(57)【要約】【課題】酸素富化空気の生産量を変更でき且つ生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造できる酸素濃縮システムを提供する。【解決手段】濃縮システム１０は、熱交換器１４で液化天然ガスと熱交換した空気を圧縮する圧縮機１５と、圧縮機１５で圧縮後、熱交換器１６で熱交換した空気を断熱膨張させる膨張機１８と、断熱膨張後の空気の気液分離を行う気液分離装置１９とを備え、圧縮機１５の圧縮比及び膨張機１８の膨張比は、断熱膨張後の空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるようにそれぞれ設定され、圧縮機１５及び膨張機１８はスクリュ式であり、圧縮雌ロータ１５６と膨張雌ロータ１８２は、一体的に回転可能となるように互いに連結され、圧縮雄ロータ１５７と膨張雄ロータ１８３は、一体的に回転可能となるように互いに連結され、電動機１７は、圧縮雄ロータ１５７及び膨張雄ロータ１８３を含む回転体を回転させる。【選択図】図５
2015206476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入された空気の酸素濃度を高める酸素濃縮システムであって、
前記酸素濃縮システムに投入された空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器において熱交換された後の空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された後の空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機と、
前記膨張機により断熱膨張された空気の気液分離を行う気液分離装置と、
前記圧縮機及び前記膨張機を駆動する電動機と、を備え、
前記圧縮機の圧縮比及び前記膨張機の膨張比は、前記断熱膨張後の空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるようにそれぞれ設定されており、
前記圧縮機は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、当該圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、
前記膨張機は、スクリュロータである膨張雌ロータと、当該膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、
前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記電動機は、前記圧縮雌ロータ及びそれに連結された前記膨張雌ロータを含む一方の回転体と、前記圧縮雄ロータ及びそれに連結された前記膨張雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体を回転させる、酸素濃縮システム。
【請求項２】
前記膨張雌ロータと前記膨張雄ロータは、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有する、請求項１に記載の酸素濃縮システム。
【請求項３】
前記圧縮雌ロータと前記圧縮雄ロータは、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有する、請求項２に記載の酸素濃縮システム。
【請求項４】
前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと前記圧縮機により圧縮された後の空気との間で熱交換させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【請求項５】
前記気液分離装置は、上下に延びる分離筒を備えていて、供給された空気を前記分離筒内で旋回させるサイクロン式気液分離装置である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【請求項６】
前記第１の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有していて、これら複数の流路のうち当該第１の熱交換器の外部に最も近い流路である外側流路を前記空気が流れるように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【請求項７】
前記第１の熱交換器は、前記外側流路内又は当該第１の熱交換器内の前記外側流路と連通する空間内に配置されてゼオライトを含む吸着材を有する、請求項６に記載の酸素濃縮システム。
【請求項８】
前記第２の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有していて、これら複数の流路のうち当該第２の熱交換器の外部に最も近い流路である外側流路を前記液化天然ガスが流れるように構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【請求項９】
前記第２の熱交換器は、前記複数の流路全体を外側から囲う断熱部を有する、請求項８に記載の酸素濃縮システム。
【請求項１０】
前記第１の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと前記第２の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスとのうちのいずれか一方の液化天然ガス及び前記気液分離装置において分離されてその気液分離装置から排出された液体を含む空気と、前記天然ガスを燃焼させる施設から排気された排ガスと、を熱交換させる第３の熱交換器をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【請求項１１】
前記第３の熱交換器において熱交換した後の空気が流れる流路、又は、前記第３の熱交換器において熱交換することによって気化した液化天然ガスである天然ガスが流れる流路に配置された発電機をさらに備え、
前記発電機は、当該発電機が配置された流路を流れる空気又は天然ガスの流れ又は圧力を利用して発電し、その発電した電力を前記電動機に供給する、請求項１０に記載の酸素濃縮システム。
【請求項１２】
液化天然ガスが貯蔵されるタンクとこのタンクの外側を囲う断熱部との間に設けられるタンク冷却流路をさらに備え、
前記気液分離装置は、分離した気体を排出する排気部を有し、当該排気部は、排出する気体が前記タンク冷却流路へ流れるように前記タンク冷却流路に接続されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【請求項１３】
前記酸素濃縮システムに投入される空気を前記第１の熱交換器まで案内する案内流路をさらに備え、
前記案内流路は、その内部を流れる空気が前記タンク内の液化天然ガスとの間で熱交換可能となるように前記タンクに沿って配置される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の酸素濃縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃縮システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題からＣＯ２の排出削減のため、高炉や発電等の燃焼熱源を使う施設（設備）では、燃焼させたときのＣＯ２の排出量が比較的少ないＮＧ（天然ガス）を燃料として使用している。このＮＧを燃料として用いる場合において燃料費の削減等のため、熱効率を向上させる方法として、大気（空気）の代わりに酸素（純酸素）や、大気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を吹き込むことでＮＧをより高温で燃焼させ、大気中の窒素に持っていかれる熱量を抑制する方法がある。このような、より高温でのＮＧの燃焼に用いられる純酸素を比較的大量に、また生産性よく製造する装置としては、例えば下記特許文献１に記載された深冷分離方式の空気分離装置が一般に知られている。
【０００３】
この深冷分離方式の空気分離装置は、空気を極低温まで冷却して液化した後、精留塔において酸素と窒素との沸点の違いを利用して液化空気から酸素を分留する。このとき、前記空気分離装置において、空気を液化する際の低温源としてＬＮＧ（液化したＮＧ）の冷熱を利用することにより、酸素の製造コストを抑える提案やその試みはあるが、それほど一般的ではない。詳しくは、ＮＧを燃料とする燃焼熱源を使う施設では、通常、ＮＧを液化してその体積を例えば約１／６００に小さくした状態、即ち、ＬＮＧ（液化天然ガス）の状態でタンク等に貯蔵しており、このタンクに貯蔵されているＬＮＧの温度がその沸点である−１６２℃以下の極低温状態に保たれている。このため、原理的には、前記空気分離装置では、このＬＮＧの冷熱を利用して空気の液化を行って酸素の冷却の際の電力等の消費を抑えることができる。
【０００４】
このような深冷分離方式の空気分離装置によれば、純度が９９．６ｖｏｌ．％以上の高純度な酸素（純酸素）が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１１２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
より高温でのＮＧの燃焼のために供給される空気は、必ずしも純酸素のような純度の高い酸素ではなく、酸素濃度が２１％である通常の空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気、例えば酸素濃度が３０％〜５０％程度の酸素富化空気であってもよい。このような酸素富化空気が供給されて行われる燃焼は、酸素富化燃焼と呼ばれる。空気分離装置は、そもそも工業用原料としての高純度酸素及び高純度窒素を製造するために設計された装置である。このため、酸素富化燃焼に供給する酸素富化空気の製造を目的とする場合には、このような空気分離装置では、必要以上の純度の酸素を製造することになり、その結果、余分な電力等のエネルギを消費することになる。このため、余分なコストが生じてしまう。
【０００７】
ここで、空気分離装置により製造される高純度の酸素と通常の空気とを混ぜて酸素富化空気を製造することも考えられるが、上記のような深冷分離方式による酸素の製造方法では、３０ｔ／日を超えるような大規模な酸素の生産を行わなければ経済的でないため、少量の酸素富化空気が必要な場合には、コストが大幅に上昇して酸素富化空気を安価に製造することができない。
【０００８】
