JP3581425B2 - スラッシュ水素の製造方法及び装置 - Google Patents
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、宇宙ロケットエンジンの燃料等に用いられる、液体水素と固体水素が共存した状態の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】
従来のスラッシュ水素の地上での製造方法としては以下の３つのやり方があった。
【０００３】
（１）スプレー法：
図３にスプレー法によるスラッシュ水素製造の原理を示している。低温容器１内を真空ポンプ１４により予め５０ｔｏｒｒ以下の圧力に減圧する。減圧された容器１の中に、液化水素容器９から液化水素１５を噴霧すると、液滴は蒸発潜熱を奪われて固体水素３となる。この状態を（ａ）図が示している。ある程度の固体水素３がたまった後、（ｂ）図のように低温容器１中に、３重点水素容器１２から３重点水素１６を充填しスラッシュ水素４を得る。
【０００４】
（２）冷凍−融解法：
図４に冷凍−融解法によるスラッシュ水素製造の原理を示している。液化水素１５を充填した低温容器１を真空ポンプ１４で排気し続けると、液化水素１５は蒸発潜熱を奪われて温度低下し、ついには３重点に達した後、液面に固体水素３を生成する。この状態を（ａ）図が示している。
【０００５】
ここで真空ポンプ１４は運転のまま、バルブ１７を閉じると、（ｂ）図のように固体水素３は砕けながら液中に沈む。その後、バルブ１７の開閉を継続することにより、（ｃ）図に示すようにスラッシュ水素４を得る。
【０００６】
（３）Ｈｅ冷凍法：
図５にＨｅ冷凍法によるスラッシュ水素製造の原理を示している。低温容器１中には液化水素１５が充填されており、その中に熱交換器１１が設置されている。熱交換器１１にＨｅ冷凍装置１８から１３Ｋ以下の低温ヘリウムガスを供給すると、液化水素１５は熱交換器１１の表面で固化する。これをドリル１９で削り落とし、これを継続することにより、スラッシュ水素４を得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来のスラッシュ水素製造法には、それぞれ、次のような問題点があった。
まず、図３のスプレー法では、減圧された容器に水素を入れるため、その容器内に外部から空気が混入する危険がある。
【０００８】
また、図４の冷凍−融解法では、水素が入っている容器を減圧するため、その容器内に空気が混入する危険性がある。その上、この方法で得られるスラッシュ水素中の固体水素の粒子が不均一で大きいという欠点がある。
【０００９】
次に、図５のＨｅ冷凍法では、得られるスラッシュ水素中の固体水素の粒子が不均一で大きいという欠点と、使用する設備として特殊な熱交換器を必要とするという問題がある。
【００１０】
本発明は、従来のスラッシュ水素の製造方法にみられた前記欠点を除くため、水素の入った容器を減圧することなしに、均一で微細な固体水素粒子からなるスラッシュ水素が得られるスラッシュ水素の製造方法を提供することを課題としている。
【００１１】
本発明はまた、前記したスラッシュ水素の製造方法を効率的に実施するためのスラッシュ水素製造装置を提供することをもその課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び方法】
本発明は、前記課題を解決するため、液化ヘリウム中に水素ガスを吹き込んで固体水素を生成させ、生成された固体水素に３重点液化水素を混合してスラッシュ水素を得るスラッシュ水素の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明によるスラッシュ水素の製造方法において、容器内の液化ヘリウム中に吹き込まれた水素ガスは、温度差のために固化し、一方、ヘリウムは蒸発する。気化したヘリウムを容器外に排出しつゝこれを継続すると、容器の中はほとんどが固体水素となる。ここで３重点液化水素を容器に充填すると、スラッシュ水素が得られる。
【００１４】
以上の操作は常時、大気圧以上の圧力状態のもとに行えるので、水素が入った容器内が空気で汚染されるおそれが小さく、また、得られるスラッシュ水素中の固体水素は液体ヘリウムによる急冷のために均一で微細な粒子からなっている。
【００１５】
次に、本発明は前記した本発明のスラッシュ水素製造方法を効率的に実施するための装置として液化ヘリウムを受入れると共に水素ガスが吹き込まれるスラッシュ水素製造容器、水素ガスを液化する水素液化装置、及びその水素液化装置で得られた液化水素を前記スラッシュ水素製造容器から出るヘリウムガスによって冷却して３重点液化水素を生成する熱交換器を有し、その熱交換器を出たヘリウムガスを前記水素液化装置で水素冷却に用いると共に、前記熱交換器で生成された３重点液化水素を前記スラッシュ水素製造容器に充填するよう構成したスラッシュ水素製造装置を提供する。
【００１６】
