(57)【要約】【課題】液化対象ガスの深冷分離及び液化に伴うエネルギを低減して経済性を改善でき、且つ、メンテナンスフリーの液化ガス製造システムを提供する。【解決手段】原動機７０を少なくとも１つ以上設けると共に、音響ヒートポンプ部８０を少なくとも１つ以上設ける熱音響機関９０と、液化対象ガスを加熱器７１と吸熱器８１とに記載の順に導く液化対象ガス通流路Ｌａと、液化天然ガスを放熱器８２と冷却器７２とに記載の順に導く液化天然ガス通流路Ｌｔとを備える。【選択図】図１
2019168207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化天然ガスの冷熱を利用して液化対象ガスを液化する液化ガス製造システムであって、
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波の音響エネルギを増幅する原動機側再生器とから成る原動機を少なくとも１つ以上設けると共に、前記作動媒体が外部から吸熱する吸熱器と前記作動媒体が外部へ放熱する放熱器と前記吸熱器と前記放熱器との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する音響側再生器とから成る音響ヒートポンプ部を少なくとも１つ以上設ける熱音響機関と、
前記液化対象ガスを前記加熱器と前記吸熱器とに記載の順に導く液化対象ガス通流路と、
前記液化天然ガスを前記放熱器と前記冷却器とに記載の順に導く液化天然ガス通流路とを備える液化ガス製造システム。
【請求項２】
前記液化対象ガスと前記液化天然ガスとを熱交換する第１熱交換器を備え、
前記液化対象ガス通流路は、前記加熱器と前記第１熱交換器と前記吸熱器とに記載の順に前記液化対象ガスを導く通流路であり、
前記液化天然ガス通流路は、前記放熱器と前記冷却器と前記第１熱交換器とに記載の順に前記液化天然ガスを導く通流路である請求項１に記載の液化ガス製造システム。
【請求項３】
前記液化対象ガスと前記液化天然ガスとを熱交換する第２熱交換器を備え、
前記液化対象ガス通流路は、前記加熱器と前記第１熱交換器と前記第２熱交換器と前記吸熱器とに記載の順に前記液化対象ガスを導く通流路であり、
前記液化天然ガス通流路は、前記放熱器と前記冷却器と前記第１熱交換器とに前記液化天然ガスを導く第１液化天然ガス通流路と、前記第２熱交換器に前記液化天然ガスを導く第２液化天然ガス通流路とを有する請求項２に記載の液化ガス製造システム。
【請求項４】
前記第２液化天然ガス通流路の前記第２熱交換器の下流端は、少なくとも前記第１液化天然ガス通流路の前記放熱器よりも下流側に連通接続される請求項３に記載の液化ガス製造システム。
【請求項５】
前記原動機が複数設けられる構成において、
前記液化天然ガス通流路は、複数の前記冷却器に直列に前記液化天然ガスを導く通流路であり、
前記液化対象ガス通流路は、複数の前記加熱器に並列に前記液化対象ガスを導く通流路である請求項１〜４の何れか一項に記載の液化ガス製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガスの冷熱を利用して液化対象ガスを液化する液化ガス製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＮＧ基地において液化天然ガスの冷熱を利用して、窒素や酸素等の液化対象ガスを、深冷分離等により液化する液化ガス製造システムが知られている（特許文献１を参照）。当該深冷分離では、圧縮機による空気の圧縮と液化天然ガスの冷熱による冷却により、まず沸点の低い酸素を液化し、その後に、より沸点の低い窒素を液化することで、両者を分離しながら、液化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１０６７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示の技術にあっては、液化対象ガスへ与える冷熱は、熱交換効率も加味すると、液化天然ガスが気化する際に発生する冷熱未満となる。このため、液化対象ガスを液化する単位時間あたりの処理量は、単位時間に気化する液化天然ガスの冷熱量で液化できる量で制限されていた。
また、上記特許文献１に開示の技術は、液化天然ガスの沸点（−１６２℃）よりも低い沸点を持つ液化対象ガス（例えば、沸点−１９６℃の窒素）の液化を行う場合、液化対象ガスを昇圧させるため、必ず圧縮機を備える構成を採用する必要があり、当該圧縮機の作動に多くの電力（エネルギ）を消費するため、エネルギ効率及び経済性の観点から改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液化対象ガスの深冷分離及び液化に伴うエネルギを低減して経済性を改善でき、且つ、メンテナンスフリーの液化ガス製造システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための液化ガス製造システムは、
