JP7237755B2

JP7237755B2 - 低温流体の圧送ユニット、低温流体の圧送方法、及び低温流体の圧送ユニットを備えた装置

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Publication number: JP7237755B2
Application number: JP2019124108A
Authority: JP
Inventors: 玲央奈郷田; 貴紀貝川
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2023-03-13
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: JP2020030035A; KR20210046012A; CN112543854B; CN112543854A

Description

本発明は、低温流体の圧送ユニット、低温流体の圧送方法、及び低温流体の圧送ユニットを備えた装置に関し、より詳細には、窒素ガス等の低温流体を、真空ポンプ等の圧送部を用いて圧送させる低温流体の圧送ユニット、低温流体の圧送方法、及び低温流体の圧送ユニットを備えた装置に関する。

一般に、冷却冷媒を用いた冷却システムは、様々な装置に応用されている。例えば、超電導ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器及び超電導電力貯蔵器等の超電導部材では、超電導特性を維持するために極低温状態を維持する必要がある。そこで、超電導部材は、前記冷却システムを用いて冷却することにより極低温状態を維持している。また、例えば、一酸化炭素を含む原料ガスから当該一酸化炭素を深冷分離する分離装置においても、原料ガス等を冷却するために、前記冷却システムが用いられる。

前者については、超電導ケーブルを冷却するためのシステムとして、液冷媒循環冷却システムが開示されている（特許文献１）。このシステムでは、冷却用液冷媒である冷却用液体窒素を循環させる冷却用液冷媒循環路と、この冷却用液冷媒循環路を流れる冷却用液体窒素を冷却するための熱交換ユニットとが設けられている。また、冷却用液冷媒循環路では、超電導ケーブルを過冷却状態の冷却用液体窒素で吸熱により冷却し、吸熱後の冷却用液体窒素を熱交換ユニットで熱交換して放熱し、再び過冷却状態にした後、再度超電導ケーブルを冷却する循環冷却が採用されている。そして、熱交換ユニットは、冷却用液体窒素の過冷却状態を維持するために行われる熱交換を、減圧下で温度を低下させた熱交換用液体窒素との間で行っている。

ここで、減圧に使用される減圧用ポンプとしては、例えば真空ポンプ等が挙げられる。しかし、真空ポンプが吸入可能な流体の温度は、一般的に常温～－２０℃程度の範囲である。従って、熱交換用液体窒素の温度がこの温度範囲よりも低い場合には、当該熱交換用液体窒素を真空ポンプに吸入させるために常温付近まで加温する必要があり、特許文献１ではヒーターが設けられている。尚、熱交換用液体窒素は減圧用ポンプにより排出されており、冷却用液体窒素との熱交換により冷熱を取り出すだけのために利用されている。熱交換用液体窒素の再利用は考慮されていない。

一方、真空ポンプにより吸収した熱交換用液体窒素を吐出する際には、当該熱交換用液体窒素を圧縮する際に生じる圧縮熱に起因して、その吐出温度が高くなる。例えば、吸入温度が常温付近であっても、真空ポンプの運転状況（例えば、常時運転等）によって、吐出温度が１００℃以上にまで上昇することがある。従って、真空ポンプから吐出される熱交換用液体窒素を任意の目的で有効利用したい場合には、吐出後の熱交換用液体窒素の冷却が必要となる。その結果、図１０に示すように、真空ポンプを用いて低温の熱交換用液体窒素を圧送したい場合には、当該真空ポンプの上流側に加熱器を設けて吸入温度を上昇させると共に、その下流側に冷却器を設けて吐出温度を低下させる必要がある。

また、後者については、一酸化炭素の深冷分離装置において、窒素ガスを循環させる冷却装置を並設することで、原料ガス等の冷却を行うシステムが挙げられる。このシステムでは、冷却装置は、原料ガスを冷却して一酸化炭素を分離するために用いられる。より具体的には、冷却装置で窒素ガスを循環させながら冷却し、この冷却した窒素ガスとの熱交換により原料ガスの冷却を行う。しかし、窒素ガスを循環させるためには真空ポンプを設ける必要があり、この真空ポンプに対しては、超電導部材における冷却システムの場合と同様、図１０に示すような加熱器や冷却器が必要になる。

特開２００８－２７７８０号公報

本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、真空ポンプへの吸入前の低温流体が有する冷熱と、当該真空ポンプからの吐出後の低温流体が有する温熱とを回収利用することにより、従来必要であった加熱器や冷却器を不要とする低温流体の圧送ユニット、低温流体の圧送方法、及び低温流体の圧送ユニットを備えた装置を提供することにある。

前記従来の課題は、以下に述べる発明により解決される。
即ち、本発明に係る低温流体の圧送ユニットは、前記の課題を解決する為に、低温流体を圧送する低温流体の圧送ユニットであって、前記低温流体を供給する低温流体供給路と、前記低温流体供給路に設けられ、かつ、前記低温流体を加温する熱交換器と、前記低温流体供給路における前記熱交換器の下流側に設けられ、かつ、当該熱交換器により加温された前記低温流体を圧送する圧送部と、前記圧送部から圧送される前記低温流体を、前記熱交換器を介して送出する送出路とを少なくとも備え、前記熱交換器における前記低温流体の加温は、前記送出路を流れる加温後の低温流体との熱交換により、前記圧送部が前記低温流体の吸入可能な温度域に到達するように行われる。

前記の構成によれば、低温流体供給路に熱交換器を設けることで、当該低温流体供給路を流れる低温流体が圧送部に吸入される前に、熱交換で加温することができる。これにより、低温流体の温度が極めて低温の場合であっても、圧送部に吸入される前に、吸入可能な温度域内に調節することができる。ここで、圧送部が加温後の低温流体を吐出（圧送）するための送出路は、熱交換器に接続させている。そのため、圧送部から吐出された加温後の低温流体は、熱交換器において、低温流体供給路から供給される低温流体との熱交換に利用することができる。

