facility. Therefore, power demand is substantially equal to any and all powered HVAC systems, lighting, heating systems, cooling systems, motors, engines, networks, servers, other computing devices, and other devices that consume power within the facility. May include power requirements for any other mechanisms.

さらに、極低温流体ボイルオフ軽減システム100は、停電、不足、または一次電力システム126によって満たされない施設システム124の電力需要をもたらす他の状況の場合に、バックアップ電源122に対する極低温流体を管理することができる。一部の例では、バックアップ電力システム126は、水素(または他の極低温燃料)を、施設システム124の電力需要を満たすのに十分なエネルギーに変換する、水素動力エンジンおよび/または燃料電池を含み得る。したがって、電力需要が一次電力システム126によって満たされていないと判定すると、施設および/またはバックアップ電力システム122は、水素を貯蔵タンク116から抽出し、消費して、施設システム124のための追加の電力を生成し得る。 Additionally, cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 can manage cryogenic fluid to backup power source 122 in the event of a power outage, shortage, or other situation that results in power demands of facility system 124 that are not met by primary power system 126. can. In some examples, backup power system 126 includes a hydrogen-powered engine and/or fuel cell that converts hydrogen (or other cryogenic fuel) into sufficient energy to meet the power needs of facility system 124. obtain. Accordingly, upon determining that the power demand is not being met by the primary power system 126, the facility and/or backup power system 122 extracts hydrogen from the storage tank 116 and consumes it to provide additional power for the facility system 124. can be generated.

図2は、極低温流体ボイルオフ軽減システムのための潜在的な動作空間の図である。具体的には、図2は、二原子水素の相図の近似である。しかしながら、図2は近似であり、個々の相に対する様々な値および境界線は、実世界の値に正確にマッピングされない場合があることに留意されたい。図2は、液相202が気相204内に気化/蒸発し、気相204が液相202内に凝縮することができる温度および圧力の近似を含む。図2に示すように、例示的な気化曲線206は、極低温流体の液相202と気相204との間の境界を表すことができる。例えば、気化曲線206は、原子または極低温流体の分子が、気化の潜熱を吸収するか、または凝縮の潜熱を放射し、液相202と気相204との間の遷移ができる、現実世界の温度および圧力の組み合わせを表すことができる。同様に、例示的な気化曲線206は、極低温流体が物質の三つの状態(例えば、固体、液体、およびガス)の間の平衡に存在する圧力および温度を表す三重点208と、液相202および極低温流体の気相が超臨界流体となる時の圧力および温度を表す臨界点210との間に延伸し得る。図2は、水素の三重点208および臨界点210の近似を含むが、他の流体の三重点および臨界点は、他の温度および圧力の組み合わせで発生し得ることに留意されたい。さらに、図2は、第一の冷却動作(例えば、図1の冷却段階1 110によって実施される冷却動作)によって引き起こされる極低温流体に関連付けられた第一の温度変化および第一の圧力変化を表す第一の曲線セグメント212を含む。同様に、図2は、第二の冷却動作(例えば、図1の冷却段階2 112によって実施される冷却動作)によって引き起こされる極低温流体に関連付けられた第二の温度変化および第二の圧力変化を表す第二の曲線セグメント214を含む。 FIG. 2 is an illustration of a potential operating space for a cryogenic fluid boil-off mitigation system. Specifically, FIG. 2 is an approximation of the phase diagram for diatomic hydrogen. However, it is noted that FIG. 2 is an approximation, and the various values and boundaries for individual phases may not map exactly to real-world values. FIG. 2 includes approximations of the temperatures and pressures at which liquid phase 202 can vaporize/evaporate into gas phase 204 and gas phase 204 can condense into liquid phase 202. As shown in FIG. 2, an exemplary vaporization curve 206 may represent a boundary between a liquid phase 202 and a gas phase 204 of a cryogenic fluid. For example, vaporization curve 206 represents a real-world scenario in which atoms or molecules of a cryogenic fluid absorb latent heat of vaporization or radiate latent heat of condensation, allowing a transition between liquid phase 202 and gas phase 204. Can represent a combination of temperature and pressure. Similarly, the exemplary vaporization curve 206 has a triple point 208 representing the pressure and temperature at which the cryogenic fluid exists in equilibrium between three states of matter (e.g., solid, liquid, and gas), and a liquid phase 202. and a critical point 210 representing the pressure and temperature at which the vapor phase of the cryogenic fluid becomes a supercritical fluid. Although FIG. 2 includes an approximation of hydrogen triple point 208 and critical point 210, it is noted that other fluid triple points and critical points may occur at other temperature and pressure combinations. Additionally, FIG. 2 illustrates a first temperature change and a first pressure change associated with the cryogenic fluid caused by a first cooling operation (e.g., the cooling operation performed by cooling stage 1 110 of FIG. 1). a first curve segment 212 representing the first curve segment 212; Similarly, FIG. 2 shows a second temperature change and a second pressure change associated with the cryogenic fluid caused by a second cooling operation (e.g., the cooling operation performed by cooling stage 2 112 of FIG. 1). including a second curve segment 214 representing .

図2内の三重点208および臨界点210の表示にもかかわらず、これらの現象は、それらに関連付けられた現実世界の温度および圧力を有することに留意されたい。具体的には、固相、液相202、および気相204が平衡中に存在する水素の三重点は、約13.84K/-259.31°Cおよび7.04kPa/.0704バールで発生する。同様に、液相202および気相204が共存を停止し、超臨界流体を形成する水素の臨界点は、約33.20K/-239.95°Cおよび1300kPa/12.97バールで発生する。したがって、気化曲線206は、液相202の水素が気相204に気化し、気相204の水素が液相202に凝縮し得る温度および圧力を表す。 Note that despite the representation of triple point 208 and critical point 210 in FIG. 2, these phenomena have real world temperatures and pressures associated with them. Specifically, the hydrogen triple point at which the solid phase, liquid phase 202, and gas phase 204 exist in equilibrium is approximately 13.84 K/-259.31°C and 7.04 kPa/. Occurs at 0704 bar. Similarly, the critical point for hydrogen, where liquid phase 202 and gas phase 204 cease to coexist and form a supercritical fluid, occurs at approximately 33.20 K/-239.95° C. and 1300 kPa/12.97 bar. Accordingly, vaporization curve 206 represents the temperature and pressure at which hydrogen in liquid phase 202 may vaporize into vapor phase 204 and hydrogen in vapor phase 204 may condense into liquid phase 202.

一部の例では、図1に関して上述した極低温流体ボイルオフ軽減システムは、図2に描写するように、極低温流体の気相204および液相202内で動作するよう構成することができる。具体的には、冷却段階1 110および冷却段階2 112は、水素源104から受け取った水素を、流入温度から冷却し、貯蔵タンク116に貯蔵するために水素を液化するように構成することができる。さらに、冷却段階1 110の第一の冷却動作は、第一の曲線セグメント212によって表されてもよく、水素の温度は、負の値から正の値へのジュールトムソン係数の変化に関連付けられた温度閾値216を下回る水素の流入温度から低減される。大気圧では、ジュールトムソン係数は、およそ200K/-73.15°Cで、負の値から正の値に変化するが、温度閾値216は、少なくとも部分的に水素の圧力に基づいて決定され得る。しかしながら、冷却段階1 110に関連付けられた第一の冷却動作は、気化曲線206よりも高い温度で任意の温度閾値未満に水素を低減させるように構成され得る。さらに、第一の冷却動作は、圧力の上昇(図2の第一の曲線セグメント212によって図示されるように)を、等圧環境で発生させてもよく、または冷却段階1 110によって利用される冷却方法の種類に少なくとも部分的に基づいて圧力の低下を引き起こすことができる。同様に、冷却段階2 112に関連付けられた第二の冷却動作は、第一の冷却動作の排出温度から、所与の圧力の凝縮温度を下回る貯蔵温度まで水素を低減させるように構成され得る(図2の第一の曲線セグメント212によって図示されるように)。 In some examples, the cryogenic fluid boil-off mitigation system described above with respect to FIG. 1 can be configured to operate within the vapor phase 204 and liquid phase 202 of the cryogenic fluid, as depicted in FIG. 2. Specifically, cooling stage 1 110 and cooling stage 2 112 may be configured to cool hydrogen received from hydrogen source 104 from an inlet temperature and liquefy the hydrogen for storage in storage tank 116. . Additionally, the first cooling operation of cooling stage 1 110 may be represented by a first curve segment 212, in which the temperature of the hydrogen is related to the change in the Joule-Thompson coefficient from a negative value to a positive value. The hydrogen inlet temperature is reduced below a temperature threshold 216. At atmospheric pressure, the Joule-Thomson coefficient changes from negative to positive values at approximately 200K/-73.15°C, but the temperature threshold 216 may be determined based at least in part on the pressure of the hydrogen. . However, the first cooling operation associated with cooling stage 1 110 may be configured to reduce hydrogen below any temperature threshold at a temperature above vaporization curve 206. Additionally, the first cooling operation may generate a pressure increase (as illustrated by first curve segment 212 in FIG. 2) in an isobaric environment or utilized by cooling stage 1 110. The pressure drop can be caused based at least in part on the type of cooling method. Similarly, the second cooling operation associated with cooling stage 2 112 may be configured to reduce hydrogen from the discharge temperature of the first cooling operation to a storage temperature below the condensation temperature for a given pressure ( (as illustrated by first curve segment 212 in FIG. 2).

一部の例では、第一の曲線セグメント212に関連付けられた第一の冷却動作と第二の曲線セグメント214に関連付けられた第二の冷却動作との間に、追加の冷却動作(図示せず)を含めることができる。具体的には、第一の冷却動作は、非ジュールトムソン冷却技術を利用して、水素源(例えば、水素タンク、水素ベンダー、加水分解システム、電気分解システムなど)の流入温度から、ジュールトムソン係数が負の値から正の値に変化する温度より低い第一の冷却動作排出温度まで、水素の温度を低減するように構成され得る。さらに、非ジュールトムソン冷却技術は、水素源104に関連付けられた流入圧力に対して、水素の圧力を上昇、一定、または減少させ得る。第一の冷却動作の後、加圧動作(例えば、ポンプ)は、第一の冷却動作の第一の排出圧力から、第二の冷却動作または追加の冷却動作に関連付けられた流入圧力まで圧力を上昇させ得る。したがって、追加の冷却動作および第二の冷却動作は、ジュールトムソン冷却技術を利用して水素を冷却し、水素を貯蔵のために液化することができる。さらに、追加の加圧動作は、システムの完全性、安全性、および動作パラメータを維持するために、追加の冷却動作、第二の冷却動作、および/または貯蔵タンクの間に含んでもよい。 In some examples, additional cooling operations (not shown) may occur between the first cooling operation associated with first curve segment 212 and the second cooling operation associated with second curve segment 214. ) can be included. Specifically, the first cooling operation utilizes non-Joule-Thomson cooling techniques to calculate the Joule-Thomson coefficient from the inlet temperature of the hydrogen source (e.g., hydrogen tank, hydrogen bender, hydrolysis system, electrolysis system, etc.). The temperature of the hydrogen may be configured to reduce the temperature of the hydrogen to a first cooling operation discharge temperature below a temperature at which the temperature changes from a negative value to a positive value. Additionally, non-Joule-Thomson cooling techniques may increase, hold constant, or decrease the pressure of hydrogen relative to the inlet pressure associated with the hydrogen source 104. After the first cooling operation, the pressurizing operation (e.g., a pump) increases the pressure from the first discharge pressure of the first cooling operation to the inlet pressure associated with the second or additional cooling operation. It can be raised. Accordingly, the additional cooling operation and the second cooling operation may utilize Joule-Thomson cooling technology to cool the hydrogen and liquefy the hydrogen for storage. Additionally, additional pressurization operations may be included during additional cooling operations, secondary cooling operations, and/or storage tanks to maintain system integrity, safety, and operating parameters.

一部の追加の例では、第二の冷却動作、および、含まれる場合、追加の冷却動作は、第二の曲線セグメント214によって図示されるように、水素の温度および圧力の両方を低減する、一つまたは複数のジュールトムソン冷却動作(例えば、水素をスロットル弁、多孔性プラグ、または水素を冷却する他の減圧装置に通過させる)を含むように構成され得る。さらに、第二の冷却動作は、第二の冷却動作流入温度から貯蔵タンク温度まで水素の温度を低減するように構成されてもよく、第二の冷却動作流入温度は、第一の冷却動作排出温度または追加の冷却動作排出温度と関連付けられる(任意選択で、第一の冷却動作または追加の冷却動作による水素排出が加圧された後に)。さらに、第二の冷却動作は、貯蔵タンクのボイルオフ温度閾値および/またはボイルオフ圧力閾値とほぼ等しい温度および圧力で水素を受け取るようにさらに構成され得る。したがって、第二の冷却動作は、第二の冷却動作流入温度および第二の冷却動作流入圧力で水素を受け取り、水素の温度を貯蔵タンクの貯蔵温度まで低減するように構成され得る。 In some additional examples, the second cooling operation and, if included, the additional cooling operation reduces both the temperature and pressure of the hydrogen, as illustrated by the second curve segment 214. It may be configured to include one or more Joule-Thomson cooling operations (eg, passing the hydrogen through a throttle valve, porous plug, or other pressure reducing device to cool the hydrogen). Additionally, the second cooling operation may be configured to reduce the temperature of the hydrogen from the second cooling operation inlet temperature to the storage tank temperature, the second cooling operation inlet temperature being lower than the first cooling operation exhaust temperature. associated with the temperature or the additional cooling operation exhaust temperature (optionally after the hydrogen exhaust from the first cooling operation or the additional cooling operation has been pressurized). Additionally, the second cooling operation may be further configured to receive hydrogen at a temperature and pressure approximately equal to a boil-off temperature threshold and/or boil-off pressure threshold of the storage tank. Accordingly, the second cooling operation may be configured to receive hydrogen at a second cooling operation inlet temperature and a second cooling operation inlet pressure and reduce the temperature of the hydrogen to the storage temperature of the storage tank.