液化天然ガスの冷熱を利用して液化対象ガスを液化する液化ガス製造システムであって、
その特徴構成は、
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波の音響エネルギを増幅する原動機側再生器とから成る原動機を少なくとも１つ以上設けると共に、前記作動媒体が外部から吸熱する吸熱器と前記作動媒体が外部へ放熱する放熱器と前記吸熱器と前記放熱器との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する音響側再生器とから成る音響ヒートポンプ部を少なくとも１つ以上設ける熱音響機関と、
前記液化対象ガスを前記加熱器と前記吸熱器とに記載の順に導く液化対象ガス通流路と、
前記液化天然ガスを前記放熱器と前記冷却器とに記載の順に導く液化天然ガス通流路とを備える点にある。
【０００７】
上記特徴構成によれば、液化対象ガス通流路を通流する液化対象ガスは、原動機の加熱器にて冷却器からの冷熱を回収することで冷却されると共に音響ヒートポンプ部の吸熱器にて音響エネルギにより温熱が回収される形態で、冷却される。これにより、液化対象ガスが単位時間あたりに回収する冷熱量は、単位時間あたりで液化天然ガスが気化する際に発生する冷熱量よりも多くなり、単位時間当たりの液化天然ガスの流量が同一である場合、従来技術に比して、液化天然ガスの冷熱による液化の処理量を増加させることができる。
更には、音響ヒートポンプ部においては、原動機にて発生させた音響エネルギにより、吸熱器を通過する液化対象ガスから放熱器を通過する液化天然ガスへ熱を汲み上げるヒートポンプ効果により、液化対象ガスの温度を、液化天然ガスの沸点（−１６２℃）よりも大凡３０℃程度低下させることができる。これにより、液化天然ガスの沸点より低い沸点の液化対象ガスについても、圧縮機による昇圧を行うことなく液化できるから、従来技術において消費電力の大部分を占めていた圧縮機の駆動電力を削減でき、エネルギ効率を高め、経済性を高めることができる。
また、機械的な可動部がないため、故障が発生するリスクを低減でき、メンテナンスフリーのシステムを実現できる。
【０００８】
液化ガス製造システムの更なる特徴構成は、
前記液化対象ガスと前記液化天然ガスとを熱交換する第１熱交換器を備え、
前記液化対象ガス通流路は、前記加熱器と前記第１熱交換器と前記吸熱器とに記載の順に前記液化対象ガスを導く通流路であり、
前記液化天然ガス通流路は、前記放熱器と前記冷却器と前記第１熱交換器とに記載の順に前記液化天然ガスを導く通流路である点にある。
【０００９】
単位時間あたりの液化対象ガスの流量に対して、単位時間あたりの液化天然ガス流量が十分に多い場合、液化対象ガスを適切に液化することができる。
一方、単位時間あたりの液化対象ガスの流量が増加してくると、液化対象ガスが加熱器と吸熱器との双方を通過した後であっても、完全に液化されていない状況となることが想定される。
上記特徴構成によれば、液化対象ガスは、加熱器を通過した後に、第１熱交換器において、残留冷熱を保持する液化天然ガスにて予冷された後、吸熱器にて、液化対象ガスの沸点まで冷却されるから、液化天然ガスの残留冷熱を有効に利用しながらも、液化対象ガスの冷却による降温を促進できる。
結果、当該第１熱交換器を設けない構成に比して、単位時間あたりの液化対象ガスの処理量を増加できる。
【００１０】
液化ガス製造システムの更なる特徴構成は、
前記液化対象ガスと前記液化天然ガスとを熱交換する第２熱交換器を備え、
前記液化対象ガス通流路は、前記加熱器と前記第１熱交換器と前記第２熱交換器と前記吸熱器とに記載の順に前記液化対象ガスを導く通流路であり、
前記液化天然ガス通流路は、前記放熱器と前記冷却器と前記第１熱交換器とに前記液化天然ガスを導く第１液化天然ガス通流路と、前記第２熱交換器に前記液化天然ガスを導く第２液化天然ガス通流路とを有する点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、液化対象ガスは、加熱器と第１熱交換器とで冷却された後に、第２熱交換器により、第２液化天然ガス通流路を通流する液化天然ガスにより冷却されるから、より一層、十分に冷却された状態で、吸熱器へ導かれ、当該吸熱器にてより確実に沸点以下の液化状態へ状態変化することとなる。
