JP2024505815A - 水素及び／又はヘリウムなどの流体を液化するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】冷却される流体回路（３）を含む、流体を液化するためのデバイスが開示され、デバイス（１）は、冷却される流体回路（３）と熱交換する熱交換器アセンブリ（６、７、８、９、１０、１１、１２、１３）と、熱交換器アセンブリ（６、７、８、９、１０、１１、１２、１３）の少なくとも一部と熱交換する少なくとも１つの第１の冷却システム（２０）とを含み、第１の冷却システム（２０）は、主にヘリウムを含むサイクルガスを冷蔵するためのサイクルを有する冷蔵装置であり、前記冷蔵装置（２０）は、サイクル回路（１４）に直列に、サイクルガスを圧縮するための機構（１５）と、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材（１６、５、６、８、１０、１２）と、サイクルガスを膨張させるための機構（１７）と、膨張したサイクルガスを再加熱するための少なくとも１つの部材（１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５）とを含み、圧縮機構は、遠心型圧縮機アセンブリ（１５）から構成された直列の少なくとも４つの圧縮段（１５）を含み、圧縮段（１５）は、モータアセンブリ（１８）により回転駆動されるシャフト（１９、１９０）上に装着され、膨張機構は、求心型タービン（１７）のセットから構成された直列の少なくとも３つの膨張段を含み、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材（１６、５、６、８、１０、１２）は、タービン（１７）の少なくとも１つの出口でサイクルガスを冷却するように構成され、タービン（１７）の少なくとも１つは、膨張中に生成された機械作業を圧縮段（１５）に送り込むように、少なくとも１つの圧縮段（１５）と同じシャフト（１９）に連結される。【選択図】図１

Description

本発明は、水素及び／又はヘリウムなどの流体を液化するためのデバイス及び方法に関する。

本発明は、より詳細には、水素及び／又はヘリウムなどの流体を液化するためのデバイスに関し、ガス流体の源に接続することを意図した上流端部、及び液化流体を収集するための部材に接続することを意図した下流端部を有する、冷却される流体のための回路を含み、デバイスは、冷却される流体のための回路と熱交換関係にある熱交換器のアセンブリを含み、デバイスは、熱交換器のアセンブリの少なくとも一部と熱交換関係にある少なくとも１つの第１の冷却システムを含み、第１の冷却システムは、主にヘリウムを含むサイクルガスに冷蔵サイクルを行う冷蔵装置であり、前記冷蔵装置は、サイクル回路に直列に配列された以下のもの、すなわちサイクルガスを圧縮するための機構と、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材と、サイクルガスを膨張させるための機構と、膨張したサイクルガスを加熱するための少なくとも１つの部材とを含み、圧縮機構は、遠心型の圧縮機のアセンブリから構成された直列の少なくとも４つの圧縮段を含み、圧縮段は、モータのアセンブリにより回転駆動されるシャフト上に装着され、膨張機構は、求心型のタービンのアセンブリから構成された直列の少なくとも３つの膨張段を含む。

水素（Ｈ２）を液化するための先行技術の解決策は、非常に多くの投資及び高い維持費を代償とするが、獲得する（約６０％～６５％）等温効率は比較的低く、有する容積は比較的限定されたサイクル圧縮機を組み込む。

文献、欧州特許出願公開第３３６８６３０Ａ１号明細書は、水素を液化するための公知の方法を記載している。

本発明の目的は、上に概説された先行技術の欠点の全て又は一部を克服することである。

そのために、それ以外は上の前文に与えられたその一般定義に従う、本発明によるデバイスは、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材が、タービンの少なくとも１つの出口でサイクルガスを冷却するように構成され、タービンの少なくとも１つが、膨張中に生成された機械作業を圧縮段に供給するように、少なくとも１つの圧縮段と同じシャフトに連結されることを基本的に特徴とする。

結果として、容積型のサイクル圧縮機を介して大きい圧縮率に到達することを意図する先行技術の方法に比べて、本発明は、比較的低い圧縮率にも関わらず、際立って高い等温効率（例えば７０％より高く、典型的には７５～８０％に近い）を獲得することを可能にする遠心圧縮を使用する。

加えて先行技術に比べて、本発明は、膨張作業、特に８０Ｋ～２０Ｋのサイクルガスの積極的回復ができ、それによって設置の効率が増加する。

好ましくは、サイクルガスの圧縮は、一体遠心式であり、主にヘリウムを含む又は純ヘリウムから作成されたサイクル流体を使用する。これにより、この型の圧縮機を有利に使用し、圧縮ステーションに直接接続されたタービンの膨張作業を機械的に統合できる。

