JP7518348B2

JP7518348B2 - 被冷却ガスの液化装置及び被冷却ガスの液化方法

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Publication number: JP7518348B2
Application number: JP2020083013A
Authority: JP
Inventors: 政洋関屋; 俊樹長尾; 靖彦大門
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2024-07-18
Anticipated expiration: 2040-05-11
Also published as: JP2021179258A

Description

この発明は、被冷却ガスを冷却して液化するための液化装置、及びこれを用いた被冷却ガスの液化方法に関する。

二酸化炭素ガス（炭酸ガス）を保管・輸送するには、炭酸ガスを液化するのが効率的である。炭酸ガスを液化するにあたり、これまでは、主としてフロンガスを熱媒体にして、コンプレッサ等を使用してこれを断熱膨張させて、得られた冷熱を利用している。

ところが、フロンガスはその使用可能期限が法律により決められており、フロンを使用しない方法で炭酸ガスを液化する必要がある。そのため、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体窒素等の冷媒を使って炭酸ガスを液化することが考えられるが、例えば、これらの冷媒を冷却管に流して炭酸ガスとの間で熱交換すると、炭酸ガスが冷却され過ぎてしまい、冷却管の表面にドライアイスが生成して、熱交換効率が著しく低下してしまう。

そこで、トリフルオロメタンやエタン等の中間冷媒と炭酸ガスとを熱交換させる第１熱交換器と、ＬＮＧとこれらの中間冷媒とを熱交換させる第２熱交換器とを備えた液化装置を用いて、ＬＮＧの冷熱により中間冷媒を介して炭酸ガスを冷却して液化するような方法が知られている（例えば特許文献１参照）。これによれば、炭酸ガスをドライアイスに固化させることなく、炭酸ガスを冷却して液化することができる。

しかしながら、上記特許文献１のような方法では、ＬＮＧに加えて、トリフルオロメタン等の中間冷媒を併用するため、装置構成が複雑になり、また、炭酸ガスを液化するためのトータルのコストが増してしまうおそれもある。

一方で、ＬＮＧを流す冷却管の表面にＦＲＰやフッ素樹脂等の比較的熱伝導率の小さい材料を所定の厚みにコーティングして伝熱緩衝層を設けることで、炭酸ガスの固化を防ぎながら液化する方法が提案されている（特許文献２参照）。このような方法によれば、中間冷媒を用いることなく、炭酸ガスを冷却して液化することができる。

ところが、この特許文献２では、コーティング表面における炭酸ガスの凝縮伝熱量とコーティング表面から管厚（或いは板厚）を貫通して冷媒まで伝達する熱量の熱平衡条件に基づいて、コーティング層の厚みを決定し、コーティング表面温度が炭酸ガスの液化温度範囲内に保持されるようにするとしているが、冷却管の表面をコーティングして温度降下を緩和した場合は、冷熱の有効利用が図れなくなり、エネルギーの無駄を生じてしまう。また、コーティング加工の手間も必要となる。

また、冷媒を流す冷却管が容器内で鉛直方向に重なる位置に複数配置された液化装置において、下方に位置する冷却管の上方をカバー体で覆うようにした炭酸ガスの液化装置が提案されている（特許文献３参照）。このようにすることで、上方の冷却管の表面で液化した液化炭酸ガスが液滴となって自重で落下したときに、下方の冷却管の表面に付着して再度冷却され、固化するのを防ぐようにしている。

この特許文献３の方法によれば、中間冷媒を用いないため運転コスト等で有利であると考えられるが、複雑な装置構造であり設備費等の面で改善の余地がある。

特開２００４－６９２１５号公報特開２００３－３３６９６４号公報特開２０１２－２０７８６５号公報

このような状況のもと、本発明者らは、フロンを使用せずに、炭酸ガスを効率良く、かつ比較的低コストで液化することができる方法について鋭意検討した。その結果、予め準備した液化炭酸ガスとＬＮＧ等の冷媒とを、中空部を備えた伝熱調整壁を介して隣接させ、この伝熱調整壁の中空部に気体を充填したり真空に吸引すれば、冷媒との間で伝熱を調整して液化炭酸ガスがドライアイスにならない（固化しない）ようにできること、また、被冷却ガスである炭酸ガスをこの液化炭酸ガス中に供給することで、これらの気体の気泡と液体の炭酸ガスとの間で互いに熱交換させて液化炭酸ガスが得られることを確認し、さらに検討を進めて本発明を完成させた。