極低温流体ボイルオフ軽減システム100(図1)は、第二の冷却動作(例えば、冷却段階2 112)が、以前の冷却段階(例えば、第一の曲線セグメント212によって表される第一の冷却動作、追加冷却動作、冷却段階1 110)、および/または第二の冷却動作による再液化のために貯蔵タンクからガス状水素を収集するボイルオフ水素源の両方から水素を受け取るように構成され得るように構成され得ることに留意されたい。さらに、サポートシステム(例えば、ポンプ、弁、圧力調節器、温度センサ、フローセンサ、圧力センサなど)は、水素源104から受け取った水素と、第二の冷却動作によって受け取った水素が、ジュールトムソン冷却技術を介して、第二の冷却動作流入温度から貯蔵タンクの貯蔵温度まで冷却を可能にする適切な圧力にあるように、ボイルオフ水素源から受け取った水素との両方と関連付けることができる。さらに、第二の冷却動作は、温度および/または圧力に関連付けられたボイルオフ閾値が満たされる十分な量のボイルオフが生成されることにより、ガス状水素を受け取ることによって、貯蔵タンクの受動的冷却(例えば、タンク内の液体水素からガス状水素への気化は、液体水素からの気化の潜熱を除去し、貯蔵タンク内の液体を効果的に冷却する)を支持するように構成され得る。したがって、ボイルオフ水素(例えば、ボイルオフによって生成されるガス状水素)は、ポンプ、またはタンクの内部圧力を利用してガス状水素を駆動するパイプによって収集され、気化の潜熱を除去し、貯蔵タンクへの導入のためにボイルオフ水素を液化するように構成され得る第二の冷却動作に移送され得る。 The cryogenic fluid boil-off mitigation system 100 (FIG. 1) is configured such that a second cooling operation (e.g., cooling stage 2 112) is a first cooling operation represented by a previous cooling stage (e.g., first curve segment 212). , an additional cooling operation, cooling stage 1 110), and/or a boil-off hydrogen source that collects gaseous hydrogen from a storage tank for reliquefaction by a second cooling operation. Note that it can be configured. Additionally, the support systems (e.g., pumps, valves, pressure regulators, temperature sensors, flow sensors, pressure sensors, etc.) may be configured such that the hydrogen received from the hydrogen source 104 and the hydrogen received by the second cooling operation are Joule-Thomson cooled. Through technology, a second cooling operation can be associated with both the hydrogen received from the boil-off hydrogen source and at the appropriate pressure to allow cooling from the inlet temperature to the storage temperature of the storage tank. Additionally, the second cooling operation includes passive cooling of the storage tank (by receiving gaseous hydrogen by generating a sufficient amount of boil-off such that a boil-off threshold associated with temperature and/or pressure is met). For example, the vaporization of liquid hydrogen to gaseous hydrogen in the tank may be configured to remove the latent heat of vaporization from the liquid hydrogen, effectively cooling the liquid in the storage tank. Thus, boil-off hydrogen (e.g., gaseous hydrogen produced by boil-off) is collected by a pump, or a pipe that utilizes the internal pressure of the tank to drive the gaseous hydrogen, removing the latent heat of vaporization and transferring it to a storage tank. The boil-off hydrogen may be transferred to a second cooling operation that may be configured to liquefy the boil-off hydrogen for the introduction of hydrogen.

図3は、本開示のさらなる例による極低温流体ボイルオフ軽減システム300の概略図である。極低温流体ボイルオフ軽減システム300は、図1および2を参照して上述した多くの特徴を含み得る。具体的には、極低温流体ボイルオフ軽減システム300は、水素源304から水素を受け取り、水素を液化システム306に向ける、吸気機構302を含み得る。液化システムは、液体水素を貯蔵タンク312に入れる前に水素を冷却し液化する、少なくとも段階1 308および段階2 310を含む、複数の冷却システムを含み得る。さらに、貯蔵タンク312は、少なくとも温度センサ316および圧力センサ318を介して、タンクコントローラ314によって監視され得る。少なくとも温度センサ316および/または圧力センサ318から受信した情報に基づいて、タンクコントローラ314は、貯蔵タンク内のボイルオフ水素をいつ冷却し、冷却システムの段階2 312によって液化するかを決定することができる。タンクコントローラ314は、ボイルオフ収集システム320に、ボイルオフ水素を収集し、ボイルオフ水素を段階2 312に輸送させるように構成されてもよく、一方、液体水素戻りシステム322は、段階2 312から液化水素を受け取り、液化水素を貯蔵タンク312に入れることができる。 FIG. 3 is a schematic diagram of a cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 according to a further example of the present disclosure. Cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 may include many of the features described above with reference to FIGS. 1 and 2. Specifically, cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 may include an intake mechanism 302 that receives hydrogen from a hydrogen source 304 and directs hydrogen to a liquefaction system 306. The liquefaction system may include multiple cooling systems, including at least stage 1 308 and stage 2 310, that cool and liquefy the liquid hydrogen before placing it into storage tank 312. Additionally, storage tank 312 may be monitored by tank controller 314 via at least temperature sensor 316 and pressure sensor 318. Based on information received from at least the temperature sensor 316 and/or the pressure sensor 318, the tank controller 314 can determine when the boil-off hydrogen in the storage tank is cooled and liquefied by stage 2 312 of the cooling system. . Tank controller 314 may be configured to cause boil-off collection system 320 to collect boil-off hydrogen and transport the boil-off hydrogen to stage 2 312, while liquid hydrogen return system 322 transports liquid hydrogen from stage 2 312. Upon receipt, the liquefied hydrogen can be placed into storage tank 312 .

極低温流体ボイルオフ軽減システム300は、水素源が水素を調節しない水素源304から受け取られる水素を調節するために、吸気機構302を利用することができる。具体的には、吸気機構は、吸気コントローラによって、または極低温流体ボイルオフ軽減システム300に関連付けられたオペレータによって制御される水素源とのパイプ、ホース、および/またはその他の接続用のコネクタ弁を含み得る。コネクタ弁は、水素源304との永久的接続(例えば、加水分解または電気分解システムなどの内部水素源用、およびパイプラインを施設に提供する外部ベンダー用)、および/または水素源304との一時的な接続(例えば、水素源は、吸気機構に接続し、トラックおよび/またはレールによって施設にもたらされるタンクであり、一定量の水素を注入する)を含み得る。水素源304の性質に依存せず、吸気機構302と関連付けられた様々なセンサとの通信および吸気機構302の様々な構成要素に送信された信号(例えば、信号は、スロットル弁によって引き起こされる圧力減少量および/またはポンプによって引き起こされる加圧量を制御することができる)を介して、吸気機構が、流入圧力を調節し(例えば、スロットル弁を介して)、水素流量を調節し、流入圧力を監視し(例えば、圧力センサを介して)、流入温度を監視する(例えば、温度センサを介して)ことができる。したがって、水素の流入温度、流入圧力、流入流量、および/またはその他の水素の物理的特性を決定し、液化システム306に送信することができる。 The cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 may utilize the intake mechanism 302 to condition hydrogen received from a hydrogen source 304 where the hydrogen source does not condition hydrogen. Specifically, the intake mechanism includes a connector valve for pipe, hose, and/or other connection with a hydrogen source controlled by an intake controller or by an operator associated with the cryogenic fluid boil-off mitigation system 300. obtain. Connector valves provide a permanent connection to the hydrogen source 304 (e.g., for internal hydrogen sources such as hydrolysis or electrolysis systems, and for external vendors providing pipelines to the facility) and/or temporary connections to the hydrogen source 304. (e.g., the hydrogen source is a tank that connects to the intake mechanism and is brought to the facility by truck and/or rail and injects a fixed amount of hydrogen). Regardless of the nature of the hydrogen source 304, communication with various sensors associated with the intake mechanism 302 and signals sent to various components of the intake mechanism 302 (e.g., the signals may be caused by pressure reduction caused by a throttle valve) and/or the amount of pressurization caused by the pump), the intake mechanism regulates the inlet pressure (e.g., via a throttle valve), regulates the hydrogen flow rate, and controls the inlet pressure (e.g., via a pressure sensor) and the inlet temperature (e.g., via a temperature sensor). Accordingly, the hydrogen inlet temperature, inlet pressure, inlet flow rate, and/or other physical characteristics of the hydrogen can be determined and sent to the liquefaction system 306.

上述のように、段階1 308は、図1に関して記載した冷却段階1 110と実質的に類似および/または同一であってもよい。例えば、段階1 308は、様々な周期冷凍技術(例えば、逆カルノーサイクル、逆スターリングエンジン、蒸気圧縮サイクル、作動流体に関連付けられた熱交換など)および/または非周期冷凍技術(例えば、熱交換器を通過し、その後、大気に排出される液体窒素)を利用して、水素を閾値温度以下に冷却することができる。さらに、水素源304から受け取られた段階1 308による流入水素の初期冷却は、冷却段階1 110を参照して、図1に記載される例に従って進行することができる。さらに、段階2 310は、図1に関して上述した冷却段階2 112と実質的に類似および/または同一であってもよい。例えば、段階2 310は、ジュールトムソン冷却技術を利用して、水素源304から受け取った水素をさらに冷却および液化することができる(図1に記載される技術と類似)。したがって、水素源304から受け取った水素は、冷却され、液化され、貯蔵タンク312に入れられ得る。 As mentioned above, stage 1 308 may be substantially similar and/or identical to cooling stage 1 110 described with respect to FIG. For example, stage 1 308 may include various cyclic refrigeration techniques (e.g., reverse Carnot cycle, reverse Stirling engine, vapor compression cycle, heat exchange associated with the working fluid, etc.) and/or aperiodic refrigeration techniques (e.g., heat exchanger The hydrogen can be cooled below a threshold temperature using liquid nitrogen (which is passed through the air and then exhausted to the atmosphere). Additionally, the initial cooling of the incoming hydrogen by Stage 1 308 received from the hydrogen source 304 may proceed according to the example described in FIG. 1 with reference to Cooling Stage 1 110. Additionally, stage 2 310 may be substantially similar and/or identical to cooling stage 2 112 described above with respect to FIG. For example, stage 2 310 may utilize Joule-Thomson cooling techniques to further cool and liquefy the hydrogen received from hydrogen source 304 (similar to the techniques described in FIG. 1). Accordingly, hydrogen received from hydrogen source 304 may be cooled, liquefied, and placed in storage tank 312.

