JP7352441B2 - 冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は冷却システム及び冷却方法に関する。

天然ガスの液化プラントは、多くのガス田に接近した場所に設置されている。液化方式は主にカスケード方式と混合冷媒方式がある。いずれの冷却方法においても、天然ガスの液化能力は数１００万トン／年と大型の冷却システムが採用され大量の天然ガスを液化することができる。液化プラントはスケールメリットが大きいため、新しいプラントほど大型化している。冷却システムの圧縮機は一軸あたりの出力が数１０～１００ＭＷ以上と大型のものが使用される。

一方で、液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」ともいう）、液体窒素、液体ヘリウム向けの低温機器を使用する設備では、例えば、ＬＮＧによる冷却の場合、使用されたＬＮＧは昇温しガス化するが、大気放出することは可燃性ガスであることやエネルギー利用の点から望ましくない。ＬＮＧの海上輸送では、ガス化した天然ガスは船舶の動力として利用しているが、一般的に低温機器の使用設備には定常的に天然ガスを利用できる設備がないため、ガスを再冷却し液化して再利用することが好ましい。

そこで、天然ガスの液化方法の１つとして、熱交換器を介して液体窒素による液化システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－９０１３８号公報

ここで、６ｔ／ｈの天然ガスを４５℃から－１６０℃まで冷却して液化する場合を考える。天然ガスは多成分であるが、メタンが組成の大半を占めるため、冷却プロセスの検討では天然ガスをメタン１００％と仮定する。冷却に３．０ＭＰａＧの液体窒素を使用する場合、液体窒素の温度は飽和温度である１２４．３Ｋである。熱交換器の温端ロスを５℃と仮定すれば、天然ガスを液化するために必要となる液体窒素の量は１７．９ｔ／ｈとなる。したがって、液化には、天然ガスの使用量に対して３倍の液体窒素を消費することになる。
消費した液体窒素は、ローリーなどにより補充すればよいが、補充頻度は少ない方が望ましい。液体窒素の貯蔵設備を大型化する方法が考えられるが、製作費用が高くなるという問題もある。また、試験設備の待機中には、貯蔵設備への侵入熱により液体窒素が昇温されガスを大気へ放出する必要も生じるという問題もある。

そこで、本発明は、ガス化した天然ガスを液化する液化能力を高めることができ、かつ第２の冷媒液の消費量を低減することができる冷却システムを提供することを課題とする。

上記課題は、以下の構成によって解決される。
［１］第１の冷媒ガスを冷却して第１の冷媒液を生成する冷却システムであって、
前記第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ラインと、第２の冷媒液を供給して前記熱交換器にて前記第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ラインと、を有し、
第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽と、第２の冷媒液を前記貯槽から前記冷凍機へ循環させる循環ラインと、を有し、
前記冷凍機で冷却された第２の冷媒液を前記貯槽に返送し、
前記熱交換器が分割されて少なくとも２つの熱交換器を有し、分割された前記熱交換器の間から第２の冷媒液の少なくとも一部を前記冷凍機へと導入する循環ラインを有することを特徴とする冷却システムである。
［２］前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
前記冷凍機が並列に接続される［１］に記載の冷却システムである。
［３］ 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
前記冷凍機が直列に接続される［１］に記載の冷却システムである。
［４］ 第１の冷媒ガスを冷却して第１の冷媒液を生成する冷却システムにおける冷却方法であって、
前記冷却システムが、前記第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ラインと、第２の冷媒液を供給して前記熱交換器にて前記第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ラインと、第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽と、を有し、
前記冷却システムが待機状態のときに、第２の冷媒液を前記貯槽から前記冷凍機へ循環させて前記第２の冷媒液を冷却して前記貯槽に返送することを特徴とする冷却方法である。
［５］ 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
前記冷凍機が並列に接続される［４］に記載の冷却方法である。
［６］ 第１の冷媒ガスを冷却して第１の冷媒液を生成する冷却システムにおける冷却方法であって、
前記冷却システムが、前記第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ラインと、第２の冷媒液を供給して前記熱交換器にて前記第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ラインと、第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽と、を有し、
前記熱交換器が分割されて少なくとも２つの熱交換器を有し、
前記冷却システムが稼動状態のときに、分割された前記熱交換器の間から第２の冷媒液の少なくとも一部を前記冷凍機に導入して冷却することを特徴とする冷却方法である。
［７］ 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
前記冷凍機が直列に接続される［６］に記載の冷却方法である。