【００１２】
液化ガス製造システムの更なる特徴構成は、
前記第２液化天然ガス通流路の前記第２熱交換器の下流端は、少なくとも前記第１液化天然ガス通流路の前記放熱器よりも下流側に連通接続される点にある。
【００１３】
第２液化天然ガス通流路の第２熱交換器を通過した後の液化天然ガスは、第２熱交換器での熱交換量や液化対象ガスの処理量にもよるが、潜熱を保有している状態、即ち、温度としては液化天然ガスの沸点（−１６２℃）である可能性が高い。
そこで、当該第２液化天然ガス通流路の第２熱交換器を通過した後の液化天然ガスを、液化対象ガスを沸点まで冷却する放熱器よりも下流側に導いて、冷却器や第１熱交換器での液化対象ガスの冷却の用に供することができる。これにより、吸熱器では液化対象ガスを適切に沸点まで降温させて液化できると共に、より一層のエネルギ効率を高めることができる。
【００１４】
液化ガス製造システムの更なる特徴構成は、
前記原動機が複数設けられる構成において、
前記液化天然ガス通流路は、複数の前記冷却器に直列に前記液化天然ガスを導く通流路であり、
前記液化対象ガス通流路は、複数の前記加熱器に並列に前記液化対象ガスを導く通流路である点にある。
【００１５】
熱音響機関では、発振温度の低温化を図りつつ、熱音響変換エネルギの増大化を図るべく、原動機の多段化に関する研究が進められている。
一方、液化天然ガスは、多くの潜熱を有するため、原動機の冷却器を通過して温熱を回収した後であっても、その温度は沸点に維持される可能性が高い。
そこで、原動機を複数備えたシステムにおいて、液化天然ガスを複数の冷却器に対して直列に導くことで、夫々の冷却器において、沸点に維持された液化天然ガスを導くことができるのに加えて、流路を分岐させることによる圧力低下を招く虞がないため、単一の圧送ポンプにて圧送することができる。
一方、液化対象ガスは、複数の加熱器を並列に通流することにより、処理量の増加を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る液化ガス製造システムの概略構成図である。
【図２】第２実施形態に係る液化ガス製造システムの概略構成図である。
【図３】シミュレーションの際の原動機及び音響ヒートポンプ部の配置条件を示す図である。
【図４】シミュレーション結果を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態に係る液化ガス製造システム１００は、液化対象ガスの深冷分離及び液化に伴うエネルギを低減し、経済性が高くメンテナンスフリーのシステムに関する。
以下、図面に基づいて、実施形態に係る液化ガス製造システム１００について説明を加える。
【００１８】
＜第１実施形態＞
〔熱音響機関に係る構成〕
熱音響機関９０は、図１に示すように、作動媒体が充填され音波が伝播する第１ループ管Ｔ１と第２ループ管Ｔ２とが連結管にて連結されて構成された音響筒Ｔを備え、当該実施形態においては、第１ループ管Ｔ１に単一の原動機７０が設けられると共に第２ループ管Ｔ２に単一の音響ヒートポンプ部８０が設けられている。
【００１９】
以下、作動媒体を外部から加熱する加熱器７１と作動媒体を外部から冷却する冷却器７２と加熱器７１と冷却器７２との間で音波の音響エネルギを増幅する原動機側再生器７３とから成る原動機７０について説明を加える。
【００２０】
加熱器７１は、詳細な図示は省略するが、液化対象ガスを通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。加熱器７１は、フィンがジャケット部を通流する液化対象ガスにて加熱され、当該フィンから音響筒Ｔの内部の作動流体へ温熱を伝導する形態で、作動流体を加熱する。
尚、液化対象ガスとしては、種々のものを採用できるが、当該実施形態にあっては、液化天然ガスの沸点（−１６２℃）よりも低い沸点を有するガスを好適に採用することができ、例えば、窒素が挙げられる。当該実施形態では、空気から窒素を液化と共に分離しながら液化対象ガスとして生産する構成が採用される。
【００２１】
冷却器７２は、液化天然ガスを通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。冷却器７２は、フィンがジャケット部を通流する液化天然ガスにて冷却され、当該フィンから音響筒Ｔの内部の作動流体へ冷熱を伝導する形態で、作動流体を冷却する。
【００２２】