また、上記の空気分離装置では、深冷分離方式の作動原理及び分子熱流体の特性から、負荷変動量の制限と負荷変動速度の制限とが存在するため、単位時間当たりの酸素の生産量が一定になるような極力一定した運転を行わなければならない。このため、単位時間当たりの酸素の生産量を変更することができない。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、酸素富化空気の生産量を変更することができると共に、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造できる酸素濃縮システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一態様である酸素濃縮システムは、投入された空気の酸素濃度を高める酸素濃縮システムであって、前記酸素濃縮システムに投入された空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器において熱交換された後の空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された後の空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機と、前記膨張機により断熱膨張された空気の気液分離を行う気液分離装置と、前記圧縮機及び前記膨張機を駆動する電動機と、を備え、前記圧縮機の圧縮比及び前記膨張機の膨張比は、前記断熱膨張後の空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるようにそれぞれ設定されており、前記圧縮機は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、当該圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、前記膨張機は、スクリュロータである膨張雌ロータと、当該膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記電動機は、前記圧縮雌ロータ及びそれに連結された前記膨張雌ロータを含む一方の回転体と、前記圧縮雄ロータ及びそれに連結された前記膨張雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体を回転させる。
【００１１】
この酸素濃縮システムでは、純酸素ではなく、空気の酸素濃度を高めた酸素富化空気を製造できる。酸素富化空気は純酸素に比べれば酸素濃度が低いため、この酸素濃縮システムでの酸素富化空気の製造には、純酸素まで酸素濃度を高めるのに必要となる余分なコストが掛からない。このため、この酸素濃縮システムでは、酸素富化空気の製造コストを、純酸素を製造する場合の製造コストに比べて抑制することができる。
【００１２】
しかも、この酸素濃縮システムでは、第１の熱交換器と第２の熱交換器とにおいて液化天然ガスの冷熱を利用した熱交換により空気を冷却すると共に、第１の熱交換器で冷却された後の空気を圧縮機が圧縮することにより、酸素富化空気をその生産量に関わらず安価に製造することができる。
【００１３】
具体的には、気化させて使用する液化天然ガスの冷熱を利用して空気を冷却することによって、酸素富化空気の生産量に関わりなく、空気の冷却のための消費電力等を抑えることができる。また、圧縮機が冷却後の空気を圧縮することにより、当該圧縮機による昇圧の幅（圧縮比）が小さくても断熱膨張後の空気の温度を酸素の沸点以下にすることができる。このため、圧縮機を駆動する電動機の消費電力を抑えることができる。以上のように消費電力を抑制できることから、酸素富化空気の生産量に関わりなく酸素富化空気を安価に製造することができる。
【００１４】
また、この酸素濃縮システムでは、深冷分離方式のような液化させた空気から酸素のみを気化させるといった準静的な平衡プロセスではなく、空気中の酸素を液化させてこの空気を気液分離装置によって強制的に気液分離することにより酸素の濃縮を行う構成を採用しているため、気液分離装置に供給される空気の量等が変動しても酸素の濃縮が連続的に行われる。このため、酸素富化空気の生産量（単位時間当たりの生産量）を変更することができる。
【００１５】
さらに、この酸素濃縮システムでは、第２の熱交換器において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段としてスクリュ式膨張機を用いているため、例えば第２の熱交換器において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段として膨張弁が用いられるような場合に比べて、消費エネルギを削減できる。具体的に、膨張弁が設けられた箇所では流路が狭くなることから、断熱膨張の過程において空気と流路壁との間で摩擦熱が発生し、エネルギの散逸が生じる。これに対し、この酸素濃縮システムで用いているスクリュ式膨張機では、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制でき、エネルギの散逸を抑制できる。その結果、電動機の消費電力を抑制でき、この点からも酸素富化空気の安価な製造が可能となる。
【００１６】
また、この酸素濃縮システムでは、圧縮機により圧縮された空気が第２の熱交換器で熱交換された後、膨張機で断熱膨張される際、当該圧縮空気の空圧エネルギ（圧力）が膨張雌ロータと膨張雄ロータを回転させるように作用する。ここで、当該酸素濃縮システムでは、膨張雌ロータと圧縮雌ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているとともに、膨張雄ロータと圧縮雄ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているため、前記空圧エネルギに起因する膨張雌ロータの回転力は圧縮雌ロータに伝達され、前記空圧エネルギに起因する膨張雄ロータの回転力は圧縮雄ロータに伝達される。このため、電動機が各ロータを回転させるために消費する電力を大幅に削減することができる。この点からも、酸素富化空気の安価な製造が可能となる。
【００１７】
なお、一般的には、スクリュ式膨張機以外の膨張機として、タービン羽根を回転させて対象となる気体を膨張させる形式のタービン膨張機が知られている。このようなタービン膨張機でも、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制できるため、酸素濃縮システムの膨張機としてタービン膨張機を適用することも理論的には想定される。この場合、タービン膨張機の回転軸をスクリュ式圧縮機のスクリュロータに連結すれば、圧縮空気の空圧エネルギをタービン膨張機からスクリュ式圧縮機へ回生することも理論的には可能である。
【００１８】
しかし、スクリュ式圧縮機とタービン膨張機とでは、それらを通って流れる空気の流量が同じ流量であっても、動作回転数が大幅に異なることから、タービン膨張機の回転軸をスクリュ式圧縮機のスクリュロータに直結することはできない。仮に、タービン膨張機の回転軸とスクリュ式圧縮機のスクリュロータとの間に変速機を介装して、相互間の動作回転数の差を解消することも考えられるが、この場合には、変速機において生じる摩擦によりエネルギが損失するため、エネルギの回生効果が失われる。
【００１９】
また、酸素濃縮システムの膨張機としてタービン膨張機を適用する場合に、スクリュ式圧縮機の方を、例えば自動車の内燃機関に付加されるターボチャージャで用いられるタービン圧縮機を模したタービン式に変更することにより、タービン膨張機とタービン圧縮機との間での動作回転数の差を解消することも考えられる。しかし、タービン圧縮機及びタービン膨張機では、それらを通って流れる空気の流速を上げて高速回転させないと、圧縮機において必要な圧縮比を得ることが難しい。仮に、必要な圧縮比の獲得のために電動機を高速回転させるとすれば、電動機の発熱量が過大となって冷却効果が損なわれることから、酸素富化空気の製造コストが増大する。また、仮に、膨張機に導入する空気の流速を上昇させる場合には、その空気の流れによる摩擦熱が増大する。この場合も、冷却効果が損なわれ、酸素富化空気の製造コストが増大する。従って、酸素濃縮システムにおいて、膨張機としてタービン膨張機を用いるとともに圧縮機としてタービン圧縮機を用いることは現実的ではない。
【００２０】
以上のように、スクリュ式圧縮機及びスクリュ式膨張機の代替手段が理論的には種々考えられるが、酸素濃縮システムに適用するにはそれぞれ問題点があるため、結果的に、本実施形態の酸素濃縮システムでは、スクリュ式圧縮機及びスクリュ式膨張機を用いることが最も好適である。
【００２１】
上述の酸素濃縮システムにおいて、前記膨張雌ロータと前記膨張雄ロータは、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有することが好ましい。
【００２２】
かかる構成によれば、膨張雌ロータと膨張雄ロータが共に回転する時に膨張雌ロータと膨張雄ロータとの相互接触を回避してそれら両ロータ同士の接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、膨張雌ロータと膨張雄ロータとの相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機の消費電力をより削減できる。
【００２３】
この場合において、前記圧縮雌ロータと前記圧縮雄ロータは、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有することが好ましい。
【００２４】
かかる構成によれば、圧縮雌ロータと圧縮雄ロータが共に回転する時に圧縮雌ロータと圧縮雄ロータとの相互接触を回避してそれら両ロータ同士の接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、圧縮雌ロータと圧縮雄ロータとの相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機の消費電力をさらに削減できる。
【００２５】
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと前記圧縮機により圧縮された後の空気との間で熱交換させる構成が好ましい。
【００２６】
かかる構成によれば、第１の熱交換器において空気との熱交換によって温度の上昇した液化天然ガスを、第２の熱交換器においてさらに昇温又は気化させることができる。即ち、第１の熱交換器から排出された空気は、圧縮機で圧縮されることにより第１の熱交換器から排出された直後よりも温度が上昇しているため、第２の熱交換器では、この空気の熱によって液化天然ガスをさらに加熱して（熱交換させて）昇温又は気化させることができる。これにより、液化天然ガスを、各種燃焼施設において燃焼させるために気化させる際のエネルギー（例えば電力等）のコストをより抑えることができる。
【００２７】
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記気液分離装置は、上下に延びる分離筒を備えていて、供給された空気を前記分離筒内で旋回させるサイクロン式気液分離装置であることが好ましい。
【００２８】
かかる構成によれば、気液分離装置が分離筒内において供給された空気の旋回流を生じさせるといった簡単な構造の装置となるため、極低温（空気に含まれる酸素が液化する温度）の空気の気液分離を行っても故障等が生じ難い。しかも、分離筒内で空気を旋回させる構成であるため、空気中に生じたミスト状の酸素（液化した酸素）を遠心力を利用して連続的に分離することができる。
【００２９】
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記第１の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有していて、これら複数の流路のうち当該第１の熱交換器の外部に最も近い流路である外側流路を前記空気が流れるように構成されることが好ましい。
