JPH11316059A

JPH11316059A - 低沸点流体の熱サイクルを用いた冷凍プロセスおよびプラント

Info

Publication number: JPH11316059A
Application number: JP11053167A
Authority: JP
Inventors: Baguer Guy Gistau; ギー・ジストー−バグール
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 1999-11-16
Also published as: FR2775518A1; FR2775518B1; CH693187A5; DE19908506A1; US6170290B1

Abstract

(57)【要約】【課題】圧縮力経費の最適化により、プラント操作コ
ストの減少を実現する。【解決手段】ガス状流体が高圧に圧縮され、第１の段
階で予備冷却され、第２の段階で少なくとも一部は冷却
及び液化され、冷却および膨張させられた流体の少なく
とも幾分かは、貯蔵タンク内で二相状態で回収され、ガ
ス相の幾分かは、タンクから第１及び第２の段階、及び
加温ラインを経てもどされ、予備冷却された流体は、第
２の段階において平行に膨張する少なくとも２つの別々
の流れ即ち少なくとも一部は第１の冷凍源に供給するた
めの第１の流れ、少なくとも第２の流れに分割され、こ
れらの流れの１つは、第２の段階を通る際に、少なくと
も一部は別途液化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低沸点を有する流
体、特にヘリウムの熱サイクルを用いた、冷凍プロセス
に関する。この冷凍プロセスでは、流体がガス状でいわ
ゆる高圧に圧縮され、圧縮された流体は、予備冷却の第
１の段階を通過する際に予備冷却され、圧縮および予備
冷却された流体は、冷却および液化の第２の段階を通過
する際に、少なくとも一部が冷却され、液化され、そこ
では、流体はいわゆる低圧に対し膨張させられ、冷却お
よび膨張させられた流体の少なくとも幾分かは、流体を
貯蔵するタンク内に二相状態で回収され、ガス相の幾分
かは、順に第１および第２の段階を通って、タンクから
加温ラインを経て戻され―このガス相は、これらの段階
を通る際に、そこを通る圧縮された流体との熱交換によ
り暖められ―、冷却および膨張させられた流体の少なく
とも幾分かは、冷凍の第１の力を形成している。

【０００２】本発明は、特に、ヘリウムを用いた、素粒
子の加速器の超電導成分の冷却に適用される。本明細書
において使用される圧力とは、絶対圧のことである。

【０００３】

【従来の技術】超電導エレメントの冷却は、非常に低
温、一般に５Ｋ以下における流体の使用を必要とする。
これらの流体は、上記成分との熱交換関係に置かれた冷
凍源を形成する。

【０００４】ヘリウムのような低沸点を有する流体は、
液／気平衡状態にある貯蔵タンク内において、そのよう
な温度に到達する。このように、例えば、上記相を蒸発
させ、任意ではあるが、このようにして生成されたガス
を暖めることにより、このタンク内に収容された液相を
冷凍源として用いることが可能である。

【０００５】この蒸発は、実際のタンク内で生じ、その
とき冷源は等温的であり、対応する冷凍プラントは、い
わゆる冷凍モードで作動する。蒸発は、タンクの外でも
生じ、後者に含まれる液相を抜き出した後、対応する冷
凍プラントは、いわゆる液化モードで作動する。作動の
このモードでは、このよにして生成されたガスはまた、
それを暖めることにより、冷凍源としても使用される。

【０００６】最終的に、作動のこれらのモードは、混合
されたモードとして組み合わされてもよく、その場合、
２つの冷凍源、即ち、貯蔵タンクの外側の第１の冷凍源
と、タンクの内側の等温的な第２の冷凍源とが提供され
る。所望の温度での冷凍出力の生成は、使用される流体
の圧縮の要求に対応する高い操作コストを必要とする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特
に、上述の操作モードのすべてにおいて使用可能であ
り、圧縮力の経費を最適化し、プラントの操作コストを
減少させることを可能とする、冷凍プロセスを提供する
ことにより、これらの問題を解決することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するた
め、本発明は、低沸点を有する流体、特にヘリウムの熱
サイクルを用いた冷凍プロセスであって、この冷凍プロ
セスでは、流体がガス状でいわゆる高圧に圧縮され、圧
縮された流体は、予備冷却の第１の段階を通過する際に
予備冷却され、圧縮および予備冷却された流体は、冷却
および液化の第２の段階を通過する際に、少なくとも一
部が冷却され、液化され、そこでは、流体はいわゆる低
圧に膨張させられ、冷却および膨張させられた流体の少
なくとも幾分かは、流体を貯蔵するタンク内に二相状態
で回収され、ガス相の幾分かは、順に第２および第１の
段階を通って、タンクから加温ラインを経て戻され―こ
のガス相は、これらの段階を通る際に、そこを通る圧縮
された流体との熱交換により暖められ―、冷却および膨
張させられた流体の少なくとも幾分かは、冷凍の第１の
力をにおいて）形成するプロセスであって、予備冷却さ
れた流体は、第２の段階において平行に膨張する少なく
とも２つの別々の流れ、即ち、少なくとも一部は第１の
冷凍源に供給するための第１の流れと、少なくとも第２
の流れに分割され、これらの流れの１つは、第２の段階
を通る際に、少なくとも一部は別途液化されることを特
徴とする冷凍プロセスを提供する。

