(57)【要約】  【解決手段】  冷却システム、好ましくは冷凍プラント及び／若しくは液化機プラントにて使用するように、又はそれらを含むように適合された冷却システムは、ヘリウムとネオンとの混合物を含む冷媒を使用するよう構成された冷凍回路（１）を有し、冷媒は、空気分離プラント（２）により空気から抽出されるヘリウム及びネオンを含む原料混合物を主成分とし、好ましくはこの原料混合物である。冷凍回路（１）で使用可能な冷媒の製造方法は、空気からヘリウム及びネオンを含む原料混合物を抽出すること、並びに原料混合物を冷媒として使用すること、又は原料混合物から冷媒を得ること、を含み、ここで、原料混合物は好ましくは窒素及び水素を更に含む。  【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システム、好ましくは冷凍プラント及び／若しくは液化機プラントにて使用するように、又はそれらを含むように適合された冷却システムであって、
ヘリウムとネオンとの混合物を含む冷媒を使用するよう構成された冷凍回路（１）を含み、
前記冷媒は原料混合物を主成分とするものであり、好ましくは前記冷媒は、空気分離プラント（２）により空気から抽出される前記原料混合物を含む、
冷却システム。
【請求項２】
ヘリウム及びネオンを含む前記原料混合物を空気から抽出するよう構成された空気分離プラント（２）を更に含み、前記原料混合物が、前記冷媒として使用されるか、又は前記冷媒の主成分を形成する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記原料混合物が、窒素及び／又は水素を更に含む、請求項１又は２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記原料混合物から不純物、好ましくは窒素を除去するよう構成された精製装置（３）を更に含む、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】
前記空気分離プラント（２）が、周囲空気から前記原料混合物を抽出するよう構成され、前記原料混合物が、好ましくは前記周囲空気に存在するネオン／ヘリウム比にほぼ等しいネオン／ヘリウム比、好ましくは約３．５の前記ネオン／ヘリウム比を含む、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】
前記冷却システム及び前記冷媒が、約２５Ｋ〜８０Ｋ未満、好ましくは約２５Ｋ〜７０Ｋ未満、又は約２５Ｋ〜６３Ｋ未満の温度に冷却するように構成された、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】
前記冷凍回路（１）が、ブレイトンサイクル若しくはクロードサイクルを実施するよう構成され、かつ／又は前記冷凍回路（１）は１つ以上のターボ圧縮機（１１）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項８】
ヘリウム及びネオンを含む前記原料混合物が、前記極低温空気分離プラント（２）の精留塔内の空気から抽出される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記冷却システムが、前記原料混合物中に含まれ、好ましくは前記冷媒中にもまた含まれるヘリウム及びネオンのどちらも、前記空気分離プラント（２）とは異なる供給源により添加されないよう構成された、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記冷凍回路（１）が、ガス、好ましくはヘリウム及び／又はネオン及び／又は水素の冷却及び／又は液化用に構成された、請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項１１】
冷凍回路（１）で使用可能な冷媒の製造方法であって、
空気からヘリウム及びネオンを含む原料混合物を抽出すること並びに
前記原料混合物を前記冷媒として使用すること、又は前記原料混合物から前記冷媒を得ること、
を含み、
前記原料混合物は好ましくは窒素及び水素を更に含む、
冷媒の製造方法。
【請求項１２】
