JPWO2006051622A1 - 低温液化冷凍方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

低温液化冷凍方法及び装置において、高効率のケミカル冷凍機や蒸気圧縮式冷凍機を用いて圧縮機出口ガスを冷却することにより、低温の被液化ガスを圧縮機に吸入させ、圧縮機軸動力を低減させ、かつ液化冷凍効率を向上させる。
圧縮機３３で圧縮した高圧の被液化ガスをアフタクーラ３７で冷却し、被液化ガスの一部を膨張機（膨張タービン）２８，２９で断熱膨張させ、この膨張により得られた低圧低温ガスにより多段熱交換器２２〜２７を介して段階的に残りの被液化ガスを冷却し、この高圧ガスを断熱膨張させてガスの液化を行なう低温液化冷凍装置において、圧縮機３３から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機（吸着冷凍機）３８及びアンモニア冷凍機４０を設け、アフタクーラ３７の後段でかつ前記多段熱交換器の前段において高圧ガスを予冷する。

Description

本発明は、ヘリウム液化冷凍装置やＬＮＧガス再液化装置に代表される低温液化冷凍装置において、従来利用されていなかった圧縮機モータの廃熱エネルギー及び圧縮機出口ガスの顕熱エネルギーや圧縮機の軸動力の一部をケミカル冷凍機や蒸気圧縮式冷凍機により冷熱変換して有効に利用し、かつケミカル冷凍機や蒸気圧縮式冷凍機で圧縮機出口ガスを予冷することにより圧縮機の吸入ガス温度を低下させ、これによって圧縮機の圧縮動力を効果的に削減し、同時に液化冷凍装置の総所要動力を最小化するための方法及び装置を実現するものである。
従来低温液化冷凍装置においては、圧縮機は室温以上に設定され、冷却部は冷媒として使用する低温液化用ガスの液化温度であるため（例えばヘリウムの場合は約−２６９℃）、温度差が大きく、冷凍装置の冷凍効率は他の冷凍装置に比べると著しく低い。従って装置外から冷却することにより（これを「補助寒冷」と呼ぶ）、冷凍効率を少しでも上げることが行なわれる。ヘリウム液化冷凍装置の場合、代表的には液体窒素を補助寒冷に利用する場合が多い。
ヘリウムガスを冷媒とするクローズドサイクルのヘリウム液化冷凍装置は、基本的な構成として特許文献１（特開昭６０−４４７７５号公報）に開示されたものが知られている。
図５は、特許文献１に開示されたヘリウム液化冷凍装置の系統図である。図５において、０１は、外部からの熱侵入を防止するために真空に保持された保冷槽、０２から０６までは、保冷槽０１内に配置された第１から第５までの熱交換器であり、０７，０８がそれぞれ第１及び第２膨張タービン、０９がジュール・トムソン（ＪＴ）膨張弁、０１０が液体ヘリウム０１１を分離する気液分離器である。なお０１２は圧縮機（コンプレッサ）、０１３は高圧ライン、０１４は低圧ライン、０１５はタービンライン、０１６は液体窒素の冷却ラインである。
かかる従来方式のヘリウム液化冷凍装置の作用を簡単に説明すると、圧縮機０１２から吐出された被液化ガスである高圧常温のヘリウムガスは、第１段熱交換器０２の高圧ライン０１３に入り、ここで液体窒素の予冷ライン０１６及び低圧ライン０１４と熱交換して冷却され、第２段熱交換器０３の高圧ライン０１３を通ってさらに冷却される。第２段熱交換器０３を出た高圧ヘリウムガスの一部は第１膨張タービン０７に入り、残りは第３段熱交換器０４の高圧ライン０１３を通ってさらに冷却され、第４段熱交換器０５、第５段熱交換器０６を通ってジュール・トムソン膨張弁０９に入る。
第１膨張タービン０７に入ったヘリウムガスはここで断熱膨張して中圧低温のガスとなり、第３段熱交換器０４を冷却した後第２膨張タービン０８に入り、ここでさらに断熱膨張して低圧低温のヘリウムガスとなって第４段熱交換器０５の低圧ライン０１４に合流する。これによって低圧ライン０１４の温度を低温に保持する。ジュール・トムソン膨張弁０９に入った高圧低温のヘリウムガスはここでジュール・トムソン膨張を行なって一部が液化し、気液分離器０１０で液体ヘリウム０１１が貯蔵され、残りの低圧低温のヘリウムガスは各熱交換器０６〜０２の低圧ライン０１４を通って圧縮機０１２に戻る。
