JP5824229B2 - 液化システム - Google Patents

Description

本発明は、液化原料ガスを液化するための液化システムに関する。

従来、例えば水素ガス、ヘリウムガス及びネオンガスなど常温常圧で気体となる液化原料ガスを液化する液化システムが良く知られている。液化システムは、液化原料ガスを送るフィードライン、冷媒を循環させる冷媒循環ライン及び冷媒で液化原料ガスを冷却するための熱交換器を備えている。冷媒循環ラインを循環する冷媒は、圧縮機で圧縮され、膨張タービンで断熱膨張して降温し、熱交換器で液化原料ガスとの熱交換により昇温し、圧縮機へ戻る。

膨張タービンで冷媒を断熱膨張する場合、膨張タービンの回転軸を支持するための軸受が必要になる。軸受に液体軸受が適用されると、オイル等の潤滑剤が膨張タービンを通過する冷媒に混じり、冷媒循環ラインに潤滑剤が流入するおそれがある。このため、軸受には、冷媒と同一のガスを潤滑剤とする気体軸受を適用することが好ましい（特許文献１、２及び非特許文献１参照）。

気体軸受は、静圧気体軸受と動圧気体軸受とに大別される。静圧気体軸受は、動圧気体軸受と比べて負荷容量が高い点、液化システムの始動時及び停止時に軸受孔の表面と回転軸の表面との間の摩擦が生じにくい点で有利である。

特開２０００−５５０５０号公報 特開平６−９４０３２号公報

熊木ら；太陽日酸技報No.25, p. 44, 2006

しかし、静圧気体軸受を適用する場合、回転軸の支持に必要な所定圧以上の圧力のガスを軸受へと安定的に供給するため、高圧ガス源が必要になる。外部から静圧気体軸受へとガスを供給するためのラインが、フィードライン及び冷媒循環ラインと独立しているような場合、そのラインにガスを昇圧するための専用圧縮機を設ける必要がある。すると、液化システムのコストの増加を招く。

静圧気体軸受へガスを供給するためのラインを、冷媒循環ラインのうち冷媒が圧縮機から膨張タービンに向かう部分から分岐させ、圧縮機出口圧力の冷媒を軸受に供給するガスに利用することも考えられる。しかし、液化量の需要が少ないときには、これに合わせて圧縮機が部分負荷運転を行うので、圧縮機の出口圧力が回転軸の支持に必要な圧力よりも低くなるおそれがある。したがって、この場合も、軸受に所定圧以上のガスを安定供給するためには、軸受にガスを供給するためのラインに専用圧縮機を設けなくてはならない。この専用圧縮機は、軸受にガスを供給するラインが独立している場合と比べて小型化可能になるかもしれないが、冷媒循環ライン上の圧縮機が定格運転しているときには無用になるおそれがある。

このように、従来、膨張タービンの回転軸を支持するための軸受に静圧気体軸受を適用すると、軸受にガスを安定供給するために専用圧縮機が必要になる（特許文献１、２参照）。したがって、静圧気体軸受が膨張タービンの回転軸の支持に適していると考えられるにも関わらず、専用圧縮機の追加により生ずるコストに照らして、動圧気体軸受が適用されることがある（非特許文献１参照）。

そこで本発明は、膨張タービンの回転軸を静圧気体軸受で支持するにあたり、軸受にガスを供給するラインに専用圧縮機を設けなくても、回転軸の支持に必要な圧力のガスを軸受に安定供給可能にすることを目的としている。

本発明に係る液化システムは、液化原料ガスの圧力が所定部分で所定圧以上に保たれるように、液化原料供給源からの液化原料ガスを送るフィードラインと、冷媒を循環させるための冷媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインを流れる前記冷媒により前記フィードラインを流れる前記液化原料ガスを冷却するための熱交換器と、前記冷媒循環ラインに設けられ、前記冷媒を膨張により温度低下させる膨張タービンと、前記冷媒循環ラインに設けられ、前記冷媒を圧縮して前記膨張タービンに導く循環系圧縮機と、前記冷媒循環ラインのうち前記循環系圧縮機から前記膨張タービンへ向かう部分を流れる前記冷媒が前記所定圧以上となる高負荷運転と、当該部分を流れる前記冷媒が前記所定圧未満となる低負荷運転とを実施可能なように前記膨張タービン及び前記循環系圧縮機の動作を制御する制御装置と、前記所定圧以上のガスの供給を受けて前記膨張タービンの回転軸を回転可能に支持する静圧気体軸受と、前記静圧気体軸受にガスを供給するために、前記フィードラインの前記所定部分と前記静圧気体軸受のガス入口とを接続する軸受供給ラインと、を備えている。

前記構成によれば、軸受供給ラインは、フィードラインの所定部分と静圧供給軸受のガス入口との間を接続しているので、フィードラインを流れる液化原料ガスは、所定部分から軸受供給ラインにも流れていき、軸受供給ラインを介して静圧気体軸受へと供給される。そして、フィードラインを流れる液化原料ガスの圧力は、所定部分において所定圧以上に保たれている。したがって、循環系圧縮機の運転状態及び冷媒の圧力と関係なく、また、軸受供給ラインに専用の圧縮機を設けなくとも、静圧気体軸受に所定圧以上のガスを安定的に供給し、膨張タービンの回転軸を安定的に支持することができる。

