(57)【要約】    本発明は、プロセス媒体の極低温冷凍のための極低温冷凍システム及び方法に関する。具体的には、本発明は、システムにおけるエクセルギーの損失を低減する、向流型熱交換器の構成及び調圧器の構成に関する。したがって、極低温冷凍システムが提案され、このシステムは、プロセス媒体の供給流（１０）を供給するように構成された流路（２）と、流路（２）の熱交換部（２Ａ）に熱的に結合されており、熱交換器（３）の低温端（３０）にある入口（３４）及び熱交換器（３）の高温端（３２）にある出口（３６）を含む、向流型熱交換器（３）と、流路（２）と流体連通しており、熱交換部（２Ａ）の下流に配置された第１の調圧器（４）と、流路（２）と流体連通しており、第１の調圧器（４）の下流に配置されたベッセル（５）であって、熱交換器（３）の入口（３４）と流体連通しており、プロセス媒体から熱交換器（３）の入口（３４）へ蒸発ガス流を供給するように構成されているベッセル（５）と、を備える。更に、流路（２）は、流路（２）の熱交換部分（２Ａ）の上流に、蒸発式熱交換器を含まない。  【選択図】図１
2021515168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温冷凍システム（１）であって、
−プロセス媒体の供給流（１０）を供給するように構成された流路（２）と、
−向流型熱交換器（３）であって、前記流路（２）の熱交換部（２Ａ）に熱的に結合されており、前記熱交換器（３）の低温端（３０）にある入口（３４）及び前記熱交換器（３）の高温端（３２）にある出口（３６）を含む、向流型熱交換器（３）と、
−前記流路（２）と流体連通しており、前記熱交換部（２Ａ）の下流に配置された第１の調圧器（４）と、
−前記流路（２）と流体連通しており、前記第１の調圧器（４）の下流に配置されたベッセル（５）であって、前記熱交換器（３）の前記入口（３４）と流体連通しており、前記熱交換器（３）の前記入口（３４）へ前記プロセス媒体からの蒸発ガス流を供給するように構成されている、ベッセル（５）と、
を備え、
前記流路（２）が、前記流路（２）の前記熱交換部（２Ａ）の上流に、蒸発式熱交換器を含まない、
極低温冷凍システム（１）。
【請求項２】
前記熱交換器（３）が、前記極低温冷凍システム（１）の通常動作中に、前記熱交換器（３）の前記高温端（３２）における前記蒸発ガスの温度因子を、前記熱交換器（３）の前記高温端（３２）における前記供給流（１０）の前記プロセス媒体に対して０．９より大きくなるように、好ましくは０．９８より大きくなるように提供するように構成されており、かつ／又は、
前記熱交換器（３）が、前記極低温冷凍システム（１）の通常動作中に、前記蒸発ガスの温度を前記熱交換器（３）の前記高温端（３２）における前記プロセス媒体の温度と一致させるように構成されたＮＴＵを有する、
請求項１に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項３】
前記温度因子及び／又は前記ＮＴＵが、前記熱交換器（３）の伝熱面積によって、好ましくは前記熱交換器の長さによって提供され、前記熱交換器（３）が、好ましくは、フィン付きチューブ形状、コイル形状、及び／又はフィン形状であり、前記流路（２）の円周を少なくとも部分的に取り囲む、
請求項２に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項４】
前記熱交換器（３）の前記出口（３６）が、前記ベッセル（５）内に一定圧力を供給するように構成された再生システム、コンプレッサシステム、真空ポンプ、及び／又は液化システムに結合されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項５】
前記第１の調圧器（４）の上流に供給される前記プロセス媒体が、加圧液体、好ましくは液体ヘリウム又は液体窒素であり、前記第１の調圧器（４）が、前記プロセス媒体の圧力を低下させて、前記第１の調圧器（４）の下流に二相プロセス媒体（１３）流を供給するように構成されており、前記第１の調圧器（４）が、好ましくは弁、膨張弁、及び／又はタービンを含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項６】
前記ベッセル（５）が液相（１５）を回収し、前記ベッセル（５）が負荷（６）に熱的に結合されるか、又は負荷（６）が、前記ベッセル（５）の回収された前記液相（１５）内に配設されて、等温負荷（６）を提供する、
請求項５に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項７】
