(57)【要約】  二酸化炭素を昇圧して昇圧二酸化炭素とする圧縮機（２）と、昇圧された上記二酸化炭素と液体状態の溶媒とを混合した混合冷媒を生成する混合器（６）と、上記混合器（６）の下流側に設けられ、上記混合冷媒を減圧させる減圧装置（７）と、前記混合冷媒から気体状態の二酸化炭素を分離させる分離装置（８）と、減圧されることにより冷却された上記混合冷媒と冷却対象流体とを熱交換する熱交換器（５）と、気化した二酸化炭素または上記混合冷媒により上記二酸化炭素または混合冷媒を冷却する第２の熱交換器（５）とを備える。
2019187231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を昇圧して昇圧二酸化炭素とする圧縮機と、
前記昇圧二酸化炭素と液体状態の溶媒とを混合した混合冷媒を生成する混合器と、
前記混合器の下流側に設けられ、前記混合冷媒を減圧させる減圧装置と、
前記混合冷媒から気体状態の二酸化炭素を分離させる分離装置と、
減圧されることにより冷却された前記混合冷媒と冷却対象流体とを熱交換する熱交換器と、
気化した二酸化炭素または前記混合冷媒により前記昇圧二酸化炭素または混合冷媒を冷却する第２の熱交換器と
を備える冷却システム。
【請求項２】
前記減圧装置は、動力回収タービンと、前記混合冷媒の運動エネルギを前記動力回収タービンより回収する動力回収装置とを備える請求項１記載の冷却システム。
【請求項３】
前記第２の熱交換器は、前記減圧装置の上流側に設けられ、前記気化した二酸化炭素または減圧された混合冷媒により前記溶媒を冷却するように構成される請求項１または２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記第２の熱交換器は、前記減圧装置の下流側に設けられ、前記減圧装置において減圧された混合冷媒により、前記減圧装置の上流側において分岐した混合冷媒を冷却するように構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記第２の熱交換器は、前記熱交換器と一体化されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記混合冷媒は、複数回に分けて減圧されるように構成され、
前記熱交換器及び前記第２の熱交換器は、それぞれ複数設けられると共に直列に接続される
請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項７】
二酸化炭素を昇圧して昇圧二酸化炭素とする圧縮機と、
前記昇圧二酸化炭素と液体状態の溶媒とを混合した混合冷媒を生成する混合器と、
前記混合器の上流側に設けられ、前記昇圧二酸化炭素を減圧させる減圧装置を減圧させる減圧装置と、
前記混合冷媒から気体状態の二酸化炭素を分離させる分離装置と、
減圧されることにより冷却された前記混合冷媒と冷却対象流体とを熱交換する熱交換器と、
気化した二酸化炭素または前記混合冷媒により前記昇圧二酸化炭素または混合冷媒を冷却する第２の熱交換器と
を備える冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、冷却システムに関する。
本願は、２０１８年３月３０日に日本に出願された特願２０１８−０７０００８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来においては、大型の冷却装置の冷媒として、プロパン等の常温常圧において気体の可燃性流体を用いることがあった。しかしながら、常温常圧において気体の可燃性流体は、漏出等の対策を厳重に行う必要があり、取り扱いが難しい。このため、現在では、常温常圧において気体の非可燃性流体を冷媒として用いることが検討されている。例えば、特許文献１には、液化炭酸ガス（二酸化炭素）を冷媒として用いる方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２００７−２２５１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、二酸化炭素は、三重点（−５６．６℃）以下の温度となると一部が固体状態（ドライアイス）となる。このため、冷却装置において−５６．６℃以下まで二酸化炭素を温度低下させると、配管内に生成されたドライアイスにより配管が詰まる可能性があり、冷却サイクル内における二酸化炭素の搬送が難しい。さらに、運転ミス等により、装置内にドライアイスが発生することで、装置の運転を妨げる可能性がある。また、二酸化炭素を冷媒とする冷却システムにおいて、エネルギ効率を高めることが求められている。【０００５】
