JP3416559B2 - Liquefied gas storage device, reliquefaction device, and method for reliquefaction of liquefied nitrogen - Google Patents

Liquefied gas storage device, reliquefaction device, and method for reliquefaction of liquefied nitrogen

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JP3416559B2
JP3416559B2 JP08942199A JP8942199A JP3416559B2 JP 3416559 B2 JP3416559 B2 JP 3416559B2 JP 08942199 A JP08942199 A JP 08942199A JP 8942199 A JP8942199 A JP 8942199A JP 3416559 B2 JP3416559 B2 JP 3416559B2
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reliquefaction
liquefied gas
liquefied
storage tank
nitrogen
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    • F25D19/00Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006Thermal coupling structure or interface

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、液化ガス貯蔵装置
及び再液化装置に関し、特に液化状態から気化した蒸気
を再液化して貯蔵槽に戻す再液化装置を有する液化ガス
貯蔵装置及び再液化装置に関する。 【0002】 【従来の技術】NMRや電子顕微鏡等の精密理化学機器
において、低温環境を確保するために液化ガスが用いら
れる。ここで、液化ガスとは、常温で気体状態のガスを
冷却することによって液化した液体状態のものを意味す
る。低温環境を維持するために、蒸発によって減少した
液化ガスに相当する量の液化ガスを補充する必要があ
る。 【0003】液化ガスの補充作業を不要にするために、
蒸発した液化ガスを再液化する技術が、特開平8−32
7171号公報及び特開平10−246547号公報に
開示されている。これら公報に開示された再液化装置で
は、液化ガス貯蔵槽と極低温冷凍機の低温発生部とを、
可撓性を有する断熱管で接続する。蒸発した液化ガスが
断熱管を通って低温発生部まで到達すると、ここで再度
液化される。再液化した液化ガスは、断熱管を通って液
化ガス貯蔵槽に戻る。断熱管が可撓性を有するため、極
低温冷凍機の発生する振動が液化ガス貯蔵槽まで伝わる
ことを防止することができる。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】上記従来例の再液化装
置においては、冷凍機を液化ガス蓄積槽以外の支持手段
で支持する必要がある。また、断熱管が長くなるため、
熱が侵入しやすく再液化効率が低下する。 【0005】 【0006】本発明の他の目的は、フラッディング現象
の発生の抑制することが可能な再液化方法を提供するこ
とである。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、液化窒素を貯蔵する貯蔵槽内に、冷却された再液化
室に連通する輸送管を挿入することにより、前記貯蔵槽
内で蒸発し、前記輸送管内を上昇し、前記再液化室まで
到達した窒素ガスを液化して、前記輸送管を通して前記
貯蔵槽内に戻す液化窒素の再液化方法であって、前記貯
蔵槽内の液化窒素の単位時間あたりの大気圧下飽和蒸気
圧換算での蒸発量v[cm3/h]を予測する工程と、
前記輸送管として、その気体の通路の断面積をS[cm
2]としたとき、 【0008】 【数2】S≧v/432000 を満たす管を用いて液化窒素の再液化を行う工程とを有
する液化窒素の再液化方法が提供される。 【0009】この条件を満たす輸送管を用いることによ
り、フラッディング現象の発生を抑制することができ
る。 【0010】 【0011】 【0012】 【0013】 【0014】 【0015】 【0016】 【発明の実施の形態】図1は、本発明の第1の実施例に
よる液化ガス貯蔵装置の断面図を示す。真空容器1内
に、低温環境で作動する理化学機器5及び液化ガス貯蔵
槽2が配置されている。液化ガス貯蔵槽2は、理化学機
器5の周囲を取り囲んでいる。液化ガス貯蔵槽2内に、
液化窒素3が充填されている。真空容器1に、機器搬出
入のための開口部6が形成されている。開口部6は蓋7
で気密に塞がれている。 【0017】液化ガス貯蔵槽2に、液化ガスを注入する
ための注入口10及び測定機器挿入用の開口部11が設
けられている。開口部11に、液面計12、圧力計1
3、及び圧力調整弁14が取り付けられている。なお、
液化ガスの蒸発量を人為的に制御するために、液化ガス
貯蔵槽2内に電気ヒータ4が配置されている。 【0018】注入口10に、再液化装置20が取り付け
られている。再液化装置20の詳細な構成は、後に図2
を参照して説明する。再液化装置20は、パルスチュー
ブ冷凍機21を含んで構成される。ガス圧縮機22が連
結管23を介してパルスチューブ冷凍機21への冷媒ガ
スの供給と回収を周期的に繰り返す。パルスチューブ冷
凍機21のパルスチューブの高温端に、オリフィス24
を介してリザーバタンク25が接続されている。これに
より、冷凍能力の向上を図ることが可能になる。 【0019】連結管23は、可撓性を有する。このた
め、ガス圧縮機22で発生した振動が、パルスチューブ
冷凍機21まで伝達されることを防止できる。パルスチ
ューブ冷凍21には、ピストン等の可動部分がないた
め、再液化装置20自体が発生する振動は少ない。 【0020】図2は、第1の実施例による再液化装置の
断面図を示す。パルスチューブ冷凍機21の低温端が、
真空容器35の開口部からその内部に挿入されている。
パルスチューブ冷凍機21の高温端は、真空容器35の
外に配置されている。蓋36が真空容器35の開口部を
塞ぎ、真空容器35内の気密性が保たれている。 【0021】真空容器35は、支柱33及び留め具31
により真空容器1に支持されている。真空容器1の注入
口10の周囲に、物理的支持力を有する支持面16が画
定されている。留め具31に、支持面16と整合する形
状を有する被支持面30が画定されている。被支持面3
0を支持面16に整合させることにより、留め具31が
真空容器1に安定して支持される。支持面16及び被支
持面30は、例えば共通のある軸に関して回転対称な形
状を有する。このような回転対称の形状とすることによ
り、両者の相対位置を安定して固定しやすくなる。 【0022】支持面16と被支持面30との間に、柔軟
性を有する膜32が挿入されている。膜32を挿入する
ことにより、留め具31の据わりを安定化させるととも
に、振動の伝達を抑制することができる。膜32は、例
えばゴムや発泡材等で形成される。 【0023】パルスチューブ冷凍機21の低温端に銅製
のコールドヘッド38が取り付けられている。コールド
ヘッド38と銅製の再液化室容器39とにより、再液化
室40が画定される。コールドヘッド38の、再液化室
40の内面を画定する部分に、フィンもしくは溝が形成
されている。これにより、熱伝達効率が高められる。 【0024】内管42が、真空ベローズ43を介して再
液化室容器39に接続され、内管42内の空間が、再液
化室40に連通している。外管45が、真空ベローズ4
6を介して真空容器35に接続されている。内管42及
び外管45は、共にステンレスで形成される。外管45
は、内管42の一部を包むように配置され、真空ベロー
ズ46は、真空ベローズ43を包むように配置されてい
る。内管42の外周面と外管45の内周面との間に間隙
47が画定される。間隙47は、真空ベローズ46と真
空ベローズ43との間の空間を経由して真空容器35内
の空間に連通している。外管45の先端は、内管42の
外周面に溶接されている。これにより、真空容器35及
び間隙47内の空間の気密性が維持される。真空ベロー
ズ43及び46は、パルスチューブ冷凍機21の振動が
内管42及び外管45に伝達されることを抑制する。 【0025】注入口10は、液化ガス貯蔵槽2内の空間
と外部の空間とを連通させる細長い円筒状の空間を画定
する。外管45及び内管42の一部が、真空容器1の注
入口10内に挿入されている。注入口10の開口部先端
と、外管45の外周面に形成された段差部との間にOリ
ング50が装填され、液化ガス貯蔵槽2内の空間の気密