前記プロセス媒体からの前記蒸発ガスが、前記調圧器（４）、前記ベッセル（５）の圧力、及び前記負荷（６）によって制御された前記二相プロセス媒体（１３）の状態によって供給され、前記蒸発ガスが準大気圧蒸発ガス（１２）である、
請求項６に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項８】
前記システム（１）が、コントローラ（７）と、前記コントローラと通信する少なくとも１つのセンサ（７０、７２、７４、７６）とを更に備え、
−前記システム（１）が、前記調圧器（４）の上流かつ前記熱交換部（２Ａ）の下流に配置された少なくとも１つの温度センサ（７０）であって、前記コントローラ（７）が、前記二相プロセス媒体の状態を制御するために、前記少なくとも１つの温度センサ（７０）の測定値に基づいて前記第１の調圧器（４）を制御するように構成されている、少なくとも１つの温度センサ（７０）を備え、
−前記システム（１）が、前記ベッセル（５）内に配置された少なくとも１つの充填センサ（７２）、及び／又は、前記負荷に向かう前記プロセス媒体の液相の質量流量を測定するために前記調圧器（４）の下流に配置された少なくとも１つの流量センサ（７６）を備え、前記コントローラ（７）が、前記調圧器（４）を制御して、前記少なくとも１つの充填センサ（７２）及び／又は前記少なくとも１つの流量センサ（７６）の測定値に基づいて、前記質量流量を制御するように構成されており、
かつ／又は、
−システム（１）が、前記ベッセル（５）と連通して配置された少なくとも１つの圧力センサ（７４）及び、前記熱交換器（３）の前記出口（３６）に結合されたコンプレッサシステムを備え、前記コントローラ（７）が、前記少なくとも１つの圧力センサ（７４）の測定値に基づいて前記コンプレッサシステムを制御することによって前記ベッセル（５）内の圧力を制御するように構成されている、
請求項６又は７のいずれか一項に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項９】
前記システム（１）が、前記供給流（１０）の前記質量流量を制御する制御弁（２０）を更に備え、前記制御弁（２０）が前記コントローラ（７）と通信しており、前記第１の調圧器（４）の上流に、及び前記第１の調圧器（４）に並列に配置されており、前記コントローラ（７）が前記供給流（１０）の前記質量流量を、前記少なくとも１つの温度センサ（７０）、充填センサ（７２）、及び／又は流量センサ（７６）の測定値に基づいて、前記制御弁（２０）を介して制御するように構成されている、
請求項８に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項１０】
前記システム（１）が、前記熱交換器（３）の前記高温端（３２）において前記流路（２）及び前記熱交換器（３）の前記出口（３６）と連通する、少なくとも１つの高温端温度センサ（７０）を備え、前記コントローラ（７）が、前記少なくとも１つの高温端温度センサ（７０）によって測定される温度差に基づいて、前記調圧器（４）を制御することによって、前記蒸発ガス流を調節するように構成されている、
請求項８又は９に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項１１】
前記熱交換器（３）が、前記流路（２）に対して並列及び／又は直列に配置された複数の熱交換モジュール（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）として構成されており、好ましくは、前記流路（２）と流体連通する第２の調圧器（４Ｂ）が、直列に配置された前記熱交換モジュール（３Ａ、３Ｃ）のそれぞれの間に配置されている、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の極低温冷凍システム（１）。
【請求項１２】
極低温冷凍システム（１）内で極低温冷凍を提供する方法であって、
−流路内にプロセス媒体の供給流（１０）を供給することと、
−向流型熱交換器（３）内で前記供給流を冷却することと、
−調圧器（４）によって前記供給流（１０）の圧力を低下させることと、
−前記供給流（１０）をベッセル（５）内に受け入れることと、を含み、前記プロセス媒体からの蒸発ガス流は、前記供給流（１０）を冷却するために前記熱交換器（３）によって使用され、
−前記供給流を冷却することは、蒸発する液相含まずに行われる、方法。
【請求項１３】