その上、本発明の実施形態は、以下の特徴の１つ又は複数を有してもよい、すなわち
－ 圧縮機構は、遠心型の圧縮機のみを含む、
－ サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材は、タービンの少なくとも一部の出口に配列された熱交換器のアセンブリを含む、
－ デバイスは、サイクルガスの循環の方向に沿って直列の最後のタービンを除いて、タービンの少なくとも一部の出口に配列された、熱交換器などのサイクルガスを冷却するためのシステムを含む、
－ サイクルガスの循環の方向に沿って、直列の少なくとも２つのタービンは、それらの直列の配列を逆順に考えた圧縮段にそれぞれが連結され、つまり例えば少なくとも１つのタービンは、サイクル回路内で圧縮段に先行する別のタービンに連結された圧縮段の上流に置かれた圧縮段に連結される、
－ 圧縮段に連結された少なくとも１つのタービンの作業圧力は、前記少なくとも１つのタービンが連結された圧縮段を含む圧縮機の作業圧力に調節され、つまりタービンに入るサイクルガスの圧力は、前記少なくとも１つのタービンが連結された圧縮機の入口圧力と４０％以下、好ましくは３０％又は２０％以下だけ差がある、
－ タービン及び圧縮段の全く同一のシャフトへの機械的結合は、連結されるタービン及び圧縮段の回転速度を確実に同一にするように構成される、
－ デバイスは、デバイスがタービンを含むよりも多くの圧縮段を含み、各タービンは、それぞれのモータによって駆動される単一のそれぞれの圧縮段と同じシャフトに連結され、タービンに連結されていない他の圧縮段は、別個のそれぞれのモータによって駆動される回転シャフトのみに装着される、
－ タービンに連結された圧縮段及びタービンに連結されていない圧縮段は、サイクル回路に直列に交互にある、
－ デバイスは、１６個の圧縮段及び８個のタービン、又は１２個の圧縮段及び６個のタービン、又は８個の圧縮段及び４個のタービン、又は６個の圧縮段及び３個のタービン、又は４個の圧縮段及び３個のタービンを含む、
－ サイクル回路は、圧縮機構の入口における低い圧力と圧縮機構の出口におけるより高い圧力との間の中間圧力レベルで、サイクルガスの流れの一部を圧縮機構に戻すために、タービンの１つの出口に接続された第１の端部、及び第１の圧縮段以外の圧縮段の１つの入口に接続された第２の端部を有する戻り管を含み、
－ 戻り管は、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材及び／又は膨張したサイクルガスを加熱するための部材と熱交換関係にある、
－ サイクル回路は、タービンの上流に接続された第１の端部、及び下流に置かれた別のタービンの入口に接続された第２の端部を有する、サイクルガスの流れのための部分バイパス管を含み、前記バイパス管は、サイクルガスの流れの一部を最低温度の下流のタービンの入口に直接移送するように構成される、
－ 熱交換器のアセンブリは、直列に配列され、その中でサイクル回路の２つの別個の部分が、サイクルガスの冷却及び加熱のそれぞれのために逆流操作で同時に循環を行う、複数の熱交換器を含み、前記複数の熱交換器は、サイクルガスを冷却するための部材及びサイクルガスを加熱するための部材を形成する、
－ デバイスは、熱交換器のアセンブリの少なくとも一部と熱交換関係にある第２の冷却システムを含み、前記第２の冷却システムは、液体窒素又は冷媒の混合物などの伝熱流体のための回路を含む、
－ サイクルガスは、ヘリウム又は少なくとも５０％のヘリウムを含む混合物から作成される、
－ サイクル回路は、少なくとも１つのタービンの入口に、流体の流量を決定された作動点に調節するように構成された入口案内翼（「ＩＧＶ」（ｉｎｌｅｔ ｇｕｉｄｅ ｖａｎｅ））を含む、
－ タービンの作業圧力は、前記タービンが連結される圧縮機の作業圧力にそれぞれが設定されるので、タービンに入るサイクルガスの圧力は、前記タービンが連結される直列の２つの圧縮機の出口圧力と３０％以下、好ましくは２０％以下だけ差がある。

本発明は、上記又は下記の特徴の任意の１つによるデバイスを使用して、極低温で水素、特に液化水素を生成するための方法にも関し、サイクルガスを圧縮するための機構の入口におけるサイクルガスの圧力は、２～４０ｂａｒ ａｂｓ間にあり、特に８～３５ｂａｒ ａｂｓ間にある。

本発明は、特許請求の範囲内の上記又は下記の特徴のあらゆる組合せを含む、あらゆる代替デバイス又は方法にも関することがある。

更に具体的な特徴及び利点は、図を参照して与えられた以下の記載を読むと明らかになろう。

図１は、本発明の第１の可能な例示的実施形態の構造及び作動を示す、概略部分図を示す。 図２は、本発明の第２の可能な例示的実施形態の構造及び作動を示す、概略部分図を示す。 図３は、本発明の第３の可能な例示的実施形態の構造及び作動を示す、概略部分図を示す。 図４は、本発明の第４の可能な例示的実施形態の構造及び作動を示す、概略部分図を示す。 図５は、本発明の第５の可能な例示的実施形態の構造及び作動を示す、概略部分図を示す。 図６は、デバイスのモータ駆動のターボ圧縮機の構造及び作動の可能な例を示す、本発明の第４の可能な例示的実施形態の詳細を示す、概略部分図を示す。

図１に示された流体を液化するためのデバイス１は、水素の液化を意図するが、他のガス、特にヘリウム又はあらゆる混合物にも適用することができる。

デバイス１は、ガス状流体の源２に接続することを意図する上流端部、及び液化流体を収集するために部材４に接続することを意図する下流端部２３を有する、冷却される流体（特に水素）のための回路３を含む。源２は、典型的には電解槽、水素分配網、水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）（ｓｔｅａｍ ｍｅｔｈａｎｅ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）ユニット、又はあらゆる他の適切な源を含んでもよい。

デバイス１は、冷却される流体のための回路３と熱交換関係にある、直列に配列された熱交換器６、７、８、９、１０、１１、１２、１３のアセンブリを含む。

デバイス１は、熱交換器５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３のアセンブリの少なくとも一部と熱交換関係にある、少なくとも１つの冷却システム２０を含む。

この第１の冷却システム２０は、主にヘリウムを含むサイクルガス上で冷蔵サイクルを行う冷蔵装置である。この冷蔵装置２０は、サイクル回路１４（好ましくは閉ループ）に直列に配列された以下のもの、すなわちサイクルガスを圧縮するための機構１５と、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材１６、５、６、８、１０、１２と、サイクルガスを膨張させるための機構１７と、膨張したサイクルガスを加熱するための少なくとも１つの部材１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５とを含む。