【０００９】特定の態様に応じて、本プロセスは、単独
で、または任意の技術的に可能な組合せをもって、以下
の特徴の１つまたはそれ以上を含むものとすることが出
来る。第１の流れは、貯蔵タンクに供給するために第２
の段階を通る際に、少なくとも一部は液化されること。

【００１０】少なくとも第２の流れは、貯蔵タンクに供
給するために第２の段階を通る際に、少なくとも一部は
別途液化されること。貯蔵タンクに収容されている液相
は、第１の冷凍源を形成するために用いられること。

【００１１】液相の幾分かは、タンクの外側において第
１の冷凍源を形成するように、貯蔵タンクから抜き出さ
れること。貯蔵タンク（５）に収容されている液相は、
等温的第２の冷凍源を形成するために用いられること。

【００１２】第１の冷凍源は、第１の流れから生成され
るガス、特に超臨界ガスであり、貯蔵タンクは、第２の
段階において少なくとも一部は液化された第２の流れか
ら供給されること。第１の冷凍源を形成するために、ガ
スは、貯蔵タンクに収容されている液相との熱交換によ
って、第２の段階の下流で冷却されること。

【００１３】貯蔵タンクに収容されている液相は、この
タンクの内部で等温的第２の冷凍源を形成するために用
いられること。第１の流れは、第２の段階（４）の少な
くとも一部において、前記膨張した流れの他のものを用
いた向流熱交換により、更に冷却されること。

【００１４】第２の段階におけるガス相中に冷却され、
膨張した前記他のガスは、第２の段階において第１の流
れを冷却するために、加温ラインに直接戻されること。
第２の段階におけるガス相中に膨張し、冷却され、た前
記他のガスは、貯蔵タンクに送られ、前記ガス相は、第
２の段階において第１の流れを冷却するために、加温ラ
インを通して送られること。

【００１５】本発明はまた、流体を圧縮する手段、予備
冷却の第１の段階、冷却および膨張の第２の段階、２相
状態にある流体を貯蔵するタンク、少なくとも一部は２
つの段階を通過し、圧縮手段を前記タンクに接続する、
圧縮された流体を冷却するライン、および２つの段階を
通過し、前記タンクと連通する、前記タンクのガス相を
暖めるラインを具備するプラントであって、前記冷却ラ
インは、第２の段階において、それぞれそれ自身の膨張
手段を備えている少なくとも２つの分離パイプに分割さ
れており、第２の段階に属し、これらパイプの第１のも
のである、第１の流れに対応するパイプは、少なくとも
一部は、第１の冷凍源を供給するように意図されてお
り、前記パイプの１つの膨張手段は、少なくとも部分的
な液化手段を含むことを特徴とするプラントを提供す
る。

【００１６】特定の態様に応じて、本プラントは、単独
で、または任意の技術的に可能な組合せをもって、以下
の特徴の１つまたはそれ以上を含むものとすることが出
来る。第１のパイプの膨張手段は、少なくとも部分的液
化手段を含み、この第１のパイプは、そこに流体を供給
するために、貯蔵タンク内に現れること。

【００１７】第２の流れに対応する、少なくとも１つの
第２のパイプの膨張手段は、少なくとも部分的液化手段
を含み、この第２のパイプは、そこに流体を供給するた
めに、貯蔵タンク内に現れること。本プラントは、貯蔵
タンクの液相を第１の冷凍源として用いるために、液相
を外側と熱交換させる手段を含むこと。

【００１８】本プラントは、貯蔵タンクの外側に第１の
冷凍源を形成するために、液相を貯蔵タンクから抜き出
す手段を含むこと。本プラントは、貯蔵タンク内に等温
的第２の冷凍源を形成するために、貯蔵タンク内の液
相をタンクの外側と熱交換させる手段を含むこと。