加熱器７１と冷却器７２との間に設けられる原動機側再生器７３は、例えば、音響筒Ｔの筒軸心方向に直交する方向に板面を沿わせた状態で、当該筒軸心方向に沿って複数並べられる薄板状部材（図示せず）から構成されている。
当該薄板状部材は、例えば、厚さが５０μｍ以上１００μｍ以下で、３００枚〜６００枚程度設けられる。当該薄板状部材には、筒軸心方向に沿う方向に貫通する多数の貫通孔（図示せず）が、その直径が２００μｍ〜３００μｍ程度で、設けられる。
【００２３】
作動流体は、音響筒Ｔの内部において、その筒軸心方向で、微小な揺らぎを生じる状態で、存在している。換言すると、作動流体を伝搬する音波は、加熱器７１と冷却器７２との両者間において、一方側から他方側への進行波と、他方側から一方側への進行波とを形成する。
作動流体を伝搬する音波は、冷却器７２から加熱器７１の側への進行波を形成する場合、加熱器７１近傍での原動機側再生器７３としての薄板状部材の複数の貫通孔を通過するときに当該貫通孔の内壁に接触して加熱されると共に、加熱器７１のフィンにて直接加熱されることで、膨張する。一方、作動流体を伝搬する音波は、加熱器７１から冷却器７２の側への進行波を形成する場合、冷却器７２の近傍での原動機側再生器７３としての薄板状部材の複数の貫通孔を通過するときに当該貫通孔の内壁に接触して冷却されると共に、冷却器７２のフィンにて直接冷却されることで、収縮する。
これにより、進行波としての音波が自己励起振動を起こし、その音響エネルギが増幅される形態で、熱エネルギが音波の音響エネルギに変換される。
【００２４】
作動媒体としては、音波を伝播する気体から構成することができる。ここで、原動機側再生器７３での熱交換が迅速になされることが望ましいため、作動媒体としては、熱拡散係数の高いヘリウム、水素が望ましい。また、発電を目的とする場合には、分子量の高い気体が望ましいため、アルゴン等の気体を混合しても良い。尚、熱的に安定していることから、当該実施形態では、作動媒体としてヘリウムを用いている。
【００２５】
原動機７０にて増幅された音波の音響エネルギは、音響筒Ｔの第１ループ管Ｔ１から第２ループ管Ｔ２の音響ヒートポンプ部８０へ伝搬する。
音響ヒートポンプ部８０は、作動媒体が外部から吸熱する吸熱器８１と作動媒体が外部へ放熱する放熱器８２と吸熱器８１と放熱器８２との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する音響側再生器８３とから成る。
【００２６】
詳細な図示は省略するが、吸熱器８１は、液化対象ガスを通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。吸熱器８１では、フィンがジャケット部を通流する液化対象ガスから吸熱し、音響筒Ｔの内部の作動媒体がフィンから吸熱する。
【００２７】
放熱器８２は、外部から供給される液化天然ガスを通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。放熱器８２では、音響筒Ｔの内部の作動媒体がフィンに放熱し、当該放熱された熱がジャケット部を通流する液化天然ガスへ放熱される形態で、液化天然ガスが加熱される。
【００２８】
吸熱器８１と放熱器８２との間に設けられる音響側再生器８３は、その形状や材質については、原動機側再生器７３と変わるところがない。
尚、音響筒Ｔの筒径、筒長さ、形状等は、特に、原動機側再生器７３及び音響側再生器８３の貫通孔の孔径に基づいて、原動機７０の熱エネルギから音響エネルギへの変換効率、音響ヒートポンプ部８０の音響エネルギから熱エネルギへの変換効率が高くなるように、適宜設定される。
【００２９】
ここで、音響ヒートポンプ部８０は、作動流体を伝搬する音波が、吸熱器８１から放熱器８２の側への進行波を形成する場合に圧縮し、放熱器８２から吸熱器８１の側へ進行波を形成する場合に膨張するように、その吸熱器８１と音響側再生器８３と放熱器８２とが音響筒Ｔにおける適切な位置に配置されている。尚、熱音響機関が発振するための音響ヒートポンプ部８０及び原動機７０の配置の一例については、後述するシミュレーション結果と共に図３に示している。
これにより、作動流体を伝搬する音波が吸熱器８１から放熱器８２の側への進行波を形成する場合、作動媒体が、音響側再生器８３にて圧縮しながら吸熱して昇温し、放熱器８２にて昇温して高温となった状態で放熱する。これにより、放熱器８２ではジャケット部を通流する液化天然ガスが、吸熱器８１のジャケット部を通流する液化対象ガスよりも高温の作動媒体と熱交換する形態で加熱される。