結果として、液化される流体（例えば水素）は、サイクルガスの流体（例えばヘリウム及び恐らく１つ又は複数の他の成分）から分離される流体である。

好ましくは、これらの２つの回路は、したがって分離している。

示されたように、液化される水素を冷却する熱交換器のアセンブリは、直列に配列され、その中でサイクル回路１４の２つの別個の部分は、（それぞれサイクルガスの別個の流れを冷却及び加熱するための）逆流作動で同時に循環を行う、１つ又は複数の逆流熱交換器５、６、８、１０、１２を含む。

つまり、この複数の逆流の熱交換器は、（例えば圧縮後で膨張段の後に）サイクルガスを冷却するための部材、及び（膨張後で圧縮機構に戻る前に）サイクルガスを加熱するための部材の両方を形成する。

圧縮機構は、直列に（且つ恐らく並列に）配列された遠心型の圧縮機のアセンブリから構成された少なくとも４つの圧縮段１５を含む。

圧縮段１５は、電動式遠心型圧縮機のホイールから構成されてもよい。

圧縮段１５（つまり圧縮機ホイール）は、モータ１８（少なくとも１つのモータ）のアセンブリによって回転駆動される、シャフト１９、１９０上に装着される。好ましくは、全ての圧縮機１５は遠心型からなる。

その一部について、膨張機構は、少なくとも一部が直列に配列された求心型のタービン１７から形成された、少なくとも３つの膨張段を含む。例えば圧縮段の数（例えば圧縮ホイールの数）は、膨張段の数（例えば膨張ホイールの数）より大きい。好ましくは、全てのタービン１７は求心型からなり、主に直列に配列される。

サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材１６、５、６、８、１０、１２は、特にタービン１７の少なくとも１つの出口でサイクルガスを冷却するように構成される。つまり、タービン１７における膨張後に、サイクルガスは、典型的には２Ｋ～３０Ｋである値によって冷却することができる。

加えて、少なくとも１つのタービン１７は、膨張中に生成された機械作業を圧縮機に供給するように、圧縮機の圧縮段１５と同じシャフト１９に連結される。

具体的な技術特徴（遠心型圧縮、求心型膨張、タービンから圧縮機への作業の移送、その他）のこの組合せは、ヘリウムを含むサイクルガスで可能である。特にこれにより、液化される流体（例えば水素）の送達温度から伝熱流体（ヘリウム系サイクルガス）による方法の相関を断つ（独立させる）ことが可能になる。これにより、具体的にはサイクル回路１４で、サイクルガスの低圧レベルの値を公知のデバイス内より高い圧力に増加することが可能になる。これは、サイクルガスの全体が比較的低い圧縮率であるにも関わらず可能である。この遠心圧縮技術は、概して段毎の圧縮率の制限のために、先行技術では水素の液化に推奨されないはずである。

結果として、デバイス１は、圧縮ステーションの一部に１つ又は複数のモータ駆動のターボ圧縮機を有してもよい。モータ駆動のターボ圧縮機は、モータのシャフトが圧縮段（ホイール）のアセンブリ及び膨張段（タービン）のアセンブリを直接駆動するモータを含むアセンブリである。これにより、サイクルガスの１つ又は複数の圧縮機で、直接、機械膨張作業を利用する。

例えば示されたように、デバイス１は、タービン１７より多い、例えば２倍又はほぼ２倍の圧縮段１５を含む。各タービン１７は、それぞれのモータ１８によって駆動される単一のそれぞれの圧縮機ホイール１５と同じシャフト１９に連結することができる。タービン１７に連結されていない１つ又は複数の他の圧縮機ホイール１５（段）は、別個のそれぞれのモータ１８（モータ駆動の圧縮機）によって駆動された回転シャフト１９０のみに装着することができる。

示されたように、タービン１７に連結された圧縮段１５及びタービン１７に連結されていない圧縮機は、サイクル回路１４内に直列に交互にあってもよい。

好ましくは、圧縮機構は、直列の７つ以上の圧縮段を含む。当然のことながら、これは決して限定ではないのは、例えば直列の３つの圧縮段で低い効果の構成が想定でき、これにより水素を液化できるはずであるからである。水素の液化を達成するための最低圧縮率（遠心技術による）は、好ましくは約１．３～１．６であるべきである。

直列の４つの圧縮段１５により、ヘリウムの比較的多い質量流量の代償として、特にピストン圧縮の公知の解決策に比べて非常に良好な等温効率を獲得することが可能になる。

図１に示された非限定的例では、４個の圧縮段１５及び３個のタービン１７のみが示されているが、デバイス１は、８個の圧縮段１５及び４個のタービン１７を含むことができる。あらゆる他の分布、例えば１６個の圧縮段１５及び８個のタービン１７、又は１２個の圧縮段及び６個のタービン、又は６個の圧縮段及び３個のタービン、又は４個の圧縮機及び３個のタービン、その他を想定することができる。

冷却は、圧縮段の全て若しくは一部の下流、又は圧縮機１５の全て若しくは一部の下流に（例えば伝熱流体若しくはあらゆる他の冷媒によって冷却された熱交換器１６を介して）提供することができる。この冷却は、各圧縮段の後、又は示されたように、２つの圧縮段１５（若しくはそれ以上）毎、又は圧縮ステーションの下流のみに提供することができる。驚いたことに、直列の圧縮段１５のそれぞれの出口ではなく、２つ（又は３つ）の圧縮段１５毎に冷却のこの分布により、冷却性能を獲得することができる一方で、依然としてデバイス１のコストを抑える。

同様に、サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材は、好ましくは直列のタービン１７の少なくとも一部の出口に配列された、熱交換器などのサイクルガスを冷却するためのシステム８、１０、１２を含む。

