JP4409828B2 - ガス液化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス液化装置に係り、特に、ヘリウムガス液化装置として用いるのに好適な、冷凍機（好ましくはＧＭサイクル冷凍機等の蓄冷式冷凍機）を複数台使用し、外部から供給するガス（例えばヘリウムガス）を、その冷凍機の各冷却ステージにおいて順次冷却し、最終的にガス液化温度（例えば液体ヘリウム温度４．２Ｋ）以下で冷凍能力を有する冷凍機（例えば４ＫレベルのＧＭ冷凍機（４Ｋ−ＧＭ冷凍機と称する）等）により冷却される凝縮器によって供給ガスを凝縮液化させるガス液化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムガス液化装置として、特許文献１に記載されているように、例えば４Ｋ−ＧＭ冷凍機等の蓄冷器式冷凍機を図１に示す如く複数台（図１では、４、５の２台）使用するものが提案されている。
【０００３】
この蓄冷器式冷凍機４、５は、図１に示すように２段式が通常であり、冷凍を発生する膨張シリンダ部に第１段７、９と第２段８、１０の２つの冷却ステージを有している。４Ｋ温度レベルのＧＭ冷凍機では、第１段冷却ステージ７、９の温度は通常２５Ｋ〜５０Ｋレベル、第２段冷却ステージ８、１０の温度は４Ｋレベルである。
【０００４】
図において、２は凝縮液化された液体ヘリウムを蓄える液体ヘリウム容器、３は周囲と真空断熱されたクライオスタット、１１は第１段熱接触部材、１３は外部からのヘリウムガスの供給配管（予冷配管）、１４は液体ヘリウム容器２からの蒸発配管、１５は液体ヘリウム容器２への液化配管、１６、１７は熱交換器、２１は凝縮器である。
【０００５】
このようなヘリウムガス液化装置において、外部から供給配管１３を介してヘリウムガスを供給して液化する場合、常温で大気圧（１atm）の供給ヘリウムガスをまず第１段冷却ステージ７、９で予冷し、次に第２段冷却ステージ８の凝縮器２１に導いて凝縮液化させる。液化されるヘリウムガスは、液体ヘリウム容器２からの蒸発ガスや、ヘリウムボンベのガス等が対象となる。液体ヘリウムは通常ほぼ大気圧で貯液されており、供給されるガスは、液化装置内でほぼ大気圧で冷却、液化されている。
【０００６】
このようなヘリウムガス液化装置において、第１段冷却ステージ７、９での冷却最低温度は、蓄冷器の効率等から２５〜３０Ｋが限界である。又、第２段冷却ステージ８、１０における熱負荷は、第１段冷却ステージ温度のヘリウムガスを液化温度まで冷却するのに要する負荷であり、温度２５〜３０Ｋのガスを４．２Ｋガス温度まで冷却するための顕熱量と液化温度のガスを凝縮して液体とするに要する蒸発潜熱量との和となる。ヘリウムガスの顕熱量は比較的大きいため、図１に示した如く、一部のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０を４．２Ｋではなく６Ｋ温度ステージとして使用して、ガスをまず６Ｋ程度まで冷却し、最終的に残りのＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ１０を４Ｋ温度ステージとして凝縮液化を行なう方法が特許文献１に記載されている。
【０００７】
一方、特許文献２には、ジュールトムソン（ＪＴ）効果を利用した液化装置として、ＧＭ−ＪＴ式液化機が記載されている。これは、基本的に、図２に示す如く、１０ＫレベルのＧＭ冷凍機２４に、熱交換器３２、３３、３４、ＪＴ弁３５、ＪＴ回路用圧縮機３１等の機器から構成されるＪＴ回路を付加した冷凍機である。
【０００８】
図において、２２は、ＧＭ冷凍機用の圧縮機、２７、２８は、それぞれ、ＧＭ冷凍機２４の第１段、第２段冷却ステージである。
【０００９】
このＧＭ−ＪＴ式液化機では、ＪＴ回路用圧縮機３１によってヘリウムガスを約１５〜２０atmに加圧し、ＧＭ冷凍機２４の冷却ステージ２７、２８と熱交換器３２、３３、３４によって順次冷却する。最終的に、数Ｋ、１５atm程度のヘリウムガスを、ＪＴ弁３５から膨張させてガスの一部を液化して液体ヘリウム容器等の冷凍負荷３６に供給し、液化しなかった残りのガスは戻りガスとして圧縮機３１で回収し、再度加圧循環させる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１１８３４９号公報
【特許文献２】
特開平１０−２４５２０８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のヘリウムガス液化装置において、温度６Ｋのガスを４．２Ｋのガスにまで冷却する冷熱量（顕熱量）は、４．２Ｋのガスを液化するのに必要な冷熱量（潜熱量）の６０％程度の大きさであり、この４Ｋ温度での負荷を低減することが、液化効率を改善する上でのポイントとなっていた。
【００１２】