前記所定部分が、前記フィードラインのうち前記熱交換器の上流側に位置していてもよい。

前記構成によれば、静圧気体軸受に常温のガスを供給することができる。

前記軸受供給ラインに設けられ、前記軸受供給ラインを流れるガスの圧力を減圧するための圧力調整弁を更に備えていてもよい。

前記構成によれば、液化原料ガスを液化するために十分に高い圧力に保つことと、静圧気体軸受に供給されるガスの圧力を回転軸の支持のため必要とされる圧力に調整することとを両立することができる。

前記所定部分の上流側で前記フィードラインに設けられ、前記液化原料ガスを圧縮するフィード系圧縮機と、前記静圧気体軸受のガス出口から流出するガスを前記フィードラインに戻すために、前記ガス出口と、前記フィードラインのうち前記フィード系圧縮機の上流側部分との間を接続する軸受ガス戻しラインと、を更に備えていてもよい。

前記構成によれば、静圧気体軸受から流出するガスを、液化原料ガス及び軸受に供給されるガスとして再利用することができる。

ボイルオフガスを前記フィードラインに戻すためのボイルオフガス戻しラインを備え、前記ボイルオフガス戻しラインが前記軸受ガス戻しラインに接続されていてもよい。

前記構成によれば、静圧気体軸受から流出するガスだけでなく、ボイルオフガスをも液化原料ガス及び軸受に供給されるガスとして再利用することができる。

前記冷媒が、前記液化原料ガスと同一であってもよい。

前記構成によれば、静圧気体軸受に供給されたガスが、膨張タービンで冷媒循環ラインを循環する冷媒と混合しても、異なる種類のガスの混入による問題が生じない。また、膨張タービンでは、冷媒の漏れが発生することもありえるが、仮に漏れが生じても、静圧気体軸受に供給されたガスによって、この漏れ分を補充することができる。

前記静圧気体軸受のガス出口から流出するガスを前記冷媒循環ラインに送るために、前記ガス出口と、前記冷媒循環ラインのうち前記膨張タービンから前記圧縮機に向かう部分との間を接続する軸受ガス戻しラインを更に備えていてもよい。

前記構成によれば、静圧気体軸受から流出するガスを冷媒として再利用することができる。なお、軸受に供給されるガスと冷媒とは同一であるので、異なる種類のガスの混入による問題を生じさせることなくガスの再利用をすることができる。

以上のように、本発明によれば、静圧気体軸受にガスを供給するラインに専用の圧縮機を設けなくても、膨張タービンの回転軸の支持に必要とされる所定圧以上のガスを静圧気体軸受に安定供給可能な液化システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る液化システムの全体構成を示す概念図である。 図１に示す膨張タービンの構造を示す断面図である。 図１に示す液化システムの要部構成を示す概念図である。 循環系圧縮機の負荷に対する液化原料ガス及び冷媒の圧力を示す線図である。 本発明の第２実施形態に係る液化システムの要部構成を示す概念図である。 本発明の第３実施形態に係る液化システムの要部構成を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、全ての図を通じて同一又は相当の要素には同一の符号を付し、その重複する詳細説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る液化システム１００の全体構成を示す概念図である。図１に示す液化システム１００は、常温常圧で気体となる液化原料ガスを液化する。液化システム１００が対象とする液化原料ガスは、沸点が絶対零度に近い極低温であって常温常圧で気体となるもの、例えば水素ガス、ヘリウムガス及びネオンガスである。本実施形態では、特段記載しない限り、液化原料ガスに水素ガスを適用するものとして説明する。

この液化システム１００は、原料タンク１、液体水素タンク２、フィードライン３、複数の熱交換器４ａ〜４ｅ、液体水素溜１８及び冷媒循環ライン５を備えている。原料タンク１は、液化原料ガスの供給源であり、常温常圧の水素ガスを貯留する。液体水素タンク２は、水素ガスを液化して成る液体水素を貯留する。

フィードライン３は、原料タンク１と液体水素タンク２との間を接続している。フィードライン３には、フィード系圧縮機１１及びジュールトムソン弁１２が設けられている。フィードライン３は、フィード系圧縮機１１とジュールトムソン弁１２との間において、５つの熱交換器４ａ〜４ｅ及び液体水素溜１８を順次通過する。このように、ジュールトムソン弁１２は、液体水素タンク２の上流側、望ましくは液体水素タンク２の直前（すなわち、液体水素溜１８の下流側）に設けられている。

原料タンク１内の水素ガスは、フィードライン３に沿って液体水素タンク２まで送られる。この過程で、まず、水素ガスがフィード系圧縮機１１で昇圧される。フィード系圧縮機１１を通過した常温高圧の水素ガスは、熱交換器４ａ〜４ｅ及び液体水素溜１８を通過することで、高圧のまま順次冷却されていく。なお、２段目の熱交換器４ｂは、液体窒素を貯留した液体窒素タンクである。水素ガスは、当該熱交換器４ｂを通過することで、液体窒素の温度程度にまで冷却される。他の熱交換器４ａ，４ｃ，４ｄ，４ｅ及び液体水素溜１８には、冷媒循環ライン５が接続されている。水素ガスは、各熱交換器４ａ，４ｃ，４ｄ，４ｅ及び液体水素溜１８を通過するときに、冷媒循環ライン５に沿って流れる冷媒との熱交換により冷却される。液体水素溜１８を通過した低温高圧の水素ガスは、続いてジュールトムソン弁１２を通過する。これにより、水素ガスは、膨張して液化し、低温常圧の液体状態となる。この液体状態の水素は、液体水素タンク２へと送られ、液体水素タンク２内に貯留される。