本発明のこの装置によれば気化したヘリウムガスが保有する低温を熱交換器において３重点液化水素の生成に用いると共にこの熱交換器を出たヘリウムガスの低温を水素液化装置で水素冷却に活用したのち再び液化ヘリウムの原料として再利用し、前記熱交換器で生成された３重点液化水素は前記スラッシュ水素製造容器に充填して効率的なスラッシュ水素の製造を行うことができる。
【００１７】
【実施例】
まず、図１によって本発明のスラッシュ水素製造方法及び装置の原理について説明する。
（ａ）図のように、低温容器１に大気圧状態で貯蔵された液化ヘリウム２の中に、（ｂ）図に示すように容器下部より、水素ガスを吹き込む。液化ヘリウム２（温度約４ｋ）との熱交換により水素ガスは固体水素３（固化温度約１４ｋ）に相変化し、液化ヘリウム２は蒸発する。水素ガス吹き込み操作を継続的に行うことにより、（ｃ）図のように、低温容器１内は、ほぼ全てが固体水素３となる。
【００１８】
その後、（ｄ）図に示すように低温容器１内に３重点液化水素（温度約１４ｋ）を注入して固体水素３と混合させることにより、スラッシュ水素４を得ることができる。ここで、液化ヘリウム２中に吹き込まれたガス水素の気泡は瞬間的に固化し、その体積は１／１０００以下となるため、非常に微細な粒径の固体水素３を生成する。
【００１９】
なお、液化ヘリウム２が低温容器１中にほとんど無くなったことは、容器の気相部に設けた温度センサ５の出力がヘリウムの大気圧の飽和温度（約４ｋ）から上昇を開始する点をもって知ることが出来る。
本発明によるスラッシュ水素の製造方法及び装置では、以上説明した原理でスラッシュ水素を得ることができる。
【００２０】
次に、本発明によるスラッシュ水素製造方法の実施の一態様及び本発明の一実施例によるスラッシュ水素製造装置を図２に基づいて具体的に説明する。
図２は本発明による方法を実施するためのスラッシュ水素製造装置の系統図である。スラッシュ水素の製造原理は図１に基づいて説明したとおりであるが、図２に示すやり方では、各種付帯装置と組み合わせることによってスラッシュ水素生産効率の向上を図っている。
【００２１】
図２に示す装置において、６はヘリウム液化装置で、装置外部から供給されるガスヘリウムは、このヘリウム液化装置６によって液化され、液化ヘリウム容器７に貯蔵される。また、８は水素液化装置を示し、装置外部から供給されるガス水素はこの水素液化装置８によって液化され、液化水素容器９に貯蔵される。
【００２２】
１０はスラッシュ水素製造容器で、この容器１０には、まず、液化ヘリウム容器７より液化ヘリウムが充填される。その後、装置外部から供給されるガス水素を、液化ヘリウムが入ったスラッシュ水素製造容器１０の下部より、容器１０内に吹き込むことにより、固体水素が生成する。
【００２３】
スラッシュ水素製造容器１０に対する液化ヘリウム充填時及び固体水素生成時には、大量の低温ヘリウムガスがスラッシュ水素製造容器１０より排出されるが、この低温ガスと、液化水素容器９から供給される液化水素とを、熱交換器１１で熱交換させることにより、液化水素を温度低下させ、３重点液化水素とし、それを３重点液化水素容器１２に貯蔵する。
【００２４】
一方のガスヘリウムは、温度上昇したとは言えまだ低温（約２０ｋ）であるため、水素液化装置８に導いてその冷熱を回収した後、水素分離器１３で一部混入した水素ガスを分離後、ヘリウム液化装置６に供給し、液化ヘリウムの原料として再利用する。また、分離された水素ガスも、外部から供給されるガス水素と混合、再利用される。
【００２５】
スラッシュ水素製造容器１０の中がほぼ固体水素のみとなった時点で、水素ガスの供給を止め、３重点液化水素容器１２からスラッシュ水素製造容器１０内に３重点液化水素を充填し、スラッシュ水素製造容器１０内にスラッシュ水素を得る。
本装置は、直接の原料となる水素以外は全て再利用出来るため、システム効率向上に大きなメリットがある。
【００２６】
以上、本発明を図示した実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明がこれらの実施例に限定されず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるスラッシュ水素の製造方法では、液化ヘリウム中に水素ガスを吹き込んで固体水素を生成させ、生成された固体水素に３重点液化水素を混合してスラッシュ水素を得るものであり、水素ガスは液化ヘリウム中に吹き込まれて生成した気泡が急冷されて固体水素となるので均一で微細な固体粒子からなるスラッシュ水素が得られる。
【００２８】
また、本発明によるスラッシュ水素の製造方法においては、水素は常時大気圧以上で扱うことができるので、水素が空気で汚染されるおそれが小さい。
【００２９】
更に本発明のスラッシュ水素の製造装置によれば、本発明によるスラッシュ水素製造方法を効率的に実施して均一で微細な固体粒子からなるスラッシュ水素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスラッシュ水素製造方法の原理を示した説明図。
【図２】本発明によるスラッシュ水素製造方法の実施の態様を説明するためのスラッシュ水素製造装置の系統図。