一方、特許文献２に記載のＧＭ−ＪＴ式液化機では、本発明の一部の実施形態と同様にＪＴ弁を使用してはいるが、全量を液化せず、一部が戻りガスとなっているため、熱交換器３２、３３、３４やＪＴ回路用圧縮機３１が必要であり、構成が複雑であるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡単な構成で、液化効率を向上させて、所要動力を低減することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷凍機を複数台使用し、外部から供給するガスを、その冷凍機の各冷却ステージにおいて順次冷却し、最終的にガス液化温度以下で冷凍能力を有する冷凍機により冷却される凝縮器によって供給ガスを凝縮液化させるガス液化装置において、外部供給ガスの圧力を大気圧より高くすると共に、前記凝縮器の上流側で、絞り弁又はオリフィスを用いて圧力を大気圧に戻すようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記絞り弁又はオリフィスを冷凍機と凝縮器の間に設けるようにしたものである。
【００１６】
又、前記凝縮器に、液化されたガスを移送するためのトランスファチューブを設けて、別の液体容器に挿入して運転できるようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、４Ｋ−ＧＭ冷凍機を２台使用する場合を例にとって、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
本実施形態は、図１に示したような従来例と同様のヘリウムガス液化装置において、図３に示す如く、外部から供給配管１３を介して供給されるヘリウムガスの圧力を、大気圧レベルではなく、４〜７atmに高めると共に、熱交換器１６に代えて熱交換器４１、４２を設けて、それぞれＧＭ冷凍機５、４の第１段冷却ステージ９、７で６０Ｋ、３０Ｋに冷却し、更に、熱交換器１７の出側に、例えばＪＴ弁のような絞り弁４４を設けて、凝縮器２１の入側で圧力を大気圧（１atm）に戻すようにしたものである。
【００１９】
他の点に関しては、図１に示した従来例と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００２０】
本実施形態においては、供給配管１３から供給されるヘリウムガスを、２台のＧＭ冷凍機５、４の第１段冷却ステージ９、７でほぼ３０Ｋまで冷却し、次にＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０でほぼ６Ｋまで冷却する。次に、ＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８の凝縮器２１で凝縮液化するが、該凝縮器２１の前に設けられた絞り弁４４によって、ヘリウムガスを大気圧レベルまで膨張させてから凝縮器２１に供給する。従って、凝縮液化された液体ヘリウムは、液体ヘリウム容器２に、従来と同様にほぼ大気圧で貯液される。
【００２１】
このようにして、絞り弁４４により、６Ｋ、数atmのヘリウムガスを１atmに自由膨張させると、ジュールトムソン効果によって、圧力４atmでは約３０％、７atmでは約５０％のガスが液化し、残りは４．２Ｋのガスとなる。従って、凝縮器２１では、残りの７０〜５０％の４．２Ｋガスを凝縮すれば全量を液化できる。よって、外部供給ヘリウムガスを数atmで供給することにより、従来のように約１atmで供給した場合に比べて、冷凍機第２段冷却ステージ８の４．２Ｋ冷凍負荷を１／２〜１／３に低減することができる。
【００２２】
なお、膨張前の圧力値には、その温度によって液化率が最大となる値が存在する。６Ｋのガスを１atmまで膨張させる場合、液化率は圧力が約７atmの場合に最大となる。圧送ポンプの吐出圧力が低い場合等では、圧力が４atm程度であっても効率上は相当に有用である。なお、液化率が最大となる圧力は温度によって異なり、例えば膨張前ガス温度が５Ｋの場合には４atm、７Ｋの場合には１１atm、８Ｋの場合は１４atm程度である。
【００２３】
ここで、供給配管１３に供給されるガスの圧力を数atmとすることは、ボンベガスの場合は、もともとボンベ圧力が高い（１５０atm程度）ので、減圧するだけであり、特に問題はない。なお、液体ヘリウム蒸発ガスを回収して液化する場合、蒸発ガスは１atmであることが多いので加圧する必要はあるが、もともと蒸発ガスを回収して液化装置へ圧送するためにもポンプは必要であり、数atmに加圧することは、装置的にも比較的容易である。
【００２４】
なお前記第１実施形態においては、ＧＭ冷凍機４、５と液体ヘリウム容器２が共に同じクライオスタット３内に収納されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図４に示す第２実施形態のように、凝縮器２１にトランスファチューブ５０を設けて、別の液体ヘリウム容器５２に挿入して運転するような構成とすることもできる。
【００２５】
図において、５４は本発明に係る絞り弁、５６は供給ガスの圧力を調整するための圧力調整弁、５８は安全弁である。
【００２６】