性が保たれている。さらに、注入口10の先端近傍の外
周面から、注入口10の外側に位置する外管45の外周
面までを、円筒状のもれ防止用ゴム51が被覆する。ゴ
ムバンド52でもれ防止用ゴム51を締め付けることに
より、もれ防止用ゴム51が、注入口10の先端の外周
面及び外管45の外周面に密着する。 【0026】パルスチューブ冷凍機21を運転すること
により、コールドヘッド38が絶対温度74K程度まで
冷却される。蒸発した窒素ガスが、内管42内を通り再
液化室40まで輸送される。再液化室40内の窒素ガス
は再度液化され、内管42内を経由して液化ガス貯蔵槽
2内に戻される。 【0027】第1の実施例による再液化装置では、内管
42のうち注入口10の外側の部分及び真空ベローズ4
3の周囲が真空に保たれている。さらに、真空引きされ
ている間隙47が注入口10の内部まで挿入されてい
る。このため、外部から内管42内への熱侵入を低減す
ることができる。 【0028】また、第1の実施例では、再液化装置20
が、真空容器1に設けられた支持面16により支持され
ている。大掛かりな支持機構が不要であるため、液化ガ
ス貯蔵装置の小型化を図ることが可能になる。 【0029】第1の実施例による再液化装置20の内管
42及び外管45は、ほぼ鉛直になるように配置するこ
とが好ましい。鉛直配置とすることにより、再液化され
た液化ガスを効率的に液化ガス貯蔵槽内に戻すことがで
きる。なお、内管42の軸方向と鉛直方向とのなす角度
が20°以下であれば、内管42の軸方向を鉛直にした
場合と同等の効果が得られるであろう。 【0030】第1の実施例では、気化した窒素ガスが内
管42内を上昇するとともに、再液化した液化窒素が内
管42内を下降する。窒素ガスの上昇流の流速が速くな
ると、内管42内を下降しようとする液化窒素が巻き上
げられ、液化ガス貯蔵槽まで到達できなくなる。この現
象は、フラッディング(flooding)現象と呼ば
れる。フラッディング現象が発生すると、再液化装置が
正常に機能しなくなる。 【0031】内管42の内径を細くしすぎるとフラッデ
ィング現象が生じ易くなる。次に、内管42の太さの好
適な範囲について説明する。 【0032】図3は、内管42の内径を変えた時の、内
管42内の窒素ガスの流速及び液化窒素の最大再液化速
度を示す。横軸は内管の内径を単位mmで表し、右縦軸
は窒素ガスの流速を単位m/sで表し、左縦軸は最大再
液化速度を単位cm3/時で表す。図中の白四角が大気
圧下飽和窒素蒸気の流速を示し、黒丸が最大再液化速度
を示す。 【0033】以下、図3に示すデータの測定方法につい
て説明する。まず、内管42として内径12mmのもの
を使用した。液化ガス貯蔵槽2の内部を大気に開放し、
液面計12によって液化ガス貯蔵槽2からの固有蒸発量
Q1を測定する。固有蒸発量Q1は、外部雰囲気からの
熱侵入及び理化学機器5からの発熱により、液化ガス貯
蔵槽2から定常的に蒸発する液化ガスの量である。 【0034】冷凍機21の運転を開始する。再液化室4
0内の温度が77K以下になると、蒸発した窒素ガスの
再液化が始まる。このため、再液化室40内の温度は7
7Kよりもやや低い温度で一定になる。液化ガス貯蔵槽
2を密閉し、内部の圧力を圧力計13で測定する。再液
化が進むと、液化ガス貯蔵槽2内の圧力が低下する。こ
の圧力が大気圧にほぼ等しくなるように電気ヒータ4に
供給する電力を調節する。 【0035】液化ガス貯蔵槽2内の圧力が安定し、かつ
大気圧にほぼ等しい状態の時の電気ヒータ4への供給電
力を記録する。大気圧下の液化窒素の蒸発潜熱は19
8.64J/gである。電気ヒータ4への供給電力と蒸
発潜熱とから、電気ヒータ4によって強制的に蒸発させ
た液化窒素の量Q2を求める。例えば、供給電力が10
Wである場合、強制蒸発量Q2は、181.23g/h
である。大気圧下の飽和液化窒素の密度は0.8086
1g/cm3であるから、強制蒸発量Q2の基準となる
単位を質量から容積に換算すると、強制蒸発量Q2は2
24.13cm3/hになる。 【0036】図3に示す最大再液化速度は、Q1+Q2
で与えられる。内管42の内径を9mm、7mm、及び
5mmとして同様の測定を行う。これらの場合の最大再
液化速度は、図3に示すように約300cm3/hであ
った。内管42の内径が5mm以上の範囲では、内径を
太くしても再液化速度は大きくならない。これは、冷凍
機21の冷凍能力によって律速されているためと考えら
れる。冷凍機21の冷凍能力がより高い場合には、内管
42の内径を5mm以上にすると、最大再液化速度は3
00cm3/hよりも大きくなると考えられる。 【0037】フラッディング現象が発生すると、再液化
室40の温度が徐々に低下するとともに、液化ガス貯蔵
槽2内の圧力が上昇する。この圧力の上昇を圧力計13
で検出することにより、フラッディング現象発生の有無
を判断することができる。 【0038】内管42の内径を5mm以上にしている場
合には、フラッディング現象は発生しなかった。内管4
2の内径を3.8mmにすると、フラッディング現象の
発生が観測された。この場合の最大再液化速度は、冷凍
機21の能力によって制限されるのではなく、内管42
の内径によって制限される。次に、内管42の内径を
3.8mm、2.7mm、及び2mmとした場合の、最
大再液化速度の測定方法を説明する。 【0039】まず、冷凍機21の動作圧力を変化させる
ことによって冷凍能力を徐々に低下させる。冷凍能力を
下げ過ぎると、液化ガス貯蔵槽2内の圧力が徐々に上昇
する。冷凍能力が高く、かつ電気ヒータ4の発熱量が一
定値を超えると、フラッディング現象が発生してしま
う。電気ヒータ4に供給する電力と冷凍機21の冷凍能
力を微調整しながら、フラッディング現象が発生する直
前の冷凍能力と電気ヒータ4に供給する電力を見つけ出
す。 【0040】電気ヒータ4に供給する電力から強制蒸発
量Q2が求まる。この場合も、蒸発量Q1+Q2が、最
大再液化速度に相当する。 【0041】次に、内管42内の窒素ガスの流速の求め
方について説明する。大気圧下では、窒素の飽和液密度
は0.80861g/cm3であり、飽和蒸気密度は
0.004612g/cm3である。再液化室40内で
再液化された窒素ガスは、すべて内管42内を上昇する
窒素ガスにより補給される。このため、内管42内を上
昇する窒素ガスの質量流量は、内管42内を下降する液
化窒素の質量流量に等しい。この質量流量は、再液化速
度に飽和液密度を乗じることにより求まる。 【0042】求まった質量流量を飽和蒸気密度で除する
ことにより、窒素ガスの体積流量が求まる。体積流量を
内管42の流路の断面積で除することにより、窒素ガス
の流速が求まる。ここまでの計算で求まった流速の単位
はcm/hである。この流速の単位をm/sに換算した
ものが図3の右縦軸に示す流速に相当する。 【0043】図3に示すように、最大再液化速度が冷凍
機21の能力によって律速されている場合は、内管42
の内径が大きくなるに従って窒素ガスの流速が低下す
る。最大再液化速度が、内管42の内径によって律速さ
れている場合には、窒素ガスの流速は約1.2m/sと
なる。これは、内管42の内径の大きさにかかわらず、
窒素ガスの流速が1.2m/sを超えるとフラッディン
グ現象が発生することを意味する。 【0044】このことから、内管42の内径を下記の方
法で決定すればよいことがわかる。まず、液化ガス貯蔵
槽内の液化ガスの単位時間あたりの大気圧下飽和蒸気換
算での蒸発量v[cm3/h]を予測する。蒸発したガ
スが内管42内を上昇する時の流速が1.2m/s以下
になるように内管42の通路の断面積を決定する。すな
わち、通路の断面積をS[cm2]としたとき、 【0045】 【数3】v/S≦1.2[m/s]×100[cm/m]×
3600[s/h] S≧v/432000 を満たすようにすればよい。このように設計することに
より、フラッディング現象を起こすことなく、予測され
ている蒸発量に相当する窒素ガスを再液化することがで
きる。なお、予測蒸発量vとして、実際に予測される蒸
発量に所定の安全係数、例えば1.2を乗じたものを用
いてもよい。 【0046】次に、図4を参照して本発明の第2の実施
例について説明する。ここでは、図2に示す第1の実施
例による再液化装置との相違点についてのみ説明する。 【0047】第1の実施例では、コールドヘッド38と
再液化室容器39とにより再液化室40が画定されてい
たが、第2の実施例では、再液化室容器39aのみによ
り再液化室40が画定されている。再液化室容器39a
がコールドヘッド38に熱的に結合している。このよう
な構成とすることにより、冷凍機21を再液化室40か
ら容易に取り外すことが可能になる。 【0048】再液化室40に、第1の内管42aと第2
の内管42bとが接続されている。第1の実施例の場合
には真空ベローズを介して内管42と再液化室40とが
接続されていたが、第2の実施例では、真空ベローズを
介することなく両者が直接接続される。第1の内管42
