WO2026009656A1 - 熱交換システム - Google Patents

熱交換システム

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WO2026009656A1
WO2026009656A1 PCT/JP2025/021067 JP2025021067W WO2026009656A1 WO 2026009656 A1 WO2026009656 A1 WO 2026009656A1 JP 2025021067 W JP2025021067 W JP 2025021067W WO 2026009656 A1 WO2026009656 A1 WO 2026009656A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
flow path
carbon dioxide
intermediate medium
low
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/JP2025/021067
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English (en)
French (fr)
Inventor
顕一郎 三橋
慎二 江頭
泰健 三輪
正高 東
朝寛 鈴木
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
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Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C9/00—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure
    • F17C9/02—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure with change of state, e.g. vaporisation
    • F17C9/04—Recovery of thermal energy

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange system.
  • LNG liquefied natural gas
  • hydrogen liquefied hydrogen
  • the temperature of the intermediate medium is determined by the balance between the vaporization capacity (evaporation capacity) of the intermediate medium due to the carbon dioxide flowing through the heat source pipe and the condensation capacity of the intermediate medium due to the low-temperature liquefied gas flowing through the heat transfer pipe. Therefore, if the temperature of the intermediate medium determined by this process is lower than the solidification temperature of carbon dioxide (-56°C at typical storage and transportation pressures), there is a risk that the cold heat of the intermediate medium will cause the carbon dioxide to solidify.
  • the present invention aims to prevent solidification of carbon dioxide due to excessive cooling and poor liquefaction due to insufficient cooling of carbon dioxide in a heat exchange system that liquefies carbon dioxide using the cold energy of low-temperature liquefied gas.
  • the heat exchange system of the present invention is a heat exchange system that liquefies carbon dioxide by utilizing the cold energy of low-temperature liquefied gas, and further comprises: a low-temperature flow path into which the low-temperature liquefied gas is introduced and flows; a flow path to be liquefied into which gaseous carbon dioxide is introduced and flows; a first heat exchanger that is arranged across the low-temperature flow path and the flow path to be liquefied and that vaporizes the low-temperature liquefied gas and liquefies the carbon dioxide by performing heat exchange via an intermediate medium between the low-temperature liquefied gas flowing through the low-temperature flow path and the carbon dioxide flowing through the flow path to be liquefied; a temperature detection unit that detects the temperature of the intermediate medium or a temperature correlated to that temperature; a flow rate adjustment unit that can adjust the flow rate of at least one of the low-temperature liquefied gas supplied to the low-temperature flow path of the first heat exchanger and the carbon
  • FIG. 1 is a system diagram that schematically illustrates the configuration of a heat exchange system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a stacked heat exchanger provided in a CO2 liquefier.
  • FIG. 3 is a perspective cutaway view of the stacked heat exchanger of FIG. 2 taken along line III-III.
  • FIG. 4 is a TQ diagram showing the temperature change of the working fluid of the heat exchange system, with the heat quantity (enthalpy) on the horizontal axis and the temperature on the vertical axis.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the temperature control of the intermediate medium executed by the controller.
  • FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 5, showing a modification of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 5 and shows the second embodiment.
  • FIG. 8 is a view equivalent to FIG. 1 showing another embodiment.
  • FIG. 9 is a view equivalent to FIG. 1 showing another embodiment.
  • (Embodiment 1) 1 is a system diagram showing a schematic configuration of a heat exchange system 1 according to embodiment 1.
  • the heat exchange system 1 has a function of liquefying gaseous carbon dioxide by utilizing the cold energy of liquefied natural gas (hereinafter referred to as LNG), which is an example of a low-temperature liquefied gas, and vaporizing the LNG to produce natural gas (hereinafter referred to as NG).
  • LNG liquefied natural gas
  • NG natural gas
  • the heat exchange system 1 includes a low-temperature flow path 2 through which LNG flows, a liquefaction-target flow path 3 through which carbon dioxide gas to be liquefied flows, an LNG bypass flow path 4 and a CO2 bypass flow path 5 (described later), a CO2 liquefier 6 (corresponding to a first heat exchanger) that vaporizes the LNG and liquefies the carbon dioxide by performing heat exchange between the LNG flowing through the low-temperature flow path 2 and the carbon dioxide flowing through the liquefaction-target flow path 3, a NG heater 7 (corresponding to a second heat exchanger) that heats the NG vaporized from the LNG in the CO2 liquefier 6 to a predetermined required temperature by performing heat exchange between the NG and the carbon dioxide flowing through the liquefaction-target flow path 3, an intermediate medium temperature sensor 15 as a temperature detection unit, and a controller 10 as a control unit.
  • the CO2 liquefier 6 corresponds to the first heat exchanger, and the
  • the NG heater 7 is disposed downstream of the CO 2 liquefier 6 in the direction of LNG flow in the low-temperature flow path 2 .
  • the CO2 bypass flow path 5 branches off from the liquefaction target flow path 3 and is arranged to bypass the NG heater 7. That is, the CO2 bypass flow path 5 has an upstream end connected to a portion of the liquefaction target flow path 3 upstream of the NG heater 7, and a downstream end connected to a portion of the liquefaction target flow path 3 downstream of the NG heater 7 and upstream of the CO2 liquefier 6.
  • a CO2 temperature sensor 17 is connected to the liquefaction target flow path 3 downstream of the CO2 liquefier 6.
  • the heat exchange system 1 further includes an LNG bypass valve 13 arranged in the LNG bypass flow path 4, a CO2 bypass valve 14 arranged in the CO2 bypass flow path 5, an LNG main valve 11 arranged at the upstream end of the low-temperature flow path 2, a CO2 main valve 12 arranged at the upstream end of the liquefaction target flow path 3, an LNG pump 8 arranged upstream of the LNG main valve 11, and a CO2 compressor 9 arranged upstream of the CO2 main valve 12.
  • the LNG pump 8, the CO2 compressor 9, the LNG main valve 11, the CO2 main valve 12, the LNG bypass valve 13, and the CO2 bypass valve 14 are configured to be controllable by a controller 10.
  • the controller 10 controls the apertures of the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 to control the temperature of the intermediate medium M in the CO2 liquefier 6. However, if it is not permitted to change the flow rates of LNG and CO2 , the controller 10 controls the apertures of the LNG bypass valve 13 and the CO2 bypass valve 14 to control the temperature of the intermediate medium M in the CO2 liquefier 6 while maintaining the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 at predetermined apertures, respectively.
  • the CO2 liquefier 6 is configured as an intermediate medium type heat exchanger. Specifically, the CO2 liquefier 6 has a shell 61, a stacked heat exchanger 62, and a number of heat transfer tubes 63. In Fig. 1, for ease of viewing, the multiple heat transfer tubes 63 are shown as a single flow line.
  • the shell 61 consists of a horizontally long, sealed hollow tank.
  • a liquid intermediate medium M in this example, propane is stored in the lower part of the shell 61.
  • the lower part of the shell 61 thus functions as a liquid reservoir 61e.
  • the upper wall of the shell 61 is formed with an LNG supply port 61a for supplying LNG to the heat transfer tubes 63 inside the shell 61, and an NG discharge port 61b for discharging NG vaporized inside the heat transfer tubes 63.
  • the heat transfer tubes 63 form part of the low-temperature flow path 2.
  • a CO2 supply port 61c for supplying carbon dioxide to the stacked heat exchanger 62 in the shell 61 and a CO2 outlet 61d for discharging carbon dioxide liquefied in the stacked heat exchanger 62 are formed on the lower wall of the shell 61.
  • the CO2 supply port 61c and the stacked heat exchanger 62 are connected via a CO2 inlet pipe 64 arranged in the shell 61.
  • the CO2 outlet 61d and the stacked heat exchanger 62 are connected via a CO2 outlet pipe 65 arranged in the shell 61.
  • Both the CO2 inlet pipe 64 and the CO2 outlet pipe 65 are immersed in the intermediate medium M.
  • the CO2 inlet pipe 64 and the CO2 outlet pipe 65 do not necessarily need to be immersed in the intermediate medium M, and may be arranged to pass above the liquid level of the intermediate medium M.
  • the stacked heat exchanger 62 is entirely immersed in the intermediate medium M.
  • the stacked heat exchanger 62 performs heat exchange between gaseous carbon dioxide supplied from a CO2 inlet pipe 64 and the intermediate medium M, thereby vaporizing a portion of the intermediate medium M and liquefying the carbon dioxide, which is then discharged into a CO2 outlet pipe 65.
  • the stacked heat exchanger 62 does not necessarily have to be entirely immersed in the intermediate medium M, and only a portion of the stacked heat exchanger 62 may be immersed in the intermediate medium M. Details of the stacked heat exchanger 62 will be described later.
  • the numerous heat transfer tubes 63 are arranged above the liquid surface of the intermediate medium M stored in the shell 61.
  • Each heat transfer tube 63 is curved in a U-shape and arranged horizontally within the shell 61.
  • One end of each heat transfer tube 63 is connected to the LNG supply port 61a of the shell 61 via a collecting pipe (not shown), and the other end of each heat transfer tube 63 is connected to the LNG discharge port 61b of the shell 61 via a collecting pipe (not shown).
  • the shape of the heat transfer tube 63 does not necessarily have to be U-shaped, and may be any shape, such as straight.
  • the condensed intermediate medium gas becomes liquid intermediate medium M and falls to the bottom of the shell 61.
  • the intermediate medium M circulates within the shell 61, alternately liquefying and gasifying it.
  • the stacked heat exchanger 62 and the shell 61 function as an intermediate medium evaporator E1 that evaporates the intermediate medium M.
  • the heat transfer tube 63 and the shell 61 function as a liquefied gas vaporization section E2 that vaporizes LNG.
  • Figure 2 is a perspective view showing the stacked heat exchanger 62
  • Figure 3 is a cutaway perspective view of the stacked heat exchanger 62 of Figure 2 taken along line III-III.
  • the following description will be based on the definitions of front, back, left, and right shown on the directional axes in each figure, but these definitions do not limit the configuration of the present invention.
  • the stacked heat exchanger 62 comprises a stack 620 having an approximately rectangular parallelepiped shape that is long in the left-right direction, a CO2 supply header 625 that covers the left side of the stack 620, and a CO2 discharge header 626 that covers the right side of the stack 620.
  • the laminate 620 includes a pair of end plates 623 located at both ends in the front-rear direction, and first and second flow path layers 621 and 622 sandwiched between the pair of end plates 623 and stacked alternately in the front-rear direction.
  • the first flow path layer 621 has a number of first flow path sections 621a (corresponding to intermediate medium flow path sections) recessed therein, through which the intermediate medium M stored in the lower part (liquid reservoir section 61e) of the shell 61 penetrates.
  • the second flow path layer 622 has a number of second flow path sections 622a (corresponding to carbon dioxide flow path sections; see FIG. 3 ) through which carbon dioxide supplied from the CO2 inlet pipe 64 flows.
  • Heat exchange occurs between the intermediate medium M penetrating the first flow path sections 621a of the first flow path layer 621 and the carbon dioxide flowing through the second flow path sections 622a of the second flow path layer 622, whereby the intermediate medium M is heated and vaporized, and the carbon dioxide is cooled and liquefied.
  • the second flow path sections 622a constitute a part of the liquefaction target flow path 3.
  • the first flow path layer 621 and the second flow path layer 622 are each made of a single metal plate and are bonded to each other by diffusion bonding. Note that the first flow path layer 621 and the second flow path layer 622 do not necessarily have to be made of a single metal plate, but may be made by stacking multiple metal plates. That is, for example, the first flow path layer 621 may be made of two metal plates, and the second flow path layer 622 may be made of three metal plates.
  • the first flow path layer 621 is arranged vertically so that the first flow path section 621a extends in the up-down direction.
