JP4990112B2 - 冷凍サイクルシステム、天然ガス液化設備、ヒートポンプシステム、及び冷凍サイクルシステムの改造方法 - Google Patents

冷凍サイクルシステム、天然ガス液化設備、ヒートポンプシステム、及び冷凍サイクルシステムの改造方法 Download PDF

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Description

本発明は、冷凍サイクルシステム、天然ガス液化設備、ヒートポンプシステム、及び冷凍サイクルシステムの改造方法に関する。
気体の天然ガスを、輸送に適した液化天然ガス（ＬＮＧ）にするためには、天然ガスを加圧した状態で−１５０℃程度まで冷却してから、大気圧近傍まで膨張させて−１６２℃にすることが必要である。このような天然ガスの冷却は、プロパンや混合媒体等を冷媒とする複数の冷凍サイクルの組合せにより実現されている。
この種の冷凍サイクルに用いられる圧縮機は、主として遠心圧縮機によるターボ型であり、同じ圧力比で比較した場合、吸気温度が高いほど圧縮に必要となる圧縮動力が増加するという特性を持つ。このことは、多段圧縮機における各段の入口温度についても同様で、圧縮動力を減らすために段入口温度を低減する工夫が従来から行われている。この種の技術には、圧縮段から過熱状態で吐出された高温側気相冷媒と、別途生成した低温側気相冷媒とを混合し、後段の圧縮段に流入する気相冷媒の温度を低減する混合器を備える圧縮装置がある（特許文献１等参照）。
米国特許第５７９１１５９号明細書
上記の技術では、混合前の低温側気相冷媒の温度を混合後の圧力に対する飽和温度に設定すれば、混合器で高温側気相冷媒と混ざっても混合後の冷媒温度は飽和温度よりも高くなる。これにより混合過程全体に亘って気相冷媒の温度は飽和温度以上に維持されるので、気相冷媒が凝縮することがなく、液滴発生によるエロージョンの心配はない。しかし、この場合、混合前の高温側気相冷媒の温度は飽和温度よりも高いので、混合後の冷媒は飽和温度よりも高い温度で後の圧縮段に流入することになる。
ここで、混合前の高温側気相冷媒の温度をＴｈ、混合後の圧力に対する飽和温度をＴｓａｔ、混合後の温度をＴｍｉｘとすると、高温側気相冷媒の冷却度合いは次式で得られる飽和度という指標で評価できる。
Figure 0004990112
飽和度が１００％であるということは、混合後の冷媒温度が飽和温度に到達したことを示す。逆に飽和度が低くなるほど、冷媒温度は飽和温度よりも高いことを示す。圧縮動力削減の目的からは飽和度を１００％に近づけることが望ましいが、高温側冷媒に飽和温度の冷媒を混合する上記の技術では飽和度はせいぜい５０％程度である。すなわち、上記の技術では、冷媒の液化を避けるための最低温度である飽和温度で冷媒を流入させるときよりも圧縮動力が増えることとなり、冷凍サイクルの効率低下を招いていた。
本発明の目的は、圧縮機の必要圧縮動力が少なく、かつ液滴エロージョンの心配のない冷凍サイクルシステムを提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、被冷却媒体を冷媒で冷却する冷凍サイクルシステムにおいて、冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、この複数の圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、この凝縮器で凝縮された冷媒を受け入れる受液器と、この受液器からの冷媒を膨張して冷却する膨張機構と、この膨張機構で冷却された冷媒を被冷却媒体で蒸発し、前記複数の圧縮機に供給する冷媒を生成する蒸発器と、前記複数の圧縮機のうち低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機の間に設けられ、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を前記膨張機構からの冷媒で冷却することで前記高圧側の圧縮機に供給する冷媒を生成する中間冷却器とを備え、前記中間冷却器は、さらに、前記膨張機構からの冷媒で被冷却媒体を冷却しているものとする。
本発明によれば、圧縮機の吸入側における冷媒温度を飽和温度に近づけることができるので、液滴エロージョンの発生を抑制しながら冷凍サイクルシステムの圧縮機の圧縮動力を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図である。
この図に示す冷凍サイクルシステムは、被冷却媒体１０を冷媒で冷却するものであり、原動機１と、冷媒圧縮機２と、凝縮器６と、受液器７と、膨張機構８と、蒸発機構９を備えている。この例では、冷媒としてプロパンが使用されており、被冷却媒体１０としてはメタン、エタン、プロパンからなる混合媒体が使用されている。被冷却媒体１０は、混合冷媒サイクル（図示せず）において、天然ガスを冷却して液化天然ガス（ＬＮＧ）にするために用いられる。
冷媒圧縮機２は、蒸発機構９からの冷媒を圧縮するもので、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、及び高圧圧縮機５という複数の圧縮機を備えている。低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５は、蒸発機構９からの気相冷媒が流通する配管２１、配管２２、配管２３と接続されており、配管２１、配管２２、配管２３から供給される冷媒を順次圧縮している。低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５は、回転軸３４を介して原動機１と接続されており、原動機１によって回転駆動されている。原動機１は圧縮機３，４，５に冷媒の圧縮に必要な動力（圧縮動力）を供給するもので、原動機１としては、例えば、モータや、ガスタービン機関等が利用できる。なお、本実施の形態における冷媒圧縮機２は、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、及び高圧圧縮機５の３つの圧縮機で構成されているが、本発明が適用可能な圧縮機はこれだけに限られず、２つや４つ以上の圧縮機で構成したものでも良い。また、各圧縮機は、単段の圧縮機でも多段の圧縮機でも良い。
