JPS63169468A - 濃密流体エクスパンダーと予備冷却冷凍剤としてのネオンとを用いる水素の液化方法 - Google Patents

濃密流体エクスパンダーと予備冷却冷凍剤としてのネオンとを用いる水素の液化方法

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JPS63169468A
JPS63169468A JP62331858A JP33185887A JPS63169468A JP S63169468 A JPS63169468 A JP S63169468A JP 62331858 A JP62331858 A JP 62331858A JP 33185887 A JP33185887 A JP 33185887A JP S63169468 A JPS63169468 A JP S63169468A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、水素の液化方法に関する。
〔従来の技術とその問題点〕
低分子量ガスを工業的に液化するいくつかの方法が提案
されている。
Zeitschrift fiir 1)ie Qes
amte −Industrie 39 、 llk 
6 。
14〜7 (l933)のに、C1usiusによる1
中間作用物質としてのネオンによる液体水素製造用プラ
ント”の項には、予備冷却剤として液体空気又は液体窒
素を、また中間作用液体として高圧ネオンを用い、高圧
リンプサイクルを利用して水素を液化する方法が記載さ
れている。その記事は、クララブサイクル又はプレイト
ンサイクルに用いられるような膨張エンジンサイクルを
用いることを教えていない。
米国特許第3,180,709号明細書は、エクスパン
ダーとパラレルに組み合わせて複合的な等エンタルピー
膨張(J−Tパルプ)を行わせ、例えば水素、ヘリウム
及びネオンの如きガスの液化方法を開示している。
米国特許第3.473.342号は、液体窒素で圧縮ガ
ス状ネオンを冷却することによって、特に、大量のネオ
ンを液化する方法を記載している。その方法では、冷却
され九圧縮ネオンの一部をターボ−エクスパンダ−に膨
張させて中間冷却を与え、残部のネオンをジュール−ト
ムソン(J−T)エクスバンジョンニヨシ膨張させて液
化ネオンを製造している。本来、そのサイクルは単純な
工°ンジンクラクデ冷却器である。
米国特許第3.609.984号は、水素、ヘリウム及
びネオンのようなガスの液化方法を記載している。根本
的には、その方法はガスの圧縮によって液化を達成する
が、その圧力は、圧縮ガスを等エントロピー的に膨張さ
せて、大気圧で実質的に単一液相を形成することができ
るガスの臨界温度以上の温度に等圧的に冷却し、次いで
そのガスは等圧的に冷却され、続いてその冷却ガスをワ
ークエンジンによって等エントロピー的に膨張させ、そ
れにより実質的に液相をつくるものである。
米国特許第3,992,167号及びHydrogen
 EnergyProgress IV、 Vol 3
. Pargamon press (l982)のシ
ー、エフ、ペーカーによる“遠心圧縮を用いる水素液化
″の項には、遠心圧縮を利用するために水素と混合する
第二成分を用いる水素の液化方法を開示している。両文
献は、遠心圧縮を利用するためには高分子量のガスが必
要であることを教えている。
米国特許第4,498,313号は、ヘリクムガスを予
備冷却し、タービンタイプコンプレッサーを用いるネオ
ンガス−冷却及び液化回路を含むヘリウム冷却法及び装
置を記載している。
その方法はまた、付加的冷却の総効率のために液体窒素
を利用している。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、水素流を圧縮し、冷却し、そして大部分がオ
ルソ型の水素を大部分がパラ型の水素に触媒的に変換す
る水素液化法の改善法を提供する。この圧縮され、冷却
され、変換された水素流を次いでエクスパンダ−に膨張
させ、それによって上記変換された水素流を部分凝縮さ
せる。次に、部分凝縮した水素流を液相とガス相に分離
し;ガス相は冷却を回復させるために暖められ、圧縮さ
れ、変換に先だって上記圧縮された水素流と組み合わさ