本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、二酸化炭素を冷媒として用いつつエネルギ効率を高め、運転を容易にし、かつ装置の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様の冷却システムは、第１の手段として、二酸化炭素を昇圧して昇圧二酸化炭素とする圧縮機と、上記昇圧二酸化炭素と液体状態の溶媒とを混合した混合冷媒を生成する混合器と、上記混合器の後段に設けられ、上記混合冷媒を減圧させる減圧装置と、前記混合冷媒から気体状態の二酸化炭素を分離させる分離装置と、減圧されることにより冷却された上記混合冷媒と冷却対象流体とを熱交換する熱交換器と、気化した二酸化炭素または上記混合冷媒により上記昇圧二酸化炭素または上記混合冷媒を冷却する第２の熱交換器とを備える。【０００７】
本開示の上記第１の態様の冷却システムにおいて、上記減圧装置は、動力回収タービンと、上記混合冷媒の運動エネルギを上記動力回収タービンより回収する動力回収装置とを備えてもよい。【０００８】
本開示の上記第１の態様の冷却システムにおいて、上記第２の熱交換器は、上記減圧装置の前段に設けられ、上記気化した二酸化炭素または減圧された混合冷媒により上記溶媒を冷却してもよい。【０００９】
本開示の上記第１の態様の冷却システムにおいて、上記第２の熱交換器は、上記減圧装置の下流側に設けられ、上記減圧装置において減圧された混合冷媒により、上記減圧装置の上流側において分岐した混合冷媒を冷却するように構成されていてもよい。【００１０】
本開示の上記第１の態様の冷却システムにおいて、上記第２の熱交換器は、上記熱交換器と一体化してもよい。【００１１】
本開示の上記第１の態様の冷却システムにおいて、上記混合冷媒は、複数回に分けて減圧され、上記熱交換器及び上記第２の熱交換器は、それぞれ複数設けられると共に直列に接続されてもよい。【００１２】
本開示の上記第１の態様の冷却システムにおいて、二酸化炭素を昇圧して昇圧二酸化炭素とする圧縮機と、前記昇圧二酸化炭素と液体状態の溶媒とを混合した混合冷媒を生成する混合器と、前記混合器の上流側に設けられ、前記昇圧二酸化炭素を減圧させる減圧装置と、前記混合冷媒から気体状態の二酸化炭素を分離させる分離装置と、減圧されることにより冷却された前記混合冷媒と冷却対象流体とを熱交換する熱交換器と、気化した二酸化炭素または前記混合冷媒により前記昇圧二酸化炭素または混合冷媒を冷却する第２の熱交換器とを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、第２の熱交換器を備えていることにより、減圧されることにより気化した低温の二酸化炭素または混合冷媒により昇圧二酸化炭素、混合冷媒または溶媒を冷却することができる。したがって、昇圧二酸化炭素と溶媒の温度を低下したのちに減圧させることによりエネルギ効率を向上させることができる。さらに、混合冷媒を用いているので、配管内にドライアイスが生成されることにより配管が詰まる可能性を低減させることにより、運転を容易とすると共に装置の信頼性を向上させている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の一実施形態に係る冷却システムの第１実施形態を示す模式図である。
【図２】本開示の一実施形態に係る冷却システムの第２実施形態を示す模式図である。
【図３】本開示の一実施形態に係る冷却システムの変形例における熱交換器を含む一部模式図である。
