KR20230050325A - 단순화된 극저온 냉동 시스템 - Google Patents

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Abstract

극저온 온도를 위해 적용된 단순화된 폐쇄 루프 냉동 시스템으로, 폐쇄 루프 냉동 시스템 내에서 순환되는 기체 냉매, 냉매를 압축하기 위해 적어도 두 개의 압축 단계를 가지는 압축 섹션, 압축 단계 중 적어도 하나는 원심 압축기이고, 적어도 하나의 압축 단계를 구동하는 기계 동력을 생성하는 적어도 하나의 모터, 각각의 압축 단계 후에 적어도 하나의 후냉각기, 압축된 냉매를 추가적으로 냉각하기 위한 하나의 제1 열 교환기, 압축된 냉매를 팽창시키기 위한 적어도 하나의 팽창 터빈, 팽창된 냉매와 외부 유체 사이의 열 교환을 위한 하나의 제2 열 교환기, 팽창된 냉매가 압축된 냉매에 의해 제1 열 교환기 내의 역류 흐름에서 가열되는 가열 섹션을 포함하며, 적어도 하나의 원심 압축기는 팽창 터빈에 의해서만 구동되고, 원심 압축기 및 팽창 터빈은 자기 베어링을 사용하는 극저온 온도를 위해 적용된 단순화된 폐쇄 루프 냉동 시스템.

Description

단순화된 극저온 냉동 시스템
본 발명은 단순화된 극저온 냉동 시스템에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 액화 천연 가스(LNG)의 냉동 또는 액체 수소와 같은 다른 극저온 액체의 냉동에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 냉동 시스템을 작동시키는 방법 및 LNG 운반선에 탑재된 이러한 냉동 시스템 및 방법의 사용에 관한 것이다.
천연 가스는 단열 탱크 내부에서 -150℃, 전형적으로 -161℃보다 더 낮은 극저온 온도에서 LNG와 같은 액체 상태로 저장되고 운반될 수 있다. 그들의 단열 특성을 개선하기 위한 지속적인 노력에도 불구하고, 이러한 탱크는, 보일-오프 가스 또는 BOG로도 알려진, 소량의 저장된 LNG의 예열 및 증발을 초래하는 불가피한 열 유입에 영향을 받는다.
EP 1-660-608 B1호는 탱크 내에 저장된 액체의 일부가 탱크 내로 재도입되기 전에 외부 냉동 시스템에 의해 회수되고 냉각되는 LNG와 같은 액화 가스의 제어된 저장을 위한 장치를 개시한다. 비등점보다 낮은 온도로 냉각되고 있는 LNG, 이는 또한 과냉각으로 지칭된다. 그러한 방식으로, 저장 탱크 내부의 불가피한 열 유입은 LNG의 추가적인 과냉각에 의해 보상되고, BOG의 생성은 최소화되거나 심지어 완전히 회피될 수 있다.
적합한 외부 냉동 시스템은 문헌 N. Saji 등의, "DESIGN OF OIL FREE SIMPLE TURBO TYPE 65k/6kw HELIUM AND NEON MIXTURE GAS REFRIGERATOR FOR HIGH TEMPERATIRE SUPERCONDUCTING POWER CABLE COOLING"CP 613, 극저온 엔지니어링의 진보 라는 제목의; 극저온 엔지니어링 컨퍼런스 회의록, vol. 47, 2002호에 개시된 것과 유사하다. 이러한 냉동 시스템은 전형적으로 냉매 또는 상이한 냉매들의 혼합물이 순환하는 폐쇄 회로를 포함한다. 냉동 시스템은 냉매를 압축하기 위한 하나 또는 다수의 압축기, 압축된 냉매를 냉각하기 위한 하나 또는 다수의 냉각기, 냉매를 추가로 냉각하기 위한 하나의 열 교환기, 냉매를 감압하기 위한 하나 이상의 수단들, 과냉각하기 위해 냉매와 유체 사이의 열을 교환하기 위한 하나의 열 교환기, 및 재압축 전에 냉매를 예열함에 따라 냉동 시스템의 폐쇄 루프 내부의 완전한 열역학적 사이클을 달성하는 하나의 열 교환기를 추가로 포함한다.