凝縮器６は、冷媒圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却して凝縮するもので、配管２４を介して高圧圧縮機５と接続されている。凝縮器６の内部には配管３５が導かれている。配管３５の内部には熱媒体（冷熱源）が流通しており、凝縮器６はこの熱媒体によって冷媒を冷却している。配管３５内の熱媒体としては大気や海水等を利用できる。この配管３５の排出側を工場等の熱利用設備（図示せず）に接続すれば、本実施の形態の冷凍サイクルシステムをヒートポンプシステムの一部として利用することができる。
受液器７は、凝縮器６で凝縮された冷媒を受け入れるもので、配管２５を介して凝縮器６と接続されている。配管２５には弁１１が設けられている。
膨張機構８は、受液器７からの冷媒を膨張して冷却するもので、本実施の形態では、膨張弁１２、膨張弁１３、膨張弁１４を備えている。膨張弁１２は受液器７と第１中間冷却器（後述）１５を接続する配管２６に設けられており、膨張弁１３は第１中間冷却器１５と第２中間冷却器（後述）１６を接続する配管２７に設けられており、膨張弁１４は第２中間冷却器１６と蒸発器１７を接続する配管２８に設けられている。膨張弁１２，１３，１４は、受液器７及び中間冷却器１５，１６から供給される液相冷媒を膨張させて気液二相冷媒とし、受液器７からの冷媒を段階的に減温している。
蒸発機構９は、膨張機構８で冷却された冷媒を蒸発させて被冷却媒体１０を段階的に冷却するもので、第１中間冷却器１５と、第２中間冷却器１６と、蒸発器１７を備えている。
第１中間冷却器１５、第２中間冷却器１６は、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４で圧縮された過熱気相冷媒と被冷却媒体１０を、膨張弁１２、膨張弁１３で冷却された気液二相冷媒で冷却することで、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５に供給される気相冷媒を生成しつつ被冷却媒体１０を冷却するものである。第１中間冷却器１５は、配管２３を介して高圧圧縮機５の吸入側と接続されており、配管２９を介して中圧圧縮機４の吐出側と接続されている。第２中間冷却器１６は、配管２２を介して中圧圧縮機４の吸入側と接続されており、配管３０を介して低圧圧縮機３の吐出側と接続されている。第１中間冷却器１５、第２中間冷却器１６の内部には、被冷却媒体１０が流通する配管３１が導入されている。
ところで、第１中間冷却器１５、第２中間冷却器１６において、冷媒圧縮機２からの過熱気相冷媒と膨張機構８からの気液二相冷媒とを熱交換させる方式には特に制限がある訳でなく、気液二相冷媒（又は、そのうちの液相冷媒のみ）を過熱気相冷媒に噴霧するような直接接触式のものでも良いし、チューブ式の熱交換器を使った間接的なものでも良い。しかし、直接接触式の熱交換の方が一般的に安く製作することができため、製作コストを低減するという観点からは好ましい。
蒸発器１７は、膨張弁１４で冷却された気液二相冷媒で被冷却媒体１０を冷却し、低圧圧縮機３に供給される気相冷媒を生成している。蒸発器１７は配管２１を介して低圧圧縮機３の吸入側と接続されており、蒸発器１７の内部には被冷却媒体１０が流通する配管３１が導入されている。この蒸発器１７では、配管２８を介して供給される気液二相冷媒の全量が蒸発される。
次に本実施の形態に係る冷凍サイクルシステムの定常運転時における動作を説明する。
上記のように構成される冷凍サイクルシステムにおいて、受液器７に貯蔵された液相冷媒（４０℃，１．５ＭＰａ）は、膨張弁１２で所定値（０．６３ＭＰａ）まで断熱膨張され、その圧力に対する飽和温度（９℃）の気液混合状態（気液二相冷媒）となる。このように気液混合状態となった冷媒は、配管２６を介して第１中間冷却器１５に導入される。
第１中間冷却器１５に導入された気液二相冷媒は、配管２９を介して供給される過熱気相冷媒と熱交換し、その液相部分の一部が蒸発して第１中間冷却器１５内の圧力に対する飽和温度まで冷却される。また、これと同時に、配管３１を介して第１中間冷却器１５内に導入された被冷却媒体１０（約４０℃）は、液相冷媒の蒸発潜熱によって冷却される。飽和温度まで冷却された気相冷媒は、液相冷媒が蒸発したこと等によって第１中間冷却器１５に供給された量から増加して、配管２３を介して高圧圧縮機５の吸入側に供給される。このように中圧圧縮機４から過熱状態で吐出された気相冷媒は、第１中間冷却器１５で飽和温度まで冷却された後に高圧圧縮機５に供給されるので、高圧圧縮機５の圧縮動力を低減することができる。高圧圧縮機５に供給された気相冷媒は、高圧圧縮機５によって最終的に１．５ＭＰａまで圧縮されて、配管２４を介して凝縮器６に導入される。
一方、第１中間冷却器１５で蒸発し得なかった液相冷媒は、配管２７を介して膨張弁１３に導入される。液相冷媒は、膨張弁１３で所定値（０．２５ＭＰａ）まで断熱膨張され、その圧力の飽和温度（−１９℃）の気液混状態となる。この気液二相冷媒は、配管２７を介して第２中間冷却器１６に導入される。
第２中間冷却器１６に導入された気液二相冷媒は、配管３０を介して供給される過熱気相冷媒と熱交換し、その液相部分の一部が蒸発して第２中間冷却器１６内の圧力に対する飽和温度まで冷却される。また、これと同時に、配管３１を介して第２中間冷却器１６内に導入された被冷却媒体１０は、液相冷媒の蒸発潜熱によって更に冷却される。飽和温度まで冷却された気相冷媒は、液相冷媒が蒸発したこと等によって第２中間冷却器１６に供給された量から増加して、配管２２を介して中圧圧縮機４の吸入側に供給される。このように低圧圧縮機３から過熱状態で吐出された気相冷媒は、第２中間冷却器１６で飽和温度まで冷却された後に中圧圧縮機４に供給されるので、中圧圧縮機４の圧縮動力を低減することができる。中圧圧縮機４に供給された気相冷媒は、中圧圧縮機４に圧縮されて過熱状態となって第１中間冷却器１５に供給される。