本発明によれば、ガス化した天然ガスを液化する液化能力を高めることができ、かつ第２の冷媒液の消費量を低減することができる。

図１は、本発明の冷却システムの一例を示す概略図である。 図２は、従来の冷却システムの一例を示す概略図である。 図３は、本発明の冷却システムの他の一例を示す概略図である。

（冷却システム、及び冷却方法）
本発明の冷却システムは、第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ライン（以下、「第１の循環ライン」とも称することがある）と、第２の冷媒液を供給して熱交換器にて第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ライン（以下、「第２の循環ライン」とも称することがある）と、第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽（以下、「第２の冷媒液貯槽」とも称することがある）と、第２の冷媒液を貯槽から冷凍機へ循環させる循環ライン（以下、「第３の循環ライン」とも称することがある）と、を有し、熱交換器が分割されて少なくとも２つの熱交換器を有する場合、分割された前記熱交換器の間から第２の冷媒液の少なくとも一部を前記冷凍機へと導入する循環ライン（以下、「第４の循環ライン」とも称することがある）、低温機器、第１の冷媒液を貯液する貯槽（以下、「第１の冷媒液貯槽」とも称することがある）を有することが好ましい。

＜第１の冷媒液、第１の冷媒ガス、第２の冷媒液、及び第２の冷媒ガス＞
第１の冷媒液としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、液体天然ガス（ＬＮＧ）、液体窒素、液体ヘリウム、液体水素、ネオン、又はこれらの混合液体などが挙げられる。
第１の冷媒ガスとしては、第１の冷媒液が気化したものであり、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、天然ガス（ＮＧ）、窒素ガス、ヘリウムガス、水素ガス、ネオンガス、又はこれらの混合ガスなどが挙げられる。
第２の冷媒液としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、液体窒素などが挙げられる。
第２の冷媒ガスとしては、第２の冷媒液が気化したものであり、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、窒素ガスなどが挙げられる。

＜熱交換器＞
熱交換器としては、２流体間において、熱交換することができれは特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、プレートフィン型熱交換器などが挙げられる。
熱交換器としては、少なくとも１つ有していればよく、分割されて少なくとも２つ有していてもよい。

＜冷凍機＞
冷凍機は、熱交換器と第２の冷媒液を貯液する貯槽との間に配置される。
冷凍機としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、機械式冷凍機などが挙げられ、ＮｅｏＫｅｌｖｉｎ（登録商標）－Ｔｕｒｂｏ（大陽日酸株式会社製）などを好適に用いることができる。

＜貯槽＞
貯槽としては、第２の冷媒液貯槽を有し、第１の冷媒液貯槽を有することが好ましい。
貯槽の構造としては、外気の環境温度の影響の点から、例えば、真空二重構造や断熱材を用いた断熱構造が好ましい。これにより、第１の冷媒液又は第２の冷媒液の気化を防ぐことができる。なお、貯槽は、気相部分に接続する図示していない排ガス経路を有していてもよい。これにより、貯槽内の圧力に応じて、気相部分の気化した第１の冷媒液、又は第２の冷媒液を系外に排出できる。

＜低温機器＞
低温機器としては、第１の冷媒液貯槽と、第１の熱交換器との間に配置される。
低温機器としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、低温液ポンプ、超電導ケーブルなどが挙げられる。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態である冷却システム、及び冷却方法について説明する。
図１は、本発明の冷却システムの一例を示す概略図である。
第１の実施形態の冷却システム１は、冷凍機７により、第２の冷媒液を冷却する構成である。

図１の冷却システム１は、第１の循環ラインＬ１と、第２の冷媒液を供給して熱交換器５、６にて第１の冷媒ガスと熱交換させる第２の循環ラインＬ２とを有し、第２の冷媒液を冷却する冷凍機７、第２の冷媒液貯槽４、第２の冷媒液を第２の冷媒液貯槽４から冷凍機７へ循環させる第３の循環ラインＬ３、熱交換器の間から第２の冷媒液の少なくとも一部を前記冷凍機へと導入する第４の循環ラインＬ４、第１の冷媒液貯槽３、第１の冷媒液貯槽３と熱交換器５の間に、低温機器２を有する。