  • the second flow path layer 622 is arranged horizontally so that the second flow path section 622a extends in the left-right direction. Note that the flow path layers 621, 622 do not necessarily all need to be arranged horizontally or vertically; for example, some may be arranged vertically, some horizontally, or they may be arranged at an angle.
  • the CO 2 supply header 625 is connected to the CO 2 introduction pipe 64.
  • the CO 2 supply header 625 receives gaseous carbon dioxide introduced from the CO 2 introduction pipe 64 and supplies it to each second flow path portion 622a of the stack 20.
  • the CO2 discharge header 626 is connected to the CO2 discharge pipe 65.
  • the CO2 discharge header 626 collects the carbon dioxide that has been liquefied by flowing through each second flow path portion 622a in the stack 620 and discharges it to the CO2 discharge pipe 65.
  • the stacked heat exchanger 62 has a microchannel structure, but this is not limited to this.
  • it may have a brazed plate fin structure in which a large number of corrugated metal plates and metal plates separating them are alternately stacked, with the spaces between adjacent metal plates forming the first flow path section and the second flow path section.
  • the NG heater 7 is configured as a microchannel laminated heat exchanger, similar to the CO2 liquefier 6. Note that the NG heater 7 is not limited to the microchannel type, and may be a brazed plate fin type or a multi-tube type.
  • the NG heater 7 is constructed by alternately stacking flow path layers (not shown) having a first flow path section 71 (corresponding to a vaporized gas flow path section) through which NG flows, and flow path layers (not shown) having a second flow path section 72 (carbon dioxide flow path section) through which gaseous carbon dioxide flows.
  • the NG flowing through the first flow path section 71 is heated to a predetermined required temperature (5°C in this example) by heat exchange with the gaseous carbon dioxide flowing through the second flow path section 72, while simultaneously pre-cooling the gaseous carbon dioxide.
  • the first flow path section 71 constitutes part of the low-temperature flow path 2
  • the second flow path section 72 constitutes part of the flow path to be liquefied 3.
  • FIG. 4 is a TQ diagram showing temperature changes of the working fluids (LNG, carbon dioxide, and propane constituting the intermediate medium M) of the heat exchange system 1, with the heat quantity (enthalpy) on the horizontal axis and the temperature on the vertical axis.
  • the heat quantity (enthalpy) increases toward the left side of the horizontal axis, and the temperature increases toward the upper side of the vertical axis.
  • the flow rate of LNG flowing through the LNG bypass passage 4 and the flow rate of carbon dioxide flowing through the CO2 bypass passage 5 will be described as zero.
  • LNG is supplied to the CO2 liquefier 6 (see FIG. 1) at ⁇ 150°C from an LNG supply source provided outside the heat exchange system 1.
  • the LNG supplied to the CO2 liquefier 6 increases in heat quantity by heat exchange with propane constituting the intermediate medium M (see FIG. 4).
  • propane constituting the intermediate medium M (see FIG. 4).
  • the LNG is heated from ⁇ 150°C to ⁇ 48°C and vaporized to become NG.
  • the vaporized NG flows into the first flow path section 71 of the NG heater 7 (see Figure 1) at -48°C, where it exchanges heat with the carbon dioxide flowing through the second flow path section 72, increasing its heat content. It is then heated to 5°C (an example of a predetermined required temperature) at the outlet of the NG heater 7 and discharged (see Figure 4).
  • carbon dioxide to be liquefied is supplied to the NG heater 7 as a gas at 30°C from a supply source provided outside the heat exchange system 1.
  • the gaseous carbon dioxide supplied to the NG heater 7 exchanges heat with the NG flowing through the first flow path section 71 of the NG heater 7, gradually reducing its heat content (see FIG. 4). Accordingly, the temperature of the carbon dioxide gradually drops from 30°C and eventually reaches the liquefaction temperature of ⁇ 17.2°C (under a pressure of 2.1 MPa in this example).
  • the carbon dioxide is then supplied to the CO2 liquefier 6 at ⁇ 17.2°C, where it exchanges heat with LNG within the CO2 liquefier 6, reducing its heat content.
  • the carbon dioxide Once the carbon dioxide reaches the liquefaction temperature, it begins to condense from a gas to a liquid. During this condensation section, the carbon dioxide coexists as a gas and a liquid, and its temperature remains constant regardless of the reduction in heat content. When the calorific value of the carbon dioxide further decreases and the condensation section ends, all of the carbon dioxide is liquefied, and then the temperature drops as the calorific value decreases, and finally the carbon dioxide is discharged from the CO2 liquefier 6 as liquid carbon dioxide at ⁇ 42°C (an example of a predetermined required temperature).
  • the propane constituting the intermediate medium M is stored at ⁇ 45° C. in the shell 61 of the CO 2 liquefier 6, and repeatedly evaporates due to heat exchange with carbon dioxide and condenses due to the cold heat of the LNG.
  • the controller 10 is connected to be able to send and receive signals to the LNG pump 8, CO2 compressor 9, LNG main valve 11, CO2 main valve 12, LNG bypass valve 13, CO2 bypass valve 14, intermediate medium temperature sensor 15, first NG temperature sensor 16, second NG temperature sensor 18, and CO2 temperature sensor 17.
  • the controller 10 is configured by a computer having a CPU, ROM, and RAM, and executes various processes that will be described later in the flowchart of FIG.
  • the intermediate medium temperature sensor 15 detects the temperature (liquid temperature) of the intermediate medium M stored in the shell 61 of the CO2 liquefier 6 and transmits the detected temperature information to the controller 10.
  • the first NG temperature sensor 16 detects the temperature of NG supplied to the NG heater 7 and transmits the detected temperature information to the controller 10.
  • the second NG temperature sensor 18 detects the temperature of NG discharged from the NG heater 7 and transmits the detected temperature information to the controller 10.
  • the CO2 temperature sensor 17 detects the temperature of liquefied carbon dioxide discharged from the CO2 liquefier 6 and transmits the detected temperature information to the controller 10.
  • the controller 10 controls the temperature of the intermediate medium M to a predetermined target temperature by controlling the apertures of the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 based on the temperature detected by the intermediate medium temperature sensor 15.
  • This predetermined target temperature is a temperature that is set in advance so that the temperature of the liquefied carbon dioxide discharged from the CO2 liquefier 6 becomes a predetermined required temperature (-42°C in this example) and so that the carbon dioxide does not solidify on the inner surface of the second flow path portion 622a (part of the liquefaction target flow path 3) in the stack 620 in the CO2 liquefier 6.
  • controller 10 controls the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 when controlling the temperature of the intermediate medium M, but this is not limited thereto, and the controller 10 may also be configured to control the LNG bypass valve 13 and the CO2 bypass valve 14 as described below.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of temperature control of the intermediate medium M performed by the controller 10.
  • step SA1 the temperature detected by the intermediate medium temperature sensor 15 is acquired.
  • step SA2 it is determined whether the detected temperature obtained in step SA1 is equal to the predetermined target temperature. If the determination is YES, the process returns to step SA1, while if the determination is NO, the process proceeds to step SA3.
  • step SA3 it is determined whether the detected temperature obtained in step SA1 is lower than the target temperature. If the determination is NO, the process proceeds to step SA5; if the determination is YES, the process proceeds to step SA4.
  • step SA4 control signals are sent to the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 to decrease the opening of the LNG main valve 11 by a predetermined amount and increase the opening of the CO2 main valve 12 by a predetermined amount.
  • the supply amount of carbon dioxide, which is the high-temperature fluid supplied to the CO2 liquefier 6 increases and the supply amount of LNG, which is the low-temperature fluid, decreases, so that the temperature of the intermediate medium M increases and the detected temperature approaches the predetermined target temperature.
  • the predetermined amount may be a predetermined constant or may be set according to the acquired detected temperature.
  • step SA5 which is reached when the determination in step SA3 is NO, control signals are sent to the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 to increase the opening of the LNG main valve 11 by a predetermined amount and decrease the opening of the CO2 main valve 12 by a predetermined amount.
  • the supply amount of carbon dioxide, which is the high-temperature side fluid supplied to the CO2 liquefier 6 decreases and the supply amount of LNG, which is the low-temperature side fluid, increases, so that the temperature of the intermediate medium M decreases and the detected temperature approaches the predetermined target temperature.
  • the predetermined amount may be a predetermined constant or may be set according to the acquired detected temperature.
  • the predetermined amount may be set based on PID control, PI control, PD control, or the like.
  • the heat exchange system 1 of this embodiment includes the intermediate medium temperature sensor 15 that detects the temperature of the intermediate medium M stored in the lower part (liquid reservoir section 61e) of the shell 61 of the CO2 liquefier 6, and the controller 10.
  • the controller 10 is configured to adjust the apertures of the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 so that the temperature detected by the intermediate medium temperature sensor 15 becomes the predetermined target temperature, thereby adjusting the flow rate of LNG and the flow rate of carbon dioxide supplied to the CO2 liquefier 6.
  • the target temperature is a temperature that is set so that the temperature of the liquefied carbon dioxide discharged from the CO2 liquefier 6 becomes a predetermined required temperature and so that the carbon dioxide does not solidify on the inner surface of the second flow path section 622a (part of the liquefaction target flow path 3) provided in the stack 620 of the CO2 liquefier 6.
  • the temperature of the intermediate medium M was determined by chance, and therefore the temperature of the intermediate medium M may become lower than the solidification temperature of carbon dioxide.
  • the temperature of the intermediate medium M is detected by the intermediate medium temperature sensor 15, and the apertures of the LNG main valve 11 and the CO2 main valve 12 are controlled by the controller 10 so that the temperature detected by the intermediate medium temperature sensor 15 becomes a temperature at which carbon dioxide does not solidify (the predetermined target temperature). Therefore, it is possible to prevent the temperature of the intermediate medium M from dropping excessively, which occurs in the conventional case, and to prevent the carbon dioxide from solidifying in the CO2 liquefier 6.
  • the CO2 liquefier 6 includes a laminate 620 including a first flow path layer 621 immersed in the intermediate medium M in the liquid reservoir 61e and having a first flow path portion 621a into which the intermediate medium M penetrates, and a second flow path layer 622 having a second flow path portion 622a that serves as a flow path for carbon dioxide, and a heat transfer tube 63 disposed above the liquid level of the liquid intermediate medium M and through which LNG is introduced and flows.
  • the CO2 liquefier 6 is configured to vaporize a portion of the intermediate medium M by performing heat exchange in the stacked heat exchanger 62 between the intermediate medium M in the first flow path portion 621a and the carbon dioxide in the second flow path portion 622a, and to perform heat exchange between the vaporized intermediate medium M and the LNG flowing through the heat transfer tube 63.
  • the part of the CO2 liquefier 6 that evaporates the intermediate medium M is constructed using a stacked heat exchanger 62, which makes it possible to more reliably suppress the solidification of carbon dioxide in the CO2 liquefier 6 while reducing the overall size of the CO2 liquefier 6.
  • the stacked heat exchanger 62 typically has a heat transfer section made of thinner materials and a larger heat transfer area per unit volume. Therefore, the temperature difference between the intermediate medium M, which is the low-temperature fluid in the stacked heat exchanger 62, and the carbon dioxide, which is the high-temperature fluid, can be minimized. In other words, the target temperature of the intermediate medium can be set as high as possible. Therefore, even if the required temperature of the liquefied carbon dioxide discharged from the CO2 liquefier 6 is close to its solidification temperature (e.g., ⁇ 56°C), it is possible to minimize the temperature of the intermediate medium M falling below the solidification temperature of the carbon dioxide. Therefore, compared to a multi-tubular heat exchanger, the solidification of carbon dioxide in the CO2 liquefier 6 can be minimized.
  • solidification temperature e.g., ⁇ 56°C
  • the heat exchange system 1 also includes a NG heater 7 provided downstream of the CO2 liquefier 6 in the LNG flow direction.