−前記極低温冷凍システム（１）の通常動作中に、前記熱交換器によって、前記熱交換器（３）の高温端（３２）における前記蒸発ガスの温度因子が、前記熱交換器（３）の前記高温端（３２）における前記供給流（１０）の前記プロセス媒体に対して０．９より大きくなるように、好ましくは０．９８より大きくなるように提供され、
かつ／又は、
−前記蒸発ガスの温度が、前記極低温冷凍システム（１）の通常動作中に、前記熱交換器（３）のＮＴＵ構成によって提供される前記熱交換器（３）の高温端（３２）における前記プロセス媒体の温度に一致させられることを特徴とする、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記供給流（１０）が加圧液体、好ましくは液体ヘリウムを含み、前記調圧器（４）によって前記供給流（１０）の圧力を低下させることによって、前記調圧器（４）の下流に二相プロセス媒体（１３）流が供給され、前記ベッセル内の前記蒸発ガスが準大気圧で供給され、前記供給流（１０）を冷却することが、好ましくは、前記流路（２）の前記熱交換部（２Ａ）の下流にλ点と飽和温度との間の前記プロセス媒体を供給し、前記ベッセル（５）が、好ましくは、前記プロセス媒体の前記液相（１５）を回収し、等温負荷（６）を提供するために、熱的に結合された負荷（６）又は前記ベッセル（５）内の前記プロセス媒体の前記液相（１５）の中に配設された負荷（６）を冷凍する、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記供給流（１０）を冷却することが、直列又は並列に配置された複数の熱交換モジュール（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）によって直列又は並列に発生し、好ましくは、前記供給流（１０）の圧力が、前記直列に配置された熱交換モジュール（３Ａ、３Ｃ）のそれぞれの間で第２の調圧器（４Ｂ）によって低下する、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス媒体の極低温冷凍のシステム及び方法に関する。具体的には、本発明は、システムにおけるエクセルギーの損失を低減する、向流型熱交換器の構成及び調圧器の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気圧におけるプロセス媒体の飽和温度より低い温度の等温負荷を提供する冷凍プラントは、通例、蒸発器として構成された向流型熱交換器によって供給流をサブクーリングすることによって実装される。例えば、ヘリウムの場合、負荷は４．４Ｋ未満で提供されてもよく、供給流は一般に大気圧より高い気圧で供給される。蒸発式熱交換器では、供給流からの液相のうち大気圧より高い圧力の部分、例えば、１．０５〜１．５０ｂａｒの部分は、タービン、制御弁又は類似する膨張装置に供給され、熱交換器に入って部分的に蒸発し、蒸発ガスは、より高い温度レベルで熱交換器内に放出され、液体は再循環される。すなわち、蒸発式熱交換器から出た液相は、その熱交換器の入口から再び、蒸発熱交換器に入る。したがって、ヘリウムをプロセス媒体として使用する場合、供給流の温度を４．３〜４．７Ｋとしながら、液相温度を、例えば４．２６〜４．６７Ｋで提供してもよい。供給流はその後、下流にある別の向流型熱交換器内で更に冷却されてもよい。
【０００３】
蒸発式熱交換器のこの実装では供給流の予冷が提供され得るが、このような実装にはいくつかの欠点がある。例えば、タービン及び熱交換器の非効率性に起因して、エクセルギーの損失が生じる。このようなエクセルギーの損失は、典型的なヘリウム冷凍コールドボックスで生じる不可逆過程の９５％超の原因であり得る。更に、冷凍サイクルには、例えばヘリウムの場合、３００Ｋ及び１．０〜４．４Ｋという大きな温度因子が含まれ、そのため、例えばカルノー効率などのシステムの効率を高め、それによってプロセスへの電力入力を低減するために、エクセルギーを最適化する必要が存在する。
【０００４】
更に、蒸発式熱交換器では、大気圧レベルでのフラッシュガス及び蒸発ガスの再循環が必要であり、更に相分離器が必要で、ヘリウムの場合はどちらも４．５Ｋレベルにおいてである。したがって、蒸発式熱交換器を使用するときに現時点で必要とされる機器の数及びサイズを低減する必要が存在する。
【０００５】
加えて、逆転温度よりも低い様々な圧力におけるプロセス媒体の異なった熱容量が、システムの高温端に、すなわちシステムから出るプロセス媒体とシステムに入るプロセス媒体の供給流との間に、比較的高い温度差を引き起こす。このような温度差は、一般に、システム内で不可逆過程を引き起こす。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題を軽減する、改善された極低温冷凍システム及び対応する極低温冷凍方法を提供することである。