一方、作動流体を伝搬する音波が放熱器８２から吸熱器８１の側への進行波を形成する場合、作動媒体は、音響側再生器８３にて膨張しながら放熱して降温し、吸熱器８１にて降温して低温となった状態で吸熱する。これにより、吸熱器８１ではジャケット部を通流する液化対象ガスから、放熱器８２のジャケット部を通流する液化天然ガスよりも十分に低温となった作動媒体が良好に吸熱することとなる。
因みに、上述の如く、音響側再生器８３にて圧縮しながら吸熱する工程、及び膨張しながら放熱する工程において、音波の音響エネルギが消費され、音波は減衰するが、音響エネルギは、原動機７０から逐次補充されるので、音響ヒートポンプ部８０のヒートポンプ機能が維持されることとなる。
【００３０】
これまで説明してきたように、原動機７０の加熱器７１及び冷却器７２、音響ヒートポンプ部８０の吸熱器８１及び放熱器８２の夫々には、液化天然ガス又は液化対象ガスが通流するのであるが、熱音響機関の効率を最適化して、単位流量あたりの液化天然ガスに対して生産される液化対象ガスの生産量を向上させるべく、両者の通流路及び流量調整弁Ｖ等が、以下のように配設されている。
【００３１】
液化対象ガスを通流する液化対象ガス通流路Ｌａは、圧送ポンプ（図示せず）により圧送される空気等の液化対象ガスを通流する流路であり、少なくとも加熱器７１と吸熱器８１とに記載の順に液化対象ガスを通流するように配設されている。
ここで、液化対象ガスが窒素（通常は、窒素を含む空気）の場合、液化対象ガスは、最終的には、顕熱が回収されて窒素の沸点（−１９６℃）まで降温する必要があり、更に、液化対象ガスが気体から液体へ状態変化する際の潜熱が回収されている必要がある。
当該実施形態にあっては、液化対象ガスは、音響ヒートポンプ部８０の吸熱器８１を通過した後に、最も熱が回収された製品（液体）とする必要がある。このため、吸熱器８１へ導かれる液化対象ガスは、液化対象ガスの沸点（−１９６℃）に近い温度にまで降温させておく必要がある。
しかしながら、原動機７０の加熱器７１を通流する液化対象ガスの流量及び温度、及び冷却器７２を通流する液化天然ガスの流量及び温度及び状態（液体又は気体）にもよるが、加熱器７１を通過した後の液化対象ガスは、沸点に近い温度にまで十分に冷却されない場合がある。
そこで、当該実施形態にあっては、液化対象ガス通流路Ｌａは、加熱器７１を通過した後の液化対象ガスと液化天然ガスとを熱交換する第１熱交換器ＥＸ１と、当該第１熱交換器を通過した後の液化対象ガスと液化天然ガスとを熱交換する第２熱交換器ＥＸ２とに、記載の順に液化対象ガスを通流させるよう配設されている。
尚、当該実施形態では、液化対象ガスとして空気を液化対象ガス通流路Ｌａに通流させるのであるが、冷却の過程で液体酸素が生成されることになる。当該酸素の沸点は−１６３℃であるので、吸熱器８１を通過して−１６３℃未満で且つ窒素の沸点の−１９６℃より高い温度のときに、図示しない精留塔等により、深冷分離されることになる。
【００３２】
液化天然ガス通流路Ｌｔは、液化天然ガスを通流する流路であり、少なくとも放熱器８２と冷却器７２とに記載の順に液化天然ガスを通流するように配設されている。
当該液化天然ガス通流路Ｌｔは、放熱器８２と冷却器７２と第１熱交換器ＥＸ１とに記載の順に液化天然ガスを導く第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１と、第２熱交換器ＥＸ２に液化天然ガスを導いた後に冷却器７２と第１熱交換器ＥＸ１との間の第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１に連通接続する第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２とから成る。
第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１と第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２との上流側分岐部には、第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１の側と第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２の側とへの液化天然ガスの流量比を制御自在な流量調整弁Ｖが設けられており、当該流量調整弁Ｖにより、流量比が適切な流量に制御される。
【００３３】
＜第２実施形態＞
さて、第１実施形態で説明した液化ガス製造システム１００では、単一の原動機７０及び単一の音響ヒートポンプ部８０を備える構成例を示した。当該原動機７０及び音響ヒートポンプ部８０は複数設けられていても構わない。特に、原動機７０を多段にすることで、一般に３００℃〜７００℃と高い熱音響機関の発振温度を低下させる研究が進められている。