  • the NG heater 7 is configured to perform heat exchange between NG vaporized from LNG in the CO2 liquefier 6 and carbon dioxide gas in the liquefaction target flow path 3, thereby heating the NG to a predetermined required temperature and pre-cooling the carbon dioxide gas.
  • the NG discharged from the CO2 liquefier 6 can be heated to a predetermined required temperature by the NG heater 7. Therefore, the usability of the heat exchange system 1 as a vaporized gas generation system can be improved.
  • the NG heater 7 is composed of a stacked heat exchanger in which a flow path layer (not shown) having a first flow path section 71 (corresponding to the vaporized gas flow path section) that serves as a flow path for NG and a flow path layer (not shown) having a second flow path section 72 (corresponding to the carbon dioxide flow path section) that serves as a flow path for carbon dioxide are stacked, and is configured to perform heat exchange between the carbon dioxide flowing through the second flow path section 72 and the NG flowing through the first flow path section 71.
  • Modification of the first embodiment 5 showing a modification of the first embodiment.
  • This modification differs from the first embodiment in that the LNG pump 8 and the CO2 compressor 9 are controlled when controlling the temperature of the intermediate medium M.
  • the same processes as those in the first embodiment will be omitted as appropriate.
  • Steps SB1 to SB3 perform the same processing as steps SA1 to SA4 in embodiment 1.
  • step SB4 which is reached when the determination in step SB3 is YES, control signals are sent to the LNG pump 8 and the CO2 compressor to reduce the discharge flow rate of the LNG pump 8 by a predetermined amount and increase the discharge flow rate of the CO2 compressor 9 by a predetermined amount.
  • the supply amount of carbon dioxide, which is the high-temperature side fluid supplied to the CO2 liquefier 6 increases and the supply amount of LNG, which is the low-temperature side fluid, decreases, so that the temperature of the intermediate medium M increases and the detected temperature approaches the predetermined target temperature.
  • the predetermined amount may be a predetermined constant or may be set according to the acquired detected temperature.
  • step SB5 which is reached when the determination in step SB3 is NO, control signals are sent to the LNG pump 8 and the CO2 compressor to increase the discharge flow rate of the LNG pump 8 by a predetermined amount and decrease the discharge flow rate of the CO2 compressor 9 by a predetermined amount.
  • the supply amount of carbon dioxide, which is the high-temperature side fluid supplied to the CO2 liquefier 6 decreases and the supply amount of LNG, which is the low-temperature side fluid, increases, so that the temperature of the intermediate medium M decreases and the detected temperature approaches the predetermined target temperature.
  • the predetermined amount may be a predetermined constant or may be set according to the acquired detected temperature.
  • the predetermined amount may be set based on PID control, PI control, PD control, or the like.
  • the temperature of the intermediate medium M can be controlled to the target temperature by controlling the LNG pump 8 and the CO2 compressor 9 (an example of a flow rate adjusting unit) by the controller 10. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • (Embodiment 2) 7 is a view corresponding to FIG. 5 showing a second embodiment.
  • This embodiment differs from the above-described embodiment in that the opening degrees of the LNG bypass valve 13 and the CO2 bypass valve 14 are controlled when controlling the temperature of the intermediate medium M.
  • the same processes as those in the first embodiment will be omitted as appropriate.
  • Steps SC1 to SC3 perform the same processing as steps SA1 to SA3 in embodiment 1.
  • step SC4 control signals are sent to the CO2 bypass valve 14 and the LNG bypass valve 13 to increase the opening degree of the CO2 bypass valve 14 by a predetermined amount and to increase the opening degree of the LNG bypass valve 13 by a predetermined amount.
  • the proportion of carbon dioxide that does not pass through the NG heater 7 i.e., carbon dioxide that is not pre-cooled
  • the supply amount of LNG that is the low-temperature side fluid supplied to the CO2 liquefier 6 decreases, so that the temperature of the intermediate medium M increases and the detected temperature approaches the predetermined target temperature.
  • the predetermined amount may be a predetermined constant or may be set according to the acquired detected temperature.
  • step SC5 which is reached when the determination in step SC3 is NO, control signals are sent to the CO2 bypass valve 14 and the LNG bypass valve 13 to reduce the aperture of the CO2 bypass valve 14 by a predetermined amount and reduce the aperture of the LNG bypass valve 13 by a predetermined amount.
  • the proportion of carbon dioxide passing through the NG heater 7 i.e., pre-cooled carbon dioxide
  • the supply amount of LNG serving as the low-temperature fluid supplied to the CO2 liquefier 6 increases.
  • the temperature of the intermediate medium M decreases, and the detected temperature approaches the predetermined target temperature.
  • the predetermined amount may be a predetermined constant or may be set according to the acquired detected temperature.
  • the predetermined amount may be set based on PID control, PI control, PD control, or the like.
  • the temperature of the intermediate medium M can be controlled to the target temperature by controlling the LNG bypass valve 13 and the CO2 bypass valve 14 (an example of a flow rate adjusting unit) by the controller 10. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • the configuration of this embodiment in which the temperature of the intermediate medium M is controlled by controlling the LNG bypass valve 13 and the CO2 bypass valve 14, there is no need to change the flow rates of the LNG and carbon dioxide supplied to the heat exchange system 1, as compared to the case in which the main valves 11, 12 are adjusted as in the first embodiment. Therefore, the configuration of this embodiment is particularly useful, for example, in the case in which the post-vaporization flow rate of LNG and the post-liquefaction flow rate of carbon dioxide in the heat exchange system 1 need to be maintained at predetermined required flow rates (constant values).
  • downstream end of the LNG bypass flow path 4 is connected to the upstream side of the NG heater 7, not the downstream side, thereby making it possible to prevent the bypassed liquid LNG from remaining at the outlet of the heat exchange system 1 (the downstream end of the low-temperature flow path 2).
  • downstream end of the CO2 bypass flow path 5 is connected to the upstream side of the CO2 liquefier 6, not the downstream side, thereby making it possible to prevent the bypassed gaseous CO2 from remaining at the outlet of the heat exchange system 1 (the downstream end of the liquefaction target flow path 3).
  • the first NG temperature sensor 16 detects the temperature of the NG flowing into the NG heater 7, and the LNG bypass valve 13 is controlled so that the detected NG temperature does not fall below a predetermined lower limit temperature (for example, the solidification temperature of CO2 -56°C), thereby preventing the carbon dioxide from solidifying.
  • a predetermined lower limit temperature for example, the solidification temperature of CO2 -56°C
  • the heat exchange system 1 includes the LNG bypass flow path 4, the CO2 bypass flow path 5, the LNG bypass valve 13, and the CO2 bypass valve 14.
  • the present invention is not limited to this. In other words, these are not necessarily required in the first embodiment.
  • the heat exchange system 1 may be configured without the bypass flow paths 4 and 5 and the bypass valves 13 and 14.
  • downstream end of the LNG bypass flow path 4 is connected to the upstream side of the NG heater 7, and the downstream end of the CO2 bypass flow path 5 is connected to the upstream side of the CO2 liquefier 6.
  • the present invention is not limited to this.
  • the downstream end of the LNG bypass flow path 4 may be connected to the downstream side of the NG heater 7, and the downstream end of the CO2 bypass flow path 5 may be connected to the downstream side of the CO2 liquefier 6.
  • processing may be performed to decrease the aperture of the CO2 bypass valve 14 by a predetermined amount and increase the aperture of the LNG bypass valve 13 by a predetermined amount
  • processing may be performed to increase the aperture of the CO2 bypass valve 14 by a predetermined amount and decrease the aperture of the LNG bypass valve 13 by a predetermined amount, thereby achieving the same effects as those of the second embodiment.
  • both the flow rate of carbon dioxide and the flow rate of LNG supplied to the CO2 liquefier 6 are adjusted (steps SA4 to SC4 and steps SA5 to SC5).
  • the flow rate adjustment unit may have any configuration as long as it is configured to be able to adjust at least one of the flow rate of the low-temperature liquefied gas (LNG, as an example) and the flow rate of carbon dioxide supplied to the CO2 liquefier 6.
  • LNG low-temperature liquefied gas
  • the intermediate medium temperature sensor 15 is configured to detect the temperature (liquid temperature) of the intermediate medium M, but this is not limited to this. It may also be configured to detect the temperature of the intermediate medium gas (i.e., the temperature of the gas phase) as a temperature correlated with the temperature of the intermediate medium M, or to detect the wall surface temperature, etc. Also, instead of the intermediate medium temperature sensor 15, a pressure sensor that detects the pressure of the intermediate medium M may be provided, and the controller may detect the saturation temperature of the pressure detected by the pressure sensor as a temperature correlated with the temperature of the intermediate medium M. In this case, the pressure sensor and controller function as a temperature detection unit.
  • the heat exchange system 1 includes a NG heater 7, but this is not limited thereto, and the heat exchange system 1 may be configured without the NG heater 7.
  • the intermediate medium M is made of propane, but this is not limited to this.
  • the intermediate medium M may be made of, for example, a mixture of difluoromethane and pentafluoroethane (R410A) or difluoromethane (R32). This allows the intermediate medium M to be made inexpensively and with high thermal conductivity.
  • LNG is given as an example of a low-temperature liquefied gas.
  • the present invention is not limited to this, and the low-temperature liquefied gas may be, for example, liquid hydrogen (LH 2 ).
  • the gaseous carbon dioxide supplied to the flow path 3 may contain impurities such as nitrogen, which have a low melting point.
  • the fluid supplied to the flow path 3 to be liquefied may be any fluid that contains carbon dioxide.
  • the temperature of the LNG at the LNG supply port 61a (LNG inlet) of the CO2 liquefier 6 is set to -150°C, but this is not limited thereto. That is, the temperature of the LNG flowing into the CO2 liquefier 6 may be any temperature that does not interfere with the liquefaction of carbon dioxide in the CO2 liquefier 6, that causes the temperature of the carbon dioxide discharged from the CO2 liquefier 6 to reach a predetermined required temperature, and that does not solidify the carbon dioxide in the CO2 liquefier 6.
  • the temperature of the LNG supplied from the LNG supply port 61a to the CO2 liquefier 6 is set to a temperature at which all of the gaseous carbon dioxide supplied to the liquefaction target flow path 3 can be liquefied.
  • the temperature may be set to a temperature at which only a portion of the carbon dioxide can be liquefied.
  • the temperature of the NG at the inlet of the low-temperature flow path 2 of the NG heater 7 is -48°C (see Figure 4), but this is not limited to this and may be, for example, between -50°C and -60°C.
  • the temperature of the NG flowing into the NG heater 7 may be any temperature as long as the temperature of the carbon dioxide discharged from the NG heater 7 reaches the predetermined required temperature at the discharge position and the carbon dioxide does not solidify in the NG heater 7.
  • the present invention includes any combination of the above-described embodiments and modified examples. Therefore, for example, the aperture control of the main valves 11 and 12 disclosed in the first embodiment and the aperture control of the bypass valves 13 and 14 disclosed in the second embodiment may be used in combination. Also, for example, the flow rate of LNG may be adjusted by adjusting the aperture of the LNG main valve 11, and the flow rate of carbon dioxide may be adjusted by adjusting the aperture of the CO2 bypass valve 14. Also, for example, the flow rate of LNG may be adjusted by adjusting the aperture of the LNG bypass valve 13, and the flow rate of carbon dioxide may be adjusted by adjusting the aperture of the CO2 main valve 12.
  • the heat exchange system of the first invention is a heat exchange system that liquefies carbon dioxide using the cold energy of a low-temperature liquefied gas, and includes a low-temperature flow path through which the low-temperature liquefied gas is introduced and flows, a flow path to be liquefied through which gaseous carbon dioxide is introduced and flows, a first heat exchanger that is arranged across the low-temperature flow path and the flow path to be liquefied and that vaporizes the low-temperature liquefied gas and liquefies the carbon dioxide by performing heat exchange via an intermediate medium between the low-temperature liquefied gas flowing through the low-temperature flow path and the carbon dioxide flowing through the flow path to be liquefied, and a temperature exchanger that is a temperature of the intermediate medium or a temperature correlated to that temperature.