この中間の膨張間冷却により、サイクルガスの最低温度に到達するために必要な高圧の値を制限することが可能になる。

示されたように、デバイス１は、好ましくはサイクルガスの循環の方向に沿って直列の最後のタービン１７を除いて、タービン１７の全ての出口に、熱交換器などのサイクルガスを冷却するためのシステムを含む。示されたように、この冷却システムは、前述したそれぞれの逆流熱交換器８、１０、１２によって提供することができる。

膨張後のこの冷却により、冷却される流体で冷気を抽出するために、温度の段設定が可能になる（つまり、各膨張段の後に明らかにそれまでより低温に達することが可能になる）。この温度の段設定は、この配置により、及びこれらの様々なタービン１７を供給するために獲得した最小圧縮率を介して獲得される。

上流に直列の複数の遠心型圧縮段１５を配置することにより、下流の冷却を十分に段設定できる、この圧力差を獲得することが可能になる。特に同じ圧力差に対して、温度が下がるほど、膨張中にエンタルピにおける一定のエントロピ降下は減少する。直列のタービン１７及びタービンの出口における冷却８、１０の配置の効果は、公知の従来の段設定に比べてタービン１７の平均質量流量が増加することである。こうして理論的な等エントロピ効率は、増加する傾向があり、したがってタービン１７のより良好な効率を獲得することが可能になる。

具体的には、膨張段の間の冷却８、１０により、サイクル流体が、更に大きい全圧縮率を必要とすることなく、目標液化温度に達することができる。膨張は、好ましくは等エントロピ又は事実上の等エントロピである。つまり、サイクル流体は、徐々に冷却され、流体は液化する。

結果として、最低温度は、最後の事実上の等エントロピ膨張段の出口（つまり最後の膨張タービン１７の下流）で直接達成される。したがって、例えばジュールトムソン型の膨張弁を下流に追加で提供する必要はない。液化される水素の低温、特に過冷却温度は、専らタービン１７（作業の抽出）で獲得することができる。

好ましくはタービン１７のほとんど又は全ては、１つ又は複数のそれぞれの圧縮機１５に連結される。

例えばサイクルガスの循環の方向に沿って、連続したタービン１７は、好ましくは直列のそれらの配列の逆順に考えた圧縮機の圧縮段１５に連結される。つまり、例えばタービン１７は、圧縮機１５に先行するタービン１７に連結された圧縮機１５の上流に置かれた圧縮機１５に連結される。

連結されるタービン１７及び圧縮機が接続される順番は、したがって好ましくはタービンと圧縮機との間で少なくとも一部が逆転される（サイクル回路では、更に上流のタービンは、更に下流の圧縮機に連結される）。

こうして、例えば直列の６つの圧縮段１５及び直列の３つの膨張段の構造の場合、第１のタービン１７（つまり圧縮機構の後の第１のタービン１７）は、直列の第５の圧縮機１５（第５の圧縮段）に連結することができる一方で、第２のタービン１７は、直列の第３の圧縮機１５（第３の圧縮段）に連結することができ、第３のタービン１７は、直列の第１の圧縮機１５（第１の圧縮段）に接続することができる。その他の圧縮段を形成するその他の圧縮機１５は、タービン（モータ駆動の圧縮機システムであり、モータ駆動のターボ圧縮機ではない）に連結されないことが可能である。結果として、最も強力なタービン１７（最も下流のタービン）は、第１の圧縮段に連結することができる（第１の圧縮段は、サイクルの低圧で吸気する）。この比較的低圧レベルでは、圧縮機１５の圧縮率が大きいほど、そのレベルの圧力降下の衝撃は小さく感じられる（その他の圧縮機１５でも同様である）。

上のこの例は、当然のことながら決して限定ではない。例えばタービン１７は、それぞれが偶数の圧縮機１５（第１のタービンと第６の圧縮機、第２のタービンと第４の圧縮機、その他）又は圧縮機と直接直列（例えば第１のタービン１７と第６の圧縮機１５、第１０のタービンと第５の圧縮機、その他）に連結することができる。

好ましくは、タービン１７の作業圧力は、タービン１７が連結される圧縮機１５の作業圧力にそれぞれが設定される。つまり、タービン１７に入るサイクルガスの圧力は、タービン１７が結合される圧縮機１５の出口圧力と４０％以下、好ましくは３０％又は２０％以下だけ差がある。これにより、圧縮機ホイール１５とタービン１７を直接連結する、問題のモータ１８の出力シャフト１９上の軸荷重を低減することができる。

例えば連結された少なくとも１つのタービン１７及び対応する圧縮段は、タービン１７から出るサイクルガスの圧力が、圧縮段１５の入口におけるサイクルガスの圧力と４０％以下、好ましくは３０％又は２０％以下だけ差があるような構造的構成を有する。

同様に、連結された少なくとも１つのタービン１７及び対応する圧縮段は、好ましくはタービン１７に入るサイクルガスの圧力が、圧縮段の出口におけるサイクルガスの圧力と４０％以下、好ましくは３０％又は２０％以下だけ差があるような構造的構成もまた（又は、おそらくは代替的に）有する。

特定の技術的特徴（遠心圧縮、求心膨張、タービンから圧縮機への作業の移送、及び連結された圧縮機ホイールと膨張ホイールとの間の圧力の調節）のこの組合せにより、公知の解決策に比べてデバイスの効率が向上する。

タービン（例えばタービンホイール）及び圧縮段（例えば圧縮ホイール）のこの構造的構成とは、これらの２つの要素が、それぞれが上の特定と同じ又は類似の絶対値の圧縮及び膨張を行うように寸法化される（ホイール及び／若しくはそれらの螺旋及び／若しくは必要に応じてそれらの入口分配器の形状並びに／又は寸法）ことを意味する。つまり、設計により、これらの２つの連結された要素は、好ましくはサイクルガスの流れの条件と無関係に、（サイクル回路に別の能動要素又は受動要素を使用することなく）これらの圧縮及び膨張比を達成することができる。