したがって、本発明の目的は、ＬＮＧ等の冷媒とは別のいわゆる中間冷媒を用いずに、炭酸ガス等の被冷却ガスを効率良く、かつ比較的低コストで液化することができる被冷却ガスの液化装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、上記のような液化装置を用いることで、ＬＮＧ等の冷媒とは別のいわゆる中間冷媒を用いずに、炭酸ガス等の被冷却ガスを効率良く、かつ比較的低コストで液化することができる被冷却ガスの液化方法を提供することにある。

すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）被冷却ガスの液体状態に相当する低温液体中に気体状体の被冷却ガスを直接吹き込むことで、前記低温液体中に形成された気泡が上昇する間に、気泡状の前記被冷却ガスと前記低温液体との間で熱交換させることで前記被冷却ガスを液化させる、被冷却ガスの液化装置であって、
前記低温液体が収容されて、前記被冷却ガスの吹き込みにより気液間の熱交換で前記被冷却ガスが液化する場となる液化容器と、
前記被冷却ガスを前記液化容器に供給する被冷却ガス供給装置と、
前記気液間の熱交換の場の形成若しくは維持のために前記液化容器に前記低温液体を供給する低温液体供給装置と、
前記低温液体を前記被冷却ガスの液化成品として前記液化容器から払い出す低温液体回収装置と、
前記液化容器を収容しつつ、前記液化容器の周囲から前記低温液体を冷却する冷媒を共に収容する冷媒容器と、
前記冷媒を前記冷媒容器に供給する冷媒供給装置と、
前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間には中空部を備えた伝熱調整壁が介在されて、該伝熱調整壁の中空部に気体を供給することができると共に、該気体を吸引することができる気体調整装置と、
前記液化容器中の低温液体の温度Ｔ_Ｌに応じて、前記気体調整装置により前記伝熱調整壁の中空部における気体の圧力を調整して、前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間での伝熱を制御する伝熱制御装置とを有することを特徴とする、被冷却ガスの液化装置。
（２）前記液化容器が容器本体と蓋体とを有して形成され、該容器本体の側壁部及び底面部が二重壁構造を有して、これら側壁部と底面部の中空部により前記伝熱調整壁が構成される、（１）に記載の被冷却ガスの液化装置。
（３）前記被冷却ガスが炭酸ガスであると共に、前記低温液体が液化炭酸ガスであり、前記液化容器は加圧状態が維持可能な圧力容器型の液化容器である、（１）又は（２）に記載の被冷却ガスの液化装置。
（４）（１）～（３）のいずれか１項に記載の被冷却ガスの液化装置を用いて、被冷却ガスの液体状態に相当する低温液体中に気体状体の被冷却ガスを直接吹き込むことで、該低温液体中に形成された気泡が上昇する間に、気泡状の前記被冷却ガスと前記低温液体との間で熱交換させて前記被冷却ガスを液化する、被冷却ガスの液化方法であって、
前記低温液体を予め前記液化容器に供給して収容しておくと共に、前記液化容器の周囲から前記低温液体を冷却する冷熱源となる冷媒を前記冷媒容器に供給して収容し、
前記液化容器中での前記被冷却ガスと前記低温液体との気液間での前記熱交換により変化する前記低温液体の温度Ｔ_Ｌに応じて、前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間に配設される伝熱調整壁の中空部における気体の圧力を調整して、前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間での伝熱量を制御しながら、前記液化容器内における前記低温液体の温度を所定温度範囲に維持することを特徴とする、被冷却ガスの液化方法。
（５）前記被冷却ガスが炭酸ガスであると共に、前記低温液体が液化炭酸ガスであり、前記液化容器は加圧状態が維持可能な圧力容器型の液化容器である、（４）に記載の被冷却ガスの液化方法。
（６）前記冷媒が液化天然ガスであるか又は液体窒素である、（４）又は（５）に記載の被冷却ガスの液化方法。

本発明によれば、フロンを使用せず、しかもＬＮＧ等の冷媒とは別のいわゆる中間冷媒を用いることなく、炭酸ガス等の被冷却ガスを効率良く、かつ比較的低コストで液化することができるようになる。