이러한 냉동 시스템의 냉각력은 전형적으로 폐쇄 루프 내부의 냉매의 양을 변화시킴으로써 조정된다. 더 많은 냉각력이 필요한 경우, 냉매가 폐쇄 루프에 추가되고, 마찬가지로, 냉각력이 덜 필요한 경우, 냉매가 폐쇄 루프로부터 회수된다.
이러한 냉동 시스템은, 압축기의 일 단부 및 팽창 터빈의 또 다른 단부 상에서 구동하는 고속 모터와 같이, 다소 복잡한 회전 기계를 필요로 한다. 이러한 고속 모터는 복잡하고, 고속 모터를 지시하도록 제작했으며 모터 샤프트의 각각의 극단에 하나씩 있는 임펠러, 압축기 또는 팽창기를 구동하도록 특별하게 조정되어야 한다.
국제공개 WO 2009-136-793 A1호는 적합한 냉동 시스템이 또한 모든 압축 및 팽창 단계가 "컴팬더"라고 불리는 공통 스키드에 배열되어 모든 단계에 공통인 내장형 기어박스가 단일 전기 모터에 의해 구동되는 다른 종류의 회전 기계를 사용할 수 있다는 것을 개시한다. 이러한 기계는 압축 및 팽창 단계 각각을 구동하는 데 필요한 다수의 샤프트 및 핀이온으로 인해 기계적으로 매우 복잡하다.
따라서 상기의 불리한 점을 회피하는 개선된 패쇄 루프 냉동 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
목적은 청구항 제1항에 따른 폐쇄 루프 냉동 시스템, 청구항 제13항에 따른 상기 폐쇄 루프 냉동 시스템을 작동시키는 방법 및 청구항 제15항에 따른 폐쇄 루프 냉동 시스템을 포함하는 LNG 운반선에 의해 해결된다.
종속 청구항은 본 발명의 바람직한 실시예를 지칭한다.
따라서, 본 발명은 외부 유체를 냉각시키기 위한 단순화된 폐쇄 루프 냉동 시스템을 제공하고으로서, 단순화된 폐쇄 루프 냉동 시스템은:
- 냉매를 압축하기 위한 압축 섹션으로서, 압축 섹션은 제1 압축기 및 제2 압축기를 포함하고, 제1 압축기는 원심 압축기,
- 제2 압축기를 구동하기 위해 기계 동력을 생성하는 제1 모터,
- 제1 압축기 후 압축된 냉매를 냉각시키기 위해 제1 압축기의 하류에 배열되는 제1 후냉각기,
- 제2 압축기 후 압축된 냉매를 냉각시키기 위해 제2 압축기의 하류에 배열되는 제2 후냉각기,
- 압축된 냉매를 추가로 냉각시키기 위해 제1 후냉각기 및 제2 후냉각기의 하류에 배열되는 제1 열 교환기,
- 압축된 냉매를 팽창시키기 위해 제1 열 교환기의 하류에 배열되는 팽창 터빈,
- 외부 유체를 냉각시키기 위해 팽창된 냉매와 외부 유체 사이에서 열을 교환하기 위해 터빈의 하류에 배열되는 제2 열 교환기,
- 제1 열 교환기의 일부를 형성하고, 팽창된 냉매가 압축된 냉매와의 간접 열 교환에 의해 가열되는 제2 열 교환기의 하류에 배열되는 가열 섹션을 포함하고,
- 제1 원심 압축기는 팽창 터빈에만 직접 기계적으로 연결되고, 팽창 터빈에 의해서만 구동되고,
- 제1 원심 압축기 및 팽창 터빈은 각각 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
용어 "하류"는 냉동 시스템을 통과하는 냉매의 유동 방향과 관련하여 의미한다.