【０００７】
この目的は、請求項１に記載の特徴を備える極低温冷凍システム及び、請求項１２に記載の特徴を備える極低温冷凍方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に記載され、明細書及び図面によって提供される。
【０００８】
したがって、第１の態様では、プロセス媒体の供給流を供給するように構成された流路と、流路の熱交換部に熱的に結合された向流型熱交換器とを備える、極低温冷凍システムが提案される。熱交換器は、熱交換器の低温端にある入口及び熱交換器の高温端にある出口を含む。システムは更に、流路と流体連通しており、熱交換部の下流に配置された第１の調圧器と、流路と流体連通しており、第１の調圧器の下流に配置されたベッセルとを更に備える。ベッセルは、熱交換器の入口と流体連通しており、プロセス媒体から熱交換器の入口へ蒸発ガス流を供給するように構成されている。流路は、流路の熱交換部の上流に、蒸発式熱交換器を含まない。
【０００９】
したがって、低い比エンタルピーを有する蒸発ガス流を含む低温向流型熱交換器を設けることによって、システムには供給流を予冷するための蒸発器が不要となる。これは、ヘリウムを使用する場合に特に有利であり、それにより、システムは、４．５Ｋレベルでの蒸発式熱交換器及び相分離器を必要とせず、更に大気圧におけるフラッシュガス又は蒸発ヘリウムの再循環が発生しない。加えて、システムの寸法を縮小できるように、コンプレッサ及び熱交換器などのより小さい装置が設けられてもよい。
【００１０】
したがって、熱交換器の低温端は、入口を介して熱交換器に入る前の、より低い温度及び潜熱を有する蒸発ガスと、熱交換部のすぐ下流の流路内のプロセス媒体の温度との、両方に関連する。この文脈では、「下流」という用語は、流路に供給される供給流に関し、システムへの供給流の最初の進入との関係を指す。したがって、システムへの供給流の進入は、熱交換部の上流で発生する。熱交換部は流路の一部のみを含んでもよく、熱交換部の上流に配置された流路部分及び、熱交換部の下流かつ第１の調圧器の上流に配置された複数の流路部分は、熱交換器の出口及び中に並列に、かつ隣接してそれぞれ配置されて、熱交換器の効率を更に改善する。ただし、熱交換部及び熱交換器はまた、熱交換部が本質的に流路を形成し、例えば、様々な特徴部間の流体結合部のサイズと寸法が最小化されるように構成されてもよい。
【００１１】
同様に、熱交換器の高温端は、熱交換器から出る、プロセス媒体からの熱を吸収した蒸発ガスに関連し、したがって、熱交換器の低温端の蒸発ガスに対して、より高い温度及び／又は高められた潜熱を含むと考えられ得る。加温された蒸発ガスは次いで、排ガスとして、熱交換器の高温端の出口を介してシステムから出てもよい。例えば、排ガスは、大気中に直接放出されてもよいし、又は更なる目的及び用途のためにシステム内に保持されてもよい。
【００１２】
好ましくは、熱交換器は、極低温冷凍システムの通常動作中に、熱交換器のピンチポイントにおける蒸発ガスの温度因子を、熱交換器のピンチポイントにおける供給流のプロセス媒体に対して０．９よりも大きくなるように提供するように構成される。好ましくは、この温度因子は、熱交換器のピンチポイントにおける蒸発ガスと熱交換器のピンチポイントにおける供給流のプロセス媒体に対する温度差が最小かつ／又は無視できるものになるように、よってシステムに影響を与えないように、０．９８よりも大きい。
【００１３】
このような温度因子が可能になるのは、システムが上流に蒸発式熱交換器を必要としないためであり、一般に、蒸発式熱交換器では、蒸発式熱交換器を通過した後のプロセス媒体の温度は固定の温度、例えばヘリウムでは約４．６Ｋとなり、一般に、定常状態のプロセス内の低温端及び高温端における質量流量は等しく、かつ一定である。それとは反対に、低温向流型熱交換器は、温度差を最小化できるように、高められた熱容量を有する熱交換器の高温端で、より高い温度レベルで供給流及び蒸発ガスを提供する。
【００１４】
上述した、向流型熱交換器の温度因子ＦＴは、低温流の温度Ｔｃ（ｘ）（０≦ｘ≦Ｌ）及び熱交換器のピンチポイントにおける高温流の温度ＴＷ（ｘ）で表すことができ、したがって、２つの流れの温度差は最小である。
【数１】
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【００１５】
あるいは、又は加えて、熱交換器は、極低温冷凍システムの通常動作中に、蒸発ガスの温度を熱交換器の高温端におけるプロセス媒体の温度と一致させるように構成されたＮＴＵ（Number of Transfer Units、移動単位数）を有する。