図１は、本発明に係る被冷却ガスの液化装置を説明するための模式図である。図２は、炭酸ガス（二酸化炭素）の状態図である。図３は、冷媒容器中の冷媒と液化容器中の低温液体との間での伝熱調整壁を介した熱伝導の様子を説明するための模式図である。

図面を用いながら、本発明について詳しく説明する。なお、保管や輸送等の目的から冷却して液化するガスとしては、炭酸ガスのほかに、アンモニアやアルゴン等を挙げることができるが、以下では、炭酸ガスを例にして、その好適な装置構成や液化方法について説明する。

図１には、本発明に係る被冷却ガスの液化装置の一例が模式的に示されている。この液化装置は、被冷却ガス４の液体状態に相当する低温液体６中に気体状体の被冷却ガスを直接吹き込むことで、低温液体６中に形成された気泡（被冷却ガス４）が上昇する間に、気泡状の被冷却ガス４と低温液体６との間で熱交換させることで被冷却ガス４を液化させる被冷却ガスの液化装置であって、ＬＮＧ等の冷媒２を供給する冷媒供給装置１と、その冷媒２が収容される冷媒容器３と、炭酸ガスのような被冷却ガス４を供給する被冷却ガス供給装置５と、低温液体６が収容されると共に、該低温液体中に吹き込まれた被冷却ガス４を液化する液化容器８と、低温液体６と被冷却ガス４との間の気液間で熱交換するための場の形成及びその維持のために、液化容器８に低温液体６を供給するための低温液体供給装置と、被冷却ガス４が液化した液化成品として低温液体６を液化容器８から払い出す低温液体回収装置とを有して、液化容器８は冷媒容器３に収容されており、冷媒容器３における冷媒２と液化容器８における低温液体６との間には、後述するような中空部を備えた伝熱調整壁９が介在され、かつ、この伝熱調整壁９の中空部に気体を供給することができると共に、該気体を吸引することができる気体調整装置１０を備えている。なお、この図１では、後述するように、低温液体供給装置と低温液体回収装置との両方の機能を兼ね備えた低温液体給排装置７を構成した例を示しているが、低温液体供給装置と低温液体回収装置とを個別に設けるようにしてもよい。

このうち、液化容器８は、低温液体６を収容する容器本体8aと容器本体8aの開口部を塞ぐ蓋体8bとを有しており、図１の液化装置の例では、液化容器内を加圧状態で維持することができる圧力容器型の液化容器８を形成している。また、この液化容器８の容器本体8aは、側壁部と底面部を含めて二重壁構造（二重管構造）を有しており、これら側壁部と底面部の中空部により伝熱調整壁９を構成している。

この中空部を備えた伝熱調整壁９に対しては気体調整装置１０が接続されており、伝熱調整壁の中空部に気体（充填用気体）を充填したり、気体を排出して真空にしたりして、中空部における気体の圧力を調整することができる。すなわち、この気体調整装置１０について、好適には、充填気体タンク１１が接続されていると共に充填気体バルブ１２を備えた気体供給管13aと、真空ポンプ１４に接続された気体吸引管13bとを有した気体調整管１３を備えている。そして、低温液体６に挿入された図示外の温度計等によって測定された液化容器８中の低温液体６の温度Ｔ_Ｌに応じて、伝熱調整壁９の中空部における気体の圧力を調整しながら、冷媒容器３中の冷媒２と液化容器８中の低温液体６との間での伝熱を制御することで、液化容器８内の低温液体６の温度を所定温度範囲に維持することができるように、伝熱制御装置（図示外）を備えている。

また、低温液体供給装置と低温液体回収装置とを兼ねる低温液体給排装置７について、好適には、低温液体タンク１５が接続されていると共に低温液体バルブ１６を備えた低温液体供給管17aと、吸引ポンプ１８が接続された低温液体回収管17bとを有した低温液体給排管１７を備えている。更に、この液化容器８に対して被冷却ガス４を供給する被冷却ガス供給装置５については、好適には、被冷却ガスタンク１９に接続されると共に、被冷却ガスバルブ２０及び被冷却ガス圧力計２１を有した被冷却ガス供給管２２を備えている。