また特許文献２（特開平１０−２３８８８９号公報）には、上記のようなヘリウム液化冷凍機において、多段電動圧縮機群の効率的容量制御を可能にした、独立変速ガスタービン発電システムを備え、併せて同システムの冷熱利用と廃熱回収を可能としたヘリウム液化冷凍システムが開示されている。このシステムは、周波数変換機を含むガスタービン発電部と燃料供給部とケミカル冷凍機とからなり、ケミカル冷凍機はガスタービン発電部の廃ガスを熱源として多段の熱交換器に冷熱を供給する構成とし、燃料供給部は、液化天然ガスタンクよりの液化天然ガスの一部をガス化する加温器と、気化熱に相応する冷熱を多段の熱交換器に供給する気化部とより構成したことを特徴とする。
このような構成により、多段電動圧縮機群の組み合わせに対応した均質波形をもつ最適周波数電力の導入により、同多段圧縮機群のそれぞれの駆動用誘導機が負荷要求に対応した回転数で駆動することができ、最適効率化を図ることができるとともに、天然ガス、例えばＬＮＧガスを使用したガスタービン発電部と燃料供給部とケミカル冷凍機との構成により、ＬＮＧガスの気化熱に相当する冷熱を発生する気化部と、ガスタービン発電部の廃熱を利用して冷熱を発生するケミカル冷凍機との組み合わせにより、システムの熱効率化を図っている。
特開昭６０−４４７７５号公報 特開平１０−２３８８８９号公報
低温液化冷凍装置に必要な動力はそのほとんどが圧縮機の圧縮動力であるが、圧縮機の軸動力低減手段としては、圧縮機に吸入される低温液化用ガスの温度を低下させて、その容積を減少させることが有効である。しかしそのためには吸入ガスの温度を冷却器により室温以下の温度まで冷却する必要があり、冷凍機等のエネルギー機器が必要である。
一方従来の液化冷凍装置においては、圧縮機から吐出された高圧常温の吐出ガスは、断熱のため真空に保持されたコールドボックスと呼ばれる保冷槽内に設けられた多段の熱交換器に導入される前に、液化冷凍装置の冷凍効率低下を防止するために、通常水冷式アフタクーラにより室温（常温）程度まで冷却された後、コールドボックスに入ることになる。
圧縮機吐出側の高圧ガスと圧縮機吸入側の低圧ガスとは、コールドボックス内の各段熱交換器で互いに熱交換するが、両者の温度は各段熱交換器の出口で若干の温度差はあるが、ほぼ同程度になる。このためコールドボックス内の第１段熱交換器に入る高圧ガスの温度が低減されなければ、圧縮機吸入ガスの温度を低下することはできない。
従って圧縮機の軸動力を低減することはできず、また圧縮機のモータ廃熱及び圧縮機から吐出される高温高圧ガスの顕熱が無駄に廃却されている。
図５に図示された従来のヘリウム液化冷凍装置においては、圧縮機０１２から吐出した高圧常温のヘリウムガスは、そのまま高圧ライン０１３を通って第１段熱交換器０２に入るため、前述のように圧縮機軸動力を低減することができず、また第１段熱交換器０２で液体窒素の冷却ライン０１６及び低圧ライン０１４と熱交換して冷却されるが、液体窒素の予冷ラインを装備することによるランニングコストが高価となり、また常温付近のヘリウムガスを多段の熱交換器に投入して温度を下げていくため、ヘリウムガスの液化温度まで冷却するまでに熱交換器の段数が多数必要であるとともに、圧縮機０１２で発生する廃熱の回収がなされていないため、装置全体の冷凍効率が向上しないという問題点がある。
補助寒冷源として液体窒素を用いる方式は、大型の窒素液化プラントで製造された液体窒素をタンクローリ等の輸送手段を用いて供給されており、供給の安定とランニングコストに問題があり、またヘリウム液化冷凍装置の動力は低減できても、液体窒素製造動力がその動力低減分以上に動力を消費するために全体として所要動力を増加させていることとなる。
また特許文献２のヘリウム液化冷凍機においては、ガスタービン発電部の廃ガスを熱源としたケミカル冷凍機で発生した冷熱と、液化天然ガスタンクよりの液化天然ガスの気化熱に相応する冷熱とを多段の熱交換器に供給してシステムの熱効率向上を図っているが、これらの手段は、図５に開示された従来装置の液体窒素による予冷ライン０１６と比べて、液体窒素の代わりに液化天然ガスの気化潜熱を利用しているだけであって、本質的には変わりなく、従ってコールドボックスに入る圧縮機吐出ガスの温度を下げることができないため、圧縮機軸動力を低減することはできない等、図５に開示された従来装置と同様の問題点を有する。
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、液化冷凍装置の冷凍効率を下げずに、圧縮機の吸入部での被液化ガスの温度を低減して、ガス容積を減少させることにより、液化冷凍装置で最も大きな動力を要する圧縮機の軸動力を低減させるとともに、液化用ガスを段階的に冷却する多段熱交換器の段数を減らしてコンパクト化し、合わせて圧縮機で発生する廃熱あるいは軸動力の有効利用を図ることにより、装置全体としての総所要動力を最小限化し、冷凍効率を向上させることを目的とする。