すなわち、前記の構成によれば、圧送部を用いて低温流体を圧送する際に、当該圧送部から吐出された加温後の低温流体との熱交換により、圧送部に吸入される前の低温流体を加温するため、低温流体を加熱するための加熱器を圧送部の上流側に設置するのを省略することができる。また、圧送部から吐出される加温後の低温流体も、当該圧送部に供給される加温前の低温流体との熱交換に利用されるため、圧送部の下流側に冷却器を設置するのを省略することができる。尚、例えば、圧送部が真空ポンプである場合、真空ポンプから吐出される低温流体は、当該真空ポンプで低温流体を圧縮する際に生じる圧縮熱によって加温される。そのため、圧送部から吐出される低温流体は、熱交換器による加温後のものよりもさらに高温にすることができる。

前記構成において、前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間には、前記送出路から分岐した分岐路が接続され、これにより前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路で構成される循環路が形成されており、さらに、前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路の少なくとも何れかには、前記循環路を循環させる循環用流体の供給のための循環用流体供給路が接続されていることが好ましい。

圧送ユニットの稼働の初期段階においては、圧送部から吐出される低温流体の温度（すなわち、吐出温度）が低い場合がある。そのため、稼働の初期段階においては、低温流体供給路から供給される低温流体の加温のために、圧送部から吐出された加温後の低温流体を用いた熱交換器での熱交換が十分でないときがある。しかし前記の構成であると、低温流体の供給前に、低温流体供給路、送出路及び分岐路からなる循環路に循環用流体を循環させることで、圧送部での循環用流体の吐出温度を十分に高くしておくことができる。これにより、低温流体の供給開始直後から、十分に加温された循環用流体との熱交換が熱交換器で可能になる。その結果、低温流体の供給開始直後でも、低温流体の温度を圧送部が吸入可能な温度域内に調整することができ、加熱器の設置を不要にする。

また、低温流体供給路から供給される低温流体の流量が変動（増大）した場合、熱交換器により加温された低温流体の温度が、圧送部の吸入可能な温度域を下回ることがある。すなわち、低温流体供給路から供給される低温流体の流量が、圧送部から吐出された加温後の低温流体の流量と比べて多い場合、熱交換器での熱交換が不十分となり、低温流体の加温が不十分な場合がある。しかし、前記の構成であると、予め一定温度以上に加温された循環用流体を、循環用流体供給路から低温流体供給及び／又は分岐路に供給することが可能になる。これにより、圧送部には、低温流体と、一定温度以上に加温された循環用流体との混合流体であって、当該圧送部が吸入可能な温度域の温度を有するものを吸入させることができる。その結果、供給される低温流体の流量が変動（増大）する場合にも、圧入部に吸入させる流体の温度が、当該圧入部の吸入可能な温度域を下回らない様に調整することが可能になる。

また前記構成において、前記熱交換器の上流側で前記低温流体供給路から分岐し、かつ、当該熱交換器の下流側で当該低温流体供給路に合流する迂回供給路が設けられ、又は、前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間で、他の低温流体を供給するための他の低温流体供給路が接続されており、前記熱交換器により加温される前記低温流体に、前記迂回供給路又は他の低温流体供給路から供給される前記低温流体又は前記他の低温流体を合流させて前記圧送部に供給するのが好ましい。

低温流体供給路から供給される低温流体の流量が変動（減少）した場合、熱交換器により加温された低温流体の温度が、圧送部の吸入可能な温度域を超えることがある。すなわち、低温流体供給路から供給される低温流体の流量が、圧送部から吐出された加温後の低温流体の流量と比べて少ない場合、熱交換器での熱交換が過度となり、供給される低温流体の温度が圧送部の吸入可能な温度域を超えることがある。しかし前記の構成に於いては、低温流体供給路に、熱交換器を迂回することが可能な迂回供給路が設けられる。又は、低温流体供給路における熱交換器と圧送部との間に、他の低温流体を供給するための他の低温流体供給路が設けられる。これにより、圧送部には、熱交換器により加温された低温流体と、熱交換器により加温されることなく迂回供給路を経由して供給される低温流体との混合流体、又は熱交換器により加温された低温流体と、熱交換器により加温されることなく他の低温流体供給路から供給される他の低温流体との混合流体を吸入させることができる。その結果、供給される低温流体の流量が変動（減少）する場合にも、圧送部に吸入させる低温流体の温度が、当該圧送部の吸入可能な温度域を超えない様に調整することが可能になる。

本発明の低温流体の圧送方法は、前記課題を解決するために、低温流体の圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法であって、前記低温流体の圧送ユニットは、前記低温流体を供給する低温流体供給路と、前記低温流体供給路に設けられ、かつ、前記低温流体を加温する熱交換器と、前記低温流体供給路における前記熱交換器の下流側に設けられ、かつ、当該熱交換器により加温された前記低温流体を圧送する圧送部と、前記圧送部から圧送される前記低温流体を、前記熱交換器を介して送出する送出路とを少なくとも備えるものであり、前記低温流体供給路により供給される前記低温流体を、前記熱交換器を用いて加温し、加温された前記低温流体を、前記圧送部を用いて前記送出路より圧送させるものであり、前記熱交換器における前記低温流体の加温は、前記送出路を流れる加温後の低温流体との熱交換により、前記圧送部が前記低温流体の吸入可能な温度域に到達するように行われる。

前記の構成によれば、低温流体供給路には熱交換器が設けられているので、当該低温流体供給路を流れる低温流体が圧送部に吸入される前に、熱交換で加温することができる。これにより、低温流体の温度が極めて低温の場合であっても、圧送部に吸入される前に、吸入可能な温度域内に調節することができる。ここで、圧送部が加温後の低温流体を吐出（圧送）するための送出路は、熱交換器に接続されている。そのため、圧送部から吐出された加温後の低温流体は、熱交換器において、低温流体供給路から供給される低温流体との熱交換に利用することができる。