【００１９】第２の流れに対応する第２のパイプの膨張
手段は、少なくとも部分的液化手段を含み、この第２の
パイプは、そこに流体を供給するために、貯蔵タンク内
に現れ、第１のパイプの膨張手段）は、出口においてガ
ス、特に超臨界ガスを供給するために、ガス中に流体を
膨張させ、第１の冷凍源を形成する手段であること。

【００２０】第１のパイプは、供給されるガスを冷却
し、第１の冷凍源を形成するために、第２の段階の下流
において、貯蔵タンクと熱交換関係にあること。本プラ
ントは、貯蔵タンク内に等温的第２の冷凍源を形成する
ために、タンク内に収容された液相を、タンクの外側と
熱交換させる手段を含むこと。

【００２１】第１のパイプは、第２の段階の少なくとも
一部において、向流熱交換により第１の流れを冷却する
ために、パイプの他のものと熱交換関係にあること。他
のパイプの膨張手段は、ガス相中へ膨張させる手段を含
み、他のパイプは、加温ライン内に直接現れること。

【００２２】前記他のパイプの膨張手段は、少なくとも
１つのガス相中へ膨張させる手段を含み、この他のパイ
プは、前記ガスが加温ラインを介して送られ、第２の段
階において、第１の流れを冷却するために、前記タンク
内に現れること。前記パイプの膨張手段は、タービンを
含むこと。

【００２３】流体を戻すパイプラインが、前記第１の段
階と第２の段階の間の加温ラインに現れ、前記第２の段
階は、冷却および加温ラインを相互に熱交換させる熱交
換器）を含み、この熱交換器は、前記パイプの少なくと
も１つの膨張手段の上流に置かれること。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、第１の冷凍容量Ｐ１及び
等温の第２の冷凍容量Ｐ２を供給することにより、超伝
導部材（図示しない）を冷却するためのヘリウム閉熱サ
イクルを用いた冷凍プラント1を示す。

【００２５】このプラント１は、 − １つだけ図１に示されており、連続して配置された
数個の圧縮機２を含むサイクル圧縮手段、 − ヘリウムを予備冷却するための第１の段階３、 − ヘリウムを冷却して膨張させる第２の段階４、 − ヘリウムを液／ガス平衡中に貯蔵する貯蔵タンク
５、 − 少なくとも部分的に圧縮手段２を貯蔵タンク５に接
続し、第１の段階３及び第２の段階４を通して連続して
通過させ、圧縮されたヘリウムを冷却するライン６、 − タンク５のガス相を加熱し、タンク５を圧縮手段２
に接続し、第２の段階４及び第１の段階３を通して連続
して通過させるライン７、を実質的に含む。

【００２６】さらに、一方では、このプラント１は、プ
ラントの他の部材から離れて配置されて、冷凍容量Ｐ１
を第１の超伝導部材に提供する熱交換器８、他方では、
タンク５の下方部分を、熱交換器に輸送して等温の冷凍
容量Ｐ２を供給する手段９を含む。

【００２７】第１の段階３は、１つだけ示されているけ
れども、いくつかの向流熱交換器１０を含む。

【００２８】第２の段階４は、タンク５と第１の段階３
との間に連続して配置された５つの向流熱交換器１１な
いし１５、及び後述の膨張手段を含む。

【００２９】プラント１では、ヘリウムを、圧縮機２に
より約２０バールの圧力で圧縮し、その後、このヘリウ
ムを冷却ライン６を介して、ヘリウムが予備冷却される
予備冷却段階３を通して配送する。

【００３０】この第１の段階３を通り過ぎると、ヘリウ
ムは、約１９.２５バールの圧力で、約２０.５４Ｋの温
度で、すなわちジュール−トムソン逆転温度以下の温度
でこの圧力は約３７Ｋである。

【００３１】次に、この予備冷却されたヘリウムガスを
約７６４ｇ／秒の流量で冷却ライン６を介して第２の段
階４を通して送り、ここで、このヘリウムガスを、３つ
の流れに分割し、各々ライン６の分離パイプ１６,１７,
１８に運び、第２のパイプ１７及び第３のパイプ１８
は、これを明瞭にするため、図中、点線で示す。

【００３２】このため、ライン６を、第２の段階４内
で、各々膨張手段２１,２２,２３を備えた３つのパイプ
１６ないし１８に分割する。

【００３３】各々、約２４４ｇ／秒及び２４８ｇ／秒の
流量に相応する第１の流れ及び第２の流れは、これらの
流れを約１３.３９Ｋの温度に冷却し得る熱交換器１５
を通って一緒に通過する。