a及び第2の内管42bの一部は、ともに外管45で包
まれている。 【0049】図4において、第1の内管42a、第2の
内管42b、及び外管45の一部が傾斜しているのは、
図1に示す真空容器1の注入口10の近傍に、再液化装
置20を設置するのに十分なスペースが確保されていな
い場合を考慮したためである。なお、再液化された液化
ガスを効率的に液化ガス貯蔵槽2内に戻すために、傾斜
部分の軸方向と鉛直方向とのなす角度を20°以下とす
ることが好ましい。 【0050】第2の内管42bは、第1の内管42aよ
りも深い位置まで挿入されている。液化ガス貯蔵槽2内
に液化ガスを貯蔵する際には、第2の内管42bの先端
が液化ガスの液面下まで達し、第1の内管42aの先端
が液面まで達しないようにされる。このため、蒸発した
液化ガスは、第1の内管42aを通って再液化室40内
に輸送される。 【0051】第1の内管42aの、再液化室40側の先
端は、再液化室40の底面からやや突出している。この
ため、再液化室40内で再液化された液化ガスは、第1
の内管42a内には流れ込まず、第2の内管42b内に
流れ込む。このように、液化ガスの蒸気輸送用の第1の
内管42aを、液化ガス輸送用の第2の内管42bから
分離させている。このため、フラッディング現象の発生
を防止することができる。 【0052】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。 【0053】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型かつ取り扱いに便利な再液化装置が提供される。ま
た、フラッディング現象を起こさせないための設計指針
が与えられる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquefied gas storage device and a re-liquefaction device, and more particularly to a re-liquefaction device for re-liquefying vapor vaporized from a liquefied state and returning it to a storage tank. The present invention relates to a liquefied gas storage device and a reliquefaction device having: 2. Description of the Related Art Liquefied gas is used in precision physical and chemical instruments such as NMR and electron microscopes to ensure a low-temperature environment. Here, the liquefied gas means a liquid state liquefied by cooling a gas in a gaseous state at normal temperature. In order to maintain a low temperature environment, it is necessary to replenish an amount of liquefied gas corresponding to the liquefied gas reduced by evaporation. In order to eliminate the need for liquefied gas replenishment,
A technique for reliquefying a vaporized liquefied gas is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-32
No. 7171 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-24647. In the reliquefaction apparatus disclosed in these publications, a liquefied gas storage tank and a low-temperature generation section of a cryogenic refrigerator are
Connect with a flexible heat insulating tube. When the evaporated liquefied gas reaches the low-temperature generation section through the heat insulating pipe, it is liquefied again here. The reliquefied liquefied gas returns to the liquefied gas storage tank through the heat insulating pipe. Since the heat insulating pipe has flexibility, it is possible to prevent the vibration generated by the cryogenic refrigerator from being transmitted to the liquefied gas storage tank. [0004] In the above-mentioned conventional reliquefaction apparatus, it is necessary to support the refrigerator with supporting means other than the liquefied gas storage tank. Also, because the heat insulation pipe becomes longer,
Heat easily penetrates, and the reliquefaction efficiency decreases. Another object of the present invention is to provide a reliquefaction method capable of suppressing the occurrence of a flooding phenomenon. According to one aspect of the present invention, a storage pipe for storing liquefied nitrogen is provided with a transport pipe communicating with a cooled reliquefaction chamber, whereby the storage tank is inserted. A method of reliquefying liquefied nitrogen that evaporates in the transport pipe, ascends in the transport pipe, liquefies the nitrogen gas that has reached the reliquefaction chamber, and returns to the storage tank through the transport pipe. Estimating the amount of evaporation v [cm 3 / h] of saturated liquefied nitrogen per unit time in terms of saturated vapor pressure under atmospheric pressure,
As the transport pipe, the cross-sectional area of the gas passage is S [cm
2 ], a step of reliquefying the liquefied nitrogen using a tube satisfying S ≧ v / 432000 is provided. By using a transport pipe satisfying this condition, the occurrence of the flooding phenomenon can be suppressed. FIG. 1 is a sectional view of a liquefied gas storage device according to a first embodiment of the present invention. . In a vacuum vessel 1, a physicochemical apparatus 5 and a liquefied gas storage tank 2 operating in a low-temperature environment are arranged. The liquefied gas storage tank 2 surrounds the physics and chemistry equipment 5. In the liquefied gas storage tank 2,