すなわち、前記の構成によれば、圧送部を用いて低温流体を圧送する際に、当該圧送部から吐出された加温後の低温流体との熱交換により、圧送部に吸入される前の低温流体を加温する。そのため、前記の構成に於いては、圧送部の上流側で、吸入前の低温流体を加温することを省略することができる。また、圧送部から吐出される加温後の低温流体も、当該圧送部に供給される加温前の低温流体との熱交換に利用される。そのため、前記の構成に於いては、圧送部の下流側で、吐出後の加温された低温流体を冷却することも省略することができる。尚、例えば、圧送部が真空ポンプである場合、真空ポンプから吐出される低温流体は、当該真空ポンプで低温流体を圧縮する際に生じる圧縮熱によって加温される。そのため、圧送部から吐出される低温流体は、熱交換器による加温後のものよりもさらに高温になる場合がある。

前記の構成に於いて、前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間には、前記送出路から分岐した分岐路が接続されており、これにより前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路で構成される循環路が形成され、さらに、前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路の少なくとも何れかには、前記循環路を循環させる循環用流体の供給のための循環用流体供給路が接続されており、前記低温流体供給路からの前記低温流体の供給開始前に、前記循環用流体供給路から前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路の少なくとも何れかに前記循環用流体を供給し、前記循環用流体供給路から供給された循環用流体を前記循環路に循環させるものであり、前記循環用流体の循環は、前記低温流体供給路から前記低温流体を供給した場合に、当該低温流体に対し、前記熱交換器での循環用流体との熱交換により、前記圧送部が前記低温流体の吸入を可能にする温度域に到達するまで行われることが好ましい。

圧送ユニットの稼働の初期段階においては、圧送部から吐出される低温流体の温度（吐出温度）が低い場合がある。そのため、稼働の初期段階においては、低温流体供給路から供給される低温流体の加温のために、圧送部から吐出される加温後の低温流体を用いた熱交換器での熱交換が十分でないときがある。しかし前記の構成であると、低温流体の供給前に、低温流体供給路、送出路及び分岐路からなる循環路に循環用流体を循環させることで、圧送部での循環用流体の吐出温度を十分に高くしておくことができる。これにより、低温流体の供給開始直後から、十分に加温された循環用流体との熱交換が熱交換器で可能になる。その結果、低温流体の供給開始直後でも、低温流体の温度を圧送部が吸入可能な温度域内に調整することができ、圧送部への吸入前の低温流体に対して、その加熱を不要にする。

さらに前記の構成に於いては、前記熱交換器の上流側で前記低温流体供給路から分岐し、かつ、当該熱交換器の下流側で当該低温流体供給路に合流する迂回供給路が設けられ、又は、前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間に、他の低温流体を供給するための他の低温流体供給路が接続されており、前記熱交換器により加温される前記低温流体の温度が、前記圧送部の吸入可能な温度域を越える場合に、前記迂回供給路又は他の低温流体供給路から供給される前記低温流体又は前記他の低温流体を、当該熱交換器により加温された前記低温流体に合流させて混合流体とし、前記混合流体の温度を、前記圧送部が吸入可能な温度域内にして前記圧送部に供給することが好ましい。

低温流体供給路から供給される低温流体の流量が変動（減少）した場合、熱交換器により加温された低温流体の温度が、圧送部の吸入可能な温度域を超えることがある。すなわち、低温流体供給路から供給される低温流体の流量が、圧送部から吐出された加温後の低温流体の流量と比べて少ない場合、熱交換器での熱交換が過度となり、供給される低温流体の温度が圧送部の吸入可能な温度域を超えることがある。しかし前記の構成に於いては、供給される低温流体の一部について熱交換器を迂回させた後、熱交換器で熱交換された低温流体と再び合流させて圧送部に供給する。又は、熱交換器で熱交換された低温流体に、他の低温流体を合流させて圧送部に供給する。これにより、前記の構成に於いては、供給される低温流体の流量が変動（減少）する場合にも、圧送部に吸入させる低温流体の温度が、当該圧送部の吸入可能な温度域を超えない様に調整することが可能になる。

また前記の構成に於いては、前記熱交換器により加温される前記低温流体の温度が、前記圧送部の吸入可能な温度域を下回る場合に、前記循環用流体供給路から供給される前記循環用流体を、前記熱交換器により加温された前記低温流体に合流させて混合流体とし、前記混合流体の温度を、前記圧送部が吸入可能な温度域内にして前記圧送部に供給することが好ましい。

例えば、低温流体供給路から供給される低温流体の流量が変動（増大）した場合、熱交換器により加温された低温流体の温度が、圧送部の吸入可能な温度域を下回ることがある。すなわち、低温流体供給路から供給される低温流体の流量が、圧送部から吐出された加温後の低温流体の流量と比べて多い場合、熱交換器での熱交換が不十分となり、低温流体の加温が不十分になることがある。しかし、前記の構成であると、予め一定温度以上に加温された循環用流体を低温流体と合流させて混合流体とすることで、圧送部が吸入可能な温度域の温度にすることができる。これにより、前記の構成に於いては、供給される低温流体の流量が変動（増大）する場合にも、圧送部に吸入させる低温流体の温度が、当該圧送部の吸入可能な温度域を下回らない様に調整することが可能になる。

本発明の装置は、前記の課題を解決する為に、前記低温流体の圧送ユニットを備えることを特徴とする。

前記の構成によれば、例えば、加熱器や冷却器を省略しても、窒素ガスを良好に圧送することが可能な窒素ガスの過冷却装置を提供することができる。また、一酸化炭素を含む原料ガスから一酸化炭素を深冷分離する分離装置においては、冷媒としての窒素ガスを加熱器や冷却器なしに圧送可能な構成とすることができる。