【００３４】この第１の流れ及び第２の流れを、その後、
各々、第１のパイプ１６及び第２のパイプ１７を通して
分離及び搬送する。

【００３５】第１の流れを、熱交換器１３中に導入され
る前に、まず、第１のパイプ１６の膨張手段２１のター
ビン２４内で約９.５０バールの圧力及び約１０.７８Ｋ
の温度で膨張及び冷却する。その後、この第１の流れを熱
交換器１３を通すことにより冷却し、温度を約９.３１
Ｋに下げた後、熱交換器１２を通すことにより、温度を
８.３４Ｋに下げる。次に、第１の流れを、膨張手段２１
のタービン２５中で、約３．０１バールの圧力及び５．
４０Ｋの温度で、膨張及び冷却し、その後、熱交換器１１
を通すことにより冷却し、その出口側では、このヘリウ
ムは、約４.４６Ｋの温度に達する。

【００３６】第１の流れを、その後、超臨界ガスの状態
で熱交換器８に送り、ここで、、第１の冷凍源として使用
し、加温されることによって容量Ｐ１を供給する。この
第１の流れを、最終的に、約１.２４バール及び約２０.
２２Ｋの温度で、第１の段階３及び第２の段階４の間の
パイプ２６を介して加温ライン７に送る。次に、この第１
の流れを、第１の段階３中で、圧縮されたヘリウムを第
１の段階３を通して通過させながら、向流間接熱交換器
によって加温し、その後、圧縮手段２に送る。

【００３７】熱交換器１５を通り過ぎると、第２の流れ
は、熱交換器１４を通すことによって冷却され、温度は
約１０.２８Ｋまで下がり、その後、第２のパイプ１７
の膨張手段２２のタービン２７内で、低い割合（第２の
流れの流量の約１０%）で液化する。このようにして約
４.４０Ｋの温度、及び約１.２０バールの圧力で製造さ
れた二相流体は、その後、液／ガス平衡中で、タンク５
にヘリウムを供給する。第２のパイプ１７中で低い割合
の液化ヘリウムは、単一のタービン27のみを、タービン
を損傷することなく、圧縮されたヘリウムの膨張、その
液化に使用し得る。

【００３８】貯蔵タンク５内に収容された液相をタンク
の外部との熱交換に供する手段９によって、液相は、冷
凍容量Ｐ２を供給し、蒸発されることにより、及びこの
ために、このタンク５内に、等温の第２の冷凍源を形成
する。第２の流れのガス部分を含むタンク５内に収容さ
れたガス相は、ライン７を介して、このガス相が約９.
１６Ｋの温度まで加温された熱交換器を通って連続的に
送られる。次に、このガス相を、熱交換器１３を通すこ
とによって約１０.１４Ｋの温度まで加温する。このガ
ス相をこれらの熱交換器１１,１２,及び１３を通る第１
の流れをもって向流間接熱交換により加温する。

【００３９】次に、このガス相を、熱交換器１４を通す
ことにより、この熱交換器１４を通る第２の流れをもっ
て向流間接熱交換により、約１２.０２Ｋの温度まで加
温し、その後、熱交換器１５通すことによりこの熱交換
器１５を通る第１及び第２の流れをもって向流間接熱交
換器によって約２０.２２Ｋの温度まで加温する。

【００４０】このため、タービン２７を通り過ぎた第２
のガス部分は、第１及び第２の冷却に使用される。

【００４１】最後に、このガス相は、パイプ２６を介し
て送られるガスと共に、圧縮手段２に供給する前に、第
１の段階３中で加温される。

【００４２】約２７２ｇ／秒の流量に相当し、第３のパ
イプ１８に運ばれる第３の流れは、第３のパイプ１８の
膨張手段２３のタービン２８中で、膨張され、分離して
冷却される。このタービン２８を通り過ぎると、ガス相
中のヘリウムは、約２１.１９バールの圧力と、約９.１
６Ｋの温度である。

【００４３】次に、膨張された第３の流れを熱交換器１
３及び１２の間の加温ライン７に直接送る。その後、加
温ライン７に運ばれたガス相と共に、この第３の流れ
を、熱交換器１３及び１５中で、向流間接熱交換によ
り、これらの熱交換器１３及び１５を通る他の流れをも
って加温する。この第３の流れは、このように、第１及
び第２の流れの冷却を助ける。

【００４４】最終的に、この第３の流れを、圧縮手段２
を供給する前に、加温ライン７によって運ばれるガス相
と共に、第１の段階３を通すことにより加温する。

【００４５】このプラント１は、約４.４６Ｋで、超臨
界ヘリウムを用いて、約２１７００Ｗの第１の冷凍容量
Ｐ１、及び約４.４０Ｋで液体ヘリウムを用いて、等温
の約４８００Ｗの第２の冷凍容量Ｐ２を生じさせること
ができる。