【００３０】
かかる構成によれば、第１の熱交換器の外部から内部に向かって温度勾配が単調になる。即ち、第１の熱交換器の外部から内部に向かって温度が上下に変動せずに大気、空気の流れる流路、液化天然ガスの流れる流路の順に温度が下がっていくような温度勾配となる。このため、第１の熱交換器の断熱性が向上すると共に当該第１の熱交換器における熱歪みを抑えることができる。
【００３１】
この場合、前記第１の熱交換器は、前記外側流路内又は当該第１の熱交換器内の前記外側流路と連通する空間内に配置されてゼオライトを含む吸着材を有することが好ましい。
【００３２】
かかる構成によれば、第１の熱交換器内を空気が通過することによって、この空気に含まれる水蒸気やＣＯ２、メタン、有機溶媒等が吸着材によって吸着される。これにより、空気にこれらの物質が含まれていることに起因する気液分離装置での気液分離効率の低下を防ぐことができる。
【００３３】
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記第２の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有していて、これら複数の流路のうち当該第２の熱交換器の外部に最も近い流路である外側流路を前記液化天然ガスが流れるように構成されることが好ましい。
【００３４】
熱交換器では、一般に、外側流路の断面積は、その外側流路よりも内側に設けられ且つ前記外側流路を流れる流体と熱交換する流体の流れる内側流路の断面積よりも大きい。このため、上述の構成によれば、断面積の大きな外側流路に液化天然ガスを流すと共に、断面積の小さな内側流路に圧縮されて体積の小さくなった空気を流すことで、第２の熱交換器における液化天然ガスの流速と空気（圧縮後の空気）の流速との差が抑えられる。これにより、熱交換効率の低下を抑えることができる。
【００３５】
さらに、圧縮機での圧縮に伴う発熱によって温度の上昇した空気との熱交換によって液化天然ガスの全部又は一部が気化することによる体積膨張を前記断面積の差によって吸収させることにより、前記膨張に基づいて第２の熱交換器に発生する応力を低減することができる。
【００３６】
この場合、内側流路を流れる空気の温度よりも外側流路を流れる液化天然ガスの温度の方が低いため、第２の熱交換器における外部（外気）と内部との間の温度差に起因する熱歪みの発生を防ぐために、前記第２の熱交換器は、前記複数の流路全体を外側から囲う断熱部を有することが好ましい。
【００３７】
また、上述の酸素濃縮システムでは、前記第１の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと前記第２の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスとのうちのいずれか一方の液化天然ガス及び前記気液分離装置において分離されてその気液分離装置から排出された液体を含む空気と、前記天然ガスを燃焼させる施設から排気された排ガスと、を熱交換させる第３の熱交換器をさらに備えていてもよい。
【００３８】
かかる構成によれば、天然ガスを燃焼させる施設において生じた排ガス（廃熱）を利用して、当該施設に供給される液化天然ガス（一部ガス化しているものも含む）と、酸素濃縮システムによって製造される酸素富化空気とを確実に気化（ガス化）することができる。しかも、天然ガスを燃焼させる施設から排気される排ガスは、酸素富化空気を供給した状態で天然ガスを燃焼（高カロリー燃焼）させた後の排ガスであるためその温度が十分高い。このため、前記施設に供給される液化天然ガス（一部ガス化している場合も含む）と酸素富化空気との両方を確実にガス化することができる。
【００３９】
このように、前記施設に供給される液化天然ガスと酸素富化空気とが確実に気化される構成の酸素濃縮システムでは、前記第３の熱交換器において熱交換した後の空気が流れる流路、又は、前記第３の熱交換器において熱交換することによって気化した液化天然ガスである天然ガスが流れる流路に配置された発電機をさらに備え、前記発電機は、当該発電機が配置された流路を流れる空気又は天然ガスの流れ又は圧力を利用して発電し、その発電した電力を前記電動機に供給することが好ましい。
【００４０】
かかる構成によれば、外部から酸素濃縮システムに供給される電力を削減でき、これにより、当該酸素濃縮システムの省電力化を図ることができる。
【００４１】
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、液化天然ガスが貯蔵されるタンクとこのタンクの外側を囲う断熱部との間に設けられるタンク冷却流路をさらに備え、前記気液分離装置は、分離した気体を排出する排気部を有し、当該排気部は、排出する気体が前記タンク冷却流路へ流れるように前記タンク冷却流路に接続されていることが好ましい。
【００４２】
かかる構成によれば、気液分離装置の排気部から排気される極低温（酸素の沸点以下）の窒素又は窒素リッチな空気の冷熱を利用してタンクを冷却することができる。その結果、タンクに貯蔵された液化天然ガスを液相のままで維持するための冷却に要する電力等を抑えることができる。
【００４３】
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記酸素濃縮システムに投入される空気を前記第１の熱交換器まで案内する案内流路をさらに備え、前記案内流路は、その内部を流れる空気が前記タンク内の液化天然ガスとの間で熱交換可能となるように前記タンクに沿って配置されることが好ましい。
【００４４】
かかる構成によれば、タンクに貯蔵された極低温の液化天然ガスの冷熱を利用して、第１の熱交換器に供給される前の空気を冷やして結露させることにより、後段（空気の流れにおける下流側）の気液分離装置での気液分離効率の低下の原因となる空気中の水分を除去することができる。
【００４５】
また、第１の熱交換器に供給される前の空気をタンクに貯蔵された液化天然ガスの冷熱を利用して冷却することにより、第１の熱交換器の小型化を図ることも可能となる。
【発明の効果】
【００４６】
以上より、本発明によれば、酸素富化空気の生産量を変更することができると共に、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造できる酸素濃縮システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る酸素濃縮システムと、この酸素濃縮システムが併設されている施設の概略構成を示す図である。
【図２】第１の熱交換器の斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ位置における第１の熱交換器の断面図である。
【図４】膨張機の前後の空気の圧力と、膨張後の空気の温度との関係を示す図である。
【図５】圧縮機及び膨張機の横断面図である。
【図６】図５中のＶＩ−ＶＩ位置における圧縮機及び膨張機の縦断面図である。
【図７】図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ位置における圧縮機の断面図である。
【図８】圧縮機の定常運転中における圧縮雌ロータと圧縮雄ロータとの噛み合い部を拡大して示す部分断面図である。
【図９】圧縮雌ロータと圧縮雄ロータの逆回転時におけるそれら両ロータ同士の噛み合い部を拡大して示す部分断面図である。
【図１０】図６中のＸ−Ｘ位置における膨張機の断面図である。
【図１１】定常運転中における膨張雌ロータと膨張雄ロータとの噛み合い部を拡大して示す部分断面図である。
【図１２】膨張雌ロータと膨張雄ロータの逆回転時におけるそれら両ロータ同士の噛み合い部を拡大して示す部分断面図である。
【図１３】第２の熱交換器の横断面図である。
【図１４】サイクロン式気液分離装置の平面図である。
【図１５】サイクロン式気液分離装置の正面図である。
【図１６】第３の熱交換器の横断面図である。
【図１７】酸素濃縮システムが適用された第１実施例によるＬＮＧ火力発電プラントの模式的な系統図である。
【図１８】酸素濃縮システムが適用された第２実施例による超電導ＬＮＧタンカーの模式的な系統図である。
【図１９】本発明の一実施形態の変形例に係る酸素濃縮システムと、この酸素濃縮システムが併設されている施設の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の一実施形態に係る酸素濃縮システムについて、図１〜図１６を参照しつつ説明する。
【００４９】
本実施形態に係る酸素濃縮システム（以下、単に「濃縮システム」とも称する）は、投入された空気中の酸素を濃縮してその空気の酸素濃度を高めるものである。例えば、本実施形態の酸素濃縮システムは、高炉や発電施設等において天然ガス（以下、単に「ＮＧ」とも称する）を燃焼させるときに熱効率の向上及び排出ガス（ＣＯ２ガス等）の削減を目的として吹き込ませる酸素濃度の高い空気（酸素富化空気）を製造するために用いられる。なお、酸素富化空気は、大気に比べて酸素濃度の高い空気のことである。本実施形態の濃縮システム１０では、酸素濃度が３０％程度の酸素富化空気が製造される。また、本実施形態において、ＮＧは、液化天然ガス（以下、単に「ＬＮＧ」とも称する）を気化させたガス（気体）である。
【００５０】
本実施形態の濃縮システム１０は、図１に示されるように、ＬＮＧをタンク５０に貯蔵すると共に、このＬＮＧを気化させたガス（ＮＧ）を燃料として燃焼させる例えば高炉や発電施設等の施設５５に併設され、投入された空気から当該空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を前記ＬＮＧの冷熱を利用して製造し、この製造した酸素富化空気を施設５５に供給する。
【００５１】
この濃縮システム１０は、送風装置１１と、予冷部１２と、圧縮機１５と、第２の熱交換器１６と、電動機１７と、膨張機１８と、気液分離装置１９と、第３の熱交換器２０と、発電機２１と、駆動回路２２とを備える。
【００５２】
送風装置１１は、濃縮システム１０の外部の空気（大気）を投入空気として予冷部１２に送り込む（送風する）。
【００５３】
予冷部１２は、除湿案内部１３と第１の熱交換器１４とを有する。予冷部１２は、送風装置１１によって送られた空気を冷却する。除湿案内部１３は、本発明による案内流路の一例である。
【００５４】
除湿案内部１３は、送風装置１１によって当該濃縮システム１０に投入された空気を第１の熱交換器１４へ案内する。この除湿案内部１３は、その内部を流れる空気がタンク５０内に貯蔵されたＬＮＧとの間で熱交換可能となるようにタンク５０に沿って配置されている。このような除湿案内部１３の構成により、タンク５０内に貯蔵された極低温（本実施形態では１１３Ｋ）のＬＮＧの冷熱を利用して、第１の熱交換器１４に供給される前の空気中の水分を除湿案内部１３内で結露させて除湿できる。その結果、後段の気液分離装置１９での気液分離効率の低下の原因となる空気中の水分を除去することができる。また、第１の熱交換器１４に供給される前の空気を冷却することにより、第１の熱交換器１４の小型化を図ることも可能となる。
【００５５】
具体的に、除湿案内部１３は、送風装置１１と第１の熱交換器１４とに接続されている。そして、除湿案内部１３は、送風装置１１から供給された空気（投入空気）を断熱壁５２内を通過させた後、第１の熱交換器１４へ案内する。断熱壁５２は、ＬＮＧが貯蔵されたタンク５０を囲み且つ厚さ方向に複数層に区分けされた壁である。除湿案内部１３は、空気を断熱壁５２の最外層を通過させた後、第１の熱交換器１４まで案内する。