前記原料混合物から不純物、好ましくは窒素を除去することを更に含む、請求項１０又は１１に記載の冷媒の製造方法。
【請求項１３】
前記原料混合物が周囲空気から抽出され、前記原料混合物が前記周囲空気に含まれるネオン／ヘリウム比にほぼ等しいネオン／ヘリウム比、好ましくは約３．５の前記ネオン／ヘリウム比を含む、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の冷媒の製造方法。
【請求項１４】
請求項９〜１２のいずれか一項に記載の冷媒の製造方法、並びに
冷凍回路（１）内、好ましくは冷凍プラント及び／若しくは液化機プラントにて使用される冷凍回路内（１）内、又はそれらを含む冷凍回路内（１）内で、前記冷媒を循環させること、
を含む、冷却方法。
【請求項１５】
前記冷凍回路（１）でブレイトンサイクル又はクロードサイクルを実施し、かつ前記冷凍回路（１）が好ましくは１つ以上のターボ圧縮機（１１）を含む、請求項１４に記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却システム、好ましくは冷凍回路を有する冷凍プラント及び／若しくは液化機プラント（ｌｉｑｕｅｆｉｅｒ  ｐｌａｎｔ）にて使用するための、又はそれらを含む、冷却システムに関する。本発明は更に、冷凍回路で使用可能な冷媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
８０Ｋ以下という非常に低い温度を達成するよう構成された冷凍プラントでは、典型的には冷媒として水素又はヘリウムを使用する。工業用の水素液化プラントは、欧州特許第３  １６３  ２３６（Ａ１）号からのものが知られており、ここでは液体水素流を与えるために、水素ガス流が、複数の閉ループ冷却サイクルにより水素の凝縮点未満の温度にまで冷却される。
【０００３】
８０Ｋ未満の温度に適合した冷凍プラントには、通常、周囲温度での冷媒の圧縮、熱交換及び膨張による冷却を伴うブレイトンサイクル又はクロードサイクルが適用されている。冷媒は、スクリュー型圧縮機、ピストン圧縮機、又はターボ圧縮機により圧縮される。効率、流量容量、及び信頼性の観点から、ターボ圧縮機が好都合である。
【０００４】
５４Ｋ未満の温度を達成する必要がある場合には、水素のみ、ヘリウムのみ、ネオンのみ、又はこれらの混合物のみが適用可能である。これは、他の流体の場合には、かかる非常に低い温度で凍結する可能性があるためである。一般的に言えば、冷凍プラントで使用されるヘリウムは、ネオンよりも効率的である。一方、ターボ圧縮機によるヘリウム及び水素の圧縮は、水素が低分子量であるため、困難であるか、又は多段の圧縮段階を必要とする。しかし、ネオンのモル重量はヘリウム及び水素のモル重量よりも大きい。したがってネオンは、例えばヘリウム及び／又は水素と組み合わせて使用される場合には、圧縮の観点から有利である。
【０００５】
このような代替冷媒が検討されてきており、「ネリウム」と呼ばれるヘリウムとネオンとの混合物により、純粋なネオンと比較してより高効率のプロセスが可能となることが見出された。Ｈａｎｓ  Ｑｕａｃｋ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈ  Ｈａｂｅｒｓｔｒｏｈ，Ｉｌｋａ  Ｓｅｅｍａｎｎ，Ｍａｒｃｅｌ  Ｋｌａｕｓ，「Ｎｅｌｉｕｍ，ａ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｒａｎｇｅ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ２７  ａｎｄ  ７０Ｋ」，Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｄｉａ  ６７（２０１５）１７６−１８２を参照されたい。
【０００６】
冷凍プラント（特に大規模のもの）におけるヘリウム及び／又は水素とのネオン混合物の工業的な適用には、多くの技術的及び経済的な課題が伴う。
【０００７】
図１は、冷凍プラント及び／又は液化プラント用の冷媒としてヘリウム及びネオンを含む混合物を与える従来のプロセスを示している。第１のプロセスライン１００は、極低温精留により周囲空気をその成分部に分離するよう構成された空気分離プラント１０１を含む。空気分離プラント１０１から生成されたネオンリッチ流はネオン精留塔１０２に送り込まれ、より高濃度のネオンを有する第２のネオンリッチ流を生成する。次に、この第２のネオンリッチ流は精製され、その後ネオン貯蔵部１０３内に貯蔵される。