一部の例では、タンクコントローラ314は、貯蔵タンク312に関連付けられた少なくともタンク温度およびタンク圧力を監視するように構成され得る。具体的には、貯蔵タンク312は、極低温環境(例えば、-50°C未満の温度)内の、および任意に加圧された環境内の極低温液体を構成する極低温貯蔵タンクであってもよい(水素および他の可燃性極低温流体の貯蔵は、一般に、酸化剤を貯蔵タンク/極低温流体ボイルオフ軽減システム300に引き込む漏れを避けるために圧力下にあることに留意されたい)。したがって、貯蔵タンク312は、内部冷却システム(ただし、これらは一般に、内部冷却システムによって可能になる追加の熱エネルギー伝達によって無効化される)と、貯蔵された極低温流体を監視するための一つまたは複数のセンサと、貯蔵タンク312から貯蔵された極低温流体を抽出し、貯蔵タンク312に入れることを可能にする一つまたは複数のコネクタとを含みうる断熱貯蔵タンク(壁の間に高真空を含む二重壁容器であるデュワーフラスコなど)であってもよい。一部の追加の例では、貯蔵タンク312は、タンクコントローラ314によって動作可能に制御される流体制御装置320(例えば、弁、開口部など)を含み得る。流体制御装置320は、流れA’、B’、C’、A’’、およびB’’によって示されるボイルオフ処理ループに連結され得る。流体制御装置320は、貯蔵タンク312からボイルオフ水素を抽出し、任意選択的に、ボイルオフ水素を加圧し(しかし、貯蔵タンク312の内部圧力は、ボイルオフ水素を流れA’、B’、C’、A’’、および/またはB’’に沿って駆動するのに十分であり得る)、段階1 308および/または段階2 310に関連付けられた冷却システムにボイルオフ水素を提供するという説明された目的を達成する、弁およびポンプの任意の組み合わせを含み得る。第一の流体制御装置は、流れA’’およびB’’を通るボイルオフ水素の流れを調節するように位置付けられ、および構成されてもよく、水素源304から受け取った水素と類似した様式で、液化システム306にボイルオフ水素を処理させる。別の方法として、または追加的に、第二の流体制御装置および/または第三の流体制御装置は、段階2 310を通り、貯蔵タンク312内に戻る流体の流れを調節するように位置付けられ、構成され得る。流体制御装置320のそれぞれについて、流体流れを完全に調節するために伴われる任意の数の弁および/またはポンプが存在してもよく、また構成要素の位置は変化し得ることが理解されるべきである。 In some examples, tank controller 314 may be configured to monitor at least tank temperature and tank pressure associated with storage tank 312. Specifically, storage tank 312 is a cryogenic storage tank that constitutes a cryogenic liquid in a cryogenic environment (e.g., a temperature below −50° C.) and optionally in a pressurized environment. (Note that storage of hydrogen and other flammable cryogenic fluids is generally under pressure to avoid leaks that draw oxidizer into the storage tank/cryogenic fluid boil-off mitigation system 300). The storage tank 312 therefore includes an internal cooling system (although these are generally overridden by the additional thermal energy transfer enabled by the internal cooling system) and one for monitoring the stored cryogenic fluid. or an insulated storage tank (high vacuum between the walls) that may include a plurality of sensors and one or more connectors that allow the stored cryogenic fluid to be extracted from the storage tank 312 and placed into the storage tank 312. (such as a Dewar flask), which is a double-walled container containing In some additional examples, storage tank 312 may include a fluid control device 320 (eg, a valve, opening, etc.) that is operably controlled by tank controller 314. Fluid control device 320 may be coupled to a boil-off processing loop illustrated by streams A', B', C', A'', and B''. The fluid controller 320 extracts boil-off hydrogen from the storage tank 312 and optionally pressurizes the boil-off hydrogen (although the internal pressure of the storage tank 312 causes the boil-off hydrogen to flow A', B', C', A'', and/or B'') for the stated purpose of providing boil-off hydrogen to the cooling system associated with Stage 1 308 and/or Stage 2 310. It may include any combination of valves and pumps to accomplish this. The first fluid control device may be positioned and configured to regulate the flow of boil-off hydrogen through streams A'' and B'' in a manner similar to hydrogen received from hydrogen source 304. A liquefaction system 306 processes the boil-off hydrogen. Alternatively or additionally, the second fluid control device and/or the third fluid control device are positioned to regulate the flow of fluid through stage 2 310 and back into storage tank 312; can be configured. It should be understood that for each of the fluid control devices 320, there may be any number of valves and/or pumps involved to fully regulate fluid flow, and the location of the components may vary. It is.

貯蔵タンク312内の水素は、液体水素(貯蔵タンク312内の水素の大部分)と、気相中の少量の水素とからなる混合相溶液とすることができる。水素が温まると、液体水素は液相から気相に変換する。タンクコントローラ314は、貯蔵タンク312内の水素の貯蔵温度および/または貯蔵圧力が、温度閾値および/またはボイルオフ水素が処理および液化されることを示す圧力閾値を満たす(例えば、超える)ときを検出するように構成され得る。したがって、ボイルオフ水素(例えば、気相中の水素)は、貯蔵タンク312から抽出され、ボイルオフ水素を冷却し、気化の潜熱をガス状水素から除去することができる、液化システム306の段階2 310に向けることができ、気相を液相に戻すよう変換し、次いで貯蔵タンク312に戻される。貯蔵タンク312内の流体の全体的な温度は、それに応じて低減されてもよく、かつボイルオフ廃棄物を最小化するか、または完全に除去することができる。 The hydrogen in storage tank 312 may be a mixed phase solution consisting of liquid hydrogen (the majority of the hydrogen in storage tank 312) and a small amount of hydrogen in the gas phase. As the hydrogen warms up, liquid hydrogen converts from the liquid phase to the gas phase. Tank controller 314 detects when the storage temperature and/or storage pressure of hydrogen in storage tank 312 meets (e.g., exceeds) a temperature threshold and/or a pressure threshold that indicates that the boil-off hydrogen is treated and liquefied. It can be configured as follows. Accordingly, boil-off hydrogen (e.g., hydrogen in the gas phase) is extracted from the storage tank 312 and transferred to stage 2 310 of the liquefaction system 306, where the boil-off hydrogen can be cooled and the latent heat of vaporization removed from the gaseous hydrogen. The gas phase can be converted back to a liquid phase and then returned to storage tank 312. The overall temperature of the fluid within storage tank 312 may be reduced accordingly and boil-off waste may be minimized or completely eliminated.

上述のように、タンクコントローラ314は、貯蔵タンク312内の水素の貯蔵温度および貯蔵圧力を監視するように構成され得る。具体的には、タンクコントローラは、温度センサ316を介して貯蔵温度を監視し、圧力センサ318を介して貯蔵圧力を監視することができる。タンクコントローラ314は、一つまたは複数の貯蔵閾値に対して貯蔵温度および貯蔵圧力を監視するように構成され得る。これらの閾値は、安全閾値(例えば、貯蔵タンク312の内部圧力および/または温度は、貯蔵タンクの故障を防止するため閾値より低いままである)、効率閾値(例えば、貯蔵タンク312内の水素レベルを維持するためにエネルギー要件を最小化する)、および/または動作および/またはビジネスパラメータで決定される他の閾値とすることができる。例えば、圧力閾値は、貯蔵タンク312内の一定量の水素が気化し、貯蔵圧力が貯蔵タンク312の圧力限界に近づいていることを示す貯蔵圧力と関連付けられてもよい(これは安全要因を含み得る)。したがって、タンクコントローラ314は、圧力閾値が貯蔵圧力によって超過したことを検出し、流体制御装置320に、流れA’を介して貯蔵タンク312からボイルオフ水素(例えば、ガス状水素)を抽出させ、流れB’を介して段階2 310冷却システムにボイルオフ水素を向けさせ、流れC’を介して液化水素を貯蔵タンク312に戻させることができる。さらに、追加の圧力閾値は、圧力閾値よりも大きく、追加のボイルオフ軽減が実施されることを示す追加の貯蔵圧力と関連付けられてもよい。したがって、タンクコントローラ314は、追加の圧力閾値を超過したことを検出し、流体制御装置に、流れA’’を介してボイルオフ水素を抽出させ、流れB’’を介して段階1 308冷却システムにボイルオフ水素を向けさせ、液化水素を貯蔵タンク312に戻させることができる。タンクコントローラ314は、流体制御装置320を動作させて、ボイルオフ水素の流れを管理するように構成されてもよく、電子線および/または無線制御を介して流体制御装置320に接続されてもよい。さらに、タンクコントローラ314は、温度センサ316および圧力センサ318と通信して、電子線および/または無線制御を介して貯蔵タンクデータ322を受信することができる。 As mentioned above, tank controller 314 may be configured to monitor the storage temperature and storage pressure of hydrogen within storage tank 312. Specifically, the tank controller may monitor storage temperature via temperature sensor 316 and storage pressure via pressure sensor 318. Tank controller 314 may be configured to monitor storage temperature and storage pressure relative to one or more storage thresholds. These thresholds may include safety thresholds (e.g., the internal pressure and/or temperature of storage tank 312 remains below the threshold to prevent failure of the storage tank), efficiency thresholds (e.g., the hydrogen level within storage tank 312), (to minimize energy requirements in order to maintain the energy requirements) and/or other thresholds determined by operational and/or business parameters. For example, a pressure threshold may be associated with a storage pressure that indicates that a certain amount of hydrogen in storage tank 312 has vaporized and the storage pressure is approaching the pressure limit of storage tank 312 (this includes safety factors). obtain). Accordingly, tank controller 314 detects that the pressure threshold has been exceeded by the storage pressure and causes fluid controller 320 to extract boil-off hydrogen (e.g., gaseous hydrogen) from storage tank 312 via flow A' and The boil-off hydrogen may be directed to the stage 2 310 cooling system via B' and the liquefied hydrogen may be returned to the storage tank 312 via stream C'. Additionally, the additional pressure threshold may be associated with additional storage pressure that is greater than the pressure threshold and indicates that additional boil-off mitigation is implemented. Accordingly, tank controller 314 detects that the additional pressure threshold has been exceeded and causes the fluid controller to extract boil-off hydrogen via stream A'' and to the stage 1 308 cooling system via stream B''. The boil-off hydrogen can be directed and the liquefied hydrogen returned to the storage tank 312. Tank controller 314 may be configured to operate fluid control device 320 to manage the flow of boil-off hydrogen, and may be connected to fluid control device 320 via e-beam and/or wireless control. Further, tank controller 314 can communicate with temperature sensor 316 and pressure sensor 318 to receive storage tank data 322 via e-beam and/or wireless control.

タンクコントローラ314、温度センサ316、圧力センサ318、および流体制御装置320は、貯蔵タンク312に関連付けられたボイルオフ損失を軽減するために、協働して動作するように構成され得る。貯蔵タンク312内の二相混合が閾値温度より高く(例えば、約200Kの水素反転温度)、その時点で、非ジュールトムソン効果冷却が要求される場合、タンクコントローラ314によって、流体制御装置320に、ボイルオフ水素を段階1のボイルオフループ326に移動させることができ、その結果、液化システム306の段階1 308が、非ジュールトムソン効果冷却を使用して流体を冷却させ、次いで、ジュールトムソン効果冷却のために、流体を段階2 310に進ませ、最終的に貯蔵タンク312に戻すことができる。別の方法として、または追加的に、タンクコントローラ314は、水素の貯蔵圧力が、冷却量を示す閾値を超えるため、流体制御装置320に、段階1のボイルオフループ326を利用させ、段階2 310冷却システムの冷却能力を超えるボイルオフ水素を液化することができる。したがって、段階1 308、段階2 310の両方を通して、および任意選択で、液化システム306内の任意の追加の冷却段階を通して、ボイルオフ水素を方向付けることによって、段階1のボイルオフループ326は、水素の反転温度を超える、および/または段階2 310の容量を超える冷却量と関連付けられるボイルオフ水素を冷却するように構成することができる。 Tank controller 314 , temperature sensor 316 , pressure sensor 318 , and fluid control device 320 may be configured to operate in conjunction to reduce boil-off losses associated with storage tank 312 . If the two-phase mixture in storage tank 312 is above a threshold temperature (e.g., hydrogen inversion temperature of approximately 200 K), at which point non-Joule-Thomson effect cooling is required, tank controller 314 causes fluid control device 320 to: The boil-off hydrogen may be transferred to the stage 1 boil-off loop 326 such that the stage 1 308 of the liquefaction system 306 cools the fluid using non-Joule-Thomson effect cooling and then for Joule-Thomson effect cooling. The fluid can then proceed to stage 2 310 and ultimately be returned to storage tank 312. Alternatively, or additionally, the tank controller 314 causes the fluid controller 320 to utilize the stage 1 boil-off loop 326 and the stage 2 310 cooling because the hydrogen storage pressure exceeds a threshold indicating the amount of cooling. Boil-off hydrogen that exceeds the cooling capacity of the system can be liquefied. Thus, by directing the boil-off hydrogen through both Stage 1 308, Stage 2 310, and optionally through any additional cooling stages within the liquefaction system 306, the Stage 1 boil-off loop 326 reverses the hydrogen It may be configured to cool boil-off hydrogen that is associated with an amount of cooling that exceeds the temperature and/or capacity of stage 2 310.

さらに、タンクコントローラ314、温度センサ316、圧力センサ318、および流体制御装置320は、貯蔵タンク312に関連付けられたボイルオフ損失を軽減するために、協働して動作するように構成され得る。貯蔵タンク312内の二相混合が閾値温度(例えば、約200Kでの水素反転温度)未満かつ閾値圧力を超える場合、タンクコントローラ314は、流体制御装置320に、段階2のボイルオフ流入322内にボイルオフ水素を移動し、段階2のボイルオフ排出324を介して液体水素を貯蔵タンク312に戻すようにさせることができる。具体的には、液化システム306の段階2 310は、ジュールトムソン効果冷却を使用して流体を冷却し、次いで液体水素を貯蔵タンク312に戻すことができる。別の方法として、または追加的に、タンクコントローラ314は、冷却量を示す閾値を満たす水素の貯蔵温度のために、流体制御装置320に段階2のボイルオフ流入322を利用させ、段階2 310冷却システムの冷却能力によって供給されるボイルオフ水素を液化することができる。したがって、段階2のボイルオフ流入322は、水素の反転温度を下回る、および/または段階2 310によって提供され得る冷却量に関連付けられているボイルオフ水素を受け取るように構成され得る。 Additionally, tank controller 314 , temperature sensor 316 , pressure sensor 318 , and fluid control device 320 may be configured to operate in conjunction to reduce boil-off losses associated with storage tank 312 . If the two-phase mixture within the storage tank 312 is below a threshold temperature (e.g., the hydrogen inversion temperature at about 200 K) and above a threshold pressure, the tank controller 314 causes the fluid controller 320 to control the boil-off in the stage 2 boil-off inlet 322. The hydrogen may be transferred and liquid hydrogen may be returned to the storage tank 312 via the stage 2 boil-off discharge 324. Specifically, stage 2 310 of liquefaction system 306 may use Joule-Thomson effect cooling to cool the fluid and then return the liquid hydrogen to storage tank 312. Alternatively or additionally, the tank controller 314 causes the fluid controller 320 to utilize the stage 2 boil-off inflow 322 for a storage temperature of hydrogen that meets a threshold indicative of the amount of refrigeration in the stage 2 310 cooling system. The boil-off hydrogen supplied by the cooling capacity can be liquefied. Accordingly, stage 2 boil-off inlet 322 may be configured to receive boil-off hydrogen that is below the inversion temperature of the hydrogen and/or associated with the amount of cooling that may be provided by stage 2 310.