本発明は、前記に説明した手段により、以下に述べるような効果を奏する。
本発明によれば、真空ポンプ等の圧送部への吸入前の低温流体が有する冷熱と、当該真空ポンプからの吐出後の低温流体が有する温熱とを、熱交換器を用いて熱交換することにより、圧送部に吸入させる低温流体の温度を吸入可能な温度域にまで到達させることが可能になる。その結果、従来必要であった、圧送部の上流側の加熱器や下流側の冷却器を省略することが可能な低温流体の圧送ユニット、低温流体の圧送方法、及び当該圧送ユニットを備えた装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。前記圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法における低温流体の流動状態を表す概略系統図である。本発明の実施の形態２に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。前記圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法における循環用流体の流動状態を表す概略系統図である。前記圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法における低温流体の流動状態を表す概略系統図である。本発明の実施の形態３に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。前記圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法における低温流体の流動状態を表す概略系統図である。前記圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法における低温流体及び循環用流体の流動状態を表す概略系統図である。本発明の他の実施の形態に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。真空ポンプを用いて低温流体を送出する従来の圧送ユニットを表す説明図である。

（実施の形態１）
＜低温流体の圧送ユニット＞
本実施の形態１に係る低温流体の圧送ユニット（以下、「圧送ユニット」という。）について、図１を参照しながら以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。尚、説明に不要な部分は省略し、また説明を容易にする為に拡大または縮小等して図示した部分がある。

図１に示すように、本実施の形態の圧送ユニット１は、低温流体を供給する低温流体供給路１１と、低温流体を加温する熱交換器１２と、低温流体を圧送する圧送部１３と、圧送部１３から吐出される低温流体を送出する送出路１４とを少なくとも備える。尚、本明細書において「圧送」とは、所定の圧力を作用させながら低温流体を送り出すことを意味する。

低温流体供給路１１は、低温流体を熱交換器１２及び圧送部１３に供給するための供給路である。低温流体供給路１１には、開閉弁１５が設けられている。この開閉弁１５を開閉制御することにより、熱交換器１２及び圧送部１３への低温流体の供給とその停止を行う。

熱交換器１２は、低温流体供給路１１を流れる低温流体を加温するためのものであり、当該低温流体供給路１１に接続されている。熱交換器１２は、低温流体供給路１１における開閉弁１５の下流側に設けられる。熱交換器１２の種類としては特に限定されず、公知のものを適宜採用することができる。

圧送部１３は、低温流体を吸入し圧縮を加えて送出路１４に送出する。圧送部１３は、低温流体供給路１１に接続されている。圧送部１３としては特に限定されず、例えば、公知の真空ポンプ等を用いることができる。具体的には、例えば、容量移送式真空ポンプ、運動量輸送式真空ポンプ等の気体輸送式真空ポンプや、気体ため込み式真空ポンプが挙げられる。

送出路１４は熱交換器１２を経由して、圧送部１３から吐出される低温流体を、任意の後段プロセスに送出させる。送出路１４が熱交換器１２を経由することで、低温流体供給路１１を流れる低温流体と、圧送部１３から吐出された低温流体との熱交換を可能にしている。

低温流体の種類としては特に限定されず、例えば、天然ガス、メタンガス、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、ヘリウムガス、水素ガス等が挙げられる。

＜低温流体の圧送方法＞
次に、圧送ユニット１を用いた低温流体の圧送方法について、図２を参照しながら以下に説明する。図２は、圧送ユニット１を用いた低温流体の圧送方法における低温流体の流動状態を表す概略系統図である。

低温流体の圧送は、圧送ユニット１において以下の様に行われる。
先ず、図２に示すように、開閉弁１５を開いた状態にし、低温流体供給路１１を通じて熱交換器１２に対し低温流体を供給する。また、熱交換器１２には、圧送部１３から吐出された加温後の低温流体が送出路１４を介して供給されている（詳細については、後述する。）。

低温流体供給路１１から供給される低温流体の供給量は特に限定されず、適宜必要に応じて設定することができる。但し、低温流体の供給量は、経時的に一定であることが好ましい。

また、低温流体供給路１１から供給される低温流体の温度（すなわち、図１に示す供給時の低温流体の温度Ｔ１）は特に限定されず、低温流体の種類や用途等に応じて適宜変更可能である。供給時の低温流体の温度Ｔ１は、例えば、低温流体が窒素ガスである場合、通常は、－１９６℃～－２０℃の範囲である。

熱交換器１２では、低温流体供給路１１を流れる低温流体と、送出路１４を流れる加温後の低温流体との間で熱交換が行われる。これにより、低温流体供給路１１を流れる低温流体を、圧送部１３が吸入可能な温度域にまで上昇させることが可能になる。例えば、低温流体として極めて低温の窒素ガスを圧送部１３に直接吸入させた場合には、窒素ガスの温度が当該圧送部１３の吸入可能な温度域を下回ることがある。その結果、圧送部１３の故障の原因になり得る。しかし、熱交換器１２を用いて窒素ガスを加温することにより、加熱器を設置することなく圧送部１３での吸入を可能にする。

熱交換器１２で加温された低温流体の温度（すなわち、図１に示す温度Ｔ２）は、その温度が圧送部１３の吸入可能な温度域に到達している。そのため、当該低温流体は、支障なく圧送部１３に吸入される。圧送部１３に吸入された低温流体は、当該圧送部１３から吐出される際に圧縮される。その際、圧縮熱が発生し、これにより圧送部１３から吐出される低温流体の吐出温度（図１に示す低温流体の温度Ｔ３）は、熱交換器１２で加温されたときよりもさらに高温になる。

圧送部１３から吐出された低温流体は、さらに加温された状態で送出路１４を流れ、熱交換器１２に供給される。熱交換器１２に供給された加温後の低温流体は、前述の通り、低温流体供給路１１を流れる低温流体を加温するために、当該低温流体との間の熱交換に用いられる。これにより、圧送部１３から吐出される低温流体を冷却することができるため、圧送部１３の下流側で冷却器を設置するのを不要にする。

さらに、吐出された低温流体は、送出路１４に接続されている後段プロセスに供給される。

以上の通り、本実施の形態１においては、低温流体供給路１１から供給される低温流体と、圧送部１３から吐出された加温後の低温流体との間で熱交換を行う熱回収システムの機能を備えている。そのため、圧送部１３の上流側での加熱器や、圧送部１３の下流側での冷却器の設置を不要にすることができる。