即ち本発明は、高効率のケミカル冷凍機や蒸気圧縮式冷凍機を用いて圧縮機出口ガスを冷却することにより、低温の液化用ガスを圧縮機に吸入させ、もって圧縮機軸動力を低減させ、かつ液化冷凍効率を向上させることを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明の低温液化冷凍方法は、圧縮機から吐出された高温高圧の被液化ガスを予冷した後、被液化ガスを多段熱交換器に導入して段階的に冷却し、次いで被液化ガスを断熱膨張させることにより一部を液化し、液化されていない低温低圧ガスを前記多段熱交換器の冷却媒体として使用した後、前記圧縮機の吸入口に戻すようにした低温液化冷凍方法において、前記圧縮機から吐出され予冷された前記被液化ガスを同圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機で冷却し、その後被液化ガスを前記多段熱交換器に導入することを特徴とする。
本発明方法においては、圧縮機から吐出され予冷された被液化ガスを同圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機で冷却し、多段熱交換器に導入される被液化ガスの温度を低減することにより、多段熱交換器において被液化ガスと熱交換して被液化ガスを冷却した後圧縮機の吸入口に還流される低温低圧ガスの温度を低減するようにしている。
本発明方法において、好ましくは、前記ケミカル冷凍機で冷却した被液化ガスを蒸気圧縮式冷凍機でさらに冷却し、その後被液化ガスを前記多段熱交換器に導入するようにする。
また本発明装置は、高温高圧の被液化ガスを吐出する圧縮機と、被液化ガスを予冷するアフタクーラと、同アフタクーラで予冷された被液化ガスを段階的に冷却する多段熱交換器と、同多段熱交換器で冷却された被液化ガスを断熱膨張させる膨張弁と、断熱膨張して一部液化した被液化ガスを貯留する気液分離器と、同気液分離器で液化ガスと分離した低温低圧ガスを前記多段熱交換器の冷却媒体に供した後前記圧縮機の吸入口に戻す戻し通路とを備えた低温液化冷凍装置において、前記アフタクーラの後段に前記圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機を設け、同ケミカル冷凍機により被液化ガスを予冷するように構成したことを特徴とする。
本発明においては、圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機を設け、アフタクーラの後段でかつ熱交換器の前段においてケミカル冷凍機により圧縮機から吐出された高温高圧の被液化ガスを予冷する。その後コールドボックス内に設けられた多段の熱交換器において、圧縮機吐出側の被液化ガスと気液分離器から戻る低温低圧ガスとが互いに熱交換される。
必要に応じて、圧縮機吐出側の被液化ガスの一部を分岐させ膨張タービン等の膨張器を通して断熱膨張させることにより低温低圧ガスとし、その低温低圧ガスを気液分離器から圧縮機に戻る低温低圧ガスに供給することにより、低温低圧ガスを所望の温度に調整することができる。
圧縮機吐出側の被液化ガスと気液分離器から戻る低温低圧ガスの温度は、各熱交換器出口で若干の温度差はあるがほぼ同程度になる。従ってコールドボックス内の第１段の熱交換器に導入される圧縮機吐出側被液化ガスの温度を低下させることにより、圧縮機の吸入側に還流される低温低圧ガスの温度を低減することができる。これによって圧縮機軸動力の低減を図るとともに、圧縮機から廃棄される廃熱をケミカル冷凍機の駆動熱源に利用して、同廃熱の有効を図るようにしたものである。
この結果、本発明によれば、装置全体としての冷凍効率（単位動力当りの液化量又は冷凍能力）を向上させることができる。圧縮機の廃熱は６０〜８０℃あり、ケミカル冷凍機としては吸着冷凍機や吸収式冷凍機などであるが、どちらも廃熱を回収できることが特徴のひとつであり、圧縮機のモータ廃熱を回収し、又は圧縮機出口ガスの顕熱を用いて、又はその両方を用いて、６０〜８０℃の温水から５〜１０℃の冷水を製造することができる。
