JPS5827440B2 - 液化ガス過冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は液体ヘリウム等の液化ガスを飽和温度以下に
過冷却する液化ガス過給装置に関するものである。

液化ガスは極低温装置の冷却管種々な分野に使用されて
いるが、一般に液化ガスは蒸発しやすく、この蒸発を防
ぐため液化ガスを飽和温度以下に過冷却することが行な
われている。

液化ガスとして液体ヘリウムを例にとってみると、液体
ヘリウムは大気圧において４．２°にで蒸発し、しかも
その蒸発熱は５ｃａｌ／ｇと極めて小さく、わずかな熱
量によって容易に蒸発する。

この蒸発を防ぐため、飽和温度（液体ヘリウムの場合は
］、ａｔｍ において４．２°Ｋ）以下に過冷却し、液
体の顕熱によって蒸発を抑えて液相状態を保ち、極低温
装置の冷却等に使用するようにしている。

液化ガスを過冷却するためには従来は第１図に示すよう
な液化ガス過冷却装置が使用されている。

第１図は従来の液化ガス過冷却装置の概略的な構成を示
すシステムブロック図である。

図において、１は過冷却を行なうための液化ガス槽で、
この液化ガス槽１に液化ガスを収容した場合には、液化
ガスによって槽内に液槽部１ａと気相部１ｂとが形成さ
れる。

２は液化ガス槽１内に設けられた例えば蛇管形の過冷却
器で、この過冷却器２は液化ガス中に浸漬された状態で
使用され、過冷却器２の外部の液化ガスによって過冷却
器２内部の液化ガスが過冷却されるように構成されてい
る。

ここで便宜上、過冷却器２外部の液化ガス、すなわち過
冷却を施すための液化ガスを第１の液化ガス、過冷却器
２内部の液化ガス、すなわち過冷却される液化ガスを第
２の液化ガスと表わすことにする。

３は液化ガス槽１内の第１の液化ガスが蒸発して液相部
１ａの容量が減少した場合に第１の液化ガスを補給する
ための液化ガス補給タンクで、この液化ガス補給タンク
３と液化ガス槽１とは補給液移送管４によって接続され
ている。

５は過冷却器２によって過冷却される第２の液化ガスを
順次加圧状態で供給する液化ガス加圧タンクで、この液
化ガス加圧タンク５と過冷却器２とは冷却液移送管６に
よって接続されており、液化ガス加圧タンク５から過冷
却器２に送られた第２の液化ガスは過冷却されたのち過
冷却液移送管７を通じて被冷却体８に送られる。

９は液化ガス槽１内を所定圧力状態にするための排気装
置で、この排気装置９は減圧ガス配管１０によって液化
ガス槽１に接続されており、液化ガス槽１内において蒸
発した液化ガスを取出すことによって液化ガス槽１内を
所定圧力状態に保つものである。

１１は液化ガス加圧タンク５から供給される第２の液化
ガスを予冷するための予冷器で、この予冷器１１は排出
される減圧ガスによって液化ガス加圧タンク５から過冷
却器２に至る第２の液化ガスを予冷するように構成され
ている。

上述の構成において、液化ガスの一例として液体ヘリウ
ムを取り上げて以下の説明をする。

この液体ヘリウムを過冷却する場合には、まず、液化ガ
ス補給タンク３から補給液移送管４を通して液化ガス槽
１内に液体ヘリウムを所定量貯え、液化ガス槽１内の気
相部１ｂを排気装置９によって排気して０．２ａｔｒｒ
ｉ程度まで減圧する。

液化ガス槽１内が所定圧力状態（０，２ａｔｍ 程度）
まで減圧されると、液化ガス槽１内の第１の液体ヘリウ
ムの温度は所定温度（２，９°Ｋ）まで降下する。

この状態で液化ガス加圧タンク５から１．５ａｔｍ、約
４．７°にの状態の第２の液体ヘリウムを供給すれば、
第２の液体ヘリウムは予冷器１１を通って過冷却器２に
入り、過冷却２外部の第１の液体ヘリウムと熱交換して
冷却され、圧力１．５ ａ ｔｍの状態の１１で約３°
Ｋに過冷却されることになる。

上述のように、加圧液化ガスを飽和温度以下に過冷却す
るためには、始動前に液化ガス槽１内の第１の液化ガス
を減圧して温度を下げる必要があり、このために排気装
置９は大きな排気容量が必要とされる。

しかし、定常状態では被冷却体８に供給される第２の液
化ガスを過冷却するのに必要なだけ排気すればよく、し
たがって排気装置９の能力が余ることになり無駄な動力
消費と排気装置および配管の設備費が高価になるという
欠点があり、また、排気容量の小さな排気装置を用いれ
ば始動前の排気時間が長くかかるという欠点がある。