【００５６】
なお、除湿案内部１３は、投入された空気を断熱壁５２の最外層を通過させる構成に限定されず、断熱壁５２の他の層（最外層以外の層）を通過させるように構成されてもよい。また、図１では、複数層の断熱壁５２を簡略化して一層の壁として記載している。
【００５７】
第１の熱交換器１４は、除湿案内部１３を通過した空気と、タンク５０から供給されたＬＮＧとを熱交換させる。本実施形態の第１の熱交換器１４は、例えば図２及び図３に示されるような、アルミ製のプレートフィン式熱交換器である。詳しくは、第１の熱交換器１４は、アルミ部材をロウ付けすることによって形成された熱交換器である。
【００５８】
第１の熱交換器１４は、箱型形状のケーシング１４０と、このケーシング１４０の中央部に内装される熱交換部１４１とを備える。熱交換部１４１は、空気が流れる複数の第１流路１４１ａとＬＮＧが流れる複数の第２流路１４１ｂとを備える。これらの第１流路１４１ａと第２流路１４１ｂは、熱交換部１４１において交互に配置されている。
【００５９】
ケーシング１４０は、下端部及び上端部にＬＮＧ用の下部ヘッダ１４２及び上部ヘッダ１４３を有する。また、ケーシング１４０は、上側部及び下側部に空気用の上側部ヘッダ１４４及び下側部ヘッダ１４５を有する。
【００６０】
熱交換部１４１は、ケーシング１４０の内部の上下方向の中央位置に配置されている。この熱交換部１４１の上端部に上部分配部１４６が設けられ、熱交換部１４１の下端部に下部分配部１４７が設けられている。
【００６１】
上部分配部１４６は、除湿案内部１３から上側部ヘッダ１４４に供給された空気を熱交換部１４１の各第１流路１４１ａに案内すると共に熱交換部１４１の各第２流路１４１ｂを通過したＬＮＧを上部ヘッダ１４３に案内する。一方、下部分配部１４７は、タンク５０から下部ヘッダ１４２に供給されたＬＮＧを熱交換部１４１の各第２流路１４１ｂへ案内すると共に、熱交換部１４１の各第１流路１４１ａを通過した空気を下側部ヘッダ１４５に案内する。
【００６２】
このような構成により、第１の熱交換器１４に供給される空気は、上側部ヘッダ１４４と上部分配部１４６を順に通過して熱交換部１４１の各第１流路１４１ａ内に導入される。そして、この空気は、各第１流路１４１ａを通過した後、下部分配部１４７と下側部ヘッダ１４５を順に通過して外部へ排出される。一方、第１の熱交換器１４に供給されるＬＮＧは、下部ヘッダ１４２と下部分配部１４７を順に通過して熱交換部１４１の各第２流路１４１ｂ内に導入される。そして、このＬＮＧは、各第２流路１４１ｂを通過した後、上部分配部１４６と上部ヘッダ１４３を順に通過して外部に排出される。このようにＬＮＧが上方へ向かって流れると共に空気が下方へ向かって流れることにより、各流路１４１ａ、１４１ｂ間を仕切っているアルミ製のプレートを介してＬＮＧと空気との間での熱交換が行われる。
【００６３】
熱交換部１４１では、第１流路１４１ａと第２流路１４１ｂとが交互に配置されることによって、多数の流路１４１ａ，１４１ｂが層状に並んでいる。第１の熱交換器１４の熱交換部１４１は、外部に最も近い外側流路、具体的には図３における右端の第１流路１４１ａ及び左端の第１流路１４１ａを空気が流れるように構成されている。かかる構成によれば、各流路１４１ａ、１４１ｂの積層方向（図３の左右方向）における第１の熱交換器１４の外周部及びその近傍において、外部から第１の熱交換器１４の内部に向かって温度勾配が単調になる。具体的に、温度が上下に変動せずに、外部から第１の熱交換器１４の内部に向かって大気、空気の流れる第１流路１４１ａ、ＬＮＧの流れる第２流路１４１ｂの順に温度が下がるような温度勾配となる。このため、第１の熱交換器１４では、外部との断熱性が向上すると共に当該第１の熱交換器１４の前記外周部における熱歪みを抑えることができる。
【００６４】
なお、熱交換部１４１において、外側に最も近い流路である第１流路１４１ａは第２流路１４１ｂよりも１層多いことから、各第１流路１４１ａの断面積の合計の方が、各第２流路１４１ｂの断面積の合計よりも大きくなっている。
【００６５】
また、第１の熱交換器１４の第１流路１４１ａ内又は第１流路１４１ａと連通する上側部ヘッダ１４４内及び下側部ヘッダ１４５内には、吸着材（図示省略）が配置されている。本実施形態の吸着材は、例えば、モレキュラーシーブ等のゼオライトからなる。この吸着材は、第１の熱交換器１４内を空気が通過したときに、この空気に含まれる水蒸気やＣＯ２、メタン、有機溶媒等を吸着する。これにより、空気にこれらの物質が含まれていることに起因する気液分離装置１９での気液分離効率の低下を防ぐことができる。
【００６６】
圧縮機１５は、第１の熱交換器１４と第２の熱交換器１６とに接続されている。この圧縮機１５は、第１の熱交換器１４において熱交換された後の空気を所定の圧力まで圧縮し、第２の熱交換器１６に向けて送り出す。膨張機１８は、第２の熱交換器１６と気液分離装置１９とに接続されている。膨張機１８は、第２の熱交換器１６を通過して当該膨張機１８に導入された空気を断熱膨張させて気液分離装置１９へ供給する。
【００６７】
本実施形態の圧縮機１５は、第１の熱交換器１４から供給された大気圧（１気圧）の空気を７気圧まで圧縮する。即ち、圧縮機１５の圧縮比は７である。
【００６８】
この圧縮比（圧縮後の空気圧）は、膨張機１８によって断熱膨張された後の空気の温度が窒素の沸点より高く且つ酸素の沸点以下となるように設定される。具体的には、以下の通りである。
【００６９】
膨張機１８の前後の空気の圧力Ｐ１、Ｐ２、及び膨張機１８の前後の温度Ｔ１、Ｔ２の関係は、ジュール・トムソン関係式より以下の式（１）によって表される。
【００７０】
【数１】
2015206476.tif 000003
【００７１】
また、Ｃｐは定圧比熱であり、Ｃｖは定積比熱である。なお、本実施形態において断熱膨張前の空気の温度Ｔ１は、１１３Ｋである。
【００７２】
図４は、この関係をグラフ化したものである。当該濃縮システム１０では、膨張機１８から気液分離装置１９に対して空気を高速のガス流として供給する必要から、断熱膨張後の空気の圧力として３気圧を確保する必要がある。そこで、図４を参照すると、断熱膨張前の空気の圧力（即ち、膨張機の直前の空気の圧力）が７気圧以上であれば、断熱膨張後の空気の温度を窒素の沸点より高く且つ酸素の沸点以下とすることができる。また、断熱膨張後の空気において３気圧を確保することが可能であることがわかる。
【００７３】
また、本実施形態の膨張機１８は、供給された空気を断熱膨張させて当該空気の温度を窒素の沸点（７７Ｋ）よりも高く且つ酸素の沸点（９０Ｋ）以下にする。即ち、膨張機１８の膨張比は、断熱膨張させた空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるように設定される。これにより、膨張機１８を通過した空気は、その空気中の酸素が液化した状態（具体的には、ミスト状の酸素を含んだ空気）となる。
【００７４】
なお、本実施形態の膨張機１８では、断熱膨張前の空気の圧力及び温度によってスクリュロータ１８２，１８３（後述）の歯１８２ａ，１８３ａの巻数が設定される。また、本実施形態の膨張機１８は、気液分離装置１９に所定の値以上の流速で空気を供給できるように、具体的には気液分離装置１９において気液分離可能な旋回流が形成されるような流速で気液分離装置１９に空気を供給できるように、断熱膨張させた後の空気の圧力が３気圧となるように設計されている。
【００７５】
以下、圧縮機１５と膨張機１８の具体的な構造について説明する。
【００７６】
圧縮機１５は、容積型圧縮機の一種であるスクリュ式圧縮機であり、膨張機１８は、容積型膨張機の一種であるスクリュ式膨張機である。図５に示すように、圧縮機１５は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ１５６，１５７を備え、膨張機１８は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ１８２，１８３を備える。
【００７７】
また、圧縮機１５と膨張機１８は、共通の一体型ケーシング１５０を備える。このケーシング１５０内に、圧縮機１５のスクリュロータ１５６，１５７と膨張機１８のスクリュロータ１８２，１８３とがそれぞれ回転可能となるように収容されている。以下、圧縮機１５の一対のスクリュロータ１５６，１５７のうちの一方のスクリュロータである雌ロータ１５６を圧縮雌ロータ１５６と称し、もう一方のスクリュロータである雄ロータ１５７を圧縮雄ロータ１５７と称する。また、膨張機１８の一対のスクリュロータ１８２，１８３のうちの一方のスクリュロータである雌ロータ１８２を膨張雌ロータ１８２と称し、もう一方のスクリュロータである雄ロータ１８３を膨張雄ロータ１８３と称する。
【００７８】
圧縮雌ロータ１５６と膨張雌ロータ１８２は、それらの間の中間のロータ軸１５８を共有しており、圧縮雄ロータ１５７と膨張雄ロータ１８３は、それらの間の中間のロータ軸１６６を共有している。すなわち、圧縮雌ロータ１５６と膨張雌ロータ１８２は、同一の回転軸回りに一体的に回転可能となるように同軸に配置され且つロータ軸１５８を介して互いに連結されている。また、圧縮雄ロータ１５７と膨張雄ロータ１８３は、同一の回転軸回りに一体的に回転可能となるように同軸に配置され且つロータ軸１６６を介して互いに連結されている。このような構成により、本実施形態では、圧縮機１５と膨張機１８が、互いに独立して作動するものではなく、連動して作動するようになっている。
【００７９】
膨張雌ロータ１８２から圧縮雌ロータ１５６と反対側へ延びるようにロータ軸１６１が設けられ、圧縮雌ロータ１５６から膨張雌ロータ１８２と反対側へ延びるようにロータ軸１６３が設けられている。一方のロータ軸１６１は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１６２によって回転可能となるように支持され、他方のロータ軸１６３は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１６４によって回転可能となるように支持されている。
【００８０】
また、膨張雄ロータ１８３から圧縮雄ロータ１５７と反対側へ延びるようにロータ軸１６７が設けられ、圧縮雄ロータ１５７から膨張雄ロータ１８３と反対側へ延びるようにロータ軸１６９が設けられている。一方のロータ軸１６７は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１６８によって回転可能となるように支持され、他方のロータ軸１６９は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１７０によって回転可能となるように支持されている。圧縮雌ロータ１５６、膨張雌ロータ１８２及びロータ軸１５８，１６１，１６３からなる回転体と、圧縮雄ロータ１５７、膨張雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体とは、それらのロータ軸１５８，１６１，１６３とロータ軸１６６，１６７，１６９とが互いに平行となるように配置されている。
【００８１】