また本発明装置において、好ましくは、前記ケミカル冷凍機で予冷された被液化ガスを前記多段熱交換器の前段でさらに冷却する蒸気圧縮式冷凍機を設ける。これによって前記第１段熱交換器の入口部における被液化ガスの温度をさらに低減することができる。
また好ましくは、前記構成に加えて、ケミカル冷凍機で冷却された低温冷媒の一部を蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器に凝縮用冷媒として供給するように構成し、同低温冷媒によって蒸気圧縮式冷凍機の凝縮温度を下げることで、凝縮工程時の圧力を低減して、同蒸気圧縮式冷凍機の冷凍効率を向上させるようにする。
また好ましくは、前記気液分離器から液化ガスを導入して貯留するカーゴタンクと、同カーゴタンク内で気化したボイルオフガスを前記多段熱交換器の第１段熱交換器に冷却媒体として導入する予冷ラインと、同予冷ラインに介設された圧縮機とを備えるようにし、同カーゴタンク内で気化したボイルオフガスを前記第１段熱交換器において被液化ガスを予冷するための冷却媒体として使用し、液化冷凍装置全体の冷凍効率を向上させるようにする。
ヘリウム液化冷凍装置に代表される低温液化冷凍装置の圧縮機には、オイルインジェクション式スクリュー圧縮機が多く使用されているが、この形式の圧縮機は、圧縮部にオイル潤滑剤及び圧力シール剤を噴射しているため、極端な低温では使用できなくなる。また補助寒冷源に使用するヒートポンプは、冷却温度が−４０℃以下になると、成績係数（冷凍能力／動力）は１以下となり、温度が低ければ低いほど効率が低下してくる。これらを考慮すると、圧縮機の吸入ガス温度を−３５℃ぐらいまでの範囲で低下させることで、装置全体としての動力低減効果が現れる。
そこでまず廃熱回収が可能なケミカル冷凍機により、圧縮機モータ及び圧縮機出口ガスの顕熱を回収してそれを冷熱に変換し、５〜１０℃の冷水を製造することにより、省エネの高い冷却が可能となる。蒸気圧縮式冷凍機は、冷凍範囲は広いが、５〜１０℃の温度レベルでは廃熱回収型のケミカル冷凍機より効率が低い。従ってそれ以下の温度−３５℃ぐらいの温度に液化用ガスを冷却した上でコールドボックスに導入することが効果的である。
次に本発明の基本構成を従来装置の基本構成と比較しながら図１に基づいて説明する。図１は被液化ガスとしてヘリウムガスを用いた場合の低温液化冷凍装置であり、（ａ）は従来装置の基本構成図、（ｂ）及び（ｃ）はともに本発明装置の基本構成図であり、（ｂ）は、圧縮機出口ガスの予冷装置として、ケミカル冷凍機としての吸着冷凍機を単独配置した場合、（ｃ）は、圧縮機出口ガスの予冷装置として、吸着冷凍機と蒸気圧縮式冷凍機としてのアンモニア冷凍機とを直列に配置した場合を示す。
図１において、０２１及び２１はコールドボックスと呼ばれる保冷槽であり、この中に第１段熱交換器０２２及び２２から複数の熱交換器０２２〜０２７、２２〜２６が多段に配置されている。０２８、０２９及び２８、２９がそれぞれ第１及び第２膨張タービン、０３０及び３０がジュール・トムソン膨張弁、０３１及び３１が液体ヘリウム０３２及び３２を分離する気液分離器である。また０３３及び３３は圧縮機、０３４及び３４は高圧ガスライン、０３５及び３５は低圧ガスライン、０３６及び３６はタービンライン、０３７及び３７は圧縮機出口の高圧ガスを冷却する水冷式アフタクーラである。
図１の各装置において、基本的には図１（ａ）の従来装置と同様に作動する。即ち圧縮機０３３又は３３から吐出された高圧高温のヘリウムガスは、コールドボックス０２１，２１内の高圧ライン０３４，３４から第１段熱交換器０２２，２２に入り、ここで低圧ライン０３５，３５と熱交換して冷却され、さらに第２段から第３段、第４段の熱交換器に順々に入り、段階的に熱交換され、最後にジュール・トムソン膨張弁０３０、３０に入る。膨張タービン０２８，２８、０２９，２９に入ったヘリウムガスはここで断熱膨張して低圧低温のヘリウムガスとなって低圧ライン０３５，３５に合流する。これによって低圧ラインの温度を所望の低温度に調節することができる。
ジュール・トムソン膨張弁０３０，３０に入った高圧、低温のヘリウムガスは、ここでジュール・トムソン膨張を行なって最終的にヘリウムガスの液化温度である４Ｋ（−２６９℃）まで冷却され、一部が液化し、気液分離器０３１，３１で液体ヘリウム０３２，３２が分離されて貯蔵され、残りの低圧、低温のヘリウムガスは、各段の熱交換器０２７〜０２２及び２６〜２２の低圧ライン０３５，３５を通って圧縮機０３３，３３に戻る。