れ;液相は液体水素生成物として取り出す。1水素液化
方法の改善は、変換された水素流を膨張させるための濃
密流体エクスパンダ−を利用すること及び液化方法のた
めの中間冷却゛を提供する閉回路(closed 1o
op )ネオン冷却サイクルを利用することからなって
いる。
選択的であるが、圧縮された水素流を冷却するため又は
閉回路冷却サイクルにおけるネオンを予備冷却するため
の付加的冷却は、液体窒素で行われる。
二寒剤、すなわち水素とヘリウムのための大規模液化及
び冷却プラントは大型圧縮系が必要である。これらの系
は、両寒剤が低分子量、すなわち2と4である丸め、そ
れぞれ容積置換型(positive displac
ement type ) =r :yプレノサー及び
エクスパンダ−を用いなければならない。
液体水素、殊に推進燃料用にもくろまれた要求の増大と
共に水素の大量生産が必要になって来た。この大規模水
素の生産を達成するユニットは、現存する実施タイプの
ものよりも2〜3倍大きいかも知れない。これらのふく
らむ要求を効果的に増大させるためには、最小の改築で
ある場所から他の場所へ容易に移すことのできる方式で
あることが望ましい。
移送の規模と容易さについてのそれらの望ましい特性は
、遠心コンプレッサーとエクスパンダ−を用いる水素液
化システムを発展させる。
現存する水素液化装置は、容積置換コンプレッサーを用
いている。大規模の水素とヘリウム系に用いられ、提案
されているコンプレッサーに三つの主要なタイプがある
。それらは、a) 1oots−タイプのロープ・プロ
ワ−1b)Lyaholm−タイプアクシャルスクリュ
ーコンプレッサー、及びC)往復式(reciproc
ating )  ピストンコンプレッサーである。主
として、圧縮されるガスは液体、通常、潤滑剤として又
は潤滑剤と冷却剤の組合せとして機能する油と直接接触
するか、しないかのいずれかの数種のタイプがある。
Rootss−タイプのコンプレッサーは、ヘリウムの
大気圧以下の吸引圧のみの適用に主として用いられてい
る。これらのタイプのコンプレッサー類は、ステージあ
たりの控え目な圧縮割合では、1.4〜2.0に、また
、相対的に低い最大のキャスティング圧では約200p
sigに限定される。
ヘリウム系に広く用いられるLysho1m油充満スク
リューコンプレッサー類は、本来300psigの範囲
の圧力に制限される。それらのコンブレッサーは、機械
を循環し、水の冷却に交換される大量の油の効果的冷却
のゆえに、ステージ当たりの高い圧縮割合、すなわち、
6tでの圧縮率を有するという利点がある。そのコンプ
レッサーは、より小さなエネルギー効率であるが、ガス
漏れし難い。
往復式コンプレッサーは、主として、水素液化の雇い操
業圧が、例えば1,200 psigであるから、多く
のヘリウム系や、殊に多くの水素系に用いられる。最近
の進歩に伴なって、往復式コンプレッサーのエネルギー
効率は改善されている。あいにく、往復運動力が等しく
ないので、これらのコンプレッサー類は大きな基礎の上
に取り付けられねばならない。
大型スクリュータイプ又は往復式コンプレッサーはいず
れもコンパクトではない。スクリューコンプレッサーハ
、通常、スキットマウント(5kid mounted
 )されるが、他方、それらは−機当たり約2250h
pに制限される。大装置は、ステージ毎に複合的多重並
行型機が必要であろう。
大きさの上記問題の解決は、遠心型コンプレッサーの使
用にあるが、しかし遠心型コンプレッサーは、水素又は
ヘリ9ムのような低分子量ガスには不適切である。
本発明は、一部、予備冷却剤としてネオンを用いる水素
液化方法に関する。ネオンは、例えば16 psiaの
大気圧近傍の吸引圧から適当な遠心又は細流コンプレッ
サーに循環される。
その圧力は、ネオンのトリプルポイントでの6.27 
psiaの蒸気圧より低くはないが、良好な全体にわた
る熱力学的効率とネオン保護とに両立するより高い圧力
である。ネオンは、−又はそれ以上のラジアル−流人タ
ーボ一二りスパングーによる膨張により冷却される。ネ
オンは、効率を高めるために、他の寒剤、例えば、沸と
うする液体窒素、液体二酸化炭素で選択的に予備冷却さ
れる。
最も冷たいエクスパンダ−を出るネオンは、冷ガス又は