冷媒循環ライン５は、液化原料ガスの冷媒を循環させる。冷媒循環ライン５は、冷媒充填ライン６を介してフィードライン３と接続されている。冷媒充填ライン６は液化システム１００の始動前に開放される。これにより、原料タンク１内の水素ガスを冷媒循環ライン５に充填可能になる。冷媒充填ライン６は液化システム１００の稼働時には閉鎖される。これにより、冷媒循環ライン５が閉ループを成し、冷媒としての水素ガスが冷却循環ライン５に沿って循環する。このように、本実施形態では、冷媒が、液化原料ガスと同一の水素ガスである。

冷媒循環ライン５上には、２台の圧縮機（高圧循環系圧縮機１３Ｈ及び低圧循環系圧縮機１３Ｌ）と、２台の膨張タービン（高圧膨張タービン１４Ｈ及び低圧膨張タービン１４Ｌ）とが設けられている。高圧循環系圧縮機１３Ｈは、低圧循環系圧縮機１３Ｌと直列的に設けられている。高圧膨張タービン１４Ｈは、低圧膨張タービン１４Ｌと直列的に設けられている。低圧循環系圧縮機１３Ｌは、冷媒を圧縮して高圧循環系圧縮機１３Ｈに導く。高圧循環系圧縮機１３Ｈは、低圧循環系圧縮機１３Ｌからの冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を高圧膨張タービン１４Ｈに導く。

冷媒は、高圧膨張タービン１４Ｈへと導かれる過程で、１段目の熱交換器４ａ及び２段目の熱交換器４ｂをこの順で通過する。これにより、冷媒は、後述する寒冷との熱交換により、降温及び降圧していく。高圧膨張タービン１４Ｈには、液体窒素の温度程度まで冷却された冷媒が導かれる。高圧膨張タービン１４Ｈは、循環系圧縮機１３Ｌ，１３Ｈから導かれた低温高圧の冷媒を、膨張により降温及び降圧させる。高圧膨張タービン１４Ｈからの冷媒は、４段目の熱交換器４ｄを通過して、低圧膨張タービン１４Ｌに導かれる。低圧膨張タービン１４Ｌも、高圧膨張タービン１４Ｈから導かれた低温高圧の冷媒を、膨張により降温及び降圧させる。

低圧膨張タービン１４Ｌからの冷媒は、５段目の熱交換器４ｅ、４段目の熱交換器４ｄ、３段目の熱交換器４ｃ及び１段目の熱交換器４ａをこの順で通過して昇温する。１段目の熱交換器４ａを通過した冷媒は、低圧循環系圧縮機１３Ｌにより圧縮された冷媒と合流し、高圧循環系圧縮機１３Ｈの入口へと戻される。

また、高圧循環系圧縮機１３Ｈからの冷媒は、２段目の熱交換器４ｂを通過した後、前述した膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌに向かうものと、液体水素溜１８に向かうものとで分かれる。液体水素溜１８に向かう冷媒は、更に３段目の熱交換器４ｃ、４段目の熱交換器４ｄ及び５段目の熱交換器４ｅをこの順で通過して降温する。その後、当該冷媒は、ジュールトムソン弁１５を通過して液化された後、液体水素溜１８へと送られる。液体水素溜１８内の冷媒は、フィードライン３に沿って液体水素溜１８に送られた水素ガスを冷却する。液体水素溜１８からの冷媒は、５段目の熱交換器４ｅ、４段目の熱交換器４ｄ、３段目の熱交換器４ｃ及び１段目の熱交換器４ａをこの順で通過して昇温してから、低圧循環系圧縮機１３Ｌの入口へと戻される。このように、熱交換器４ａ，４ｃ，４ｄ，４ｅにおいては、低圧膨張タービン１４Ｌから高圧循環系圧縮機１３Ｈに向かう冷媒の寒冷と、液体水素溜１８から低圧循環系圧縮機１３Ｌに向かう冷媒の寒冷とが、液化原料ガス及び冷媒の冷却に利用される。

図２は、図１に示す高圧膨張タービン１４Ｈの構造を示す断面図である。なお、低圧膨張タービン１４Ｌも、図２に示す構造と同様の構造を有している。図２に示すように、高圧膨張タービン１４Ｈは、ハウジング２１、回転軸２２及びタービンインペラ２３を備えている。回転軸２２は、ハウジング２１内で上下方向に延び、上下軸線回りに回転可能に支持されている。タービンインペラ２３は、回転軸２２の下端部に形成されている。

ハウジング２１は、冷媒入口２４、ノズル２５及び冷媒出口２６を有している。冷媒入口２４は、ハウジング２１の底部に開口している。ノズル２５は、一端において冷媒入口２４と連通し、他端においてハウジング２１内部のタービンインペラ２３の収容部分と連通している。冷媒出口２６は、ハウジング２１の底中央部に開口しており、これにより前記タービンインペラ２３の収容部分がハウジング２１外部に連通する。