【０００８】
ヘリウムは、第１のプロセスライン１００から局所的に分離された第２のプロセスライン１１０を介する別プラントから得られる。ヘリウムは、通常、分留塔１１１内にある、ヘリウムを１％以上の割合で含有する天然ガスから得られるものであり、これから分離されるものである。ヘリウムは、後続のプロセス段階１１２内で抽出及び蓄積され、その後ヘリウム貯蔵部１１３内に貯蔵される。ネオン貯蔵部１０３に貯蔵された純粋なネオン、及びヘリウム貯蔵部１１３に貯蔵された純粋なヘリウムは、所望の比率にしたがって混合され、冷凍プラント１２０に供給される。
【０００９】
ヘリウム及びネオン、並びにこれらの混合物は、いくぶん高価なガスである。純粋なネオンはヘリウムよりもかなり高価であり、どこでも入手可能というわけではない。更に、冷凍システムは完全には漏れ止めされていない。特にメンテナンス作業中に、かなりの量の生成物が失われ得る。これは、相当な初期コスト、稼働コスト及びメンテナンスコストがかかることを示唆している。更に、技術及びロジスティクスは込み入ったものである。ヘリウムは通常、天然ガスから抽出される。ネオンは、複雑なプロセスを適用することにより空気から分離される。したがって、両ガスは、通常別々に抽出され、輸送され、かつ供給され、その後にようやく混合されて、冷凍回路又は冷凍プラントで使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
冷凍回路又は冷凍プラントで必要な特性を維持するには、混合物、特にネオンとヘリウムとの比率をモニターし、調整する必要がある。これは、分析及びガス管理システムに関する技術的な課題及びコストを更に示唆している。
【００１１】
本発明の目的は、上述の課題の少なくとも１つを解決又は低減する冷却システムを提供し、かつ冷媒の製造方法を提供することである。
【００１２】
この目的は、請求項１の特徴を有する冷却システム、及び請求項９の特徴を有する方法により達成される。好ましい実施形態は、従属請求項、本明細書、及び図面により与えられる。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、ヘリウムとネオンとの混合物を含む冷媒を使用するよう構成された冷凍回路を含む冷却システムであって、冷媒は原料混合物を主成分とするものであり、好ましくは冷媒は空気分離プラントにより空気から抽出された原料混合物を含む、冷却システムが提供される。
【００１４】
冷却システムは、好ましくは冷凍プラント及び／若しくは液化機にて使用するように、又はそれらを含むように適合されている。これとしては、例えば、冷凍プラントでの高温超伝導体の冷却、冷凍プラント（例えば、粒子加速器のシールド冷却）及び液化機、特にヘリウム又は水素液化機などにおける予冷、などが挙げられる。
【００１５】
本発明による冷却システムは、ヘリウムとネオンとの混合物を含む冷媒を使用するよう構成された冷凍回路を有する。好ましくは、混合物は、ヘリウム、ネオン、及び水素を含む。冷媒は、空気分離プラントにより空気から抽出されたヘリウム及びネオンを含む原料混合物を主成分とするもの、好ましくは原料混合物である。好ましくは、冷却システムは、ヘリウム及びネオンを含む原料混合物を空気から抽出するよう構成された空気分離プラントを有する。換言すれば、両成分−ヘリウム及びネオン−が、空気から抽出される。
【００１６】
プロセス後、追加の処理が無くとも原料混合物が存在するよう、抽出は、好ましくは同じプロセスにより、及び／又は同時に、行われる。特に、冷媒として使用される原料混合物はそれ自体、空気から抽出することで与えられるが、別々のプロセスにて与えられる２種以上のガス、又は空気及び天然ガスなどの異なる原材料群から抽出される２種以上のガスを混合して供給されることはない。
【００１７】