（ｂ）及び（ｃ）の本発明装置においては、圧縮機３３の廃熱を動力源とした吸着冷凍機３８が設けられ、アフタクーラ３７の後段の高圧ライン３４に設けられた熱交換器３９において吸着冷凍機３８で冷却した低温冷媒により高圧ガスを予冷する構成となっている。
また（ｃ）においては、さらにアンモニア冷凍機４０が設けられ、熱交換器３９の後段の高圧ライン３４に設けられた熱交換器４１においてアンモニア冷凍機４０で冷却した低温冷媒により高圧ガスをさらに冷却する構成となっている。図１中の数値は各工程での温度を示す。
従って（ｂ）の本発明装置においては、高圧ライン３４から第１熱交換器２２に入る高圧ガスの温度は１０℃に低減され、そのため低圧ライン３５から圧縮機３３に入る低圧ガスの温度は−３℃に低下している。また（ｃ）の本発明装置では、高圧ライン３４から第１熱交換器２２に入る高圧ライン３４の温度は−２６℃に低減され、そのため低圧ライン３５から圧縮機３３に入る低圧ガスの温度は−３９℃に低下している。
そのため軸動力は、（ａ）の装置の１００％に対し、（ｂ）の装置が９２％に、（ｃ）の装置が８５％に低減され、またヘリウムガスの冷却に要する熱交換器の段数も低減され、吸着冷凍機３８及びアンモニア冷凍機４０で圧縮機３３の廃熱や軸動力を利用している点から装置の冷凍効率も向上している。
本発明方法によれば、圧縮機から吐出され予冷された被液化ガスを同圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機で冷却し、その後被液化ガスを前記多段熱交換器に導入することにより、多段熱交換器に導入される被液化ガスの温度を低減することができ、これによって圧縮機の吸い込み側に還流させる低温低圧ガスの温度を低下させて、被液化ガスの容積を減少させることができるため、圧縮機軸動力を低減することができるとともに、圧縮機から排出される廃熱の有効利用を図ることができるため、装置全体としての熱効率を従来の低温液化冷凍装置に比べて格段に向上することができる。
本発明方法において、好ましくは、前記ケミカル冷凍機で冷却した被液化ガスを蒸気圧縮式冷凍機でさらに冷却し、その後被液化ガスを前記多段熱交換器に導入することにより、多段熱交換器に供給される被液化ガスの温度をさらに低減することができ、これによって圧縮機軸動力をさらに低減することができる。
本発明装置によれば、圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機を設け、アフタクーラの後段でかつ熱交換器の前段において同ケミカル冷凍機により被液化ガスを予冷するように構成したことにより、コールドボックスの第１段熱交換器に供給される被液化ガスの温度を低減することができ、これによって圧縮機の吸い込み側に還流させる低温低圧ガスの温度を低下させて、被液化ガスの容積を減少させることができるため、圧縮機軸動力を低減することができるとともに、圧縮機から排出される廃熱の有効利用を図ることができるため、装置全体としての熱効率を従来の低温液化冷凍装置に比べて格段に向上することができる。
またコールドボックスの第１段熱交換器に供給される被液化ガスの温度を低減することができるため、被液化ガスの冷却に要する多段熱交換器の段数を低減させることができ、コンパクト化を達成できる。
本発明装置において、好ましくは、ケミカル冷凍機で予冷された被液化ガスを前記熱交換器の前段でさらに冷却する蒸気圧縮式冷凍機を設けたことにより、コールドボックスの第１段熱交換器に供給される被液化ガスの温度をさらに低減することができ、これによって圧縮機軸動力をさらに低減することができる。
また前記構成に加えて、ケミカル冷凍機で冷却された低温冷媒の一部を蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器に凝縮用冷媒として供給するように構成し、同低温冷媒によって蒸気圧縮式冷凍機の凝縮温度を下げることで、凝縮工程時の圧力を低減して、同蒸気圧縮式冷凍機の冷凍効率を向上させることができる。
（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は本発明装置の基本構成を従来装置の基本構成と比較しながら示す系統図である。 本発明装置の第１実施例を示す系統図である。 本発明装置の第２実施例を示す系統図である。 本発明装置の第３実施例を示す系統図である。 従来の低温液化冷凍装置を示す系統図である。