  • the first heat exchanger a flow rate adjusting unit that can adjust the flow rate of at least one of the low-temperature liquefied gas supplied to the low-temperature flow path of the first heat exchanger and the carbon dioxide supplied to the flow path to be liquefied of the first heat exchanger; and a control unit that controls the flow rate adjusting unit so that the temperature detected by the temperature detecting unit becomes a predetermined target temperature, the predetermined target temperature being a temperature that is set so that the temperature of the liquefied carbon dioxide discharged from the first heat exchanger becomes a predetermined required temperature and so that the carbon dioxide does not solidify on the inner surface of the flow path to be liquefied of the first heat exchanger.
  • the flow rate adjustment unit can be used to reduce the flow rate of the low-temperature liquefied gas supplied to the low-temperature flow path of the first heat exchanger. This reduces the amount of cooling of the intermediate medium due to the cold energy of the low-temperature liquefied gas, allowing the temperature of the intermediate medium to be raised and the temperature detected by the temperature detection unit to approach the target temperature.
  • the supply flow rate of carbon dioxide which is the high-temperature fluid, may be increased, or the flow rate controls of the low-temperature liquefied gas and carbon dioxide may be used in combination.
  • the flow rate of the low-temperature liquefied gas supplied to the low-temperature flow path of the first heat exchanger can be increased by the flow rate adjustment unit.
  • This increases the amount of cooling of the intermediate medium due to the cold energy of the low-temperature liquefied gas, thereby lowering the temperature of the intermediate medium and bringing the temperature detected by the temperature detection unit closer to the predetermined target temperature.
  • the supply flow rate of carbon dioxide which is a high-temperature fluid, can be reduced, or the flow rates of the low-temperature liquefied gas and carbon dioxide can be controlled in combination. In this way, by controlling the temperature of the intermediate medium that directly exchanges heat with the carbon dioxide, it is possible to prevent the carbon dioxide from solidifying and control the temperature of the liquefied carbon dioxide to the predetermined required temperature.
  • the first heat exchanger preferably includes a liquid reservoir section in which the liquid intermediate medium is stored, a stacked heat exchanger formed by stacking a flow path layer immersed in the intermediate medium stored in the liquid reservoir section and having an intermediate medium flow path section into which the intermediate medium penetrates, and a flow path layer having a carbon dioxide flow path section that serves as a flow path for the carbon dioxide, and a heat transfer tube disposed above the liquid level of the intermediate medium stored in the liquid reservoir section and through which the low-temperature liquefied gas flows, and is configured such that heat exchange between the intermediate medium in the intermediate medium flow path section and the carbon dioxide in the carbon dioxide flow path section in the stacked heat exchanger is performed to vaporize at least a portion of the intermediate medium, and heat exchange between the vaporized intermediate medium and the low-temperature liquefied gas flowing in the heat transfer tube is performed to condense the intermediate medium, and the low-temperature liquefied gas is vaporized by the condensation heat generated by the
  • the portion of the first heat exchanger that evaporates the intermediate medium is constructed using a stacked heat exchanger, making it possible to more reliably suppress the solidification of carbon dioxide in the first heat exchanger while reducing the size of the first heat exchanger.
  • a stacked heat exchanger typically has a heat transfer section made of thinner materials and a larger heat transfer area per unit volume, making it possible to liquefy carbon dioxide while minimizing the temperature difference between the intermediate medium, which is the low-temperature fluid in the stacked heat exchanger, and the carbon dioxide, which is the high-temperature fluid.
  • the target temperature of the intermediate medium can be set as high as possible. Therefore, even if the required temperature of the carbon dioxide after liquefaction is close to its solidification temperature (e.g., -56°C), it is possible to minimize the temperature of the intermediate medium falling below the solidification temperature of carbon dioxide. Therefore, compared to when the first heat exchanger is constructed as a multi-tubular heat exchanger, it is possible to minimize the solidification of carbon dioxide in the first heat exchanger.
  • the system further includes a second heat exchanger that is provided downstream of the first heat exchanger in the flow direction of the low-temperature liquefied gas and performs heat exchange between the vaporized gas vaporized from the low-temperature liquefied gas in the first heat exchanger and the carbon dioxide flowing through the liquefaction target flow path, thereby heating the vaporized gas to a predetermined required temperature while pre-cooling the carbon dioxide.
  • a second heat exchanger that is provided downstream of the first heat exchanger in the flow direction of the low-temperature liquefied gas and performs heat exchange between the vaporized gas vaporized from the low-temperature liquefied gas in the first heat exchanger and the carbon dioxide flowing through the liquefaction target flow path, thereby heating the vaporized gas to a predetermined required temperature while pre-cooling the carbon dioxide.
  • the vaporized gas discharged from the first heat exchanger can be heated to a predetermined required temperature by the second heat exchanger, while simultaneously pre-cooling the carbon dioxide to be liquefied.