当該第２実施形態に係る液化ガス製造システム１００では２つの原動機７０を、第１ループ管Ｔ１に備える構成例を示す。尚、当該第２実施形態に係る液化ガス製造システム１００では、２つの原動機７０を備える構成、及びそれに伴う流路構成が異なるものであり、それ以外の構成については、上記第１実施形態に係る液化ガス製造システム１００と同一であるので、説明を割愛することになる。
【００３４】
第２実施形態に係る液化ガス製造システム１００は、図２に示すように、第１原動機７０ａと第２原動機７０ｂとを第１ループ管Ｔ１に備えるものであり、第１原動機７０ａを構成する第１加熱器７１ａ、第１冷却器７２ａ、第１原動機側再生器７３ａ、及び第２原動機７０ｂを構成する第２加熱器７１ｂ、第２冷却器７２ｂ、第２原動機側再生器７３ｂの夫々の構成は、第１実施形態の原動機７０の加熱器７１、冷却器７２、原動機側再生器７３の夫々の構成と変わるところがない。
【００３５】
さて、音響ヒートポンプ部８０の放熱器８２を通流する液化天然ガスの流量、及び吸熱器８１を通流する液化対象ガスの流量及び温度及び状態（液体又は気体）にもよるが、放熱器８２を通過した後の液化天然ガスは、また潜熱を十分に保有している場合がある。
このような場合には、第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１は、複数の冷却器（当該第２実施形態にあっては、第１冷却器７２ａ及び第２冷却器７２ｂ）に対して直列に液化天然ガスを通流するよう配設することが好ましい。当該構成を採用することで、第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１を分岐させる場合に比べ、複数の冷却器の夫々に対して十分な流量で、且つ沸点（−１６２℃）の十分に低温の液化天然ガスを導くことができる。
【００３６】
一方、液化対象ガスを通流する液化対象ガス通流路Ｌａは、複数の原動機（第１原動機７０ａ及び第２原動機７０ｂ）の夫々で、加熱器７１と冷却器７２との間で略同程度の温度差をつけて、効率良く音響エネルギを発生させる意味で、第１加熱器７１ａと第２加熱器７１ｂとの夫々に並列に液化対象ガスを導く構成を採用することが好ましい。即ち、当該第２実施形態に係る液化ガス製造システム１００では、液化対象ガス通流路Ｌａが、第１加熱器７１ａへ液化対象ガスを導く第１液化対象ガス通流路Ｌａ１と、第２加熱器７１ｂへ液化対象ガスを導く第２液化対象ガス通流路Ｌａ２とを備える。
【００３７】
〔試算結果〕
上記第２実施形態に係る液化ガス製造システム１００に関し、熱音響機関が発振し、且つ液化対象ガスを液化する場合の、及び当該第２実施形態に係る構成を採用した場合の原動機７０と音響ヒートポンプ部８０との形状・配置状態の一例、及びその状態における液化対象ガス及び液化天然ガスとの流量・温度バランスの一例を示すべく、シミュレーションを行った。
尚、当該シミュレーションでは、図２に示す液化ガス製造システムにおいて、音響筒Ｔの内径３０ｍｍとし、原動機側再生器７３及び音響側再生器８３の水力半径を０．０１９ｍｍ、空隙率を８５％、再生器の薄板状部材としての金属メッシュの目開きを０．０５７ｍｍ、線径を０．０１６ｍｍ、作動媒体を６Ｍｐａのヘリウムとした。また、第１原動機側再生器７３ａの軸方向長さを０．０３ｍ、第２原動機側再生器７３ｂの軸方向長さを０．０３ｍ、音響側再生器８３の軸方向項長さを０．２５ｍとした。
【００３８】
粒径に比べて波長が十分に長い（平面方向（軸径方向）での粒子速度が十分に小さいこと、音響筒の軸径方向での圧力、密度が一定であること、音響筒の内壁面からの距離に依存する熱拡散、粘性散逸を断面平均して一次元化することを条件として、連続の式〔数１〕と、ナビエ・ストークスの式〔数２〕と、熱輸送の一般式〔数３〕とから、〔数４〕を得た。
【００３９】
【数１】
2019168207.tif 000003
【００４０】
【数２】
2019168207.tif 000004
【００４１】
【数３】
2019168207.tif 000005
〔数１〕、〔数２〕、〔数３〕において、ρは密度、ｕは軸方向粒子速度、ｖは軸径方向粒子速度、Ｔは温度、Ｃｐは定圧比熱、λは熱伝導率、ｘは軸方向座標、ｒは軸径方向座標、μは粘性係数である。
【００４２】
【数４】
2019168207.tif 000006