二相混合物である。それはまた、最も冷たいターボ−エ
クスパンダ−の出口と膨張バルブとの間の回復力のある
熱交換で、あるいはそれなしでジュール−トムソンパル
プを横切って膨張させることによって二相混合物を形成
させることができる。往゛復式エクスパンダ−の使用が
妨げられず、また、容量、確実性及びコンパクトさがタ
ーボ−エクスパンダ−を好ましいものにすることは注目
さるべきである。
本発明の方法の他の事項に関しては、純化された水素は
、臨界圧188 peta以上の圧力に圧縮され、主と
して低圧循環ネオンガスや、また低圧循環水素ガスによ
ってマルチブルーパス熱交換器で予備冷却される。更に
、水素ガスは、液体水素により又はネオン用予備冷却剤
として用いられる他の液化ガスによって予冷却される。
その手段は、水素の型をオルソ75%とパラ25チの通
常の組成から、液化で95多以上のパラ型組成に触媒的
に変換するためのものである。大部分がオルソ型の水素
から大部分がパラ型の水素へのこの変換には、液化水素
を貯蔵時に液体として保持することが必要である。
冷却の最終ステージは、85〜90モルチの液体水素生
成物を得るような入口条件と膨張効率で操作する濃密流
体エクスパンダ−を利用する。この二相混合物は、相分
離器に入り、分離された液体留分は貯蔵され、一方、飽
和蒸気留分は再圧縮用の周囲温度にするために熱回収性
熱交換器に循環される。更に、供給物は液相変換器によ
ってパラ−水素濃度が一層増大する。変換された液体(
オルソからパラに)は、次にJ−Tパルプを横切ってフ
ラッシングすることによシ一部液相に冷却され、生成物
予備冷却器の冷却剤として提供される。
上の記載から理解されるように、本発明は、二つの補足
的要素、すなわち中間冷却剤としてのネオンの使用と水
素用の濃密流体エクスパンダ−の使用の二要素をもって
いる。
中間冷却剤としてのネオンの使用は、ネオンの熱力学的
性質からして実用に適している。
ネオンは原子量20.正規の沸点−410,4″F(2
7,2に、 −248,9℃)及び395 peta(
2,723kPa )の臨界圧においての臨界温度−3
79,7’F (44,1K。
−229℃)を有する。それは各種の水素アイソトープ
と酸素(−361,8”F (54,OK、 −219
,1℃)〕、ふっ素(−363,3°F(53,2に、
−219,9℃)〕又はOF。
(−370’F(49,4に、 −223,7℃)〕の
三重点の間の液相中に存在する唯一の物質である。酸素
、ふっ素又はOF、の三重煮蒸気圧は0.01 psi
a (68,9Pa)のオーダーであるから、それらは
実用的温度限界を表わすものとは考えられない。また、
これらの物質は、化学的には残念なことに水素と反応的
である。ネオンは分子量18をもつ水蒸気に匹適するの
で、適当数のステージで適切な圧縮比に圧縮することが
事実上可能である。ネオンは貴ガスの一種であり、不活
性、不燃性且つ無毒性である。
濃密流体エクスパンダ−を用いると、生成液体水素単位
量当九りの消耗エネルギーが低減する。
次に、これらの全部材の相互作用を更によく説明するた
めに、本発明の方法を実施する好ましい一興体例につい
て記載する。唯一つの添付概要図面において、ガス状水
素供給流は、管10を経て往復式コンプレッサー12に
供給され圧縮される。管14中の圧縮された水素流は、
管間中の圧縮循環水素流と混合されて、管16において
混合水素流に形成される。管16中のこの混合水素流は
、次いで、熱交換器18において、あたためられる処理
流と熱交換され、冷却された合一水素流が管20に導か
れる。
この冷却された管20中の混和合一水素流は、熱交換器
四において液体窒素の温度に近い温度に更に冷却される
。更に冷却された管り中の混合水素流は、第一のオルソ
−パラ接触的変換器26に供給され、そこで、水素のオ
ルソ型部分がパラ型に変換される。変換器26はまた、
合一された水素流を更に冷却する熱交換器として作用す
る。第一のオルソ−パラ変換器26から得られた管あ中
の生成物は、オルソ型からパラ型へ更に変換するため及
び更に冷却するため第二のオルンーパラ接触的変換器加
に供給される。オルソ−パラ変換器26と28は、混合
水素流を全体として約75/25モルチのオルソ/パラ
組成から約5/95モルチのオルソ/パラ組成に変換す