以下に、設備の待機時、及び設備の稼動時における冷却システム１の操作について説明する。
なお、設備の待機時とは、冷却システムを有する設備が稼動しておらず、低温機器が待機状態となっており、第１の冷媒液が循環していない状態を意味し、設備の稼動時とは、冷却システムを有する設備が稼動しており、第１の冷媒液が循環している状態を意味する。
設備としては、特に制限はないが、例えば、液化天然ガス貯蔵設備、実験施設などが挙げられる。

＜設備の待機時＞
設備の待機時においては、第１の冷媒液が循環していないため、第２の冷媒液は熱交換器に供給されない。そのため、第２の冷媒液貯槽４において、第２の冷媒液が貯液されることになるが、第２の冷媒液は侵入熱によって昇温され貯槽内の圧力が上昇する。そこで、昇温された第２の冷媒液を第３の循環ラインＬ３を通して、冷凍機に導入して冷却する。なお、第３の循環ラインＬ３と第２の循環ラインＬ２とは第２の冷媒液貯槽４の二次側から冷凍機７の一次側までのラインの一部を共有している。

具体的には、熱交換器６を経由せずに第２の冷媒液貯槽４と冷凍機７とを結ぶ第３の循環ラインＬ３を設け、バルブＶ１、バルブＶ２、及びバルブＶ５を閉じ、バルブＶ３、及びバルブＶ４を開き、第２の冷媒液を第２の冷媒液貯槽４と冷凍機７との間を、バルブＶ３を経由して冷凍機７、バルブＶ４の流れ方向に循環させる。これにより、貯槽内の第２の冷媒液の温度が低温にて保持されるため、設備が稼動して、第２の冷媒液を第２の循環ラインＬ２を通して熱交換器に導入し、第１の冷媒ガスと熱交換させる際の寒冷量が大きくなり、より少ない第２の冷媒液の量での冷却が可能である。また、第２の冷媒液貯槽４内の第２の冷媒液の温度を低下させて貯槽内の圧力を下げることができ、貯槽の耐圧上限に達することがないため、第２の冷媒ガスを大気放出する必要がなく、第２の冷媒ガスの浪費を抑制することができる。

＜設備の稼動時＞
設備の稼動時においては、第２の冷媒液を供給して第１の冷媒ガスと熱交換することにより、第１の冷媒液を生成する。
第１の冷媒液は、第１の循環ラインＬ１において第１の冷媒液貯槽３から低温機器２に供給される。供給された第１の冷媒液は、低温機器２で昇温されて第１の冷媒ガスが生成される。生成された第１の冷媒ガスは、熱交換器５、６に供給される。熱交換器５、６においては、第１の冷媒ガスは、第２の冷媒液を貯蔵する第２の冷媒液貯槽４から供給される低温の第２の冷媒液と熱交換することにより液化して第１の冷媒液となり、第１の冷媒液貯槽３に戻る。

第２の冷媒液は、第２の冷媒液貯槽４からバルブＶ１を有する第２の循環ラインＬ２を通って分割された熱交換器６に供給される。熱交換器６を通った第２の冷媒液（一部は気化して第２の冷媒ガスとなっていてもよい）は、一部は、熱交換器５に供給され、第１の冷媒ガスと熱交換し、気化して第２の冷媒ガスとなってバルブＶ２を介して大気に放出される。その他の一部は、熱交換器５、及び熱交換器６の間から導出される。導出された第２の冷媒液は、バルブＶ５を有する第４の循環ラインＬ４を通って、冷凍機７に供給され、冷却されてバルブＶ４を介して液体窒素貯槽４に戻る。
具体的には、バルブＶ３を閉じ、バルブＶ１、バルブＶ２、バルブＶ５、及びバルブＶ４を開き、第２の冷媒液を循環させる。
なお、冷凍機７に導入される第２の冷媒液は、熱交換器５を通った第２の冷媒液を戻す構成としてもよい。また、熱交換器を３つ以上有する場合は、第２の冷媒液の抜き出し位置は、分割されたいずれの熱交換器の間でもよく、熱交換効率に併せて適宜選択することができる。
また、設備の稼動時において、冷凍機７を停止した状態で運転することも可能である。この場合、第４の循環ラインＬ４を通って液体窒素貯槽４に戻る第２の冷媒液は冷却されないため、液体窒素貯槽４内の第２の冷媒液は徐々に温度が上がっていくことになるが、第１の冷媒ガスと熱交換できない温度に昇温するまでは冷凍機７を停止した状態で運転することができる。これにより、冷凍機７の消費電力の低減でき、冷凍機７の故障により冷凍機７が運転できない場合でも、一定期間第１の冷媒ガスを冷却することができる。