また、本実施形態では、ケーシング１５０内に、圧縮機１５及び膨張機１８を駆動する電動機１７が設けられている。この電動機１７は、圧縮雄ロータ１５７、膨張雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体を回転させる。電動機１７は、回転部１７ａと、固定部１７ｂとを有する。
【００８２】
回転部１７ａは、圧縮雄ロータ１５７と膨張雄ロータ１８３との間でそれらのロータ同士を連結するロータ軸１６６に設けられている。回転部１７ａは、圧縮雄ロータ１５７、膨張雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６８，１６９と同軸となるように配置されている。
【００８３】
固定部１７ｂは、回転部１７ａの径方向外側を囲むように配置され、ケーシング１５０内に固定されている。回転部１７ａは、この固定部１７ｂの内側でロータ軸１６６と一体的に回転可能となっている。
【００８４】
電動機１７は、駆動回路２２と電気的に接続されている。電動機１７は、駆動回路２２から電力が供給されることによって固定部１７ｂに対して回転部１７ａを回転させ、それによってロータ軸１６６を回転させる。これにより、圧縮雄ロータ１５７、膨張雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体が回転するようになっている。
【００８５】
電動機１７には、その駆動に対する負荷として、圧縮機１５の両ロータ１５６，１５７を回転させて空気を圧縮させるために必要な仕事から膨張機１８で空気が膨張することにより回生される仕事を差し引いた値に相当する負荷が掛かる。仮に、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３が互いに接触する状態で噛み合っている場合には、前記負荷以外に、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３との間の摩擦に起因する散逸エネルギが電動機１７に掛かる負荷の要因として無視できない。
【００８６】
常温よりも高温の環境下であれば、膨張機に充填された潤滑油や、蒸気冷媒の一部が液化した液相分により、雄ロータと雌ロータとの間の摩擦が低減される。このため、膨張機の作動中に当該膨張機の雄ロータの歯と雌ロータの歯が相互接触する場合でも、その接触に伴う摩擦に起因する散逸エネルギが抑制される。
【００８７】
しかし、本実施形態の濃縮システム１０では、極低温（１１３Ｋ）の環境下であるため、その環境下で潤滑性を発揮し得る潤滑油が存在しないとともに、膨張機１８内に導入されるのが窒素と酸素の混合ガスである空気であるため、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３との間の潤滑性が期待できない。
【００８８】
そこで、本実施形態では、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３は、それらのロータが噛み合いながら共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有する。すなわち、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３は、回転時に当該両ロータ１８２，１８３の歯面（外面）同士の間に微小な隙間が維持されるような歯形をそれぞれ有する。以下、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７の歯形及び膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３の歯形について詳述する。
【００８９】
圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７は、図７に示すように噛み合っている。図７には、圧縮雌ロータ１５６及び圧縮雄ロータ１５７の軸方向に直交する断面が示されている。図８には、圧縮機１５の定常運転中における圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７の噛み合い部が拡大して示されており、図９には、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７の逆回転時における両ロータ同士の噛み合い部が拡大して示されている。なお、図７〜図９において、Ｏ１は、圧縮雄ロータ１５７の回転中心（回転軸）を示し、Ｏ２は、圧縮雌ロータ１５６の回転中心（回転軸）を示す。
【００９０】
圧縮機１５の定常運転中には、圧縮雄ロータ１５７の歯１５７ａのうち当該ロータの回転方向（図８中の矢印方向）の前側の歯面が、圧縮雌ロータ１５６の歯１５６ａの対向する歯面に接触し、その歯１５６ａを押すようにして回転力を伝達する。すなわち、図８中のＸ部分において、圧縮雄ロータ１５７の歯１５７ａから圧縮雌ロータ１５６の歯１５６ａへ回転力の伝達が行われている。これにより、圧縮雄ロータ１５７と圧縮雌ロータ１５６とが同期して共に回転する。
【００９１】
一方、例えば圧縮機１５の駆動が停止された場合には、圧縮された空気の圧力により圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７が逆回転することがある。その場合、圧縮雄ロータ１５７の歯１５７ａのうち当該ロータの逆回転方向（図９中の矢印方向）の前側の歯面が圧縮雌ロータ１５６の歯１５６ａの対向する歯面に接触する可能性がある。すなわち、図９中のＹ部分において、圧縮雄ロータ１５７の歯１５７ａが圧縮雌ロータ１５６の歯１５６ａに接触する可能性がある。
【００９２】
また、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３は、図１０に示すように噛み合っている。図１０には、膨張雌ロータ１８２及び膨張雄ロータ１８３の軸方向に直交する断面が示されている。図１１には、定常運転中における膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３の噛み合い部が拡大して示されており、図１２には、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３の逆回転時における両ロータ同士の噛み合い部が拡大して示されている。なお、図１０〜図１２において、Ｏ３は、膨張雄ロータ１８３の回転中心（回転軸）を示し、Ｏ４は、膨張雌ロータ１８２の回転中心（回転軸）を示す。
【００９３】
本実施形態では、膨張雌ロータ１８２は、圧縮雌ロータ１５６と同じ歯形を有する。一方、膨張雄ロータ１８３の歯１８３ａは、圧縮雄ロータ１５７の歯１５７ａの上記Ｘ部分及び上記Ｙ部分に相当する箇所を除去した形状に形成されている。
【００９４】
具体的に、膨張雄ロータ１８３の歯１８３ａのうち定常運転中の回転方向（図１１中の矢印方向）における前側の部分であって膨張雌ロータ１８２の対応する歯１８２ａの対向する歯面に接触の可能性があるＣ１部分が除去されている。また、膨張雄ロータ１８３の歯１８３ａのうち当該膨張雄ロータ１８３の逆回転方向（図１２中の矢印方向）における前側の部分であって膨張雌ロータ１８２の対応する歯１８２ａの対向する歯面に接触の可能性があるＣ２部分が除去されている。このような構成により、定常運転時及び逆回転時のいずれにおいても、膨張雄ロータ１８３の歯１８３ａが膨張雌ロータ１８２に接触するのが回避されるようになっている。
【００９５】
ケーシング１５０は、圧縮雌ロータ１５６、膨張雌ロータ１８２及びロータ軸１５８，１６１，１６３からなる回転体と、圧縮雄ロータ１５７、膨張雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体とを囲んでいる。ケーシング１５０は、ＬＮＧにより冷却されてそのＬＮＧの温度である１１３Ｋに保たれている。
【００９６】
なお、ケーシング１５０がこのような極低温（１１３Ｋ）に保たれていることに起因して、ケーシング１５０内の各軸受１６２，１６４，１６８，１７０の潤滑に潤滑油を用いることができない。これは、このような極低温で低粘度を維持可能な液体の潤滑油が一般的に存在しないためである。そこで、本実施形態では、各軸受１６２，１６４，１６８，１７０は、テフロン（登録商標）等の材質により形成されたすり合わせ式の軸受になっており、後述のように気液分離装置１９の排出部１９５から液体酸素を含んだ酸素富化空気が供給されることにより、その酸素富化空気中の液体酸素が気化して各軸受１６２，１６４，１６８，１７０が一種のエアベアリングとして機能する。その結果、潤滑油を用いなくても、各軸受１６２，１６４，１６８，１７０での摩耗の発生が抑制される。
【００９７】
ケーシング１５０のうち圧縮機１５に対応する部分には、図６に示すように、圧縮機吸込ポート１５１と圧縮機吐出ポート１５２が形成されている。また、ケーシング１５０のうち膨張機１８に対応する部分には、膨張機吸込ポート１５３と膨張機吐出ポート１５４が形成されている。圧縮機吸込ポート１５１は、第１の熱交換器１４の下側部ヘッダ１４５（図２参照）に接続されている。圧縮機吐出ポート１５２は、第２の熱交換器１６（図１参照）に接続されている。膨張機吸込ポート１５３は、第２の熱交換器１６（図１参照）に接続されている。膨張機吐出ポート１５４は、気液分離装置１９（図１参照）に接続されている。
【００９８】
第１の熱交換器１４の下側部ヘッダ１４５から排出された空気は、圧縮機吸込ポート１５１を通って圧縮機１５内に吸い込まれる。圧縮機１５内に吸い込まれた空気は、圧縮雌ロータ１５６及び圧縮雄ロータ１５７とケーシング１５０の内面との間に形成されるガス閉じ込み空間に導入されるとともに、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７が互いに逆方向に回転してガス閉じ込み空間が縮小されるに従って圧縮される。この際、圧縮雄ロータ１５７は、図７における時計回りに回転し、圧縮雌ロータ１５６は、同図７における反時計回りに回転する。圧縮された空気は、圧縮機吐出ポート１５２（図６参照）から吐出され、第２の熱交換器１６（図１参照）を通って膨張機吸込ポート１５３（図６参照）に供給される。
【００９９】
膨張機吸込ポート１５３を通って膨張機１８内に吸い込まれた空気は、膨張雌ロータ１８２及び膨張雄ロータ１８３とケーシング１５０の内面との間に形成される空間に閉じ込められる。そして、電動機１７により膨張雄ロータ１８３が圧縮雄ロータ１５７と一体的に回転されるとともに、膨張雌ロータ１８２が圧縮雌ロータ１５６と一体的に回転されることにより、膨張雄ロータ１８３と膨張雌ロータ１８２は互いに逆方向に回転する。この際、膨張雄ロータ１８３は、図１０における時計回りに回転し、膨張雌ロータ１８２は、同図１０における反時計回りに回転する。膨張雄ロータ１８３と膨張雌ロータ１８２の回転により、膨張雌ロータ１８２及び膨張雄ロータ１８３とケーシング１５０の内面との間の空間が拡大し、その空間に閉じ込められた空気が膨張される。膨張した空気は、膨張機吐出ポート１５４（図６参照）から吐出され、気液分離装置１９（図１参照）へ供給される。
【０１００】