なお、前記実施形態においては、いずれも冷凍機として４Ｋ−ＧＭ冷凍機が用いられていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、他の蓄冷器式冷凍機や、蓄冷器式以外の冷凍機を用いたものにも同様に適用できることは明らかである。液化するガスの種類もヘリウムに限定されず、絞り弁４４の代りに単純なオリフィス等の他の絞り部を設けても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、構成を複雑化することなく、液化効率を向上させて、所要動力を低減することが可能となる。
【００２８】
なお、本発明の実施形態では、特許文献２のＪＴ弁と同様の作用を有すると解することも可能と見られる絞り弁を使用してはいるが、本発明の対象である液化サイクルでは、最終的に４Ｋ−ＧＭ冷凍機等で全量を液化する方式であり、戻りガスがないため、熱交換器、ＪＴ回路用圧縮機を有しない点で特許文献２より有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】特開平１１−１１８３４９号に記載された従来のヘリウムガス液化装置の構成を示す断面図
【図２】特開平１０−２４５２０８号に記載されたＧＭ−ＪＴ式液化機の構成を示すフロー図
【図３】本発明の第１実施形態の構成を示す断面図
【図４】同じく第２実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
２、５２…液体ヘリウム容器
３…クライオスタット
４、５…ＧＭ冷凍機
７、８、９、１０…冷却ステージ
２１…凝縮器
４４、５４…絞り弁
５０…トランスファチューブ
５６…圧力調整弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス液化装置に係り、特に、ヘリウムガス液化装置として用いるのに好適な、冷凍機（好ましくはＧＭサイクル冷凍機等の蓄冷式冷凍機）を複数台使用し、外部から供給するガス（例えばヘリウムガス）を、その冷凍機の各冷却ステージにおいて順次冷却し、最終的にガス液化温度（例えば液体ヘリウム温度４．２Ｋ）以下で冷凍能力を有する冷凍機（例えば４ＫレベルのＧＭ冷凍機（４Ｋ−ＧＭ冷凍機と称する）等）により冷却される凝縮器によって供給ガスを凝縮液化させるガス液化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムガス液化装置として、特許文献１に記載されているように、例えば４Ｋ−ＧＭ冷凍機等の蓄冷器式冷凍機を図１に示す如く複数台（図１では、４、５の２台）使用するものが提案されている。
【０００３】
この蓄冷器式冷凍機４、５は、図１に示すように２段式が通常であり、冷凍を発生する膨張シリンダ部に第１段７、９と第２段８、１０の２つの冷却ステージを有している。４Ｋ温度レベルのＧＭ冷凍機では、第１段冷却ステージ７、９の温度は通常２５Ｋ〜５０Ｋレベル、第２段冷却ステージ８、１０の温度は４Ｋレベルである。
【０００４】
図において、２は凝縮液化された液体ヘリウムを蓄える液体ヘリウム容器、３は周囲と真空断熱されたクライオスタット、１１は第１段熱接触部材、１３は外部からのヘリウムガスの供給配管（予冷配管）、１４は液体ヘリウム容器２からの蒸発配管、１５は液体ヘリウム容器２への液化配管、１６、１７は熱交換器、２１は凝縮器である。
【０００５】
このようなヘリウムガス液化装置において、外部から供給配管１３を介してヘリウムガスを供給して液化する場合、常温で大気圧（１atm）の供給ヘリウムガスをまず第１段冷却ステージ７、９で予冷し、次に第２段冷却ステージ８の凝縮器２１に導いて凝縮液化させる。液化されるヘリウムガスは、液体ヘリウム容器２からの蒸発ガスや、ヘリウムボンベのガス等が対象となる。液体ヘリウムは通常ほぼ大気圧で貯液されており、供給されるガスは、液化装置内でほぼ大気圧で冷却、液化されている。
【０００６】
このようなヘリウムガス液化装置において、第１段冷却ステージ７、９での冷却最低温度は、蓄冷器の効率等から２５〜３０Ｋが限界である。又、第２段冷却ステージ８、１０における熱負荷は、第１段冷却ステージ温度のヘリウムガスを液化温度まで冷却するのに要する負荷であり、温度２５〜３０Ｋのガスを４．２Ｋガス温度まで冷却するための顕熱量と液化温度のガスを凝縮して液体とするに要する蒸発潜熱量との和となる。ヘリウムガスの顕熱量は比較的大きいため、図１に示した如く、一部のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０を４．２Ｋではなく６Ｋ温度ステージとして使用して、ガスをまず６Ｋ程度まで冷却し、最終的に残りのＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ１０を４Ｋ温度ステージとして凝縮液化を行なう方法が特許文献１に記載されている。
【０００７】