好ましくは、ヘリウム及びネオンを含む原料混合物は、（極低温）空気分離プラントの精留塔内の空気から抽出される。空気分離プラントは、冷凍回路から局所的に分離されていてもよい。更に、原料混合物は任意の時間に抽出されてもよく、使用するまで保管されてもよい。本発明によれば、原料混合物ｅｘは、冷媒として直接使用されるか、又は冷媒の主成分を形成する。換言すれば、ヘリウム及びネオン（場合により、更に他の成分）を含む原料混合物は、更なる処理、例えば浄化の有無にかかわらず、冷媒として使用される。
【００１８】
重要なことに、ヘリウム及びネオンを含む原料混合物は、空気分離プラントを介して空気から抽出される。これは、ヘリウム及びネオンを別々に抽出してその後２成分を混合する従来のプロセスと比較して、利用可能性の問題を解決するのに役立ち、技術的な複雑性及びコストを削減するものである。所望の原料混合物が「１つの供給源」、すなわち、個々の成分の供給源ではなく原料混合物自体の供給源としての空気より提供されるので、冷媒を得るためのロジスティクスは簡略化される。
【００１９】
好ましくは、原料混合物は、窒素及び／又は水素を更に含む。目的の冷却温度に応じて、一定量の窒素及び／又は水素が許容される。抽出された原料混合物は更なる処理なしで、特に、例えば吸着器での精製なしで使用され得るため、原料混合物中、及び好ましくは冷媒中でも同様に、窒素及び／又は水素を維持することは、技術的な複雑性を更に低減させるのに役立つ。周囲空気中に通常０．４ｐｐｍの濃度で存在する水素は、２％以下に相当する量で原料混合物及び／又は冷媒中に存在してもよい。したがって、空気分離プラントの塔から生成された原料のヘリウム−ネオン混合物（典型的にはネオン、窒素、ヘリウム及び水素からなる）は、好ましくは約６３Ｋ（窒素の三重点）〜８０Ｋ未満の温度に冷却するよう構成された冷凍回路にて、いかなる追加の処理無しに直接使用することができる。
【００２０】
好ましくは、冷却システムは、原料混合物から不純物、例えば窒素を除去するよう構成された精製装置を更に含む。これは、約２５Ｋ〜８０Ｋ未満、好ましくは約２５Ｋ〜７０Ｋ未満などのより低温に冷却するのに適した冷媒を提供する。この意味における「不純物」は、特定用途の冷媒には望ましくない成分であるが、原料混合物を抽出するために使用されるプロセスにおいて原料混合物に本質的に含まれる成分を指すと理解されたい。
【００２１】
好ましくは、空気分離プラントは周囲空気から原料混合物を抽出するよう構成され、原料混合物は、周囲空気に含まれるネオン／ヘリウム比にほぼ等しいネオン／ヘリウム比、好ましくは約３．５のネオン／ヘリウム比のものを含む。ネオンとヘリウムとの天然比（周囲空気中に約３．５の比率で存在）が世界中で一定に維持されているという、この非常に好ましい事実は、原料混合物及び／又は冷媒についての、混合及び管理に関する技術的な解決策を不要のものとする。冷媒を得るためのロジスティクスは、更に簡略化されている。
【００２２】
好ましくは、冷凍回路は、極低温の冷凍温度を生じるのに特に適したブレイトンサイクル又はクロードサイクルを実施するよう構成されている。
【００２３】
好ましくは、冷凍回路は１つ以上のターボ圧縮機を含む。冷凍回路は、例えば、冷媒混合物の、圧縮、好ましくは１つ以上のターボ圧縮機での圧縮、冷却、膨張、及び加温を伴う。ネオンを含む混合物では、純粋なヘリウム及び水素と比較して、凝固点が低くモル質量が大きい。したがって、この混合物はターボ圧縮機に関して特に有利である。
【００２４】
好ましくは、冷却システムは、原料混合物中に含まれ、好ましくは冷媒中にも同様に含まれるヘリウム及びネオンのどちらも、空気分離プラントとは異なる供給源から添加されないように構成されている。また、ヘリウム及びネオンは、好ましくはそれらが単一成分のもののように、空気から共に抽出される。これにより、技術的な複雑性及びコストが更に低減され、冷媒を得るためのロジスティクスが更に簡略化される。
【００２５】
本発明によれば、例えば上記のような冷凍回路で使用可能な冷媒の製造方法が提供される。この方法は、空気から、ヘリウム及びネオンを含む原料混合物を抽出すること、並びに原料混合物から冷媒を得ることを含む。
【００２６】
冷却システムに関して説明した技術的効果、好ましい又は任意の特徴、並びに技術的貢献及び利点は、冷媒の製造方法にも同様に当てはまる。
【００２７】