上記のように膨張雌ロータ１８２及び膨張雄ロータ１８３とケーシング１５０の内面との間の空間に閉じ込められる空気は、圧縮機１５で圧縮された空気であるため、その空気の空圧エネルギ（圧力）が膨張雌ロータ１８２及び膨張雄ロータ１８３とケーシング１５０の内面との間の空間を拡大させる方向に作用する。このため、この空気から膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３にそれらのロータ１８２，１８３を互いに逆方向へ回転させる力が作用する。この力は、膨張雌ロータ１８２に連結された圧縮雌ロータ１５６と膨張雄ロータ１８３に連結された圧縮雄ロータ１５７に伝達されるため、圧縮雄ロータ１５７及び圧縮雌ロータ１５６を回転させるための動力として寄与する。このようにして、圧縮機１５での空気の圧縮によって生成された空圧エネルギが回生され、電動機１７の消費電力が大幅に削減される。例えば、このようなエネルギの回生が行われない場合に電動機１７が圧縮雄ロータ１５７及び圧縮雌ロータ１５６を回転させる際の消費電力の５０％以下に消費電力が削減される。
【０１０１】
第２の熱交換器１６（図１参照）は、圧縮機１５から供給された圧縮後の空気と、第１の熱交換器１４から供給されたＬＮＧ（第１の熱交換器１４において熱交換された後のＬＮＧであって一部が気化してＮＧとなっている状態も含む）とを熱交換させる。本実施形態の第２の熱交換器１６はアルミ製のプレートフィン式熱交換器である。
【０１０２】
この第２の熱交換器１６は、図１３に示されるように、ケーシング１４０の外側に断熱部１６０を有する以外は第１の熱交換器１４と同様に構成されている。この断熱部１６０は、真空断熱構造を有する。
【０１０３】
この第２の熱交換器１６は、ＬＮＧが第１流路１４１ａを流れ、且つ、空気が第２流路１４１ｂを流れるように、第１の熱交換器１４と圧縮機１５とに接続されている。このように最も外側の流路（外側流路）に温度の低いＬＮＧが流れるため、断熱部１６０を設けることにより、第２の熱交換器１６の外周部における外部（外気）と内部（第１流路１４１ａを流れるＬＮＧ）との温度差に起因する熱歪みの発生を防いでいる。
【０１０４】
また、第２の熱交換器１６では、第１の熱交換器１４と同様に、各第１流路１４１ａの断面積（流れ方向と直交する断面の断面積）の合計が、各第２流路１４１ｂの断面積（流れ方向と直交する断面の断面積）の合計よりも大きい。このため、当該第２の熱交換器１６のように、各流路の断面積の合計の大きな第１流路１４１ａにＬＮＧを流すと共に、各流路の断面積の合計の小さな第２流路１４１ｂに圧縮されて体積の小さくなった空気を流すことで、第２の熱交換器１６内を流れるＬＮＧと空気（圧縮後の空気）との流速の差が抑えられる。これにより、第２の熱交換器１６における熱交換効率の低下が抑えられる。
【０１０５】
さらに、圧縮機１５での圧縮に伴う発熱によって温度の上昇した空気との熱交換によってＬＮＧの全部又は一部が気化することによる体積膨張を前記断面積の差によって吸収させることにより、第２の熱交換器１６において発生する前記膨張に基づく応力を低減することができる。
【０１０６】
気液分離装置１９（図１参照）は、膨張機１８で断熱膨張されて温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下になった空気（本実施形態では、酸素がミスト状になっている空気）の気液分離を行う。本実施形態では、気液分離装置１９として、図１４及び図１５に示されるようなサイクロン式気液分離装置が用いられる。
【０１０７】
気液分離装置１９は、上下に延びる分離筒１９０を備える。この気液分離装置１９は、供給された空気を分離筒１９０内で旋回させる。即ち、本実施形態の気液分離装置１９は、供給された空気の旋回流を分離筒１９０内に形成し、この旋回流における遠心力を利用して気液分離を行う、いわゆるサイクロン式の気液分離を行う。
【０１０８】
分離筒１９０は、上下方向に延びる軸ｃを中心とする円筒状の円筒上部１９１と、円筒上部１９１の下側に設けられた円錐状の円筒下部１９２と、を有する。円筒上部１９１は、圧縮機１５に接続され且つ円筒上部１９１の上端部に設けられる導入口１９３と、前記円筒上部１９１の天壁の中心部を貫通するように上下に延びる排出筒１９４と、を有する。
【０１０９】
この分離筒１９０では、導入口１９３からミスト状の酸素を含む空気が円筒上部１９１内へ接線方向に導入される。導入された空気は、円筒上部１９１の内周面１９１ａに沿って旋回しつつ下方へ向かう旋回流となる。この旋回流における遠心力によって分離筒１９０の内周面１９１ａ、１９２ａに液化した酸素（ミスト状の酸素）が付着し、内周面１９１ａ、１９２ａに沿って下方へ流れ落ちる。
【０１１０】
円筒上部１９１から円筒下部１９２まで旋回しつつ降下し、この間に遠心力によってミスト状の（液化した）酸素が取り除かれた空気（即ち、窒素又は窒素リッチになった空気）の流れは、円筒下部１９２において上方へ向かう流れとなり、円筒上部１９１の中央に設けられた排出筒１９４から外部に排出される。なお、円筒下部１９２の内周面１９２ａの中心軸（垂直軸）ｃに対する傾斜角が大き過ぎると、ミストごと空気が巻き上げられて排出筒１９４から排出される一方、前記傾斜角が小さ過ぎると、分離筒１９０の上下方向の長さ寸法が大きくなってしまう。このため、前記傾斜角は、７５°〜８５°が好ましい。
【０１１１】
円筒下部１９２の下端には、当該気液分離装置１９において分離した液体（ミスト状の酸素）を排出する排出部１９５が設けられている。この排出部１９５は、液化酸素受け部（図示省略）と、排水ポンプ１９６（図１参照）とを有する。液化酸素受け部は、分離筒１９０の内周面１９１ａ、１９２ａに沿って流れ落ちてきたミスト状の酸素を溜める。また、排水ポンプ１９６は、前記液化酸素受け部に溜まった液体（ミスト状の酸素）を連続的又は断続的に外部に排出する。本実施形態では、排水ポンプ１９６が液化酸素受け部に泡状になって溜まった空気を外部に排出する。この排水ポンプ１９６によって排出される泡状の空気は、酸素が濃縮された酸素富化空気である。
【０１１２】
なお、液化酸素受け部に溜まった液化した酸素（泡状の空気）を断続的に外部に排出させる場合には、排水ポンプ１９６の代わりに電磁弁が設けられてもよい。
【０１１３】
排出部１９５は、第３の熱交換器２０に接続されている。また、排出部１９５は、流路１９７を介して、圧縮雌ロータ１５６及び膨張雌ロータ１８２を含む回転体を支持する軸受１６２，１６４等と、圧縮雄ロータ１５７及び膨張雄ロータ１８３を含む回転体を支持する軸受１６８，１７０等とに接続されている。これらの構成により、排出部１９５から排出された酸素富化空気が第３の熱交換器２０と各軸受１６２，１６４，１６８，１７０等とに供給される。
【０１１４】
分離筒１９０は、内部で旋回する空気をその温度が窒素の沸点（７７Ｋ）よりも高く且つ酸素の沸点（９０Ｋ）以下となるように保持する必要があるため、周壁は、真空断熱構造となっている。また、空気の旋回流と内周面１９１ａ、１９２ａとの間の摩擦を抑えるため、内周面１９１ａ、１９２ａは、鏡面仕上げとなっている。
【０１１５】
排出筒１９４は、本発明の排気部の一例である。排出筒１９４は、タンク５０とこのタンク５０の外側を囲う断熱壁５２との間に設けられたタンク冷却流路５４に接続されている。これにより、排出筒１９４から排出された窒素（又は窒素リッチな空気）がタンク冷却流路５４に供給される。この窒素は、酸素の沸点以下の極低温であるため、この窒素の冷熱によってタンク５０内に貯蔵されたＬＮＧを冷却することによって、タンク５０内のＬＮＧの温度を維持するための電力等を抑えることができる。なお、本実施形態では、タンク５０を冷却した後の窒素は、大気中に放出される。
【０１１６】
第３の熱交換器２０（図１参照）は、気液分離装置１９の排出部１９５から排出された酸素富化空気及び第２の熱交換器１６を通過したＬＮＧ（ＮＧを含む気液二相状態のＬＮＧ）又はＮＧと、施設５５から排気された排ガスと、を熱交換させる。本実施形態の第３の熱交換器２０はアルミ製のプレートフィン式熱交換器である。この第３の熱交換器２０は、図１６に示されるように、第１の熱交換器１４と同様に構成されている。
【０１１７】
この第３の熱交換器２０は、排ガスが第１流路１４１ａを流れ、酸素富化空気とＬＮＧ（又はＮＧ）とが第２流路１４１ｂ（１４１ｃ）を交互に流れるように構成されている。なお、図１６においては、酸素富化空気が流れる第２流路の符号を１４１ｂとし、ＬＮＧ（又はＮＧ）が流れる第２流路の符号を１４１ｃとしている。
【０１１８】
施設５５では、酸素富化空気を供給しつつＮＧを燃焼させている（高カロリー燃焼させている）ため、高温の排ガスが排出されている。第３の熱交換器２０では、この高温の排ガスと熱交換させることによって酸素富化空気及びＮＧを完全に気化させる。
【０１１９】
発電機２１（図１参照）は、第３の熱交換器２０の下流に配置され、第３の熱交換器２０から排出される空気を利用して発電する。詳しくは、発電機２１は、タービンを備えたタービン式の発電機であり、第３の熱交換器２０から施設５５へ供給される酸素富化空気の流路に配置されている。そして、発電機２１は、施設５５へ向かう酸素富化空気の流れによってタービンが回転することによって発電する。この発電機２１は、駆動回路２２に送電可能に接続され、発電した電力を駆動回路２２へ供給する。
【０１２０】
駆動回路２２は、電動機１７への送電を制御することにより電動機１７の駆動を制御するものである。従って、発電機２１で発電された電力は、駆動回路２２を介して電動機１７へ供給される。これにより、外部から当該濃縮システム１０に供給される電力を抑えることができ、その結果、当該濃縮システム１０の省電力化を図ることができる。
【０１２１】
なお、発電機２１は、酸素富化空気の流れを利用して発電するタービン式発電機等に限定されず、酸素富化空気の圧力を利用して発電する発電機（例えば、いわゆるスクリュ式発電機等）であってもよい。
【０１２２】
また、第２の熱交換器１６において空気（圧縮後の空気）と熱交換したＬＮＧが完全に気化した状態（ＮＧの状態）で第２の熱交換器１６から排出される場合には、発電機２１は、第２の熱交換器１６と第３の熱交換器２０とを繋ぐ流路上に配置されてもよい。
【０１２３】
以上の本実施形態による濃縮システム１０によれば、純酸素ではなく、空気の酸素濃度を高めた酸素富化空気を製造できる。酸素富化空気は純酸素に比べれば酸素濃度が低いため、酸素富化空気の製造には、純酸素まで酸素濃度を高めるのに必要となる余分なコストが掛からない。このため、本実施形態の濃縮システム１０では、酸素富化空気の製造コストを、純酸素を製造する場合の製造コストに比べて抑制することができる。
【０１２４】
しかも、本実施形態の濃縮システム１０では、第１の熱交換器１４と第２の熱交換器１６とにおいてＬＮＧの冷熱を利用した熱交換により空気を冷却すると共に、第１の熱交換器１４で冷却された後の空気を圧縮機１５が圧縮することにより、酸素富化空気をその生産量に関わらず安価に製造することができる。
【０１２５】
具体的には、気化させて使用するＬＮＧの冷熱を利用して空気を冷却することによって、酸素富化空気の生産量に関わりなく、空気の冷却のための消費電力等を抑えることができる。また、圧縮機１５が冷却後の空気を圧縮することにより、圧縮機１５による昇圧の幅（圧縮比）が小さくても断熱膨張後の空気の温度を酸素の沸点以下にすることができる。このため、圧縮機１５における消費電力を抑えることができる。以上のように消費電力を抑制できることから、酸素富化空気の生産量に関わりなく酸素富化空気を安価に製造することができる。