冷媒入口２４は、冷媒循環ライン５のうち高圧循環系圧縮機１３Ｈから高圧膨張タービン１４Ｈに向かう経路の下流端部と接続されている。冷媒出口２６は、冷媒循環ライン５のうち高圧膨張タービン１４Ｈから熱交換器４ｄを経て低圧膨張タービン１４Ｌに向かう経路の上流端部と接続されている。高圧循環系圧縮機１３Ｈからの冷媒は、冷媒入口２４からハウジング２１内部に流入する。冷媒入口２４に流入した冷媒は、ノズル２５の前記他端よりタービンインペラ２３に向けて噴射される。冷媒は、タービンインペラ２３の回転に伴い膨張及び降温した後に、冷媒出口２６からハウジング２１外部に流出する。

ハウジング２１内には、静圧気体軸受ユニットＧＢが設けられている。静圧気体軸受ユニットＧＢは、上静圧スラスト気体軸受２７、下静圧スラスト気体軸受２８、上静圧ジャーナル気体軸受２９、下静圧ジャーナル気体軸受３０、上ブロック３１及び下ブロック３２を有している。これら６つの部品２７〜３２は、略円筒状に形成され、回転軸２２の外周側を取り囲むようにして設けられ、回転軸２２の軸線方向に沿って並ぶように配置されている。上静圧スラスト気体軸受２７及び下静圧スラスト気体軸受２８は、回転軸２２の上下中央部から径方向に突出するスラストカラー３３を上下方向に挟むようにして配置され、また、スラストカラー３３の外縁よりも外周側で互いに接触している。上静圧ジャーナル気体軸受２９及び上静圧スラスト気体軸受２７は、上ブロック３１を上下方向に挟むようにして配置されている。下静圧ジャーナル気体軸受３０及び下静圧スラスト気体軸受２８は、下ブロック３２を上下方向に挟むようにして配置されている。

静圧気体軸受ユニットＧＢは、共通給気通路３４と共通排気通路３５とを有している。共通給気通路３４及び共通排気通路３５は、周方向に異なる位置に形成され、６つの部品２７〜３２を貫くようにして軸線方向に延びている。共通給気通路３４は、軸受ガスを各静圧気体軸受の軸受隙間に供給される軸受ガスが流れる通路であり、共通排気通路３５は、各静圧気体軸受の軸受隙間から排出された軸受ガスが流れる通路である。なお、上静圧スラスト気体軸受２７の軸受隙間は、気体軸受２７の下端面とスラストカラー３３の上端面との間に形成される。下静圧スラスト気体軸受２８の軸受隙間は、気体軸受２８の上端面とスラストカラー３３の下端面との間に形成される。上静圧ジャーナル気体軸受２９の軸受隙間は、気体軸受２９の内周面と回転軸２２の外周面との間に形成される。下静圧ジャーナル気体軸受３０の軸受隙間は、気体軸受３０の内周面と回転軸２２の外周面との間に形成される。

各静圧気体軸受２７，２８，２９，３０は、給気溝３６，３８，４０，４２と、給気口３７，３９，４１，４３とを有している。給気溝３６，３８，４０，４２は、軸受２７，２８，２９，３０内を共通給気通路３４から内周側に向けて延びている。給気口３７，３９，４１，４３は、対応する給気溝３６，３８，４０，４２を軸受隙間に連通させる。静圧スラスト気体軸受２７，２８の給気溝３６，３８は軸線方向に延びており、静圧ジャーナル気体軸受２９，３０の給気溝４０，４２は、径方向に延びている。給気溝４０は、軸線方向に離れた２つの位置の各々にて、周方向に間隔をおいて設けられている。給気溝４２も同様である。

上ブロック３１及び下ブロック３２は、排気溝４４，４５を有している。上ブロック３１の排気溝４４は、上静圧スラスト気体軸受２７の軸受隙間の内周側及び上静圧ジャーナル気体軸受２９の軸受隙間の下側を共通排気通路３５に連通させる。下ブロック３２の排気溝４５は、下静圧スラスト気体軸受２８の軸受隙間の内周側及び下静圧ジャーナル気体軸受３０の軸受隙間の上側を共通排気通路３５に連通させる。なお、静圧スラスト気体軸受２７，２８の軸受隙間の外周側は、これら軸受２７，２８に形成された排気溝４６を介し共通排気通路３５に連通している。上静圧ジャーナル気体軸受２９の軸受隙間の上側は、ハウジング２１に形成された排気溝４７を介し共通排気通路３５に連通している。下静圧ジャーナル気体軸受３０の軸受隙間の下側は、この軸受３０の下部に形成された排気溝４８を介し共通排気通路３５に連通している。

ハウジング２１は、軸受ガス入口４９及び軸受ガス出口５０を有している。軸受ガス入口４９は、共通給気通路３４と連通している。軸受ガス出口５０は、共通排気通路３５と連通している。軸受ガス入口４９は、軸受供給ライン７の下流端部と接続される。軸受供給ライン７は、膨張タービン１４Ｈのハウジング２１内の静圧気体軸受ユニットＧＢに高圧の軸受ガスを供給する。本実施形態では、軸受ガスの供給源が後述するとおりフィードライン３であり、軸受ガスに水素ガスが利用される。軸受ガス出口５０は、軸受ガス戻しライン８の上流端部と接続される。