용어 "직접"은 제1 압축기가 단지 하나의 단일 샤프트만을 가지며, 이는 단일 부품에만 연결되고, 이러한 단일 부품이 팽창 터빈인, 즉, 제1 압축기가 터빈에 의해서만 구동된다는 것이 주로 이해되어야 한다. 제1 압축기는 냉동 시스템의 다른 부품을 통해, 직접적이지않고 간접적이지않게, 모터 또는 기어박스에 연결되지 않는다.
용어 제1 및 제2는 냉매의 유동과 관련된 배열을 나타내지 않으며, 단지 열거의 명확성을 위해 사용된다.
유리하게도, 팽창 터빈 내의 냉매의 팽창에 의해 생성된 동력은 회수되고, 압축기 중 하나를 직접 구동하는 데, 즉 팽창기와 압축기 사이에 기계적으로 연결된 고속 모터 또는 기어박스 없이, 사용될 수 있다.
바람직하게는, 팽창 터빈은 구심 팽창 터빈이다.
제2 압축기는 특히 수냉식 전기 모터인 제1 모터에만 기계적으로 연결되고 제1 모터에 의해서만 구동된다는 점이 이점이다.
제2 압축기는 원심 압축기일 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 폐쇄 루프 냉동 사이클은 냉매를 압축하기 위한, 특히 제2 원심 압축기의 하류에 배열되는 제3 원심 압축기를 포함하고, 제3 원심 압축기는 제2 모터에만 기계적으로 연결되고 제2 모터에 의해서만 구동되고, 특히 제2 모터는 수냉식 모터이고, 특히 제3 후냉각기는 압축된 냉매를 냉각하기 위해 제3 원심 압축기의 하류에 배열되고, 제2 전기 모터(52)는 제1 전기 모터(5; 51)로부터 독립적으로 수냉식이다.
여러 개의 전기 모터에 의해 구동되는 여러 개의 원심 압축기 대신에 하나의 전기 모터에 의해 구동되는 단일 스크류 압축기를 사용하는 것이 또한 가능하다.
윤활유에 의한 냉동 루프의 임의의 오염을 피하기 위해, 드라이 스크류 압축기를 사용하는 것이 또한 가능하다.
외부 환경으로의 냉매의 손실을 제한하기 위해, 밀폐형 또는 반밀폐형 스크류 압축기가 사용될 수 있다.
바람직하게는, 제2 압축기는 제1 원심 압축기의 바로 하류에 있다.
냉동 루프와 외부 환경 사이의 누출 경로를 추가로 감소시키기 위해, 스크류 압축기를 구동하는 제1 모터는 자기적으로 결합된 모터이다.
제1 및 제2 열 교환기는 특히 플레이트-핀 열 교환기인 단일 유닛으로 조합되는 것이 가능하다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은 극저온 냉동 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것으로,
-냉동 시스템에 냉매를 제공하는 단계.
-압축기를 구동하는 모터의 회전 속도를 변경함으로써 냉동 사이클 냉각력을 조정하는 단계. 그러한 방식으로, 냉각 용량이 증가되어야 하는 경우, 압축기의 회전 속도를 증가시킴으로써 루프 내부의 기체 냉매의 유동이 증가된다.
-구심 팽창기와 상기 구심 팽창기에 의해서만 구동되는 원심 압축기를 자유롭게 회전시키는 단계를 포함하는 방법이다.
기체 냉매는 He, Ne, N2, CH4을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있다.
기체 냉매는 또한 He, Ne, N2, CH4을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 두 개의 성분을 포함할 수 있다.
보호가 추구되지만, 제1 및 제2 양태에 따른 본 발명의 실시예를 또한 나타내는 제3 양태는 본 발명에 따른 냉동 시스템을 포함하는 LNG 운반선에 관한 것이다.
도 1a는 모든 압축기가 원심 압축기인 제1 실시예를 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 2a는 하나의 압축기가 스크류 압축기이며, 다른 압축기는 팽창 터빈에 의해 직접 구동되는 원심 압축기인 제2 실시예를 도시한다.