  • the predetermined required temperature refers to, for example, any temperature required (set) by the user depending on the application.
  • the second heat exchanger is preferably a laminated heat exchanger in which a flow path layer having a carbon dioxide flow path section that serves as a flow path for the carbon dioxide and a flow path layer having a vaporized gas flow path section that serves as a flow path for the vaporized gas are stacked, and is configured to perform heat exchange between the carbon dioxide flowing through the carbon dioxide flow path section and the vaporized gas flowing through the vaporized gas flow path section.
  • the entire heat exchange system can be made compact.
  • the intermediate medium consists of one of a mixture of difluoromethane and pentafluoroethane, difluoromethane, and propane.
  • the intermediate medium can be constructed inexpensively and with high thermal conductivity.

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Abstract

熱交換システム（１）は、低温流路（２）及び液化対象流路（３）に跨がって配置されるとともに、低温流路（２）を流れる低温液化ガスと液化対象流路（３）を流れる二酸化炭素との間で中間媒体（Ｍ）を介して熱交換を行わせることで、前記低温液化ガスを気化するとともに前記二酸化炭素を液化する第１熱交換器（６）と、中間媒体（Ｍ）の温度又は当該温度と相関する温度を検出する温度検出部（１５）と、第１熱交換器（６）に供給される低温液化ガス及び二酸化炭素の少なくとも一方の流量を調整可能な流量調整部（１１，１２）と、温度検出部（１５）による検出温度が所定の目標温度になるように流量調整部（１１，１２）を制御する制御部（１０）とをさらに備えている。前記所定の目標温度は、液化対象流路（３）の内面において二酸化炭素が固化しないような温度である。

Description

熱交換システム
　本発明は、熱交換システムに関する。
　従来、液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）や液化水素等の低温液化ガスの冷熱を利用して二酸化炭素を液化する熱交換システムが知られている。
　この種の熱交換システムとして、中間媒体式の熱交換器を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器は、液状の中間媒体が貯留されたシェルと、加温媒体が流れる熱源管と、被加温媒体である低温液化ガスが流れる伝熱管とを有している。前記熱源管は、シェル内の中間媒体に浸漬されている。前記熱交換器では、熱源管内を流れる加温媒体の保有熱により中間媒体を蒸発させるとともに、蒸発させた中間媒体と伝熱管内の液化ガスとを熱交換させることにより、中間媒体を凝縮させ、その凝縮熱（当該中間媒体の凝縮に伴って発生する凝縮熱）で低温液化ガスを気化する。
　ところで、特許文献１に示す熱交換システムにおいて、加温媒体として気体の二酸化炭素を採用することが考えられる。この場合、二酸化炭素の保有熱により中間媒体を介して低温液化ガスが気化されるとともに、二酸化炭素は中間媒体の冷熱により液化される。二酸化炭素の液化技術は、近年ではカーボンニュートラルへの要求が高まる中で二酸化炭素の液化回収等にも利用されるためその重要性が増している。
　しかしながら、従来の中間媒体式の熱交換器では、中間媒体の温度は、熱源管を流れる二酸化炭素による中間媒体の気化能力（蒸発能力）と、伝熱管を流れる低温液化ガスによる中間媒体の凝縮能力とのバランスにより成り行きで決まる。このため、この成り行きで決まった中間媒体の温度が、二酸化炭素の固化温度（一般的な貯蔵及び輸送時の圧力では－５６℃）よりも低いと、中間媒体の冷熱により二酸化炭素が固化する虞がある。
　また、前記従来の中間媒体式の熱交換器では、被加温媒体がＬＮＧであり、加温媒体（熱源媒体）が水であるケースが多く、その場合は加温媒体の水については凍結しない温度となっていればよい。換言すると、水の熱交換後の温度範囲については下限が凍結しない温度となっていることに留意すればよく、上限の温度は留意する必要がない。しかし、上述のように、被加温媒体であるＬＮＧを気化させると同時に加温媒体である二酸化炭素を液化させる場合、二酸化炭素は水と比べて液体として存在するための温度条件範囲が狭いため、気体の二酸化炭素を液化させるための十分な冷熱を与えつつ熱交換後の二酸化炭素の温度範囲の下限だけでなく、上限についても所定温度以下となるようにする必要がある。このため、中間媒体の温度が高過ぎると二酸化炭素の温度が液体として存在可能な前記所定温度を超えてしまう結果、二酸化炭素の液化不良が発生するという問題がある。
特許第５４０９４４０号公報
　本発明は、低温液化ガスの冷熱を利用して二酸化炭素を液化させる熱交換システムにおいて、二酸化炭素が過度の冷却による固化及び二酸化炭素の冷却不足に起因する液化不良を抑制することを目的とする。
　本発明に係る熱交換システムは、低温液化ガスの冷熱を利用して二酸化炭素を液化させる熱交換システムであって、前記低温液化ガスが導入されて流れる低温流路と、気体の二酸化炭素が導入されて流れる液化対象流路と、前記低温流路及び前記液化対象流路に跨がって配置されるとともに、当該低温流路を流れる低温液化ガスと当該液化対象流路を流れる二酸化炭素との間で中間媒体を介して熱交換を行わせることで、前記低温液化ガスを気化するとともに前記二酸化炭素を液化する第１熱交換器と、前記中間媒体の温度又は当該温度と相関する温度を検出する温度検出部と、前記第１熱交換器の前記低温流路に供給される低温液化ガスと当該第１熱交換器の液化対象流路に供給される二酸化炭素との少なくとも一方の流量を調整可能な流量調整部と、前記温度検出部による検出温度が所定の目標温度になるように前記流量調整部を制御する制御部と、をさらに備え、前記所定の目標温度は、前記第１熱交換器から排出される前記液化した二酸化炭素の温度が所定の要求温度になるように且つ前記第１熱交換器の前記液化対象流路の内面において当該二酸化炭素が固化しないように設定された温度である。
図１は、実施形態１における熱交換システムの構成を概略的に示す系統図である。 図２は、ＣＯ２液化器に設けられた積層型熱交換器を示す斜視図である。 図３は、図２の積層型熱交換器をＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した切断斜視図である。 図４は、横軸に熱量（エンタルピ）をとり縦軸に温度をとって熱交換システムの作動流体の温度変化を示したＴＱ線図である。 図５は、コントローラにより実行される中間媒体の温度制御の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施形態１の変形例を示す図５相当図である。 図７は、実施形態２を示す図５相当図である。 図８は、他の実施形態を示す図１相当図である。 図９は、他の実施形態を示す図１相当図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
　（実施形態１）
　図１は、実施形態１における熱交換システム１の構成を概略的に示す系統図である。この熱交換システム１は、低温液化ガスの一例である液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）の冷熱を利用して気体の二酸化炭素を液化させるとともに、ＬＮＧを気化させて天然ガス（以下、ＮＧという）にする機能を有している。
　［熱交換システムの全体構成］
　具体的には、この熱交換システム１は、ＬＮＧが導入されて流れる低温流路２と、液化対象である気体の二酸化炭素が導入されて流れる液化対象流路３と、後述するＬＮＧバイパス流路４及びＣＯ２バイパス流路５と、低温流路２を流れるＬＮＧと液化対象流路３を流れる二酸化炭素との間で熱交換を行わせることでＬＮＧを気化させるとともに二酸化炭素を液化するＣＯ２液化器６（第１熱交換器に相当）と、ＣＯ２液化器６にてＬＮＧから気化したＮＧと液化対象流路３を流れる二酸化炭素との間で熱交換を行わせることでＮＧを所定の要求温度まで加温するＮＧ加温器７（第２熱交換器に相当）と、温度検出部としての中間媒体温度センサ１５と、制御部としてのコントローラ１０とを備えている。そして、前記ＣＯ２液化器６が第１熱交換器に相当し、ＮＧ加温器７が第２熱交換器に相当する。なお、前記所定の要求温度とは、ユーザが用途に応じて要求（設定）する任意の温度である。
　前記ＮＧ加温器７は、低温流路２におけるＬＮＧの流れ方向においてＣＯ２液化器６よりも下流側に配置されている。
　前記ＬＮＧバイパス流路４は、低温流路２から分岐して、ＣＯ２液化器６をバイパスするように配置されている。すなわち、ＬＮＧバイパス流路４は、低温流路２におけるＣＯ２液化器６よりも上流側の部位に接続される上流側端部と、低温流路２におけるＣＯ２液化器６よりも下流側で且つＮＧ加温器７よりも上流側の部位に接続される下流側端部とを有している。低温流路２におけるＬＮＧバイパス流路４の下流側端部との接続位置とＮＧ加温器７との間には第１ＮＧ温度センサ１６が接続されている。また、低温流路２における加温器７よりも下流側には、第２ＮＧ温度センサ１８が接続されている。
　前記ＣＯ２バイパス流路５は、液化対象流路３から分岐して、ＮＧ加温器７をバイパスするように配置されている。すなわち、ＣＯ２バイパス流路５は、液化対象流路３におけるＮＧ加温器７よりも上流側の部位に接続される上流側端部と、液化対象流路３におけるＮＧ加温器７よりも下流側で且つＣＯ２液化器６よりも上流側の部位に接続される下流側端部とを有している。液化対象流路３におけるＣＯ２液化器６よりも下流側には、ＣＯ２温度センサ１７が接続されている。
　前記熱交換システム１は、ＬＮＧバイパス流路４に配置されたＬＮＧバイパス弁１３と、ＣＯ２バイパス流路５に配置されたＣＯ２バイパス弁１４と、低温流路２の上流側端部に配置されたＬＮＧ主弁１１と、液化対象流路３の上流側端部に配置されたＣＯ２主弁１２と、ＬＮＧ主弁１１よりも上流側に配置されたＬＮＧポンプ８と、ＣＯ２主弁１２よりも上流側に配置されたＣＯ２圧縮機９とをさらに有している。ＬＮＧポンプ８、ＣＯ２圧縮機９、ＬＮＧ主弁１１、ＣＯ２主弁１２、ＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４は、コントローラ１０によって制御可能に構成されている。
　コントローラ１０は、熱交換システム１の運転動作中は、ＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２の開度を制御してＣＯ２液化器６内の中間媒体Ｍの温度を制御する。但し、ＬＮＧとＣＯ２の流量を変更することが許容されない場合は、ＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２をそれぞれ所定開度に維持しつつ、ＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４の開度を制御してＣＯ２液化器６内の中間媒体Ｍの温度を制御する。
　［液化器の構成］
　ＣＯ２液化器６は、本例では中間媒体式の熱交換器により構成されている。具体的には、ＣＯ２液化器６は、シェル６１と、積層型熱交換器６２と、多数の伝熱管６３とを有している。なお、図１では、見易さを考慮して多数の伝熱管６３を一本の流路ラインとして示している。
　シェル６１は、水平方向に長い密閉状の中空タンクからなる。前記シェル６１の下部には、液状の中間媒体Ｍ（本例では、一例としてプロパン）が貯留されている。そうして、シェル６１の下部が液溜部６１ｅとして機能する。
　シェル６１の上部壁には、シェル６１内の伝熱管６３にＬＮＧを供給するためのＬＮＧ供給口６１ａと、伝熱管６３内にて気化したＮＧを排出するためのＮＧ排出口６１ｂとが形成されている。伝熱管６３は、低温流路２の一部を構成している。
　また、シェル６１の下部壁には、シェル６１内の積層型熱交換器６２に二酸化炭素を供給するためのＣＯ２供給口６１ｃと、積層型熱交換器６２にて液化された二酸化炭素を排出するためのＣＯ２排出口６１ｄとが形成されている。ＣＯ２供給口６１ｃと積層型熱交換器６２とはシェル６１内に配置されたＣＯ２導入管６４を介して接続されている。ＣＯ２排出口６１ｄと積層型熱交換器６２とは、シェル６１内に配置されたＣＯ２導出管６５を介して接続されている。ＣＯ２導入管６４及びＣＯ２導出管６５は共に前記中間媒体Ｍに浸漬されている。ＣＯ２導入管６４及びＣＯ２導出管６５は、必ずしも中間媒体Ｍに浸漬されている必要はなく、中間媒体Ｍの液面よりも上側を通るように配置されていてもよい。