一部の例では、段階2のボイルオフ流入322、段階2のボイルオフ排出324、および/または段階1のボイルオフループ326は、貯蔵タンク312および/または段階2 310の排出圧力から段階1 308、段階2 310、および/または貯蔵タンク312の流入圧力に流体の圧力を変更するように構成されたポンプ328(段階1のボイルオフループ326に関連して図示される)を含み得る。したがって、回転ポンプ、ピストンポンプ、ダイアフラムポンプ、ねじポンプ、遠心ポンプ、および他のポンプを利用して、極低温流体ボイルオフ軽減システム300の一つの構成要素の排出圧力および別の構成要素の流入圧力に基づいて、流体の圧力を変更することができる。 In some examples, the stage 2 boil-off inlet 322, the stage 2 boil-off discharge 324, and/or the stage 1 boil-off loop 326 flow from the storage tank 312 and/or the stage 2 310 discharge pressure to the stage 1 308, stage 2 310 and/or a pump 328 (shown in conjunction with the stage 1 boil-off loop 326) configured to change the pressure of the fluid to the inlet pressure of the storage tank 312. Accordingly, rotary pumps, piston pumps, diaphragm pumps, screw pumps, centrifugal pumps, and other pumps may be utilized to maintain the discharge pressure of one component of the cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 and the inlet pressure of another component. Based on this, the pressure of the fluid can be changed.

所望の温度、圧力、および相に達した後、水素は、段階2のボイルオフ排出324および/または液化システム306の排出を通過して、貯蔵タンク312内に入ることができる。貯蔵タンク314は、水素がバックアップ電力を生成するために利用される時まで水素を保持することができ、その時点で水素を貯蔵タンク312から移動させることができる。一部の例では、貯蔵タンク312からのタンク出口導管水素が存在し得る。一部の追加の例では、タンクコントローラ314は、貯蔵タンク314から水素を抽出し、流体制御装置322に、水素をバックアップ電力システム(例えば、バックアップ電力システム122)に供給させることができる。 After reaching the desired temperature, pressure, and phase, the hydrogen may pass through the stage 2 boil-off discharge 324 and/or the liquefaction system 306 discharge into the storage tank 312. Storage tank 314 can hold hydrogen until such time as the hydrogen is utilized to generate backup power, at which point the hydrogen can be removed from storage tank 312. In some examples, tank outlet conduit hydrogen from storage tank 312 may be present. In some additional examples, tank controller 314 can extract hydrogen from storage tank 314 and cause fluid controller 322 to supply hydrogen to a backup power system (eg, backup power system 122).

本開示の例では、液化システム306を利用して、水素の長期貯蔵(例えば、一時間超、一日超、一週間超など)中に、極低温流体ボイルオフ軽減システム300内に水素を維持することができる。極低温流体ボイルオフ軽減システム300は、段階2 310で利用されるジュールトムソン冷却技術を介して、いくつかのガス状水素を貯蔵することができるが、実質的に液体として、貯蔵タンク内に水素を維持するように構成され得る。ジュールトムソン効果は、水素を(ポンプおよび/または貯蔵タンクによって提供される)源圧力から、断熱条件下(例えば、水素へのまたは水素からの熱伝達を防止するために絶縁されている絶縁されたスロットリング弁)で決定された圧力に降下させ、水素を冷却させる、弁またはノズルなどのスロットル装置を通して水素が膨張することを可能にすることによって冷却を達成する。したがって、タンクコントローラ314は、流れ制御装置322を介してプロセスのパラメータ(例えば、圧力、流量など)を操作して、所望の冷却を達成し、水素を所望の極低温に戻し、必要に応じて、ガス状水素を液化することができる。いくつかの例では、段階2 310冷却システムは、タンクコントローラ314または液化システム306に関連付けられた他のコントローラによって、水素から気化の潜熱を除去するように構成され得る。他の例では、段階2 310冷却システムは、水素から気化の潜熱および追加の熱を除去して、段階2のボイルオフ排出324を介して貯蔵タンク312に水素が入れられる所望の温度および/または圧力を達成するように構成され得る。少なくとも一つの実施形態では、気化の潜熱は、段階2 310によって消費されるエネルギーの95%超を占めることができる(例えば、水素をポンプを介して冷却および/または液化させる圧力を生成するために必要な作業)。 Examples of the present disclosure utilize a liquefaction system 306 to maintain hydrogen within the cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 during long-term storage of hydrogen (e.g., more than one hour, more than one day, more than one week, etc.). be able to. Although the cryogenic fluid boil-off mitigation system 300 can store some gaseous hydrogen through the Joule-Thomson cooling technology utilized in stage 2 310, it stores the hydrogen in the storage tank essentially as a liquid. may be configured to maintain. The Joule-Thomson effect causes hydrogen to be insulated from source pressure (provided by a pump and/or storage tank) under adiabatic conditions (e.g. to prevent heat transfer to or from the hydrogen). Cooling is achieved by allowing the hydrogen to expand through a throttling device, such as a valve or nozzle, which reduces the pressure to a determined pressure (throttling valve) and allows the hydrogen to cool. Accordingly, tank controller 314 manipulates process parameters (e.g., pressure, flow rate, etc.) via flow controller 322 to achieve the desired cooling and return the hydrogen to the desired cryogenic temperature, as needed. , gaseous hydrogen can be liquefied. In some examples, the stage 2 310 cooling system may be configured to remove latent heat of vaporization from the hydrogen by the tank controller 314 or other controller associated with the liquefaction system 306. In other examples, the stage 2 310 cooling system removes the latent heat of vaporization and additional heat from the hydrogen to a desired temperature and/or pressure at which the hydrogen is admitted to the storage tank 312 via the stage 2 boil-off exhaust 324. may be configured to achieve. In at least one embodiment, the latent heat of vaporization can account for more than 95% of the energy consumed by stage 2 310 (e.g., to generate pressure to cool and/or liquefy the hydrogen via a pump). work required).

図4は、本開示のさらなる例による、三つの段階を有する液化システム400の概略図である。図4に示す構成要素は、図1および3を参照して記載した対応する構成要素と類似および/または同一であり得ることに留意されたい。液化システム400は、段階1 402、段階2 404、および段階3 406を含み得る。液化システム400は、水素源(例えば、水素源104および/または水素源304)から受け取った水素を受け取るおよび処理するよう構成された吸気機構408および吸気導管410を含み得る。液化システム400は、段階1 402、段階2 404、段階3 406、および/または貯蔵タンク(図示せず)のそれぞれへ、および/またはそれぞれから水素を輸送するように構成される導管412を含み得る。流体制御装置414a~eは、液化システム400の周りに配置され、段階間の流体移動を制御する。流体制御装置414a~eは、液化システム400を通して流体を移動させるために、必要に応じて任意の数の弁および/またはポンプを含み得る。流体制御装置414aは、吸気導管410を制御し、水素源から液化システムによって受け取られる水素の量を調節するように構成され得る。流体制御装置414b~dは、それぞれ、段階1 402、段階2 404、および段階3 406への流体移動およびそれらからの流体移動を制御する。流体制御装置414eは、貯蔵タンク(図示せず)などへの液化システム400からの流体移動を制御する。コントローラ416は、流体制御装置414a~eと関連付けられてもよく、流体制御装置414a~e(例えば、前記流体制御装置は、電磁弁である)に対して信号を生成し、流体制御装置414a~e(例えば、流体制御装置が空気弁または油圧弁である)を作動させ、必要に応じて弁および/またはポンプを作動させて、水素を液化システム400に出入りさせ、必要に応じて、段階1 402、段階2 404、および段階3 406の間で弁および/またはポンプを作動させるように構成され得る。導管412は、吸気機構408、段階1 402、段階2 404、段階3 406、および貯蔵タンク(図示せず)を流体接続する複数の分岐および関連する弁を含み得る。したがって、導管412は、異なる構成要素からの水素を不必要に、流れを損なわずに、または水素を混合することなく、液化システム400の構成要素間で水素を選択的に移動させるのに十分な流体経路を提供するように構成され得る。さらに、導管412は、すべての構成要素間で共有されているものとして図示されているが、導管412は、液化システム400の二つの構成要素を流体接続する個々の導管に分割することができる。 FIG. 4 is a schematic diagram of a three-stage liquefaction system 400, according to a further example of the present disclosure. Note that the components shown in FIG. 4 may be similar and/or identical to the corresponding components described with reference to FIGS. 1 and 3. Liquefaction system 400 may include stage 1 402, stage 2 404, and stage 3 406. Liquefaction system 400 may include an intake mechanism 408 and an intake conduit 410 configured to receive and process hydrogen received from a hydrogen source (eg, hydrogen source 104 and/or hydrogen source 304). The liquefaction system 400 may include a conduit 412 configured to transport hydrogen to and/or from each of Stage 1 402, Stage 2 404, Stage 3 406, and/or a storage tank (not shown). . Fluid control devices 414a-e are disposed around the liquefaction system 400 and control fluid movement between stages. Fluid control devices 414a-e may include any number of valves and/or pumps as desired to move fluid through liquefaction system 400. Fluid control device 414a may be configured to control intake conduit 410 and regulate the amount of hydrogen received by the liquefaction system from the hydrogen source. Fluid control devices 414b-d control fluid movement to and from stage 1 402, stage 2 404, and stage 3 406, respectively. Fluid control device 414e controls fluid movement from liquefaction system 400, such as to a storage tank (not shown). The controller 416 may be associated with the fluid control devices 414a-e and generate signals to the fluid control devices 414a-e (eg, the fluid control devices are solenoid valves) and e (e.g., the fluid control device is a pneumatic or hydraulic valve) and actuate valves and/or pumps as necessary to move hydrogen into and out of the liquefaction system 400, as necessary. 402, stage 2 404, and stage 3 406, the valves and/or pumps may be configured to operate. Conduit 412 may include multiple branches and associated valves that fluidly connect intake mechanism 408, stage 1 402, stage 2 404, stage 3 406, and a storage tank (not shown). Accordingly, conduit 412 has sufficient capacity to selectively transfer hydrogen between components of liquefaction system 400 without unnecessarily compromising flow or mixing hydrogen from different components. The fluid path may be configured to provide a fluid pathway. Additionally, although conduit 412 is illustrated as being shared between all components, conduit 412 can be split into individual conduits that fluidly connect two components of liquefaction system 400.

一部の例では、液化システム400は、任意の所望の数の段階を有し得る。本明細書の極低温システムは、上で論じたように、負のジュールトムソン効果のやや固有の特性を有する水素を処理するために使用することができる。他の極低温流体は、効率的な冷却および液化ユニットを達成するために、異なる処理原理を適用できる、より多くの段階を必要とする場合がある他の特性を有する。したがって、各段階は、異なる処理機構とすることができる。他の例では、段階は、流体上の同じ液化機構を操作する、冗長であってもよい。液化システム400をより大きい数の段階に分離することは、より高い効率を達成することを可能にし得る。したがって、液化システム400は、全容量未満で使用することができる。液化システム400の一部分を使用する一つの用途は、気化の潜熱をボイルオフ水素から除去することである。次に、水素をタンクに戻すか、または使用のために別の場所に向けることができ、これは、液化システム400全体を必要とせずに達成される。 In some examples, liquefaction system 400 may have any desired number of stages. The cryogenic system herein can be used to process hydrogen, which has the somewhat unique properties of a negative Joule-Thomson effect, as discussed above. Other cryogenic fluids have other properties that may require more stages to which different processing principles can be applied to achieve an efficient cooling and liquefaction unit. Therefore, each stage can be a different processing mechanism. In other examples, the steps may be redundant, operating the same liquefaction mechanism on the fluid. Separating the liquefaction system 400 into a greater number of stages may allow higher efficiencies to be achieved. Therefore, liquefaction system 400 can be used at less than full capacity. One application for using a portion of liquefaction system 400 is to remove latent heat of vaporization from boil-off hydrogen. The hydrogen can then be returned to the tank or directed elsewhere for use, and this is accomplished without the need for the entire liquefaction system 400.