【００４６】一方、３つの流れの分離した、または並列
した膨張は、２つの分離した冷凍源を得ることを可能に
せしめ、他方、熱交換器１３ないし１５によって限定さ
れる温度範囲を超えて、第１の流れ及び／または第２の
流れを冷却するために第３の流れを使用し、及び第１及
び第２の流れを冷却するために第２の流れの部分を使用
することを可能にせしめる。

【００４７】これらの特徴は、プラント１で消費される
約４.５ＭＷの電力に相当する圧縮電力に関して全体的
な経費を最適化することを可能にせしめる。

【００４８】第６の向流熱交換器３１及び第７の向流熱
交換器３２を、冷却ライン６中のヘリウムのフローに関
する熱交換器１５の上流の第４の段階に配置する。

【００４９】加温ライン７は、熱交換器３１及び３２の
それぞれを通る。

【００５０】このプラント１において、段階３で予備冷
却されたヘリウムガスを、冷却ライン６を介して第２の
段階４中に導入し、ここで、このヘリウムを、第１に、
加温ライン７によって搬送されるガス相を用いた交流間
接熱交換により、熱交換器３２を通して冷却する。この
ヘリウムを、その後、２つの分離流れに分けて、ライン
６の第１のパイプ１６、及び第２のパイプ１７によって
搬送する。

【００５１】第１の流れを、熱交換器３１を通すことに
より冷却する。図１のプラント１の場合と同様に、この
第１の流れを、その後、熱交換器１５中で冷却し、ター
ビン２４中で膨張及び冷却し、熱交換器１３及び１２中
で連続的に冷却し、タービン２５中で膨張及び冷却し、
最終的に、熱交換器１１を通して冷却する。

【００５２】第２の段階の下流では、パイプ１６をタン
ク１０に収容された液相に沈める。第１の流れは、超臨
界ヘリウムの状態であり、その後、熱交換器８に供給さ
れる前に、この液相の部分の蒸発によって冷却される。

【００５３】第２の流れを、まず、第２のパイプ１７の
膨張手段２２のタービン２７中で膨張及び冷却し、その
後、熱交換器１５ないし１３中にガス状態で連続的に導
入し、ここでこの第２の流れを、加温ライン７によって
搬送されるガス相により向流間接熱交換により冷却す
る。次に、このヘリウムガスを、ヘリウムを部分的に液
化する膨張手段２２のタービン３３中で冷却し、ここ
で、このヘリウムを部分的に液化する。二相流体は、タ
ービン３３を出ることにより生成され、その後、貯蔵タ
ンクに送り、液／ガス平衡中でヘリウムと共に供給す
る。

【００５４】また、このプラントは、この説明の初めで
決められた目的を達成することを可能にせしめる。

【００５５】さらに、第７の熱交換機３２があることに
より、熱交換器８から加温ライン７にパイプ２６を介し
て戻される第１の流れの温度を、タービン２２に入る第
２の流れの温度よりも緩和することを可能にせしめる。

【００５６】図３は、冷凍プラント１の第３の態様を示
し、下記のように図１と識別される。

【００５７】このプラント１は、貯蔵タンク５から抜き
出された液体ヘリウムを蒸発及び加温することにより、
熱交換器８中で単一の冷凍容量Ｐ１を得るためのもので
ある。このため、このプラント５は、液化モードで運転
するものである。

【００５８】第２の段階４は、貯蔵タンク５と第１の段
階３との間に連続して配置された４つの向流熱交換機１
１ないし１４を含む。

【００５９】圧縮手段２によって圧縮され、その後第１
の段階３を通る間に予備冷却されたヘリウムを、冷却ラ
イン６を介して、第４の段階に送る。この予備冷却され
たヘリウムガスを、３つの流れに分割し、冷却ライン６
の第１のパイプ１６、第２のパイプ１７、及び第３のパ
イプ１８によってそれぞれ搬送する。

【００６０】第１及び第２の流れを、まず、熱交換器１
４を通すことにより一緒に冷却し、その後、この熱交換
器１４を出ると、２つに分割させる。

【００６１】次に、第１の流れを、第１のパイプ１６の
膨張手段２１のタービン２４を通すことにより、膨張及
び冷却し、その後、熱交換器１２中で冷却し、膨張手段
２１のタービン２５中で、膨張及び冷却し、熱交換器１
１中で冷却し、最終的に、膨張手段２１の第３のタービ
ン３５を通すことにより、部分的に液化する。その後、
第１の流れを、二相状態で、貯蔵タンク５に導入する。
この第１の流れのガス部分を加温ライン７によって搬送
し、ここで熱交換器１１ないし１４中で加温することに
より、一方では、これらの熱交換器１１、１２及び１４
を通る第１の流れを、他方では、熱交換器１３及び１４
中の第２の流れを下記に示すように冷却する。