設備の稼動時において、熱交換器にて冷却する第１の冷媒ガスの温度が低い場合は、第２の冷媒液の必要な寒冷が小さくなる。この場合は、熱交換した第２の冷媒液を大気放出することなく、第４の循環ラインから全量回収することが有効であり、第２の冷却液の消費量を減少することができる。なお、熱交換器にて冷却する第１の冷媒ガスの温度が高い場合においても、熱交換した第２の冷媒液を大気放出することなく、第４の循環ラインから全量回収することも可能であるが、寒冷利用の効率の点から、熱交換器にて冷却する第１の冷媒ガスの温度が低い場合に全量回収することがより好ましい。

これにより、第２の冷媒液は熱交換器６で熱交換後、第２の冷媒ガスとしてすべてを大気放出することなく、第４の循環ラインＬ４より回収して冷却することによって、再利用することができ、ガス化した第１の冷媒ガスを液化するとともに、第２の冷媒液の消費量を低減することができる。
すなわち、第２の冷媒液を機械式冷凍機でサブクール状態まで冷却することにより、第１の冷媒ガスの冷却に利用できる第２の冷媒ガスの寒冷が増加し、より少ない第２の冷媒液の量で冷却ができる。

図２は、従来の冷却システムの一例を示す概略図である。従来の冷却システム１００の構成については、第１の実施形態の冷却システム１と同一の構成部分について同じ符号を付すると共に説明を省略する。
図２に示すように、従来の冷却システムは、第１の実施形態における、冷凍機７、及び貯槽４から冷凍機７に第２の冷媒液を循環させる循環ラインＬ３を有していない。
そのため、設備の待機時において、侵入熱による貯槽内の第２の冷媒液が昇温して貯槽の耐圧上限に達した場合、第２の冷媒ガスを大気放出して内圧を低下させる必要があり、第２の冷媒液の浪費が多くなる。また、設備の稼動時において、侵入熱による貯槽内の第２の冷媒液の昇温しているため、寒冷が少なく、第１の冷媒ガスと熱交換して第１の冷媒液を生成するために必要となる第２の冷媒液の消費量が増加する。

＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態である冷却システム、及び冷却方法について説明する。
図３は、本発明の冷却システムの第２の実施形態を示す概略図である。
図３に示すように、第２の実施形態の冷却システム１０は、第１の実施形態の冷却システム１に、冷凍機８をさらに有する構成である。第２の実施形態の冷却システム１０の構成については、第１の実施形態の冷却システム１と同一の構成部分について同じ符号を付すると共に説明を省略する。

第２の実施形態の冷却システム１０は、図３においては冷凍機を２つ記載しているが、特に制限はなく、３つ以上有していてもよい。
冷凍機８は、冷凍機７と同様に、熱交換器６と第２の冷媒液貯槽４との間に配置される。

＜設備の待機時＞
設備の待機時においては、第１の実施形態における冷却システム１と同様に、低温機器が待機状態にあり、第１の冷媒液が循環していないため、第２の冷媒液を熱交換手段に供給しない。
そこで、設備の待機時においては、第１の実施形態と同様に、熱交換器６を経由せずに第２の冷媒液貯槽４と冷凍機７、８とを結ぶ第３の循環ラインＬ３を通って、第２の冷媒液を第２の冷媒液貯槽４と冷凍機７、８との間を循環させる。

