JP5313338B2 - 低温流体をポンピングするデバイスおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は低温流体をポンピングするデバイスおよび方法に関する。

本発明はより詳細には、低温液体を収容する、低温流体を貯蔵するための貯蔵タンクと、入口水頭損失（ＮＰＳＨ）をもつ低温ポンプと、タンクをポンプへ接続する吸引ラインとを有する、低温流体をポンピングするためのデバイスに関し、前記ポンピングデバイスはタンク内の圧力を制御するシステムを有し、タンク内の圧力を、貯蔵された低温流体の飽和圧力を低温ポンプの入口水頭損失（ＮＰＳＨ）だけ上げたもの、場合によってはさらにタンクをポンプへ接続する吸引ラインの配管による水頭損失の値だけ上げたものに少なくとも等しいように選択的に保つ。

本発明は水素またはヘリウムなどのガスおよびこれらの同位体のようなガスを含む低密度低温流体のポンピングの分野において特に有利な用途を見出す。

ある容積の非圧縮性液体を圧縮することがある容積のガスよりも容易であるとすれば、液体水素を圧縮することは気体水素を圧縮するのと比べて圧縮費用を低減することを可能にする。

この高圧を発生させることは圧縮エネルギーの点で極めて高価である。加えて、ポンプが最適に使用されなければ、ポンプ内での液体水素の蒸発損失も非常に大きいであろう。したがって、損失（摩擦損失およびガス損失の両方）を低減することは高圧水素を得る費用を最適化することにおいて重要な問題である。

一般的には低温ポンプに関するおよび詳細には液体水素ポンプに関する問題の１つは、ポンピングされる流体が非常に低密度（１ｂａｒで７０ｇ／ｌ）であることにある。したがって、圧力水頭（静水頭）のあるポンピング設備にソースタンクを物理的に設置するだけでそれが必要とする吸引圧力をもつポンプを提供することは、不可能でなくても困難である。問題は、吸引圧力はポンプ入口水頭損失（ＮＰＳＨ＝有効吸込水頭、すなわちポンピングされるガスの飽和圧力と、ポンプがキャビテーションなしに純粋な液相で動作するのに必要とする流体吸引圧力との圧力の差）を考慮しなければならないことにある。

たとえば、７００ｂａｒでの液体水素（ＬＨ２）ポンプは約２５０ｍｂａｒの水頭損失があり、これは液体水素の３５ｍの水頭に対応する。３５ｍの圧力水頭をもつポンプに設置したソースタンクとともにポンプを運転することは不可能である（これが工業的に可能だとしても、ライン内の水頭損失は、タンクがこのような圧力水頭で設置されたという事実の埋め合わせをするであろう）。したがって、１つの解決策は液体を「過冷却」し、この液体を過冷却状態で吸引することにある。過冷却は、流体の圧力を飽和にまで上げるか、または一定圧力で新たな液体−蒸気の平衡が確立されるのを待つことなしにその温度を下げることを要する。

しかし、加圧された水素は大気圧での水素よりもさらに密度が低い。たとえば、１絶対ｂａｒで飽和状態にある水素の密度は７０ｇ／ｌであるが、７絶対ｂａｒでは５６ｇ／ｌである。したがって、液体水素ポンプが容積式のシステムであるとすれば、水素を、それが可能な限り密度が高いときに、したがってそれが可能な限り最低の圧力（可能な限り低温）で飽和しているときに吸引することが有益であり、この目的はポンピングされる量を最適化することにある。

以下に説明する発明は、特に（１ないし１２ｂａｒの間の）低圧で液体／気体平衡にある水素ソースから連続的に液体水素ポンピングプラントを使用すること、およびポンプを連続的に動作させる一方で同時にポンピングされる水素の密度を最大にし、したがってポンピングされる出力を最大にすることによって、このようなプラントの動作を最適化することを可能にする。

現在の解決策において、タンクは熱サイホン（大気圧を確立するヒーター）を用いるか、または周囲温度にあるシリンダからの高圧水素を直接用いて加圧される。

これらの既知のシステムの運転中、タンクの頂部へ注入される周囲温度にある水素は液体を徐々に暖め、過冷却の利用可能なレベルを減少させる。

それ後、これはタンクの定格圧力を高め、タンクがその最大動作圧力に達する前に利用可能なポンピング時間を減らすという効果がある。

本出願会社の名義である文献ＷＯ２００５／０８５６３７Ａ１は、ポンプの吸引ラインの圧力を、低温流体の飽和圧力を低温ポンプの吸込水頭損だけ上げたものに高くても等しく保つことが可能な圧力制御手段を有するポンピングシステムを特に記載している。