【００６２】貯蔵タンク５内の液相をパイプ３６を介し
て抜き出して熱交換器８へ送り、ここで、この液相を蒸
発した後加温することによって冷凍容量Ｐ１を供給す
る。このようにして生成された液相は、２つの段階３及
び４の間のパイプ２６によって加温ライン７送り戻され
る。

【００６３】熱交換器１４を出ると、第２の流れは、第
２のパイプ１７を介して、この熱交換器１３に送られ、
ここで冷却された後、このヘリウムガスの第２の流れ
を、貯蔵タンク５及び熱交換器１１間の加温ライン７に
直接送り戻す前に、第２のパイプ１７の膨張手段２２の
タービン２７を通すことにより、膨張及び冷却するその
後、加温ライン７によって搬送される第２の流れを、熱
交換器１１及び１２に連続して通すことにより、2つの
熱交換器を通る第1の流れを冷却した後、熱交換器１３
でこの流れを加温することにより、この熱交換器を通る
第２の流れを冷却し、最後に、熱交換器１４でこの流れ
を加温することにより、この熱交換器を通る第１及び第
２の流れを冷却する。次に、ガス相とともにパイプ２６
に送り戻されたこの第２の流れを、第１の段階３を通し
て圧縮手段２に送る。

【００６４】第３の流れを、第３のパイプ１８の膨張手
段２３のタービン２８通すことによって膨張及び冷却し
た後、ガス相の状態で、熱交換器１２及び１３間の加温
ライン７に直接送る。

【００６５】加温ライン７によって搬送されたこの第３
の流れを、熱交換器１３を通して加温することにより、
この熱交換器を通る第２の流れを冷却した後、熱交換器
１４を通して加温することにより、この熱交換器１４を
通る第１及び第２の流れを冷却する。次に、この第３の
流れを、第１の段階３及び圧縮手段２に、加温ライン７
を介して送り戻す。

【００６６】また、この態様は、この説明の初めで決め
られた目的を達成することを可能にせしめる。

【００６７】図４は、図３のプラントの他の態様を表
し、以下により後者と識別される。

【００６８】タービン２７を通ると、第２の流れは、低
い割合で液化され、その後貯蔵タンク５に直接送られて
流体とともに液／ガス平衡中に供給される。

【００６９】貯蔵タンク５中に導入される第２の流れの
ガス部分を、加温ライン７によって搬送し、ここで、熱
交換器１１及び１２中で第１の流れを冷却することによ
り、熱交換器１３中で第２の流れを冷却することによ
り、及び熱交換器１４中で第１及び第２の流れを冷却す
ることにより、加温を行なう。

【００７０】このように、図３に示すように、３つの流
れによって供給されるガス相を加温ライン７に供給し、
第２の段階で、第１及び第２の流れを冷却するために使
用する。

【００７１】もちろん、図４中のプラント１も、図５に
示すように、他の態様に混合モードで動作し得る。この
図５は、冷凍プラント１例えば貯蔵タンク５の周りの底
部（図４に示すような）の冷却端を示す。この他の態様
において、プラント１は、タンク５の底部分を、外側と
の熱交換に供することにより、冷凍容量Ｐ２を与える手
段を含む。

【００７２】図４のプラント１も、図６に示すように、
他の態様にしたがって、冷凍モードで動作し得る。この
他の態様によれば、熱交換器８及びパイプ２６は適正化
され、及びプラント１は、タンク５の底部を外側との熱
交換に供する手段を含む。その後、タンク５に収容され
た液相は、タンク５内に、第１の冷凍源を形成し、等温
の冷凍容量Ｐ１を与える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる冷凍プラントの第１の態様を表
す概略図。