도 2b는 본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
하기에서, 도면들에 따른 상이한 실시예들이 포괄적으로 논의되며, 동일한 참조 부호는 동일하거나 본질적으로 동일한 유닛을 나타낸다. 당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 특징을 갖는 도면에 도시된 실시예의 소정 구성요소들을, 이보다 많은 소정 구성요소 또는 상기 도면에 도시된 이러한 실시예의 모든 다른 구성요소까지도 포함할 필요 없이, 조합할 수 있다는 것으로 인식된다.
도 1a는 냉매를 압축하기 위한 제1 원심 압축기(2), 상기 제1 원심 압축기(2)에 의해 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 제1 후냉각기(3), 추가로 냉매를 압축하기 위한 제2 원심 압축기(41), 제1 수냉식 전기 모터(51)에 의해 직접적으로 구동되는 제2 원심 압축기, 제2 원심 압축기(41)에 의해 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 제2 후냉각기(61), 추가로 냉매를 압축하기 위한 제3 원심 압축기(42), 제2 수냉식 전기 모터(52)에 의해 직접적으로 구동되는 제3 원심 압축기(42), 제3 원심 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 제3 후냉각기(62), 냉매를 추가로 냉각하기 위한 제3 후냉각기 하류에 배치된 냉각 섹션을 갖는 제1 열 교환기, 냉매를 감압하기 위한 냉각 섹션 하류의 팽창 터빈, 외부 유체를 냉각하기 위한 팽창된 냉매와 외부 유체 사이의 열 교환을 위한 터빈(8) 하류에 배열된 제2 열 교환기(9), 제1 열 교환기(7)의 일부를 형성하고, 압축된 냉매와 간접적인 열 교환에 의해 팽창된 냉매가 가열되는 제2 열 교환기(9)의 하류에 배열되는 가열 섹션을 포함하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 폐쇄 루프 냉동 시스템(1)을 개략적으로 도시한다.
예를 들어, 냉각될 외부 유체(10)는 LNG 운반선의 저장 탱크 중 하나로부터 펌핑되고, 본 발명에 따른 폐쇄 루프 냉동 시스템에 의해 과냉각되고, 그런 다음 저장 탱크 내부의 열 유입을 보상하기 위해 저장 탱크 내부에서 재주입되는 LNG일 수 있다.
0.07%/일의 증발 비율의 절연체를 갖는 170 000 ㎥ 용량의 LNG 운반선의 경우 - 즉 매일 탱크의 전체 용량의 0.07%가 상기 열 유입에 의해 증발하는 것이 저장 탱크 단열재의 성능인 경우 - 냉동 시스템은, -161℃ 내지 -172℃로 시간당 45 M3의 LNG를 과냉각함으로써 250kW의 열 유입을 보상해야 한다.
따라서, 그만큼의 열 에너지는 열 교환기(9)를 통해 탱크로부터의 LNG와 열 교환하는 가스 냉매에 의해 흡수된다.
제1 압축기 단계(2)는 팽창 터빈에 의해 가스 냉매의 팽창으로부터 회수된 기계 동력으로 제1 압축기(2)의 동력 요건에 대한 균형을 맞추기 위해 팽창 터빈에 의해 직접적으로 구동되는 제1 압축 단계와 터빈 사이에 임의의 전기 모터나 기어박스 없이 팽창 터빈(8)에 의해 직접 구동된다. 즉, 팽창 터빈에 의해 직접적으로 구동되는 압축기의 동력은 팽창 터빈에 의해 회수된 동력에서 불가피한 마찰 손실을 뺀 것과 동일하다.
제2 및 제3 원심 압축기 단계(41, 42)는 각각의 서로 독립적으로 수냉되는 각각의 전기 모터(51, 52)에 의해 개별적으로 구동된다, 즉, 제2 압축기 단계의 전기 모터(51)의 수냉 스트림(511; 512)은 제3 압축 단계의 전기 모터(52)의 수냉 스트림(521; 522)으로부터 분리되고 독립적으로 조정된다.