Liquefied nitrogen 3 is filled. An opening 6 for carrying in / out the device is formed in the vacuum vessel 1. The opening 6 is a lid 7
It is airtightly closed. The liquefied gas storage tank 2 is provided with an inlet 10 for injecting a liquefied gas and an opening 11 for inserting a measuring instrument. In the opening 11, a liquid level gauge 12, a pressure gauge 1
3, and a pressure regulating valve 14 are attached. In addition,
In order to artificially control the amount of evaporation of the liquefied gas, an electric heater 4 is arranged in the liquefied gas storage tank 2. At the inlet 10, a reliquefaction device 20 is attached. The detailed configuration of the reliquefaction apparatus 20 will be described later with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. The reliquefaction apparatus 20 includes a pulse tube refrigerator 21. The gas compressor 22 periodically repeats supply and recovery of the refrigerant gas to the pulse tube refrigerator 21 via the connection pipe 23. At the hot end of the pulse tube of the pulse tube refrigerator 21, an orifice 24
Is connected to the reservoir tank 25 via the. This makes it possible to improve the refrigeration capacity. The connecting pipe 23 has flexibility. Therefore, it is possible to prevent the vibration generated in the gas compressor 22 from being transmitted to the pulse tube refrigerator 21. Since the pulse tube refrigerator 21 has no moving parts such as a piston, the vibration generated by the reliquefaction apparatus 20 itself is small. FIG. 2 is a sectional view of the reliquefaction apparatus according to the first embodiment. The low-temperature end of the pulse tube refrigerator 21
The vacuum container 35 is inserted into the inside of the vacuum container 35 through the opening.
The high-temperature end of the pulse tube refrigerator 21 is arranged outside the vacuum vessel 35. The lid 36 closes the opening of the vacuum container 35, and the airtightness in the vacuum container 35 is maintained. The vacuum vessel 35 includes a support 33 and a fastener 31.
Are supported by the vacuum vessel 1. A support surface 16 having physical supporting force is defined around the inlet 10 of the vacuum vessel 1. The fastener 31 defines a supported surface 30 having a shape that matches the support surface 16. Supported surface 3
By aligning 0 with the support surface 16, the fastener 31 is stably supported by the vacuum vessel 1. The support surface 16 and the supported surface 30 have, for example, rotationally symmetric shapes with respect to a common axis. With such a rotationally symmetric shape, the relative positions of the two can be easily fixed stably. A flexible film 32 is inserted between the support surface 16 and the supported surface 30. By inserting the membrane 32, the fastening of the fastener 31 can be stabilized and the transmission of vibration can be suppressed. The film 32 is formed of, for example, rubber or a foam material. A cold head 38 made of copper is attached to the low temperature end of the pulse tube refrigerator 21. A reliquefaction chamber 40 is defined by the cold head 38 and the copper reliquefaction chamber container 39. Fins or grooves are formed in portions of the cold head 38 that define the inner surface of the reliquefaction chamber 40. Thereby, heat transfer efficiency is enhanced. The inner pipe 42 is connected to the reliquefaction chamber container 39 via the vacuum bellows 43, and the space inside the inner pipe 42 communicates with the reliquefaction chamber 40. Outer tube 45 is vacuum bellows 4
6 is connected to the vacuum container 35. The inner tube 42 and the outer tube 45 are both formed of stainless steel. Outer tube 45