一方、冷媒容器３に対して冷媒２を供給する冷媒供給装置１について、好適には、冷媒タンク２３に接続されると共に冷媒バルブ２４を有した冷媒供給管２５を備えている。

このような液化装置を用いて炭酸ガスの液化を行うにあたり、図２には、炭酸ガス（二酸化炭素）の状態図が示されている。既設のタンクやタンクローリー等との取り合いを考慮したときに、一般に採用されている圧力１．６ＭＰａの状況下において、炭酸ガスが液体状態を保つためには、その融点（固化点）側である－５６℃から沸点側の－２４℃までの温度範囲にする必要がある。また、液化天然ガス（LNG）の常圧での温度は－１６２℃であり、液体窒素（LN2）は常圧で－１９６℃であるから、ＬＮＧやＬＮ２を冷媒２として用いると共に、液化した二酸化炭素である液化炭酸ガスを低温液体６として用いたときに、被冷却ガス４として炭酸ガスを液化容器８に収容された液化炭酸ガス（液体）中に吹き込んで、気泡状となった炭酸ガス（気体）との気液間の熱交換により炭酸ガスを液化するには、伝熱調整壁９を介してＬＮＧやＬＮ２のような冷媒と液化炭酸ガスとの間での伝熱を制御して、液化容器８中の液化炭酸ガスを－５６℃から－２４℃の温度範囲で維持されるようにする。

図３には、伝熱調整壁９を介した冷媒容器中の冷媒２と液化容器中の低温液体６との間での伝熱の様子を模式的に示している。図中では、冷媒２である液体窒素（LN2）の常圧での温度（およそ-193℃）と低温液体６である液化炭酸ガスの１．６ＭＰａの加圧下での温度（およそ-50℃）を考慮したときの熱伝導によって生じる熱流束Ｑを示している。このとき、伝熱調整壁９を冷媒２と低温液体６との間の熱抵抗層であるとすれば、一般に、熱流束Ｑは次の式（１）で表される。なお、ここでは、伝熱面での温度の暖点を考慮して、液体窒素及び液化炭酸ガスの温度を上記のようにしている。

本発明では、熱抵抗層である伝熱調整壁９の中空部に固体ではなく気体を封入するため、上記式中の熱伝導率κは、気体の種類や温度に加えて、圧力Ｐに依存することになる。ここで、熱抵抗層である伝熱調整壁９の厚みｌが気体分子の平均自由工程λよりも薄いと、熱伝導率κは気体の圧力Ｐに比例する一方、熱抵抗層の厚みｌに依存しなくなる。この平均自由工程λは、気体分子が他の分子にぶつからずに移動できる平均的な距離を表しており、以下の式（２）のように記載することができる。

Ｎ_Ａ：アボガドロ数、Ｒ：気体定数、Ｔ：気体温度、ｄ：気体分子の直径、Ｐ：気体圧力

ここで、伝熱調整壁９の中空部に充填する気体として窒素を用いる場合、窒素分子の直径ｄは３７０ｐｍであり、また、汎用される真空ポンプの能力を考慮して伝熱調整壁９の中空部での気体圧力Ｐを２Ｐａまで下げることを想定すれば、その気体温度Ｔを－７３（℃）＝２００（K）として、先の式から平均自由工程λはλ＝２ｍｍと計算される。つまり、伝熱調整壁９の厚みｌを２ｍｍ以下にして、中空部の気体圧力Ｐを調整することで、冷媒容器中の冷媒２と液化容器中の低温液体６との間での熱伝導を制御することが可能になる。

ちなみに、図３に示した例において伝熱調整壁９の厚みｌを２ｍｍとし、伝熱調整壁９の中空部に窒素を充填して大気圧状態にしたときに、液化容器８に入れられた低温液体（液化炭酸ガス：温度Ｔ_１）６と冷媒容器３に入れられた冷媒（液体窒素：温度Ｔ_２）２との間で生じる熱流束Ｑは次の式（３）から求めることができる。
Ｑ＝－κ(Ｔ_１－Ｔ_２)／ｌ・・・（３）
ここで、液化容器８に入れられた液化炭酸ガスの温度をＴ_１＝－５０（℃）＝２２３（K）とし、冷媒容器３に入れられた液体窒素の温度をＴ_２＝－１９３（℃）＝８０（K）として、また、伝熱調整壁９の中空部における窒素（気体）の温度Ｔを－７３（℃）＝２００（K）として、このときの窒素の熱伝導率κを０．０２（W/m・K）とすると、この場合における熱流束Ｑの値はおよそＱ≒１４３０（W/m²）である。