（実施の形態２）
＜低温流体の圧送ユニット＞
本実施の形態２に係る低温流体の圧送ユニットについて、図３を参照しながら以下に説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。尚、前記実施の形態１に係る低温流体の圧送ユニット１と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態２に係る圧送ユニット２は、前記実施の形態１に係る圧送ユニット１の構成に加えて、さらに送出路１４から分岐し、かつ低温流体供給路１１に連通する分岐路２１と、循環用流体を供給する循環用流体供給路２２とをさらに備える。また、送出路１４における熱交換器１２の下流側に、大気や温冷水等との熱交換を可能にする他の熱交換器１６を備える。

分岐路２１は、前述の通り、送出路１４から分岐して低温流体供給路１１に連通することにより、低温流体供給路１１と、送出路１４と、分岐路２１で構成される循環路を形成する。また、分岐路２１には開閉弁２３が設けられている。この開閉弁２３を開閉制御することにより、低温流体の循環路での循環や低温流体供給路１１への循環用流体の供給、及びそれらの停止を行う。

循環用流体供給路２２は、循環路を循環させる循環用流体を供給する。循環用流体供給路２２は、分岐路２１における開閉弁２３の上流側の任意の位置で連通している。また、循環用流体供給路２２には開閉弁２４が設けられている。この開閉弁２４を開閉制御することにより、分岐路２１への循環用流体の供給とその停止を制御する。

また、低温流体供給路１１における熱交換器１２と、分岐路２１が当該低温流体供給路１１に接続する部分との間には、開閉弁２５が設けられている。開閉弁２５を開閉制御することにより、圧送部１３への循環用流体の供給とその停止を制御する。

尚、本実施の形態では、循環用流体供給路２２は分岐路２１に直接連通しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、低温流体供給路１１及び分岐路２１の少なくとも何れかに直接連通させてもよい。但し、循環用流体供給路２２を低温流体供給路１１に直接連通させる場合、両者を接続させる位置は、開閉弁２５と圧送部１３の間であることが好ましい。開閉弁２５は、循環用流体が供給される際、閉じた状態にあるからである。

＜低温流体の圧送方法＞
次に、圧送ユニット２を用いた低温流体の圧送方法について、図４及び図５を参照しながら以下に説明する。図４は、圧送ユニット２を用いた低温流体の圧送方法における循環用流体の流動状態を表す概略系統図である。図５は、圧送ユニット２を用いた低温流体の圧送方法における低温流体の流動状態を表す概略系統図である。

本実施の形態の低温流体の圧送方法は、実施の形態１の低温流体の圧送方法と比較して、先ず、低温流体の圧送を行う前に、循環用流体の循環路での循環を行う点が異なる。すなわち、先ず、開閉弁１５及び開閉弁２５を閉じた状態にし、低温流体供給路１１から低温流体が供給されないようにする。

次に、循環用流体供給路２２における開閉弁２４を開き、循環用流体が循環用流体供給路２２から分岐路２１に供給可能な状態にする。また、分岐路２１における開閉弁２３も開き、圧送部１３を稼働させる。これにより、図４に示すように、循環用流体供給路２２から循環用流体が分岐路２１に初期導入され、次いで、当該循環用流体は低温流体供給路１１、送出路１４及び分岐路２１で構成される循環路を循環する。循環用流体は、循環路を循環する過程で、圧送部１３から吐出される毎に、当該循環用流体に加えられる圧縮に起因した圧縮熱により、加温が行われる。

ここで、循環用流体を循環させる時間は、特に限定されない。少なくとも、圧送部１３において、循環用流体が一定の温度以上になるまで加温が行われればよい。一定の温度以上とは、供給開始直後の低温流体が、循環用流体と熱交換器１２で熱交換したときに、熱交換後の低温流体が、圧送部１３への吸入可能な温度域に到達できる程度にまで加温される温度以上であることを意味する。

循環用流体供給路２２から供給される循環用流体の供給量は特に限定されず、適宜必要に応じて設定することができる。

また、循環用流体の種類としては特に限定されず、例えば、天然ガス、メタンガス、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、ヘリウムガス、水素ガス等が挙げられる。循環用流体は低温流体と組成が同一であってもよく、異なっていてもよい。

循環用流体の温度は特に限定されないが、低温流体供給路１１から供給される低温流体よりも高い方が好ましい。これにより、循環用流体を循環させる時間の短縮が可能になる。但し、循環用流体の温度の上限は、圧送部１３への吸入可能な温度域の上限以下であることが必要である。循環用流体の温度は、通常は－２０℃～６０℃の範囲内であり、好ましくは０℃～４０℃である。

循環用流体の圧力は、圧送部１３の吸込側圧力以上であることが好ましい。循環用流体の圧力が吸込側圧力を下回ると、循環用流体の導入が困難になる。

循環用流体の加温が十分に行われた後は、分岐路２１の開閉弁２３及び循環用流体供給路２２の開閉弁２４を閉じる。また、低温流体供給路１１の開閉弁１５及び開閉弁２５をそれぞれ開き、低温流体の供給を開始する（図５参照）。

ここで、供給開始の初期段階にある低温流体は、熱交換器１２において、加温された循環用流体との間で熱交換が行われる。循環用流体は圧送部１３により十分に加温された状態にあるため、これと熱交換された低温流体は、圧送部１３への吸入可能な温度域にまで十分に加温させることができる。

その後、低温流体供給路１１から供給される低温流体は、図５に示すように、圧送部１３により後段プロセスに圧送される。尚、低温流体の供給開始後の、熱交換器１２及び圧送部１３等の動作については、実施の形態１で説明したのと同様である。従って、その詳細な説明は省略する。