작동 중, 따라서 열 유입 및 LNG의 온도 및/또는 저장 탱크의 얼리지 공간 내의 가스 압력이 변경되면, 냉동 시스템의 냉각력은 가변 주파수 드라이브(미도시)를 갖는 전기 모터(51, 52)의 회전 속도를 변경함으로써 조정된다. 예를 들어, 냉각력이 감소되어야 하는 경우, 전기 모터(51, 52)의 회전 속도가 감소되어, 제2 및 제3 원심 압축기 단계(41, 42)의 주입구 용량을 감소시키고, 따라서 냉동 루프 내부의 기체 냉매 순환의 유동을 감소시킨다. 팽창 터빈에 의해 직접적으로 구동되는 압축기 단계는 기체 냉매의 부피 흐름에 따라 자유 속도로 회전하게 두어진다.
도 1b는 제1 열 교환기(7) 및 제2 열 교환기(9)가 단일 유닛(12)을 형성하기 위해 병합되는 도 1a의 실시예를 도시한다. 이 실시예는 단일 유닛(12)이 플레이트-핀형 열 교환기일 때 특히 유리하며, 이는 본 발명에 따른 극저온 냉동 시스템의 풋프린트를 크게 감소시키고 더 효율적인 열 전달을 가능하게 하기 때문이다.
도 2a는 냉매를 압축하기 위한 제1 압축기(2), 원심 압축기인 제1 원심 압축기, 상기 제1 원심 압축기(2)에 의해 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 제1 후냉각기(3), 추가로 냉매를 압축하기 위한 제2 압축기(4), 스크류 압축기이며 수냉식 전기 모터(5)에 의해 직접적으로 구동되는 제2 압축기, 제2 압축기(41)에 의해 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 제2 후냉각기(6), 냉매를 추가로 냉각하기 위한 제3 후냉각기 하류에 배치된 냉각 섹션을 갖는 제1 열 교환기, 냉매를 감압하기 위한 냉각 섹션 하류의 팽창 터빈, 외부 유체를 냉각하기 위한 팽창된 냉매와 외부 유체 사이의 열 교환을 위한 터빈(8) 하류에 배열된 제2 열 교환기(9), 제1 열 교환기(7)의 일부를 형성하고, 압축된 냉매와 간접적인 열 교환에 의해 팽창된 냉매가 가열되는 제2 열 교환기(9)의 하류에 배열되는 가열 섹션을 포함하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 폐쇄 루프 냉동 시스템(1)을 개략적으로 도시한다.
0.07%/일의 증발 비율의 절연체를 갖는 170 000 ㎥ 용량의 LNG 운반선의 경우 - 즉 매일 탱크의 전체 용량의 0.07%가 상기 열 유입에 의해 증발하는 것이 저장 탱크 단열재의 성능인 경우 - 냉동 시스템은, -161℃ 내지 -172℃에서 시간당 45 M3의 LNG를 과냉각함으로써 250kW의 열 유입을 보상해야 한다.
따라서, 그만큼의 열 에너지는 열 교환기(9)를 통해 탱크로부터의 LNG와 열 교환하는 가스 냉매에 의해 흡수된다.
제1 압축기 단계(2)는 팽창 터빈에 의해 가스 냉매의 팽창으로부터 회수된 기계 동력으로 제1 압축기(2)의 동력 요건에 대한 균형을 맞추기 위해 팽창 터빈에 의해 직접적으로 구동되는 제1 압축 단계와 터빈 사이에 어떤 전기 모터나 기어박스 없이 팽창 터빈(8)에 의해 직접 구동된다. 즉, 팽창 터빈에 의해 직접적으로 구동되는 압축기의 동력은 팽창 터빈에 의해 회수된 동력에서 불가피한 마찰 손실을 뺀 것과 동일하다.
스크류 압축기(4)는 단일 전기 모터(5)에 의해 직접적으로 구동된다. 스크류 압축기(4)를 구동하는 단일 전기 모터(5)는 수냉 스트림 (511; 512)에 의한 수냉식이다.