【図２】本発明にかかる冷凍プラントの第２の態様を表
す概略図。

【図３】本発明にかかる冷凍プラントの第３の態様を表
す概略図。

【図４】図３に示すプラントの他の形式を表す図。

【図５】図４に示すプラントの他の形式の低温終端を表
す概略図。

【図６】図４に示すプラントの他の形式の低温終端を表
す概略図。

【符号の説明】

１…プラント３…第１の段階４…第２の段階５…貯蔵するタンク７…加温ライン８,１０,１１,１２,１３,１４,１５…熱交換器１６…第１のパイプ１７…第２のパイプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低沸点を有する流体、特にヘリウムの熱サ
イクルを用いた、冷凍プロセスであって、この冷凍プロ
セスでは、流体がガス状でいわゆる高圧に（２において）圧縮さ
れ、圧縮された流体は、予備冷却の第１の段階（３）を通過
する際に予備冷却され、圧縮および予備冷却された流体は、冷却および液化の第
２の段階（４）を通過する際に、少なくとも一部が冷却
され、液化され、そこでは、流体はいわゆる低圧に膨張
させられ、冷却および膨張させられた流体の少なくとも幾分かは、
流体を貯蔵するタンク（５）内に二相状態で回収され、ガス相の幾分かは、順に第２および第１の段階（３，
４）を通って、タンク（５）から加温ライン（７）を経
て戻され―このガス相は、これらの段階を通る際に、そ
こを通る圧縮された流体との熱交換により暖められ―、冷却および膨張させられた流体の少なくとも幾分かは、
第１の冷凍源を（８、５において）形成するプロセスで
あって、予備冷却された流体は、第２の段階（４）において平行
に膨張する少なくとも２つの別々の流れ、即ち、少なく
とも一部は第１の冷凍源に供給するための第１の流れ
と、少なくとも第２の流れに分割され、これらの流れの
１つは、第２の段階を通る際に、（２７、３３、３５、
２７、３５において）少なくとも一部は別途液化される
ことを特徴とする冷凍プロセス。
【請求項２】前記第１の流れは、貯蔵タンク（５）に供
給するために第２の段階（４）を通る際に、少なくとも
一部は（３５において）液化されることを特徴とする請
求項１に記載の冷凍プロセス。
【請求項３】少なくとも第２の流れは、貯蔵タンク
（５）に供給するために第２の段階（４）を通る際に、
少なくとも一部は（２７において）別途液化されること
を特徴とする請求項２に記載の冷凍プロセス。
【請求項４】前記貯蔵タンク（５）に収容されている液
相は、（８、５において）第１の冷凍源を形成するため
に用いられることを特徴とする請求項２または３に記載
の冷凍プロセス。
【請求項５】前記液相の幾分かは、前記タンクの外側に
おいて（８において）第１の冷凍源を形成するように、
前記貯蔵タンク（５）から抜き出されることを特徴とす
る請求項４に記載の冷凍プロセス。
【請求項６】前記貯蔵タンク（５）に収容されている液
相は、（９において）等温的第２の冷凍源を形成するた
めに用いられることを特徴とする請求項５に記載の冷凍
プロセス。
【請求項７】前記第１の冷凍源は、第１の流れから生成
されるガス、特に超臨界ガスであり、貯蔵タンク（５）
は、第２の段階（４）において少なくとも一部は液化さ
れた第２の流れから供給されることを特徴とする請求項
１に記載の冷凍プロセス。
【請求項８】第１の冷凍源を形成するために、前記ガス
は、前記貯蔵タンク（５）に収容されている液相との熱
交換によって、前記第２の段階（４）の下流で冷却され
ることを特徴とする請求項７に記載の冷凍プロセス。
【請求項９】前記貯蔵タンク（５）に収容されている液
相は、このタンクの内部で（９において）等温的第２の
冷凍源を形成するために用いられることを特徴とする請
求項７または８に記載の冷凍プロセス。
【請求項１０】前記第１の流れは、第２の段階（４）の
少なくとも一部において、前記膨張した流れの他のもの
を用いた向流熱交換により、更に冷却されることを特徴
とする請求項１ないし９のいずれかの項に記載の冷凍プ
ロセス。
【請求項１１】第２の段階（４）におけるガス相中に
（２７、２８において）冷却され、膨張した前記他のガ
スは、第２の段階において第１の流れを冷却するため
に、加温ライン（７）に直接戻されることを特徴とする
請求項１０に記載の冷凍プロセス。
【請求項１２】第２の段階（４）におけるガス相中に
（２７、２８において）膨張し、冷却され、た前記他の
ガスは、貯蔵タンクに送られ、前記ガス相は、第２の段
階において第１の流れを冷却するために、加温ライン
（７）を通して送られることを特徴とする請求項１０に
記載の冷凍プロセス。