【図３】従来の技術に係るスプレー法の原理を示した説明図。
【図４】従来の技術に係る冷凍−融解法の原理を示した説明図。
【図５】従来の技術に係るＨｅ冷凍法の原理を示した説明図。
【符号の説明】
１ 低温容器
２ 液化ヘリウム
３ 固体水素
４ スラッシュ水素
５ 温度センサ
６ ヘリウム液化装置
７ 液化ヘリウム容器
８ 水素液化装置
９ 液化水素容器
１０ スラッシュ水素製造容器
１１ 熱交換器
１２ ３重点液化水素容器
１３ 水素分離装置
【産業上の利用分野】
本発明は、宇宙ロケットエンジンの燃料等に用いられる、液体水素と固体水素が共存した状態の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】
従来のスラッシュ水素の地上での製造方法としては以下の３つのやり方があった。
【０００３】
（１）スプレー法：
図３にスプレー法によるスラッシュ水素製造の原理を示している。低温容器１内を真空ポンプ１４により予め５０ｔｏｒｒ以下の圧力に減圧する。減圧された容器１の中に、液化水素容器９から液化水素１５を噴霧すると、液滴は蒸発潜熱を奪われて固体水素３となる。この状態を（ａ）図が示している。ある程度の固体水素３がたまった後、（ｂ）図のように低温容器１中に、３重点水素容器１２から３重点水素１６を充填しスラッシュ水素４を得る。
【０００４】
（２）冷凍−融解法：
図４に冷凍−融解法によるスラッシュ水素製造の原理を示している。液化水素１５を充填した低温容器１を真空ポンプ１４で排気し続けると、液化水素１５は蒸発潜熱を奪われて温度低下し、ついには３重点に達した後、液面に固体水素３を生成する。この状態を（ａ）図が示している。
【０００５】
ここで真空ポンプ１４は運転のまま、バルブ１７を閉じると、（ｂ）図のように固体水素３は砕けながら液中に沈む。その後、バルブ１７の開閉を継続することにより、（ｃ）図に示すようにスラッシュ水素４を得る。
【０００６】
（３）Ｈｅ冷凍法：
図５にＨｅ冷凍法によるスラッシュ水素製造の原理を示している。低温容器１中には液化水素１５が充填されており、その中に熱交換器１１が設置されている。熱交換器１１にＨｅ冷凍装置１８から１３Ｋ以下の低温ヘリウムガスを供給すると、液化水素１５は熱交換器１１の表面で固化する。これをドリル１９で削り落とし、これを継続することにより、スラッシュ水素４を得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来のスラッシュ水素製造法には、それぞれ、次のような問題点があった。
まず、図３のスプレー法では、減圧された容器に水素を入れるため、その容器内に外部から空気が混入する危険がある。
【０００８】
また、図４の冷凍−融解法では、水素が入っている容器を減圧するため、その容器内に空気が混入する危険性がある。その上、この方法で得られるスラッシュ水素中の固体水素の粒子が不均一で大きいという欠点がある。
【０００９】
次に、図５のＨｅ冷凍法では、得られるスラッシュ水素中の固体水素の粒子が不均一で大きいという欠点と、使用する設備として特殊な熱交換器を必要とするという問題がある。
【００１０】
本発明は、従来のスラッシュ水素の製造方法にみられた前記欠点を除くため、水素の入った容器を減圧することなしに、均一で微細な固体水素粒子からなるスラッシュ水素が得られるスラッシュ水素の製造方法を提供することを課題としている。
【００１１】
本発明はまた、前記したスラッシュ水素の製造方法を効率的に実施するためのスラッシュ水素製造装置を提供することをもその課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び方法】
本発明は、前記課題を解決するため、液化ヘリウム中に水素ガスを吹き込んで固体水素を生成させ、生成された固体水素に３重点液化水素を混合してスラッシュ水素を得るスラッシュ水素の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明によるスラッシュ水素の製造方法において、容器内の液化ヘリウム中に吹き込まれた水素ガスは、温度差のために固化し、一方、ヘリウムは蒸発する。気化したヘリウムを容器外に排出しつゝこれを継続すると、容器の中はほとんどが固体水素となる。ここで３重点液化水素を容器に充填すると、スラッシュ水素が得られる。
【００１４】
以上の操作は常時、大気圧以上の圧力状態のもとに行えるので、水素が入った容器内が空気で汚染されるおそれが小さく、また、得られるスラッシュ水素中の固体水素は液体ヘリウムによる急冷のために均一で微細な粒子からなっている。
【００１５】
次に、本発明は前記した本発明のスラッシュ水素製造方法を効率的に実施するための装置として液化ヘリウムを受入れると共に水素ガスが吹き込まれるスラッシュ水素製造容器、水素ガスを液化する水素液化装置、及びその水素液化装置で得られた液化水素を前記スラッシュ水素製造容器から出るヘリウムガスによって冷却して３重点液化水素を生成する熱交換器を有し、その熱交換器を出たヘリウムガスを前記水素液化装置で水素冷却に用いると共に、前記熱交換器で生成された３重点液化水素を前記スラッシュ水素製造容器に充填するよう構成したスラッシュ水素製造装置を提供する。