一方で、伝熱調整壁９の中空部における窒素の圧力を２Ｐａまで減圧した以外は上記と同じであるとすると、その場合における熱流束Ｑは次の式（４）から求めることができる。
Ｑ＝－α・Ｐ（Ｔ_１－Ｔ_２) ・・・（４）
上述したように、平均自由工程λを考慮した伝熱調整壁９の厚みｌとしたときには、熱伝導率κは気体の種類等や圧力Ｐ（＝2Pa）に依存するようになり、このときの係数αは、下記式（５）からα＝１．４５８と求まることから、この場合における熱流束Ｑの値はおよそＱ≒４１６（W/m²）である。
α＝〔(γ＋１)／２(γ－１)〕×(ｋ／２πｍＴ')^1/2 ・・・（５）
ここで、ｋはボルツマン定数、ｍはＮ_２分子の質量、γは比熱比（２原子分子の場合は7/5）であり、また、Ｔ'は算術平均から－７０℃付近として２００Ｋとした。

つまり、伝熱調整壁９の中空部における気体の圧力を変化させることで、液化容器８に入れられた低温液体６と冷媒容器３に入れられた冷媒２との間で生じる熱流束Ｑを調整することができ、液体窒素等のような極めて温度が低い極低温の冷媒を使用しながら、それより温度の高い低温液体である液化炭酸ガスを所定の温度範囲に維持することができる。なお、上記の計算においては、液化容器中の低温液体に供給される被冷却ガスからの持ち込み熱量等については考慮していない。

本発明における液化装置では、液化容器８中の低温液体６の質量を計測する質量計（重量計）や低温液体６の液量を検知するレベルセンサ等を設けるようにしてもよい（いずれも図示外）。すなわち、図１に示した液化装置の例において、液化容器８に入れられた低温液体６の量の変化に応じて、低温液体給排装置７における低温液体タンク１５の流量計（図示外）と低温液体バルブ１６や吸引ポンプ１８とを連動させて、低温液体給排管１７から供給される低温液体６の量を調整したり、液化容器８に入れられた低温液体６について低温液体給排管１７を通じて払い出したり（その際に低温液体タンク１５に回収してもよい）、或いは、被冷却ガス供給装置５における被冷却ガスタンク１９の流量計（図示外）と被冷却ガスバルブ２０や被冷却ガス圧力計２１とを連動させて、被冷却ガス供給管２２から供給される被冷却ガス４の量を調整するようにしてもよい。

また、先にも述べたように、液化容器８に圧力計を設けたり、温度計を設けるようにするなどして、液化容器８内が加圧された所定の圧力状態で維持されるようにするのがよい。更には、液化容器８における蓋体8bには、低温液体６によって液化されなかった余剰の被冷却ガス４を排出する排出ノズル（図示外）を設けるようにしてもよい。その際、排出された被冷却ガス４が被冷却ガス供給装置５側に戻されて、再利用可能なようにしてもよい。

一方で、冷媒容器３についても、冷媒容器３中の冷媒２の質量を計測する質量計（重量計）や冷媒２の液量を検知するレベルセンサ等を設けて（いずれも図示外）、冷媒２の量の変化に応じて、例えば、冷媒供給装置１における冷媒タンク２３の流量計（図示外）と冷媒バルブ２４とを連動させて、冷媒供給管２５から供給される冷媒２の量を調整するようにしてもよい。また、冷媒容器３の上方にオーバーフロー用配管（図示外）を設けておき、余分な冷媒２が冷媒容器３から排出されるようにしたり、気化した冷媒が排気されるようにしてもよい。

図１に示したような液化装置を使って、例えば炭酸ガスを冷却して液化炭酸ガスにするには、液化炭酸ガス（低温液体）に炭酸ガス（被冷却ガス）を直接吹き込み、液化炭酸ガス中に形成された炭酸ガスの気泡が上昇する間に、この炭酸ガスと液化炭酸ガスとの間で熱交換させて、炭酸ガスを液化炭酸ガスに液化させればよく、例えば、次のような手順で行うことができる。