【０１２６】
また、本実施形態の濃縮システム１０では、従来の深冷分離方式のような液化させた空気から酸素のみを気化させるといった準静的な平衡プロセスではなく、空気中の酸素を液化させてこの空気を気液分離装置１９によって強制的に気液分離することにより酸素の濃縮を行う構成を採用しているため、気液分離装置１９に供給される空気の量等が変動しても酸素の濃縮が連続的に行われる。よって、酸素富化空気の生産量（単位時間当たりの生産量）を変更することができる。
【０１２７】
また、本実施形態の濃縮システム１０では、気液分離装置１９が、その分離筒１９０内において、供給された空気の旋回流を生じさせるといった簡単な構造の装置であるため、極低温（空気に含まれる酸素が液化する温度：９０Ｋ以下）の空気の気液分離を行っても故障等が生じ難い。しかも、分離筒１９０内で空気を旋回させる構成であるため、空気中に生じたミスト状の酸素（液化した酸素）を、遠心力を利用して連続的に分離させることができる。
【０１２８】
さらに、本実施形態の濃縮システム１０では、第２の熱交換器１６において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段としてスクリュ式膨張機１８を用いているため、例えば第２の熱交換器１６において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段として膨張弁が用いられるような場合に比べて、消費エネルギを削減できる。具体的に、膨張弁が設けられた箇所では流路が狭くなることから、断熱膨張の過程において空気と流路壁との間で摩擦熱が発生し、エネルギの散逸が生じる。これに対し、本実施形態の濃縮システム１０で用いているスクリュ式膨張機１８では、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制でき、エネルギの散逸を抑制できる。その結果、消費エネルギを削減できる。
【０１２９】
また、本実施形態の濃縮システム１０では、圧縮機１５により圧縮された空気が第２の熱交換器１６で熱交換された後、膨張機１８で断熱膨張される際、当該圧縮空気の空圧エネルギ（圧力）が膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３を回転させるように作用する。そして、本実施形態の濃縮システム１０では、膨張雌ロータ１８２と圧縮雌ロータ１５６とが一体的に回転可能となるように互いに連結されているとともに、膨張雄ロータ１８３と圧縮雄ロータ１５７とが一体的に回転可能となるように互いに連結されているため、前記空圧エネルギに起因する膨張雌ロータ１８２の回転力は圧縮雌ロータ１５６に伝達され、前記空圧エネルギに起因する膨張雄ロータ１８３の回転力は圧縮雄ロータ１５７に伝達される。このため、電動機１７が各ロータを回転させるために消費する電力を大幅に削減することができる。
【０１３０】
なお、一般的には、スクリュ式膨張機以外の膨張機として、タービン羽根を回転させて対象となる気体を膨張させる形式のタービン膨張機が知られている。このようなタービン膨張機でも、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制できるため、本実施形態による膨張機１８としてタービン膨張機を適用することも理論的には想定される。この場合、タービン膨張機の回転軸を圧縮機１５のスクリュロータにロータ軸を介して連結すれば、圧縮空気の空圧エネルギをタービン膨張機から圧縮機１５へ回生することも理論的には可能である。
【０１３１】
しかし、スクリュ式圧縮機１５とタービン膨張機とでは、それらを通って流れる空気の流量が同じ流量であっても、動作回転数が大幅に異なることから、タービン膨張機の回転軸を圧縮機１５のスクリュロータに直結することはできない。仮に、タービン膨張機の回転軸と圧縮機１５のスクリュロータとの間に変速機を介装して、相互間の動作回転数の差を解消することも考えられるが、この場合には、変速機において生じる摩擦によりエネルギが損失するため、エネルギの回生効果が失われる。
【０１３２】
また、膨張機１８としてタービン膨張機を適用する場合に、圧縮機１５の方を、例えば自動車の内燃機関に付加される過給器（ターボチャージャ）で用いられるタービン圧縮機を模したタービン式に変更することにより、タービン膨張機とタービン圧縮機との間での動作回転数の差を解消することも考えられる。しかし、タービン圧縮機及びタービン膨張機では、それらを通って流れる空気の流速を上げて高速回転させないと、圧縮機において必要な圧縮比を得ることが難しい。
【０１３３】
仮に、必要な圧縮比の獲得のために電動機１７を高速回転させるとすれば、電動機１７の発熱量が過大となって冷却効果が損なわれることから、酸素富化空気の製造コストが増大する。また、仮に、膨張機１８に導入する空気の流速を上昇させる場合には、その空気の流れによる摩擦熱が増大する。この場合も、冷却効果が損なわれ、酸素富化空気の製造コストが増大する。従って、酸素濃縮システムにおいて、膨張機１８としてタービン膨張機を用いるとともに圧縮機１５としてタービン圧縮機を用いることは現実的ではない。
【０１３４】
以上のように、本実施形態によるスクリュ式の圧縮機１５及び膨張機１８の代替手段が理論的には種々考えられるが、酸素濃縮システムに適用するにはそれぞれ問題点があるため、結果的に、本実施形態の酸素濃縮システム１０では、スクリュ式の圧縮機１５及び膨張機１８を用いることが最も好適である。
【０１３５】
また、本実施形態の濃縮システム１０では、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３が、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有するため、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３との相互接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３との相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機１７の消費電力をより削減できる。
【０１３６】
（第１実施例）
次に、上記実施形態の酸素濃縮システムが適用される第１実施例として、ＬＮＧ火力発電プラントについて説明する。この第１実施例によるＬＮＧ火力発電プラント（以下、単に「発電プラント」と称する）は、酸素濃縮システムでの酸素富化空気の製造に伴って生じるＬＮＧのガス化による天然ガスを燃焼させ、その燃焼によって得られたエネルギを利用して発電を行う方式のものである。図１７に、この第１実施例による発電プラントの模式的な系統図が示されている。
【０１３７】
この第１実施例による発電プラントは、超電導発電機２５と、タービン２６と、改質器２７と、燃焼ボイラー２８とを備える。
【０１３８】
超電導発電機２５は、タービン２６の駆動軸に連結されており、そのタービン２６の動力が伝達されることにより発電を行う。超電導発電機２５は、液体窒素の温度で超電導転移するＢｉ系やＹ系などの酸化物系の超電導線材を用いた超電導コイルを備える。超電導発電機は、駆動回路２２と電気的に接続されており、発電した電力を駆動回路２２へ供給する。駆動回路２２は、超電導発電機２５から供給された電力を電動機１７へ供給する。
【０１３９】
改質器２７は、第３の熱交換器２０の下流に配置され、その第３の熱交換器２０から排出される天然ガスの改質を行う。
【０１４０】
燃焼ボイラー２８は、天然ガスを燃焼させる施設に相当するものである。燃焼ボイラー２８には、改質器２７で改質された天然ガスと、第３の熱交換器２０から排出される酸素富化空気とが供給される。燃焼ボイラー２８は、供給された天然ガスと酸素富化空気を用いた燃焼により高温の蒸気を生成し、その生成した蒸気をタービン２６へ供給する。この蒸気によりタービン２６が駆動され、上述のように超電導発電機２５による発電が行われる。
【０１４１】
また、第１実施例による発電プラントでは、上記実施形態の酸素濃縮システムの圧縮機１５、第１の熱交換器１６、膨張機１８、電動機１７及び気液分離装置１９からなる構成が２段設けられている。１段目の気液分離装置１９の排出筒１９４が２段目の圧縮機１５の圧縮機吸込ポート１５１に接続されており、１段目の気液分離装置１９の排出筒１９４から排出された９０Ｋ以下の低温の窒素ガスが２段目の圧縮機１５へ供給されるようになっている。すなわち、１段目の圧縮機１５、熱交換器１６、膨張機１８及び気液分離装置１９での酸素富化空気の生成の副産物として生成された窒素ガスが、２段目の圧縮機１５へ供給される。
【０１４２】
２段目の圧縮機１５に供給された窒素ガスは、２段目の圧縮機１５での等温圧縮、２段目の熱交換器１６での冷却、２段目の膨張機１８での断熱膨張を経て、７７Ｋ以下の窒素の液化温度まで冷却される。それによって、液体窒素が生成される。２段目の気液分離装置１９では、２段目の膨張機１８から供給された窒素ガスと液体窒素との混合流体を窒素ガスと液体窒素とに気液分離する。
【０１４３】
２段目の気液分離装置１９の排出部１９５は、超電導発電機２５に接続されている。２段目の気液分離装置１９で分離されてその排出部１９５から排出された液体窒素は、超電導発電機２５へ当該超電導発電機２５の超電導コイルを冷却するための冷却剤として供給される。
【０１４４】
２段目の気液分離装置１９の排出筒１９４は、２段目の熱交換器１６に接続されている。２段目の気液分離装置１９で分離されてその排出筒１９４から排出された窒素ガスは、２段目の熱交換器１６へ供給され、その２段目の熱交換器１６に２段目の圧縮機１５から供給された圧縮後の窒素ガスを熱交換により冷却するための冷媒として用いられる。また、超電導発電機２５で超電導コイルの冷却に使用された後の液体窒素も、２段目の熱交換器１６に冷媒として供給されるようになっている。そして、２段目の熱交換器１６で熱交換に用いられた後、その熱交換器１６から排出された窒素ガスはタンク冷却流路５４に供給され、タンク５０内に貯蔵されたＬＮＧを冷却する。
【０１４５】
図１７に示した第１実施例による発電プラントのうち図１に示した上記実施形態の濃縮システム１０と同じ符号を付した部分は、その濃縮システム１０の対応する部分と同様に構成されている。
【０１４６】
この第１実施例では、小型でありながら大電流を生成可能な超電導発電機２５が用いられていることから、コンパクトで高効率な発電プラントを実現できる。
【０１４７】
（第２実施例）
次に、上記実施形態の酸素濃縮システムが適用される第２実施例として、超電導ＬＮＧタンカーの推進システムについて説明する。この第２実施例による超電導ＬＮＧタンカー（以下、単に「タンカー」と称する）は、酸素濃縮システムでの酸素富化空気の製造に伴って生じるＬＮＧのガス化による天然ガスを改質して水素富化ガスを得るとともに、燃料電池３４がその水素富化ガスを用いて発電し、この燃料電池３４によって発電された電力で超電導モータ３０を駆動して海上を推進するものである。図１８に、この第２実施例によるタンカーの推進システムの模式的な系統図が示されている。
【０１４８】
この第２実施例によるタンカーの推進システムは、改質器２７と、超電導モータ３０と、推進スクリュ３２と、燃料電池３４とを備える。
【０１４９】