【図４】本開示の一実施形態に係る冷却システムの変形例における熱交換器を含む一部模式図である。
【図５】本開示の一実施形態に係る冷却システムの変形例における熱交換器を含む一部模式図である。
【図６】本開示の一実施形態に係る冷却システムの変形例を示す模式図である。
【図７】本開示の一実施形態に係る冷却システムの第３実施形態を示す模式図である。
【図８】本開示の一実施形態に係る冷却システムの変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本開示に係る冷却システムの一実施形態について説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
本実施形態に係る冷却システム１Ａは、常温状態の天然ガスを予冷するシステムであり、図１に示すように、圧縮機２と、冷却器３と、熱交換装置５と、混合器６と、減圧装置７と、混合冷媒-二酸化炭素分離装置８と、溶媒-二酸化炭素分離装置９と、溶媒圧送装置１０とを備えている。また、冷却システム１Ａの下流側には、窒素を冷媒とする不図示の天然ガスの冷却システムが設けられている。
【００１７】
圧縮機２は、モータ２ａを備えている。圧縮機２は、約０．５ＭＰａＧの二酸化炭素を約１０ＭＰａＧまで昇圧し、昇圧二酸化炭素とする装置である。
【００１８】
冷却器３は、圧縮機２の下流側に設けられ、圧縮機２により昇圧されることで高温となった二酸化炭素を冷却水等により冷却する装置である。この冷却器３を通過することにより、二酸化炭素の温度は、約４０℃程度となる。
【００１９】
熱交換装置５は、マルチストリームの熱交換器であり、例えばプレートフィン型の熱交換器とされ、天然ガス流路５ａと、混合冷媒流路５ｃと、気化二酸化炭素流路５ｄと、溶媒流路５ｅと、昇圧二酸化炭素流路５ｆとを備えている。
【００２０】
天然ガス流路５ａには、常温（約２５℃）状態の天然ガスが供給される。供給された天然ガスは、天然ガス流路５ａを通過することにより、約−５０℃まで冷却される。
【００２１】
混合冷媒流路５ｃには、減圧装置７において減圧されると共に、主に二酸化炭素の気化により冷却され、混合冷媒-二酸化炭素分離装置８にて気体状態の二酸化炭素が分離された混合冷媒（約−５５℃）が天然ガス流路５ａと反対の方向から供給される。
気化二酸化炭素流路５ｄには、混合冷媒-二酸化炭素分離装置８において分離された気体状態の二酸化炭素（約−５５℃）が混合冷媒流路５ｃと同一方向より供給される。
溶媒流路５ｅには、約３５℃の溶媒（メタノール、エタノール、アセトン等の液体）が天然ガスと同一方向より供給される。供給された溶媒は、溶媒流路５ｅを通過することにより、約−４５℃まで冷却される。
昇圧二酸化炭素流路５ｆには、冷却器３を通過した約４０℃、約１０ＭＰａＧの昇圧二酸化炭素が天然ガスと同一方向より供給される。昇圧二酸化炭素は、昇圧二酸化炭素流路５ｆを通過することにより、約−４５℃まで冷却される。
【００２２】
このような熱交換装置５において、天然ガス流路５ａと、混合冷媒流路５ｃとを含む構成が本開示における熱交換器に相当し、気化二酸化炭素流路５ｄと、溶媒流路５ｅと、昇圧二酸化炭素流路５ｆとを含む構成が本開示における第２の熱交換器に相当する。すなわち、本実施形態において、第２の熱交換器の各流路は、熱交換器と一体化されたマルチストリームの熱交換装置を構成している。
【００２３】
混合器６は、溶媒流路５ｅ及び昇圧二酸化炭素流路５ｆと接続され、不図示の撹拌子等を有している。混合器６は、溶媒と、昇圧二酸化炭素とを混合し、混合冷媒を生成する装置である。
【００２４】
減圧装置７は、混合器６から混合冷媒−二酸化炭素分離装置へと流れる混合冷媒の流路上に設けられたバルブを備えており、約１０ＭＰａＧから約０．５ＭＰａＧまで減圧し、低温を得る装置である。
【００２５】
混合冷媒-二酸化炭素分離装置８は、減圧装置７の下流側に設けられた装置であり、約―５５℃程度に冷却された混合冷媒と気体二酸化炭素を分離する装置である。混合冷媒-二酸化炭素分離装置８の下方には混合冷媒送液装置８ａが設けられ、混合冷媒送液装置８ａにより熱交換装置５の混合冷媒流路５ｃに混合冷媒を送液する。
【００２６】