先ずは、液化炭酸ガスを予め液化容器に供給して収容しておくと共に、液化容器の周囲から液化炭酸ガスを冷却する冷熱源となる冷媒を冷媒容器に供給して収容する。具体的には、冷媒供給装置１における冷媒供給管２５の冷媒バルブ２４を開いて、冷媒タンク２３から冷媒２を冷媒容器３に供給する。この冷媒２としては、上述した液化天然ガスや液体窒素のほかに、ＬＰＧ等を使用することができる。

一方、液化容器８に対しては、先ず、低温液体給排装置７における低温液体供給管17aの低温液体バルブ１６を開いて、低温液体タンク１５から低温液体６を容器本体8aに供給する。このとき、炭酸ガスを被冷却ガスとして液化する場合には、低温液体６として液化炭酸ガスを用いるようにして、液化対象である被冷却ガスと同じ種類のものを用いるようにする。例えば、アンモニアガスを被冷却ガスとして液化する場合には、液体アンモニアを低温液体６として用いるようにすればよい。

次いで、液化容器８に接続された被冷却ガス供給装置５における被冷却ガス供給管２２の先端が低温液体６である液化炭酸ガス中に浸漬した状態で、被冷却ガスバルブ２０を開いて、炭酸ガスが入れられた被冷却ガスタンク１９から被冷却ガス４である炭酸ガスを供給する。これらの際には、被冷却ガスタンク１９の圧力を１．６ＭＰａに維持することが必要であり、その為には圧力制御しながら被冷却ガスタンク１９へ連続的に炭酸ガスを供給するようにすることで、液化容器８内が加圧状態で維持されるようにしておく。

そして、低温液体６である液化炭酸ガスの温度Ｔ_Ｌを温度計等で計測しながら、その温度に基づいて、容器本体8aの側壁部及び底面部を形成する伝熱調整壁９に接続された気体調整装置１０における気体調整管１３によって伝熱調整壁９の中空部内の気体圧力を調節して、冷媒容器３中の冷媒２と液化容器８中の低温液体６との間での伝熱を制御する。

低温液体６が液化炭酸ガスの場合であれば、１．６ＭＰａの加圧下で沸点（-24℃）以上になると気化し、凝固点（固化点）（-56℃）以下になると固化してしまうことから、例えば、－２８℃のように沸点よりわずかに低い設定温度Ｔ_１と、－５０℃のように融点よりわずかに高い設定温度Ｔ_２とを予め定めておき、液化容器中の液化炭酸ガスの温度Ｔ_Ｌがこの設定温度Ｔ_１より高いときには、充填気体タンク１１に接続された気体供給管13aの充填気体バルブ１２を開き伝熱調整壁９の中空部に気体を充填して壁間伝熱量を増大させて液化炭酸ガスを冷却し、液化炭酸ガスの温度Ｔ_Ｌが設定温度Ｔ_２より低いときには、真空ポンプ１４に接続された気体吸引管13bにより中空部の気体を吸引して２Ｐａ程度の真空度、乃至はそれより低い圧力にして壁間伝熱量を極小化ないし断熱状態とし、被冷却ガスからの持ち込み熱量により液化炭酸ガスを加温し、液化容器中の液化炭酸ガスが液体の状態を保つようにすればよい。なお、本発明においては、仮に、液化容器中の液化炭酸ガスの一部に固体（ドライアイス）が形成されたとしても、全ての液化炭酸ガスが固化するようなことがなければ特に問題にはならない。つまり、残りの液化炭酸ガスと被冷却ガス供給管２１から供給される炭酸ガスとの間で気泡を介した気液間の熱交換が可能であればよく、その場合においても、これらの熱交換における効率が落ちるようなことにもならない。

伝熱調整壁９の中空部に充填する充填用の気体については、上述したような伝熱の制御において気体状態を保つことができるものであればよく、使用する冷媒２や低温液体６の種類に応じて適宜選択することができる。冷媒２が液化天然ガスや液体窒素であり、低温液体６が液化炭酸ガスである場合、このような充填用気体としては、例えば、窒素やアルゴン等が挙げられ、なかでも汎用的であり利用しやすいことなどから、好適には窒素である。但し、これらの充填用気体は、狭隘な空間に出し入れするものであることなどから、水分や塵埃等を十分に除去したものを使用するのが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、フロンを使用せず、しかもＬＮＧ等の冷媒とは別のいわゆる中間冷媒を用いることなく、炭酸ガス等の被冷却ガスを効率良く、かつ比較的低コストで液化することが可能になる。