　積層型熱交換器６２は、その全体が前記中間媒体Ｍに浸漬されている。積層型熱交換器６２は、ＣＯ２導入管６４より供給される気体の二酸化炭素と前記中間媒体Ｍとの間で熱交換を行わせることにより、当該中間媒体Ｍの一部を気化させるとともに二酸化炭素を液化させてＣＯ２導出管６５内に排出する。また、積層型熱交換器６２は、必ずしもその全体が当該中間媒体Ｍに浸漬されている必要はなく、その一部のみが中間媒体Ｍに浸漬されていてもよい。積層型熱交換器６２の詳細については後述する。
　前記多数の伝熱管６３は、シェル６１に貯留された中間媒体Ｍの液面よりも上側に配置されている。各伝熱管６３は、シェル６１内においてＵ字状に湾曲して水平に配置されている。各伝熱管６３の一端部は、図示しない集合管を介してシェル６１のＬＮＧ供給口６１ａに接続され、各伝熱管６３の他端部は図示しない集合管を介してシェル６１のＮＧ排出口６１ｂに接続されている。なお、各伝熱管６３は必ずしも複数設ける必要はなく１つであってもよい。また、伝熱管６３の形状についても必ずしもＵ字状である必要はなく、例えば直線状など如何なる形状であってもよい。
　前記のように構成されたＣＯ２液化器６では、中間媒体Ｍに浸漬された積層型熱交換器６２にＣＯ２導入管６４を介して気体の二酸化炭素が供給されると、液状の中間媒体Ｍと当該二酸化炭素との間で熱交換が行われる。この結果、液状の中間媒体Ｍの少なくとも一部が蒸発して中間媒体ガスとなり伝熱管６３内のＬＮＧとの間で熱交換を行う。そうして、中間媒体ガスは、伝熱管６３内のＬＮＧにより冷却されて凝縮される一方、伝熱管６３内のＬＮＧは中間媒体ガスの凝縮熱により加熱されてＮＧ（気化ガスの一例）となり、後述のＮＧ加温器７に供給される。前記凝縮された中間媒体ガスは、液状の中間媒体Ｍとなり、シェル６１の下部に落ちる。そうして、中間媒体Ｍは、シェル６１内において液化とガス化とを交互に繰り返して循環する。そして、積層型熱交換器６２とシェル６１とは、中間媒体Ｍを蒸発させる中間媒体蒸発部Ｅ１として機能する。また、伝熱管６３とシェル６１とは、ＬＮＧを気化させる液化ガス気化部Ｅ２として機能する。
　次に、図２及び図３を参照して、上述した積層型熱交換器６２の詳細を説明する。図２は、積層型熱交換器６２を示す斜視図であり、図３は、図２の積層型熱交換器６２をＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した切断斜視図である。また、以下では、各図の方向軸に示す前後左右の定義に基づいて説明を行うが、これらの定義は本発明の構成を限定するものではない。
　積層型熱交換器６２は、左右方向に長い略直方体状の積層体６２０と、積層体６２０の左側面を覆うＣＯ２供給ヘッダ６２５と、積層体６２０の右側面を覆うＣＯ２排出ヘッダ６２６とを備えている。
　積層体６２０は、その前後方向の両端に位置する一対の端板６２３と、一対の端板６２３の間に挟まれて前後方向に交互に積層された第１流路層６２１及び第２流路層６２２とを有している。第１流路層６２１には、シェル６１の下部（液溜部６１ｅ）に貯留された前記中間媒体Ｍが浸入する多数の第１流路部６２１ａ（中間媒体流路部に相当）が凹設されている。第２流路層６２２には、ＣＯ２導入管６４から供給される二酸化炭素が流れる多数の第２流路部６２２ａ（二酸化炭素流路部に相当。図３参照）が形成されている。そうして、第１流路層６２１の第１流路部６２１ａに浸入した中間媒体Ｍと、第２流路層６２２の第２流路部６２２ａを流れる二酸化炭素との間で熱交換が行われることで、中間媒体Ｍが加温されて気化されるとともに二酸化炭素が冷却されて液化される。なお、第２流路部６２２ａは、液化対象流路３の一部を構成している。
　第１流路層６２１及び第２流路層６２２は、それぞれ１枚の金属板により構成されていて拡散接合により互いに接合されている。なお、第１流路層６２１及び第２流路層６２２は、必ずしも１枚の金属板により構成されている必要はなく、複数の金属板を積層して構成されていてもよい。すなわち、例えば第１流路層６２１を２枚の金属板で構成して、第２流路層６２２を３枚の金属板で構成するようにしてもよい。
　第１流路層６２１は、第１流路部６２１ａが上下方向に延びるように鉛直配置されている。第２流路層６２２は、第２流路部６２２ａが左右方向に延びるように水平配置されている。なお、各流路層６２１，６２２は必ずしもすべてが水平又は鉛直に配置する必要はなく、例えば一部が垂直、一部が水平に配置されていてもよいし斜めに傾斜して配置されていてもよい。
　前記ＣＯ２供給ヘッダ６２５は、前記ＣＯ２導入管６４に接続されている。ＣＯ２供給ヘッダ６２５は、該ＣＯ２導入管６４より導入される気体の二酸化炭素を受入れて積層体２０の各第２流路部６２２ａに供給する。
　ＣＯ２排出ヘッダ６２６は、前記ＣＯ２導出管６５に接続されている。ＣＯ２排出ヘッダ６２６は、積層体６２０内の各第２流路部６２２ａを流れることで液化した二酸化炭素を集合させてＣＯ２導出管６５に排出する。
　なお、図２及び図３の例では、積層型熱交換器６２は、マイクロチャネル式の構造を有しているが、これに限ったものではなく、例えば、波形に形成された多数の金属板とそれを仕切る金属板が交互に積層されるとともに、隣接する金属板間の空間が第１流路部及び第２流路部として形成されるろう付プレートフィン式の構造を有していてもよい。
　［ＮＧ加温器の構成］
　図１に戻って、前記ＮＧ加温器７の構成を説明する。ＮＧ加温器７は、ＣＯ２液化器６と同様にマイクロチャネル式の積層型熱交換器によって構成されている。なお、ＮＧ加温器７は、マイクロチャネル式に限らずろう付プレートフィン式や多管式であってもよい。
　具体的には、ＮＧ加温器７は、ＮＧが流れる第１流路部７１（気化ガス流路部に相当）を有する流路層（図示省略）と、気体の二酸化炭素が流れる第２流路部７２（二酸化炭素流路部）を有する流路層（図示省略）とを交互に積層して構成されている。第１流路部７１を流れるＮＧは、第２流路部７２を流れる気体の二酸化炭素との間で熱交換することにより所定の要求温度（本例では一例として５℃）まで加温されると同時に気体の二酸化炭素を予冷する。前記第１流路部７１は、低温流路２の一部を構成し、前記第２流路部７２は液化対象流路３の一部を構成している。
　［基本動作の説明］
　次に、図１及び図４を参照しながら、熱交換システム１の基本動作を説明する。図４は、横軸に熱量（エンタルピ）をとり縦軸に温度をとって前記熱交換システム１の各作動流体（ＬＮＧ、二酸化炭素及び中間媒体Ｍを構成するプロパン）の温度変化を示したＴＱ線図である。このＴＱ線図では、横軸の左側に向かうほど熱量（エンタルピ）が大きいことを示し、縦軸の上側に向かうほど温度が高いことを示している。尚、図４では、説明を簡略化するためにＬＮＧバイパス流路４を流れるＬＮＧの流量及びＣＯ２バイパス流路５を流れる二酸化炭素の流量が０であるものとして説明を行う。
　ＬＮＧは、熱交換システム１の外部に設けられたＬＮＧ供給源より－１５０℃の状態でＣＯ２液化器６（図１参照）に供給される。ＣＯ２液化器６に供給されたＬＮＧは、中間媒体Ｍを構成するプロパンとの間で熱交換を行うことにより熱量が増加する（図４参照）。これにより、ＬＮＧは－１５０℃から－４８℃まで加温されて気化することでＮＧとなる。
　気化されたＮＧは、ＮＧ加温器７（図１参照）の第１流路部７１に－４８℃で流入して、第２流路部７２を流れる二酸化炭素との間で熱交換を行うことで熱量が増加し、ＮＧ加温器７の出口では５℃（所定の要求温度の一例）まで加温されて排出される（図４参照）。
　一方、液化対象である二酸化炭素は、熱交換システム１の外部に設けられた供給源より３０℃の気体としてＮＧ加温器７に供給される。ＮＧ加温器７に供給された気体の二酸化炭素は、当該ＮＧ加温器７の第１流路部７１内を流れるＮＧとの間で熱交換を行うことで熱量が徐々に減少する（図４参照）。これに伴い、二酸化炭素の温度は３０℃から徐々に低下してやがて液化温度である－１７．２℃（本例では、２．１Ｍｐａの条件下）に達する。そして、当該二酸化炭素は、－１７．２℃の状態でＣＯ２液化器６に供給され、当該ＣＯ２液化器６内にてＬＮＧとの間で熱交換を行うことで熱量が減少する。液化温度に達した二酸化炭素は、気体から液体へと凝縮し始めるが、この凝縮区間では、二酸化炭素は気体と液体とが共存する状態となり熱量の減少に拘わらず温度は一定となる。二酸化炭素の熱量がさらに減少して凝縮区間が終了すると、二酸化炭素は全て液化し、その後は、熱量の減少に伴って温度が低下し、最終的に－４２℃（所定の要求温度の一例）の液体状の二酸化炭素としてＣＯ２液化器６から排出される。
　中間媒体Ｍを構成するプロパンは、ＣＯ２液化器６のシェル６１にて－４５℃で貯留されて二酸化炭素との熱交換による蒸発とＬＮＧの冷熱による凝縮とを繰り返す。
　［中間媒体の温度制御］
　次に、図１を参照して、コントローラ１０による中間媒体Ｍの温度制御に関連する制御系の構成を説明する。
　コントローラ１０は、ＬＮＧポンプ８、ＣＯ２圧縮機９、ＬＮＧ主弁１１、ＣＯ２主弁１２、ＬＮＧバイパス弁１３、ＣＯ２バイパス弁１４、中間媒体温度センサ１５、第１ＮＧ温度センサ１６、第２ＮＧ温度センサ１８、及びＣＯ２温度センサ１７に信号の授受可能に接続されている。コントローラ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを有するコンピュータにより構成されていて、後述する図５のフローチャートで説明する各種処理を実行する。
　中間媒体温度センサ１５は、ＣＯ２液化器６のシェル６１内に貯留された中間媒体Ｍの温度（液の温度）を検出し、検出した温度情報をコントローラ１０に送信する。また、第１ＮＧ温度センサ１６は、ＮＧ加温器７に供給されるＮＧの温度を検出し、検出した温度情報をコントローラ１０に送信する。第２ＮＧ温度センサ１８は、ＮＧ加温器７から排出されるＮＧの温度を検出し、検出した温度情報をコントローラ１０に送信する。ＣＯ２温度センサ１７は、ＣＯ２液化器６から排出される液化後の二酸化炭素の温度を検出し、検出した温度情報をコントローラ１０に送信する。
　コントローラ１０は、中間媒体温度センサ１５による検出温度を基に、ＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２の開度を制御することで中間媒体Ｍの温度を所定の目標温度に制御する。この所定の目標温度は、ＣＯ２液化器６から排出される液化した二酸化炭素の温度が所定の要求温度（本例では－４２℃）になるように且つＣＯ２液化器６における前記積層体６２０内の第２流路部６２２ａ（液化対象流路３の一部）の内面において二酸化炭素が固化しないように予め設定された温度である。なお、以下では、コントローラ１０が、中間媒体Ｍの温度制御に際してＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２を制御する例を説明するが、これに限ったものではなく、後述するようにＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４を制御するように構成されていてもよい。
　図５は、コントローラ１０により実行される中間媒体Ｍの温度制御の一例を示すフローチャートである。
　ステップＳＡ１では、中間媒体温度センサ１５による検出温度を取得する。
　ステップＳＡ２では、ステップＳＡ１で取得した検出温度が前記所定の目標温度に等しいか否かを判定し、この判定がＹＥＳである場合にはステップＳＡ１に戻る一方、この判定がＮＯである場合にはステップＳＡ３に進む。
　ステップＳＡ３では、ステップＳＡ１で取得した検出温度が目標温度よりも小さいか否かを判定し、この判定がＮＯである場合にはステップＳＡ５に進む一方、この判定がＹＥＳである場合にはステップＳＡ４に進む。
　ステップＳＡ４では、ＬＮＧ主弁１１の開度を所定量減少させ且つＣＯ２主弁１２の開度を所定量増加させるべく、ＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２に対して制御信号を送信する。これにより、ＣＯ２液化器６に供給される高温側流体である二酸化炭素の供給量が増加し、低温側流体であるＬＮＧの供給量が減少するので、中間媒体Ｍの温度は増加して前記検出温度が前記所定の目標温度に近づくこととなる。本ステップＳＡ４の処理後はステップＳＡ１に戻る。なお、前記所定量は、予め定めた定数であってもよいし、前記取得した検出温度に応じて設定するようにしてもよい。
　ステップＳＡ３の判定がＮＯである場合に進むステップＳＡ５では、ＬＮＧ主弁１１の開度を所定量増加させ且つＣＯ２主弁１２の開度を所定量減少させるべく、ＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２に対して制御信号を送信する。これにより、ＣＯ２液化器６に供給される高温側流体である二酸化炭素の供給量が減少し、低温側流体であるＬＮＧの供給量が増加するので、中間媒体Ｍの温度は減少して前記検出温度が前記所定の目標温度に近づくこととなる。本ステップＳＡ５の処理後は、ステップＳＡ１に戻る。なお、前記所定量は、予め定めた定数であってもよいし、前記取得した検出温度に応じて設定するようにしてもよい。
　なお、ステップＳＡ４及びＳ５において、前記所定量は、ＰＩＤ制御、ＰＩ制御、又はＰＤ制御等に基づいて設定するようにしてもよい。
　［作用効果］