例えば、圧縮段に連結された少なくとも１つのタービン１７の終端における膨張率は、タービン１７が連結される圧縮段１５の終端における圧力の増加の値との差が４０％を超えない（又は２０％を超えない）値だけ、サイクルガスの圧力を下げるように構成することができる。

例えば、圧縮機１５がタービン１７に連結され、１０ｂａｒ～１５ｂａｒ（最初は１０ｂａｒの流れを出口の圧力１５ｂａｒに圧縮）で作動する場合、タービン１７は、この流れを１５～１０ｂａｒ（入口で１５ｂａｒ、出口で１０ｂａｒ）の圧力に膨張させることが好都合である。

これは、軸力に耐えるシャフト１９の軸力の分布及び均衡を向上させる。

ホイール１５、１７の終端における圧力差によって発生した力の記号は反対であるので、これは軸力の合力を低減する傾向がある。

これは、好ましくは１つ又は複数の圧縮機１５に連結された直列の複数のタービンの場合にも適用する。

こうして示されたように、膨張機構は、直列の求心型のタービン１７のアセンブリから構成された直列の少なくとも２つの膨張段を含んでもよい。

加えて上記のように、サイクルガスの循環の方向に沿って、直列の少なくとも２つのタービン１７は、好ましくは直列の配列を逆順に考えた圧縮段１５にそれぞれが連結される。つまり、少なくとも１つのタービン１７は、サイクル回路１４内で圧縮段１５に先行する別のタービン１７に連結された圧縮段１５の上流に置かれた圧縮段１５に連結される。

好ましくは、デバイスは、ｎ個のタービン（膨張ホイール若しくは段）及びｋ個の圧縮機ホイール又は段を含み、ｋ＞＝ｎである。各タービン１７の終端で選択された膨張率は、好ましくはこうして連結される（上に説明されたように）圧縮機の関数として付与される。

タービン１７に連結された圧縮機１５、次いでタービンに連結されない圧縮機１５を交互に示された例では、タービン１７の作業圧力は、圧縮機１５の作業圧力を「１つずつ」又は「２つずつ」に設定することができる（つまり第１のタービン１７は第５又は第６の圧縮機１５の圧縮率で働き、同様に第２のタービン１７は第３又は第４の圧縮機の圧縮率で働く、その他）。直列の２つの圧縮機１５の１対（タービンに連結された圧縮ホイールを備えた圧縮機に続いて、タービンに連結されない圧縮機ホイールを備えた圧縮機）を考慮すると、これらの２つの圧縮機の第１の圧縮機は、例えば第１の圧力ＰＡにサイクルガスを圧縮する一方で、第２の圧縮機は、第２の圧力ＰＢにこのサイクルガスを圧縮し、ＰＢ＞ＰＡである。これらの２つの圧縮機の第１の圧縮機に連結されるタービン１７は、好ましくはサイクルガスを第２の圧力ＰＢから第１の圧力ＰＡに膨張させる。これは、例えばこの制約に従って、このタービン１７の特性を調整することによって獲得することができる。例えばタービン１７に到着する流量を較正する分配器の断面に規制があり、これは、タービンの分配部及びホイール部にもたらされる圧力降下に影響を及ぼす。

結果として、例えばタービンが直列の２つの圧縮段毎に連結される時、連結される膨張段と圧縮段との間（入口／出口）の上に詳細に記載された圧力関係は、こうしてタービンを支える圧縮段のみに、又は直列の２つの圧縮機ホイールのアセンブリのいずれかに適用することができる。

加えて全く同じシャフト１９へのタービン１７及び圧縮段１５の１つ又は複数の機械的結合は、好ましくは連結されるタービン１７及び圧縮段１５の回転速度を確実に同一にするように構成される。これにより、デバイス内の膨張作業の直接的で効率的な使用が可能になる。必要に応じて、圧縮機及びタービンホイールの全ての回転速度は、全く同じ決定値と等しいことが可能である。

制御部材は、任意選択で圧縮段の全て又は一部に提供されてもよい。例えば可変周波数駆動（「ＶＦＤ」）（ｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｒｉｖｅ）は、少なくとも１つの圧縮段を駆動する各モータ１８に提供することができる。これにより、複数の圧縮段又は各圧縮段、ひいては膨張の速度を、ギア又はドライブの複雑なシステム、及び１つ若しくは複数の圧縮段の上流の可変翼セットに繋げられた特定の制御手段を使用することなく、独立して調整することが可能になる。この速度制御部材は、圧縮機のアセンブリ又は各圧縮段に提供されてもよい。

好ましくは、デバイス１は、流量弁又は回路内の圧力を低減する（圧力降下）ための弁を圧縮段の間、膨張段の間、又はサイクルの膨張の下流に含まない。結果として、サイクル回路１４内に維持管理のための遮断弁のみを提供することができる。

つまりタービン１７の作動点（速度、圧力）は、タービン１７の寸法特徴のみを通して（例えばタービンの入口に絞り弁がない）調節することができる。これにより、デバイスの信頼性が増加する（弁がないので、工程を制御するために弁の故障に関与する問題の可能性はない）。これにより、更に高額の補助回路（安全弁、その他）を除去することが可能になり、製造を簡略化する（隔離するためのラインの数の低減、その他）。

ヘリウム系サイクルガスを使用することにより、工程内に低大気圧帯の危険がなく（これはサイクル流体が水素であった場合に危険であるはずである）、低熱源が凍結する危険がなく（ヘリウムの最高液化温度は５．１７Ｋに等しい）、液化水素を過冷却するための温度に達することが可能になる。液化水素を過冷却する効果は、水素分子の伝達連鎖に、次いで運搬中にボイルオフガスの低減のお陰で潜在的に使用者（典型的には液体ステーション）に非常に顕著な利点を有する。