る。管32中の変換された水素流は、次に濃密流体エク
スパンダ−腕に膨張され、二相水素流が形成される。管
36中のこの二相水素流は、変換−分離器部に供給され
る。変換−分離器部は、二つの目的に役立っており、そ
の一つは二相流36を液相とガス相に分離し、更に、液
相水素のパラ濃度を98%以上に変換することである。
液体水素をオルソ−からパラ−水素に更に変換する場合
には、液相の一部は気化される。更に変換された変換−
分離器部からの液体部分は液体水素生成物として、管4
0Vcより除去される。
液体の変換により生じたガス状水素を含む変換−分離器
部からのガス部分は、いくらかの冷却価(refrig
eration volue )を回収するために管C
を経て変換器(資)及び26を通って循環される。管4
6中の暖められ九循環流は、往復運動コンプレッサー胡
中で圧縮され、圧縮循環水素流団が形成される。水素液
化循環のための熱交換は、循環水素流C1閉じたネオン
冷却回路及び任意に液体窒素を気化し、続いてガス状窒
素を過熱して冷却価を回収することによって提供される
閉じたネオン冷却回路は、熱交換器18と22及び変換
器26と(資)における水素液化工程と互に影響する。
管70中のこの冷却された圧縮ネオン流は、次いで第一
及び第二の部分に分割される。管72中の第一の部分は
、変換器26の暖まる処理流と熱交換することによって
更に冷却される。管74中の冷却された第一の部分は、
次いでタービン76に膨張され、管78に更に冷却され
た第一の部分が得られる。更に冷却された管78中のこ
の第一の部分は、変換器頷で暖められ、それによジ工程
に冷却が与えられる。管82の第二の部分はタービン8
内に膨張され、管部の冷却された第二の部分に誘導され
る。管部中のこの冷却された第二の部分と管部中の暖ま
った第一の部分は、管部において循環ネオン流に混和さ
れ、変換器26で暖められ、それにより工程に冷凍が提
供される。循環ネオン流は、いくらかの残留冷却価を回
収するように熱交換器18で更に暖められ、管92を経
てネオン冷却回路コンプレッサー94に供給される。
任意の付加的冷凍源の総効率として、液体窒素及び/又
は冷ガス状窒素は液化工程で熱交換される。その工程に
おいて、管52中の液体窒素は、熱交換器nに供給され
暖められて、少なくとも一部が気化した窒素流が管部中
に形成される。管シ中の少なくとも部分的に気化したこ
の窒素流は、管部中の冷たい窒素ガスと組み合わされ、
管58を経て熱交換器18に供給される。管部中の窒素
流は、いくらかの残った冷凍価を回収するために熱交換
器18で暖められ、次いで管60から大気中に排出され
る。
〔実施例〕
本発明の利点を示すため、また近似の従来技術と対比す
るために、以下の具体例により説明する。
実施例1 唯一の添付図面に描かれているような本発 −明方法に
ついて、25モルチがパラ型アイソトープで75%がオ
ルソ型アイソトープであるガス状水素を管10により供
給し、往復式コンブレフt−12中で650psia(
4,4801d)a)に圧縮した。管14中の圧縮され
た水素供給流は、管側において圧縮された循環水素流と
混合され、循環水素15容量チを含む混合水素流が管1
6中に形成される。管16中のこの混合水素流は、次い
で熱交換器18において−290”F(−179℃)に
冷却され、管20にシいて冷やされた混合水素流となり
、更に熱交換器22において一310’F(−190℃
)にまで冷却される。その更に冷ヤされた管り中の混合
水素流は、第一のオルソ−パラ触媒(接触)豹変換器2
6に供給され、そこで水素のオルン型の一部をパラ型に
変換させる。変換器26はまた、熱交換器として作用し
、混合水素流を更に冷却させる。第一のオルソ−パラ変
換器からの管28中の得られた生成物は、第二のオルソ
−パラ触媒的変換量器に供給され、更にオルン型からパ
ラ型に変換されると共に更に冷却される。オルソ−パラ
変換器26と羽は、全体として混合窒素流をオルソ/パ
ラ約64736モルチの組成から、オルソ/パラ約57
95モル%に変換し、その温度を一404°F(−24
2℃)K低下させる。管32の変換された水素流は、次
いで濃密流体エクスパンダー中に膨張され、その結果、
90重量%以上が液体の二相水素流が形成される。管3