一方、第２中間冷却器１６で蒸発し得なかった液相冷媒は、配管２８を介して膨張弁１４に導入される。液相冷媒は、膨張弁１４で所定値（０．１ＭＰａ）まで断熱膨張され、その圧力の飽和温度（−４１℃）の気液混状態となる。この気液二相冷媒は、配管２８を介して蒸発器１７に導入される。
蒸発器１７に導入された気液二相冷媒は、配管３１を介して導入される被冷却媒体１０によって加熱されて全て蒸発する。このとき、被冷却媒体１０は、冷媒の蒸発潜熱によって所定値（−３５℃）まで冷却される。被冷却媒体１０によって蒸発された気相冷媒は、配管２１を介して低圧圧縮機３に供給される。低圧圧縮機３に供給された気相冷媒は、圧縮されて過熱状態となって第２中間冷却器１６に供給される。
冷媒圧縮機２の吸入側（低圧圧縮機３の吸入側）に供給された気相冷媒は、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５によって所定値（１．５ＭＰａ）まで圧縮される。低圧圧縮機３の吸入側に供給された冷媒は、そこでの圧力に対する飽和状態にあるが、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５によって圧縮されるにつれて圧縮動力を得て、高圧圧縮機５の吐出側では高圧高温状態の過熱状態となる。このように過熱状態となった気相冷媒は、配管２４を介して凝縮器６に供給され、配管３５内の冷熱源によって大気温度と同等レベルにまで冷却される。
定常状態では、冷媒圧縮機２（低圧圧縮機３、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５）で圧縮された冷媒は、配管２５を介してすべて受液器７の中に一時保存されており、配管２５を介して受液器７に供給された冷媒と同量の冷媒が、配管２６を介して受液器７から第１中間冷却器１５に供給される。すなわち、本実施の形態の冷凍サイクルシステムは、定常状態において、全体として閉ループをなす。ところで、受液器７は外気温の影響を受けるので、受液器７の内部圧力は外気温に応じて変動する。例えば、外気温が４０℃のときの受液器７の内部圧力は、４０℃におけるプロパンの飽和圧力である約１．５ＭＰａとなる。
次に、本実施の形態の冷凍サイクルシステムの効果について、比較例を参照しながら説明する。
本実施の形態の冷凍サイクルシステムの比較例としては、圧縮段から吐出された過熱気相冷媒（高温側気相冷媒）と、この気相冷媒より相対的に低温の気相媒体であって別途生成したもの（低温側気相冷媒）とを混合する混合器を有する圧縮装置を備えたものがある。この技術は、冷媒の段入口温度を低減して圧縮動力を減らすためのものであるが、飽和温度を超える高温側気相冷媒と、飽和温度の低温側気相冷媒とを混合しているため、混合後の冷媒温度は必然的に飽和温度よりも高くなる。そのため、混合後の冷媒の飽和度はせいぜい５０％にとどまり、飽和温度で後段の圧縮段に供給した場合よりも圧縮動力が増え、冷凍サイクルの効率低下を招いていた。
これに対して、本実施の形態の冷凍サイクルシステムは、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４からの過熱気相冷媒を膨張機構８（膨張弁１２，１３）からの冷媒で冷却し、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５に供給される際に飽和温度に設定された気相冷媒を生成する第１中間冷却器１５、第２中間冷却器１６を備えている。このように構成された冷凍サイクルシステムによれば、第１中間冷却器１５、第２中間冷却器１６において、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４から供給される過熱気相冷媒を、第１中間冷却器１５、第２中間冷却器１６内の圧力に対する飽和温度にまで冷却した後に、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５に供給することができる。これにより、混合器で高温側気相冷媒と低温側気相冷媒を混合する比較例に比べて、冷媒圧縮機２に導入される冷媒温度を飽和温度に近づけることができるので、所定の圧力比の冷媒を得るために必要な冷媒圧縮機２の圧縮動力を低減することができる。また、本実施の形態の冷凍サイクルシステムは、飽和温度の気相冷媒を冷媒圧縮機２に導入しているので、液滴凝縮によるエロージョンの発生を抑制することができ、冷凍サイクルシステムの信頼性を向上させることができる。更に、圧縮動力が低減された分だけ圧縮動力当たりの被冷却媒体の冷却量が増加するので、液化天然ガスの製造コストを低減することができる。また、これにより天然ガス液化プラント建設に伴う設備投資を従来より早期に回収することができる。
なお、上記の例では、中間冷却器１５，１６から冷媒圧縮機２に供給される気相冷媒は、中間冷却器１５，１６から飽和温度で排出されるように構成したが、より具体的には、中間冷却器１５，１６から排出された気相冷媒が、圧縮機４，５に吸入されるときに、飽和温度に保持されていることが好ましい。即ち、中間冷却器１５，１６は、圧縮機４，５に供給するための気相冷媒が圧縮機４，５に吸入されるときに飽和温度に近づくように、圧縮機３，４からの過熱気相冷媒を冷却するように構成することが好ましい。
また、冷媒の冷却に要するコストや機器の大きさ、又は、中間冷却器１５，１６から冷媒圧縮機２までの経路での放熱ロスによる液滴発生の懸念等を考慮すると、中間冷却器１５，１６から出る際の冷媒の飽和度を１００％未満に設定した方が良い場合もある。このように冷媒の飽和度を１００％未満に設定する場合には、実用的な観点から、中間冷却器１５，１６から中圧圧縮機４、高圧圧縮機５に向かって排出される冷媒の飽和度を８０％以上に設定することが好ましい。このように冷媒の飽和度を設定すると、機器の製造コストや大きさを抑えることができ、かつ、放熱ロスがあった場合にも液滴によるエロージョンの発生を防止することができる。