以上の通り、本実施の形態２においては、低温流体の圧送ユニット２への供給を行う前に、低温流体供給路１１、送出路１４及び分岐路２１からなる循環路に循環用流体を初期導入して循環させる。そして、循環用流体の循環は、圧送部１３から吐出される循環用流体の吐出温度が所定の温度以上となるまで行い、その後に低温流体の供給を開始する。このような低温流体の圧送方法であると、圧送ユニット２の稼働の初期状態においても、熱交換器１２での低温流体の加温を、圧送部１３の吸入可能な温度域にまで確実に行うことができる。

（実施の形態３）
＜低温流体の圧送ユニット＞
本実施の形態３に係る低温流体の圧送ユニットについて、図６を参照しながら以下に説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る圧送ユニットを表す概略系統図である。尚、前記実施の形態１に係る低温流体の圧送ユニット１及び前記実施の形態２に係る低温流体の圧送ユニット２と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示すように、本実施の形態３に係る圧送ユニット３は、前記実施の形態２に係る圧送ユニット２の構成に加えて、さらに低温流体供給路１１に、熱交換器１２を迂回して圧送部１３に低温流体を供給する迂回供給路３１を備える。

迂回供給路３１は、開閉弁１５と熱交換器１２との間で低温流体供給路１１を分岐した後、当該熱交換器１２と開閉弁２５の間で低温流体供給路１１に合流する。また、迂回供給路３１には開閉弁３２が設けられている。この開閉弁３２を開閉制御することにより、低温流体の一部を、熱交換器１２を経由しないで圧送部１３に供給し、又はその停止を行う。

尚、本実施の形態では、熱交換器１２を迂回する迂回供給路３１を備えた態様を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではい。例えば、迂回供給路３１に代えて、他の低温流体供給路（図示しない）が低温流体供給路１１における熱交換器１２と開閉弁２５との間で連通して接続されるようにしてもよい。この場合、他の低温流体供給路から供給される他の低温流体は、低温流体供給路１１から供給される低温流体と同種であることが好ましい。

＜低温流体の圧送方法＞
次に、圧送ユニット３を用いた低温流体の圧送方法について、図７及び図８を参照しながら以下に説明する。図７は、圧送ユニット３を用いた低温流体の圧送方法における低温流体の流動状態を表す概略系統図である。図８は、圧送ユニット３を用いた低温流体の圧送方法における低温流体及び循環用流体の流動状態を表す概略系統図である。

本実施の形態においては、実施の形態２の低温流体の圧送方法と比較して、低温流体供給路１１から供給される低温流体の流量の変動に起因して、圧送部１３に吸入される直前の低温流体の温度が変動するのを抑制できる点が異なる。

すなわち、先ず、開閉弁１５及び開閉弁２５を開き、低温流体を一定の供給量（流量）で、低温流体供給路１１から熱交換器１２を経由して圧送部１３に供給する。圧送部１３は吸入した低温流体を圧送し、圧送された低温流体は熱交換器１２を経由して後段プロセスに送り出される。

ここで、低温流体の供給量を減少させた場合には、圧送ユニット３を次の様に動作させる。すなわち、供給量が減少した低温流体は、熱交換器１２で、流量が減少する前の（すなわち、供給量が比較的多い）、加温された低温流体と熱交換を行うことになる。そのため、供給量を減少させた初期の低温流体については、熱交換器１２での加温が過度になる結果、低温流体の温度（図７に示すＴ２での温度）が高くなり過ぎ、圧送部１３への吸入可能な温度域を超えることがある。

従って、低温流体の供給量を減少させた場合には、図７に示すように、開閉弁３２を開き、供給する低温流体の一部を迂回供給路３１に流動させて、熱交換器１２を迂回させる。熱交換器１２を迂回した一部の低温流体は、当該熱交換器１２で加温されることなく、低温流体供給路１１に再び供給される。そして、熱交換器１２で加温された低温流体と合流し、混合流体となって圧送部１３に送られる。これにより、混合流体のＴ２における温度が、圧送部１３への吸入可能な温度域を超えるのを抑制することができる。

その後、圧送部１３から吐出される低温流体の流量が、低温流体の供給量と同等になると、熱交換器１２で加温される低温流体の温度は、圧送部１３への吸入可能な温度域を超えることもなくなる。従って、そのような状態になったときは、開閉弁３２を閉じ、低温流体の一部が熱交換器１２を迂回するのを停止させる。

一方、低温流体の供給量を増大させた場合、供給量が増大した低温流体は、熱交換器１２で、流量が増大する前の（すなわち、供給量が比較的少ない）、加温された低温流体と熱交換を行うことになる。そのため、供給量を増大させた初期の低温流体については、熱交換器１２での加温が不十分になる結果、低温流体の温度（図７に示すＴ２での温度）が低すぎ、圧送部１３への吸入可能な温度域を下回ることがある。

従って、低温流体の供給量を増大させた場合には、図８に示すように、循環用流体供給路２２の開閉弁２４を開くと共に、分岐路２１の開閉弁２３も開き、循環用流体供給路２２から分岐路２１に循環用流体を供給する。分岐路２１に供給された循環用流体は、低温流体供給路１１における圧送部１３の上流側に供給される。そして、熱交換器１２で加温された低温流体と合流し、混合流体となって圧送部１３に送られる。これにより、混合流体のＴ２における温度が、圧送部１３への吸入可能な温度域を下回るのを抑制することができる。

ここで、循環用流体の温度は、低温流体供給路１１から供給される低温流体よりも高い方が好ましく、低温流体の温度や圧送部１３への吸入可能な温度域を考慮して設定される。また、循環用流体の供給量も、当該循環用流体や低温流体の温度、低温流体の供給量、及び圧送部１３への吸入可能な温度域を考慮して設定される。

本実施の形態３に係る循環用流体は、低温流体供給路１１から供給される低温流体と同種であることが好ましい。

その後、圧送部１３から吐出される低温流体の流量が、低温流体供給路１１から供給される低温流体の供給量と同等になると、熱交換器１２で加温される低温流体の温度は、圧送部１３への吸入可能な温度域を下回ることもなくなる。従って、そのような状態になったときは、開閉弁２４及び開閉弁２３を閉じ、循環用流体が供給されるのを停止する。