上記した冷媒を利用する本発明の冷却方法は、上記した冷媒の製造プロセス又は製造方法を含み、かつ、冷凍回路内、好ましくは冷凍プラント及び／若しくは凝縮器にて使用される冷凍回路内、又はそれらを含む冷凍回路内で、冷媒を循環させることを含む。
【００２８】
冷却システムに関して説明した技術的効果、好ましい又は任意の特徴、並びに技術的貢献及び利点は、冷却方法にも同様に当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本開示は、添付図面と併せて考慮される場合、以下の詳細な説明を参照することでより容易に理解される。
【図１】図１は、冷凍プラント及び／又は液化プラント用の冷媒としてネオンとヘリウムとの混合物を与える従来のプロセスを概略的に示している。
【図２】図２は、冷凍プラント及び／又は液化機用の冷媒として原料のヘリウム−ネオン混合物を得て、供給するためのシステム及びプロセスを概略的に示している。
【図３】図３は、空気分離プラント及び冷凍回路を有する冷却システムを概略的に示している。
【図４】図４は、更なる実施形態による冷却システムを概略的に示している。
【図５】図５は、更なる実施形態による冷却システムを概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。同一、類似の要素、又は同一若しくは類似の効果を有する要素には、図において同じ参照番号を付与している。説明の重複を防ぐため、そのような要素の説明を繰り返すことを省いてもよい。
【００３１】
上述したように、図１は、冷凍プラント及び／又は液化プラント用の冷媒としてヘリウム及びネオンを含む混合物を与える従来のプロセスを示す。第１のプロセスライン１００は、極低温精留により周囲空気をその成分部に分離するよう構成された空気分離プラント１０１を含む。空気分離プラント１０１から生成されたネオンリッチ流はネオン精留塔１０２に送り込まれ、より高濃度のネオンを有する第２のネオンリッチ流を生成する。次に、この第２のネオンリッチ流は精製され、その後ネオン貯蔵部１０３内に貯蔵される。ヘリウムは、第１のプロセスライン１００から局所的に分離された第２のプロセスライン１１０を介して得られる。ヘリウムは通常、分留塔１１１内で、ヘリウムを１％以上の割合で含有する天然ガス（石油ガス）から得られ、分離される。ヘリウムは、後続のプロセス段階１１２内で抽出及び蓄積され、その後ヘリウム貯蔵部１１３内に貯蔵される。ネオン貯蔵部１０３に貯蔵された純粋なネオン、及びヘリウム貯蔵部１１３に貯蔵された純粋なヘリウムは、所望の比率にしたがって混合され、冷凍プラント１２０に供給される。
【００３２】
図２は、冷凍回路１を含む冷凍プラント及び／又は凝縮器用の冷媒として原料のヘリウム−ネオン混合物（ネリウム）を得て、供給するための、本開示によるシステム及びプロセスを概略的に示す。原料のヘリウム−ネオン混合物は、１つ以上の精留塔を含む空気分離プラント２により得られる。その後、原料のヘリウム−ネオン混合物は、精製装置３（以下で更に説明する）により浄化又は更に処理され得、冷凍回路１に供給される。
【００３３】
ヘリウムとネオンとの混合物を冷媒として、好ましくは周囲空気に見られる比率（約３．５）で使用することが提案されている。これは有利には、混合物が追加の処理なしで空気分離プラント２より与えられることを示唆する。この混合物は、一般に、用途がないため廃棄物であると見なされている。ネオンとヘリウムとの比率は、周囲空気にて自然に存在するためにほぼ一定である。空気から純粋なネオンを得るには多大な技術的努力が必要であるため、空気からネオンを分離及び蓄積するための空気分離プラントは、世界的にも少数しか稼働していない。したがって、空気分離プラント２から供給される「廃棄物」であるヘリウム−ネオン混合物を直接利用することにより、冷媒を得るためのコスト及び技術設備が大幅に削減される。
【００３４】
原料のヘリウム−ネオン混合物は、約２５Ｋ〜８０Ｋ未満の温度に冷却する冷媒として使用され得る。この場合、冷却システムは、不純物（主に窒素であるが、他の不純物も）を除去するように構成された精製装置３又は吸収段階を備えていてもよい。あるいは、空気分離プラント２の塔から抽出された原料のヘリウム−ネオン混合物、すなわち典型的にはヘリウム、ネオン、窒素及び水素の混合物を、冷媒として直接使用してもよい。ネオン、窒素、ヘリウム及び水素のヘリウム−ネオン混合物は、６３Ｋ〜８０Ｋ未満（窒素の三重点）の冷却温度に適合した冷却システムの冷凍回路１にて使用することができる。極小割合の水素が、２５Ｋ超の提案された温度範囲における冷却システムの稼働を妨げることはない。