こうして液化される水素の流れが、低熱源を結晶化することなくゲル化点（１３Ｋ）に達することができる。

サイクル回路１４の低圧部は、比較的高い圧力で作動することができる。これにより、熱交換器６、７、８、９、１０、１１、１２、１３内の体積流量を低減することが可能になる。サイクルガスの作業圧力は、こうして冷却される流体の目標圧力又は温度と相関を断つことができる。サイクルガスのこの圧力は、こうしてターボ機械の応力に適合するために増加することができるが、低圧で体積流量を低減することもでき、これは概して熱交換器の寸法に影響を与える主要パラメータの１つである。

サイクル回路１４のこの低圧レベルは、例えば１０ｂａｒ以上であり、典型的には１０～４０ｂａｒ間にあることが可能である。これにより、熱交換器の体積流量が低減し、これは圧縮段毎に低い圧縮率を補う。

示されたように、デバイス１は、例えばサイクルガスと熱交換関係にある、熱交換器５のアセンブリの少なくとも一部と熱交換関係にある第２の冷却システムを含んでもよい。この第２の冷却システム２１は、例えば第１の逆流熱交換器若しくは複数の逆流熱交換器を通って液化されるサイクルガス及び／若しくは水素を冷却する、液化窒素又は冷媒の混合物などの伝熱流体のための回路２５を含み、少なくとも１つの予冷交換器５を介して図１に示されたように、１つ又は複数の伝熱流体を閉ループ内で循環させることによってもたらされた高温端部で変位消失に対抗することもできる。

この第２の冷却システム２１は、例えば液化される流体及び／又は圧縮機械の出口における作業ガスを予冷することができる。伝熱流体のための回路２５内（例えば閉ループ内）で循環するこの冷媒は、例えばこの冷媒を生成及び／又は保存する２８ためのユニット２７によって供給される。必要に応じて、冷却される流体のための回路３は、上流で予冷するためにこのユニット２７を介して通過する。デバイス１は、１つ又は複数の他の追加冷却システムを有することが考えられることに留意されたい。例えば冷却装置（例えば典型的には５℃～６０℃の間である温度で低熱源を供給する）によって送り込まれた第３の冷却回路は、前述のシステムに加えて供給されてもよい。第４の冷却システムも、デバイス１に再度低温を供給するために提供され、必要な場合にデバイス１の液化力を増加させることができる。図２の実施形態は、サイクル回路１４が、タービン１７の１つ（下流方向の最後のタービン以外）の出口に接続された第１の端部、及び第１の圧縮機１５（上流方向）以外の圧縮機１５の１つの入口に接続された第２の端部を有する戻り管２２を含むという点のみで、先行する実施形態と異なる。この戻り管２２は、サイクルガスの流れの一部を、圧縮機構の入口における低圧と圧縮機構の出口における高圧との間の中間圧力レベルで圧縮機構に戻すことができる。

戻り管２２は、逆流熱交換器の少なくとも一部と熱交換関係にあってもよい。中間圧力で圧縮ステーションへの複数の戻り管は、好都合なことに工程の最適化の予想されたレベルに従って設置されてもよい。例えば（検討中のタービンにおける）流出点及び（検討中の圧縮段における）注入点は、異なる圧力レベルに置かれてもよい。図３の実施形態は、サイクル回路１４が、更にタービン１７（例えば上流方向の第１のタービン１７）の上流に接続された第１の端部、及び下流に置かれた別のタービン（例えば第３のタービン）の入口に接続された第２の端部を有する部分バイパス管２４を含むという点のみで、先行する実施形態と異なる。例えばバイパス管２４は、高圧で圧縮機構から出るサイクルガスの流れの一部を更に下流の最低温タービンに向かって迂回させることができる。残りの流れは、このより高温の第１の上流タービン１７に入る。これは、様々なタービン及び圧縮機の特定の速度に関する位置付けに依存して、様々な段に送られた流量を調整することができる。例えばより高圧で置かれた圧縮機は、（工程の低圧の付近に置かれた）第１の圧縮段より低い体積流量を取り込む。この体積流量を増加させ、ひいてはそれらの等エントロピ効率を増加させる可能性がある１つの方法は、図３に示されたように、中間圧力で膨張段からの戻りを組み込むことである。図４に示されたデバイス１は、尚別の非限定的実施形態を示す。上記の要素と同一の要素は、同じ参照番号によって示され、再度詳しくは記載されない。

図４のデバイスのサイクル回路１４は、３つの圧縮機（それぞれが３つのモータ１８によって駆動される）を含む。示されたように、各圧縮機は４つの圧縮段１５（つまり直列の４つの圧縮ホイール）を有してもよい。これらの圧縮機ホイール１５は、問題のモータ１８のシャフト１９の一端に直接連結することによって装着されてもよい。この例では、デバイスは、こうして直列の１２個の遠心型圧縮段を有する。示されたように、サイクルガスの冷却部２６は、２つの圧縮段毎に提供されてもよい。