軸受供給ライン７からの軸受ガスは、軸受ガス入口４９を介して共通給気通路３４に流入する。共通給気通路３４に流入した軸受ガスは、給気口３７，３９，４１，４３より、各静圧気体軸受２７，２８，２９，３０の軸受隙間に噴射される。軸受隙間に噴射された軸受ガスは、排気溝４４〜４８を介して共通排気通路３５に排出される。共通排気通路３５内の軸受ガスは、軸受ガス出口５０からハウジング２１外部に流出する。ハウジング２１外部に流出した軸受ガスは、水素ガスの再利用のため、軸受ガス戻しライン８に沿って再利用先へと送られる。

このように静圧気体軸受２７〜３０の軸受隙間に高圧の軸受ガスが供給されることにより、回転軸２２をハウジング２１内で回転可能に支持することができ、回転軸２２のラジアル荷重及びスラスト荷重を良好に支持することができる。起動時及び停止時に、回転軸２２の外周面と、静圧ジャーナル気体軸受２９，３０の内周面との間で摩擦が生じない。このため、高圧膨張タービン１４Ｈ及び静圧ジャーナル気体軸受２９，３０の長寿命化を図ることができる。なお、下静圧ジャーナル気体軸受３０の軸受隙間と、ハウジング２１内部のタービンインペラ２３の収容部分との間には、ラビリンス構造５１が設けられている。このため、気体軸受３０の軸受隙間に噴射された軸受ガスが、前記タービンインペラ２３の収容部分に引き込まれるのを良好に抑制することができる。本実施形態では、軸受ガスが液化原料ガスと同一であり、冷媒も液化原料ガスと同一である。このため、仮に軸受ガスがラビリンス構造５１を乗り越えて冷媒に混入しても、冷媒に異なる種類のガスが混入するという問題がなくなる。

図３は、図１に示す液化システム１００の要部構成を示す概念図である。図３では、説明の便宜上、２段目から４段目までの熱交換器４ｂ，４ｃ，４ｄ、液体水素溜１８、冷媒充填ライン６、冷媒循環ライン５のうち液体水素溜１８で折り返すルート及び低圧循環系圧縮機１３Ｌの図示を省略する。図３には、冷却循環ライン５のうち、高圧循環系圧縮機１３Ｈの出口から低圧膨張タービン１４Ｌの入口に向かうまでの往路５ａ、及び、低圧膨張タービン１４Ｌの出口から高圧循環系圧縮機１３Ｈの入口に向かうまでの復路５ｂが示されている。

図３中符号３ａ〜３ｄは、フィードライン３を成す経路を表わしている。符号３ａは、原料タンク１（図１参照）からフィード系圧縮機１１の入口に向かう第１経路、符号３ｂは、フィード系圧縮機１１の出口から１段目の熱交換器に向かう第２経路、符号３ｃは、１段目の熱交換器４ａからジュールトムソン弁１２の入口に向かう第３経路、符号３ｄは、ジュールトムソン弁１２の出口から液体水素タンク２（図１参照）に向かう第４経路である。

図３に示すように、液化システム１００は、制御装置１０を備えている。制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及び入出力インターフェイスを主体として構成されたマイクロコンピュータである。制御装置１０の入力側には、システムを起動させる指令、停止させる指令、液化量の設定値などが入力される。また、制御装置１０の入力側には、液化システム１００のプロセスデータ（液化原料ガス及び冷媒の温度、圧力、流量や、液化量など）の測定値が入力される。制御装置１０の出力側には、フィード系圧縮機１１、高圧循環系圧縮機１３Ｈ、低圧循環系圧縮機１３Ｌ、高圧膨張タービン１４Ｈ及び低圧膨張タービン１４Ｌが接続されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行する。ＣＰＵは、プロセスデータの測定値を監視しながら、液化量が設定どおり得られるようにフィード系圧縮機１１、高圧循環系圧縮機１３Ｈ、低圧循環系圧縮機１３Ｌ、高圧膨張タービン１４Ｈ及び低圧膨張タービン１４Ｌを制御する。

ジュールトムソン効果による液化を促進するためには、液化原料ガスの流量又は液化量に関わらず、ジュールトムソン弁１２の入口圧が高圧となっていることが好ましい。そこで、フィード系圧縮機１１は、液化量の設定値に関わらず一定圧運転するように制御される。液化量の設定値が定格であるとき、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌ及び膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌも定格運転するよう制御される。一方、液化量の設定値が定格未満であるとき、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌ及び膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌは部分負荷運転するように制御される。このように、制御装置１０は、高負荷運転と低負荷運転とを実施可能なように循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌ及び膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌの動作を制御する。このため、液化原料ガスの流量又は液化量の設定値に見合った寒冷が発生する。これにより、液化量の設定値が小さいときに高圧循環系圧縮機１３Ｈ及び低圧循環系圧縮機１３Ｌが無駄な仕事をして過剰な寒冷が発生するのを好適に防止することができる。この制御を実現する方法としては様々なものを採用しうるが、要するに負荷（液化量）の設定値に対して循環系の圧縮機負荷を変動させる制御方法であれば、どのような方法が採用されてもよい。