溶媒-二酸化炭素分離装置９は、混合冷媒流路５ｃ及び気化二酸化炭素流路５ｄの下流側に設けられたタンクである。溶媒-二酸化炭素分離装置９は、液体状態の溶媒と気体状態の二酸化炭素を分離させる。また、溶媒-二酸化炭素分離装置９は、下流側において圧縮機２と接続されている。
【００２７】
溶媒圧送装置１０は、溶媒-二酸化炭素分離装置９から排出される溶媒の流路上に設けられている。
【００２８】
このような本実施形態における冷却システム１Ａの動作について説明する。
圧縮機２が駆動されることにより、二酸化炭素は、約１０ＭＰａまで昇圧され、昇圧二酸化炭素となる。昇圧二酸化炭素は、冷却器３を通過することにより冷却水で冷却され、約１０ＭＰａＧ、約４０℃となる。
【００２９】
そして、冷却された昇圧二酸化炭素は、昇圧二酸化炭素流路５ｆへと案内され、熱交換装置５を通過する。これにより、昇圧二酸化炭素は、昇圧二酸化炭素流路５ｆの出口近傍において約１０ＭＰａ、約−４５℃となる。
また、溶媒-二酸化炭素分離装置９より供給された溶媒は、溶媒圧送装置１０により、溶媒流路５ｅへと案内される。これにより、溶媒は、溶媒流路５ｅの出口近傍において約−４５℃となる。
【００３０】
熱交換装置５を通過した昇圧二酸化炭素及び溶媒は、混合器６に投入され、撹拌される。これにより、昇圧二酸化炭素及び溶媒は、液体状態の混合冷媒となる。そして、混合冷媒は、減圧装置７へと供給される。混合冷媒は、約１０ＭＰａＧから約０．５ＭＰａＧまで減圧されることにより約−５５℃の状態となる。減圧により、混合冷媒中の二酸化炭素の一部は気体状態へと変化し、分離する。
【００３１】
減圧された混合冷媒は、混合冷媒流路５ｃに供給され、熱交換装置５内において天然ガスと熱交換される。これにより、混合冷媒は、約３５℃となり、二酸化炭素が気化する。混合冷媒流路５ｃを通過した混合冷媒は、溶媒-二酸化炭素分離装置９へと貯留され、気体状態の二酸化炭素と溶媒とに分離される。
【００３２】
また、混合冷媒-二酸化炭素分離装置８において分離した気体の二酸化炭素は、気化二酸化炭素流路５ｄへと供給され、熱交換装置５内において溶媒及び昇圧二酸化炭素と熱交換される。そして、気化二酸化炭素流路５ｄを通過した気体状態の二酸化炭素は、溶媒-二酸化炭素分離装置９へと貯留され、溶媒-二酸化炭素分離装置９において分離された混合冷媒中の二酸化炭素と共に、再び圧縮機２へと戻される。
【００３３】
このような冷却システム１Ａにおいて、天然ガス流路５ａは、天然ガス流路５ａを通過することにより、約２５℃から約−５０℃まで冷却される。
【００３４】
本実施形態によれば、熱交換装置５において、第２の熱交換器（気化二酸化炭素流路５ｄ、溶媒流路５ｅ、昇圧二酸化炭素流路５ｆ）を備えていることにより、減圧されることにより気化した二酸化炭素で昇圧二酸化炭素を冷却することができる。したがって、エネルギ効率を向上させることができる。また、二酸化炭素と溶媒を混合することにより、運転ミスなどにより装置内でドライアイスが生成するトラブルを防止することができる。また、二酸化炭素と溶媒とを混合させ三重点以下の圧力に減圧させることにより従来よりも低温の混合冷媒とすることができ、三重点以下の温度帯における二酸化炭素を用いたサイクル冷却も容易となる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、第２の熱交換器により、溶媒を冷却することが可能である。したがって、二酸化炭素との混合前に溶媒を二酸化炭素と同一の温度まで冷却することができ、混合冷媒の温度をより低下させることができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、熱交換装置５において、熱交換器と第２の熱交換器とが一体化されている。これにより、冷却システム１Ａの装置構成を複雑にすることなく、エネルギ効率を高めることが可能である。
【００３７】
また、冷却システム１Ａは、減圧装置７がバルブの形態である。これにより、動力回収は行わないものの単純な装置構成を実現している。
【００３８】
［第２実施形態］