本発明の１つの目的は、上述した従来技術の不利益の全てまたはいくつかを緩和することにある。

この目的のために、本発明に係るデバイスは、他の点では上の前文に示した包括的定義に従って、圧力制御システムが、ポンピングされた低温流体をタンクへ選択的に再注入するために、ポンプの高圧出口をタンクへ接続するパイプと、冷却されたガスをタンクへ選択的に注入するように、ガスを冷却する冷却部材を介して高圧ガスソースをタンクへ接続するパイプのうち少なくとも１つを有することを本質的に特徴とする。

さらに、本発明のいくつかの実施形態は、以下の特徴の１つ以上を有していてもよい：
−圧力制御システムは、ポンプが動作している間にポンピングされた流体をタンクへ再注入するためにポンプの高圧出口をタンクへ接続するパイプと、特にポンプが動いていないときに冷却されたガスをタンクへ注入するように冷却部材を介して高圧ガスソースをタンクへ接続するパイプとを有する。

−ポンプの高圧出口をタンクへ接続するパイプは低温ガスをタンクへ再注入するための膨張弁を有する、
−高圧ガスソースをタンクへ接続するパイプに位置する冷却部材は、高圧ガスソースからのガスをタンクからポンピングされた低温流体との熱交換関係に選択的に置くことができる熱交換器を有する、
−熱交換器は冷却エネルギーアキュムレータを有し、熱慣性によってポンプの２回の使用の間に冷却能を維持するようにする。

−高圧ソースは弁、膨張弁、ヒーターのうち少なくとも１つを介してポンプの高圧出口へ接続され、前記ソースをタンクからの流体で選択的に満たすことを可能にするようになっている。

−前記デバイスは、ポンプの動作によって生じたガスを放出するための放出ラインを有し、前記ガス放出ラインはポンプのガス出口をタンクまたは別の脱気貯蔵設備へ接続する、
−冷却エネルギーアキュムレータは、大量のアルミニウム塊、大量のグリコール水、銅または鉛系合金のうち少なくとも１つを有する、
−熱交換器の冷却エネルギーアキュムレータは１４００ないし４０００ｋＪｍ^-3．Ｋ^-1の比熱容量（一定圧力での密度×熱容量）および３０ないし４００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する、
−圧力制御システムはタンク内および／または吸引ライン内に低温流体用の圧力センサおよび温度センサを有し、これらは制御および計算論理に接続されて測定された信号を供給し、ポンプ（３）から（パイプ９を介して）および／または高圧ガスソース（１６）から（パイプ１０、９を介して）タンクへの流体の注入を命令するようになっている、
−前記デバイスはユーザーに接続できる一端および少なくとも１つのヒーターおよび１つの膨張弁を介してポンプの高圧出口に接続される一端をもつガス供給ラインを有する、
−圧力制御システムは、前記温度センサによって測定された温度から、前記温度での液体の飽和圧力をポンプの入口水頭損失（ＮＰＳＨ）だけおよび吸引ラインの配管内のあらゆる水頭損失だけ上げたものに等しい、前記圧力センサによって測定された圧力の最小値を計算することができる少なくとも１つの命令および計算ユニットを有する、
−タンクはその蒸気で飽和した低温流体によって満たされ、前記低温流体は好ましくは水素またはヘリウムのような低密度流体である、
−高圧ガスソースのためのガスはタンクからくる。

また、本発明は、低温液体を収容する低温流体タンクから低温流体をポンピングし、前記流体は入口水頭損失（ＮＰＳＨ）をもつ低温ポンプを有する吸引ラインによってポンピングされる方法に関し、前記方法は、前記タンク内の圧力を制御して、前記タンク内および／または前記吸引ライン内の圧力を、貯蔵された前記低温流体の飽和圧力を前記低温ポンプの前記入口水頭損失（ＮＰＳＨ）だけ上げたもの、場合によってはさらに前記タンクを前記ポンプへ接続する前記吸引ラインの配管による水頭損失の値だけ上げたものに少なくとも等しいように選択的に保つ工程を有する。