6中のこの二相水素流は分離器38に供給される。
液は、液体水素生成物として管部から取り出される。濃
密流体エクスパンダ−から90重量%の液体が得られる
が、液の一部は他の理由によって蒸発し、最終液体収率
が約85重量qbKなるように、オルン整水素と熱のエ
ネルギーの漏洩に注意することは重要である。
流36のガス部分は、管Cを経て変換器□□□及び26
に循環され、いくらかでも冷却価が回収される。管46
中の暖まった循環流は往復式コンプレッサー銘で650
 psia (4,480kP&)に圧縮され、圧縮循
環水素流部となる。水素液化サイクルのための熱交換は
、循環水素流C、ネオン冷却閉回路及び暖められた液体
窒素から冷却価を回収することによって提供される。
ネオン冷却閉回路は、熱交換器18とn及び変換器26
と(9)において水素液化工程と相互作用する。その閉
回路においては、管68中の150 psia (l,
034kPa )の圧に圧縮されたネオン流は、熱交換
器18と22KThイテ、−310″F’(−190℃
)に冷却される。管70中のこの冷却され圧縮されたネ
オン流は、次に第一と第二の部分に分割される。管72
中の全ネオン流の約58容量−の第一の部分は、変換器
26において、更に−366,5°F(−221℃)に
冷却される。管74中の冷却された第一の部分は、次い
でタービン76内に膨張され、更に冷却された一403
°F(−245℃)の温度の第一の部分が管78中に得
られる。管78のこの更に冷却された第一の部分は、変
換器30において−376,5″’F(−227℃)に
暖ためられ、それによりその工程に冷却を提供する。管
82中の全ネオン流の約42容量チの第二の部分はター
ビン84に膨張され、−376,5’F(−227℃)
の温度の冷却された第二の部分が管86に得られる。管
86中のこの冷却された第二の部分と管部中の暖まった
第一の部分は、管88において循環ネオン流に混合され
、変換器26で−320’F (−196℃)に暖めら
れて、工程に冷却が提供される。循環ネオン流は、熱交
換器18において、更に100″F’(38℃)に暖め
られて、残留する冷却価が回収され、管92を通ってネ
オン冷却回路のコンプレッサー94に供給される。
付加的冷却源総効率として、液体窒素及び/又は冷たい
ガス状窒素が液化工程で熱交換される。その実施におい
ては、管52中の液体窒素は、熱交換器22に供給され
て暖められ、その結果、少なくとも一部気化した窒素流
が管54に生ずる。この管54中の少なくとも一部気化
した窒素流は、管56において冷たい飽和窒素ガスと混
合され、管58を通って熱交換器18に供給される。管
58の窒素流は、残存冷却価を回収するために熱交換器
18で暖められ、次いで管60を経て大気中に排出され
る。
本発明の方法を用いて36トン7日の液体水素を製造す
るのに必要なパワーは、液化された窒素とガス状窒素と
を与えるのに必要なパワーを算入しないならば12.9
74KWである。
選択された流れに着目する工程の物質パランスを第1表
に示す。
実施例2 添付図面の唯一の図に描かれるような方法において、濃
密流体エクスパンダ−をジュール−トムソンバルブでお
きかえて行い、その結果、はそや壕の米国特許第4,4
98,313号明細書に記載されているような結果が得
られた。
濃密流体エクスパンダ−にかえてJ−Tパルプを含んだ
方法では、約76重量%の液体生成がJ−Tバルブから
得られた。液体水素を36トン7日製造するのに必要な
エネルギーは、14.674KWである。実施例2につ
いての選択流に着目した物質パランスを第2表に示す。
〔発明の効果〕
本発明の実施例1と最も近い従来技術の実施例2の結果
を比較すれば、両方法は36トン7日の水素を製造でき
るが、両方法の間に顕著な要求パワーの差がある。本発
明の方法は、実施例2に記載の方法より約13%エネル
ギーが節約されることを示している。寒剤の液化に必要
なパワーの2〜3%の減少は大きいと思われる。更に、
本発明における濃密流体エクスパンダ−の使用は、実施
例2の方法に必要なネオン量の10.8%の低減が得ら
れる。
本発明は、好ましい具体例について記載したが、本発明
の範囲はこの具体例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