上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として、図２を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
本実施形態に係る冷却システム１は、予冷器４を新たに備え、減圧装置７に動力回収タービン７ａと発電機７ｂとを備えている。さらに、熱交換装置５は、窒素予冷流路５ｂを備えている。
【００３９】
予冷器４は、冷却器３の下流側に設けられ、高圧状態の二酸化炭素を一次側とし、溶媒-二酸化炭素分離装置９からの戻りの二酸化炭素を二次側とした熱交換器である。この予冷器４は、高圧状態の二酸化炭素を、溶媒-二酸化炭素分離装置９から戻される二酸化炭素により冷却するものである。熱交換装置５の気化二酸化炭素流路５ｄを通過した気体状態の二酸化炭素は、溶媒-二酸化炭素分離装置９へと貯留され、溶媒-二酸化炭素分離装置９において分離された混合冷媒中の二酸化炭素と共に、予冷器４の二次側に供給され、再び圧縮機２へと戻される。これにより、圧縮機２への戻り側の二酸化炭素により、圧縮機２から供給される昇圧二酸化炭素を冷却できる。
【００４０】
窒素予冷流路５ｂには、下流側の冷却システム（不図示）において冷媒として用いられる常温（約２５℃）状態の窒素が天然ガスと同一方向より供給される。供給された窒素は、窒素予冷流路５ｂを通過することにより、約−５０℃まで冷却される。窒素冷媒は、窒素予冷流路５ｂを通過することにより、約３５℃から約−５０℃まで冷却される。
【００４１】
減圧装置７は、混合器６から混合冷媒−二酸化炭素分離装置へと向かう混合冷媒の流れにより動力回収タービン７ａを回転させることで発電機７ｂによる発電を行う装置である。すなわち、減圧装置７は、混合冷媒の運動エネルギを電気エネルギとして回収する装置である。
【００４２】
ポンプ１０ａは、溶媒を溶媒-二酸化炭素分離装置９から溶媒流路５ｅへと圧送する装置である。モータ１０ｂは、ポンプ１０ａと接続されてポンプ１０ａを稼働させる。また、モータ１０ｂは、減圧装置７より給電されることにより駆動する。
【００４３】
また、本実施形態によれば、減圧装置７により、混合冷媒の動力を回収し、発電している。これにより、混合冷媒の運動エネルギを取り出すことが可能であり、エネルギ効率を高めることができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、溶媒圧送装置１０は、減圧装置７から給電している。したがって、混合冷媒の運動エネルギにより溶媒圧送装置１０を稼働させており、エネルギ効率をより高めることができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、熱交換装置５において、従来以下の低温領域まで予冷を行うことができ、さらに下流側で用いられる窒素冷媒を冷却することが可能である。これにより、冷却システム１を予冷に用いる場合、下流側の冷却システムの冷却効率を向上させることができ、全体として、天然ガスをより高効率で冷却できる。
【００４６】
［第３実施形態］
上記第１実施形態の変形例を第３実施形態として、図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
本実施形態における冷却システム１Ｂは、３台の圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃと、３台の冷却器３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、前段分離装置８Ａと、前段熱交換装置１１と、後段熱交換装置１２と、予冷装置１３とをさらに備えている。また、本実施形態においては、熱交換装置５に代わり、熱交換装置５Ｃを備えている。
圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、直列に接続される。また、圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃの出口側にはそれぞれ冷却器３Ａ、３Ｂ、３Ｃが設けられている。これにより、圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃから排出された二酸化炭素は、冷却器３Ａ、３Ｂ、３Ｃにより冷却される。