一方、特許文献２には、ジュールトムソン（ＪＴ）効果を利用した液化装置として、ＧＭ−ＪＴ式液化機が記載されている。これは、基本的に、図２に示す如く、１０ＫレベルのＧＭ冷凍機２４に、熱交換器３２、３３、３４、ＪＴ弁３５、ＪＴ回路用圧縮機３１等の機器から構成されるＪＴ回路を付加した冷凍機である。
【０００８】
図において、２２は、ＧＭ冷凍機用の圧縮機、２７、２８は、それぞれ、ＧＭ冷凍機２４の第１段、第２段冷却ステージである。
【０００９】
このＧＭ−ＪＴ式液化機では、ＪＴ回路用圧縮機３１によってヘリウムガスを約１５〜２０atmに加圧し、ＧＭ冷凍機２４の冷却ステージ２７、２８と熱交換器３２、３３、３４によって順次冷却する。最終的に、数Ｋ、１５atm程度のヘリウムガスを、ＪＴ弁３５から膨張させてガスの一部を液化して液体ヘリウム容器等の冷凍負荷３６に供給し、液化しなかった残りのガスは戻りガスとして圧縮機３１で回収し、再度加圧循環させる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１１８３４９号公報
【特許文献２】
特開平１０−２４５２０８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のヘリウムガス液化装置において、温度６Ｋのガスを４．２Ｋのガスにまで冷却する冷熱量（顕熱量）は、４．２Ｋのガスを液化するのに必要な冷熱量（潜熱量）の６０％程度の大きさであり、この４Ｋ温度での負荷を低減することが、液化効率を改善する上でのポイントとなっていた。
【００１２】
一方、特許文献２に記載のＧＭ−ＪＴ式液化機では、本発明の一部の実施形態と同様にＪＴ弁を使用してはいるが、全量を液化せず、一部が戻りガスとなっているため、熱交換器３２、３３、３４やＪＴ回路用圧縮機３１が必要であり、構成が複雑であるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡単な構成で、液化効率を向上させて、所要動力を低減することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷凍機を複数台使用し、外部から供給するガスを、その冷凍機の各冷却ステージにおいて順次冷却し、最終的にガス液化温度以下で冷凍能力を有する冷凍機により冷却される凝縮器によって供給ガスを凝縮液化させるガス液化装置において、外部供給ガスの圧力を大気圧より高くすると共に、前記凝縮器の上流側で、絞り弁又はオリフィスを用いて圧力を大気圧に戻すようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記絞り弁又はオリフィスを冷凍機と凝縮器の間に設けるようにしたものである。
【００１６】
又、前記凝縮器に、液化されたガスを移送するためのトランスファチューブを設けて、別の液体容器に挿入して運転できるようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、４Ｋ−ＧＭ冷凍機を２台使用する場合を例にとって、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
本実施形態は、図１に示したような従来例と同様のヘリウムガス液化装置において、図３に示す如く、外部から供給配管１３を介して供給されるヘリウムガスの圧力を、大気圧レベルではなく、４〜７atmに高めると共に、熱交換器１６に代えて熱交換器４１、４２を設けて、それぞれＧＭ冷凍機５、４の第１段冷却ステージ９、７で６０Ｋ、３０Ｋに冷却し、更に、熱交換器１７の出側に、例えばＪＴ弁のような絞り弁４４を設けて、凝縮器２１の入側で圧力を大気圧（１atm）に戻すようにしたものである。
【００１９】
他の点に関しては、図１に示した従来例と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００２０】
本実施形態においては、供給配管１３から供給されるヘリウムガスを、２台のＧＭ冷凍機５、４の第１段冷却ステージ９、７でほぼ３０Ｋまで冷却し、次にＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０でほぼ６Ｋまで冷却する。次に、ＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８の凝縮器２１で凝縮液化するが、該凝縮器２１の前に設けられた絞り弁４４によって、ヘリウムガスを大気圧レベルまで膨張させてから凝縮器２１に供給する。従って、凝縮液化された液体ヘリウムは、液体ヘリウム容器２に、従来と同様にほぼ大気圧で貯液される。
【００２１】
このようにして、絞り弁４４により、６Ｋ、数atmのヘリウムガスを１atmに自由膨張させると、ジュールトムソン効果によって、圧力４atmでは約３０％、７atmでは約５０％のガスが液化し、残りは４．２Ｋのガスとなる。従って、凝縮器２１では、残りの７０〜５０％の４．２Ｋガスを凝縮すれば全量を液化できる。よって、外部供給ヘリウムガスを数atmで供給することにより、従来のように約１atmで供給した場合に比べて、冷凍機第２段冷却ステージ８の４．２Ｋ冷凍負荷を１／２〜１／３に低減することができる。