添付図面は、本発明の方法を実施するための概要図であ
る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、水素流を圧縮し、冷却し、大部分がオルソ型の水素
    を大部分がパラ型の水素に触媒的に変換させ、その変換
    され、冷却され、圧縮された水素流をエクスパンダーに
    膨張させ、それにより上記変換された水素流を部分的に
    凝縮させ、その部分的凝縮水素流を液相とガス相に分離
    し、該ガス相を冷却回収のために暖め、再圧縮し、冷却
    にさきだつて上記の圧縮された水素流と混合し、上記液
    相を液体水素生成物として取り出す水素を液化する方法
    において、上記変換され、冷却され、圧縮された水素流
    を膨張させるために濃密流体エクスパンダーを利用する
    こと及び該工程に少なくとも中間冷却を与える閉回路ネ
    オン冷却サイクルを利用することを特徴とする改善され
    た上記方法。 2、上記圧縮水素流を冷却するため、又は閉回路ネオン
    冷却サイクルにおけるネオンもしくは液体と冷たいガス
    状の窒素を予備冷却するために、更に付加的冷却を与え
    ることから成る特許請求の範囲第1項記載の方法。 3、(a)ガス状水素供給流を圧縮し、冷却すること; (b)上記圧縮された水素供給流を、工程(g)からの
    圧縮された循環水素流と合流させて、合一水素供給流を
    形成させること; (c)上記合体水素供給流を、暖かい循環水素流及び閉
    回路ネオン冷却サイクルと熱交換によつて冷却すること
    ; (d)上記冷却された合一水素供給流を第一及び第二の
    変換器/熱交換器の二ステージにおいて、大部分がオル
    ソ型の水素から大部分がパラ型の水素に変換し、一方、
    同時に上記合一水素供給流を閉回路ネオン冷却サイクル
    及び暖める循環水素流との熱交換によつて冷却すること
    ; (e)変換された合一水素供給流を濃密流体エクスパン
    ダー内に膨張させ、それにより、該供給流を部分凝縮さ
    せること; (f)工程(e)の部分凝縮水素供給流をガス相と液相
    に分離し、該ガス相を循環水素流を形成させるのに使用
    し、該液相をパラ−水素濃度を増加させるために更に変
    換させて液体水素生成流として除去すること; (g)上記循環水素流を冷却を回収するために暖ため、
    次いで上記循環水素流を工程(b)の上記圧縮水素供給
    流と合体させる前に圧縮すること; (h)閉回路ネオン冷却流を圧縮し、予備冷却すること
    ; (i)上記閉回路ネオン冷却流を第一の部分と第二の部
    分に分割すること; (j)上記第一の部分を更に冷却し、次いでその冷却さ
    れた第一の部分をタービン中に膨張させること; (k)工程(j)からの上記第一の部分を上記第二の変
    換器/熱交換器において暖め、それにより冷却を与える
    こと; (l)上記第二の部分をエクスパンダー中に膨張させ、
    その膨張した第二の部分を工程(k)からの上記暖まつ
    た第一の部分と合流させて、再合流された閉回路ネオン
    冷却流を形成させること; (m)上記再合流された閉回路冷却流を上記第一の変換
    器/熱交換器中で暖めて、それにより冷却を与えること
    ; (n)上記再合流された閉回路ネオン冷却流を更に暖め
    て冷却価を回収すること;及び (o)上記再合流閉回路ネオン冷却流を、上記閉回路ネ
    オン冷却流として工程(h)に再循環すること; から成る水素の液化方法。 4、工程(c)における上記冷却のため、及び液体窒素
    並びに冷たいガス状窒素で工程(h)における予備冷却
    のための冷却を更に供給することから成る特許請求の範
    囲第3項記載の方法。
JP62331858A 1987-01-07 1987-12-26 濃密流体エクスパンダーと予備冷却冷凍剤としてのネオンとを用いる水素の液化方法 Granted JPS63169468A (ja)

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