上記の点をエロージョンを防ぐための温度という観点から見ると、中間冷却器１５，１６から中圧圧縮機４、高圧圧縮機５に向かって排出される冷媒温度は飽和温度以上であることが好ましい。この場合には、中圧圧縮機４、高圧圧縮機５の圧縮動力をなるべく小さくすることを考慮すると、高圧圧縮機５の吸入側の圧力に対する飽和温度に１０℃加えた温度以下にすることが好ましい。
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態の特徴は、過熱気相冷媒と気液二相冷媒を直接接触させて熱交換し、被冷却媒体１０と気液二相冷媒を間接接触させて熱交換する第１中間冷却器１５Ａ及び第２中間冷却器１６Ａを備えている点にある。
図２は本発明の第２の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略し、後の図もこれと同様に扱う。
この図に示す冷凍サイクルシステムは、第１中間冷却器１５Ａと、第２中間冷却器１６Ａと、蒸発器１７を有する蒸発機構９Ａを備えている。
第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａは、噴霧ノズル５１、噴霧ノズル５２と、チューブ５３、チューブ５４を備えている。第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａの下部には、冷媒圧縮機２で圧縮された過熱気相冷媒が流通する配管２９、配管３０が接続されており、第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａの上部には、飽和状態になった気相冷媒が流通する配管２３、配管２２が接続されている。
噴霧ノズル５１、噴霧ノズル５２は、膨張弁１２、膨張弁１３（膨張機構８）からの気液二相冷媒を第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａ内に噴霧するもので、配管２６、配管２７と接続されている。噴霧ノズル５１，５２から噴霧された気液二相冷媒は、配管２９，３０から供給される過熱気相冷媒と直接接触によって熱交換して加熱される。
チューブ５３、チューブ５４は、被冷却媒体１０が流通するものであり、被冷却媒体１０が流通する配管３１と接続されている。チューブ５３，５４内を流通する被冷却媒体１０は、噴霧ノズル５１，５２から噴霧された気液二相冷媒と間接接触によって熱交換して冷却される。
このように構成した冷凍サイクルシステムにおいて、噴霧ノズル５１，５２から噴霧された気液二相冷媒は、配管２９，３０からの過熱気相冷媒と熱交換して液相冷媒の一部が蒸発する。このとき残った液相冷媒（液滴）はチューブ５３，５４の表面と接触し、チューブ５３，５４の表面を流下しながら被冷却媒体１０によって加熱され、一部が蒸発する。このとき、チューブ５３，５４の内部を流れる被冷却媒体１０は、液相冷媒の蒸発潜熱分だけ熱量を奪われて、飽和蒸気温度に近づくように冷却される。チューブ５３，５４の表面で蒸発し得なかった液相冷媒は、重力によって第１中間冷却器１５Ａ，第２中間冷却器１６Ａ内の底面に溜まり、配管２９，３０から供給される過熱気相冷媒によって加熱され、一部が蒸発する。一方、第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａの底部に溜まった液相冷媒は、配管２７，２８を介して低圧側の第２中間冷却器１６Ａ、蒸発器１７に供給され、膨張弁１３，１４を介した後に被冷却媒体１０の冷却に用いられる。
上記のように構成した冷凍サイクルシステムによれば、第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａにおいて液相冷媒と気相冷媒が直接接触して熱交換するので、第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａ内を飽和温度に保持することができる。これにより配管２３、配管２２を介して第１中間冷却器１５Ａ、第２中間冷却器１６Ａから排出される気相冷媒が常に飽和状態となるので、冷媒圧縮機２に飽和状態の気相冷媒を供給することができ、冷媒圧縮機２の圧縮動力を低減することができる。特に、本実施の形態は、過熱気相冷媒と液相冷媒を直接接触によって熱交換しているため、間接接触で熱交換する場合と比較して接触抵抗を低減でき、熱交換率を高めることができる。また、本実施の形態によれば、過熱気相冷媒、液相冷媒、及び被冷却媒体１０の熱交換を１つの容器内で実現できるので、機器コストと設置スペースの増大を抑えることができる。
なお、本実施の形態において中間冷却器１５Ａ，１６Ａから排出する気相冷媒の飽和度を１００％未満に設定する場合には、中間冷却器１５Ａ，１６Ａにおける配管２９，３０の接続位置を配管２３，２２の接続位置に近づくように上方に変更し、過熱気相冷媒と気液二相冷媒の接触時間を短くすることによって飽和度を適宜調整すれば良い。
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態の特徴は、充填塔（中間冷却器）６１と、蒸発器６２と、混合器６３を備え、過熱気相冷媒と被冷却媒体１０の冷却をそれぞれ別の熱交換器（充填塔６１、蒸発器６２）で行っている点にある。
図３は本発明の第３の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図である。
この図に示す冷凍サイクルシステムは、膨張弁１２ａ、膨張弁１２ｂ、膨張弁１３、膨張弁１４を備える膨張機構８Ｂと、充填塔（中間冷却器）６１、蒸発器６２、第２中間冷却器１６、蒸発器１７を備える蒸発機構９Ｂと、混合器６３を備えている。
膨張弁１２ａは、受液器７と接続された配管２６ａに設けられており、膨張弁１２ｂは、受液器７と接続された配管２６ｂに設けられている。受液器７から液相冷媒は、膨張弁１２ａ、膨張弁１２ｂで膨張して気液二相冷媒となり、充填塔６１、蒸発器６２に供給されている。