【００４７】
本実施形態における熱交換装置５Ｃは、天然ガス流路５ａと、第１混合冷媒流路５ｈと、第２混合冷媒流路５ｉと、溶媒流路５ｊとを備えている。第１混合冷媒流路５ｈには、後述する混合冷媒流路１１ｂを通過した混合冷媒が供給される。また、第２混合冷媒流路５ｉには、後述する混合冷媒流路１１ｂを通過した混合冷媒が減圧装置７Ｂ（バルブの開放）により減圧された状態で供給される。すなわち、第２混合冷媒流路５ｉを流れる混合冷媒は、第１混合冷媒流路５ｈを流れる混合冷媒よりも温度が低い状態となる。また、第２混合冷媒流路５ｉは、下流側において溶媒-二酸化炭素分離装置９と接続されている。溶媒流路５ｊには、溶媒−二酸化炭素分離装置９において分離された液体状態の溶媒が供給される。
【００４８】
前段分離装置８Ａは、前段熱交換装置１１と熱交換装置５Ｃとの間に設けられ、前段熱交換装置１１から排出された混合冷媒から、気体二酸化炭素を分離する装置である。
【００４９】
前段熱交換装置１１は、天然ガス流路１１ａと、混合冷媒流路１１ｂとを備えている。天然ガス流路１１ａは、熱交換装置５Ｃが備える天然ガス流路５ａの上流側に接続されている。混合冷媒流路１１ｂには、混合器６において生成された混合冷媒が、供給される。また、混合冷媒流路１１ｂは、下流側において前段分離装置８Ａと接続されている。
【００５０】
後段熱交換装置１２は、天然ガス流路１２ａと、混合冷媒流路１２ｂとを備えている。天然ガス流路１２ａには、熱交換装置５Ｃの天然ガス流路５ａを通過した天然ガスが供給される。混合冷媒流路１２ｂには、熱交換装置５Ｃの第１混合冷媒流路５ｈを通過した混合冷媒が減圧装置７Ｃにおいて減圧された後に供給される。混合冷媒流路１２ｂは、下流側において溶媒−二酸化炭素分離装置９と接続されている。
【００５１】
予冷装置１３は、熱交換装置５Ｃ及び後段熱交換装置１２において熱交換された二酸化炭素を用いて、圧縮機２Ｃから排出された昇圧二酸化炭素を予冷する装置である。予冷装置１３は、昇圧二酸化炭素流路１３ａと、第１二酸化炭素流路１３ｂと、第２二酸化炭素流路１３ｃとを備えている。昇圧二酸化炭素流路１３ａには、圧縮機２Ｃから排出された昇圧二酸化炭素が供給される。第１二酸化炭素流路１３ｂには、第２混合冷媒流路５ｉを通過し、溶媒-二酸化炭素分離装置９において分離された二酸化炭素が供給される。また、第１二酸化炭素流路１３ｂは、下流側において、圧縮機２Ｂの入口と接続されている。第２二酸化炭素流路１３ｃには、混合冷媒流路１２ｂを通過し、溶媒−二酸化炭素分離装置９において分離された二酸化炭素が供給される。また、第２二酸化炭素流路１３ｃは、下流側において圧縮機２Ａの入口と接続される。
【００５２】
本実施形態の冷却システム１Ｂにおいて、圧縮機２Ｃから排出された昇圧二酸化炭素は、予冷装置１３により予冷された後、減圧装置７Ａのバルブが開放されることにより減圧されることで、温度が低下する。そして、減圧された二酸化炭素は、溶媒−二酸化炭素分離装置９から供給される溶媒と、前段分離装置８Ａから供給される混合冷媒と共に混合器６へと供給されて混合される。混合器６において混合された混合冷媒は、前段熱交換装置１１の混合冷媒流路１１ｂへと供給され、天然ガス流路１１ａを流れる天然ガスと熱交換される。
【００５３】
そして、混合冷媒流路１１ｂを通過した混合冷媒は、前段分離装置８Ａにおいて、気体二酸化炭素と混合冷媒とに分離される。分離された気体二酸化炭素は、圧縮機２Ｃへと供給される。また、前段分離装置８Ａにおいて分離された混合冷媒は、分岐点Ｄで二方に分岐されると共に、第１混合冷媒流路５ｈと第２混合冷媒流路５ｉとに供給されると共に、一部が上述したようにポンプ１０ｃにより二酸化炭素及び溶媒と合流する。また、第１混合冷媒流路５ｈに供給される混合冷媒は、第２混合冷媒流路５ｉを流れる減圧された混合冷媒と熱交換されることにより冷却される。
【００５４】