【００１６】
必要なＮＴＵを有する熱交換器の実装には、システムが熱力学的に最適化される一方で、例えば熱交換器パラメータ及び境界条件などの、ある種の変数が必要ないか、知られている必要がないという利点が、少なくとも存在する。したがって、このＮＴＵ構成は、熱効率の良い極低温冷凍システムが得られるＬＭＴＤ構成の代替となる。
【００１７】
本明細書において、「一致させる」という用語は、上記の温度を本質的に一致させることと理解されるべきであり、よって、例えば最大０．０５Ｋなどの、最小温度差も含む。例えば、熱交換器の領域、例えば熱交換器の伝熱面積又は長さは、対応する温度範囲が得られるサイズ及び寸法であってもよく、ここで、少なくともプロセス媒体の様々な温度における質量流量及び熱容量値は知られていると見なされる。
【００１８】
ＮＴＵは、熱交換器の伝熱面積、好ましくは熱交換器の長さによって提供されてもよい。広い伝熱面積を得るために、熱交換器は、好ましくはチューブ形状、コイル形状、及び／又はプレートフィン形状であり、流路の円周を少なくとも部分的に取り囲む。このことには、広い接触面が得られ、熱交換器の長さを増大させることによって、その面積を簡単に増大させ得るという利点がある。例えば、熱交換器は流路の円周を完全に包囲してもよく、熱交換器の高温端と低温端との間に延在する熱交換器の長手方向軸は、流路の長手方向軸、例えばプロセス媒体の流れる方向と一致してもよい。ただし、その代わりに、例えば、流路の長手方向軸が熱交換器の長手方向軸から間隔をあけて、例えば、その軸に対して横方向に配置される、非対称な配置が提供されてもよい。好ましくは、熱交換器は、例えば大規模なシステム又はプラント用にはプレートフィン型熱交換器として、あるいは、例えば小規模なシステム又はプラント用にはコイルフィン付きチューブ型管熱交換器として構成されてもよい。
【００１９】
システムの最初の始動時には、一般に、定常状態、すなわち通常動作を提供するために、温度及び圧力の正規化が必要である。熱交換器の高温端で、プロセス媒体と、蒸発ガス又は排ガスとの温度差を一致させるか、又は最小化することによって、通常動作中のエクセルギーの損失が低減される。そのように、システム内の不可逆過程の発生及びプロセスへの電力入力も同様に低減される。更に、必要なＮＴＵ構成を有する低温向流型熱交換器を設けることによって、システムには供給流を予冷するための蒸発器は不要となる。このことは、システムが４．５Ｋレベルでの蒸発式熱交換器及び相分離器を必要とせず、更に大気圧でのフラッシュガス又は蒸発ヘリウムの再循環が発生しないため、液体ヘリウムを使用する場合に特に有利である。加えて、システムの寸法を縮小できるように、コンプレッサ及び熱交換器などのより小さい装置が設けられてもよい。
【００２０】
熱交換器の熱伝達率の上昇、よって冷却効率の向上によって、更に、熱交換器の高温端における供給流の温度を飽和点よりもはるかに高くすることもでき、すなわち、ヘリウムの場合、プロセス媒体の圧力に応じて４．５Ｋより高く、好ましくは可能な限り高くなり得る。ただし、この温度範囲は、実際のガス特性によって制限されることがあり、例えばヘリウムでは、温度は、好ましくは４．５〜２０Ｋ、より好ましくは、８〜１５Ｋ又は１０〜１３Ｋである。例えば窒素などの他のプロセス媒体では、対応する、より高い温度が実装されてもよい。したがって、大気圧より高い、様々な供給圧力が提供され得る。これにより、システムの運転コストが低減されるだけでなく、メイン冷凍サイクルと、例えば負荷との間でプロセスの中へ漏れ出す熱が、高まった温度レベルで、よって、プロセス媒体のより高い容量で発生するので、エクセルギーに関して有利である。
【００２１】
圧力は、例えば極低温のユーザ又は超伝導体といった負荷などの、ベッセルに結合されたあらゆるデバイス又はサブシステムの温度及び物理的挙動に影響するか、又は、決定しさえするので、そのように実装される場合には、ベッセル内の圧力は、一定のレベルに維持されることが好ましい。したがって、一般に、プロセス媒体の関連する飽和温度もまた知られている。
【００２２】
したがって、極低温冷システムの効率を高めるために、熱交換器の出口は、ベッセル内に一定の圧力を供給するように構成された再生システム、コンプレッサシステム、真空ポンプ、及び／又は液化システムに結合されてもよい。熱交換器の高温端で一致する排ガスの温度と供給流の温度は、特に４．５〜２０Ｋの温度範囲において、蒸発ガスのシステム内での変換及び再循環を促進する。例えば、準大気圧蒸発ガスは再生されてもよく、かつ／又は、準大気圧ガス流の高温、低温、又は混合圧縮が提供されてもよい。したがって、熱交換器の出口はシステムの供給流入口に断続的に結合されてもよく、こうして閉じた極低温冷凍システムを提供する。