ここで、Ｐは圧力振幅、〈ｕ〉ｒは断面平均体積流速振幅（粒子速度振幅）、ｊは虚数、ωは角周波数、ρｍは平均密度、Ｐｍは平均圧力、γは比熱比、σはプラントル数、Ｔｍは平均温度である。
また、χαは筒軸径方向での熱拡散分布の平均とし、χｖは筒軸径方向での粘性散逸分布の平均である。
【００４３】
〔数４〕の行列Ａの固有値と固有ベクトルを求め対角化を行うと、ｘ＝０（図３でｘ０）におけるＰ（０）とＵ（０）を用いて、連続なｘ点の情報を得ることが可能な以下の〔数５〕を得る。
【００４４】
【数５】
2019168207.tif 000007
ただし、
2019168207.tif 000008
【００４５】
更に、〔数５〕を連続空間毎に以下の〔数６〕のように連結することで、全体の音場を求める。
【００４６】
【数６】
2019168207.tif 000009
【００４７】
まず、図３における第１ループ管Ｔ１の始点のＰ（ｘ０）とＵ（ｘ０）と、第１ループ筒Ｔ１の終点のＵ（ｘ９）と、〔数５〕を連結して得られる第１ループ管Ｔ１の伝達マトリクスＣｅとを用い、第１ループ管Ｔ１の始点と終点との接合点における圧力振幅が等しいという境界条件から、以下の〔数７〕が成立する。
【００４８】
【数７】
2019168207.tif 000010
【００４９】
同様に、図３における第２ループ管Ｔ２の始点のＰ（ｘ１０）とＵ（ｘ１０）と、第２ループ管Ｔ２の終点のＵ（ｘ１５）と、〔数５〕を連結して得られる第２ループ管Ｔ２の伝達マトリクスＣｆとを用い、第２ループ管Ｔ２の始点と終点との接合点における圧力振幅が等しいという境界条件から、以下の〔数８〕が成立する。
【００５０】
【数８】
2019168207.tif 000011
【００５１】
最後に、連結管と第１ループ管Ｔ１との接合点ｘｒ１、連結管と第２ループ管Ｔ２との接合点ｘｒ２における体積流速振幅を夫々Ｕ（ｘｒ１）、Ｕ（ｘｒ２）とすると、以下の〔数９〕〔数１０〕の関係が存在する。
【００５２】
【数９】
2019168207.tif 000012
【００５３】
【数１０】
2019168207.tif 000013
【００５４】
連結管の伝達マトリクスをＣｒとし、〔数９〕、〔数１０〕を用いると、以下の〔数１１〕が得られる。
【００５５】
【数１１】
2019168207.tif 000014
【００５６】
〔数７〕、〔数８〕、〔数１１〕を連立し、ＰとＵを消去すると以下の〔数１２〕が得られる。
【００５７】
【数１２】
2019168207.tif 000015
【００５８】
〔数１２〕には圧力振幅Ｐ及び断面平均体積流速振幅〈ｕ〉ｒの項が存在しないため、振動量の大きさに依存することなく、動作条件を決定できる。Ａマトリクスに含まれる再生器温度、再生器流路径等と、Ｃマトリクスに含まれる装置形状情報を変更した場合に、〔数１２〕を満たす条件が動作条件となる。
【００５９】
〔数１２〕を満たす条件として、本発明の発明者らは、図３において、ｘ０＝０ｍ、ｘ１＝１．４ｍ、ｘ２＝１．４３ｍ、ｘ３＝１．４６ｍ、ｘ４＝１．４９ｍ、ｘ５＝１．５４ｍ、ｘ６＝１．５７ｍ、ｘ７＝１．６０ｍ、ｘ８＝１．６３ｍ、ｘ９＝１．８１ｍ、ｘ１０＝１．５．６２ｍ、ｘ１１＝６．９７ｍ、ｘ１２＝７．００ｍ、ｘ１３＝７．２５ｍ、ｘ１４＝７．２８ｍ、ｘ１５＝７．４５ｍとして、原動機７０、音響ヒートポンプ部８０、音響筒Ｔの形状・配置状態を決定した。
【００６０】
更に、第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１を通流する液化天然ガスの初期状態を、液体１００％、流量を１ｔ／ｈとした場合、吸熱器８１を−１６２℃で通過するときに、通過前の液体１００％から通過後に液体５０％気体５０％に状態変化する形で６９ｋＷの熱を回収し、第１冷却器７２ａを−１６２℃で通過するときに、通過前の液体５０％気体５０％から通過後に液体２９％気体７１％に状態変化する形で３０ｋＷの熱を回収し、第２冷却器７２ｂを−１６２℃で通過するときに、通過前の液体２９％気体７１％から通過後に液体１９％気体８１％に状態変化する形で１３ｋＷの熱を回収し、その後、第１熱交換器ＥＸ１を通過すると試算された。更に、第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２を通流する液化天然ガスは、流量を１ｔ／ｈとし、第２熱交換器ＥＸ２、第１熱交換器ＥＸ１を記載の順に通過するとした。
【００６１】