１：冷媒供給装置、２：冷媒、３：冷媒容器、４：被冷却ガス、５：被冷却ガス供給装置、６：低温液体、７：低温液体給排装置、８：液化容器、8a：容器本体、8b：蓋体、９：伝熱調整壁、１０：気体調整装置、１１：充填気体タンク、１２：充填気体バルブ、１３：気体調整管、13a：気体供給管、13b：気体吸引管、１４：真空ポンプ、１５：低温液体タンク、１６：低温液体バルブ、１７：低温液体給排管、17a：低温液体供給管、17b：低温液体回収管、１８：吸引ポンプ、１９：被冷却ガスタンク、２０：被冷却ガスバルブ、２１：被冷却ガス圧力計、２２：被冷却ガス供給管、２３：冷媒タンク、２４：冷媒バルブ、２５：冷媒供給管。

Claims

被冷却ガスの液体状態に相当する低温液体中に気体状体の被冷却ガスを直接吹き込むことで、前記低温液体中に形成された気泡が上昇する間に、気泡状の前記被冷却ガスと前記低温液体との間で熱交換させることで前記被冷却ガスを液化させる、被冷却ガスの液化装置であって、
前記低温液体が収容されて、前記被冷却ガスの吹き込みにより気液間の熱交換で前記被冷却ガスが液化する場となる液化容器と、
前記被冷却ガスを前記液化容器に供給する被冷却ガス供給装置と、
前記気液間の熱交換の場の形成若しくは維持のために前記液化容器に前記低温液体を供給する低温液体供給装置と、
前記低温液体を前記被冷却ガスの液化成品として前記液化容器から払い出す低温液体回収装置と、
前記液化容器を収容しつつ、前記液化容器の周囲から前記低温液体を冷却する冷媒を共に収容する冷媒容器と、
前記冷媒を前記冷媒容器に供給する冷媒供給装置と、
前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間には中空部を備えた伝熱調整壁が介在されて、該伝熱調整壁の中空部に気体を供給することができると共に該気体を吸引し、伝熱調整壁の中空部を伝熱状態から断熱状態まで調整することができる気体調整装置と、
前記液化容器中の低温液体の温度Ｔ_Ｌに応じて、前記気体調整装置により前記伝熱調整壁の中空部における気体の圧力を調整して、前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間での伝熱を制御する伝熱制御装置とを有することを特徴とする、被冷却ガスの液化装置。
前記液化容器が容器本体と蓋体とを有して形成され、該容器本体の側壁部及び底面部が二重壁構造を有して、これら側壁部と底面部の中空部により前記伝熱調整壁が構成される、請求項１に記載の被冷却ガスの液化装置。
前記被冷却ガスが炭酸ガスであると共に、前記低温液体が液化炭酸ガスであり、前記液化容器は加圧状態が維持可能な圧力容器型の液化容器である、請求項１又は２に記載の被冷却ガスの液化装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の被冷却ガスの液化装置を用いて、被冷却ガスの液体状態に相当する低温液体中に気体状体の被冷却ガスを直接吹き込むことで、該低温液体中に形成された気泡が上昇する間に、気泡状の前記被冷却ガスと前記低温液体との間で熱交換させて前記被冷却ガスを液化する、被冷却ガスの液化方法であって、
前記低温液体を予め前記液化容器に供給して収容しておくと共に、前記液化容器の周囲から前記低温液体を冷却する冷熱源となる冷媒を前記冷媒容器に供給して収容し、
前記液化容器中での前記被冷却ガスと前記低温液体との気液間での前記熱交換により変化する前記低温液体の温度Ｔ_Ｌに応じて、前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間に配設される伝熱調整壁の中空部における気体の圧力を調整して、前記冷媒容器中の冷媒と前記液化容器中の低温液体との間で伝熱状態から断熱状態までの範囲で伝熱量を制御しながら、前記液化容器内における前記低温液体の温度を所定温度範囲に維持することを特徴とする、被冷却ガスの液化方法。
前記被冷却ガスが炭酸ガスであると共に、前記低温液体が液化炭酸ガスであり、前記液化容器は加圧状態が維持可能な圧力容器型の液化容器である、請求項４に記載の被冷却ガスの液化方法。
前記冷媒が液化天然ガスであるか又は液体窒素である、請求項４又は５に記載の被冷却ガスの液化方法。