この欠点を示す具体的な一例として液体ヘリウムを使用
した場合を示す。

まず、この従来の液化ガス過冷却装置において、始動前
に圧力１ａｔｍ、温度４．２°にの液体ヘリウム１００
Ａ’を液化ガス槽１に充填し、圧力０．２ａｔｍｓ温度
２゜９°Ｋになるまで減圧すれば、その間に約２１１の
液体ヘリウムが蒸発する。

その蒸発ガスは液相状態に対して約７００倍の体積とな
るので、これを約２０分で排気するとすれば、毎分約７
５０１の排気能力を持つ排気装置が必要となる。

つぎに定常時に、圧力１、５ ａ ｔｒｎ、温度約３°
にの過冷却液体ヘリウムを毎時３０１の割合で被冷却体
へ供給する場合には、毎時的８１の液体ヘリウムが熱交
換を行なって液化ガス槽１内で蒸発するが、このための
排気能力は毎分約１００６程度でよい。

このように排気装置の始動時の排気能力は定常時（１０
０７／分）の数倍量必要とされ、設備費が増す。

また定常時の所要能力（１００１／分）の排気装置を使
用すれば、始動時間が２．５時間以上となり、定常状態
になるまでに長時間を必要とする。

また、従来の液化ガス過冷却装置において、過冷却液化
ガスを被冷却体に供給しつづけるためには液化ガス槽に
第１の液化ガスを液化ガス補給タンクから補給すること
が必要になるが、この場合、液化ガス補給タンクから移
送された第１の液化ガスは液化ガス槽内において急激に
蒸発し、液化ガス槽の圧力が変動しやすく、特に排気装
置の排気容量が小さい場合には液化ガス槽の圧力が上昇
し、過冷却液化ガスの温度が所定値を越え、蒸発し易い
状態のまま被冷却体に供給されることになる。

また排気装置の排気容量が十分の場合であっても、第１
の液化ガスの補給速度と排気装置の排気能力のバランス
が崩れ易く、液化ガス槽の圧力が変動するため運転制御
が難しく、操作に熟練を要するなどの欠点があり、液化
ガス槽の圧力の変動を抑えるため、液化ガス槽に第１の
液化ガスを補給する際には被冷却体に供給される過冷却
液化ガスを一時中断させねばならなかった。

この発明は上述の欠点を解消するためになされたもので
、排気能力に無駄がなく、さらに運転制御の容易な液化
ガス過冷却装置を提供することを目的とするものである
。

以下、図面に従ってこの発明を説明する。

第２図はこの発明の液化ガス過冷却装置の一実施例の概
略的な構成を示すシステムブロック図である。

図において、２人は過冷却器で、この過冷却器２Ａは従
来装置（第１図）において示した過冷却器とは異なり、
過冷却器２人内に２系統の流路を有し、その流路の流体
が相互に熱交換を行なうように構成されている。

１２は液化ガス加圧系統でこの液化ガス加圧系統１２は
過冷却器２Ａを経て液化ガス槽１内の液化ガスを槽内の
圧力状態のまま槽外に導出するもので、液化ガス加圧系
統１２の槽内での開口端は液化ガスの液面下になるよう
に構成されている。

したがって槽内の圧力が高ければそれだけ槽外に導出さ
れやすくなっている。

１３は液化ガス減圧系統で、この液化ガス減圧系統１３
には減圧装置１４および気液分離器１５が設けられてお
り、液化ガス槽１内の液化ガスを減圧して所定温度まで
降下させ、低温になった液化ガスを過冷却器２人を通し
たのち減圧ガスを槽外に導出するように構成されている
。

１６は液化ガス減圧系統１３を通じて減圧ガス配管１０
に出されるガスの圧力を制御する圧力制御弁で、この圧
力制御弁１６の動作特性を補うために減圧ガス容器１７
が設けられている。

１８は液化ガス槽１から排気装置９によって排出された
ガスを圧縮精製し、再び液化ガス槽１に戻すためのガス
加圧装置で、このガス加圧装置１８の吸入側、すなわち
排気装置９の吐出し側には保圧タンク１９が設けられて
おり、ガス加圧装置１８の吸込側の圧力を一定に保つよ
うにされている。

また、ガス加圧装置１８によって液化ガス槽１に戻され
るガスは予冷器１１において液化ガス槽１から排気され
るガスによって予冷されるように構成されている。

２０は液化ガス槽１に供給されるガスの圧力を調整する
ために系統内の余剰ガスを系外に出すための圧力調整弁
を示す。

図に示すように、液化ガス加圧系統１２と液化ガス減圧
系統１３とは過冷却器２人において熱的に結合されてお
り、液化ガス加圧系統１２の流体と液化ガス減圧系統１
３の流体とは過冷却器２人において相互に熱交換を行な
う。