この例では、デバイス１は、例えば圧縮機毎に１つ又は２つの膨張段の直列の５つの膨張段（６つの求心型タービンホイール、そのうち２つは並列に配列される）を有する。示されたように、タービン１７の全ては、圧縮機シャフト１９に連結されてもよい（例えば２つのタービン１７は、このシャフト１９にも装着される圧縮機ホイール１５に機械的作業を供給するために、各モータ１８のシャフト１９の他端に装着される）。当然のことながら、タービン１７は、圧縮ホイール１５と同じシャフト１９の側面上にあることが可能である。例えば４つの第１の膨張段は、直列の４つのタービン１７から形成される。第５の膨張段は、例えばサイクル回路１４の並列に２つの分岐のそれぞれに配列された２つのタービン１７から形成される。図５に示されたデバイス１は、中間圧力レベル（中間圧力）でタービン１７から出るサイクルガスの一部を圧縮機構に移送する、サイクルガスのための戻りライン１２２、１２３、１２４を含むという点で、図４のデバイス１と異なる。例えばライン１２４は、第１のタービンの出口を第８の圧縮段の出口に接続する。同様にライン１２３は、第２のタービンの出口を第６の圧縮段の出口に接続する。同様にライン１２２は、第３のタービン１７の出口を第４の圧縮段の出口に接続する。当然のことながら、デバイスは、これらの中間圧力の戻りラインのわずか１つ又はわずか２つを有することが可能である。同様に他の戻りラインを想定することができる。加えてこれらのラインの端部（他のタービンの出口及び他の圧縮段の出口）は、変えることができる。

１つ又は複数のこれらの戻りは、圧縮機の体積流量を増加することができ、ひいては流量が過剰に供給され、したがってそれらの等エントロピ効率を増加させる可能性がある。

図６に示されたデバイス１は、構造の非限定的な可能例、及びモータ駆動のターボ圧縮機の配置の作動を示す、デバイス１の詳細を示す。モータ１８のシャフト１９の一端は、４つの圧縮機ホイール（４つの圧縮段１５）を駆動させる。シャフト１９の他端は、２つの膨張段（２つのタービン１７）に直接連結される。

当然のことながら、圧縮段１５及び膨張段１７のあらゆる他の適切な型の配置（数及び分布）を（モータの数と同様に）想定することができる。

結果として、他の修正が可能である。

様々な構成が、こうしてタービン１７に、特に下流のタービン（最低温のタービン）に対して可能である。

例えばすでに示されたように、２つの最後の膨張段（２つのタービン）は、直列ではなく並列に設置することができる。これにより、これらのタービンの終端でエンタルピのより大きい降下を生成することが可能になる。これは、（２つのタービンは、流量の１００％を共有するはずであり、利用できる圧力の差はほぼ２倍になるはずであるので）効率の損失を実現するはずである。これらの２つの最後の膨張段に対する効率が降下するこの可能性にも関わらず、エンタルピのより大きい降下を実現することにより、膨張をより効率的に段的に行うことが可能になるはずである。

この理由は、同じ低温エンタルピの差が、タービンの終端で、高温のタービンよりも小さい温度変化をもたらすからである。これは、再冷蔵及び液化工程の効率を向上させる。結果として、タービンの終端で比較的温度差が低減するにも関わらず、デバイスの効率により、良好なエネルギー効率の水素を液化することが可能になる。

タービン１７によって生じた温度差は、タービン１７の上流のサイクルガスの温度の関数であってもよい。

バッファタンク（図示せず）及び弁のアセンブリは、ガスを冷却回路に充填するために最高圧力を限定する目的で、好ましくは低圧レベルで提供されてもよい。好ましくは、最低圧縮率は、圧縮ステーションの終端において１．３～１．６間にある。サイクルガスは、例えば１００％又は９９％のヘリウムから構成され、水素で補われてもよい。

サイクル回路は、少なくとも１つのタービン１７の入口に、流体の流量を決定された作動点に調節するように構成された入口案内翼（「ＩＧＶ」（ｉｎｌｅｔ ｇｕｉｄｅ ｖａｎｅ））を含んでもよい。

加えて、圧縮機ホイール１５及び／又はタービン１７の配置は、上の例に限定されない。結果として、圧縮機１５の数及び配置は修正されてもよい。例えば圧縮機構はわずか３つの圧縮機から構成することができ、各圧縮機は、複数の圧縮段、例えば３つの圧縮段、つまり３つの圧縮機ホイール（段間冷却を備え又は備えない）設けることが可能である。

同様に２つの圧縮段１５は、他の圧縮段（例えば直列の３つ）と並列及び直列に配列することができる。並列の２つの圧縮段は、他の上流に置き、ひいては下流方向に全てが同一であることが可能な機械を使用することにより、低圧で比較的高い流量を供給することができる。

同じ方法で、タービン１７は、サイクル回路１４内に並列に置くことができる。

加えてすでに示されたように、全てのタービンは、１つ又は複数の圧縮機ホイール（例えば１つ又は複数の圧縮段と同じシャフト１９に連結された１つ又は複数のタービン１７）に連結することができる。

示されたように、冷却される流体のための回路３は、例えば水素の変換（オルト水素からパラ水素）のために、交換器の外側、若しくは交換器の断面２９に１つ又は複数の触媒部材（ポット２８０）を有することができる。

Claims (14)