充填塔（中間冷却器）６１は、過熱気相冷媒と気液二相冷媒を熱交換するもので、噴霧ノズル６５と、充填物６６を備えている。充填塔６１の下部には、冷媒圧縮機２で圧縮された過熱気相冷媒が流通する配管２９が接続されており、充填塔６１の上部には飽和状態になった気相冷媒が流通する配管７０が接続されている。
噴霧ノズル６５は、膨張弁１２ａからの気液二相冷媒を充填塔６１内に噴霧するもので、配管２６ａと接続されている。噴霧ノズル６５から噴霧された気液二相冷媒は、配管２９から供給される過熱気相冷媒と直接接触によって熱交換して加熱される。
充填物６６は、充填塔６１内における気液二相冷媒と過熱気相冷媒の流れを攪拌するもので、噴霧ノズル６５の下方に位置するように設けられている。充填物６６としては、気相冷媒と液相冷媒が接触する有効面積が大きくなるように、化学プラントなどで用いられる体積当たりの表面積が大きな構造物を用いることが好ましい。このような条件を満たす充填物６６としては、規則構造物、不規則構造物、浸潤性／非浸潤性のハニカム等が市販されており、それらを利用すれば廉価にシステムを構成することができる。特に、浸潤性ハニカムを利用する場合には、ハニカムのきめを細かくすると、冷媒の気液接触率が向上して液相冷媒の蒸発距離を短縮できるので、充填塔６１をコンパクトにすることができる。
なお、充填塔６１には、図３に図示するように、噴霧ノズル６７を設けても良い。噴霧ノズル６７は、充填塔６１内の下部に溜まった液相冷媒を過熱気相冷媒に対して噴霧するもので、充填塔６１の下部に接続された配管６８と接続されている。配管６８にはポンプ６９が設けられており、ポンプ６９は充填塔６１内に溜まった液相冷媒を噴霧ノズル６７に向かって汲み上げている。このような噴霧ノズル６７を設ければ、液相冷媒と過熱気相冷媒の攪拌を更に促進することができる。なお、噴霧ノズル６７を設ける場合には、充填物６６の上方に位置するように設置することが良いことは言うまでもない。
配管７０は、充填塔６１で冷却された気相冷媒が流通するもので、充填塔６１の出口と混合器６３とを接続している。
蒸発器６２は、膨張弁１２ｂで冷却された気液二相冷媒で被冷却媒体１０を冷却するもので、混合器６３に供給される気相冷媒を生成している。蒸発器６２は、配管２６ｂを介して受液器７と接続され、配管２３を介して混合器６３及び高圧圧縮機５の吸入側と接続され、配管２７を介して第２中間冷却器１６と接続されている。蒸発器６２の内部には被冷却媒体１０が流通する配管３１が導入されている。
混合器６３は、充填塔６１で冷却された気相冷媒と蒸発器６２からの気相冷媒とを混合することで冷媒圧縮機２に供給する気相冷媒を生成するもので、配管２３に設けられている。混合器６３は、配管７０を介して充填塔６１の出口と接続されている。
上記のように構成される冷凍サイクルシステムにおいて、配管２６ａを流通する液相冷媒は、膨張弁１２ａで断熱膨張して気液二相冷媒となり、充填塔６１に導入される。充填塔６１に導入された気液二相冷媒は、噴霧ノズル６５を介して充填塔６１内に噴霧される。充填塔６１内に噴霧された気液二相冷媒は、充填物６６によって流れを攪拌され、配管２９から供給された過熱気相冷媒と接触しながら熱交換する。この際、気液二相冷媒及び過熱気相冷媒の流れは充填物６６によって攪拌されるので、両者の混合が迅速に行われ、充填塔６１における噴霧冷却に必要な噴霧蒸発距離及び噴霧蒸発時間が短縮される。中圧圧縮機４からの過熱気相冷媒は、このように充填塔６１内で噴霧冷却されて飽和温度に達し、配管７０を介して混合器６３に供給される。
配管２６ｂを流通する液相冷媒は、膨張弁１２ｂで断熱膨張して気液二相冷媒となり、蒸発器６２に導入される。蒸発器６２に導入された気液二相冷媒は、配管３１内の被冷却媒体１０と熱交換し、その液相部分の一部が蒸発して飽和温度まで冷却される。また、これと同時に気相部分も被冷却媒体１０と熱交換して飽和温度まで冷却される。飽和温度まで冷却された気相冷媒は、液相冷媒が蒸発したこと等によって蒸発器６２に供給された量から増加して、配管２３を介して混合器６３に供給される。
配管２３を介して蒸発器６２から混合器６３に供給された気相冷媒は、配管７０を介して充填塔６１から供給される気相冷媒と混合し、配管２３を介して高圧圧縮機５に供給される。配管２３からの気相冷媒と、配管７０からの気相冷媒とは、両者ともに飽和温度で混合器６３に供給されるので、飽和温度の気相冷媒を冷媒圧縮機２に供給することができる。
このように、上記のように構成した冷凍サイクルシステムにおいても、飽和温度の気相冷媒を冷媒圧縮機２に供給することができるので、冷媒圧縮機２の圧縮動力を削減することができる。特に、本実施の形態では、充填塔６１における過熱気相冷媒と気液二相冷媒との混合に充填物６６を用いているので、噴霧蒸発距離及び噴霧蒸発時間を短縮することができる。これにより、冷媒を飽和温度に到達させるために充分冷却することができ、また、充填塔６１をコンパクトにすることができる。
ところで、本実施の形態の冷凍サイクルシステムにおいて特徴的な設備である充填塔６１と、混合器６２は、既存のシステムに対して追加可能な設備である。そのため、冷媒圧縮機２と、凝縮器６と、受液器７と、膨張機構８と、膨張機構８で冷却された冷媒を被冷却媒体１０で蒸発させて冷媒圧縮機２に供給する蒸発機構（蒸発器６２）を備える冷凍サイクルシステムが既存の設備としてあれば、これに充填塔６１と、混合器６２を追加することにより上記の冷凍サイクルシステムを構成することができる。