【００２２】
なお、膨張前の圧力値には、その温度によって液化率が最大となる値が存在する。６Ｋのガスを１atmまで膨張させる場合、液化率は圧力が約７atmの場合に最大となる。圧送ポンプの吐出圧力が低い場合等では、圧力が４atm程度であっても効率上は相当に有用である。なお、液化率が最大となる圧力は温度によって異なり、例えば膨張前ガス温度が５Ｋの場合には４atm、７Ｋの場合には１１atm、８Ｋの場合は１４atm程度である。
【００２３】
ここで、供給配管１３に供給されるガスの圧力を数atmとすることは、ボンベガスの場合は、もともとボンベ圧力が高い（１５０atm程度）ので、減圧するだけであり、特に問題はない。なお、液体ヘリウム蒸発ガスを回収して液化する場合、蒸発ガスは１atmであることが多いので加圧する必要はあるが、もともと蒸発ガスを回収して液化装置へ圧送するためにもポンプは必要であり、数atmに加圧することは、装置的にも比較的容易である。
【００２４】
なお前記第１実施形態においては、ＧＭ冷凍機４、５と液体ヘリウム容器２が共に同じクライオスタット３内に収納されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図４に示す第２実施形態のように、凝縮器２１にトランスファチューブ５０を設けて、別の液体ヘリウム容器５２に挿入して運転するような構成とすることもできる。
【００２５】
図において、５４は本発明に係る絞り弁、５６は供給ガスの圧力を調整するための圧力調整弁、５８は安全弁である。
【００２６】
なお、前記実施形態においては、いずれも冷凍機として４Ｋ−ＧＭ冷凍機が用いられていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、他の蓄冷器式冷凍機や、蓄冷器式以外の冷凍機を用いたものにも同様に適用できることは明らかである。液化するガスの種類もヘリウムに限定されず、絞り弁４４の代りに単純なオリフィス等の他の絞り部を設けても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、構成を複雑化することなく、液化効率を向上させて、所要動力を低減することが可能となる。
【００２８】
なお、本発明の実施形態では、特許文献２のＪＴ弁と同様の作用を有すると解することも可能と見られる絞り弁を使用してはいるが、本発明の対象である液化サイクルでは、最終的に４Ｋ−ＧＭ冷凍機等で全量を液化する方式であり、戻りガスがないため、熱交換器、ＪＴ回路用圧縮機を有しない点で特許文献２より有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】特開平１１−１１８３４９号に記載された従来のヘリウムガス液化装置の構成を示す断面図
【図２】特開平１０−２４５２０８号に記載されたＧＭ−ＪＴ式液化機の構成を示すフロー図
【図３】本発明の第１実施形態の構成を示す断面図
【図４】同じく第２実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
２、５２…液体ヘリウム容器
３…クライオスタット
４、５…ＧＭ冷凍機
７、８、９、１０…冷却ステージ
２１…凝縮器
４４、５４…絞り弁
５０…トランスファチューブ
５６…圧力調整弁
Claims (3)
- 冷凍機を複数台使用し、外部から供給するガスを、その冷凍機の各冷却ステージにおいて順次冷却し、最終的にガス液化温度以下で冷凍能力を有する冷凍機により冷却される凝縮器によって供給ガスを凝縮液化させるガス液化装置において、
外部供給ガスの圧力を大気圧より高くすると共に、
前記凝縮器の上流側で、絞り弁又はオリフィスを用いて圧力を大気圧に戻すようにしたことを特徴とするガス液化装置。 - 前記絞り弁又はオリフィスを冷凍機と凝縮器の間に設けたことを特徴とする請求項１に記載のガス液化装置。
- 前記凝縮器に、液化されたガスを移送するためのトランスファチューブを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス液化装置。
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| CN103776237B (zh) * | 2012-10-22 | 2015-12-02 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置 |
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2002
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| JP2004211935A (ja) | 2004-07-29 |
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