すなわち、液化ガス減圧系統１３においては液化ガスが
減圧されるため、液化ガス槽１内の所定圧力状態にある
液化ガスよりも温度が降下する。

この低圧低温になった液化ガスは過冷却器２人において
、液化ガス加圧系統１２を流れる槽内の所定圧力状態に
ある液化ガスを過冷却することになり、これに対し、液
化ガス減圧系統１３を流れる減圧された液化ガスは蒸発
してガスになる。

液化ガス減圧系統１３内で蒸発した液化ガスすなわちガ
スは気液分離器１５および予冷器１１を経ていったん液
化ガス槽１外に出され、再び圧力制御弁１６、排気装置
９、保圧タンク１９、およびガス加圧装置１８等を経て
液化ガス槽１内に戻るように構成されている。

上述の構成において、過冷却液化ガスを得る場合を具体
的に説明する。

なお、以下においては、液化ガスとして液化ヘリウムを
用いた場合を取り上げて説明する。

まず、液化ガス補給タンク３から液化ガス槽１に圧力］
、、５ａｔｍ、温度４．７°にの液体ヘリウムを収容す
る。

液体ヘリウムを所定量収容すると、液化ガス槽１内は液
体ヘリウムとヘリウムガスとが充満し、槽内の圧力は約
１．５ａｔｒｒ＋、温度４．７°にとなる。

過冷却液体ヘリウムを被冷却体８に供給する場合には液
化ガス槽１の気相部１ｂに上述のように１．５ａｔｍ
のガス圧を加える。

そうすれば、液化ガス加圧系統１２および液化ガス減圧
系統１３を経て液化ガスは槽外に導出されることになる
。

この導出過程において、液化ガス減圧系統１３を流れる
液体ヘリウムは減圧装置１４を通って過冷却器２人に流
入し、ここで膨張して蒸発する。

例えば減圧装置１４において０．２ａｔｍ に減圧され
ると２．９°Ｋまで温度降下する。

液化ガス加圧系統１２を流れる液体ヘリウムは過冷却器
２Ａに入り、液化ガス減圧系統１３を流れる液体ヘリウ
ムと熱交換し、１．５ａｔｍにおいて約３°Ｋに過冷却
されて被冷却体８に移送される。

上述の場合の液化ガス減圧系統１３の排気は、例えば、
毎時３０１の割合で被冷却体８へ液体ヘリウムを供給す
る場合には毎時１２．４＃の液体ヘリウムが過冷却器２
人内で蒸発するので排気装置９の排気能力は毎分１５０
１でよい、また、始動前の排気能力は過冷却器２人の液
化ガス減圧系統１３内の液体ヘリウムの容積を従来方式
の１００４に較べ約１／１００（液量１１）程度にでき
るので、毎分１５０１の排気能力があれば約５分程度で
排気を完了し、起動することができる。

過冷却器２人で蒸発したヘリウムガスは予冷器１１の減
圧側（槽外に導出される系を減圧側、槽内に導入される
系を加圧側という）に入り、槽内の圧力を上昇させるた
めに新たに入ってくる加圧ガスを冷却し、そののち減圧
ガス配管１０、圧力制御弁１６を通って排気装置９に至
る。

予冷器１１の減圧側入口において、圧力０．２ａｔｍ、
温度２．９°にの液体ヘリウム１２．４．、 ｌ／時の
蒸発ガスは常温（３０００Ｋ ）までの顕熱が利用でき
るので、予冷器１１の加圧側に流入するヘリウムガスを
熱交換によって冷却し、圧力１．５ａｔｍ、温度４，７
°にで減圧側流量の５０係に達する約６１／時の液体ヘ
リウムを凝縮液化することができる。

この場合、この実施例に示すように排気装置９の吐出ガ
スを保圧タンク１９に回収し、ガス加圧装置１８で圧縮
精製して予冷器１１に供給するようにした循環系を有す
る閉サイクル方式が有効であることは言うまでもない。

また、過冷却器２人の液化ガス減圧系統１３の出口部分
に気液分離器１５を設け、予冷器１１を経て槽外に導出
されるヘリウムガス中に未蒸発の液分を同伴することを
避けることも可能である。

なお、液化ガス槽内を加圧する場合には、予冷器１１の
加圧側で完全液化できないほど大量に加圧ガスを送れば
よく、上述の実施例のように閉サイクル方式でなく、第
３図に示すようにヘリウムボンベ２１から直接ヘリウム
ガスを供給する場合には、予冷器１１の加圧側にバイパ
ス弁２２を設け、適量に分流して液化ガス槽１内に供給
する加圧ガスの温度を飽和温度以上にすればよい。