以上の通り、本実施の形態３においては、低温流体供給路１１から供給する低温流体の供給量を増大又は減少させた結果、当該低温流体の温度が変動する場合にも、圧送部１３への吸入可能な温度域を逸脱するのを抑制することができる。

（その他の事項）
以上の説明に於いては、本発明の好適な実施態様について説明した。しかし、本発明はこれらの実施態様に限定されるものではなく、その他の形態でも実施可能である。

例えば、図９に示すように、低温流体供給路１１における開閉弁１５と熱交換器１２との間に、低温流体を加熱するための第１加熱器４１を設けてもよい。あるいは、低温流体供給路１１における熱交換器１２と圧送部１３との間に、熱交換器１２での加温後の低温流体を加熱するための第２加熱器４２を設けてもよい。これにより、熱交換器１２での低温流体の加温が不十分な場合にも、圧送部１３への吸入直前の低温流体の温度を、当該圧送部１３への吸入可能な温度域まで上昇させることが可能になる。

また、図９に示すように、送出路１４における圧送部１３と熱交換器１２との間に、圧送部１３からの吐出後の低温流体を冷却するための第１冷却器４３を設けてもよい。これにより、圧送部１３から吐出された加温後の低温流体が、熱交換器１２の耐熱温度を超える場合にも、第１冷却器４３が当該低温流体を冷却することにより、熱交換器１２の耐熱温度以下に低減することができる。

さらに、図９に示すように、送出路１４における熱交換器１２と開閉弁１７との間に、熱交換器１２での熱交換後の低温流体を冷却するための第２冷却器４４を設けてもよい。これにより、圧送部１３からの吐出後の低温流体が、低温流体供給路１１を流れる低温流体との熱交換器１２での熱交換で十分に冷却されない場合でも、第２冷却器４４により冷却される結果、後段プロセスで悪影響を及ぼすのを防止することができる。

ここで、第１加熱器４１、第２加熱器４２、第１冷却器４３及び第２冷却器４４は、何れか１つを圧送ユニット１～３に設けてもよく、又は任意の複数を組み合わせて設けてもよい。尚、送出路１４における第２冷却器４４の下流側に設けられている開閉弁１７は、これを開閉制御することにより、後段プロセスへの低温流体の供給とその停止を行う。

以上の説明で例示した低温流体の圧送ユニットは、前述の通り、加熱器や冷却器の設置を省略することができるので、例えば、窒素ガスを用いた過冷却装置において、当該窒素ガスを圧送するためのユニットとして好適に用いることができる。また、一酸化炭素と水素の混合ガスから、冷媒としての窒素ガスを用いて、一酸化炭素を深冷分離する分離装置において、当該窒素ガスを圧送するためのユニットとしても好適に用いることができる。

（実施例１）
図６に示す圧送ユニット３の構成を用いて、窒素ガスの圧送に関するシミュレーションを行った。シミュレーションには、汎用的なプロセスシミュレーションであるシュナイダーエレクトリック社製のＰｒｏ／ＩＩを用いた。物理推算法にはPeng-Robinson状態方程式を用いた。

＜シミュレーション条件＞
シミュレーション条件は下記の通りとした。
低温流体：窒素ガス
低温流体供給路１１から供給される窒素ガスの温度（Ｔ１）：－１７０℃
低温流体供給路１１を流れる窒素ガスの流量：１００Ｎｍ^３／ｈｒ

また、熱交換器１２の性能に関し、熱交換量を４，６１９ｋｃａｌ／ｈｒとした。

以上の条件下で、窒素ガスの圧送シミュレーションを行い、窒素ガスの供給開始から一定時間経過した後の圧送ユニット３における各流路での温度及び圧力を算出した。結果を表１に示す。

（実施例２）
本実施例２においては、窒素ガスの温度（Ｔ１）を－１００℃に変更した。それ以外は実施例１と同様にして、窒素ガスの圧送シミュレーションを行った。結果を表１に示す。

（実施例３）
図１に示す圧送ユニット１の構成を用いて、窒素ガスの圧送に関するシミュレーションを行った。シミュレーションには、汎用的なプロセスシミュレーションであるシュナイダーエレクトリック社製のＰｒｏ／ＩＩを用いた。物理推算法にはPeng-Robinson状態方程式を用いた。

また、熱交換器１２の性能については、実施例１の場合と同様、熱交換量を４，６１９ｋｃａｌ／ｈｒとした。

以上の条件下で、窒素ガスの圧送シミュレーションを行い、窒素ガスの供給開始から一定時間経過した後の圧送ユニット１における各流路での温度及び圧力を算出した。結果を表１に示す。

（実施例４）
図３に示す圧送ユニット２の構成を用いて、窒素ガスの圧送に関するシミュレーションを行った。シミュレーションには、汎用的なプロセスシミュレーションであるシュナイダーエレクトリック社製のＰｒｏ／ＩＩを用いた。物理推算法にはPeng-Robinson状態方程式を用いた。

＜シミュレーション条件＞
シミュレーション条件は下記の通りとした。
低温流体：窒素ガス
低温流体供給路１１から供給される窒素ガスの温度（Ｔ１）：－１９０℃
低温流体供給路１１を流れる窒素ガスの流量：１００Ｎｍ^３／ｈｒ

以上の条件下で、窒素ガスの圧送シミュレーションを行い、窒素ガスの供給開始から一定時間経過した後の圧送ユニット２における各流路での温度及び圧力を算出した。結果を表１に示す。