작동 중, 따라서 열 유입 및 LNG의 온도 및/또는 저장 탱크의 얼리지 공간 내의 가스 압력이 변경되면, 냉동 시스템의 냉각력은 가변 주파수 드라이브(미도시)를 갖는 전기 모터(5)의 회전 속도를 변경함으로써 조정된다. 예를 들어, 냉각력이 감소되어야 하는 경우, 전기 모터(5)의 회전 속도가 감소되어, 스크류 압축기(4)의 주입구 용량을 감소시키고, 따라서 냉동 루프 내부의 기체 냉매 순환의 유동을 감소시킨다. 팽창 터빈에 의해 직접적으로 구동되는 압축기 단계는 가스 냉매의 부피 흐름에 따라 자유 속도로 회전하게 두어진다..
도 2b는 제1 열 교환기(7) 및 제2 열 교환기(9)가 단일 유닛(12)을 형성하기 위해 병합되는 도 1a의 실시예를 도시한다. 이 실시예는 단일 유닛(12)이 플레이트-핀형 열 교환기일 때 특히 유리하며, 이는 본 발명에 따른 극저온 냉동 시스템의 풋프린트를 크게 감소시키고 더 효율적인 열 전달을 가능하게 하기 때문이다.
참조 부호의 목록
(1): 폐쇄 루프 냉동 시스템
(41), (42), (2), (4): 압축기 단계들
(61), (62), (3): 후냉각기
(51), (52), (5): 전기 모터
(7) (8): 제1 및 제2 열 교환기
(9): 팽창 터빈.
(10): 저장 탱크로부터 회수된 LNG
(11): 저장 탱크에 재주입되는 과냉각된 LNG
(12): 단일 유닛 열 교환기
(511; 512): 제1 전기 모터의 수냉 스트림
(521; 522): 제2 전기 모터의 수냉 스트림

Claims (15)

  1. 외부 유체를 냉각시키기 위한 폐쇄 루프 냉동 시스템(1)으로서:
    - 냉매를 압축하기 위한 압축 섹션으로, 상기 압축 섹션은 제1 압축기(2) 및 제2 압축기(41; 4)를 포함하고, 상기 제1 압축기(2)는 원심 압축기인 압축 섹션,
    - 상기 제2 압축기(4, 41)를 구동하기 위해 기계적 동력을 생성하는 제1 모터(51; 5),
    - 상기 제1 압축기(2) 후에 상기 압축된 냉매를 냉각시키기 위해 상기 제1 압축기(2)의 하류에 배열된 제1 후냉각기(3),
    - 상기 제2 압축기(41; 4)후에 압축된 냉매를 냉각시키기 위해 상기 제2 압축기(41; 4)의 하류에 배열된 제2 후냉각기(61; 6),
    - 상기 압축된 냉매를 추가로 냉각시키기 위해 상기 제1 후냉각기(3) 및 상기 제2 후냉각기(61; 6)의 하류에 배열되는 제1 열 교환기(7; 12),
    - 상기 압축된 냉매를 팽창시키기 위해 상기 제1 열 교환기(7)의 하류에 배열되는 팽창 터빈(8),
    - 외부 유체를 냉각시키기 위해 상기 팽창된 냉매와 외부 유체 사이에서 열을 교환하기 위해 상기 터빈(8)의 하류에 배열되는 제2 열 교환기(9; 12),
    - 상기 제1 열 교환기(7; 12)의 일부를 형성하고 상기 팽창된 냉매가 상기 압축된 냉매와의 간접 열 교환에 의해 가열되는 상기 제2 열 교환기(9; 12)의 하류에 배열되는 가열 섹션을 포함하고,
    - 상기 제1 원심 압축기(2)는 팽창 터빈(8)에만 직접 기계적으로 연결되고, 팽창 터빈(8)에 의해서만 구동되고,
    - 상기 제1 원심 압축기(2) 및 팽창 터빈(8)은 각각 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 팽창 터빈(8)은 구심 팽창 터빈인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 압축기(41;4)는 상기 제1 모터(51;5)에만 기계적으로 연결되고 상기 제1 모터(51;5)에 의해서만 구동되며, 상기 제1 모터는 특히 수냉식 전기 모터인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 사이클(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 압축기(41)는 원심 압축기인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 냉매를 압축하기 위한, 특히 상기 제2 원심 압축기(41)의 하류에 배열되는 제3 원심 압축기(42)를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제3 원심 압축기(42)는 제2 모터(52)에만 기계적으로 연결되고 상기 제2 모터(52)에 의해서만 구동되고, 특히 상기 제2 모터는 수냉식 전기 모터이고, 특히 제3 후냉각기(62)는 상기 압축된 냉매를 냉각시키기 위해 상기 제3 원심 압축기(42)의 하류에 배열되고, 상기 제2 전기 모터(52)는 상기 제1 전기 모터(5;51)로부터 독립적으로 수냉식인, 폐쇄 루프 냉동 사이클(1).