【請求項１３】流体を圧縮する手段（２）、予備冷却の第１の段階（３）、冷却および膨張の第２の段階（４）、２相状態にある流体を貯蔵するタンク、少なくとも一部は２つの段階を通過し、圧縮手段（２）
を前記タンクに接続する、圧縮された流体を冷却するラ
イン（６）、および２つの段階（３，４）を通過し、前
記タンク（５）と連通する、前記タンク（５）のガス相
を暖めるライン（７）を具備するプラントであって、前記冷却ライン（６）は、第２の段階において、それぞ
れそれ自身の膨張手段（２１，２２，２３，２１，２
２）を備えている少なくとも２つの分離パイプ（１６、
１７、１８、１６、１７）に分割されており、第２の段
階（４）に属し、これらパイプの第１のものである、第
１の流れに対応するパイプ（１６）は、少なくとも一部
は、（８，５において）第１の冷凍源を供給するように
意図されており、前記パイプの１つの膨張手段は、少なくとも部分的な液
化手段（２７；３３；３５；２７，３５）を含むことを
特徴とするプラント。
【請求項1４】第１のパイプの膨張手段（２１）は、少
なくとも部分的液化手段（３５）を含み、この第１のパ
イプは、そこに流体を供給するために、貯蔵タンク内に
現れることを特徴とする請求項１３に記載のプラント。
【請求項1５】第２の流れに対応する、少なくとも１つ
の第２のパイプ（１７）の膨張手段（２２）は、少なく
とも部分的液化手段（２７）を含み、この第２のパイプ
（１７）は、そこに流体を供給するために、貯蔵タンク
内に現れることを特徴とする請求項１４に記載のプラン
ト。
【請求項1６】貯蔵タンク（５）の液相を第１の冷凍源
として用いるために、液相を外側と熱交換させる手段
（８，９）を含むことを特徴とする請求項１４または１
５に記載のプラント。
【請求項1７】貯蔵タンク（５）の外側に（８におい
て）第１の冷凍源を形成するために、液相を貯蔵タンク
から抜き出す手段（３６）を含むことを特徴とする請求
項１６に記載のプラント。
【請求項1８】貯蔵タンク（５）内に等温の第２の冷凍
源を形成するために、貯蔵タンク（５）内の液相をタ
ンクの外側と熱交換させる手段（９）を含むことを特徴
とする請求項１７に記載のプラント。
【請求項1９】第２の流れに対応する第２のパイプ（１
７）の膨張手段（２２）は、少なくとも部分的液化手段
（２７、３３）を含み、この第２のパイプ（１７）は、
そこに流体を供給するために、貯蔵タンク（５）内に現
れ、第１のパイプの膨張手段（２１）は、出口において
ガス、特に超臨界ガスを供給するために、ガス中に流体
を膨張させ、（８において）第１の冷凍源を形成する手
段であることを特徴とする請求項１３に記載のプラン
ト。
【請求項２０】前記第１のパイプは、供給されるガスを
冷却し、第１の冷凍源を形成するために、第２の段階の
下流において、貯蔵タンク（５）と熱交換関係にあるこ
とを特徴とする請求項１９に記載のプラント。
【請求項２１】貯蔵タンク（５）内に等温の第２の冷凍
源を形成するために、タンク（５）内に収容された液相
を、タンクの外側と熱交換させる手段（９）を含むこと
を特徴とする請求項１９に記載のプラント。
【請求項２２】前記第１のパイプ（１６）は、第２の段
階（４）の少なくとも一部において、向流熱交換により
第１の流れを冷却するために、前記パイプの他のものと
熱交換関係にあることを特徴とする請求項１３ないし２
１のいずれかの項に記載のプラント。
【請求項２３】前記他のパイプ（１７，１７，１８）の
膨張手段（２２，２２，２３）は、ガス相中へ膨張させ
る手段（２８，２７，２８）を含み、前記他のパイプ
（１７，１７，１８）は、加温ライン（７）内に直接現
れることを特徴とする請求項２２に記載のプラント。
【請求項２４】前記他のパイプ（１７）の膨張手段（２
２）は、少なくとも１つのガス相中へ膨張させる手段
（２７，３３）を含み、この他のパイプ（１７）は、前
記ガスが加温ライン（７）を介して送られ、第２の段階
（４）において、第１の流れを冷却するために、前記タ
ンク内に現れることを特徴とする請求項２２に記載のプ
ラント。
【請求項２５】前記パイプの膨張手段（２１，２２，２
３）は、タービンを含むことを特徴とする請求項１３な
いし２４のいずれかの項に記載のプラント。
【請求項２６】流体を戻すパイプライン（２６）が、前
記第１の段階と第２の段階の間の加温ライン（７）に現
れ、前記第２の段階は、冷却および加温ライン（６，
７）を相互に熱交換させる熱交換器（３２）を含み、こ
の熱交換器（３２）は、前記パイプ（１６，１７）の少
なくとも１つの膨張手段（２１，２２）の上流に置かれ
ることを特徴とする請求項１３ないし２５のいずれかの
項に記載のプラント。