【００３５】
空気分離プラント２の精留塔から得られた原料混合物は、例えば冷凍プラント及び／又は液化機の冷凍回路において、冷媒（又は冷媒の主成分）として使用される。特に、原料混合物は、膨張タービンを含む低温冷凍回路（ブレイトン回路（Ｂｒａｙｔｏｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ））並びに／又は膨張タービン及び少なくとも１つの更なる膨張段階、例えば膨張弁若しくは膨張装置を含むもの、を含む低温冷凍回路（クロード回路（Ｃｌａｕｄｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ））にて、使用してもよい。
【００３６】
以下では、本明細書に記載されるプロセス及び混合物を適用する別の実施形態による冷却システムを、図３〜図５に関して説明する。主な構成要素として、混合物を圧縮するよう構成された圧縮機、及び／又は不純物を除去するよう構成された精製装置若しくは吸着器、及び／又は熱交換器、及び／又は膨張タービン、及び／又は膨張弁を備えてもよい。冷媒として使用される混合物では、ヘリウム及び水素と比較して、凝固点が低くモル質量が大きい。したがって、この混合物は、ターボ圧縮機及び膨張タービンでの使用に特に有利である。７７Ｋ未満の温度に冷却するのに使用されるヘリウム−ネオン混合物は、窒素とは異なり、亜大気圧にて操作される必要はない。
【００３７】
図３は、ブレイトンサイクルとして構成された冷凍回路１内を循環する冷媒として、空気分離プラント２により与えられた原料のヘリウム−ネオン混合物を直接適用することを利用した、例示的な冷却システムを示している。
【００３８】
冷媒、好ましくはヘリウム、ネオン、窒素及び水素の混合物は、圧縮機１１、好ましくはターボ圧縮機として構成された圧縮機１１により圧縮され、その後、冷却器１２及び熱交換器１３ａ、好ましくはプレート熱交換器として構成された熱交換器１３ａにて予冷される。その後、冷媒は膨張装置１４により膨張される。膨張装置１４は、好ましくはタービン又は多数のタービン段階を含む。膨張仕事を用いて、対象２０、すなわち流体を冷却及び／又は液化する。次に、冷媒は熱交換器１３ａ、１３ｂで加熱され、圧縮機１１の吸入側に供給される。
【００３９】
図３に示されるようなプロセス及び冷凍回路１で使用されるヘリウム−ネオン混合物は、６３Ｋ（窒素の三重点）〜８０Ｋ未満の温度に冷却するのに適用可能である。
【００４０】
図４は、クロードサイクルとして構成された冷凍回路１’用の冷媒として、空気分離プラント２により与えられた原料のヘリウム−ネオン混合物を使用した、更なる冷却システムを示している。
【００４１】
原料のヘリウム−ネオン混合物は、圧縮機１１、好ましくはターボ圧縮機として構成された圧縮機１１により圧縮され、その後、冷却器１２及び熱交換器１３ａ、好ましくはプレート熱交換器として構成された熱交換器１３ａにて予冷される。その後、原料のヘリウム−ネオン混合物は、膨張装置１４ａ及び膨張弁（ジュールトムソン弁）１４ｂにより膨張する。膨張装置１４ａで膨張した冷媒は、冷媒の流れの一部を更に冷却するために使用される。更に、原料のヘリウム−ネオン混合物は、吸着タンク１５内で精製される。特に、原料のヘリウム−ネオン混合物から窒素が分離される。冷媒は熱交換器１３ｂ、１３ｃで冷却され、膨張弁１４ｂ内に放出される。膨張仕事を用いて、対象２０、すなわち流体を冷却及び／又は液化する。次に、冷媒は熱交換器１３ａ、１３ｂ、１３ｃで加熱され、圧縮機１１の吸入側に供給される。
【００４２】
図４に示す例示的なプロセスは、２５Ｋ〜８０Ｋの温度に冷却するのに適用可能である。したがって、膨張弁１４ｂ及び吸着タンク１５を含むクロード回路として設計された冷凍プラントでは、図３の実施形態と比較してより低い温度がもたらされ得る。
【００４３】