具体的には、複数の圧縮機から成る冷媒圧縮機と、この冷媒圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、この凝縮器で凝縮された冷媒を受け入れる受液器と、この受液器からの冷媒を膨張して冷却する膨張機構と、この膨張機構で冷却された冷媒を被冷却媒体で蒸発し、前記冷媒圧縮機に供給する冷媒を生成する蒸発器（蒸発器６２）と、前記複数の圧縮機のうち相対的に高圧側の圧縮機に対して、前記蒸発器で蒸発した冷媒を供給する蒸気配管（配管２３）を備える既存の冷凍サイクルシステムがある場合には、このシステムに対して、前記高圧側の圧縮機と比較して相対的に低圧側の圧縮機で圧縮された冷媒を前記膨張機構からの冷媒で冷却する中間冷却器（充填塔６１）と、前記蒸気配管に設けられ、前記中間冷却器で冷却された冷媒と前記蒸発器からの冷媒とを混合することで前記高圧側の圧縮機に供給する冷媒を生成する混合器（混合器６３）とを追設し、既存の冷凍サイクルシステムを改造すれば良い。
このように既存システムを改造できれば、全ての設備をはじめから製造する場合よりも建設期間を短縮することができ、また、既存設備を継続利用することができる。
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
本実施の形態の特徴は、第１中間冷却器７４と、第２中間冷却器７６を備え、過熱気相冷媒と気液二相冷媒とを間接的に熱交換させている点にある。
図４は本発明の第４の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図である。
この図に示す冷凍サイクルシステムは、配管７１、配管７２を備える膨張機構８Ｃと、高圧蒸発器７３、第１中間冷却器７４、中圧蒸発器７５、第２中間冷却器７６を備える蒸発機構９Ｃを備えている。
配管７１は、膨張弁１２からの気液二相冷媒が流通するもので、配管２６と第１中間冷却器７４とを接続している。配管７２は、膨張弁１３からの気液二相冷媒が流通するもので、配管２７と第２中間冷却器７６とを接続している。
高圧蒸発器７３は、配管２６から供給される気液二相冷媒の液相部分の一部を配管３１内を流通する被冷却媒体１０で蒸発させて、高圧圧縮機５に供給される気相冷媒を生成しつつ被冷却媒体１０を冷却するもので、配管２６と接続されている。また、高圧蒸発器７３は配管２３を介して高圧圧縮機５の吸入側と接続されている。高圧蒸発器７３の内部には被冷却媒体１０が流通する配管３１が導入されており、高圧蒸発器７３の下部には高圧蒸発器７３内部で蒸発し得なかった液相冷媒が流通する配管２７が接続されている。
第１中間冷却器７４は、中圧圧縮機４からの過熱気相冷媒と配管７１から供給される気液二相冷媒とを間接的に接触させて熱交換し、高圧圧縮機５に供給される気相冷媒を生成するもので、配管７１と接続されている。第１中間冷却器７４には第１中間冷却器７４内で生成された気相冷媒が流通する配管７７が接続されており、この配管７７は配管２３と接続されている。第１中間冷却器７４の下部には、第１中間冷却器７４内部で蒸発し得なかった液相冷媒が流通する配管７８が接続されている。配管７８は膨張弁１３の上流に位置する箇所で配管２７と接続されている。第１中間冷却器７４の内部には加熱気相冷媒が流通する配管２９が導入されおり、第１中間冷却器７４内を通過した配管２９は配管２３と接続されている。
中圧蒸発器７５は、配管２７から供給される気液二相冷媒の液相部分の一部を配管３１内を流通する被冷却媒体１０で蒸発させて、中圧圧縮機４に供給される気相冷媒を生成しつつ被冷却媒体１０を冷却するもので、配管２７と接続されている。また、中圧蒸発器７５は配管２２を介して中圧圧縮機４の吸入側と接続されている。中圧蒸発器７５の内部には被冷却媒体１０が流通する配管３１が導入されており、中圧蒸発器７５の下部には中圧蒸発器７５内部で蒸発し得なかった液相冷媒が流通する配管２８が接続されている。
第２中間冷却器７６は、低圧圧縮機３からの過熱気相冷媒と配管７２から供給される気液二相冷媒とを間接的に接触させて熱交換し、中圧圧縮機４に供給される気相冷媒を生成するもので、配管７２と接続されている。第２中間冷却器７６には第２中間冷却器７６内で生成された気相冷媒が流通する配管７９が接続されており、この配管７９は配管２２と接続されている。第２中間冷却器７６の下部には、第２中間冷却器７６内部で蒸発し得なかった液相冷媒が流通する配管８０が接続されている。配管８０は膨張弁１４の上流に位置する箇所で配管２８と接続されている。第２中間冷却器７６の内部には加熱気相冷媒が流通する配管３０が導入されおり、第２中間冷却器７６内を通過した配管３０は配管２２と接続されている。
上記のように構成した冷凍サイクルシステムにおいて、受液器７から供給された液相冷媒は、膨張弁１２によって気液混合状態となり、配管２６と配管７１を介して高圧蒸発器７３と第１中間冷却器７４に供給される。
高圧蒸発器７３に供給された気液二相冷媒は、配管３１内の被冷却媒体１０と間接的に接触することによって液相部分の一部が蒸発され、その蒸発潜熱によって被冷却媒体１０を冷却する。配管２６から供給された気液二相冷媒の気相部分は、高圧蒸発器７３の内部で気化された冷媒とともに高圧蒸発器７３の内圧に対する飽和温度になり、配管２３を介して高圧圧縮機５に供給される。また、高圧蒸発器７３で気化し得なかった冷媒（液相冷媒）は、配管２７を介して膨張弁１３へ供給される。
一方、第１中間冷却器７４に供給された気液二相冷媒は、配管２９内の過熱気相冷媒と間接的に接触することによって液相部分の一部が蒸発され、その蒸発潜熱によって過熱気相冷媒を第１中間冷却器７４の内圧に対する飽和温度まで冷却する。
配管７１から供給された気液二相冷媒の気相部分は、第１中間冷却器７４の内部で気化された冷媒とともに第１中間冷却器の内圧に対する飽和温度になり、配管７７を介して配管２３に供給される。また、配管２９内の気相冷媒も、第１中間冷却器７４を通過する際に第１中間冷却器７４の内圧に対する飽和温度まで冷却されて、配管２３に供給される。さらに、第１中間冷却器７４で気化し得なかった冷媒は、配管７８を介して配管２７へ供給される。
配管７７及び配管２９を介して配管２３に供給された気相冷媒は、高圧蒸発器７３からの気相冷媒と合流して、飽和状態となって高圧圧縮機５に供給される。このように高圧圧縮機５にはその吸入圧力に対する飽和温度まで冷却された気相冷媒が供給されることになるので、高圧圧縮機５の圧縮動力を低減することができる。