Is arranged so as to wrap a part of the inner tube 42, and the vacuum bellows 46 is arranged so as to wrap the vacuum bellows 43. A gap 47 is defined between the outer peripheral surface of the inner tube 42 and the inner peripheral surface of the outer tube 45. The gap 47 communicates with a space in the vacuum vessel 35 via a space between the vacuum bellows 46 and the vacuum bellows 43. The tip of the outer tube 45 is welded to the outer peripheral surface of the inner tube 42. Thereby, the airtightness of the space in the vacuum container 35 and the gap 47 is maintained. The vacuum bellows 43 and 46 prevent the vibration of the pulse tube refrigerator 21 from being transmitted to the inner tube 42 and the outer tube 45. The inlet 10 defines an elongated cylindrical space that connects the space inside the liquefied gas storage tank 2 and the outside space. A part of the outer tube 45 and a part of the inner tube 42 are inserted into the inlet 10 of the vacuum vessel 1. An O-ring 50 is loaded between the tip of the opening of the inlet 10 and a step formed on the outer peripheral surface of the outer tube 45, and the airtightness of the space in the liquefied gas storage tank 2 is maintained. Further, the cylindrical leakage prevention rubber 51 covers the outer peripheral surface near the distal end of the inlet 10 to the outer peripheral surface of the outer tube 45 located outside the inlet 10. By tightening the rubber 51 for preventing leakage with the rubber band 52, the rubber 51 for preventing leakage comes into close contact with the outer peripheral surface of the tip of the inlet 10 and the outer peripheral surface of the outer tube 45. By operating the pulse tube refrigerator 21, the cold head 38 is cooled down to an absolute temperature of about 74K. The evaporated nitrogen gas is transported through the inner pipe 42 to the reliquefaction chamber 40. The nitrogen gas in the reliquefaction chamber 40 is again liquefied and returned to the liquefied gas storage tank 2 via the inner pipe 42. In the reliquefaction apparatus according to the first embodiment, the portion of the inner pipe 42 outside the inlet 10 and the vacuum bellows 4
The circumference of 3 is kept in a vacuum. Further, a evacuated gap 47 is inserted to the inside of the inlet 10. For this reason, heat intrusion from the outside into the inner tube 42 can be reduced. In the first embodiment, the reliquefaction apparatus 20
Are supported by a support surface 16 provided on the vacuum vessel 1. Since a large-scale support mechanism is not required, the size of the liquefied gas storage device can be reduced. The inner pipe 42 and the outer pipe 45 of the reliquefaction apparatus 20 according to the first embodiment are preferably arranged so as to be substantially vertical. With the vertical arrangement, the reliquefied liquefied gas can be efficiently returned into the liquefied gas storage tank. If the angle between the axial direction of the inner tube 42 and the vertical direction is 20 ° or less, the same effect as when the axial direction of the inner tube 42 is vertical will be obtained. In the first embodiment, the vaporized nitrogen gas rises in the inner pipe 42, and the reliquefied liquefied nitrogen falls in the inner pipe 42. When the flow rate of the ascending flow of the nitrogen gas is increased, the liquefied nitrogen which is going to descend in the inner pipe 42 is wound up and cannot reach the liquefied gas storage tank. This phenomenon is called a flooding phenomenon. When the flooding phenomenon occurs, the reliquefaction device does not function properly. If the inner diameter of the inner tube 42 is too small, a flooding phenomenon is likely to occur. Next, a preferred range of the thickness of the inner tube 42 will be described. FIG. 3 shows the flow rate of nitrogen gas and the maximum reliquefaction rate of