【００２３】
好ましくは、第１の調圧器の上流に供給されるプロセス媒体は、加圧流体、例えばヘリウム又は窒素である。ただし、異なるプロセス媒体が使用されてもよい。液状プロセス媒体の供給には、熱交換部内の流量パラメータを制御して最適化することができ、プロセス媒体と熱交換器との間の熱伝達が改善され得るという利点が、少なくとも存在する。例えば、供給流は、熱伝達を向上させるために、乱流層及び境界層などの必要な流れ特性が得られるように構成されてもよい。したがって、流路内のプロセス媒体の供給圧力は、例えば３３０Ｋレベルの安全弁などの安全機構によって引き起こされる、望ましくない熱音響的発振による圧力変動を軽減するために、一定の値に維持されることが好ましい。更に、加圧流体としてプロセス媒体を供給することにより、プロセス媒体の熱容量は、第１の調圧器内での加圧流体の圧力緩和、及び／又は供給流の調節によって変化し得る。加えて、第１の調圧器は、プロセス媒体の圧力を低下させて、第１の調圧器の下流に二相プロセス媒体流を供給するように構成されてもよい。例えば、圧力低減の結果、プロセス媒体の飽和温度が低下して、プロセス媒体の少なくとも一部が液相から気相に変換されるようになる。プロセス媒体の圧力を調節するために、調圧器は、弁、膨張弁、及び／又はタービンを備えることが好ましい。調圧器を設けることにより、例えば、各圧力レベル及び各物理的状態における異なる熱容量に起因して変動する条件に合わせて、調圧器の下流のプロセス媒体の比エンタルピー及び液相の質量流量の両方が、適合され得る。
【００２４】
好ましくは、ベッセルは液相を回収し、ここでベッセルは負荷に熱的に結合されているか、又は、ベッセル内の回収された液相内に負荷が配設されて、等温負荷を提供する。例えば、ベッセルは、例えば、ベッセルの底部に設けられた負荷を液相が浸漬して、液相と負荷との間の伝熱面積を最大化するような寸法であってもよい。あるいは、負荷は、例えば流体結合及び／又は熱伝導性表面によって、ベッセルに熱的に結合されてもよい。同様に、ベッセルは、少なくとも部分的に負荷を密閉するような寸法であってもよく、ここで、ベッセル内の液相は、負荷の少なくとも一部の周囲で回収又は循環されてもよい。更に、ある種の用途では液相が好ましいことがあるが、代替的に、ベッセルは、準大気圧蒸発ガスを生成して部分的に保持するような寸法であってもよく、このガスは負荷を等温冷却するために使用されてもよい。好ましくは、等温負荷は、大気圧におけるプロセス媒体の飽和温度よりも低い温度で与えられる。ベッセルは、例えば、低温保持装置又は超伝導体などの極低温ユーザとして構成されてもよい。
【００２５】
プロセス媒体からの蒸発ガスは、調圧器、ベッセルの圧力、及び負荷によって制御された二相プロセス媒体の状態によって供給されることが好ましく、生成される蒸発ガスは、準大気圧蒸発ガスである。したがって、調圧器は、プロセス媒体を断熱的に弛緩させて、気相を有するプロセス媒体の部分を提供してもよく、調圧器の下流のプロセス媒体の状態又は比エンタルピーは、調圧器による所定の膨張又は緩和と、調圧器の上流の供給流の一般的に所定の状態とに依存し、これは通常、調圧された一定の供給圧力と、λ温度よりわずかに高い温度とによって定まる。その理由は、一般に、熱交換器内では、λライン付近の熱容量ピークと熱伝導率の増加とに起因して、それより低い温度には至らないためである。ベッセル内の圧力は、一定レベルに維持されることが更に好ましく、これにより、ベッセル構成及び圧力によってプロセス媒体の更なる圧力低下が生じ、その結果、準大気圧における蒸発ガスが発生する。ベッセル内でのプロセス媒体の突然の膨張により、ジュールトムソン膨張に起因して液相から蒸発ガス及びフラッシュガスが更にもたらされ得る。加えて、準大気圧蒸発ガスの生成は負荷に応じて異なり、これに起因して、好ましくは飽和温度より低い温度で提供される液相が、少なくとも部分的には、飽和温度より高い温度に到達する。準大気圧蒸発ガスは、その後、熱交換器の入口に入り、流路の熱交換部内の供給流を冷却してもよい。このことには、蒸発ガスの潜熱がシステム内で最低レベルにあるために、熱交換器内で熱吸収の改善が生じるという利点が、少なくとも存在する。更に、蒸発式熱交換器内で生じるエクセルギーの損失は、供給流のクーラント又は冷媒として準大気圧蒸発ガスを使用して、最小化される。
【００２６】