改質器２７は、第３の熱交換器２０の下流に配置され、その第３の熱交換器２０から排出される天然ガスの改質により水素濃度を高めた水素富化ガスを生成する。
【０１５０】
超電導モータ３０は、推進スクリュ３２に連結された駆動軸を有しており、燃料電池３４から電力が供給されることにより作動して推進スクリュ３２を回転させる。超電導モータ３０は、液体窒素の温度で超電導転移するＢｉ系やＹ系などの酸化物系の超電導線材を巻線することによって形成された超電導コイルを備える。
【０１５１】
燃料電池３４には、改質器２７で生成された水素富化ガスと、第３の熱交換器２０から排出される酸素富化空気とが供給される。燃料電池３４は、水素富化ガス中の水素と酸素富化空気中の酸素とを反応させることにより電力を生成する。燃料電池３４は、超電導モータ３０及び駆動回路２２と電気的に接続されており、当該燃料電池３４により生成された電力は、超電導モータ３０及び駆動回路２２へ供給される。燃料電池３４では、電力の生成に伴って熱が発生し、この発生した熱（廃熱）は、第３の熱交換器２０及び改質器２７へ供給されるようになっている。
【０１５２】
この第２実施例のタンカーの推進システムでは、上記第１実施例の発電プラントと同様、酸素濃縮システムの圧縮機１５、第１の熱交換器１６、膨張機１８、電動機１７及び気液分離装置１９からなる構成が２段設けられている。この構成の具体的な内容は、上記第１実施例の発電プラントの場合と同様である。
【０１５３】
そして、２段目の気液分離装置１９の排出部１９５は、超電導モータ３０に接続されている。２段目の気液分離装置１９で分離されてその排出部１９５から排出された液体窒素は、超電導モータ３０へ当該超電導モータ３０の超電導コイルを冷却するための冷却剤として供給されるようになっている。
【０１５４】
図１８に示した第２実施例によるタンカーの推進システムのうち図１に示した上記実施形態の濃縮システム１０及び図１７に示した上記第１実施例の発電プラントと同じ符号を付した部分は、それら濃縮システム１０及び発電プラントの対応する部分と同様に構成されている。
【０１５５】
この第２実施例では、小型でありながら大きなトルクを生成可能な超電導モータ３０が用いられていることから、コンパクトで高効率なタンカーの推進システムを実現できる。
【０１５６】
一般的に、超電導を産業利用するためには、極低温の環境、具体的には高くても７７Ｋ（−１９６℃）以下の液体窒素温度の環境が必要である。このような温度環境を作り出すために冷凍機を用いた場合には、その冷凍機は、理論的に最大でもカルノー効率３４％、現実にはその半分以下という非効率な運転状態になる。このため、超電導を広く産業利用することは難しく、超電導の利用はＭＲＩ検査装置のような特殊な用途に限定される。
【０１５７】
これに対し、上記第１実施例及び上記第２実施例のように、ＬＮＧを燃料として利用する各種施設や装置等においては、その燃料としてのＬＮＧの冷熱を流用して超電導コイルの極低温への冷却を行えるため、超電導の効率的な産業利用が可能となる。
【０１５８】
なお、本発明の酸素濃縮システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１５９】
上記実施形態の濃縮システム１０では、電動機１７の駆動に必要な電力を発電機２１から得ているが、この構成に限定されず、外部からの電力を用いる構成でもよい。この場合、発電機２１が設けられていなくてもよい。
【０１６０】
また、気液分離装置の具体的構成は限定されない。上記実施形態の気液分離装置１９は、いわゆるサイクロン式の気液分離装置であるが、極低温の雰囲気下（酸素の沸点（９０Ｋ）以下の雰囲気下）で気液分離可能な装置であれば気液分離の方法は限定されず、例えば、遠心式分留器等のサイクロン式と異なる方式の気液分離装置であってもよい。
【０１６１】
また、上記実施形態の濃縮システム１０では除湿案内部１３が設けられているが、この除湿案内部１３は省略可能である。この場合、例えば、第１の熱交換器１４に供給される空気と、気液分離装置１９から排気される窒素又は窒素リッチな空気とを熱交換させる第４の熱交換器が設けられてもよい。即ち、第１の熱交換器１４に供給される空気の除湿及び予冷（予備冷却）を、気液分離装置１９から排気される極低温（窒素の沸点より高く且つ酸素の沸点以下）の窒素又は窒素リッチな空気の冷熱を利用して行ってもよい。
【０１６２】
また、上記実施形態の濃縮システム１０ではタンク冷却流路５４が設けられているが、このタンク冷却流路５４は省略可能である。
【０１６３】
また、上記実施形態の第３の熱交換器２０は、気液分離装置１９から排出される酸素富化空気及び第２の熱交換器１６から排出されるＬＮＧと、施設５５からの排ガスとを熱交換させる構成であるが、前記酸素富化空気と前記ＬＮＧのいずれか一方と、施設５５からの排ガスとを熱交換させるように構成されてもよい。
【０１６４】
また、上記実施形態の濃縮システム１０では、第１の熱交換器１４において熱交換された後のＬＮＧが第２の熱交換器１６に供給されているが、例えば、第２の熱交換器１６にタンク５０からＬＮＧが直接供給される構成であってもよい。
【０１６５】
上記実施形態では、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７が、それらが共に回転するときに相互接触する歯形を有する一方、膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３が、それらが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形を有するように構成したが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７についても、それらが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形を有していてもよい。すなわち、圧縮雌ロータ１５６が上述の膨張雌ロータ１８２と同様の歯形及び断面を有し、圧縮雄ロータ１５７が上述の膨張雄ロータ１８３と同様の歯形及び断面を有していてもよい。
【０１６６】
この場合には、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７との相互接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７との相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機１７の消費電力をさらに削減できる。
【０１６７】
ただし、この場合には、圧縮雄ロータ１５７の歯１５７ａから圧縮雌ロータ１５６の歯１５６ａへの回転力の伝達が行えない。この場合には、電動機１７の回転部１７ａの回転力を雌ロータ側のロータ軸１５８へ伝達し、そのロータ軸１５８を雄ロータ側のロータ軸１６６と同期回転させる歯車機構等の伝達機構を設ければよい。
【０１６８】
また、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７の回転時の相互接触が回避されるような歯形及び膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３の回転時の相互接触が回避されるような歯形を形成するには、必ずしも、各雄ロータ１５７，１８３の歯１５７ａ，１８３ａのうち対応する雌ロータ１５６，１８２の歯１５６ａ，１８２ａとの接触の可能性がある部分を除去するようなものに限定されない。例えば、各雌ロータ１５６，１８２の歯１５６ａ，１８２ａのうち対応する雄ロータ１５７，１８３の歯１５７ａ，１８３ａと接触の可能性がある部分を除去することによって、圧縮雌ロータ１５６と圧縮雄ロータ１５７の回転時の相互接触が回避されるような歯形及び膨張雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１８３の回転時の相互接触が回避されるような歯形を形成してもよい。
【０１６９】
また、上記実施形態では、電動機１７が圧縮雄ロータ１５７及び膨張雄ロータ１８３を含む回転体を回転駆動するように構成したが、必ずしもこの構成に限定されない。すなわち、圧縮雌ロータ１５６及び膨張雌ロータ１８２を含む回転体の方に電動機１７を設けて、電動機１７が圧縮雌ロータ１５６及び膨張雌ロータ１８２を含む回転体を回転駆動するようにしてもよい。
【０１７０】
また、上記実施形態では、電動機１７をケーシング１５０内に設けて、その電動機１７が圧縮雄ロータ１５７と膨張雄ロータ１８３との間の中間のロータ軸１６６を回転させるようにしたが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、図１９に示すように、電動機１７をケーシング１５０の外側に配置するとともに、圧縮雄ロータ１５７から膨張雄ロータ１８３と反対側に延びるロータ軸１６９（図５参照）をケーシング１５０の外まで延出させ、そのロータ軸１６９のケーシング１５０外に延出した部分に電動機１７を取り付けてもよい。そして、電動機１７がこのロータ軸１６９を回転させることにより、圧縮雄ロータ１５７、膨張雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体を回転させるようにしてもよい。また、同様に、ロータ軸１６１，１６３又は１６７をケーシング１５０外に延出させて、電動機１７が、ケーシング１５０の外側でその延出したロータ軸を回転させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１７１】
１０  酸素濃縮システム
１３  除湿案内部（案内流路）
１４  第１の熱交換器
１４１ａ  第１流路（外側流路）
１４１ｂ  第２流路（内側流路）
１５  圧縮機
１５６  圧縮雌ロータ
１５７  圧縮雄ロータ
１６  第２の熱交換器
１６０  断熱部
１７  電動機
１８  膨張機
１８２  膨張雌ロータ
１８３  膨張雄ロータ
１９  気液分離装置
１９０  分離筒
１９４  排出筒（排気部）
１９５  排出部
２０  第３の熱交換器
２１  発電機
５０  タンク
５２  断熱壁
５４  タンク冷却流路
５５  施設
【図１】
2015206476.tif 000004
【図２】
2015206476.tif 000005
【図３】
2015206476.tif 000006
【図４】
2015206476.tif 000007
【図５】
2015206476.tif 000008
【図６】
2015206476.tif 000009
【図７】
2015206476.tif 000010
【図８】
2015206476.tif 000011
【図９】
2015206476.tif 000012
【図１０】
2015206476.tif 000013
【図１１】
2015206476.tif 000014
【図１２】
2015206476.tif 000015
【図１３】
2015206476.tif 000016
【図１４】
2015206476.tif 000017
【図１５】
2015206476.tif 000018
【図１６】
2015206476.tif 000019
【図１７】
2015206476.tif 000020
【図１８】
2015206476.tif 000021
【図１９】
2015206476.tif 000022