liquefied nitrogen in the inner tube 42 when the inner diameter of the inner tube 42 is changed. The horizontal axis represents the inner diameter of the inner tube in mm, the right vertical axis represents the nitrogen gas flow rate in m / s, and the left vertical axis represents the maximum reliquefaction rate in cm 3 / hour. In the figure, open squares indicate the flow rate of saturated nitrogen vapor under atmospheric pressure, and solid circles indicate the maximum reliquefaction rate. Hereinafter, a method of measuring the data shown in FIG. 3 will be described. First, an inner tube having an inner diameter of 12 mm was used. Open the interior of the liquefied gas storage tank 2 to the atmosphere,
The specific evaporation amount Q1 from the liquefied gas storage tank 2 is measured by the liquid level meter 12. The intrinsic evaporation amount Q1 is the amount of the liquefied gas that constantly evaporates from the liquefied gas storage tank 2 due to heat intrusion from the external atmosphere and heat generation from the physical and chemical equipment 5. The operation of the refrigerator 21 is started. Reliquefaction room 4
When the temperature in 0 becomes 77K or less, reliquefaction of the evaporated nitrogen gas starts. Therefore, the temperature in the reliquefaction chamber 40 is 7
It becomes constant at a temperature slightly lower than 7K. The liquefied gas storage tank 2 is sealed, and the internal pressure is measured with a pressure gauge 13. As the reliquefaction proceeds, the pressure in the liquefied gas storage tank 2 decreases. The power supplied to the electric heater 4 is adjusted so that this pressure becomes substantially equal to the atmospheric pressure. The power supplied to the electric heater 4 when the pressure in the liquefied gas storage tank 2 is stable and substantially equal to the atmospheric pressure is recorded. The latent heat of vaporization of liquefied nitrogen under atmospheric pressure is 19
8.64 J / g. From the electric power supplied to the electric heater 4 and the latent heat of evaporation, an amount Q2 of liquefied nitrogen forcibly evaporated by the electric heater 4 is obtained. For example, if the supply power is 10
In the case of W, the forced evaporation amount Q2 is 181.23 g / h
It is. The density of saturated liquefied nitrogen under atmospheric pressure is 0.8086
Since the unit used as a reference for the forced evaporation amount Q2 is converted from mass to volume, the forced evaporation amount Q2 is 2 g / cm 3.
24.13 cm 3 / h. The maximum reliquefaction rate shown in FIG. 3 is Q1 + Q2
Given by The same measurement is performed by setting the inner diameter of the inner tube 42 to 9 mm, 7 mm, and 5 mm. The maximum reliquefaction rate in these cases was about 300 cm 3 / h as shown in FIG. When the inner diameter of the inner tube 42 is 5 mm or more, the reliquefaction rate does not increase even if the inner diameter is made larger. This is probably because the speed is controlled by the refrigerating capacity of the refrigerator 21. When the refrigerating capacity of the refrigerator 21 is higher, if the inner diameter of the inner pipe 42 is set to 5 mm or more, the maximum reliquefaction rate becomes 3
It is considered to be larger than 00 cm 3 / h. When the flooding phenomenon occurs, the temperature of the reliquefaction chamber 40 gradually decreases, and the pressure in the liquefied gas storage tank 2 increases. This rise in pressure is measured with a pressure gauge 13
, The presence or absence of the occurrence of the flooding phenomenon can be determined. When the inner diameter of the inner tube 42 was 5 mm or more, no flooding phenomenon occurred. Inner tube 4
When the inner diameter of No. 2 was 3.8 mm, the occurrence of the flooding phenomenon was observed. The maximum reliquefaction rate in this case is not limited by the capacity of the refrigerator 21 but is limited by the inner pipe 42.