図４は、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌの負荷に対する液化原料ガス及び冷媒の圧力を示す線図である。図４において、横軸は、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌの負荷（すなわち液化量の設定値に相当）を表わし、縦軸は、圧力を表している。線Ｐ３ｂは、フィードライン３の第２経路３ｂにおける液化原料ガスの圧力を表している。線Ｐ５ａは、冷媒循環ライン５の往路５ａを流れる冷媒の圧力を表している。線Ｐ０は、静圧気体軸受ユニットＧＢが回転軸２２のラジアル負荷及びスラスト負荷を支持しながら該回転軸２２を回転可能に支持するために必要とされる圧力の一例であり、軸受ガス入口４９に供給される軸受ガスの圧力として最低限確保したい圧力（以下、「所定圧」と称す）を表わしている。

図４に示すように、所定圧Ｐ０は、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌの負荷の変化に関わらず略一定である。第２経路３ｂを流れる液化原料ガスの圧力Ｐ３ｂも、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌの負荷の変化に関わらず略一定である。しかも、当該圧力Ｐ３ｂは、前述したジュールトムソン効果による液化促進のため、所定圧Ｐ０以上の高い値に保たれる。

往路５ａを流れる冷媒の圧力Ｐ５ａは、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌの負荷の変化に応じて変化する。部分負荷運転を実施している或る運転状態Ｓ１で、当該圧力Ｐ５ａは所定圧Ｐ０と等しくなる。当該運転状態Ｓ１よりも循環系圧縮機１３Ｌ，１３Ｈの負荷が高くなる高負荷運転を実施しているときには、当該圧力Ｐ５ａは所定圧Ｐ０以上となる一方、当該運転状態Ｓ１よりも循環系圧縮機１３Ｌ，１３Ｈの負荷が低くなる低負荷運転を実施しているときには、当該圧力Ｐ５ａが所定圧Ｐ０未満となる。仮に、往路５ａを流れる冷媒が軸受ガスの供給源に利用されると、当該低負荷運転を実施しているときには、膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌの各回転軸２２を良好に支持することができなくなるので、軸受供給ライン７に専用圧縮機を設けなくてはならない。

図３に戻り、本実施形態では、軸受供給ライン７の上流端が、フィードライン３の第２経路３ｂに接続されており、第２経路３ｂを流れる液化原料ガスが、軸受ガスの供給源に利用されている。前述のとおり、第２経路３ｂを流れる液化原料ガスは、液化量の設定値等に関わらず、所定圧Ｐ０以上の高圧を有している。このため、軸受供給ライン７上に軸受ガスを昇圧するための専用圧縮機を設けなくても、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌ及び膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌの運転状態に関わらず、所定圧Ｐ０以上の軸受ガスを静圧気体軸受ユニットＧＢに安定して供給することができる。これにより、液化システム１００のコストの増加を防ぎながら、静圧気体軸受２７〜３０の適用によって生ずる効果を得ることができる。つまり、負荷容量を大きくすることができるし、液化システム１００が起動及び停止を繰り返しても、静圧気体軸受ユニットＧＢ及び回転軸２２の磨耗が進行しにくくなる。

第１経路３ａでは常圧の液化原料ガスが流れ、第４経路３ｄでは常圧の液化原料ガスが液体状態で流れる。第３経路３ｃでは、高圧の液化原料ガスが、なるべく降圧することなく、ジュールトムソン弁１２の入口に向かって気体状態を維持して流れる。このため、第３経路３ｃを流れる液化原料ガスの圧力も、循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌの負荷の変化に関わらず、所定圧Ｐ０以上の高い値に保たれる。本実施形態では、所定圧Ｐ０以上の液化原料ガスが気体状態で流れる部分のうち、１段目の熱交換器４ａよりも上流側に配置された第２経路３ｂを流れる液化原料ガスを軸受ガスに利用している。このため、軸受ガスを常温とすることができる。第３経路３ｃを流れる液化原料ガスが軸受ガスに利用されてもよい。この場合、ハウジング２１内での冷媒と軸受ガスとの間の温度差が小さくなり、軸受ガスが冷媒に与える熱的影響を抑えることができる。

軸受供給ライン７上には、軸受ガスの圧力を減圧するための圧力調整弁１６が設けられている。このような圧力調整弁１６を設けると、第２経路３ｂを流れる液化原料ガスの圧力を液化するために十分に高く保つことと、静圧気体軸受ユニットＧＢに供給される軸受ガスの圧力を回転軸２２の支持のため必要とされる圧力に調整することとを両立することができる。

本実施形態では、冷媒循環ライン５上に２つの膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌが設けられている。そこで軸受供給ライン７の下流部が、二股に分かれており、２つの膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌの各軸受ガス入口にそれぞれ接続されている。これにより、各膨張タービンに設けられた静圧気体軸受に高圧の軸受ガスを安定供給可能になる。軸受供給ライン７は、圧力調整弁１６よりも下流側で二股に分岐しているので、何れの膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌにも減圧調整後の軸受ガスを供給することができる。