符号の説明
０１、０２１、２１、６５ 保冷槽（コールドボックス）
０２、０２２、２２、６６、１０７ 第１熱交換器
０３、０２３、２３、６７、１０８ 第２熱交換器
０４、０２４、２４、６８ 第３熱交換器
０５、０２５、２５、６９ 第４熱交換器
０６、０２６、２６、７０ 第５熱交換器
０２７、７１ 第６熱交換器
０７、０２８、２８ 第１膨張タービン
０８、０２９、２９ 第２膨張タービン
０９、０３０、３０、１１２ ジュール・トムソン膨張弁
０１０、０３１、３１、８２、１１３ 気液分離器
０１１、０３２、３２ 液化ヘリウム
０１２、０３３、３３、５１、１０１ 圧縮機
０１３、０３４、３４、５２、１０２ 高圧ガスライン
０１４、０３５、３５、８３、１０９ 低圧ガスライン
０１５、０３６、３６ タービンライン
０１６ 液体窒素の冷却ライン
３７ アフタクーラ
３８、６１ 吸着冷凍機
３９、４１、９１ 熱交換器
４０ アンモニア冷凍機
５３ オイルセパレータ
５４、１０３ １次アフタクーラ
５５、１０４ ２次アフタクーラ
５６ 熱回収器
５７ オイルクーラ
５９ 温水ライン
６２ 低温水循環ライン
８１ 不純物吸着器
９２ アンモニア冷凍機
９２ａ 凝縮器
９３ 分岐ライン
１０５ ケミカル冷凍機
１１１ ヘッドタンク
１１４ カーゴタンク
１１５ ＢＯＧ圧縮機
１１６ イナートガス管路
１１７ 弁
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図２は、本発明をヘリウム液化冷凍装置に適用した第１実施例を示す系統図である。図２において、５１は圧縮機であり、圧縮機吐出側の高圧ライン５２には、順にオイルセパレータ５３、１次アフタクーラ５４、２次アフタクーラ５５が設けられている。オイルセパレータ５３で高圧ガスに混入した圧縮機５１の潤滑油は、熱回収器５６で温水ライン５９を流れる温水に熱を回収された後、オイルクーラ５７で冷却され、ポンプ５８により圧縮機５１に戻される。
オイルセパレータ５３で潤滑油を除去された高圧ガスは、１次アフタクーラ５４及び２次アフタクーラ５５により冷却される。温水ライン５９を流れる温水は、吸着冷凍機６１に送られてその駆動用に使用される。吸着冷凍機６１は一般に公知の吸着冷凍機であり、ここで発生した低温水は、低温水循環ライン６２を介して２次アフタクーラ５５に送られて高圧ガスを冷却するための冷熱源に供される。
高圧ガスは、２次アフタクーラ５５で冷却された後、精密オイルセパレータ６４を経て、コールドボックスと呼ばれる保冷槽６５に供給される。
コールドボックス６５内には第１段から第１０段までの多段熱交換器６６〜７５が配置されており、高圧ガスは、これらの熱交換器で圧縮機５１に還流される低圧ガスと熱交換される。７６〜７９は、高圧ライン５２から分岐した高圧ガスの一部を断熱膨張して低温、低圧ガスにし、これを低圧ライン８５に供給して低圧ライン８５を流れる低圧ガスを低温に維持する膨張タービンである。膨張タービン７６は図５の従来装置の液体窒素による冷却ライン０１６と同様の効果をもつ。
８０は、同様に高圧ガスの一部を断熱膨張して低温中圧ガスにする膨張タービンであり、低温中圧にされたガスはジュール・トムソン膨張弁８４を経て低温低圧となり一部が液化したガスになって気液分離器８２に供給されることによって、気液分離器８２内の低温化を補助する。高圧ライン５２を流れる高圧ガスは、ジュール・トムソン膨張弁８３を経て断熱膨張し、低温中圧ガスとなって気液分離器８２内を流れ、超臨界ガスとなって図示しない被冷却負荷に供給される。８１は、高圧ガス中の不純物を除去する吸着器である。気液分離器８２で液体ヘリウムと分離したヘリウムガスは、低圧ライン８５を経て圧縮機５１に還流される。なお図２中、四角枠内の数値は各工程における温度を示す。
かかる第１実施例の装置によれば、圧縮機５１の潤滑油の廃熱が熱回収器５６で回収され、その廃熱を利用して駆動される吸着冷凍機６１で発生する低温水によって圧縮機吐出側の高圧ライン５２を流れる高圧ガスを冷却することができる。
圧縮機５１の吐出側高圧ガスを１次アフタクーラ５４で冷却した後、コールドボックス６５に入る前に、２次アフタクーラ５５で前記低温水によって高圧ガスを予冷することができるため、コールドボックス６５に入る高圧ガスの温度を低減することができる。