　以上説明したように、本実施形態の熱交換システム１は、ＣＯ２液化器６のシェル６１の下部（液溜部６１ｅ）に貯留された中間媒体Ｍの温度を検出する中間媒体温度センサ１５と、コントローラ１０とを備えており、コントローラ１０は、中間媒体温度センサ１５による検出温度が前記所定の目標温度になるようにＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２の開度を調整してＣＯ２液化器６に供給されるＬＮＧの流量及び二酸化炭素の流量を調整するように構成されている。そして、前記目標温度は、ＣＯ２液化器６から排出された液化した二酸化炭素の温度が所定の要求温度になるように且つＣＯ２液化器６の積層体６２０に設けられた第２流路部６２２ａ（液化対象流路３の一部）の内面において二酸化炭素が固化しないように設定された温度である。
　この構成によれば、ＣＯ２液化器６として中間媒体式熱交換器を使用することで温度差が大きいＬＮＧと二酸化炭素との直接的な熱交換を回避して熱応力の発生を極力低減しつつ、コントローラ１０によるＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２（流量調整部の一例）の制御によって中間媒体Ｍの温度を前記所定の目標温度に制御することで、ＣＯ２液化器６の第２流路部６２２ａの内面にて二酸化炭素が固化するのを防止するとともに二酸化炭素の冷却不足に起因する液化不良を抑制することができる。すなわち、従来の中間媒体式の熱交換器では中間媒体Ｍの温度が成り行きで決まっていたため中間媒体Ｍの温度が二酸化炭素の固化温度以下になる場合があった。これに対して、本実施形態では、中間媒体Ｍの温度が中間媒体温度センサ１５により検出され、当該中間媒体温度センサ１５による検出温度が二酸化炭素の固化を生じない温度（前記所定の目標温度）になるようにＬＮＧ主弁１１及びＣＯ２主弁１２の開度がコントローラ１０により制御される。したがって、従来のように中間媒体Ｍの温度が過度に低下してＣＯ２液化器６内にて二酸化炭素が固化するのを抑制することができる。
　また、本実施形態では、ＣＯ２液化器６は、液溜部６１ｅの中間媒体Ｍに浸漬され、中間媒体Ｍが浸入する第１流路部６２１ａを有する第１流路層６２１と二酸化炭素の流路となる第２流路部６２２ａを有する第２流路層６２２とが積層された積層体６２０と、前記液状の中間媒体Ｍの液面よりも上側に配置され、ＬＮＧが導入されて流れる伝熱管６３とを有している。そして、ＣＯ２液化器６は、積層型熱交換器６２にて前記第１流路部６２１ａ内の中間媒体Ｍと、第２流路部６２２ａ内の二酸化炭素との間で熱交換を行わせることにより中間媒体Ｍの一部を気化させて、当該気化させた中間媒体Ｍと伝熱管６３内を流れるＬＮＧとの間で熱交換を行わせるように構成されている。
　この構成によれば、ＣＯ２液化器６のうち中間媒体Ｍを蒸発させる部分を積層型熱交換器６２により構成するようにしたことで、ＣＯ２液化器６全体の小型化を図りながら当該ＣＯ２液化器６おける二酸化炭素の固化をより一層確実に抑制することができる。
　すなわち、積層型熱交換器６２は通常、多管式熱交換器に比べて、伝熱部が薄い部材で構成され且つ単位体積当たりの伝熱面積が大きいので、当該積層型熱交換器６２における低温側の流体である中間媒体Ｍと高温側の流体である二酸化炭素との間の温度差を極力小さくすることができる。換言すると、中間媒体の目標温度を極力高く設定することができる。したがって、ＣＯ２液化器６から排出される液化後の二酸化炭素の要求温度がその固化温度（例えば－５６℃）に近い場合であっても、中間媒体Ｍの温度が二酸化炭素の固化温度を下回るのを極力回避することができる。よって、ＣＯ２液化器６を多管式熱交換器で構成した場合に比べて、当該ＣＯ２液化器６における二酸化炭素の固化を極力抑制することができる。
　また、本実施形態では、熱交換システム１は、ＬＮＧの流れ方向においてＣＯ２液化器６よりも下流側に設けられたＮＧ加温器７を備えている。ＮＧ加温器７は、ＣＯ２液化器６にてＬＮＧから気化したＮＧと、液化対象流路３気体の二酸化炭素との間で熱交換を行わせることで、前記ＮＧを所定の要求温度まで加温すると同時に気体の二酸化炭素を予冷するように構成されている。
　この構成によれば、ＣＯ２液化器６から排出されるＮＧをＮＧ加温器７により所定の要求温度まで加熱することができる。よって、気化ガスの生成システムとしての熱交換システム１の利用性を向上させることができる。
　また、本実施形態では、ＮＧ加温器７は、ＮＧの流路となる第１流路部７１（気化ガス流路部に相当）を有する流路層（図示省略）と、二酸化炭素の流路となる第２流路部７２（二酸化炭素流路部に相当）を有する流路層（図示省略）とが積層された積層型熱交換器からなり、第２流路部７２を流れる二酸化炭素と第１流路部７１を流れる前記ＮＧとの間で熱交換を行わせるように構成されている。
　この構成によれば、ＣＯ２液化器６のみでなくＮＧ加温器７についても積層型熱交換器で構成するようにしたことで熱交換システム１全体をコンパクトに構成することができる。
　（実施形態１の変形例）
　図６は、実施形態１の変形例を示す図５相当図である。この変形例では、中間媒体Ｍの温度を制御する際にＬＮＧポンプ８及びＣＯ２圧縮機９を制御する点が前記実施形態とは異なる。なお、以下の説明では、実施形態１と同じ処理については適宜説明を省略する。
　ステップＳＢ１～ＳＢ３では、実施形態１のステップＳＡ１～ＳＡ４と同様の処理を実行する。
　ステップＳＢ３の判定がＹＥＳである場合に進むステップＳＢ４では、ＬＮＧポンプ８の吐出流量を所定量減少させ且つＣＯ２圧縮機９の吐出流量を所定量増加させるように、ＬＮＧポンプ８及びＣＯ２圧縮機に対して制御信号を送信する。これにより、ＣＯ２液化器６に供給される高温側流体である二酸化炭素の供給量が増加し、低温側流体であるＬＮＧの供給量が減少するので、中間媒体Ｍの温度は増加して前記検出温度が前記所定の目標温度に近づくこととなる。本ステップＳＢ４の処理後はステップＳＢ１に戻る。なお、前記所定量は、予め定めた定数であってもよいし、前記取得した検出温度に応じて設定するようにしてもよい。
　ステップＳＢ３の判定がＮＯである場合に進むステップＳＢ５では、ＬＮＧポンプ８の吐出流量を所定量増加させ且つＣＯ２圧縮機９の吐出流量を所定量減少させるように、ＬＮＧポンプ８及びＣＯ２圧縮機に対して制御信号を送信する。これにより、ＣＯ２液化器６に供給される高温側流体である二酸化炭素の供給量が減少し、低温側流体であるＬＮＧの供給量が増加するので、中間媒体Ｍの温度は減少して前記検出温度が前記所定の目標温度に近づくこととなる。本ステップＳＢ５の処理後は、ステップＳＢ１に戻る。なお、前記所定量は、予め定めた定数であってもよいし、前記取得した検出温度に応じて設定するようにしてもよい。
　なお、ステップＳＢ４及びＳＢ５において、前記所定量は、ＰＩＤ制御、ＰＩ制御、又はＰＤ制御等に基づいて設定するようにしてもよい。
　このように、本変形例によれば、コントローラ１０によるＬＮＧポンプ８及びＣＯ２圧縮機９（流量調整部の一例）の制御によって中間媒体Ｍの温度をその目標温度に制御することができる。よって、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
　（実施形態２）
　図７は、実施形態２を示す図５相当図である。この実施形態では、中間媒体Ｍの温度を制御する際にＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４の開度を制御する点が前記実施形態とは異なる。なお、以下の説明において、実施形態１と同じ処理については適宜説明を省略する。
　ステップＳＣ１～ＳＣ３では、実施形態１のステップＳＡ１～ＳＡ３と同様の処理を実行する。
　ステップＳＣ４では、ＣＯ２バイパス弁１４の開度を所定量増加させ且つＬＮＧバイパス弁１３の開度を所定量増加させるべく、ＣＯ２バイパス弁１４及びＬＮＧバイパス弁１３に対して制御信号を送信する。これにより、ＣＯ２液化器６に供給される高温側流体である二酸化炭素のうちＮＧ加温器７を経由しない二酸化炭素（つまり予冷されない二酸化炭素）の割合が増加するとともに、ＣＯ２液化器６に供給される低温側流体であるＬＮＧの供給量が減少するので、中間媒体Ｍの温度は増加して前記検出温度が前記所定の目標温度に近づくこととなる。本ステップＳＣ４の処理後はステップＳＣ１に戻る。なお、前記所定量は、予め定めた定数であってもよいし、前記取得した検出温度に応じて設定するようにしてもよい。
　ステップＳＣ３の判定がＮＯである場合に進むステップＳＣ５では、ＣＯ２バイパス弁１４の開度を所定量減少させ且つＬＮＧバイパス弁１３の開度を所定量減少させるべく、ＣＯ２バイパス弁１４及びＬＮＧバイパス弁１３に対して制御信号を送信する。これにより、ＣＯ２液化器６に供給される高温側流体である二酸化炭素のうちＮＧ加温器７を経由する二酸化炭素（つまり予冷される二酸化炭素）の割合が増加するとともに、ＣＯ２液化器６に供給される低温側流体であるＬＮＧの供給量が増加するので、中間媒体Ｍの温度は減少して前記検出温度が前記所定の目標温度に近づくこととなる。本ステップＳＣ５の処理後は、ステップＳＣ１に戻る。なお、前記所定量は、予め定めた定数であってもよいし、前記取得した検出温度に応じて設定するようにしてもよい。
　なお、ステップＳＣ４及びＳＣ５において、前記所定量は、ＰＩＤ制御、ＰＩ制御、又はＰＤ制御等に基づいて設定するようにしてもよい。
　このように、本実施形態によれば、コントローラ１０によるＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４（流量調整部の一例）の制御によって中間媒体Ｍの温度をその目標温度に制御することができる。よって、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
　また、本実施形態のようにＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４の制御によって中間媒体Ｍの温度を制御する構成では、実施形態１のように主弁１１，１２を調整する場合に比べて、熱交換システム１に供給されるＬＮＧ及び二酸化炭素の流量自体は変更する必要がない。よって、本実施形態の構成は、例えば、熱交換システム１におけるＬＮＧの気化後流量と二酸化炭素の液化後流量とをそれぞれ予め定めた要求流量（一定値）に維持する必要がある場合に特に有用である。
　また、本実施形態では、ＬＮＧバイパス流路４の下流端をＮＧ加温器７の下流側ではなく上流側に接続するようにしたことで、バイパスした液状のＬＮＧが熱交換システム１の出口（低温流路２の下流端）に残るのを抑制することができる。また、本実施形態では、ＣＯ２バイパス流路５の下流端をＣＯ２液化器６の下流側ではなく上流側に接続するようにしたことで、バイパスした気体のＣＯ２が熱交換システム１の出口（液化対象流路３の下流端）に残るのを抑制することができる。
　なお、本実施形態では、ＬＮＧバイパス流路４の下流端の合流後のＮＧの温度が低下し過ぎると、ＮＧ加温器７で二酸化炭素が固化する虞れがある。このため、第１ＮＧ温度センサ１６によりＮＧ加温器７に流入するＮＧの温度を検出し、当該ＮＧの検出温度が予め定めた下限温度（例えばＣＯ２の固化温度－５６℃）以下にならないようにＬＮＧバイパス弁１３を制御することで前記二酸化炭素の固化を防止することができる。
　（他の実施形態）
　以上、本発明の実施形態に係る熱交換システム１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採用することができる。
　（１）前記実施形態１では、熱交換システム１が、ＬＮＧバイパス流路４、ＣＯ２バイパス流路５、ＬＮＧバイパス弁１３及びＣＯ２バイパス弁１４を有する例を説明したが、これに限ったものではない。すなわち、実施形態１においてこれらは必ずしも必要ではなく、例えば、図８に示すように、バイパス流路４，５及びバイパス弁１３，１４を有さない構成であってもよい。
　（２）前記実施形態２では、ＬＮＧバイパス流路４の下流端をＮＧ加温器７の上流側に接続し、ＣＯ２バイパス流路５の下流端をＣＯ２液化器６の上流側に接続するようにしているが、これに限ったものではなく、例えば図９に示すように、ＬＮＧバイパス流路４の下流端をＮＧ加温器７の下流側に接続し、ＣＯ２バイパス流路５の下流端をＣＯ２液化器６の下流側に接続するようにしてもよい。この場合、例えば、ステップＳＡ４の処理に替えて、ＣＯ２バイパス弁１４の開度を所定量減少させ且つＬＮＧバイパス弁１３の開度を所定量増加させる処理を実行し、ステップＳＡ５の処理に替えて、ＣＯ２バイパス弁１４の開度を所定量増加させ且つＬＮＧバイパス弁１３の開度を所定量減少させる処理を実行することで前記実施形態２と同様の作用効果を得ることができる。
　（３）前記各実施形態及び各変形例では、ＣＯ２液化器６に供給される二酸化炭素の流量とＬＮＧの流量との双方を調整するようにしているが（ステップＳＡ４～ＳＣ４及びステップＳＡ５～ＳＣ５）、いずれか一方の流量のみを調整するようにしてもよい。すなわち、流量調整部は、ＣＯ２液化器６に供給される低温液化ガス（一例としてＬＮＧ）の流量及び二酸化炭素の流量の少なくとも一方を調整可能に構成されていれば如何なる構成であってもよい。
　（４）前記実施形態では、中間媒体温度センサ１５は、中間媒体Ｍの温度（液の温度）を検出するように構成されているが、これに限ったものではなく、中間媒体Ｍの温度と相関する温度として中間媒体ガスの温度（つまり気相の温度）を検出するようにしてもよいし、壁面温度等を検出するようにしてもよい。また、中間媒体温度センサ１５に替えて、中間媒体Ｍの圧力を検出する圧力センサを備えて、コントローラにて当該圧力センサによる検出圧力の飽和温度を中間媒体Ｍの温度に相関する温度として検出するようにしてもよい。この場合、圧力センサとコントローラとが温度検出部として機能する。