軸受ガス戻しライン８は、２つの膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌの各軸受ガス出口５０を、フィードライン３の第１経路３ａに接続している。このため、軸受ガス出口５０から排出された軸受ガスは、軸受ガス戻しライン８に沿って第１経路３ａへ戻され、液化原料ガス及び軸受ガスとして再利用される。なお、軸受ガスは、軸受ガス入口４９において高圧とされるが、軸受隙間を通過することで降圧し、軸受ガス出口５０では常圧程度となる。このため、フィード系圧縮機１１よりも下流側の第２経路３ｂに軸受ガスを戻すことは難しい。本実施形態のように、フィード系圧縮機１１よりも上流側の第１経路３ａであれば、軸受ガスを昇圧することなく戻すことができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る液化システム２００の要部構成を示す概念図である。以下、上記実施形態との相違を中心にして本実施形態について説明する。

図５に示すように、本実施形態に係る液化システム２００においては、フィード系圧縮機がフィードライン２０３上に設けられていない。替わりに、原料タンク２０１が、上記実施形態におけるフィード系圧縮機１１の出口圧力相当にまで予め昇圧されている液化原料ガスを貯留している。この場合、フィードライン２０３のうち、原料タンク２０１からジュールトムソン弁１２の入口までを流れている気体状態の液化原料ガスの圧力が、高圧循環系圧縮機１３Ｈ等の負荷に関わらず、所定圧Ｐ０以上の高圧に維持される。このように、フィードライン２０３上には、フィード系圧縮機が必ずしも設けられていなくてもよい。

また、この場合、図５に示すように、軸受供給ライン７の上流端を、フィードライン２０３のうち、原料タンク２０１から１段目の熱交換器４ａまでの経路２０３ｂに接続することができる。これにより、上記実施形態と同様、静圧気体軸受ユニットＧＢに高圧の軸受ガスを安定供給可能となる。１段目の熱交換器４ａからジュールトムソン弁１２の入口までの経路３ｃも所定圧Ｐ０以上の圧力の液化原料ガスが気体状態で流れる部分となるので、軸受供給ライン７の上流端は当該経路３ｃに接続されていてもよい。この場合、上記実施形態と同様、ハウジング２１内での冷媒と軸受ガスとの間の温度差が小さくなり、軸受ガスが冷媒に与える熱的影響を抑えることができる。

本実施形態においては、フィードライン２０３に、低圧の液化原料ガスが気体状態で流れる部分が存在しないので、軸受ガス戻しライン２０８の下流端をフィードライン２０３に接続し、軸受ガスを液化原料ガスとして再利用することが難しい。そこで、図５に示すように、軸受ガス戻しライン２０８の下流端を冷媒循環ラインの復路５ｂに接続することができる。このとき、軸受ガス戻しライン２０８の下流端を、復路５ｂのうち冷媒の温度が軸受ガスの温度に近い部分、例えば１段目の熱交換器４ａから循環系圧縮機１３Ｈに冷媒が戻る部分に接続してもよい。軸受ガスは冷媒と同一のガスであるので、軸受ガスを冷媒として再利用しても、冷媒に異なる種類のガスが混入するという問題がない。軸受ガスに含まれる不純物が冷媒に混入するのを防ぐため、軸受ガス戻しライン２０８上に不純物を吸着する吸着器が設けられていてもよい。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る液化システム３００の要部構成を示す概念図である。以下、上記実施形態との相違を中心にして本実施形態について説明する。

図６に示すように、本実施形態に係る液化システム３００は、第１実施形態と同様、フィードライン３上にフィード系圧縮機１１が設けられており、軸受ガス戻しライン３０８が、軸受ガス出口５０をフィードライン３のうちフィード系圧縮機１１よりも上流側の経路３ａに接続している。また、液化システム３００は、液体水素タンク３０２内で発生したボイルオフガスを戻すボイルオフガス戻しライン３０９，３１０を備えている。ボイルオフガス戻しライン３０９，３１０は、軸受ガス戻しライン３０８に接続されている。このため、本実施形態においては、軸受ガスとともにボイルオフガスも、液化原料ガス及び軸受ガスとして再利用することができる。なお、熱交換器４ａ〜４ｅ、液体水素溜１８及び膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌのタービン部は、これらを保冷するためのコールドボックス（低温ボックス）内に収容されている。

液体水素タンク３０２内のボイルオフガスは、液体水素の沸点付近の低温となっている。そこで、ボイルオフガス戻しライン３０９は、液体水素タンク３０２から軸受ガス戻しライン３０８との接続点までの間で、５段目の熱交換器４ｅ、４段目の熱交換器４ｄ、３段目の熱交換器４ｃ及び１段目の熱交換器４ａをこの順で通過する。これにより、ボイルオフガスの寒冷を液化原料ガス及び往路５ａを流れる冷媒の冷却に利用することができ、冷媒循環ライン５上の循環系圧縮機１３Ｈ，１３Ｌ及び膨張タービン１４Ｈ，１４Ｌの負荷を下げることができる。一方、ボイルオフガス戻しライン３１０は、液体水素タンク３０２から軸受ガス戻しライン３１０との接続点までの間で、何れの熱交換器も通過していない。替わりに、ボイルオフガス戻しライン３１０上には、液体水素タンク３０２から軸受ガス戻しライン３０８に向かうボイルオフガスを加熱するためのヒータ３１１が設けられている。これにより、温度差を小さくしてボイルオフガスを再利用することができる。

