JP3254527B2 - スラッシュ水素の製造方法及び装置 - Google Patents

スラッシュ水素の製造方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スラッシュ水素の製造
方法及び装置に関し、詳しくは、液体ヘリウムを使用し
てスラッシュ水素、即ち固体水素と液体水素の混合物を
実験室規模で製造するのに適したスラッシュ水素の製造
方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体水素と液体水素の混合物であるスラ
ッシュ水素は、液体水素に比べて密度や比熱が大きいな
どの利点を有しているため、ロケット等の燃料として注
目されているが、特に近年の水平離着陸型単段式宇宙往
還機(NASP:National AerospacePlane)の研究に関連し
て、このスラッシュ水素の研究が盛んになってきた。
【0003】このスラッシュ水素は、液体水素に比べて
密度や熱容量の面で優れており、固体水素に比べて流動
性を有することで取扱い性も優れているが、ロケットの
燃料等としては、固体水素が50重量%程度のものが最
適であるとされている。
【0004】このようなスラッシュ水素を製造する手段
として、液体水素を低温容器(クライオスタット)に貯
液し、容器内を真空ポンプで排気することにより、液体
水素を3重点(約13.8K,約0.0695atm)
まで冷却し、この状態で圧力を少し変化させて液体水素
の表面に固体水素を形成し、この固体水素を砕いてスラ
ッシュ化させる方法(フリーズ・ソー法)が知られてい
るが、バッチプロセスであり、連続的にスラッシュ水素
を製造することができなかった。
【0005】そのため、液体水素中に設置した冷却面
を、液体ヘリウムや低温ヘリウムガスで冷却し、冷却面
上に固体水素を析出凍結させてこれを掻き落とす方法
(オーガ法)が研究されている。
【0006】オーガ法を実施する装置は、図2に示すよ
うに、液体水素を貯留する低温容器1と、この低温容器
1内に設置された円筒状の冷却面2を冷却するための液
体ヘリウムを供給する系統3と、冷却面2の表面に生成
した固体水素を掻き落とすオーガ4とにより構成されて
おり、液体ヘリウム供給系統3には、冷媒である液体ヘ
リウムを貯留する液体ヘリウム貯槽5,液体ヘリウムを
送り出すためのヘリウムガスを貯槽5内に供給するヘリ
ウムガスボンベ6,冷却面2を冷却した後のヘリウムを
加温する加温器7及び液体ヘリウム供給用の断熱配管
(トランスファーチューブ)8や液体ヘリウム供給弁9
等が設けられている。
【0007】このような構成の装置でスラッシュ水素を
製造する際には、冷却面2に液体ヘリウムを供給して冷
却面2を3重点温度以下に冷却するとともにオーガ4を
回転させ、冷却面上に生成した固体水素をオーガ4のス
クリュー状の刃で隔離して低温容器1の底部に掻き落と
すようにする。
【0008】上記方法において、液体水素や液体ヘリウ
ムを連続的に補給するとともに、低温容器1の底部から
掻き落とされた固体水素と液体水素とを連続的に抜き出
すことにより、連続してスラッシュ水素を製造すること
ができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記構成の装置を用い
たオーガ法においても、スラッシュ水素の製造は、現段
階では3重点下の液体水素が対象であり、スラッシュ水
素製造中だけでなく、製造開始時に、大気圧状態で静定
している液体水素を、固体水素が生成する3重点まで冷
却(予冷)するためにも、液体ヘリウムや低温ヘリウム
ガスを用いている。このため、特に実験用の小型装置で
は、上記液体水素を予冷するために消費される低温ヘリ
ウム量が、スラッシュ水素製造過程で消費される量に比
べて無視できない量になっている。
【0010】そこで本発明は、上記液体水素を3重点ま
で予冷するための低温ヘリウム、即ち液体ヘリウムや低
温ヘリウムガスを低減乃至削減でき、冷媒となる液体ヘ
リウム等の使用量を低減できるスラッシュ水素の製造方
法及び装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明のスラッシュ水素の製造方法は、低温容器
内の液体水素を、低温ヘリウムにより冷却される冷却面
上に析出凍結させ、該凍結した固体水素を掻き落とし、
剥離してスラッシュ水素を製造する方法において、液体
水素を貯液した低温容器内を減圧して液体水素を蒸発さ
せ、蒸発潜熱により液体水素の温度を固体水素が発生す
る3重点温度まで冷却した後、冷却面に低温ヘリウムを
供給することを特徴とするもので、さらに、前記低温容
器内の減圧中に、前記冷却面に低温ヘリウムを供給する
系統にヘリウムガスを供給して与圧すること、前記低温
容器内の減圧は、前記冷却面及び該冷却面に低温ヘリウ