Is limited by the inside diameter of Next, a method of measuring the maximum reliquefaction rate when the inner diameter of the inner tube 42 is 3.8 mm, 2.7 mm, and 2 mm will be described. First, the refrigeration capacity is gradually reduced by changing the operating pressure of the refrigerator 21. When the refrigeration capacity is excessively reduced, the pressure in the liquefied gas storage tank 2 gradually increases. If the refrigerating capacity is high and the amount of heat generated by the electric heater 4 exceeds a certain value, a flooding phenomenon occurs. While finely adjusting the power supplied to the electric heater 4 and the refrigerating capacity of the refrigerator 21, the refrigerating capacity and the power supplied to the electric heater 4 immediately before the occurrence of the flooding phenomenon are found. From the electric power supplied to the electric heater 4, a forced evaporation amount Q2 is obtained. Also in this case, the evaporation amount Q1 + Q2 corresponds to the maximum reliquefaction rate. Next, how to determine the flow rate of the nitrogen gas in the inner pipe 42 will be described. At atmospheric pressure, the saturated liquid density of nitrogen is 0.80861 g / cm 3 and the saturated vapor density is 0.004612 g / cm 3 . The nitrogen gas reliquefied in the reliquefaction chamber 40 is all replenished by the nitrogen gas rising in the inner pipe 42. Therefore, the mass flow rate of the nitrogen gas rising in the inner pipe 42 is equal to the mass flow rate of the liquefied nitrogen descending in the inner pipe 42. This mass flow rate is determined by multiplying the reliquefaction rate by the saturated liquid density. By dividing the obtained mass flow rate by the saturated vapor density, the volume flow rate of the nitrogen gas is obtained. By dividing the volume flow rate by the cross-sectional area of the flow path of the inner pipe 42, the flow rate of the nitrogen gas is determined. The unit of the flow velocity obtained by the calculation so far is cm / h. A value obtained by converting the unit of the flow rate to m / s corresponds to the flow rate shown on the right vertical axis of FIG. As shown in FIG. 3, when the maximum reliquefaction rate is limited by the capacity of the refrigerator 21, the inner pipe 42
As the inner diameter of the gas becomes larger, the flow rate of the nitrogen gas decreases. When the maximum reliquefaction rate is controlled by the inner diameter of the inner pipe 42, the flow rate of the nitrogen gas is about 1.2 m / s. This is regardless of the size of the inner diameter of the inner tube 42.
If the flow rate of the nitrogen gas exceeds 1.2 m / s, it means that the flooding phenomenon occurs. From this, it is understood that the inner diameter of the inner pipe 42 may be determined by the following method. First, the evaporation amount v [cm 3 / h] of the liquefied gas in the liquefied gas storage tank per unit time in terms of saturated vapor under atmospheric pressure is predicted. The cross-sectional area of the passage of the inner pipe 42 is determined so that the flow rate when the evaporated gas rises inside the inner pipe 42 is 1.2 m / s or less. That is, assuming that the sectional area of the passage is S [cm 2 ], v / S ≦ 1.2 [m / s] × 100 [cm / m] ×
It is sufficient to satisfy 3600 [s / h] S ≧ v / 432000. By designing in this way, it is possible to reliquefy the nitrogen gas corresponding to the predicted evaporation amount without causing the flooding phenomenon. Note that the predicted evaporation amount v may be a value obtained by multiplying the actually predicted evaporation amount by a predetermined safety coefficient, for example, 1.2. Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, only differences from the reliquefaction apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 2 will be described. In the first embodiment, the reliquefaction chamber 40 is defined by the cold head 38 and the reliquefaction chamber container 39. However, in the second embodiment, the reliquefaction chamber 40 is defined only by the reliquefaction chamber container 39a. Is defined. Reliquefaction chamber container 39a
Are thermally coupled to the cold head 38. With such a configuration, the refrigerator 21 can be easily removed from the reliquefaction chamber 40. In the reliquefaction chamber 40, the first inner pipe 42a and the second
Is connected to the inner tube 42b. In the case of the first embodiment, the inner pipe 42 and the reliquefaction chamber 40 are connected via the vacuum bellows, but in the second embodiment, both are directly connected without the use of the vacuum bellows. First inner tube 42
a and a part of the second inner tube 42b are both wrapped by the outer tube 45. In FIG. 4, the first inner pipe 42a, the second inner pipe 42b, and a part of the outer pipe 45 are inclined because:
This is because a case where a sufficient space for installing the reliquefaction apparatus 20 is not secured near the injection port 10 of the vacuum vessel 1 shown in FIG. Note that, in order to efficiently return the reliquefied liquefied gas into the liquefied gas storage tank 2, the angle between the axial direction of the inclined portion and the vertical direction is preferably 20 ° or less. The second inner tube 42b is inserted to a position deeper than the first inner tube 42a. When the liquefied gas is stored in the liquefied gas storage tank 2, the tip of the second inner pipe 42 b reaches below the liquid level of the liquefied gas and the tip of the first inner pipe 42 a does not reach the liquid level. Is done. Therefore, the evaporated liquefied gas is transported into the reliquefaction chamber 40 through the first inner pipe 42a. The tip of the first inner pipe 42 a on the side of the reliquefaction chamber 40 slightly protrudes from the bottom surface of the reliquefaction chamber 40. For this reason, the liquefied gas reliquefied in the reliquefaction chamber 40 is the first gas.