【００１６】
本発明のこの装置によれば気化したヘリウムガスが保有する低温を熱交換器において３重点液化水素の生成に用いると共にこの熱交換器を出たヘリウムガスの低温を水素液化装置で水素冷却に活用したのち再び液化ヘリウムの原料として再利用し、前記熱交換器で生成された３重点液化水素は前記スラッシュ水素製造容器に充填して効率的なスラッシュ水素の製造を行うことができる。
【００１７】
【実施例】
まず、図１によって本発明のスラッシュ水素製造方法及び装置の原理について説明する。
（ａ）図のように、低温容器１に大気圧状態で貯蔵された液化ヘリウム２の中に、（ｂ）図に示すように容器下部より、水素ガスを吹き込む。液化ヘリウム２（温度約４ｋ）との熱交換により水素ガスは固体水素３（固化温度約１４ｋ）に相変化し、液化ヘリウム２は蒸発する。水素ガス吹き込み操作を継続的に行うことにより、（ｃ）図のように、低温容器１内は、ほぼ全てが固体水素３となる。
【００１８】
その後、（ｄ）図に示すように低温容器１内に３重点液化水素（温度約１４ｋ）を注入して固体水素３と混合させることにより、スラッシュ水素４を得ることができる。ここで、液化ヘリウム２中に吹き込まれたガス水素の気泡は瞬間的に固化し、その体積は１／１０００以下となるため、非常に微細な粒径の固体水素３を生成する。
【００１９】
なお、液化ヘリウム２が低温容器１中にほとんど無くなったことは、容器の気相部に設けた温度センサ５の出力がヘリウムの大気圧の飽和温度（約４ｋ）から上昇を開始する点をもって知ることが出来る。
本発明によるスラッシュ水素の製造方法及び装置では、以上説明した原理でスラッシュ水素を得ることができる。
【００２０】
次に、本発明によるスラッシュ水素製造方法の実施の一態様及び本発明の一実施例によるスラッシュ水素製造装置を図２に基づいて具体的に説明する。
図２は本発明による方法を実施するためのスラッシュ水素製造装置の系統図である。スラッシュ水素の製造原理は図１に基づいて説明したとおりであるが、図２に示すやり方では、各種付帯装置と組み合わせることによってスラッシュ水素生産効率の向上を図っている。
【００２１】
図２に示す装置において、６はヘリウム液化装置で、装置外部から供給されるガスヘリウムは、このヘリウム液化装置６によって液化され、液化ヘリウム容器７に貯蔵される。また、８は水素液化装置を示し、装置外部から供給されるガス水素はこの水素液化装置８によって液化され、液化水素容器９に貯蔵される。
【００２２】
１０はスラッシュ水素製造容器で、この容器１０には、まず、液化ヘリウム容器７より液化ヘリウムが充填される。その後、装置外部から供給されるガス水素を、液化ヘリウムが入ったスラッシュ水素製造容器１０の下部より、容器１０内に吹き込むことにより、固体水素が生成する。
【００２３】
スラッシュ水素製造容器１０に対する液化ヘリウム充填時及び固体水素生成時には、大量の低温ヘリウムガスがスラッシュ水素製造容器１０より排出されるが、この低温ガスと、液化水素容器９から供給される液化水素とを、熱交換器１１で熱交換させることにより、液化水素を温度低下させ、３重点液化水素とし、それを３重点液化水素容器１２に貯蔵する。
【００２４】
一方のガスヘリウムは、温度上昇したとは言えまだ低温（約２０ｋ）であるため、水素液化装置８に導いてその冷熱を回収した後、水素分離器１３で一部混入した水素ガスを分離後、ヘリウム液化装置６に供給し、液化ヘリウムの原料として再利用する。また、分離された水素ガスも、外部から供給されるガス水素と混合、再利用される。
【００２５】
スラッシュ水素製造容器１０の中がほぼ固体水素のみとなった時点で、水素ガスの供給を止め、３重点液化水素容器１２からスラッシュ水素製造容器１０内に３重点液化水素を充填し、スラッシュ水素製造容器１０内にスラッシュ水素を得る。
本装置は、直接の原料となる水素以外は全て再利用出来るため、システム効率向上に大きなメリットがある。
【００２６】
以上、本発明を図示した実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明がこれらの実施例に限定されず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるスラッシュ水素の製造方法では、液化ヘリウム中に水素ガスを吹き込んで固体水素を生成させ、生成された固体水素に３重点液化水素を混合してスラッシュ水素を得るものであり、水素ガスは液化ヘリウム中に吹き込まれて生成した気泡が急冷されて固体水素となるので均一で微細な固体粒子からなるスラッシュ水素が得られる。
【００２８】
また、本発明によるスラッシュ水素の製造方法においては、水素は常時大気圧以上で扱うことができるので、水素が空気で汚染されるおそれが小さい。
【００２９】