ここで、第２の冷媒液を第２の冷媒液貯槽４と冷凍機７、８との間を循環させる場合、冷凍機７及び冷凍機８に、直列にて循環させてもよく、並列にて循環させてもよいが、第２の冷媒液は、第２の冷媒液貯槽４における侵入熱による温度上昇分だけ冷却すればよいため、多くの冷凍能力は必要ではなく、熱効率の点から、並列にて循環させることが好ましい。
具体的には、バルブＶ１、バルブＶ２、バルブＶ５、及びバルブＶ６を閉じ、バルブＶ３、バルブＶ４、バルブ７、及びバルブ８を開き、熱交換器６を経由せずに第２の冷媒貯槽４と冷凍機７とを結ぶ第３の循環ラインＬ３、及び第２の冷媒貯槽４と冷凍機８とを結ぶ第５の循環ラインＬ５を通り、第２の冷媒液貯槽４と冷凍機７、８との間を循環させる。なお、第３の循環ラインＬ３と第５の循環ラインＬ５とは第２の冷媒液貯槽４の二次側から冷凍機７の一次側までのラインの一部を共有している。

＜設備の稼動時＞
設備の稼動時においては、第１の実施形態における冷却システム１と同様に、第１の冷媒ガスを冷却した第２の冷媒液の少なくとも一部は、熱交換器５、及び熱交換器６の間から導出され、バルブＶ５を有する第４の循環ラインＬ４を通って、冷凍機に循環され、第２の冷媒液貯槽４に戻る。この場合、第２の冷媒液の冷凍機７及び冷凍機８への循環は、直列にて循環させてもよく、並列にて循環させてもよいが、第２の冷媒液は、熱交換器にて第１の冷媒ガスとの熱交換により温度が高くなっていることから、この第２の冷媒液を冷却するのに多くの冷凍能力が必要であるため、熱効率の点から、冷凍機７及び冷凍機８への第２の冷媒液の循環は直列にて循環させることが好ましい。
具体的には、バルブＶ４、バルブＶ３、及びバルブＶ７を閉じ、バルブＶ１、バルブＶ２、バルブＶ５、バルブＶ６、及びバルブＶ８を開き、第２の冷媒液を循環させる。

以下、第２の実施形態を用いて具体的に、本発明の実施例を説明するが、得られる効果は第１の実施形態においても同様であり、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図３における冷却システム１０を用いて、設備の待機時及び稼動時における第２の冷媒液の消費量を計算した。第１の冷媒液として液化天然ガスを、第２の冷媒液として液体窒素を用いた。また、冷凍機７、８として公称冷凍能力１０ｋＷのＮｅｏＫｅｌｖｉｎ（登録商標）－Ｔｕｒｂｏ（大陽日酸株式会社製）をそれぞれ用いた。

＜設備の待機時＞
容量１００トン、内圧が３ＭＰａＧの第２の冷媒液貯槽４にある飽和の液体窒素（１２４Ｋ）を６５Ｋまで冷却することを考える。この際、冷却システム１０において、バルブＶ１、バルブＶ２、バルブＶ５、及びバルブＶ６を閉め、バルブＶ３、バルブＶ４、バルブＶ７、及びバルブＶ８を開け、液体窒素貯槽４から液体窒素を冷凍機７、８に並列に供給し、６５Ｋまで液体窒素を冷却した。冷凍機１台あたりの冷凍能力は１０ｋＷであるから、液体窒素を冷却するために要する時間は８．５日である。

＜設備の稼動時＞
次に、設備を稼動し、液化天然ガスを液体窒素にて冷却した。具体的には、容量４０トン、内圧が０．４ＭＰａＧの第一の冷媒液貯槽３から、第１の循環ラインＬ１を通って、液化天然ガスを流量６ｔ／ｈで冷温機器に供給した。供給された液化天然ガスは、低温機器で昇温してガス化し、３１８Ｋの天然ガスとなり、熱交換器に供給された。熱交換器において、第１の冷媒ガスは、冷凍機７、８により冷却された６５Ｋの液体窒素と熱交換して、１１３Ｋに冷却されて液化して液化天然ガスを生成した。液体窒素の供給は、具体的に、バルブＶ３、バルブＶ４、バルブＶ５、バルブＶ６、バルブＶ７、及びバルブＶ８を閉め、バルブＶ１、及びバルブＶ２を開け、液体窒素貯槽４から液体窒素を熱交換器に供給して、熱交換によって気化して窒素ガスとなった。熱交換器へ供給する液体窒素の温度は、６５Ｋであり、熱交換器５の出口側の温度は、３１３Ｋであった。熱交換器５、６において、天然ガスと熱交換した液体窒素は、バルブＶ２を介して全量大気放出した。この大気放出によって消費した窒素量（窒素消費量）は、１２．２ｔ／ｈであった。
ここで、３１８Ｋの天然ガスの冷却に、６５Ｋの液体窒素を利用する場合、利用可能な寒冷（エンタルピー差）は、４６３．６ｋＪ／ｋｇとなる。天然ガスを１１３Ｋ（－１６０℃）まで冷却するために必要な熱量は１，５７６ｋＷであるので、必要な液体窒素の流量は１２．２ｔ／ｈとなった。結果を下記表１に示す。