高圧蒸発器７３及び第１中間冷却器７４から配管２７に供給された液相冷媒は、膨張弁１３を通過する際に膨張し、一部が気化して気液二相冷媒となる。このように気液混合状態となった冷媒は、配管２７と配管７２を介して、中圧蒸発器７５と第２中間冷却器７６に供給される。
中圧蒸発器７５に供給された気液二相冷媒は、配管３１内の被冷却媒体１０と間接的に接触することによって液相部分の一部が蒸発され、その蒸発潜熱によって被冷却媒体１０を冷却する。配管２７から供給された気液二相冷媒の気相部分は、中圧蒸発器７５の内部で気化された冷媒とともに中圧蒸発器７５の内圧に対する飽和温度になり、配管２２を介して中圧圧縮機４に供給される。また、中圧蒸発器７５で気化し得なかった冷媒（液相冷媒）は、配管２８を介して膨張弁１４へ供給される。
一方、第２中間冷却器７６に供給された気液二相冷媒は、配管３０内の過熱気相冷媒と間接的に接触することによって液相部分の一部が蒸発され、その蒸発潜熱によって過熱気相冷媒を第２中間冷却器７６の内圧に対する飽和温度まで冷却する。
配管７２から供給された気液二相冷媒の気相部分は、第２中間冷却器７６の内部で気化された冷媒とともに第２中間冷却器７６の内圧に対する飽和温度になり、配管７９を介して配管２２に供給される。また、配管３０内の気相冷媒も、第２中間冷却器７６を通過する際に第２中間冷却器７６の内圧に対する飽和温度まで冷却されて、配管２２に供給される。さらに、第２中間冷却器７６で気化し得なかった冷媒は、配管８０を介して配管２８へ供給される。
配管７９及び配管３０を介して配管２２に供給された気相冷媒は、中圧蒸発器７５からの気相冷媒と合流して、飽和状態となって中圧圧縮機４に供給される。このように中圧圧縮機４にはその吸入圧力に対する飽和温度まで冷却された気相冷媒が供給されることになるので、中圧圧縮機４の圧縮動力を低減することができる。
このように、上記のように構成した冷凍サイクルシステムにおいても、冷媒圧縮機２に飽和状態の気相冷媒を供給することができ、冷媒圧縮機２の圧縮動力を低減することができる。特に、本実施の形態では、間接的に熱交換を行う第１中間冷却器７５と第２中間冷却器７６を利用しているので、配管２９及び配管３０からの過熱気相冷媒に液滴が混入することを回避することができる。これにより、液滴と圧縮機４，５の翼との干渉によるエロージョンの発生を回避することができ、冷媒圧縮機２の信頼性を長期間維持することができる。
また、本実施の形態の特徴的な設備である第１中間冷却器７５、第２中間冷却器は、第３の実施の形態のときと同様に、既存のシステムに対して追加可能な設備である。したがって、既存システムを改造することにより、第３の実施の形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。より具体的には、複数の圧縮機から成る冷媒圧縮機と、この冷媒圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、この凝縮器で凝縮された冷媒を受け入れる受液器と、この受液器からの冷媒を膨張して冷却する膨張機構（膨張弁１２，１３，１４）と、この膨張機構で冷却された冷媒を被冷却媒体で蒸発し、前記冷媒圧縮機に供給する冷媒を生成する蒸発器（高圧蒸発器７３、中圧蒸発器７５、蒸発器１７）を備える冷凍サイクルシステムが既にある場合には、このシステムに対して、前記複数の圧縮機のうち低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機の間に設けられ、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を前記膨張機構からの冷媒で冷却することで前記高圧側の圧縮機に供給する冷媒を生成する中間冷却器（第１中間冷却器７５、第２中間冷却器）を追設し、既存の冷凍サイクルシステムを改造すれば良い。
なお、上記の各実施の形態の説明では、配管３０、配管２９を介して低圧圧縮機３、中圧圧縮機４から抽気する冷媒の量については触れなかったが、低圧圧縮機３、中圧圧縮機４の吐出冷媒の全部を蒸発機構で冷却するように構成しても良いし、吐出冷媒の一部を冷却するように構成しても良い。
また、上記の各実施の形態の冷凍サイクルシステムは、被冷却媒体を冷媒で冷却する冷凍サイクルシステムを有する天然ガス液化設備や、ヒートポンプシステムにも適用可能である。
本発明の第１の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図。 本発明の第２の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図。 本発明の第３の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図。 本発明の第４の実施の形態である冷凍サイクルシステムの概略図。
符号の説明
２ 冷媒圧縮機
３ 低圧圧縮機
４ 中圧圧縮機
５ 高圧圧縮機
６ 凝縮器
７ 受液器
８ 膨張機構
９ 蒸発機構
１０ 被冷却媒体
１５ 第１中間冷却器
１６ 第２中間冷却器
１７ 蒸発器
５１ 噴霧ノズル
５２ 噴霧ノズル
６１ 充填塔
６５ 噴霧ノズル
６６ 充填物
６７ 噴霧ノズル
７３ 高圧蒸発器
７４ 第１中間冷却器
７５ 中圧蒸発器
７６ 第２中間冷却器

Claims (14)

  1. 被冷却媒体を冷媒で冷却する冷凍サイクルシステムであって、
    冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、
    この複数の圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、
    この凝縮器で凝縮された冷媒を受け入れる受液器と、
    この受液器からの冷媒を膨張して冷却する膨張機構と、
    この膨張機構で冷却された冷媒を被冷却媒体で蒸発し、前記複数の圧縮機に供給する冷媒を生成する蒸発器と、