図５は、冷凍回路１’’用の冷媒として、空気分離プラント２により提供された原料のヘリウム−ネオン混合物を使用した、更なる冷却システムを示す。本実施形態による冷却システムは、精製装置３における追加の精製を含み、２５Ｋ〜８０Ｋの温度に冷却するのに適合されている。
【００４４】
原料のヘリウム−ネオン混合物は、精製装置３内で窒素を分離することにより精製される。得られたヘリウム−ネオン−水素混合物は次に、図５に示すような冷凍回路１’’にて、最低２５Ｋという非常に低い冷却温度の冷媒として使用することができる。精製装置３で原料混合物を精製した後、冷媒は圧縮機１１に供給される。その後は、このプロセスは、基本的には図４に示されるプロセスに対応する。
【００４５】
空気分離プラント２の精留塔から抽出されたヘリウム−ネオン混合物の想定される用途としては、８０Ｋ未満の温度に関する、高温超伝導体を冷却（ＨＴＳ、Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒの冷却）するための冷凍プラントが挙げられる。更なる用途としては、冷凍プラント（例えば、粒子加速器のシールド冷却）及び液化機、特にヘリウム又は水素液化機における予冷が挙げられる。冷媒及びプロセスは、２５Ｋ〜８０Ｋ、好ましくは３０Ｋ〜７５Ｋの温度に冷却するのに適合した冷凍プラントにて使用され得る。
【００４６】
記載の実施形態によれば、空気分離プラント２は冷媒、すなわちヘリウム及びネオンを含む原料混合物を製造するために直接使用される。これにより、ヘリウム及びネオンを別々に抽出して、その後にこの２成分を混合することに基づく従来のプロセスと比較して、利用可能性の問題が解決され、技術的な複雑性及びコストが削減される。
【００４７】
約３．５のネオンとヘリウムとの天然比で周囲空気中に存在して、かつこれが世界中で一定に維持されているという好ましい事実は、組成物の混合及び管理に関する技術的な解決策を不要のものとする。所望の混合物が、「１つの供給源」、すなわち、個々の成分の供給源ではなく、得られる混合物の供給源としての空気より与えられるので、冷媒を得るためのロジスティクスは簡略化される。少数の圧縮機段階を含むターボ圧縮機により、原料のヘリウム−ネオン混合物を圧縮することが可能である。
【００４８】
ヘリウム−ネオン混合物中、２％以下に相当する微量の水素（通常、周囲空気中では０．４ｐｐｍ）を添加又は維持することが可能である。したがって、空気分離プラントの塔から生成された原料のヘリウム−ネオン混合物（典型的にはネオン、窒素、ヘリウム及び水素からなる）は、約６３Ｋ（窒素の三重点）〜８０Ｋ未満の温度に冷却するように構成された冷凍回路にて、いかなる追加の処理なしに直接使用することができる。
【００４９】
実施形態及び項目が複数の可能性の例を示すものでしかないことは、当業者には明らかである。したがって、本明細書に示される実施形態は、これらの特徴及び構成を制限するものであると理解されるべきではない。記載された特徴の任意の可能な組み合わせ及び構成は、本発明の範囲にしたがい選択することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１      冷凍回路
１’    冷凍回路
１’’  冷凍回路
２      空気分離プラント
３      精製装置
１１    圧縮機
１２    冷却器
１３ａ  熱交換器
１３ｂ  熱交換器
１３ｃ  熱交換器
１４    膨張装置
１４ａ  膨張装置
１４ｂ  膨張弁
１５    吸着タンク
２０    冷却対象
１００  第１のプロセスライン
１０１  空気分離プラント
１０２  ネオン精留塔
１０３  ネオン貯蔵部
１１０  第２のプロセスライン
１１１  分留塔
１１２  後続のプロセス段階
１１３  ヘリウム貯蔵部
１２０  冷凍プラント
【図１】
2021515169.tif 000002
【図２】
2021515169.tif 000003
【図３】
2021515169.tif 000004
【図４】
2021515169.tif 000005
【図５】
2021515169.tif 000006
【国際調査報告】
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