（実施例２）
実施例２では、設備の稼動時に、熱交換器に供給した液体窒素の一部である０．７ｔ／ｈを熱交換器５及び熱交換器６の間から、第４の循環ラインＬ４を通って冷凍機へ循環させた以外は実施例１と同様にして液化天然ガスを液体窒素にて冷却した。具体的に、バルブＶ３、バルブＶ４、及びバルブＶ７を閉め、バルブＶ１、バルブＶ２、バルブＶ５、バルブＶ６、及びバルブＶ８を開け、液体窒素貯槽４から液体窒素を供給して、冷凍機を直列に配列して運転した。このときの液体窒素の熱交換器６の出口温度は、１２０Ｋとなり、熱交換器５を通り、大気放出された窒素ガスは、３１３．１５Ｋ、１２．１ｔ／ｈとなった。熱交換器５及び熱交換器６の間から、液体窒素の一部を冷凍機に循環させることにより、液体窒素の消費量を減少させることができた。結果を下記表１に示す。

（比較例１）
図２に示す従来の冷却システムを用いて、設備の稼動時及び待機時における第２の冷媒液の消費量を測定した。第１の冷媒液として液化天然ガスを、第２の冷媒液として液体窒素を用いて、容量４０トンの液化天然ガス貯槽３の内圧を０．４ＭＰａＧ、液化天然ガスの流量を６ｔ／ｈとした。容量１００トンの液体窒素貯槽４に貯蔵された液体窒素は、６５Ｋであった。

＜設備の待機時＞
液体窒素貯槽４中の液体窒素は外部からの侵入熱により温度が上昇して１２４．３Ｋとなる。

＜設備の稼動時＞
次に、実施例１と同様の条件にて、第１の冷却液を第１の循環ラインを通って循環させた。第２の冷媒液貯槽４から液体窒素を熱交換器５に供給し、天然ガスと熱交換した後の窒素ガスはすべて大気放出した。放出された窒素ガスは、３１３Ｋ、１７．９ｔ／ｈであった。
ここで、３１８Ｋの天然ガスの冷却に、１２４．３Ｋの液体窒素を利用する場合、利用可能な寒冷（エンタルピー差）は、３１７．４ｋＪ／ｋｇとなる。流量６ｔ／ｈの天然ガスを１１３Ｋ（－１６０℃）まで冷却して液化するために必要な熱量は１，５７６ｋＷであるので、必要な液体窒素の流量は１７．９ｔ／ｈとなった。結果を下記表１に示す。

表１の結果から、実施例１及び２は、比較例１と比較して、第２の冷媒液である液体窒素の消費量を３２％低減することができた。
実施例２では、熱交換器に供給した液体窒素の一部を冷凍機に導入して冷却することにより、効率的に液体窒素を冷却することができ、これにより、第１の冷媒液の冷却効率も向上し、実施例１よりも少ない液体窒素で冷却することが可能となることが分かった。
このことから、小型の冷却システムにて液化能力を高めることができ、かつ液体窒素の消費量を低減することができた。

（実施例３）
実施例３では、実施例１の低温機器の作動条件を変更して、低温機器の天然ガスの出口温度（第１の循環ラインＬ１における熱交換器入口温度）を１５０Ｋとしたこと以外は、実施例１と同様にして、液体窒素で天然ガスを冷却した。
その結果、冷却対象である天然ガスの入口温度が低いことから、天然ガスを冷却する６５Ｋの液体窒素の出口温度も低くなり利用できる寒冷が少なくなった。その結果、天然ガスを液化して１１３Ｋ（－１６０℃）まで冷却するための液体窒素の流量は、１３．１ｔ／ｈであった。結果を下記表２に示す。