１つの有利な特定の特徴によれば、前記方法は、前記タンク（１）内の圧力を制御する前記工程が、前記タンクの外側の周囲温度よりも低い温度、好ましくは４０°Ｋないし１００°Ｋの間の温度、および１ないし１２ｂａｒの間の圧力で、いわゆる低温ガスを前記タンクへ導入することを含むことを特徴とする。

さらに、本発明のいくつかの実施形態は以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい：
−タンク内の圧力を制御するために前記タンクへ導入される低温ガスは、ポンプの高圧出口をタンクへ接続するパイプ、ガスを冷却する冷却部材を介して高圧ガスソースをタンクへ接続するパイプのうち少なくとも１つによって供給される、
−タンク内へ導入される低温ガスは、ポンプが動作しているときにはポンプの高圧出口をタンクへ接続するパイプによって、およびポンプが停止しているときにはガス冷却部材を介して高圧ガスソースをタンクへ接続するパイプによって選択的に供給される、
−ポンプの高圧出口をタンクへ接続するパイプによって供給される低温ガスは、ポンプの高圧出口からの流体を膨張させることによって得られ、高圧ガスソースからのガスを冷却する部材はタンクからポンピングされた流体の冷却エネルギーを使用する。

また、本発明は以上または以下に列挙した特徴の任意の組み合わせを有する任意の代替的なデバイスまたは方法に関するであろう。

他の特定の特徴および利点は、図面を参照して提示している以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。

図１は本発明の第１の実施形態に係る低温流体をポンピングするデバイスの構造および動作を説明する概略図である。 図２は本発明の第２の実施形態に係る低温流体をポンピングするデバイスの構造および動作を説明する概略図である。

ここで図１を参照すると、デバイスはたとえばある温度および１ないし１２絶対ｂａｒの間の圧力で液体−気体混合物を収容する低温流体のタンク１（真空断熱されている）を有する。タンク１内の温度および圧力は対応するセンサ１０１、１００によって測定される。

タンク１の下部は吸引ライン２によって低温ポンプ３の吸引入口へ接続され、吸引ライン２は真空断熱されており１つ以上の断熱弁を有する。

ポンプ３は（たとえば熱／摩擦によって生じるガスのための）ガス放出ライン４を有し、このガス放出ライン４はそれをタンク１の上部へ放出するものであり複数の弁が取り付けられている。

ポンプは一般的に配送弁を組み込んだ高圧配送ライン５（ポンピングされた流体の高圧出口）に接続されている。高圧配送ライン５は低温水素を交換器１０、好ましくは高い熱慣性を有する交換器へ供給する低温水素供給ライン６に接続されている。交換器１０を出ると、流体は低温高圧ライン１１を通過した後に高圧大気再熱器１２（またはその等価物）を通過してからガス供給ライン１１１に達し、このガス供給ライン１１１は圧力レギュレータ１３を介してユーザーＵ（たとえばタンクまたはシリンダ）に接続されていることがある末端を有する。

また、断熱された高圧配送ライン５は、タンク１をポンプ３からの冷却された水素で加圧するためのパイプ９を介して、タンク１の上部に接続されている。タンク１を加圧するパイプ９は膨張弁９９および／または制御弁を有する。タンク１の上端は、たとえば加圧パイプ９を介して、（外部に排気する）タンク減圧弁２０に接続されている。

また、加圧パイプ９はライン２９を介して周囲温度でシリンダ１６などの加圧ガスソース１６に接続されており、ライン２９は（それと熱交換する）高い熱慣性の交換器１０を通過しており制御弁１５（たとえば膨張弁）を有する。

また、ガス供給ライン１１１は膨張弁１４を介して高圧ソース６に接続されている。

タンク１内の圧力を制御するユニット１８は圧力センサ１００から圧力情報を受け取り、加圧パイプ９の膨張弁／制御弁９９と加圧ガスソース１６に接続されたライン２９の制御弁１５とを選択的に作動させるセレクタ１７を駆動させる。計算ユニット１９は圧力リリーフ弁１０１によって記録された温度の関数としてタンク１内の飽和圧力を決定し、その結果に応じて制御ユニット１９に指示する。