ムを供給する系統が、低温ヘリウムにより前記3重点温
度付近に冷却されるまで継続することを特徴としてい
る。
【0012】また、本発明のスラッシュ水素の装置は、
液体水素を貯液した低温容器に、該容器内を減圧する真
空ポンプを付設したことを特徴をとし、さらに前記冷却
面に低温ヘリウムを供給する系統に、該系統内を与圧す
るためのヘリウムガスを供給する系統を付設したことを
特徴としている。
【0013】
【作 用】上記構成によれば、低温容器内を真空ポンプ
で減圧すると、容器内の液体水素が蒸発し、蒸発潜熱に
より液体水素が冷却される。したがって、冷却面に低温
ヘリウムを供給することなく液体水素を3重点まで予冷
することができる。
【0014】また、上記液体水素を予冷する際に、冷却
面に低温ヘリウムを供給する系統にヘリウムガスを供給
して与圧することにより、この系統が液体水素の予冷と
ともに冷却されて負圧となり、空気が逆流することを防
止できる。
【0015】さらに、予冷終了後、冷却面が低温ヘリウ
ムにより所定温度に冷却されるまで低温容器内の減圧を
継続することにより、低温ヘリウム供給開始時に比較的
温度が高いヘリウムが供給されて低温容器内の圧力が上
昇することを防止できる。
【0016】
【実施例】以下、本発明を、図面に示す一実施例に基づ
いて、さらに詳細に説明する。なお、前記図2に示した
従来例と同一要素のものには同一符号を付して、その詳
細な説明は省略する。
【0017】本実施例に示すスラッシュ水素の製造装置
は、前記図2に示した従来装置と同様に、前記オーガ法
によりスラッシュ水素を製造するものであって、基本的
構成は略同一である。
【0018】即ち、液体水素を貯留する低温容器1,低
温容器1内に設置された冷却面2、冷却面2に液体ヘリ
ウムを供給する液体ヘリウム供給系統3,冷却面2の表
面に生成した固体水素を剥離・掻き落とすオーガ4,液
体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム貯槽5,液体ヘリウ
ム送出用のヘリウムガスを液体ヘリウム貯槽5に供給す
るヘリウムガスボンベ6等を有するものであり、本実施
例装置では、これに加えて、低温容器1内を減圧するた
めの真空ポンプ11及び該真空排気系統に設けた加温器
7aと弁11a、そして圧力監視用の圧力計12と、液
体ヘリウム供給系統3にヘリウムガスを供給する与圧系
統13とを設けるとともに、液体ヘリウム供給系統3の
出口に排出弁14を付設している。
【0019】上記与圧系統13に供給されるヘリウムガ
スは、前記液体ヘリウム貯槽5内の液体ヘリウムを冷却
面2に送り出すためのヘリウムガスと同じヘリウムガス
ボンベ6から得ており、保圧弁15により液体ヘリウム
供給系統3内を一定圧力以上に保つようにしている。
【0020】なお、液体ヘリウム供給系統3において、
与圧が必要な部分は、予冷される液体水素により冷却さ
れる部分、即ち低温容器1内の配管部分であって、例え
ば図に示すように、液体ヘリウム供給弁9から排出弁1
4までの間を与圧すれば良い。また、排出弁14は、加
温器7の入口側に設けてもよい。
【0021】上記構成のスラッシュ水素製造装置を用い
てスラッシュ水素の製造を開始する際には、まず、各部
品をセットし、常法によりヘリウムガスボンベ6からの
ヘリウムガスでガス置換を行った後、低温容器1内に液
体水素を入れ、真空ポンプ11を作動させて低温容器1
内を減圧する。
【0022】このとき、液体ヘリウム供給系統3には液
体ヘリウムを供給せずに、前記与圧系統13からヘリウ
ムガスを供給して液体ヘリウム供給系統3内を与圧し、
該系統3内が負圧になって空気が流入することを防止す
る。即ち、真空ポンプ11による減圧操作によって、液
体水素を降温している最中は、排出弁14を閉じ、保圧
弁15を開として液体ヘリウム供給系統3内を与圧し、
空気の流入を防ぐ。
【0023】真空ポンプ11による減圧で液体水素の一
部が蒸発し、蒸発潜熱により液体水素が3重点付近まで
冷却されたら、ヘリウムガスボンベ6の出口弁6a,液
体ヘリウム供給弁9及び排出弁14を開いて冷却面2へ
の液体ヘリウムの供給を開始する。
【0024】この液体ヘリウム供給開始時には、トラン
スファーチューブ8内等からの暖かいヘリウムガスが、
低温容器1内の液体ヘリウム供給系統3や冷却面2に流
れてこれらが加温され、低温容器1内の圧力が上がるこ
とがあるので、液体ヘリウム供給系統3や冷却面2が液
体ヘリウムにより十分に冷却されるまで真空ポンプ11
の運転を継続することが好ましい。
【0025】上記のようにして各部が所定の温度,圧力
になると、液体水素内の冷却面2の表面に固体水素が生
成するので、オーガ4を回転させてこれを掻き落とすこ
とにより、低温容器1の底部にスラッシュ水素が得られ
る。
【0026】さらに、上記スラッシュ水素の製造中でも