そのため低圧ライン８５から圧縮機５１に還流される低圧ガスの温度をコールドボックス６５に入る高圧ガスの温度と同等程度に低減させることができるため、圧縮機５１に吸入されるガスの容積を低減でき、これによって圧縮機軸動力を低減することができるとともに、コールドボックス６５に入る高圧ガスの温度を低減できるため、ヘリウムガスを液化するに要する多段の熱交換器の段数をも低減できて装置のコンパクト化を達成できる。
また圧縮機５１から排出される潤滑油が保有する熱を回収して吸着冷凍機６１の駆動熱源としているため、装置全体の冷凍効果を向上することができる。
次に本発明装置の第２実施例を図３に基づいて説明する。本第２実施例は、図２に示す前記第１実施例において、精密オイルセパレータ６４の後流側の高圧ライン５２に熱交換器９１を設け、さらに熱交換器９１に低温冷媒を供給する蒸気圧縮式冷凍機としてのアンモニア（ＮＨ３）冷凍機９２及び低温水循環ライン６２から分岐した分岐ライン９３を追設した構成をなし、その他の構成は第１実施例と同一である。なお図３中、四角枠内の数値は各工程における温度を示す。
本第２実施例においては、２次アフタクーラ５５で予冷され、精密オイルセパレータ６４を経た高圧ガスは、熱交換器９１においてアンモニア冷凍機９２から供給される低温冷媒でさらに冷却される。アンモニア冷凍機９２の凝縮器９２ａには、吸着冷凍機６１から低温水の一部が分岐ライン９３を通って供給されており、これによってアンモニア冷凍機９２の凝縮温度を下げることで、凝縮工程時の圧力を低減して、同アンモニア冷凍機の冷凍効率を向上させることができる。
本第２実施例の装置によれば、前記第１実施例と同様の作用効果を奏することができるが、それに加えて、アンモニア冷凍機９２を追設することにより、コールドボックス６５に入る高圧ガスの温度をさらに低減することができ、そのため圧縮機軸動力をさらに低減できるとともに、コールドボックス６５内の多段熱交換器の段数をさらに低減できる。
またアンモニア冷凍機９２は、吸着冷凍機６１の低温水の冷熱を凝縮用に利用しているため、装置全体としての冷凍効率を大幅に向上できる。
前記第１実施例は図１（ｂ）の装置構成に該当し、前記第２実施例は図１（ｃ）の装置構成に該当するものであり、図１に付記した数値が示すように、（ａ）の従来の装置に比べて、圧縮機軸動力が（ｂ）において約８％低減され、（ｃ）において約１５％低減されている。
また装置効率ＦＯＭ（１／成績係数ＣＯＰ；単位体積当りの圧縮機の所要動力）は、（ａ）の従来装置に比べて、（ｂ）は約８％改善され、（ｃ）は約１１％改善されている。
次に本発明をＬＮＧガスの再液化装置に適用した第３実施例を図４に基づいて説明する。図４において、１０１は圧縮機であり、圧縮機吐出側の高圧ガスライン１０２には、順に１次アフタクーラ１０３、２次アフタークーラ１０４が設けられ、圧縮機吐出側の高圧ガスはこれらアフタークーラで順々に冷却される。１０５は、例えば吸着冷凍機、吸収冷凍機等からなるケミカル冷凍機であり、前記第１及び第２実施例の吸着冷凍機と同様に、圧縮機１０１の潤滑油等に排出される圧縮機軸動力から発生する排熱を利用して冷水をつくり、冷水は循環ライン１０６によって２次アフタークーラ１０４に冷熱源として供給される。
１０７は第１段熱交換器、１０８は第２段熱交換器であり、高圧ガスは、熱交換器１０７及び１０８において低圧ガスライン１０９を通って圧縮機１０１に還流される低圧ガスと熱交換される。１１０は、高圧ガスライン１０２から分岐し高圧ガスの一部を断熱膨張して低温・低圧ガスにし、これを低圧ガスライン１０９に供給して低圧ガスを低温に維持する膨張タービンである。１１１はヘッドタンクであり、後述するようにカーゴタンク１１４内で蒸発したＬＮＧガス中に混入した若干の不純ガス（主として空気であり、これをイナートガスと称する）を溜め、溜まったイナートガスを随時弁１１７を開け、管路１１６から外部に放出する。
高圧ガスライン１０２を流れる高圧ガスは、ヘッドタンク１１１及びジュール・トムソン膨張弁１１２を経て断熱膨張し、低温・中圧ガスとなって気液分離器１１３に供給される。気液分離器１１３に供給されたガスは、低温のため一部液化され、気液分離器１１３内で気体と液体が混じった２相状態となる。気液分離器１１３内のＬＮＧガスは、低圧ガスライン１０９を経て圧縮機１０１に還流される。気液分離器１１３中の液体ＬＮＧはカーゴタンク１１５に移されて貯蔵される。カーゴタンク１１４内で一部蒸発した気体ＬＮＧは、ＢＯＧ（ボイルオフガス）圧縮機１１５によって圧縮され、その後第１熱交換器１０７の上流側の低圧ガスライン１０９に供給され、第１熱交換器１０７内で高圧ガスの冷却に供される。カーゴタンク１１４内で蒸発するガスはメタンであるが、メタン以外に若干の不純ガス（主として空気）が混入している。この不純ガスを前述のとおりヘッドタンク１１１に溜めるようにする。なお図４中の各所に記された数値は、各所における圧力値及び温度値を示す。