Does not flow into the inner pipe 42a, but flows into the second inner pipe 42b. As described above, the first inner pipe 42a for transporting the vapor of the liquefied gas is separated from the second inner pipe 42b for transporting the liquefied gas. For this reason, the occurrence of the flooding phenomenon can be prevented. The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made. As described above, according to the present invention,
A reliquefaction apparatus that is small and convenient to handle is provided. In addition, a design guide for preventing the flooding phenomenon is provided.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の第1の実施例による液化ガス貯蔵装置
の概略断面図である。 【図2】第1の実施例による再液化装置の断面図であ
る。 【図3】第1の実施例による再液化装置を用いて液化窒
素の再液化を行う場合の、最大再液化速度及び窒素ガス
の流速を、内管の内径の関数として示すグラフである。 【図4】第2の実施例による再液化装置の断面図であ
る。 【符号の説明】 1 真空容器 2 液化ガス貯蔵槽 3 液化窒素 4 電気ヒータ 5 理化学機器 6 開口部 7 蓋 10 注入口 11 開口部 12 液面計 13 圧力計 14 圧力調整弁 16 支持面 20 再液化装置 21 パルスチューブ冷凍機 22 ガス圧縮機 23 連結管 24 オリフィス 25 リザーバタンク 30 被支持面 31 留め具 32 膜 33 支柱 35 真空容器 36 蓋 38 コールドヘッド 39 再液化室形成部材 40 再液化室 42 内管 43、46 真空ベローズ 45 外管 47 間隙 50 Oリング 51 もれ防止用ゴム 52 ゴムバンド
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic sectional view of a liquefied gas storage device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of the reliquefaction apparatus according to the first embodiment. FIG. 3 is a graph showing the maximum reliquefaction rate and the flow rate of nitrogen gas as a function of the inner diameter of the inner tube when reliquefying liquefied nitrogen using the reliquefaction apparatus according to the first embodiment. FIG. 4 is a sectional view of a reliquefaction apparatus according to a second embodiment. [Description of Signs] 1 vacuum vessel 2 liquefied gas storage tank 3 liquefied nitrogen 4 electric heater 5 physicochemical equipment 6 opening 7 lid 10 inlet 11 opening 12 liquid level gauge 13 pressure gauge 14 pressure regulating valve 16 support surface 20 reliquefaction Apparatus 21 Pulse tube refrigerator 22 Gas compressor 23 Connecting pipe 24 Orifice 25 Reservoir tank 30 Supported surface 31 Fastener 32 Membrane 33 Support post 35 Vacuum container 36 Cover 38 Cold head 39 Reliquefaction chamber forming member 40 Reliquefaction chamber 42 Inner pipe 43, 46 Vacuum bellows 45 Outer tube 47 Gap 50 O-ring 51 Leak prevention rubber 52 Rubber band

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−73264(JP,A) 特開 昭61−38363(JP,A) 特開 平11−63766(JP,A) 実開 平1−109795(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25B 9/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-60-73264 (JP, A) JP-A-61-38363 (JP, A) JP-A-11-63766 (JP, A) 109795 (JP, U) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) F25B 9/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 液化窒素を貯蔵する貯蔵槽内に、冷却さ
れた再液化室に連通する輸送管を挿入することにより、
前記貯蔵槽内で蒸発し、前記輸送管内を上昇し、前記再
液化室まで到達した窒素ガスを液化して、前記輸送管を
通して前記貯蔵槽内に戻す液化窒素の再液化方法であっ
て、 前記貯蔵槽内の液化窒素の単位時間あたりの大気圧下飽
和蒸気圧換算での蒸発量v[cm3/h]を予測する工
程と、 前記輸送管として、その気体の通路の断面積をS[cm
2]としたとき、 【数1】S≧v/432000 を満たす管を用いて液化窒素の再液化を行う工程とを有
する液化窒素の再液化方法。
(57) [Claim 1] By inserting a transport pipe communicating with a cooled reliquefaction chamber into a storage tank for storing liquefied nitrogen,
A method of reliquefying liquefied nitrogen that evaporates in the storage tank, rises in the transport pipe, liquefies the nitrogen gas that has reached the reliquefaction chamber, and returns to the storage tank through the transport pipe. A step of predicting an evaporation amount v [cm 3 / h] of a liquefied nitrogen in a storage tank in terms of a saturated vapor pressure under an atmospheric pressure per unit time; cm
2 ], a step of re-liquefying the liquefied nitrogen using a tube satisfying S ≧ v / 432000.
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