真空ポンプ11の運転を継続するとともに、低温容器1
内の圧力を圧力計12で監視し、低温容器1内の圧力が
3重点近傍になるように真空ポンプ11の入口弁11a
の開度を調節すれば、より効率よくスラッシュ水素を製
造することが可能である。
【0027】例えば、従来のように、液体ヘリウムを冷
却面2に供給して、該液体ヘリウムの潜熱のみで低温容
器1内の液体水素を3重点まで冷却する場合、1リット
ルの液体水素に対して液体ヘリウムが1.6リットル必
要であるから、例えば液体水素量60リットルの実験設
備では96リットルの液体ヘリウムを節約することがで
きる。
【0028】一方、上記実施例装置において、低温容器
の容量を100リットル、液化水素量を60リットルと
し、これを排気能力が毎分1500リットル(0.11
8g/sec at 40Toor)の真空ポンプを用
い、大気圧から3重点まで予冷する場合、ヒートロスを
20Wとして約1時間50分かかり、このときの液体水
素の蒸発量(消耗量)は、約15リットルであるが、こ
の液体水素の消耗による損失や真空ポンプの動力費は、
液体ヘリウムが液体水素に比べて極めて高価であること
から、全く問題になることはなく、液体ヘリウムの使用
量を低減できる効果は極めて大きいものである。
【0029】なお、真空ポンプから排出される水素ガス
や冷却面冷却後に排出されるヘリウムガスは、適宜な手
段により回収することができる。また、装置構成は、製
造能力等に応じて適宜最適な形態とすることができる。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スラッシュ水素の製造を開始する際の液体水素の冷却
を、該液体水素が貯液されている低温容器内を減圧する
ことにより行うので、冷媒である液体ヘリウムの使用量
を大幅に低減することができ、スラッシュ水素の製造コ
ストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスラッシュ水素製造装置の一実施例を
示す系統図である。
【図2】従来のスラッシュ水素製造装置の一例を示す系
統図である。
【符号の説明】
1…低温容器 2…冷却面 3…液体ヘリウム供給
系統 4…オーガ 5…液体ヘリウム貯槽 6…ヘリウムガスボンベ
11…真空ポンプ 13…与圧系統
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−49680(JP,A) 特開 平4−169780(JP,A) 特開 平4−280801(JP,A) 特開 平5−201701(JP,A) 実開 昭61−197489(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25J 1/00 - 5/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 低温容器内の液体水素を、低温ヘリウム
    により冷却される冷却面上に析出させ、該析出した固体
    水素を剥離してスラッシュ水素を製造する方法におい
    て、前記低温容器内を減圧して液体水素を蒸発させ、蒸
    発潜熱により液体水素の温度を固体水素が発生する3重
    点温度まで冷却した後、前記冷却面に低温ヘリウムを供
    給することを特徴とするスラッシュ水素の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のスラッシュ水素の製造方
    法において、前記低温容器内の減圧中に、前記冷却面に
    低温ヘリウムを供給する系統にヘリウムガスを供給して
    与圧することを特徴とするスラッシュ水素の製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のスラッシュ水素の製造方
    法において、前記低温容器内の減圧は、前記冷却面及び
    該冷却面に低温ヘリウムを供給する系統が、低温ヘリウ
    ムにより前記3重点温度付近に冷却されるまで継続する
    ことを特徴とするスラッシュ水素の製造方法。
  4. 【請求項4】 液体水素を貯留する低温容器と、該低温
    容器内に設けられた冷却面に低温ヘリウムを供給する系
    統と、該冷却面に析出した固体水素を剥離するオーガと
    を備えたスラッシュ水素の製造装置において、前記低温
    容器に、該容器内を減圧する真空ポンプを付設したこと
    を特徴とするスラッシュ水素の製造装置。
  5. 【請求項5】 前記冷却面に低温ヘリウムを供給する系
    統に、該系統内を与圧するためのヘリウムガスを供給す
    る系統を付設したことを特徴とする請求項4記載のスラ
    ッシュ水素の製造装置。
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