  6. 제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 제2 압축기(4)는 스크류 압축기(4)인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 압축기(4)는 드라이 스크류 압축기인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  8. 제6항 내지 제7항에 있어서, 상기 제2 압축기(4)는 밀폐된 또는 반밀폐된 드라이 스크류 압축기인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  9. 제1항 내지 제7항에 있어서, 상기 제2 압축기(41;4)는상기 제1 원심 압축기(2)의 하류인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  10. 제6항 내지 제9항에 있어서, 상기 스크류 압축기(4)를 구동하는 상기 제1 모터(5)는 자기적으로 결합된 모터(5)인 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  11. 제1항 내지 제10항에 있어서, 상기 제1 열 교환기 및 상기 제2 열 교환기(7, 9)는 특히 플레이트-핀 열 교환기인 단일 유닛(12)으로 조합되는 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1).
  12. 제1항 내지 제11항에 따른 극저온 냉동 시스템을 작동시키는 방법으로서:
    - 냉동 시스템에 냉매를 제공하는 단계,
    - 상기 제1 모터(51;5)의 회전 속도를 변경하고/하거나 특히, 상기 제2 모터(52)의 회전 속도를 변경함으로써 냉동 사이클 냉각력을 조정하는 단계,
    - 팽창 터빈(8) 및 팽창 터빈(8)에만 직접 기계적으로 연결되고 팽창 터빈(8)에 의해서만 구동되는 제1 원심 압축기(2)를 자유롭게 회전시키는 단계를 포함하는, 극저온 냉동 시스템을 작동시키는 방법.
  13. 제12항에 따른 극저온 냉동 시스템을 작동시키는 방법으로서, 냉매의 적어도 하나의 성분이 He, Ne, N2, CH4을 포함하는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1)을 작동시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 냉매의 적어도 두개의 성분이 He, Ne, N2, CH4을 포함하는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 폐쇄 루프 냉동 시스템(1)을 작동시키는 방법
  15. 제1항 내지 제11항에 따른 냉동 시스템을 포함하는 LNG 운반선.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1836024B (zh) 2003-08-19 2011-03-16 默克专利有限公司 含有三苯基膦单元的低聚物和聚合物
NO322620B1 (no) * 2003-10-28 2006-11-06 Moss Maritime As Anordning til lagring og transport av flytendegjort naturgass
JP4544885B2 (ja) * 2004-03-22 2010-09-15 三菱重工業株式会社 ガス再液化装置およびガス再液化方法
ATE423298T1 (de) * 2006-05-23 2009-03-15 Cryostar Sas Verfahren und vorrichtung zur rückverflüssigung eines gasstromes
NO330187B1 (no) 2008-05-08 2011-03-07 Hamworthy Gas Systems As Gasstilforselssystem for gassmotorer
FR2977015B1 (fr) * 2011-06-24 2015-07-03 Saipem Sa Procede de liquefaction de gaz naturel a triple circuit ferme de gaz refrigerant
KR102016827B1 (ko) * 2015-05-01 2019-08-30 가부시끼가이샤 마에가와 세이사꾸쇼 냉동기 및 냉동기의 운전 방법

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