極低温冷凍システムは、コントローラと、コントローラと通信する少なくとも１つのセンサとを更に備えてもよい。したがって、システムは、調圧器の上流かつ熱交換部の下流に配置された、少なくとも１つの温度センサを備えてもよく、コントローラは、二相プロセス媒体の状態を制御するために、少なくとも１つの温度センサの測定値に基づいて第１の調圧器を制御するように構成されている。あるいは、又は加えて、システムは、ベッセル内に配置された少なくとも１つの充填センサと、負荷に向かうプロセス媒体の液相の質量流量を測定するために調圧器の下流に配置された少なくとも１つの流量センサであって、コントローラが、調圧器を制御して、少なくとも１つの充填センサ及び／又は少なくとも１つの流量センサの測定値に基づいて質量流量を制御するように構成されている流量センサと、ベッセル及び熱交換器の出口に結合されたコンプレッサシステムと連通して配置された少なくとも１つの圧力センサであって、コントローラが少なくとも１つの圧力センサの測定値に基づいてコンプレッサシステムを制御することによってベッセル内の圧力を制御するように構成されている圧力センサと、を備える。例えば、一般に、供給流の温度及び圧力は一定レベルに調節され、よって、固定の境界条件と見なされてもよいので、熱交換部の下流かつ調圧器の上流に配置された温度センサによって測定される、所定温度からの温度偏差は、調圧器を適宜調節して、調圧器の下流のプロセス媒体の状態、例えば比エンタルピーなどを制御することによって補正され得る。ベッセル内の圧力及び負荷は一定であると見なされるので、よって、二相プロセス媒体の状態の変化は、低温端で熱交換器に入る、準大気圧蒸発ガスの体積流量を変化させる。それに応じて、熱交換部の下流のプロセス媒体の温度偏差の測定値が補正される。
【００２７】
同様に、極低温負荷の活性が増加して、それにより負荷に向かうプロセス媒体の質量流量の増加が必要になったことを、充填センサが示してもよい。あるいは、又は加えて、このような指示は、負荷に向かうプロセス媒体の液相の質量流量を測定するために調圧器の下流に配置された流量センサによって提供されてもよい。したがって、コントローラは、調圧器を調節して、例えば、充填センサ及び／又は流量センサの測定値に対応する必要な等温負荷に応じて質量流量を増加させることができる。よって、コントローラは、調圧器を介して、例えば負荷によってもたらされる蒸発気相の増加に起因して液体ベッセル内で所定の液位を維持するために必要な質量流量と、ベッセル内の対応する液相の不足との間の不一致を補償してもよい。
【００２８】
加えて、持続的条件を提供し、ベッセルに結合されるかベッセル内に設けられる負荷への物理的衝撃を予測可能にするために一定圧力に維持されることが好ましい、ベッセル内の圧力の、望ましくない圧力低下又は圧力超過が、圧力センサがコントローラに提供するフィードバックによって示されてもよい。したがって、熱交換器の出口でベッセルの下流に結合されたコンプレッサシステムを調節して、ベッセルの圧力を正規化し、それによりプロセス媒体及び蒸発ガスを許容可能な所定範囲に正規化してもよい。
【００２９】
よって、コントローラ及びセンサによる構成は、システムの境界条件及びパラメータを所定範囲内で制御する手段となるフィードバック機構を提供する。
【００３０】
極低温冷凍システムは、供給流の質量流量を制御する制御弁を更に備えてもよく、この制御弁はコントローラと通信しており、第１の調圧器の上流に、それに並列に配置されており、コントローラは供給流の質量流量を、少なくとも１つの温度センサ、充填センサ、及び／又は流量センサの測定値に基づいて、制御弁を介して制御するように構成される。
【００３１】
よって制御弁は、例えば、ベッセル内の液相及び／又は熱交換器に供給される蒸発ガスの体積を調節するために、システムの変動に応じて調節されてもよい。制御弁は、例えば、流路内の余剰な体積流量を補正するために供給流の部分的なバイパスを提供するように構成されてもよく、ここでバイパスは、余剰な体積流量を隣接するシステムに転送するか、その体積を再回収してもよい。同様に、並列の供給流がベッセル内の液相の不足を補償してもよく、よって、並列の制御弁を介して供給流に部分的に供給されてもよい。あるいは、供給流は、不足の発生を補償するために、必要な体積流量をわずかに超える体積流量を提供してもよく、並列の制御弁は余剰な供給流を隣接するシステムに継続的にバイパスし、ベッセル内で検出された不足の場合には、その余剰分をバイパスしない。
【００３２】