    前記複数の圧縮機のうち低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機の間に設けられ、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を前記膨張機構からの冷媒で冷却することで前記高圧側の圧縮機に供給する冷媒を生成する中間冷却器とを備え、
    前記中間冷却器は、さらに、前記膨張機構からの冷媒で被冷却媒体を冷却していることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  2. 請求項１記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器は、前記高圧側の圧縮機に供給するための冷媒が前記高圧側の圧縮機に吸入されるときに飽和温度に近づくように、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を冷却していることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  3. 請求項１記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器は、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を前記膨張機構からの冷媒と直接接触して冷却していることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  4. 請求項１記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器は、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を前記膨張機構からの冷媒と間接接触して冷却していることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  5. 請求項３記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器は、前記低圧側の圧縮機からの冷媒に対して前記膨張機構からの冷媒を噴霧するノズルを備えることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  6. 請求項５記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器は、更に、前記中間冷却器内に溜まった液相冷媒を前記低圧側の圧縮機からの冷媒に対して噴霧するノズルを備えることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  7. 請求項５記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器は、前記ノズルの下方に設けられた充填物を備えることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  8. 請求項７記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記充填物は、浸潤性ハニカムで形成されていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  9. 請求項１記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器から前記高圧側の圧縮機に向かって排出される冷媒の飽和度は８０％以上であることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  10. 請求項１記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記中間冷却器から前記高圧側の圧縮機に向かって排出される冷媒の飽和温度は、前記高圧側の圧縮機の吸入側の圧力に対する飽和温度に１０℃加えた温度以下であることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
  11. 請求項１から１０のいずれかに記載の冷凍サイクルシステムを備えることを特徴とする天然ガス液化設備。
  12. 請求項１から１０のいずれかに記載の冷凍サイクルシステムを備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
  13. 冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、
    この複数の圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、
    この凝縮器で凝縮された冷媒を受け入れる受液器と、
    この受液器からの冷媒を膨張して冷却する膨張機構と、
    この膨張機構で冷却された冷媒を被冷却媒体で蒸発し、前記複数の圧縮機に供給する冷媒を生成する蒸発器とを備える冷凍サイクルシステムに対し、
    前記複数の圧縮機のうち低圧側の圧縮機と高圧側の圧縮機の間に設けられ、前記低圧側の圧縮機からの冷媒を前記膨張機構からの冷媒で冷却することで前記高圧側の圧縮機に供給する冷媒を生成し、さらに、前記膨張機構からの冷媒で被冷却媒体を冷却する中間冷却器を追設することを特徴とする冷凍サイクルシステムの改造方法。
  14. 請求項１３記載の冷凍サイクルシステムにおいて、
    前記蒸発器で蒸発した冷媒を前記複数の圧縮機に供給する配管に設けられ、前記中間冷却器で冷却された冷媒と前記蒸発器からの冷媒とを混合することで前記高圧側の圧縮機に供給する冷媒を生成する混合器を更に追設することを特徴とする冷凍サイクルシステムの改造方法。
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