これまで、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態の構成は、一例に過ぎず、本発明の範囲内で適宜変更、追加及び省略可能である。例えば、第２実施形態に係る液化システム２００に、第３実施形態に係るボイルオフガス戻しラインが適用されてもよい。また、フィードライン３上に圧縮機が設けられている場合であっても、軸受ガス戻しラインの下流端を冷媒循環ラインの往路に接続してもよく、そのうえで、ボイルオフガス戻しラインが適用されてもよい。第３実施形態に係るボイルオフガス戻しライン３０９，３１０は、何れか一方が省略されていてもよい。また、両方のボイルオフ戻しライン３０９，３１０が適用される場合、液化システムは、何れのラインを利用してボイルオフガスを戻すのかを切換可能に構成されていてもよい。この切換えのため、各ラインに開閉弁が設けられていてもよい。

また、上記実施形態においては、液化原料ガスの供給源を原料タンクとしているが、供給源は、液化原料ガスを生成するプラントであってもよく、この場合、当該プラントで生成された常圧又は高圧の液化原料ガスが、フィードライン３に送り込まれる。また、上記実施形態においては、液化原料ガスを水素ガスとして説明したが、液体ヘリウム、液体ネオンを生産するシステムにも本発明を好適に適用することができる。

本発明は、静圧気体軸受にガスを供給するラインに専用の圧縮機を設けなくても、膨張タービンの回転軸の支持に必要とされる所定圧以上のガスを静圧気体軸受に安定供給可能な液化システムを提供することができるという作用効果を奏し、膨張タービンの回転軸を支持する静圧気体軸受を備えた液化システムに広く利用することができる。

１００、２００、３００ 液化システム
１、２０１ 原料タンク
２、３０２ 液体水素タンク
３、２０３、３０３ フィードライン
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ 熱交換器
５ 冷媒循環ライン
７ 軸受供給ライン
８、２０８、３０８ 軸受ガス戻しライン
３０９，３１０ ボイルオフガス戻しライン
１１ フィード系圧縮機
１２ ジュールトムソン弁
１３Ｈ 高圧循環系圧縮機
１３Ｌ 低圧循環系圧縮機
１４Ｈ 高圧膨張タービン
１４Ｌ 低圧膨張タービン
１５ ジュールトムソン弁
１６ 圧力調整弁
１８ 液体水素溜
２２ 回転軸
２７ 上静圧スラスト気体軸受
２８ 下静圧スラスト気体軸受
２９ 上静圧ジャーナル気体軸受
３０ 下静圧ジャーナル気体軸受
ＧＢ 静圧気体軸受ユニット
４９ 軸受ガス入口
５０ 軸受ガス出口

Claims (7)

1. 液化原料供給源からの液化原料ガスを送るフィードラインと、
   冷媒を循環させるための冷媒循環ラインと、
   前記冷媒循環ラインを流れる前記冷媒により前記フィードラインを流れる前記液化原料ガスを冷却するための熱交換器と、
   前記冷媒循環ラインに設けられ、前記冷媒を膨張により温度低下させる膨張タービンと、
   前記冷媒循環ラインに設けられ、前記冷媒を圧縮して前記膨張タービンに導く循環系圧縮機と、
   前記冷媒循環ラインのうち前記循環系圧縮機から前記膨張タービンへ向かう部分を流れる前記冷媒が所定圧以上となる高負荷運転と、当該部分を流れる前記冷媒が前記所定圧未満となる低負荷運転とを実施可能なように前記膨張タービン及び前記循環系圧縮機の動作を制御する制御装置と、
   前記膨張タービンの回転軸を回転可能に支持する静圧気体軸受と、
   前記静圧気体軸受にガスを供給する軸受供給ラインと、を備え、
   前記所定圧は、前記静圧気体軸受が前記回転軸を支持するために必要な圧力であり、
   前記液化原料ガスの圧力は、前記高負荷運転及び前記低負荷運転に関わらず、前記フィードラインの一部において前記所定圧以上に保たれ、
   前記軸受供給ラインは、前記フィードラインの前記一部を前記静圧気体軸受のガス入口に接続している、液化システム。
2. 前記所定部分が、前記フィードラインのうち前記熱交換器の上流側に位置する、請求項１に記載の液化システム。
3. 前記軸受供給ラインに設けられ、前記軸受供給ラインを流れるガスの圧力を減圧するための圧力調整弁を更に備える、請求項１又は２に記載の液化システム。
4. 前記所定部分の上流側で前記フィードラインに設けられ、前記液化原料ガスを圧縮するフィード系圧縮機と、
   前記静圧気体軸受のガス出口から流出するガスを前記フィードラインに戻すために、前記ガス出口と、前記フィードラインのうち前記フィード系圧縮機の上流側部分との間を接続する軸受ガス戻しラインと、を更に備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液化システム。
5. ボイルオフガスを前記フィードラインに戻すためのボイルオフガス戻しラインを備え、
   前記ボイルオフガス戻しラインが前記軸受ガス戻しラインに接続されている、請求項４に記載の液化システム。
6. 前記冷媒が、前記液化原料ガスと同一である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液化システム。
7. 前記静圧気体軸受のガス出口から流出するガスを前記冷媒循環ラインに送るために、前記ガス出口と、前記冷媒循環ラインのうち前記膨張タービンから前記圧縮機に向かう部分との間を接続する軸受ガス戻しラインを更に備える、請求項６に記載の液化システム。
   

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