また、混合冷媒は、第２混合冷媒流路５ｉの手前において減圧装置７Ｂにより減圧され、さらに温度が低下する。第２混合冷媒流路５ｉを流れる混合冷媒は、第１混合冷媒流路５ｈを流れる混合冷媒及び天然ガス流路５ａを流れる天然ガス及び溶媒流路５ｊを流れる溶媒と熱交換される。
【００５５】
第１混合冷媒流路５ｈを通過した混合冷媒は、減圧装置７Ｃにおいて再度減圧されることにより温度が低下した後に、後段熱交換装置１２の混合冷媒流路１２ｂへと供給される。そして、混合冷媒流路１２ｂを流れる混合冷媒は、天然ガス流路１２ａを流れる天然ガスと熱交換した後に、溶媒−二酸化炭素分離装置９へと供給される。
【００５６】
また、第２混合冷媒流路５ｉを通過した混合冷媒は、溶媒−二酸化炭素分離装置９へと供給される。溶媒−二酸化炭素分離装置９において混合冷媒は、気体二酸化炭素と混合冷媒とに分離される。溶媒−二酸化炭素分離装置９において分離された溶媒は、ポンプ１０ｃにより前段熱交換装置１１の上流側の混合器６へと送られる。また、溶媒−二酸化炭素分離装置９において分離された気体二酸化炭素は、予冷装置１３の第１二酸化炭素流路１３ｂへと供給される。
【００５７】
混合冷媒流路１２ｂを通過して溶媒−二酸化炭素分離装置９へと供給された混合冷媒は、気体二酸化炭素と溶媒とに分離される。分離された溶媒は、溶媒流路５ｊを通過し、再度混合冷媒流路１１ｂへと供給される。また、溶媒−二酸化炭素分離装置９において分離された溶媒の一部は、減圧装置７Ｃにおいて減圧された後に、混合冷媒流路１２ｂへと戻される。気体二酸化炭素は、第２二酸化炭素流路１３ｃへと供給される。
【００５８】
このような本実施形態によれば、昇圧された二酸化炭素を段階的に減圧し、段階ごとに熱交換している。これにより、天然ガスを段階的に冷却すると共に、溶媒及び混合冷媒を自己冷却することが可能であり、エネルギ効率を向上させることができる。
【００５９】
以上、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６０】
上記実施形態においては、冷却システム１、１Ａは、天然ガスの予冷を行う冷却装置としたが、本開示はこれに限定されない。冷却システム１、１Ａは、例えば食品等を冷却するための冷却対象流体を冷凍装置とすることも可能である。この場合、冷却システム１、１Ａは、天然ガス流路５ａを備えず、冷却対象流体を熱交換装置５内に搬送する構成となる。また、本開示の冷却システム１、１Ａは、ガスの深冷分離のための冷却システムとしてもよい。
【００６１】
また、上記実施形態においては、熱交換装置５は、プレートフィン型の熱交換器としたが、本開示はこれに限定されない。例えば、熱交換装置５は、スパイラル式の熱交換器とすることも可能である。
【００６２】
また、溶媒は、−７０℃程度の温度域において液体状態となる物質であれば、限定されるものではない。
【００６３】
また、図３に示すように、上記第１または第２実施形態における熱交換装置５を、熱交換器５Ａと、第２熱交換器５Ｂ（第２の熱交換器）とに分割することも可能である。熱交換器５Ａは、天然ガス流路５ａと、混合冷媒-二酸化炭素分離装置８より供給される混合冷媒が案内される混合冷媒流路５ｃ１とを備えている。また、第２熱交換器５Ｂは、混合冷媒-二酸化炭素分離装置８より供給される混合冷媒が案内される混合冷媒流路５ｃ２と、溶媒流路５ｅと、昇圧二酸化炭素流路５ｆとを備えている。
【００６４】
また、図４に示すように、熱交換装置５は、溶媒流路５ｅ及び昇圧二酸化炭素流路５ｆを備えず、第２混合冷媒流路５ｇを備えるものとしてもよい。この場合、混合器６は、熱交換装置５の上段において、圧縮機２によって超臨界状態となるまで圧縮された二酸化炭素と溶媒とを混合する。これにより、昇圧二酸化炭素を含む混合冷媒が第２混合冷媒流路５ｇに供給されることとなる。
【００６５】
また、図５に示すように、熱交換装置５内において冷却された昇圧二酸化炭素と溶媒とを混合器６において混合し、さらに再び熱交換装置５に戻すことで、昇圧二酸化炭素を含む混合冷媒を冷却し、減圧することも可能である。この場合、熱交換装置５において、混合冷媒を冷却することができ、混合冷媒を減圧時により低温とすることが可能である。