1. 水素及び／又はヘリウムなどの流体を液化するためのデバイスであって、ガス流体の源（２）に接続することを意図した上流端部、及び前記液化流体を収集するための部材（４）に接続することを意図した下流端部（２３）を有する、冷却される流体のための回路（３）を含み、前記デバイス（１）は、冷却される流体のための前記回路（３）と熱交換関係にある熱交換器（６、７、８、９、１０、１１、１２、１３）のアセンブリを含み、前記デバイス（１）は、前記熱交換器（６、７、８、９、１０、１１、１２、１３）のアセンブリの少なくとも一部と熱交換関係にある、少なくとも１つの第１の冷却システム（２０）を含み、前記第１の冷却システム（２０）は、主にヘリウムを含むサイクルガスに冷却サイクルを行う冷蔵装置であり、前記冷蔵装置（２０）は、サイクル回路（１４）に直列に配列された以下のもの、すなわち前記サイクルガスを圧縮するための機構（１５）と、前記サイクルガスを冷却するための少なくとも１つの部材（１６、５、６、８、１０、１２）と、前記サイクルガスを膨張させるための機構（１７）と、前記膨張したサイクルガスを加熱するための少なくとも１つの部材（１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５）とを含み、前記圧縮機構は、遠心型の圧縮機（１５）のアセンブリから構成された直列の少なくとも４つの圧縮段（１５）を含み、前記圧縮段（１５）は、モータ（１８）のアセンブリにより回転駆動される、シャフト（１９、１９０）上に装着され、前記膨張機構は、求心型のタービン（１７）のアセンブリから構成された直列の少なくとも３つの膨張段を含み、前記サイクルガスを冷却するための前記少なくとも１つの部材（１６、５、６、８、１０、１２）は、前記タービン（１７）の少なくとも１つの出口で前記サイクルガスを冷却するように構成され、前記タービン（１７）の少なくとも１つは、膨張中に少なくとも１つの圧縮段（１５）に生成された機械作業を供給するように、前記圧縮段（１５）と同じシャフト（１９）に連結され、前記サイクル回路（１４）は、タービン（１７）の上流に接続された第１の端部、及び下流に置かれた別のタービン（１７）の入口に接続された第２の端部を有する、サイクルガスの流れのための部分バイパス管（２４）を含み、前記バイパス管（２４）は、サイクルガスの流れの一部を最低温の下流タービンの入口に直接移送するように構成され、圧縮段（１５）に連結された少なくとも１つのタービン（１７）の作業圧力は、前記少なくとも１つのタービンが連結される前記圧縮段を含む前記圧縮機（１５）の作業圧力に調節され、つまり前記タービン（１７）に入る前記サイクルガスの圧力は、前記少なくとも１つのタービンが連結された前記圧縮機（１５）の入口圧力と４０％以下、好ましくは３０％又は２０％以下だけ差がある、デバイス。
2. 前記圧縮機構は、遠心型の圧縮機（１５）のみを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記サイクルガスを冷却するための前記少なくとも１つの部材は、前記タービン（１７）の少なくとも一部の出口に配列された熱交換器（８、１０、１２）のアセンブリを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記デバイス（１）は、前記サイクルガスの循環の方向に沿って直列の最後のタービン（１７）を除いて、前記タービン（１７）の少なくとも一部の出口に配列された、熱交換器などの前記サイクルガスを冷却するためのシステム（８、１０、１２）を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記サイクルガスの循環の方向に沿って、直列の少なくとも２つのタービン（１７）は、それらの直列の配列を逆順に考えた圧縮段（１５）にそれぞれが連結され、つまり例えば少なくとも１つのタービン（１７）は、前記サイクル回路（１４）内で圧縮段（１５）に先行する別のタービン（１７）に連結された前記圧縮段（１５）の上流に置かれた圧縮段（１５）に連結されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記タービン（１７）及び前記圧縮段（１５）の全く同一のシャフト（１９）への機械的結合は、連結される前記タービン（１７）及び前記圧縮段（１５）の回転速度を確実に同一にするように構成されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記デバイス（１）は、前記デバイス（１）が含むタービン（１７）を含むより多くの圧縮段（１５）を含み、各タービン（１７）は、それぞれのモータ（１８）によって駆動される単一のそれぞれの圧縮段（１５）と同じシャフト（１９）に連結され、タービン（１７）に連結されていない他の圧縮段（１５）は、別個にそれぞれのモータ（１８）によって駆動される回転シャフト（１９０）のみに装着されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. タービン（１７）に連結された前記圧縮段（１５）及びタービン（１７）に連結されていない前記圧縮段は、前記サイクル回路に直列に交互にあることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記デバイス（１）は、１６個の圧縮段（１５）及び８個のタービン（１７）、又は１２個の圧縮段（１５）及び６個のタービン（１７）、又は８個の圧縮段（１５）及び４個のタービン（１７）、又は６個の圧縮段（１５）及び３個のタービン（１７）、又は４個の圧縮段（１５）及び３個のタービン（１７）を含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記サイクル回路（１４）は、前記圧縮機構の入口における低い圧力と前記圧縮機構の出口におけるより高い圧力との間の中間圧力レベルで、前記サイクルガスの流れの一部を前記圧縮機構に戻すために、前記タービン（１７）の１つの出口に接続された第１の端部、及び前記第１の圧縮段（１５）以外の前記圧縮段（１５）の１つの入口に接続された第２の端部を有する、戻り管（２２）を含むことを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記戻り管（２２）は、前記サイクルガスを冷却するための前記少なくとも１つの部材（５、６、８、１０、１２）、及び／又は前記膨張したサイクルガスを加熱するための前記部材（１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５）と熱交換関係にあることを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
12. 熱交換器の前記アセンブリは、直列に配列され、その中で前記サイクル回路（１４）の２つの別個の部分が、前記サイクルガスの冷却及び加熱のそれぞれのために逆流操作で同時に循環を行う、複数の熱交換器（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３）を含み、前記複数の熱交換器は、前記サイクルガスを冷却するための部材及び前記サイクルガスを加熱するための部材（１６、５、６、８、１０、１２）を形成することを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記デバイス（１）は、熱交換器（５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３）の前記アセンブリの少なくとも一部と熱交換関係にある第２の冷却システムを含み、前記第２の冷却システム（２１）は、液体窒素又は冷媒の混合物などの伝熱流体のための回路（２５）を含むことを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載のデバイス（１）を使用して、極低温で水素、特に液化水素を生成するための方法であって、前記サイクルガスを圧縮するための前記機構（１５）の入口における前記サイクルガスの圧力は、２－４０ｂａｒ ａｂｓ間にあり、特に８３５ｂａｒ ａｂｓにある、方法。
    
    

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