図5は、本開示の例による方法500のブロック図である。方法500は、図1~4に関して上で図示し説明したように、極低温流体ボイルオフ軽減システムの一つまたは複数のプロセッサによって実行することができる。例えば、図5および図6に関して本明細書に記載された方法のいずれかは、全体的または部分的に、本明細書に記載された極低温流体ボイルオフ軽減システムに含まれる、タンクコントローラ120(図1)、タンクコントローラ314(図3)、コントローラ416(図4)、および/または他の制御装置のうちの一つまたは複数のプロセッサによって行われてもよい。別段の記載がない限り、こうしたプロセッサは、タンクコントローラ120、314、コントローラ416、および/または上述した他の制御装置を参照することなく、本開示の残りの部分について記載される。 FIG. 5 is a block diagram of a method 500 according to examples of the disclosure. Method 500 may be performed by one or more processors of a cryogenic fluid boil-off mitigation system as illustrated and described above with respect to FIGS. 1-4. For example, any of the methods described herein with respect to FIGS. 1), tank controller 314 (FIG. 3), controller 416 (FIG. 4), and/or other control devices. Unless otherwise noted, such processors are described for the remainder of this disclosure without reference to tank controllers 120, 314, controllers 416, and/or other control devices described above.

502で、プロセッサは、貯蔵タンクなどの望ましい低温かつ安定した環境で、水素などの低温流体の貯蔵および維持を管理できる。具体的には、プロセッサは、少なくとも貯蔵タンクに接続された一つまたは複数のセンサから、温度、圧力、および/または任意の他の望ましいパラメータを受信することができる。さらに、温度、圧力、および/または他の望ましいパラメータが、少なくとも、貯蔵タンク内の液相および/または気相から決定されるように、一つまたは複数のセンサを貯蔵タンクに接続することができる。 At 502, a processor can manage the storage and maintenance of a cryogenic fluid, such as hydrogen, in a desired cold and stable environment, such as a storage tank. In particular, the processor may receive temperature, pressure, and/or any other desired parameters from one or more sensors connected to at least the storage tank. Additionally, one or more sensors may be connected to the storage tank such that temperature, pressure, and/or other desired parameters are determined from at least the liquid phase and/or gas phase within the storage tank. .

504で、プロセッサは、貯蔵タンク内のボイルオフ水素が、一つまたは複数の圧力閾値および/または一つまたは複数の温度閾値を満たすかどうかを判定することができる。さらに、プロセッサは、ボイルオフ軽減動作が望ましいかどうかを判定することができる。ボイルオフ軽減動作の望ましさは、一つまたは複数の圧力閾値、一つまたは複数の温度閾値、スケジュールに基づいて、および/またはオペレータによる直接的な介入に応じてもよいことに留意されたい。504で、プロセッサが、少なくとも貯蔵タンクの温度および/または圧力に基づいて、極低温流体が貯蔵タンクの動作閾値内(例えば、貯蔵タンク内の一定量の極低温流体に対する安全な貯蔵環境を定義する温度範囲および/または圧力範囲内)にあると判定する場合(504~いいえ)、プロセッサは、502で貯蔵タンク内の極低温流体を監視することに戻ることができる。504でのチェックは、実質的に望ましい場合、または設定されたスケジュールごとに、何回でも実施することができる。例えば、504でのチェックは、実質的に連続的、定期的、および/または不定期に実施することができる。 At 504, the processor can determine whether the boil-off hydrogen in the storage tank meets one or more pressure thresholds and/or one or more temperature thresholds. Further, the processor can determine whether boil-off mitigation operations are desired. Note that the desirability of boil-off mitigation operations may be based on one or more pressure thresholds, one or more temperature thresholds, a schedule, and/or in response to direct intervention by an operator. At 504, the processor determines, based on at least the temperature and/or pressure of the storage tank, that the cryogenic fluid is within an operational threshold of the storage tank (e.g., defining a safe storage environment for a certain amount of cryogenic fluid in the storage tank). (within a temperature range and/or a pressure range) (504-no), the processor can return to monitoring the cryogenic fluid in the storage tank at 502. The check at 504 may be performed as many times as substantially desired or as per a set schedule. For example, the check at 504 can be performed substantially continuously, periodically, and/or irregularly.

一方、504で、プロセッサが、少なくとも、貯蔵タンクの温度および/または圧力に基づいて、極低温流体が、貯蔵タンクに関連付けられた温度閾値および/または圧力閾値を超えると判定する場合(ステップ504~はい)、プロセッサは、ボイルオフ極低温流体が貯蔵タンクから抽出され、液化システムを介して再液化されると判定しうる。具体的には、温度閾値および/または圧力閾値は、極低温流体の最大安全貯蔵圧力(任意選択で安全係数を含む)、極低温流体の最大安全貯蔵温度(任意選択で追加の安全係数を含む)、タンク内に貯蔵される一定量のボイルオフ極低温流体、および/またはプロセッサにボイルオフ軽減を開始させる貯蔵タンクのその他の内部状態と関連付けられ得る。上述のように、プロセッサは、貯蔵タンクに接続された一つまたは複数のセンサを介して、貯蔵タンクの温度および/または圧力を監視し、貯蔵タンク内の圧力および/または温度の表示を生成することができる。 On the other hand, at 504, if the processor determines that the cryogenic fluid exceeds a temperature threshold and/or pressure threshold associated with the storage tank based on at least the temperature and/or pressure of the storage tank (steps 504- Yes), the processor may determine that the boil-off cryogenic fluid is extracted from the storage tank and reliquefied via the liquefaction system. Specifically, the temperature threshold and/or pressure threshold is the maximum safe storage pressure for the cryogenic fluid (optionally including a safety factor), the maximum safe storage temperature for the cryogenic fluid (optionally including an additional safety factor), ), a certain amount of boil-off cryogenic fluid stored in the tank, and/or other internal conditions of the storage tank that cause the processor to initiate boil-off mitigation. As described above, the processor monitors the temperature and/or pressure of the storage tank via one or more sensors connected to the storage tank and generates an indication of the pressure and/or temperature within the storage tank. be able to.

506で、プロセッサは、第二のチェックを実施して、ボイルオフ軽減中に利用される冷却段階を判定し得る。少なくとも図1、3、および4に関して上述したように、液化システムは、本開示の所与の例において、一つ、二つ、またはそれ以上の段階を含み得る。したがって、プロセッサは、液化システムに、極低温流体源から受け取った極低温流体、および貯蔵タンクから抽出されたボイルオフ極低温流体を冷却させるように構成され得る。 At 506, the processor may perform a second check to determine the cooling stage utilized during boil-off mitigation. As discussed above with respect to at least FIGS. 1, 3, and 4, a liquefaction system may include one, two, or more stages in a given example of the present disclosure. Accordingly, the processor may be configured to cause the liquefaction system to cool cryogenic fluid received from the cryogenic fluid source and boil-off cryogenic fluid extracted from the storage tank.

506で、プロセッサは、ボイルオフ極低温流体が温度閾値を超えると判定し、段階1が適切であると判定することができる。具体的には、および上述のように、水素を含む一部の極低温流体は、室温を下回る反転温度を有する。さらに、極低温流体に対する第一の冷却技術は、温度閾値を超える温度では効果がなく、温度閾値より低い追加温度では効果的であり得る。別の方法として、または追加的に、第二の冷却技術は、温度閾値を超える温度および温度閾値を下回る追加温度の両方で、極低温流体を冷却するのに効果的であり得る。したがって、段階1は、温度閾値を超える温度で有効な少なくとも第二の冷却技術と関連付けられ得る。さらに、506で、プロセッサは、ボイルオフ極低温流体が温度閾値を満たすと判定し、段階2が適切であると判定することができる。段階2は、温度閾値を下回る追加の温度で有効な少なくとも第一の冷却技術と関連付けられ得る。 At 506, the processor may determine that the boil-off cryogenic fluid exceeds a temperature threshold and may determine that stage 1 is appropriate. Specifically, and as discussed above, some cryogenic fluids, including hydrogen, have inversion temperatures below room temperature. Additionally, the primary cooling technique for the cryogenic fluid may be ineffective at temperatures above the temperature threshold and effective at additional temperatures below the temperature threshold. Alternatively or additionally, the second cooling technique may be effective to cool the cryogenic fluid both at a temperature above the temperature threshold and at an additional temperature below the temperature threshold. Accordingly, stage 1 may be associated with at least a second cooling technique that is effective at temperatures above the temperature threshold. Additionally, at 506, the processor may determine that the boil-off cryogenic fluid meets a temperature threshold and may determine that stage 2 is appropriate. Stage 2 may be associated with at least a first cooling technique effective at additional temperatures below the temperature threshold.

508で、および段階1が適切である場合(ステップ506-段階1)、プロセッサは、一つまたは複数の流体制御装置に、貯蔵タンクから、ボイルオフ極低温流体を抽出させ、一つまたは複数の流体制御装置に、段階1の冷却動作に、ボイルオフ極低温流体を提供するようにさせることができる。具体的には、プロセッサは、一つまたは複数のポンプ、弁、および/またはその他の流体制御装置に、貯蔵タンクからボイルオフ極低温流体を抽出させ、ボイルオフ極低温流体を段階1の冷却動作にパイプ、導管、ホース、および/または貯蔵タンクと段階1の冷却動作との間のその他の接続を介して、提供させ得る。一部の例では、ポンプ、弁、導管、接続、および貯蔵タンクと段階1の冷却動作との間のボイルオフ極低温流体を輸送するために利用される他の流体管理構成要素は、図3によって図示される段階1のボイルオフループ326の考察に従って構成され得る。さらに、510で、プロセッサは、段階1を実施することができる。具体的には、プロセッサは、段階1に、第一の温度から第二の温度にボイルオフ水素を低減させることができる。さらに、プロセッサは、ボイルオフ極低温流体を冷却するために利用される作業量を加減し、ボイルオフ極低温流体を冷却するために利用される冷却剤/冷凍剤の量を加減し、および/またはそうでなければ、段階1の冷却動作を制御して、第一の温度から第二の温度までボイルオフ極低温流体を冷却するように構成されてもよい。いくつかの例では、段階1および段階2は、段階1からの流体が段階2に進むことを意味する、連続的であり得る。他の例では、流体は、段階1に向けられ、その後、段階2に到達することなく、液化システムから排出され得る。他の例では、所望に応じて、段階1から段階2またはタンクに戻るいずれかに流体を向ける、一連の弁およびコントローラが存在し得る。 At 508, and if Stage 1 is appropriate (Step 506-Stage 1), the processor causes the one or more fluid controllers to extract the boil-off cryogenic fluid from the storage tank and extract the boil-off cryogenic fluid from the one or more fluids. The controller may be configured to provide boil-off cryogenic fluid for the stage 1 cooling operation. Specifically, the processor causes one or more pumps, valves, and/or other fluid control devices to extract boil-off cryogenic fluid from a storage tank and pipe the boil-off cryogenic fluid to a stage 1 cooling operation. , conduits, hoses, and/or other connections between the storage tank and the stage 1 cooling operation. In some examples, the pumps, valves, conduits, connections, and other fluid management components utilized to transport the boil-off cryogenic fluid between the storage tank and the Stage 1 cooling operation are as per Figure 3. The illustrated stage 1 boil-off loop 326 may be configured in accordance with the considerations. Additionally, at 510, the processor may perform stage one. Specifically, the processor may reduce boil-off hydrogen from a first temperature to a second temperature in stage 1. Additionally, the processor may moderate the amount of work utilized to cool the boil-off cryogenic fluid, moderate the amount of coolant/freezing agent utilized to cool the boil-off cryogenic fluid, and/or Otherwise, the cooling operation of stage 1 may be configured to control the boil-off cryogenic fluid from the first temperature to the second temperature. In some examples, Stage 1 and Stage 2 may be sequential, meaning that fluid from Stage 1 proceeds to Stage 2. In other examples, fluid may be directed to stage 1 and then discharged from the liquefaction system without reaching stage 2. In other examples, there may be a series of valves and controllers directing fluid from stage 1 to either stage 2 or back to the tank as desired.