更に本発明のスラッシュ水素の製造装置によれば、本発明によるスラッシュ水素製造方法を効率的に実施して均一で微細な固体粒子からなるスラッシュ水素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスラッシュ水素製造方法の原理を示した説明図。
【図２】本発明によるスラッシュ水素製造方法の実施の態様を説明するためのスラッシュ水素製造装置の系統図。
【図３】従来の技術に係るスプレー法の原理を示した説明図。
【図４】従来の技術に係る冷凍−融解法の原理を示した説明図。
【図５】従来の技術に係るＨｅ冷凍法の原理を示した説明図。
【符号の説明】
１ 低温容器
２ 液化ヘリウム
３ 固体水素
４ スラッシュ水素
５ 温度センサ
６ ヘリウム液化装置
７ 液化ヘリウム容器
８ 水素液化装置
９ 液化水素容器
１０ スラッシュ水素製造容器
１１ 熱交換器
１２ ３重点液化水素容器
１３ 水素分離装置
Claims (2)
- 液化ヘリウム中に水素ガスを吹き込んで固体水素を生成させ、生成された固体水素に３重点液化水素を混合してスラッシュ水素を得ることを特徴とするスラッシュ水素の製造方法。
- 液化ヘリウムを受入れると共に水素ガスが吹き込まれるスラッシュ水素製造容器、水素ガスを液化する水素液化装置、及び同水素液化装置で得られた液化水素を前記スラッシュ水素製造容器から出るヘリウム及び水素ガスによって冷却して３重点液化水素を生成する熱交換器を有し、同熱交換器を出たヘリウム及び水素ガスを前記水素液化装置で水素冷却に用いると共に、前記熱交換器で生成された３重点液化水素を前記スラッシュ水素製造容器に充填するよう構成したことを特徴とするスラッシュ水素の製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08676595A JP3581425B2 (ja) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | スラッシュ水素の製造方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08676595A JP3581425B2 (ja) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | スラッシュ水素の製造方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08283001A JPH08283001A (ja) | 1996-10-29 |
| JP3581425B2 true JP3581425B2 (ja) | 2004-10-27 |
Family
ID=13895850
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08676595A Expired - Lifetime JP3581425B2 (ja) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | スラッシュ水素の製造方法及び装置 |
Country Status (1)
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| JP4354460B2 (ja) | 2004-02-06 | 2009-10-28 | 株式会社前川製作所 | スラッシュ窒素の製造方法及びその製造装置 |
| WO2006114887A1 (ja) * | 2005-04-25 | 2006-11-02 | Mayekawa Mfg. Co., Ltd | スラッシュ流体の製造方法及び製造装置 |
| JP4648247B2 (ja) * | 2006-06-13 | 2011-03-09 | 三菱重工業株式会社 | 低温スラッシュ状流体製造装置 |
| JP2008273756A (ja) * | 2007-04-25 | 2008-11-13 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固液２相窒素の製造装置および固液２相窒素の製造方法 |
| WO2024110275A1 (en) * | 2022-11-22 | 2024-05-30 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | A process for condensing a hydrogen stream |
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1995
- 1995-04-12 JP JP08676595A patent/JP3581425B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08283001A (ja) | 1996-10-29 |
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