過冷却された液体水素タンク１での動作の１つの考えられる例では、タンク１の圧力および温度にある水素がタンク１によってポンプ３へ真空断熱ライン２を介して供給される。この水素はポンプ３によってポンピングされ、配送ライン５によって（たとえば２００ないし８５０ｂａｒの間の）高圧で交換器１０へ、それから低温高圧ライン１１へ放出される。

再熱器１２は水素の温度を周囲温度まで上げる。

膨張弁１４はタンク１６が最大圧力にあることを確実にする。上流のレギュレータ１３はポンプ内の圧力を制御する。

本発明によれば、前記システムはタンク１内の圧力を制御する。タンク１の基準圧力は計算ユニット１９によって計算され、タンク内の圧力が上昇した温度（１０１）での水素の飽和圧力に加えてポンプ３の入口水頭損失（ＮＰＳＨ）および吸引配管２における水頭損失に等しくなるようにする。水頭損失（ＮＰＳＨ）の値は、たとえばポンプ３の供給業者によって示される。

本発明に係るデバイスは、ポンプ３が動作している間に、このポンプ３の低温高圧出口５から直接に水素（たとえば４５０ｂａｒで約７０°Ｋにある水素）を使用する可能性がある。ポンプ３によって供給されたこの水素は、加圧ライン９に設けられた弁９９によって膨張されて低温ガスおよび／または液体の形態でタンク１へ再注入されることがある。

本発明に係るデバイスはさらに、ポンプ３が起動する前に、周囲温度にある高圧シリンダ１６を用いて低温水素（これは交換器／アキュムレータ１０を通過されるため低温である）をタンク１へ注入してタンク１を加圧する水素を過冷却する可能性がある。

（交換器１０内の）冷熱アキュムレータは、たとえば、ポンプ３の前の動作中に予め冷やされる。冷熱アキュムレータはポリウレタンフォームなどを用いて断熱することができる。

これはポンプ３の吸引側でのあらゆるキャビテーションを避けることを可能にする。

ポンプ３が停止しているとき、タンク１減圧弁２０を用いてタンク１を減圧することができ、その結果タンク１内に残留する水素を冷却することができる。

本発明の１つの有利な特別な特徴によれば、タンク１を加圧するのに用いられる水素はこうして予冷される。したがってタンク内のガスの温度成層が低くなり、その圧力の上昇が遅くなり、これはタンク１がその最大動作圧力に達するまでに利用可能なポンピング時間の量を増加させる。

加えて、好ましくは外部から断熱されている高い熱慣性の交換器１０は冷熱のソースを提供し、（シリンダ１６またはその等価物を用いて）ポンプ３が動作していないときであっても低温水素を用いてタンク１を加圧することを可能にする。交換器１０の熱慣性およびそれが断熱される方法は、ポンプ３の動作の２つの段階の間にその温度が好ましくは一定（＋／−１０℃）のままになるように決定される。

説明したデバイスは、従来技術におけるよりも、特に熱サイホンシステムと比較して、タンク１内の圧力をより正確かつより迅速に制御することを可能にする。

図はガス放出ライン４に関してのみ図１の実施形態から異なる代替的な形態を例示している。他の要素は同じ参照符号によって表示され、再度説明しない。

図２の実施形態では、水素放出すなわちリターンライン４は脱気容積として知られる容積２１へ戻される。この配置において、リターンライン４は、大気再熱器２２によって加熱されており、そのレベルが弁２３、２４によって制御される脱気タンク２１と連通している。この配置は高温水素が低温タンク１に戻り、その中に収容されている全ての液体水素を加熱することを防ぐのを可能にする。

こうして、本発明は低温流体の過冷却およびこうして過冷却された流体の吸引を可能にする。こうして入口水頭損失が補償され、ポンプ３内でのあらゆるキャビテーション現象を防ぎ、一方で流体の密度、したがってポンピングされる量を最大にするのに十分低い圧力に前記流体を保つ。

加えて、本発明に従ってタンク１を加圧する方法は、タンク内の液体のレベル、したがってタンク１がその最大動作圧力に達する前に利用可能なポンピング時間にほとんどまたは全く影響を与えない。

Claims (8)