【００６６】
また、図６に示すように、冷却システム１は、混合冷媒送液装置８ａの吐出圧力を上昇させ、混合冷媒−二酸化炭素分離装置８内の圧力よりも溶媒−二酸化炭素分離装置９内の圧力を高く設定し、気化二酸化炭素流路５ｄを通過した二酸化炭素を、圧縮機２へと戻すものとしてもよい。これにより、混合冷媒流路５ｃ内の圧力を上昇させ流路内の二酸化炭素の気化温度を上昇させることができる。これにより、冷却対象流体、溶媒、または昇圧二酸化炭素の温度勾配に応じて混合冷媒流路５ｃの温度勾配を最適に設定することができる。また、混合冷媒送液装置８ａの吐出圧力を上昇させ、溶媒−二酸化炭素分離装置９内の圧力を高く設定すると、溶媒−二酸化炭素分離装置９にて分離される気化二酸化炭素の圧力を高くすることができるため、圧縮機２の消費動力を低くすることができる。
【００６７】
また、上記第２実施形態においては、減圧装置７より回収された電力を用いてモータ１０ｂを駆動させるものとしたが、本開示はこれに限定されない。減圧装置７において回収された電力を外部装置に供給するものとしてもよい。
【００６８】
また、上記第３実施形態の変形例を図８に示す。本変形例の冷却システム１Ｃにおいて、前段熱交換装置１１は、混合冷媒流路１１ｂに代えて、第１混合冷媒流路１１ｃと、第２混合冷媒流路１１ｄを備えるものとしてもよい。第１混合冷媒流路１１ｃ及び第２混合冷媒流路１１ｄには、溶媒-二酸化炭素分離装置９において分離された溶媒と、熱交換装置５Ｃが備える溶媒流路５ｊを通過した溶媒と、予冷装置１３を通過した二酸化炭素とが供給される。また、第１混合冷媒流路１１ｃに供給される混合冷媒は、減圧されず、高圧状態とされる。また、第２混合冷媒流路１１ｄに供給される混合冷媒は、上流において減圧されることにより、温度が低下した状態とされる。第１混合冷媒流路１１ｃは、下流側において第１混合冷媒流路５ｈ及び第２混合冷媒流路５ｉと接続されている。また、第２混合冷媒流路１１ｄは、下流側において前段分離装置８Ａと接続されている。
また、溶媒−二酸化炭素分離装置９において分離された溶媒の一部は、混合冷媒流路１２ｂへと供給される。なお、混合冷媒流路１２ｂへと供給される混合冷媒は、減圧装置７により減圧されている。
【００６９】
このような構成により、冷却システム１Ｃは、第１混合冷媒流路５ｈを流れる昇圧された状態の混合冷媒を、第２混合冷媒流路５ｉを流れる混合冷媒により冷却することが可能である。そして、第１混合冷媒流路５ｈを通過した混合冷媒を減圧することにより、混合冷媒の温度をより低温とすることが可能である。
【００７０】
上記第３実施形態においては、前段熱交換装置１１及び後段熱交換装置１２を備えるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１実施形態の熱交換装置５を、熱交換装置５Ｃへと変更することにより、減圧された混合冷媒により、第１混合冷媒流路５ｈを流れる混合冷媒を冷却することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本開示は、冷却システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１、１Ａ、１Ｂ  冷却システム
２  圧縮機
２ａ  モータ
３  冷却器
４  予冷器
５、５Ｃ  熱交換装置
５ａ  天然ガス流路
５Ａ  熱交換器
５ｂ  窒素予冷流路
５Ｂ  第２熱交換器
５ｃ  混合冷媒流路
５ｃ１  混合冷媒流路
５ｃ２  混合冷媒流路
５ｄ  気化二酸化炭素流路
５ｅ  溶媒流路
５ｆ  昇圧二酸化炭素流路
５ｇ  第２混合冷媒流路
６  混合器
７  減圧装置
７ａ  動力回収タービン
７ｂ  発電機
８  混合冷媒−二酸化炭素分離装置
８ａ  混合冷媒送液装置
９  溶媒−二酸化炭素分離装置
１０  溶媒圧送装置
１０ａ  ポンプ
１０ｂ  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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