（実施例４）
実施例４では、実施例３での液体窒素を大気放出することなく、熱交換器５及び６の間から第４の循環ラインを通して液体窒素を導出し、全量回収した。ここで、冷凍機７は運転を停止した状態とした。天然ガスの液化に必要となる交換熱量は９５６ｋＷであるため、１００トンある６５Ｋの液体窒素が１２４．３Ｋに昇温するまでの４．１時間液体窒素を全量回収した運転ができた。この際、冷凍機を運転すれば全量回収できる時間はさらに長くなる。なお、冷凍機７の運転を停止しているため、第２の冷却液貯槽内の冷却窒素温度、第１の循環ラインＬ１の熱交換器入口温度及び出口温度、並びに第４の循環ラインＬ４の導出量及び温度は徐々に上昇し、熱交換に利用可能な寒冷は徐々に減少した。結果を下記表２に示す。

（比較例２）
比較例２では、低温機器の作動条件を変更して、冷温機器の天然ガスの出口温度（第１の循環ラインＬ１における熱交換器入口温度）を１５０Ｋとしたこと以外は、比較例１と同様にして、天然ガスを冷却した。
天然ガスを冷却する１２４．３Ｋの液体窒素の場合、熱交換後は昇温するため液体窒素容器へ回収することができない（耐圧を超えるため）、熱交換に利用した液体窒素のすべてを大気放出した。その結果、熱交換に必要な液体窒素の浪費量は２９．５ｔ／ｈとなった。結果を下記表２に示す。

実施例１及び比較例１と比較して、入口温度の低い第１の冷媒を冷却する実施例３及び比較例２の場合、より多くの第２の冷媒が必要になるが、実施例４のように第４の循環ラインを利用することにより、一時的に第２の冷媒の消費を抑えることができた。また、冷凍機を併用すればさらに消費量を低減することが可能である。

１、１０、１００ 冷却システム
２ 低温機器
３ 液化天然ガス貯槽
４ 液体窒素貯槽
５ 第１の熱交換手段
６ 第２の熱交換手段
７、８ 冷凍機
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 循環ライン
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８ バルブ

Claims (7)

1. 第１の冷媒ガスを冷却して第１の冷媒液を生成する冷却システムであって、
   前記第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ラインと、第２の冷媒液を供給して前記熱交換器にて前記第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ラインと、を有し、
   第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽と、第２の冷媒液を前記貯槽から前記冷凍機へ循環させる循環ラインと、を有し、
   前記冷凍機で冷却された第２の冷媒液を前記貯槽に返送し、
   前記熱交換器が分割されて少なくとも２つの熱交換器を有し、分割された前記熱交換器の間から第２の冷媒液の少なくとも一部を前記冷凍機へと導入する循環ラインを有することを特徴とする冷却システム。
2. 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
   前記冷凍機が並列に接続される請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
   前記冷凍機が直列に接続される請求項１に記載の冷却システム。
4. 第１の冷媒ガスを冷却して第１の冷媒液を生成する冷却システムにおける冷却方法であって、
   前記冷却システムが、前記第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ラインと、第２の冷媒液を供給して前記熱交換器にて前記第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ラインと、第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽と、を有し、
   前記冷却システムが待機状態のときに、第２の冷媒液を前記貯槽から前記冷凍機へ循環させて前記第２の冷媒液を冷却して前記貯槽に返送することを特徴とする冷却方法。
5. 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
   前記冷凍機が並列に接続される請求項４に記載の冷却方法。
6. 第１の冷媒ガスを冷却して第１の冷媒液を生成する冷却システムにおける冷却方法であって、
   前記冷却システムが、前記第１の冷媒ガスを熱交換器に循環させる循環ラインと、第２の冷媒液を供給して前記熱交換器にて前記第１の冷媒ガスと熱交換させる循環ラインと、第２の冷媒液を冷却する冷凍機と、第２の冷媒液を貯液する貯槽と、を有し、
   前記熱交換器が分割されて少なくとも２つの熱交換器を有し、
   前記冷却システムが稼動状態のときに、分割された前記熱交換器の間から第２の冷媒液の少なくとも一部を前記冷凍機に導入して冷却することを特徴とする冷却方法。
7. 前記冷凍機が、少なくとも２台であり、
   前記冷凍機が直列に接続される請求項６に記載の冷却方法。