512で、プロセッサは、流体制御装置に、ボイルオフ極低温流体を段階2に提供させ、514で、段階2の冷却動作に、極低温流体を、第二の温度から第三の温度に低減させることができ、ボイルオフ極低温流体を段階1(ステップ506~段階1)から受け取るか、または第一の温度から第三の温度に低減させることができ、ボイルオフ極低温流体を貯蔵タンクから受け取る(ステップ506~段階2)。一部の例では、上で論じたように、ボイルオフ極低温流体は、貯蔵タンクから直接、段階2に向けられてもよい。さらに、プロセッサは、段階2の冷却動作に、貯蔵タンクから抽出されたボイルオフ極低温流体に関連付けられた第一の温度から、ボイルオフ極低温流体が貯蔵タンクに入れら得る温度に関連付けられた第三の温度まで、ボイルオフ極低温流体を冷却させることができる。さらに、プロセッサは、段階2の冷却動作に、液体極低温流体が貯蔵タンクに入れられるように、ボイルオフ極低温流体を液化させることができる。いくつかの追加の例では、ボイルオフ極低温流体は、段階1の冷却動作が完了した後、段階2に向けることができる。したがって、プロセッサは、段階2の冷却動作に、段階1から受け取ったボイルオフ極低温流体を冷却および任意選択的に液化させ、ボイルオフ極低温流体を貯蔵タンクに入れることができる。段階2の冷却動作が完了した後、プロセッサは、流体制御装置に、現在の液体極低温流体である、ボイルオフ極低温流体を貯蔵タンクに戻し、502で貯蔵タンクおよび極低温流体の監視を継続させることができる。システム内に他の段階がある場合、それらは適切な順序に考慮され得る。段階は、ボイルオフ極低温流体の冷却にわたってより大きな制御を提供するために、連続的であってもよく(例えば、冷却段階をより低い温度範囲にわたって冷却することを可能にする)、より大きな容量制御を提供するように並列であってもよく(例えば、並列冷却動作は、最小の流れ要件を有し得るため、冷却段階をより大きな制御スループットにすることができる)、および/または連続冷却段階および並列冷却段階の任意の組み合わせであってもよい。 At 512, the processor causes the fluid controller to provide boil-off cryogenic fluid to stage 2, and at 514, the stage 2 cooling operation reduces the cryogenic fluid from the second temperature to the third temperature. can receive boiled-off cryogenic fluid from stage 1 (step 506 - stage 1) or can be reduced from a first temperature to a third temperature and can receive boiled-off cryogenic fluid from a storage tank (step 506 ~Stage 2). In some examples, the boil-off cryogenic fluid may be directed to stage 2 directly from the storage tank, as discussed above. Additionally, the processor performs the cooling operation of stage 2 from a first temperature associated with the boil-off cryogenic fluid extracted from the storage tank to a third temperature associated with the temperature at which the boil-off cryogenic fluid may be admitted to the storage tank. The boil-off cryogenic fluid can be cooled to a temperature of . Additionally, the processor may liquefy the boil-off cryogenic fluid such that the liquid cryogenic fluid is placed in a storage tank for a stage 2 cooling operation. In some additional examples, the boil-off cryogenic fluid can be directed to Stage 2 after the Stage 1 cooling operation is complete. Accordingly, the processor may perform a stage 2 cooling operation by cooling and optionally liquefying the boil-off cryogenic fluid received from stage 1 and placing the boil-off cryogenic fluid into a storage tank. After the stage 2 cooling operation is completed, the processor causes the fluid controller to return the boil-off cryogen, the current liquid cryogen, to the storage tank and continue monitoring the storage tank and the cryogen at 502. be able to. If there are other stages in the system, they may be considered in the appropriate order. The stages may be continuous (e.g., allowing the cooling stage to cool over a lower temperature range) to provide greater control over the cooling of the boil-off cryogenic fluid, allowing for greater capacity control. (e.g., parallel cooling operations may have minimal flow requirements, allowing cooling stages to have greater control throughput), and/or sequential cooling stages and Any combination of parallel cooling stages may be used.

したがって、図5の方法によって、図1~4に記載されるような極低温流体ボイルオフ軽減システムによって貯蔵される極低温流体に対するボイルオフ損失の軽減が可能となる。具体的には、貯蔵タンクの内部温度および圧力の不断の検出により、極低温流体ボイルオフ軽減システムのプロセッサが、生成されるボイルオフ極低温流体の量および大気と極低温流体との間で伝達される入射熱の量を追跡することが可能になる。さらに、内部温度および圧力の検出により、安全機能を実装して、無事故で極低温流体の継続的な段階を確実にすることができる。したがって、プロセッサは、そうでなければ大気に排出され、安全性および保守の理由のために失われる極低温流体を、貯蔵タンクから抽出し、液化し、および貯蔵タンクに再導入させることができる。さらに、ボイルオフ極低温流体の周期的抽出、液化、および再導入は、極低温流体の長期貯蔵を可能にし、外部源から貯蔵タンクに導入される極低温流体の量を減少させる。 Accordingly, the method of FIG. 5 enables boil-off loss mitigation for cryogenic fluids stored by cryogenic fluid boil-off mitigation systems such as those described in FIGS. 1-4. Specifically, constant sensing of the internal temperature and pressure of the storage tank causes the processor of the cryogenic fluid boil-off mitigation system to determine the amount of boil-off cryogenic fluid produced and communicated between the atmosphere and the cryogenic fluid. It becomes possible to track the amount of incident heat. Furthermore, with internal temperature and pressure sensing, safety features can be implemented to ensure accident-free continuous staging of cryogenic fluids. Thus, the processor can extract, liquefy, and reintroduce cryogenic fluid from the storage tank that would otherwise be vented to the atmosphere and lost for safety and maintenance reasons. Additionally, periodic extraction, liquefaction, and reintroduction of boil-off cryogenic fluid enables long-term storage of cryogenic fluid and reduces the amount of cryogenic fluid introduced into the storage tank from external sources.

図6は、単一の段階がボイルオフの目的で使用される、本開示のさらなる例による方法600のブロック図である。方法600は、図1~4に関して上で図示し説明したように、極低温流体ボイルオフ軽減システムの一つまたは複数のプロセッサによって実行することができる。本開示の極低温流体ボイルオフ軽減システムは、一つまたは複数のプロセッサによって制御される液化システムを含み得る。液化システムはまた、上記の段階2として示される、専用のボイルオフ管理段階を含み得る。当然のことながら、ボイルオフ管理段階は、プロセスの段階2ではない場合がある。602で、プロセッサは、水素などの極低温流体を、極低温流体源から受け取り、液化システムによって冷却された後、貯蔵タンク内に貯蔵させることができる。極低温流体は、液相および気相の両方で存在する貯蔵タンク内の混合相溶液であってもよい。さらに、プロセッサは、一つまたは複数のセンサ(例えば、温度センサ、圧力センサなど)を介して、貯蔵タンクの内部温度および内部圧力を監視できる。したがって、プロセスは、極低温流体を貯蔵させ、貯蔵タンク内の極低温流体を監視することができる。 FIG. 6 is a block diagram of a method 600 according to a further example of the present disclosure, in which a single stage is used for boil-off purposes. Method 600 may be performed by one or more processors of a cryogenic fluid boil-off mitigation system as illustrated and described above with respect to FIGS. 1-4. The cryogenic fluid boil-off mitigation system of the present disclosure may include a liquefaction system controlled by one or more processors. The liquefaction system may also include a dedicated boil-off management stage, designated as Stage 2 above. Of course, the boil-off management stage may not be stage 2 of the process. At 602, a processor can receive a cryogenic fluid, such as hydrogen, from a cryogenic fluid source and store it in a storage tank after being cooled by a liquefaction system. The cryogenic fluid may be a mixed phase solution in a storage tank that exists in both liquid and gas phases. Further, the processor can monitor the internal temperature and pressure of the storage tank via one or more sensors (eg, temperature sensor, pressure sensor, etc.). Thus, the process can store cryogenic fluid and monitor the cryogenic fluid within the storage tank.

604で、プロセッサは、ボイルオフ軽減動作が望ましいかどうかを判定することができる。例えば、この判定の一部として、プロセッサは、貯蔵タンク内のボイルオフ水素が、一つまたは複数の圧力閾値および/または一つまたは複数の温度閾値を満たすかを判定し得る。ステップ604で判定されるボイルオフ軽減動作の望ましさは、一つまたは複数の圧力閾値、一つまたは複数の温度閾値、スケジュールに基づいて、および/またはオペレータによる直接的な介入に応じて判定され得ることに留意されたい。 At 604, the processor can determine whether a boil-off mitigation operation is desired. For example, as part of this determination, the processor may determine whether the boil-off hydrogen in the storage tank meets one or more pressure thresholds and/or one or more temperature thresholds. The desirability of the boil-off mitigation action determined in step 604 may be determined based on one or more pressure thresholds, one or more temperature thresholds, a schedule, and/or in response to direct intervention by an operator. Please note that.

604で、プロセッサが、少なくとも貯蔵タンク(602で保存された)の温度および/または圧力に基づいて、極低温流体が貯蔵タンクの動作閾値内(例えば、貯蔵タンク内の一定量の極低温流体に対する安全な貯蔵環境を定義する温度範囲内および/または圧力範囲内)にあると判定する場合(ステップ604~いいえ)、602でプロセッサは、貯蔵タンク内の極低温流体を監視することに戻ることができる。604でのチェックは、実質的に望ましい場合、または設定されたスケジュールごとに、何回でも実施することができる。例えば、604でのチェックは、実質的に連続的、定期的、および/または不定期に実施することができる。 At 604, the processor determines, based on at least the temperature and/or pressure of the storage tank (stored at 602), that the cryogenic fluid is within an operational threshold of the storage tank (e.g., for a certain amount of cryogenic fluid in the storage tank). (within a temperature range and/or a pressure range that defines a safe storage environment) (step 604 - NO), the processor may return to monitoring the cryogenic fluid in the storage tank at 602. can. The check at 604 may be performed as many times as substantially desired or as per a set schedule. For example, the check at 604 can be performed substantially continuously, periodically, and/or irregularly.

一方、604で、プロセッサが、少なくとも、貯蔵タンク(602で貯蔵された)の温度および/または圧力に基づいて、極低温流体が、貯蔵タンクに関連付けられた温度閾値および/または圧力閾値を超えると判定する場合(ステップ604~はい)、プロセッサは、ボイルオフ極低温流体が貯蔵タンクから抽出され、液化システムを介して再液化されると判定しうる。具体的には、温度閾値および/または圧力閾値は、極低温流体の最大安全貯蔵圧力(任意選択で安全係数を含む)、極低温流体の最大安全貯蔵温度(任意選択で追加の安全係数を含む)、タンク内に貯蔵される一定量のボイルオフ極低温流体、極低温流体の反転温度、および/またはプロセッサにボイルオフ軽減を開始させる貯蔵タンクのその他の内部状態と関連付けられ得る。少なくとも一つの実施形態では、反転温度よりも高い温度で貯蔵タンクから極低温流体を抽出することは、貯蔵タンク内の残りの極低温流体を加熱させるボイルオフ極低温流体の抽出によって引き起こされる圧力降下による安全問題を表しうる。したがって、温度閾値は、反転温度未満で、ボイルオフ極低温流体が貯蔵タンクから抽出されるように選択または決定されてもよく、ボイルオフ極低温流体の抽出は、貯蔵された極低温流体を冷却する。上述のように、プロセッサは、貯蔵タンクに接続された一つまたは複数のセンサを介して、貯蔵タンクの温度および/または圧力を監視し、貯蔵タンク内の圧力および/または温度の表示を生成することができる。 Meanwhile, at 604, the processor determines, based at least on the temperature and/or pressure of the storage tank (stored at 602), that the cryogenic fluid exceeds a temperature threshold and/or pressure threshold associated with the storage tank. If so (step 604 - yes), the processor may determine that the boil-off cryogenic fluid is extracted from the storage tank and reliquefied via the liquefaction system. Specifically, the temperature threshold and/or pressure threshold is the maximum safe storage pressure for the cryogenic fluid (optionally including a safety factor), the maximum safe storage temperature for the cryogenic fluid (optionally including an additional safety factor), ), a certain amount of boil-off cryogenic fluid stored in the tank, an inversion temperature of the cryogenic fluid, and/or other internal conditions of the storage tank that cause the processor to initiate boil-off mitigation. In at least one embodiment, extracting the cryogenic fluid from the storage tank at a temperature above the inversion temperature is due to the pressure drop caused by the boil-off cryogenic fluid extraction causing the remaining cryogenic fluid in the storage tank to heat up. May represent a safety issue. Accordingly, the temperature threshold may be selected or determined such that below the inversion temperature, the boil-off cryogenic fluid is extracted from the storage tank, and extraction of the boil-off cryogenic fluid cools the stored cryogenic fluid. As described above, the processor monitors the temperature and/or pressure of the storage tank via one or more sensors connected to the storage tank and generates an indication of the pressure and/or temperature within the storage tank. be able to.

606で、プロセッサにより、貯蔵タンクから極低温流体を抽出し、一つまたは複数の流体制御装置によって段階2に提供することができる。具体的には、プロセッサは、(例えば、電子信号、空気ポンプ、油圧ポンプなどを介して)弁(例えば、流体制御装置320)を動作させて、段階2の貯蔵タンクと冷却動作との間の流体接続を開くように構成され得る。さらに、プロセッサは、ポンプおよび/または貯蔵タンクの内部圧力に、貯蔵タンクから段階2の冷却動作に、ボイルオフ極低温流体を輸送させるように構成され得る。 At 606, cryogenic fluid can be extracted from the storage tank by the processor and provided to stage 2 by one or more fluid controllers. Specifically, the processor operates a valve (e.g., fluid controller 320) (e.g., via an electronic signal, an air pump, a hydraulic pump, etc.) to separate the stage 2 storage tank and cooling operations. The fluid connection may be configured to open. Further, the processor may be configured to cause the internal pressure of the pump and/or the storage tank to transport the boil-off cryogenic fluid from the storage tank to the stage 2 cooling operation.