また、第２図に示すような閉サイクル方式においても第
３図に示すよう、予冷器１１の加圧側にバイパス弁２２
を設け、適量に分流するようにしてもよい。

このようにすれば、槽内に導入するガスが完全に液化す
ることがなく、槽内の圧力を高めることが容易になると
いう利点がある。

なお、液化ガスを被冷却体８に供給しつづけ、液化ガス
を補給する場合には、補給液移送管４を通じて液化ガス
補給タンク３から行なうが、このときの液化ガス槽１内
の圧力は圧力調整弁２０によって一定に保たれ、また、
過冷却器２人の液化ガス減圧系統１３の圧力は圧力制御
弁１６によって自動制御される。

したがって、過冷却器２Ａの動作温度の変動が防止され
ることになる。

したがって、被冷却、体８へ過冷却液化ガスを供給しつ
づけながら、液化ガス補給タンク３からの補給を行なっ
ても支障がなく、操作が容易になる。

以上の実施例においては、特に液体ヘリウムを取り上げ
て説明したが、他に、水素、窒素、アルゴン、ＬＮＧな
どの液化ガスにも適用できることは言うまでもない。

また、以上の実施例では、閉サイクル方式およびヘリウ
ムガスボンベを設ける方式を各々別個に取上げたが、両
者を併用しても良いことは言うまでもなく、この場合に
は、第２図の閉サイクル方式で示したガス加圧装置を小
型化でき、排気装置をガス加圧装置として兼用すること
も可能となる。

以上、この発明に係る液化ガス過冷却装置においては、
液化ガス槽内を加圧状態として液化ガスを収容し、この
液化ガス槽に上述した液化ガス加圧系統と液化ガス減圧
系統を設け、この２系統間で熱交換を行なうように過冷
器を構成しているため、始動時および定常時において従
来装置に比較して排気容量を小さくすることが可能とな
り、排気装置の運転効率が従来に比較して数倍も良くな
る。

また、この発明に係る装置においては液化ガス槽から排
出した液化ガス（ガス状態）を循環系によって再び液化
ガス槽に戻す、いわゆる閉サイクル方式が可能となるた
め、過冷却を行なうための液化ガスの消費量が少なくて
すむという利点がある。

さらに、この発明に係る装置においては、上述の過冷却
器を設けると共に、液化ガス減圧系統に圧力制御弁を設
けており、このため、液化ガス減圧系統を所定圧力に維
持することが可能となり、過冷却器の動作温度の変動が
防止され、運転制御が容易になる。

以上のように、この発明によって、必要とされる排気容
量が小さく、かつ制御性の良い、経済的かつ安定性の高
い液化ガス過冷却装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液化ガス過冷却装置の概略的な構成を示
すシステムブロック図、第２図および第３図は各々この
発明に係る液化ガス過冷却装置の一実施例の概略的な構
成を示すシステムブロック図である。 図において、１は液化ガス槽、１ａは液相部、１６は気
相部、２，２人は過冷却器、３は液化ガス補給タンク、
４は補給液移送管、７は過冷却液移送管、８は被冷却体
、９は排気装置、１０は減圧配管、１１は予冷器、１２
は液化ガス加圧系統、１３は液化ガス減圧系統、１４は
減圧装置、１５は気液分離器、１６は圧力制御弁、１７
は減圧ガス容器、１８はガス加圧装置、１９は保圧タン
ク、２０は圧力調整弁、２１はヘリウムガスボンベ、２
２はバイパス弁を示す。 なお、図中同一符号は各々同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定圧力状態の液化ガスが槽内に自由表面を有して
   収容された液化ガス槽、この液化ガス槽内の上記液化ガ
   ス液面下に開口して上記所定圧力状態で上記液化ガスを
   槽外に導出する液化ガス加圧系統、上記液化ガス槽内の
   液化ガスを減圧して槽外に導出する液化ガス減圧系統、
   および上記液化ガス加圧系統の流体と上記液化ガス減圧
   系統の流体とが相互に熱交換するように構成された過冷
   却器を備えた液化ガス過冷却装置。 ２ 液化ガス減圧系統が循環経路を構成し、槽外に導出
   された液化ガスが再び槽内に戻るようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の液化ガス過冷却装置
   。 ３ 液化ガス減圧系統が液化ガスを減圧する手段として
   過冷却器の入口側に減圧装置を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の液化ガス過冷
   却装置。 ４ 液化ガス減圧系統が液化ガス槽内に収容された液化
   ガスの液面下に開口することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の液化ガス過冷
   却装置。 ５ 液化ガス減圧系統の圧力を所定状態に制御する圧力
   制御手段を備えた特許請求の範囲第１項記載の液化ガス
   過冷却装置。