かかる第３実施例によれば、圧縮機１０１の吐出側高圧ガスを１次アフタクーラ１０３で冷却した後、２次アフタクーラ１０４でケミカル冷凍機１０５で発生する冷水によって高圧ガスを冷却するため、第１熱交換器１０７に入る高圧ガスの温度を低減することができる。
これによって低圧ガスライン１０９から圧縮機１０１に還流される低圧ガスの温度を第１熱交換器１０７に入る高圧ガスの温度と同等程度に低減させることができるので、圧縮機１０１に吸入されるガス容積を低減でき、これによって圧縮機１０１の軸動力を低減できるとともに、第１熱交換器１０７に流入する高圧ガスの温度を低減することができるため、ＬＮＧガスを液化するのに要する熱交換器の段数をも低減することができて、装置のコンパクト化を達成することができる。
またケミカル冷凍機１０５は、圧縮機１０１の軸動力から発生する潤滑油等の排熱を利用して駆動されるので、装置全体の冷凍効率を向上させることができる。
本発明によれば、ヘリウムガスやＬＮＧガス等の極低温の液化温度を有するガスを低温液化する冷凍装置において、従来利用されていなかった圧縮機モータの廃熱エネルギー及び圧縮機出口ガスの顕熱エネルギーや圧縮機の軸動力の一部をケミカル冷凍機や蒸気圧縮式冷凍機により冷熱変換して有効に利用し、かつケミカル冷凍機や蒸気圧縮式冷凍機で圧縮機出口ガスを予冷することにより圧縮機の吸入ガス温度を低下させ、これによって圧縮機の圧縮動力を効果的に削減し、同時に液化冷凍装置の総所要動力を最小化するための方法及び装置を実現することができる。

Claims (6)

  1. 圧縮機から吐出された高温高圧の被液化ガスを予冷した後、被液化ガスを多段熱交換器に導入して段階的に冷却し、次いで被液化ガスを断熱膨張させることによりガスの一部を液化し、液化されていない低温低圧ガスを前記多段熱交換器の冷却媒体として使用した後、前記圧縮機の吸入口に戻すようにした低温液化冷凍方法において、前記圧縮機から吐出され予冷された前記被液化ガスを同圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機で冷却し、その後被液化ガスを前記多段熱交換器に導入することを特徴とする低温液化冷凍方法。
  2. 前記ケミカル冷凍機で冷却した前記被液化ガスを蒸気圧縮式冷凍機でさらに冷却し、その後被液化ガスを前記多段熱交換器に導入することを特徴とする請求項１記載の低温液化冷凍方法。
  3. 高温高圧の被液化ガスを吐出する圧縮機と、被液化ガスを予冷するアフタクーラと、同アフタクーラで予冷された被液化ガスを段階的に冷却する多段熱交換器と、同多段熱交換器で冷却された被液化ガスを断熱膨張させる膨張弁と、断熱膨張して一部液化した被液化ガスを貯留する気液分離器と、同気液分離器で液化ガスと分離した低温低圧ガスを前記多段熱交換器の冷却媒体に供した後前記圧縮機の吸入口に戻す戻し通路とを備えた低温液化冷凍装置において、前記アフタクーラの後段に前記圧縮機から排出される廃熱を動力源としたケミカル冷凍機を設け、同ケミカル冷凍機により被液化ガスを予冷するように構成したことを特徴とする低温液化冷凍装置。
  4. 前記ケミカル冷凍機で予冷された被液化ガスを前記多段熱交換器の前段でさらに冷却する蒸気圧縮式冷凍機を設けたことを特徴とする請求項１記載の低温液化冷凍装置。
  5. 前記ケミカル冷凍機で冷却された低温冷媒の一部を前記蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器に凝縮用冷媒として供給するように構成したことを特徴とする請求項４記載の低温液化冷凍装置。
  6. 前記気液分離器から液化ガスを導入して貯留するカーゴタンクと、同カーゴタンク内で気化したボイルオフガスを前記多段熱交換器の第１段熱交換器に冷却媒体として導入する予冷ラインと、同予冷ラインに介設された圧縮機とを備えたことを特徴とする請求項３記載の低温液化冷凍装置。
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