　（５）前記実施形態では、熱交換システム１は、ＮＧ加温器７を有しているが、これに限ったものではなく、ＮＧ加温器７を有さない構成であってもよい。
　（６）前記実施形態では、中間媒体Ｍはプロパンにより構成されているが、これに限ったものではない。中間媒体Ｍは、例えば、ジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンの混合物（Ｒ４１０Ａ）やジフルオロメタン（Ｒ３２）により構成されていてもよい。これにより、中間媒体Ｍを安価に且つ高い熱伝導率で構成することができる。
　（７）前記実施形態では、低温液化ガスの一例としてＬＮＧを挙げて説明したが、これに限ったものではなく、例えば液体水素（ＬＨ２）等であってもよい。
　（８）前記実施形態では、液化対象流路３に供給される気体の二酸化炭素は、その１００％全てが二酸化炭素として供給される必要はなく、例えば、気体の二酸化炭素に窒素等の融点が低い成分が不純物として含まれていてもよい。すなわち、液化対象流路３に供給される流体は、二酸化炭素を含む流体であれば如何なる流体であってもよい。
　（９）前記各実施形態及び各変形例では、ＣＯ２液化器６のＬＮＧ供給口６１ａ（ＬＮＧ入口）におけるＬＮＧの温度は、－１５０℃に設定されているがこれに限ったものではない。すなわち、ＣＯ２液化器６に流入するＬＮＧの温度は、ＣＯ２液化器６における二酸化炭素の液化に支障を生じないような温度であって、当該ＣＯ２液化器６から排出される二酸化炭素の温度が所定の要求温度となり且つ二酸化炭素が当該ＣＯ２液化器６にて固化しないような温度であれば如何なる温度であってもよい。また、前記各実施形態及び各変形例では、ＬＮＧ供給口６１ａからＣＯ２液化器６に供給されるＬＮＧの温度は、液化対象流路３に供給される気体の二酸化炭素の全てを液化可能な温度に設定されているが、これに限ったものではなく、当該二酸化炭素の一部を液化可能な温度に設定されていてもよい。
　（１０）前記各実施形態及び各変形例では、ＮＧ加温器７の低温流路２の入口におけるＮＧの温度は－４８℃（図４参照）とされているが、これに限ったものではなく、例えば－５０℃～－６０℃であってもよい。すなわち、ＮＧ加温器７に流入するＮＧの温度は、当該ＮＧ加温器７から排出される二酸化炭素の温度が当該排出位置にて要求される所定の要求温度となり且つ二酸化炭素が当該ＮＧ加温器７にて固化しないような温度であれば如何なる温度であってもよい。
　（１１）本発明は、前記各実施形態及び各変形例の任意の組み合わせを含む。したがって、例えば、実施形態１にて開示した各主弁１１，１２の開度制御と実施形態２にて開示した各バイパス弁１３，１４の開度制御とを併用するようにしてもよい。また、例えば、ＬＮＧの流量調整をＬＮＧ主弁１１の開度調整により行い、二酸化炭素の流量調整をＣＯ２バイパス弁１４の開度調整により行うようにしてもよい。また、例えば、ＬＮＧの流量調整をＬＮＧバイパス弁１３の開度調整により行い、二酸化炭素の流量調整をＣＯ２主弁１２の開度調整により行うようにしてもよい。
　なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
　第１の発明に係る熱交換システムは、低温液化ガスの冷熱を利用して二酸化炭素を液化させる熱交換システムであって、前記低温液化ガスが導入されて流れる低温流路と、気体の二酸化炭素が導入されて流れる液化対象流路と、前記低温流路及び前記液化対象流路に跨がって配置されるとともに、当該低温流路を流れる低温液化ガスと当該液化対象流路を流れる二酸化炭素との間で中間媒体を介して熱交換を行わせることで、前記低温液化ガスを気化するとともに前記二酸化炭素を液化する第１熱交換器と、前記中間媒体の温度又は当該温度と相関する温度を検出する温度検出部と、前記第１熱交換器の前記低温流路に供給される低温液化ガスと当該第１熱交換器の液化対象流路に供給される二酸化炭素との少なくとも一方の流量を調整可能な流量調整部と、前記温度検出部による検出温度が所定の目標温度になるように前記流量調整部を制御する制御部と、をさらに備え、前記所定の目標温度は、前記第１熱交換器から排出される前記液化した二酸化炭素の温度が所定の要求温度になるように且つ前記第１熱交換器の前記液化対象流路の内面において当該二酸化炭素が固化しないように設定された温度である。
　この構成によれば、第１熱交換器として中間媒体式熱交換器を使用することで温度差が大きい低温液化ガスと二酸化炭素との直接的な熱交換を回避して熱応力の発生を極力低減しつつ、制御部による流量調整部の制御によって中間媒体の温度を前記所定の目標温度に制御することで、第１熱交換器の液化対象流路の内面にて二酸化炭素が固化するのを防止するとともに二酸化炭素の冷却不足に起因する液化不良を抑制することができる。すなわち、例えば温度検出部による検出温度が前記所定の目標温度よりも低い場合には、流量調整部によって第１熱交換器の低温流路に供給される低温液化ガスの流量を低下させればよい。これにより、低温液化ガスの冷熱による中間媒体の冷却量が低下するので、当該中間媒体の温度を上昇させて温度検出部による検出温度を目標温度に近づけることができる。なお、低温液化ガスの供給流量を低下させる代わりに高温側流体である二酸化炭素の供給流量を増加させるようにしてもよいし、これら低温液化ガス及び二酸化炭素の流量制御を併用してもよい。一方、温度検出部による検出温度が前記所定の目標温度よりも高い場合には、流量調整部によって第１熱交換器の低温流路に供給される低温液化ガスの流量を増加させればよい。これにより、低温液化ガスの冷熱による中間媒体の冷却量が増加するので、当該中間媒体の温度を低下させて温度検出部による検出温度を前記所定の目標温度に近づけることができる。なお、低温液化ガスの流量を増加させる代わりに高温流体である二酸化炭素の供給流量を低下させるようにしてもよいし、これら低温液化ガス及び二酸化炭素の流量制御を併用してもよい。そうして、二酸化炭素との間で直接的に熱交換を行う中間媒体の温度を制御することで二酸化炭素の固化を防止しつつ液化後の二酸化炭素温度を所定の要求温度に制御することができる。
　第２の発明では、第１の発明において、前記第１熱交換器は、液状の前記中間媒体が貯留される液溜部と、前記液溜部に貯留された前記中間媒体に浸漬され、前記中間媒体が浸入する中間媒体流路部を有する流路層と前記二酸化炭素の流路となる二酸化炭素流路部を有する流路層とが積層されてなる積層型熱交換器と、前記液溜部に貯留された前記中間媒体の液面よりも上側に配置され、前記低温液化ガスが導入されて流れる伝熱管と、を有していて、前記積層型熱交換器にて前記中間媒体流路部内の中間媒体と前記二酸化炭素流路部内の二酸化炭素との間で熱交換を行わせることにより前記中間媒体の少なくとも一部を気化させて、当該気化させた中間媒体と前記伝熱管内を流れる前記低温液化ガスとの間で熱交換を行わせることで中間媒体を凝縮させ、当該中間媒体の凝縮に伴って発生する凝縮熱により低温液化ガスを気化させるように構成されていることが好ましい。
　この構成によれば、第１熱交換器のうち中間媒体を蒸発させる部分を積層型熱交換器により構成するようにしたことで、第１熱交換器の小型化を図りながら当該第１熱交換器における二酸化炭素の固化をより一層確実に抑制することができる。
　すなわち、積層型熱交換器は通常、多管式熱交換器に比べて、伝熱部が薄い部材で構成され且つ単位体積当たりの伝熱面積が大きいので、当該積層型熱交換器における低温側の流体である中間媒体と高温側の流体である二酸化炭素との間の温度差を極力小さくした上で二酸化炭素を液化することができる。換言すると、中間媒体の目標温度を極力高く設定することが出来る。したがって、液化後の二酸化炭素の要求温度がその固化温度（例えば－５６℃）に近い場合であっても、中間媒体の温度が二酸化炭素の固化温度を下回るのを極力回避することができる。よって、第１熱交換器を多管式熱交換器で構成した場合に比べて、当該第１熱交換器における二酸化炭素の固化を極力抑制することができる。
　第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記低温液化ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に設けられ、前記第１熱交換器にて前記低温液化ガスから気化した気化ガスと、前記液化対象流路を流れる前記二酸化炭素との間で熱交換を行わせることで、前記気化ガスを所定の要求温度まで加温しつつ前記二酸化炭素を予冷する第２熱交換器をさらに備えていることが好ましい。
　この構成によれば、第１熱交換器から排出される気化ガスを第２熱交換器により所定の要求温度まで加熱することができると同時に、液化対象となる二酸化炭素を予冷することができる。よって、気化ガスの生成システムとしての熱交換システムの利用性を向上させることができる。なお、本明細書において、所定の要求温度とは、例えばユーザが用途に応じて要求（設定）する任意の温度である。
　第４の発明では、第３の発明において、前記第２熱交換器は、前記二酸化炭素の流路となる二酸化炭素流路部を有する流路層と前記気化ガスの流路となる気化ガス流路部を有する流路層とが積層された積層型熱交換器からなり、前記二酸化炭素流路部を流れる二酸化炭素と前記気化ガス流路部を流れる前記気化ガスとの間で熱交換を行わせるように構成されていることが好ましい。
　この構成によれば、第１熱交換器のみでなく第２熱交換器についても積層型熱交換器で構成するようにしたことで熱交換システム全体をコンパクトに構成することができる。
　第５の発明では、第１から第４の発明のうちいずれか１つにおいて、前記中間媒体は、ジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンの混合物と、ジフルオロメタンと、プロパンとのうちのいずれか１つからなることが好ましい。
　この構成によれば、中間媒体を安価に且つ高い熱伝導率で構成することができる。

 

Claims (5)

  1. 　低温液化ガスの冷熱を利用して二酸化炭素を液化させる熱交換システムであって、
    　前記低温液化ガスが導入されて流れる低温流路と、
    　気体の二酸化炭素が導入されて流れる液化対象流路と、
    　前記低温流路及び前記液化対象流路に跨がって配置されるとともに、当該低温流路を流れる低温液化ガスと当該液化対象流路を流れる二酸化炭素との間で中間媒体を介して熱交換を行わせることで、前記低温液化ガスを気化するとともに前記二酸化炭素を液化する第１熱交換器と、
    　前記中間媒体の温度又は当該温度と相関する温度を検出する温度検出部と、
    　前記第１熱交換器の前記低温流路に供給される低温液化ガスと当該第１熱交換器の液化対象流路に供給される二酸化炭素との少なくとも一方の流量を調整可能な流量調整部と、
    　前記温度検出部による検出温度が所定の目標温度になるように前記流量調整部を制御する制御部と、をさらに備え、
    　前記所定の目標温度は、前記第１熱交換器から排出される前記液化した二酸化炭素の温度が所定の要求温度になるように且つ前記第１熱交換器の前記液化対象流路の内面において当該二酸化炭素が固化しないように設定された温度である、熱交換システム。
  2. 　請求項１記載の熱交換システムにおいて、
    　前記第１熱交換器は、
    　　液状の前記中間媒体が貯留される液溜部と、
    　　前記液溜部に貯留された前記中間媒体に浸漬され、前記中間媒体が浸入する中間媒体流路部を有する流路層と前記二酸化炭素の流路となる二酸化炭素流路部を有する流路層とが積層されてなる積層型熱交換器と、
    　　前記液溜部に貯留された前記中間媒体の液面よりも上側に配置され、前記低温液化ガスが導入されて流れる伝熱管と、を有していて、
    　　前記積層型熱交換器にて前記中間媒体流路部内の中間媒体と前記二酸化炭素流路部内の二酸化炭素との間で熱交換を行わせることにより前記中間媒体の少なくとも一部を気化させて、当該気化させた中間媒体と前記伝熱管内を流れる前記低温液化ガスとの間で熱交換を行わせることで中間媒体を凝縮させ、当該中間媒体の凝縮に伴って発生する凝縮熱により低温液化ガスを気化させるように構成されている、熱交換システム。
  3. 　請求項２記載の熱交換システムにおいて、
    　前記低温液化ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に設けられ、前記第１熱交換器にて前記低温液化ガスから気化した気化ガスと、前記液化対象流路を流れる前記二酸化炭素との間で熱交換を行わせることで、前記気化ガスを所定の要求温度まで加温しつつ二酸化炭素を予冷する第２熱交換器をさらに備えている、熱交換システム。
  4. 　請求項３記載の熱交換システムにおいて、
    　前記第２熱交換器は、前記二酸化炭素の流路となる二酸化炭素流路部を有する流路層と前記気化ガスの流路となる気化ガス流路部を有する流路層とが積層された積層型熱交換器からなり、前記二酸化炭素流路部を流れる二酸化炭素と前記気化ガス流路部を流れる前記気化ガスとの間で熱交換を行わせるように構成されている、熱交換システム。
  5. 　請求項１から４のいずれか１つに記載の熱交換システムにおいて、
    　前記中間媒体は、ジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンの混合物と、ジフルオロメタンと、プロパンとのうちのいずれか１つからなる、熱交換システム。

     
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