608で、プロセッサは、段階2の冷却動作によって提供される冷却量を決定することができる。具体的には、プロセッサは、段階2の冷却動作に、第一の温度から第二の温度に極低温流体を冷却させ、任意選択で、極低温流体を液化させることができる。さらに、プロセッサは、段階2に関連付けられた一つまたは複数の流体制御装置に、極低温流体をタンクに戻すか、またはそうでなければ、適切な圧力および温度で段階2から極低温流体を排出させることができる。注目すべきは、段階608は、プロセッサが、段階2の冷却動作(例えば、ジュールトムソン冷却動作)に第一の温度から第二の温度にボイルオフ極低温流体を冷却させ、ボイルオフ極低温流体を液化させ、液体極低温流体を貯蔵タンクに戻させるように、段階514と同様の様式で実行することができる。貯蔵タンクからの抽出と同様に、プロセッサは、一つまたは複数の流体制御装置(例えば、一つまたは複数の弁および一つまたは複数のポンプを操作する)に、段階2の排出と貯蔵タンクの流入との間で液体極低温流体を輸送させることができる。 At 608, the processor may determine the amount of cooling provided by the stage two cooling operation. Specifically, the processor may cause the stage 2 cooling operation to cool the cryogenic fluid from a first temperature to a second temperature and optionally liquefy the cryogenic fluid. Additionally, the processor directs the one or more fluid control devices associated with stage 2 to return the cryogenic fluid to the tank or otherwise drain the cryogenic fluid from stage 2 at an appropriate pressure and temperature. can be done. Of note, step 608 includes the processor causing a step 2 cooling operation (e.g., a Joule-Thomson cooling operation) to cool the boil-off cryogenic fluid from the first temperature to a second temperature and liquefying the boil-off cryogenic fluid. Step 514 may be performed in a manner similar to step 514 to cause the liquid cryogenic fluid to return to the storage tank. Similar to the extraction from the storage tank, the processor instructs one or more fluid control devices (e.g., operating one or more valves and one or more pumps) to perform the stage 2 evacuation and storage tank extraction. A liquid cryogenic fluid can be transported to and from the inlet.

したがって、図6の方法によって、図1~4に記載されるような極低温流体ボイルオフ軽減システムによって貯蔵される極低温流体に対するボイルオフ損失の軽減が可能となる。具体的には、水素および他の極低温流体は、貯蔵タンクに貯蔵するため水素源からの流入水素を液化するために利用される液化システムの動作範囲内にある反転温度と関連付けられ得る。さらに、反転温度は、ジュールトムソン冷却技術が水素を冷却しないが、代わりに水素を加熱させる動作範囲を表すことができる。適切に管理されない場合、水素が圧力降下によって加熱される間に貯蔵タンクから水素を抽出すると、貯蔵水素をボイルオフ水素の抽出により加熱する潜在的に危険なサイクルを引き起こす可能性がある。したがって、極低温流体ボイルオフ軽減システムに関連付けられたプロセッサは、貯蔵された水素または極低温流体が反転温度を超えるのを防止し、貯蔵された水素の安全な貯蔵および維持を確保するために、ボイルオフ水素を冷却するように構成され得る。 Accordingly, the method of FIG. 6 enables boil-off loss mitigation for cryogenic fluids stored by cryogenic fluid boil-off mitigation systems such as those described in FIGS. 1-4. Specifically, hydrogen and other cryogenic fluids may be associated with an inversion temperature that is within the operating range of a liquefaction system utilized to liquefy incoming hydrogen from a hydrogen source for storage in a storage tank. Additionally, the inversion temperature can represent an operating range in which the Joule-Thomson cooling technique does not cool the hydrogen, but instead causes it to heat up. If not properly managed, extracting hydrogen from a storage tank while the hydrogen is being heated by the pressure drop can lead to a potentially dangerous cycle of heating the stored hydrogen by extracting boil-off hydrogen. Therefore, the processor associated with the cryogenic fluid boil-off mitigation system prevents the stored hydrogen or cryogenic fluid from exceeding the inversion temperature and ensures safe storage and maintenance of the stored hydrogen. It may be configured to cool the hydrogen.

データセンタなどの大規模な施設では、水素を燃料として消費して施設に電力を供給する水素駆動のエンジン(または燃料電池)によって、バックアップ電力を提供することができる。水素駆動エンジン(または燃料電池)は、バックアップ電力として一般的に利用されるディーゼル発電セットと比較して、より低い炭素排出量、より清潔な緊急電力、および代替燃料源を提供することができる。液体水素は非常に極低温で貯蔵しなければならないため、水素の貯蔵には、貯蔵タンクの正確な制御スキームおよび保守(例えば、貯蔵温度および貯蔵圧力)を伴う場合がある。本開示のシステムおよび方法は、液化システムおよび、そうでなければ大気に排出されるボイルオフ水素を回収するために利用できるボイルオフループを提供する。例えば、本明細書に記載のシステムは、貯蔵された液体水素の比較的低電力のメンテナンスおよびそうでなければ失われるであろうボイルオフ水素の比較的低電力の再利用を可能にする、ジュールトムソン冷却段階を含む。低電力冷却段階(例えば、ジュールトムソン冷却段階)は、他のより電力集約的な冷却システムと連続的に維持することができるが、必要に応じて、ボイルオフ水素を冷却することを可能にする代替的な流入も提供する。 For large facilities such as data centers, backup power can be provided by hydrogen-powered engines (or fuel cells) that consume hydrogen as fuel to power the facility. Hydrogen-powered engines (or fuel cells) can provide lower carbon emissions, cleaner emergency power, and alternative fuel sources compared to diesel generator sets commonly utilized for backup power. Because liquid hydrogen must be stored at very cryogenic temperatures, storage of hydrogen may involve precise control schemes and maintenance of storage tanks (e.g., storage temperature and pressure). The systems and methods of the present disclosure provide a liquefaction system and boil-off loop that can be utilized to recover boil-off hydrogen that would otherwise be exhausted to the atmosphere. For example, the system described herein enables relatively low-power maintenance of stored liquid hydrogen and relatively low-power reuse of boil-off hydrogen that would otherwise be lost. Includes a cooling stage. Low-power cooling stages (e.g. Joule-Thomson cooling stages) can be maintained in series with other more power-intensive cooling systems, but there are alternatives that allow boil-off hydrogen to be cooled if desired. It also provides an influx of information.

本明細書に記載される技術の結果として、本開示の様々なシステムは、貯蔵タンクの自然昇温による水素損失を軽減または防止することができる。貯蔵タンクの自然昇温は、貯蔵された液体水素を、貯蔵タンクの内部圧力および温度を上昇させるガス状水素に蒸発させる。ガス状水素を排出する(定期的に水素を購入または生成する必要性が生じる)代わりに、ボイルオフ水素を収集し、液化装置の一部分によって処理することができる。水素を比較的低いエネルギー冷却システム(例えば、ジュールトムソン冷却システム)に通すことによって、水素を液化して貯蔵タンクに再導入することができる。したがって、記載したシステムは、外部源から取得された水素の量、内部源によって生成された水素の量、またはその他の方法でバックアップ電力システムに導入された水素の量を軽減することができる。さらに、記載されるシステムは、貯蔵タンクの内部温度および圧力を安全パラメータ内に維持するように構成され得る。結果として、開示されたシステムは、既知のシステムに関連する比較的高い構成要素コスト、複雑さ、汚染、および頻繁なメンテナンス停止を被ることなく、バックアップ電源を維持することができる。 As a result of the techniques described herein, various systems of the present disclosure can reduce or prevent hydrogen loss due to natural heating of storage tanks. Natural heating of the storage tank causes the stored liquid hydrogen to evaporate into gaseous hydrogen which increases the internal pressure and temperature of the storage tank. Instead of discharging gaseous hydrogen (resulting in the need to purchase or generate hydrogen on a regular basis), boil-off hydrogen can be collected and processed by a portion of the liquefier. By passing the hydrogen through a relatively low energy cooling system (eg, a Joule-Thomson cooling system), the hydrogen can be liquefied and reintroduced into the storage tank. Accordingly, the described system can reduce the amount of hydrogen obtained from external sources, produced by internal sources, or otherwise introduced to the backup power system. Additionally, the described system may be configured to maintain the internal temperature and pressure of the storage tank within safety parameters. As a result, the disclosed system can maintain a backup power source without incurring the relatively high component cost, complexity, contamination, and frequent maintenance outages associated with known systems.

本開示の態様は、上記の実施形態を参照しながら特に示され、かつ記述されてきたが、開示された内容の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な追加の実施形態が、開示された機械、システムおよび方法の修正によって企図されうることが当業者には理解されるであろう。かかる実施形態は、特許請求の範囲およびその任意の均等物に基づき決定される本開示の範囲内に収まることが理解されるべきである。 Although aspects of the present disclosure have been particularly shown and described with reference to the embodiments described above, various additional embodiments may be disclosed without departing from the spirit and scope of the disclosed subject matter. Those skilled in the art will appreciate that modifications to the machines, systems and methods may be contemplated. It is to be understood that such embodiments fall within the scope of this disclosure as determined by the claims and any equivalents thereof.

Claims (20)