また、第１液化対象ガス通流路Ｌａ１を通流する液化対象ガスとしての空気（窒素）の初期状態を、気体１００％、流量を３．８ｔ／ｈとした場合、第１加熱器７１ａを３０℃で流入して−３０℃で流出することで、６５ｋＷの熱を供給した。第２液化対象ガス通流路Ｌａ２を通流する液化対象ガスは、流量を１．６ｔ／ｈとし、第２加熱器７１ｂを３０℃で流入して−３０℃で流出することで、２７ｋＷの熱を供給すると試算された。第１液化対象ガス通流路Ｌａ１と第２液化対象ガス通流路Ｌａ２を通流して合流した液化対象ガスは、第１熱交換器ＥＸ１及び第２熱交換器ＥＸ２で冷却された後、流量が２．７ｔ／ｈの−１６２℃の窒素となり、放熱器８２を通過して−１９６℃の沸点まで降温し液体１００％となる形で、１９ｋＷを放熱すると試算された。
当該条件で上記〔数１２〕を満たすことを確認し、第１原動機側再生器７３ａでは３５ｋＷの音響エネルギが生成され、第２原動機側再生器７３ｂでは１５ｋＷの音響エネルギが生成され、音響側再生器８３にて当該音響エネルギ５０ｋＷが消費される試算となった。
また、音響筒Ｔの筒軸心方向での各位置における圧力振幅、音響エネルギ、粒子速度振幅は、図４のように試算された。
【００６２】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態においては、第１熱交換器ＥＸ１及び第２熱交換器ＥＸ２を備える構成を示したが、液化対象ガスの流量に対して液化天然ガスの流量が十分に確保できる場合等では、当該第１熱交換器ＥＸ１及び第２熱交換器ＥＸ２は設けない構成を採用しても構わないし、何れか一方を設ける構成を採用しても構わない。
また、第２熱交換器ＥＸ２を設けない場合、第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２は設けない構成が採用される。
【００６３】
（２）上記第１実施形態において、第２熱交換器ＥＸ２の下流側の第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２は、冷却器７２と第１熱交換器ＥＸ１との間の第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１に連通接続される構成を示した。
しかしながら、当該第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２は、吸熱器８１と冷却器７２との間の第１液化天然ガス通流路Ｌｔ１に連通接続される構成を採用しても構わない。
これにより、第２熱交換器ＥＸ２を通過した後の液化天然ガスが有する冷熱を第１熱交換器ＥＸ１のみならず、冷却器７２でも利用可能となる。
また、第２熱交換器ＥＸ２の下流側の第２液化天然ガス通流路Ｌｔ２は、冷熱を保有してない状態である場合、第１熱交換器ＥＸ１等の他の機器を通流することなく、下流の都市ガス通流路（図示せず）に導かれる構成を採用しても構わない。
【００６４】
尚、上記該実施形態では、空気は加圧せずに液化窒素を製造する例を示したが、空気を加圧する構成を採用しても構わない。例えば、空気を１ＭＰａ程度に加圧することで、酸素の液化温度は−１５５°程度となるため、第２熱交換器ＥＸ２において、図示しない精留塔等により、酸素を深冷分離する構成を採用できる。
当該加圧を行う構成における圧力は、熱音響機関を用いない従来の液化ガス製造設備での加圧圧力（例えば、３．７Ｍｐａ）に比べて、十分に低い圧力になる。このため、省費電力の低減を図ることができる。また、第２熱交換器ＥＸ２にて酸素を深冷分離できるため、上記実施形態に記載の構成に比して、簡素な構成を採用できる。
【００６５】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の液化ガス製造システムは、液化対象ガスの深冷分離及び液化に伴うエネルギを低減して経済性を改善でき、且つ、メンテナンスフリーの液化ガス製造システムとして、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
７０    ：原動機
７１    ：加熱器
７２    ：冷却器
７３    ：原動機側再生器
８０    ：音響ヒートポンプ部
８１    ：吸熱器
８２    ：放熱器
８３    ：音響側再生器
９０    ：熱音響機関
１００  ：液化ガス製造システム
ＥＸ１  ：第１熱交換器
ＥＸ２  ：第２熱交換器
Ｌａ    ：液化対象ガス通流路
Ｌａ１  ：第１液化対象ガス通流路
Ｌａ２  ：第２液化対象ガス通流路
Ｌｔ    ：液化天然ガス通流路
Ｔ      ：音響筒
【図１】
2019168207.tif 000016
【図２】
2019168207.tif 000017
【図３】
2019168207.tif 000018
【図４】
2019168207.tif 000019