1. 低温流体をポンピングするデバイスであって、低温液体を収容する、低温流体を貯蔵するための貯蔵タンク（１）と、入口水頭損失（ＮＰＳＨ）をもつ低温ポンプ（３）と、前記タンク（１）を前記ポンプ（３）へ接続する吸引ライン（２）とを有し、前記ポンピングデバイスは、前記タンク（１）内の圧力を制御するシステム（９、１８、１９）であって、前記タンク（１）内の圧力を、貯蔵された前記低温流体の飽和圧力を前記低温ポンプの前記入口水頭損失（ＮＰＳＨ）だけ上げたもの、場合によってはさらに前記タンク（１）を前記ポンプ（３）へ接続する前記吸引ライン（２）の配管による水頭損失の値だけ上げたものに少なくとも等しいように選択的に保つシステム（９、１８、１９）を有し、前記圧力制御システム（９、１８、１９）は前記ポンプ（３）の高圧出口を前記タンク（１）へ接続するパイプ（９）を有し、ポンピングされた低温流体を前記タンク（１）へ選択的に再注入し、前記ポンプ（３）の高圧出口（５）を前記タンク（１）へ接続する前記パイプ（９）は低温ガスを前記タンク（１）へ再注入するための膨張弁（９９）を有することを特徴とするデバイス。
2. 前記圧力制御システム（９、１８、１９）は冷却部材（１０）を介して高圧ガスソース（１６）を前記タンク（１）へ接続するパイプ（９、２９）を有し、特に前記ポンプ（３）が動いていないときに冷却されたガスを前記タンク（１）へ注入するようにすることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記高圧ガスソース（１６）を前記タンク（１）へ接続する前記パイプ（９、１０）に位置する前記冷却部材（１０）は、前記高圧ガスソース（１６）からのガスを前記タンク（１）からポンピングされた前記低温流体との熱交換関係に選択的に置くことができる熱交換器（１０）を有することを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記熱交換器（１０）は冷却エネルギーアキュムレータを有し、熱慣性によって前記ポンプ（３）の２回の使用の間に冷却能を維持するようにすることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記高圧ソース（１６）は弁、膨張弁（１４）、ヒーター（１０、１２）のうち少なくとも１つを介して前記ポンプ（３）の高圧出口へ接続され、前記ソース（１６）を前記タンク（１）からの流体で選択的に満たすことを可能にするようになっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のデバイス。
6. 前記ポンプ（３）の動作によって生じたガスを放出するための放出ライン（４）を有し、前記ガス放出ライン（４）は前記ポンプ（３）のガス出口を前記タンク（１）または別の脱気貯蔵設備（２１）へ接続することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のデバイス。
7. 低温液体を収容する低温流体タンク（１）から低温流体をポンピングし、前記流体は入口水頭損失（ＮＰＳＨ）をもつ低温ポンプ（３）を有する吸引ライン（２）によってポンピングされる方法であって、前記方法は、前記タンク（１）内の圧力を制御して、前記タンク内または前記吸引ライン（２）内の圧力を、貯蔵された前記低温流体の飽和圧力を前記低温ポンプの前記入口水頭損失（ＮＰＳＨ）だけ上げたもの、場合によってはさらに前記タンク（１）を前記ポンプ（３）へ接続する前記吸引ライン（２）の配管による水頭損失の値だけ上げたものに少なくとも等しいように選択的に保つ工程を有し、前記タンク（１）内の圧力を制御する前記工程は、前記タンク（１）の外側の周囲温度よりも低い温度、好ましくは４０°Ｋないし１００°Ｋの間の温度、および１ないし１２ｂａｒの間の圧力で、いわゆる低温ガスを前記タンク（１）へ導入することを含み、前記タンク（１）へ導入される前記低温ガスは、前記ポンプ（３）が動作しているときには前記ポンプ（３）の高圧出口を前記タンク（１）へ接続するパイプ（９）によって、および前記ポンプ（３）が停止しているときにはガス冷却手段（１０）を介して高圧ガスソース（１６）を前記タンク（１）へ接続するパイプ（９、２９）によって選択的に供給されることを特徴とするポンピング方法。
8. 前記ポンプ（３）の高圧出口を前記タンク（１）へ接続する前記パイプ（９）によって供給される前記低温ガスは、前記ポンプ（３）の高圧出口（５）からの前記流体を膨張させることによって得られ、前記高圧ガスソース（１６）からの前記ガスを冷却する前記部材（１０）は前記タンク（３）からポンピングされた流体の冷却エネルギーを使用することを特徴とする請求項７に記載のポンピング方法。

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