システムであって、
極低温水素を二相混合で貯蔵するように構成された貯蔵タンクと、
外部源から水素を受け取るように構成された液化システムであって、前記液化システムが、ジュールトムソン冷却段階および前記ジュールトムソン冷却段階に流体接続された非ジュールトムソン冷却段階を含み、前記液化システムが、
前記非ジュールトムソン冷却段階で前記水素を受け取り、
前記非ジュールトムソン冷却段階で、温度閾値を下回る第一の温度に前記水素を冷却し、
前記第一の温度で、前記非ジュールトムソン冷却段階から前記ジュールトムソン冷却段階に前記水素を移送し、
前記ジュールトムソン冷却段階で、前記水素を前記第一の温度よりも低い第二の温度に冷却し、
前記第二の温度で前記水素を前記ジュールトムソン冷却段階から前記貯蔵タンクに移送するようにさらに構成される、液化システムと、
前記液化システムの前記ジュールトムソン冷却段階であって、前記ジュールトムソン冷却段階が、
前記ボイルオフ水素を第三の温度に冷却し、
前記冷却されたボイルオフ水素を、前記第三の温度で、前記貯蔵タンクに移送するように構成される、前記ジュールトムソン冷却段階に前記貯蔵タンクからボイルオフ水素を移送するように構成されたボイルオフループと、を備える、システム。
A system,
a storage tank configured to store cryogenic hydrogen in a two-phase mixture;
A liquefaction system configured to receive hydrogen from an external source, the liquefaction system comprising a Joule-Thomson cooling stage and a non-Joule-Thomson cooling stage fluidly connected to the Joule-Thomson cooling stage, the liquefaction system comprising:
receiving the hydrogen in the non-Joule-Thomson cooling stage;
in the non-Joule-Thomson cooling step, cooling the hydrogen to a first temperature below a temperature threshold;
transferring the hydrogen from the non-Joule-Thomson cooling stage to the Joule-Thomson cooling stage at the first temperature;
in the Joule-Thomson cooling step, cooling the hydrogen to a second temperature lower than the first temperature;
a liquefaction system further configured to transfer the hydrogen from the Joule-Thomson cooling stage to the storage tank at the second temperature;
the Joule-Thomson cooling stage of the liquefaction system, the Joule-Thomson cooling stage comprising:
cooling the boil-off hydrogen to a third temperature;
a boil-off loop configured to transfer boil-off hydrogen from the storage tank to the Joule-Thomson cooling stage, the boil-off loop configured to transfer the cooled boil-off hydrogen to the storage tank at the third temperature; A system comprising .
前記ボイルオフループが、前記ボイルオフ水素の圧力を、前記ジュールトムソン冷却段階に関連付けられた圧力閾値を超える第一の圧力に上昇させるように構成される、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the boil-off loop is configured to increase the pressure of the boil-off hydrogen to a first pressure above a pressure threshold associated with the Joule-Thomson cooling stage. 一つまたは複数の流体制御装置に動作可能に接続されたコントローラをさらに備え、前記コントローラが、
前記貯蔵タンクと関連付けられた温度センサおよび前記貯蔵タンクと関連付けられた圧力センサのうちの少なくとも一方から、前記貯蔵タンク内に配置された水素の温度および前記貯蔵タンク内に配置された水素の圧力のうちの少なくとも一方を受信し、
温度閾値を超える前記貯蔵タンク内に配置された前記水素の前記温度、および
圧力閾値を超える前記貯蔵タンク内に配置された前記水素の前記圧力のうちの少なくとも一方を決定し、
少なくとも前記決定に基づいて、前記一つまたは複数の流体制御装置に、前記ボイルオフ水素を前記ボイルオフループに移送させるように構成される、請求項1に記載のシステム。
further comprising a controller operably connected to the one or more fluid control devices, the controller comprising:
The temperature of the hydrogen located within the storage tank and the pressure of the hydrogen located within the storage tank are determined from at least one of a temperature sensor associated with the storage tank and a pressure sensor associated with the storage tank. receive at least one of the
determining at least one of: the temperature of the hydrogen located within the storage tank that exceeds a temperature threshold; and the pressure of the hydrogen located within the storage tank that exceeds a pressure threshold;
2. The system of claim 1, wherein the one or more fluid control devices are configured to transfer the boil-off hydrogen to the boil-off loop based on at least the determination.
前記液化システムが第三の段階をさらに備え、前記コントローラが、前記一つまたは複数の流体制御装置に、前記ボイルオフ水素を前記非ジュールトムソン冷却段階、前記ジュールトムソン冷却段階、または前記第三の段階のうちの一つまたは複数に移送させるように構成される、請求項3に記載のシステム。 The liquefaction system further comprises a third stage, wherein the controller directs the boil-off hydrogen to the one or more fluid control devices into the non-Joule-Thompson cooling stage, the Joule-Thompson cooling stage, or the third stage. 4. The system of claim 3, wherein the system is configured to transport one or more of the following: 前記ボイルオフループに流体接続された流れ制御装置に、前記ボイルオフ水素を前記非ジュールトムソン冷却段階に向けさせ、
前記非ジュールトムソン冷却段階に、前記非ジュールトムソン冷却段階から前記ジュールトムソン冷却段階に延在する流体通路を介して、前記ボイルオフ水素を前記ジュールトムソン冷却段階に向けさせるように構成されるコントローラをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
a flow control device fluidly connected to the boil-off loop to direct the boil-off hydrogen to the non-Joule-Thomson cooling stage;
further comprising a controller configured to direct the boil-off hydrogen to the Joule-Thomson cooling stage via a fluid passage extending from the non-Joule-Thomson cooling stage to the Joule-Thomson cooling stage. The system of claim 1, comprising:
前記ジュールトムソン冷却段階が、前記ボイルオフ水素から気化の潜熱を除去し、液化水素を前記貯蔵タンクに戻すように構成される、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the Joule-Thomson cooling stage is configured to remove latent heat of vaporization from the boil-off hydrogen and return liquefied hydrogen to the storage tank. システムであって、
流体を極低温状態で、極低温閾値未満かつ極低温圧力閾値未満に貯蔵するように構成された貯蔵タンクと、
第一の段階と、前記第一の段階に流体接続された第二の段階とを有する液化システムであって、前記液化システムが、
前記第一の段階で前記流体を受け取り、
前記流体の温度を、前記極低温閾値を下回る貯蔵温度まで低減させ、
前記流体を、前記貯蔵温度で、第一の流体通路を介して、前記第二の段階から前記貯蔵タンクに移送させるように構成される、液化システムと、
前記貯蔵タンクを前記第二の段階と流体接続する第二の流体通路と、
前記液化システムおよび一つまたは複数の流体制御装置に動作可能に接続されたコントローラであって、前記コントローラが、
前記一つまたは複数の流体制御装置に、前記貯蔵タンクから前記液化システムの前記第二の段階に、ボイルオフ流体を移送させ、
前記液化システムの前記第二の段階に、前記ボイルオフ流体を液化させ、
前記一つまたは複数の流れ制御装置に、前記液化ボイルオフ流体を前記液化システムの前記第二の段階から前記貯蔵タンクに移送させるように構成される、コントローラと、を備える、システム。
A system,
a storage tank configured to store a fluid at cryogenic conditions, below a cryogenic threshold and below a cryogenic pressure threshold;
A liquefaction system having a first stage and a second stage fluidly connected to the first stage, the liquefaction system comprising:
receiving the fluid in the first stage;
reducing the temperature of the fluid to a storage temperature below the cryogenic threshold;
a liquefaction system configured to transfer the fluid from the second stage to the storage tank via a first fluid passageway at the storage temperature;
a second fluid passage fluidly connecting the storage tank with the second stage;
a controller operably connected to the liquefaction system and one or more fluid control devices, the controller comprising:
causing the one or more fluid control devices to transfer boil-off fluid from the storage tank to the second stage of the liquefaction system;
liquefying the boil-off fluid in the second stage of the liquefaction system;
a controller configured to cause the one or more flow control devices to transfer the liquefied boil-off fluid from the second stage of the liquefaction system to the storage tank.
前記第一の段階が非ジュールトムソン冷却段階を備え、前記第二の段階がジュールトムソン冷却段階を備える、請求項7に記載のシステム。 8. The system of claim 7, wherein the first stage comprises a non-Joule-Thomson cooling stage and the second stage comprises a Joule-Thomson cooling stage. 前記流体が水素を含み、前記極低温閾値が、水素の反転温度を含み、ジュールトムソン冷却技術に関連付けられる、請求項7に記載のシステム。 8. The system of claim 7, wherein the fluid includes hydrogen and the cryogenic threshold includes an inversion temperature of hydrogen and is associated with Joule-Thomson cooling technology. 前記一つまたは複数の流体制御装置が、前記コントローラに動作可能に接続され、前記貯蔵タンクから前記液化システムの前記第二の段階への前記ボイルオフ流体の移送を制御するように構成される弁を備える、請求項7に記載のシステム。 The one or more fluid control devices include a valve operably connected to the controller and configured to control transfer of the boil-off fluid from the storage tank to the second stage of the liquefaction system. 8. The system of claim 7, comprising: 前記一つまたは複数の流体制御装置が、前記コントローラに動作可能に接続され、かつ
前記ボイルオフ流体を前記貯蔵タンクから前記液化システムの前記第二の段階に移送する、および
前記液化ボイルオフ流体を、前記液化システムの前記第二の段階から前記貯蔵タンクに移送する、のうちの少なくとも一方を行うように構成されたポンプをさらに備える、請求項10に記載のシステム。
the one or more fluid control devices operably connected to the controller, and transporting the boil-off fluid from the storage tank to the second stage of the liquefaction system; and transporting the liquefied boil-off fluid to the second stage of the liquefaction system. 11. The system of claim 10, further comprising a pump configured to at least one of: transfer from the second stage of the liquefaction system to the storage tank.
前記ポンプが、第一の圧力から前記液化システムの前記第二の段階と関連付けられ、かつ前記第一の圧力よりも大きい、第二の圧力まで前記ボイルオフ流体の圧力を上昇させるようにさらに構成される、請求項11に記載のシステム。 the pump is further configured to increase the pressure of the boil-off fluid from a first pressure to a second pressure associated with the second stage of the liquefaction system and greater than the first pressure; 12. The system of claim 11. 前記液化システムが、前記第二の段階に流体接続される第三の段階をさらに備え、前記第三の段階が、非ジュールトムソン冷却技術を利用して、前記ボイルオフ流体を前記液化システムの前記第二の段階に関連付けられた流入温度まで冷却するように構成される、請求項7に記載のシステム。 The liquefaction system further comprises a third stage fluidly connected to the second stage, the third stage utilizing non-Joule-Thomson cooling techniques to direct the boil-off fluid to the second stage of the liquefaction system. 8. The system of claim 7, configured to cool to an inlet temperature associated with the second stage. 前記第三の段階が、前記流体が前記第一の段階および前記第二の段階によって冷却され、前記ボイルオフ流体が前記第三の段階および前記第二の段階によって冷却されるように、前記第一の段階と並列に実装される、請求項13に記載のシステム。 the third stage is such that the fluid is cooled by the first stage and the second stage and the boil-off fluid is cooled by the third stage and the second stage; 14. The system of claim 13, implemented in parallel with the steps of. 方法であって、
貯蔵タンクに関連付けられた第一のセンサを用いて、前記貯蔵タンク内に貯蔵された水素の温度を決定することと、
前記貯蔵タンクに関連付けられた第二のセンサを用いて、前記水素の圧力を決定することと、
前記第一のセンサおよび前記第二のセンサに動作可能に接続されたコントローラを用いて、
温度閾値を超える前記水素の前記温度、および
圧力閾値を超える前記水素の前記圧力のうちの少なくとも一方を決定することと、
前記コントローラを用いて、前記温度閾値を超える前記水素の前記温度、および前記圧力閾値を超える前記水素の前記圧力の少なくとも一方を決定することに、少なくとも部分的に基づいて、前記コントローラに動作可能に接続された第一の流れ制御装置に、前記貯蔵タンクから前記貯蔵タンクに流体接続された液化システムであって、前記液化システムが、
非ジュールトムソン冷却技術を実行するように構成された第一の段階と、
前記第一の段階に流体接続された第二の段階であって、前記第二の段階が、ジュールトムソン冷却技術を実行するように構成される、第二の段階と、を含む液化システムにボイルオフ水素を向けるようにさせることと、
前記コントローラを用いて、前記コントローラに動作可能に接続された第二の流れ制御装置に、前記液化システムの前記第二の段階から前記貯蔵タンクに液体水素を移送させることと、を含む、方法。
A method,
determining a temperature of hydrogen stored in the storage tank using a first sensor associated with the storage tank;
determining the pressure of the hydrogen using a second sensor associated with the storage tank;
with a controller operably connected to the first sensor and the second sensor;
determining at least one of: the temperature of the hydrogen above a temperature threshold; and the pressure of the hydrogen above a pressure threshold;
the controller is operable to operate the controller based, at least in part, on determining, with the controller, at least one of the temperature of the hydrogen that exceeds the temperature threshold; and the pressure of the hydrogen that exceeds the pressure threshold; a liquefaction system fluidly connected from the storage tank to the storage tank to a first flow control device connected to the liquefaction system, the liquefaction system comprising:
a first stage configured to implement a non-Joule-Thomson cooling technique;
a second stage fluidly connected to the first stage, the second stage configured to perform a Joule-Thomson refrigeration technique; directing the hydrogen;
using the controller to cause a second flow control device operably connected to the controller to transfer liquid hydrogen from the second stage of the liquefaction system to the storage tank.
前記コントローラを用いて、前記水素の前記温度が係数温度閾値よりも大きいと判定することと、
前記コントローラを用いて、前記水素の前記温度が前記係数温度閾値よりも大きいと判定することに少なくとも基づいて、前記第一の流体制御装置に前記ボイルオフ水素を前記液化システムの前記第一の段階に移送させることと、をさらに含む、請求項15に記載の方法。
using the controller to determine that the temperature of the hydrogen is greater than a coefficient temperature threshold;
using the controller to cause the first fluid control device to direct the boil-off hydrogen to the first stage of the liquefaction system based at least on determining that the temperature of the hydrogen is greater than the coefficient temperature threshold; 16. The method of claim 15, further comprising: transporting.
前記コントローラを用いて、前記水素の前記温度が係数温度閾値よりも小さいと判定することと、
前記コントローラを用いて、前記水素の前記温度が前記係数温度閾値よりも小さいと判定することに少なくとも基づいて、前記第一の流体制御装置に、前記ボイルオフ水素を前記液化システムの前記第二の段階に移送させることと、をさらに含む、請求項15に記載の方法。
using the controller to determine that the temperature of the hydrogen is less than a coefficient temperature threshold;
using the controller to direct the boil-off hydrogen to the second stage of the liquefaction system, at least based on determining that the temperature of the hydrogen is less than the coefficient temperature threshold; 16. The method of claim 15, further comprising: transporting to.
前記液化システムが、ジュールトムソン冷却技術を実行するように構成された第三の段階を備え、前記第一の段階を前記第二の段階と流体接続し、前記方法が、前記水素の前記温度および前記水素の前記圧力に少なくとも基づいて、前記ボイルオフ水素の少なくとも一部分を前記第三の段階に向けることをさらに含む、請求項15に記載の方法。 the liquefaction system comprises a third stage configured to perform a Joule-Thomson refrigeration technique, fluidly connecting the first stage with the second stage, the method comprising: 16. The method of claim 15, further comprising directing at least a portion of the boil-off hydrogen to the third stage based at least on the pressure of the hydrogen. 前記液化システムが、ジュールトムソン冷却技術を実行するように構成された第三の段階を備え、前記第一の段階を前記貯蔵タンクと流体接続し、前記方法が、前記水素の前記温度および前記水素の前記圧力に少なくとも基づいて、前記ボイルオフ水素の少なくとも一部分を前記第二の段階および前記第三の段階に向けることをさらに含む、請求項15に記載の方法。 the liquefaction system comprising a third stage configured to perform a Joule-Thomson cooling technique and fluidly connecting the first stage with the storage tank; 16. The method of claim 15, further comprising directing at least a portion of the boil-off hydrogen to the second stage and the third stage based at least on the pressure of . 前記コントローラを用いて、前記水素を前記液化システムの前記第一の段階または前記第二の段階に向けるように、遠隔源から命令を受信することと、
前記コントローラを用いて、前記命令に少なくとも部分的に基づいて、前記第一の流体制御装置に、前記貯蔵タンクから前記液化システムの前記第一の段階または前記第二の段階に前記ボイルオフ水素を移送させることと、をさらに含む、請求項15に記載の方法。
receiving instructions from a remote source to direct the hydrogen to the first stage or the second stage of the liquefaction system using the controller;
using the controller to transfer the boil-off hydrogen from the storage tank to the first stage or the second stage of the liquefaction system, based at least in part on the instructions, to the first fluid control device; 16. The method of claim 15, further comprising causing.
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