（結果）
実施例１及び２のシミュレーション結果から、本実施例の圧送ユニット３であると、供給開始には極めて低温であった窒素ガスを、真空ポンプに吸入される際にはそれぞれ－２０℃に加温できることが示された。また、真空ポンプから吐出される窒素ガスの温度は何れも１５０℃であったが、熱交換器での加温前の窒素ガスとの熱交換により、実施例１では０℃に、実施例２では７０℃に冷却できることが示された。すなわち、実施例１及び２の結果から、真空ポンプの上流側で加熱器を設置しなくとも、また当該真空ポンプの下流側で冷却器を設置しなくとも、真空ポンプに供給される直前の低温の窒素ガスと、真空ポンプから吐出される窒素ガスとを熱交換させることにより、真空ポンプを損なうことなく圧送できることが確認された。

また、実施例３及び４のシミュレーション結果から、本実施例の圧送ユニット１及び２であると、供給開始には極めて低温であった窒素ガスを、真空ポンプに吸入される際にはそれぞれ０℃に加温できることが示された。また、真空ポンプから吐出される窒素ガスの温度は何れも１５０℃であったが、熱交換器での加温前の窒素ガスとの熱交換により、実施例３では－２０℃に、実施例４では－４０℃に冷却できることが示された。すなわち、実施例３及び４の結果から、真空ポンプの上流側で加熱器を設置しなくとも、また当該真空ポンプの下流側で冷却器を設置しなくとも、真空ポンプに供給される直前の低温の窒素ガスと、真空ポンプから吐出される窒素ガスとを熱交換させることにより、真空ポンプを損なうことなく圧送できることが確認された。

１～３低温流体の圧送ユニット
１１低温流体供給路
１２熱交換器
１３圧送部
１４送出路
１５、１７、２３～２５、３２開閉弁
１６他の熱交換器
２１分岐路
２２循環用流体供給路
３１迂回供給路
４１第１加熱器
４２第２加熱器
４３第１冷却器
４４第２冷却器

Claims

低温流体を圧送する低温流体の圧送ユニットであって、
前記低温流体を供給する低温流体供給路と、
前記低温流体供給路に設けられ、かつ、前記低温流体を加温する熱交換器と、
前記低温流体供給路における前記熱交換器の下流側に設けられ、かつ、当該熱交換器により加温された前記低温流体を圧送する圧送部と、
前記圧送部から圧送される前記低温流体を、前記熱交換器を介して送出する送出路とを少なくとも備え、
前記熱交換器における前記低温流体の加温は、前記送出路を流れる加温後の低温流体との熱交換により、前記圧送部が前記低温流体の吸入可能な温度域に到達するように行われ、
前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間には、前記送出路から分岐した分岐路が接続され、これにより前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路で構成される循環路が形成されており、
さらに、前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路の少なくとも何れかには、前記循環路を循環させる循環用流体の供給のための循環用流体供給路が接続されている低温流体の圧送ユニット。
前記熱交換器の上流側で前記低温流体供給路から分岐し、かつ、当該熱交換器の下流側で当該低温流体供給路に合流する迂回供給路が設けられ、
又は、前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間で、他の低温流体を供給するための他の低温流体供給路が接続されており、
前記熱交換器により加温される前記低温流体に、前記迂回供給路又は他の低温流体供給路から供給される前記低温流体又は前記他の低温流体を合流させて前記圧送部に供給する請求項１に記載の低温流体の圧送ユニット。
低温流体の圧送ユニットを用いた低温流体の圧送方法であって、
前記低温流体の圧送ユニットは、
前記低温流体を供給する低温流体供給路と、
前記低温流体供給路に設けられ、かつ、前記低温流体を加温する熱交換器と、
前記低温流体供給路における前記熱交換器の下流側に設けられ、かつ、当該熱交換器により加温された前記低温流体を圧送する圧送部と、
前記圧送部から圧送される前記低温流体を、前記熱交換器を介して送出する送出路とを少なくとも備えるものであり、
前記低温流体供給路により供給される前記低温流体を、前記熱交換器を用いて加温し、
加温された前記低温流体を、前記圧送部を用いて前記送出路より圧送させるものであり、
前記熱交換器における前記低温流体の加温は、前記送出路を流れる加温後の低温流体との熱交換により、前記圧送部が前記低温流体の吸入可能な温度域に到達するように行われ、
前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間には、前記送出路から分岐した分岐路が接続されており、これにより前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路で構成される循環路が形成され、
さらに、前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路の少なくとも何れかには、前記循環路を循環させる循環用流体の供給のための循環用流体供給路が接続されており、
前記低温流体供給路からの前記低温流体の供給開始前に、前記循環用流体供給路から前記低温流体供給路、前記送出路及び前記分岐路の少なくとも何れかに前記循環用流体を供給し、
前記循環用流体供給路から供給された循環用流体を前記循環路に循環させるものであり、
前記循環用流体の循環は、前記低温流体供給路から前記低温流体を供給した場合に、当該低温流体に対し、前記熱交換器での循環用流体との熱交換により、前記圧送部が前記低温流体の吸入を可能にする温度域に到達するまで行われる低温流体の圧送方法。
前記熱交換器の上流側で前記低温流体供給路から分岐し、かつ、当該熱交換器の下流側で当該低温流体供給路に合流する迂回供給路が設けられ、
又は、前記低温流体供給路における前記熱交換器と前記圧送部との間に、他の低温流体を供給するための他の低温流体供給路が接続されており、
前記熱交換器により加温される前記低温流体の温度が、前記圧送部の吸入可能な温度域を越える場合に、前記迂回供給路又は他の低温流体供給路から供給される前記低温流体又は前記他の低温流体を、当該熱交換器により加温された前記低温流体に合流させて混合流体とし、
前記混合流体の温度を、前記圧送部が吸入可能な温度域内にして前記圧送部に供給する請求項３に記載の低温流体の圧送方法。
前記熱交換器により加温される前記低温流体の温度が、前記圧送部の吸入可能な温度域を下回る場合に、
前記循環用流体供給路から供給される前記循環用流体を、前記熱交換器により加温された前記低温流体に合流させて混合流体とし、
前記混合流体の温度を、前記圧送部が吸入可能な温度域内にして前記圧送部に供給する請求項３に記載の低温流体の圧送方法。
請求項１又は２に記載の低温流体の圧送ユニットを備えた装置。