例えば、供給流の圧力を一定に維持しながら、コントローラは、例えばベッセル内のプロセス媒体の液相の充填状態が減少したことを充填センサが示したときに、制御弁を適宜調節することによって、供給流の体積及び／又は流量を増加させてもよい。更に、コントローラは、液相の充填状態が通常運転時の正常範囲を示す場合であっても供給流の流量を調節してもよいが、蒸発ガスの質量流量を増加させる必要がある。次いで、コントローラは、第１の調圧器及び制御弁を、準大気圧蒸発ガスの体積が増加する一方でプロセス媒体の液相の水位が一定のままであるように制御してもよく、その制御は、例えば第１の調圧器の現在の設定値を調節することによって、すなわち、プロセス媒体の特定の状態を、圧力、すなわち冷却されたプロセス媒体のエンタルピーが減少すると同時に、制御弁を適宜調節することにより供給流の体積流量又は流量が増大するように調節することによって行われてもよい。その結果、ベッセル内の圧力及び負荷が一定に保たれることを条件に、二相プロセス媒体内で気相が増加し、準大気圧蒸発ガスの体積が増大する一方で、ベッセル内に回収されるプロセス媒体の液相の体積は本質的に不変のままとなる。
【００３３】
極低温冷凍システム内のコントローラは更に、極低温冷凍システムの通常動作中に、流路の熱交換部の下流に、λ点と飽和温度との間の温度でプロセス媒体を供給するように、第１の調圧器を調節するように構成されてもよい。好ましくは、第１の調圧器の下流のプロセス媒体の気相がベッセルに入る前にこの範囲の温度であるように、第１の調圧器の上流でこの温度範囲が達成される。ベッセル内の圧力及び負荷は一定のままであることが好ましく、一方、ベッセル内に供給される圧力は調圧器の上流の圧力と比較して低い。したがって、急激な体積膨張に起因する、ベッセル内のプロセス媒体の更なる圧力緩和の結果、更なる圧力低下が起こることがあり、例えばジュールトムソン膨張に起因して蒸発ガスの潜熱及び／又は温度の更なる低下を引き起こし、よって、熱交換器による供給流の冷却が改善され得る。プロセス媒体の固定の圧力は、λ点と、熱交換部の下流かつ第１の調圧器の上流での温度との間の飽和温度における供給流の固定境界条件として、プロセス媒体の物理的状態をより確実に安定させて、熱伝達の変動を最小限に抑える。
【００３４】
更に、システムは、熱交換器の高温端において流路及び熱交換器の出口と連通する、少なくとも１つの高温端温度センサを備えてもよく、ここでコントローラは、その少なくとも１つの高温端温度センサによって測定される温度差に基づき、調圧器を制御することによって、蒸発ガスの流量を調節するように構成される。
【００３５】
熱交換器の高温端における供給流の温度は、一般に、固定境界条件と見なされるが、熱交換器の高温の出口にあるセンサによって測定される温度は、例えば、熱交換効率、又は提供される供給流冷却に依存することがあり、よって、調圧器の上流のプロセス媒体の状態、並びに極低温負荷又は質量流量に依存することがある。したがって、熱交換器の高温端で検出される温度差を最小化するために、コントローラは、上記で概説したように、例えば、好ましくは調圧器の上流かつ熱交換部の下流に設けられた温度センサによって測定されたプロセス媒体の温度に基づいて、調圧器及び／又は制御弁を調節することによって、準大気圧蒸発ガス流量及び／又は負荷に向かう質量流量を増大させてもよい。
【００３６】
加えて、達成された液相の温度範囲は、等温負荷を提供するために使用されるだけでなく、例えば、分子相互作用及び流体特性を研究するため、例えばλ点におけるヘリウム−１からヘリウム２への遷移、及び超臨界温度におけるヘリウムの超流動性又は粘性の挙動を研究するために構成されたシステムに実装される液相を提供するためにも使用されてよい。
【００３７】
極低温冷凍システムの熱交換器は、流路に対して並列及び／又は直列に配置された複数の熱交換モジュールとして構成されてもよい。好ましくは、流路と流体連通する第２の調圧器が、直列に配置された熱交換モジュールのそれぞれの間に配置される。
【００３８】
例えば、熱交換器は流路に直列に配置された２つの熱交換モジュールを備えてもよく、この熱交換モジュールの間に、第２の調圧器、例えば弁又は膨張タービンが配置され、流路と流体連通している。このことには、第１の熱交換モジュールによる冷却後の供給流が第２の熱交換モジュールによって冷却される前に、追加の調圧器によって中間圧力レベルに抑圧され、それによって熱容量が増加し、プロセス媒体の圧力が緩やかに緩和されるという利点が、少なくとも存在する。それと同時に、単一の熱交換器による構成に関しては、第１の熱交換モジュールの高温端の温度レベルが上昇し得る。したがって、複数の熱交換モジュールを提供することによって、プロセスの効率を更に高め得る。
【００３９】
本発明の更なる態様によれば、極低温冷凍システム内に極低温冷凍を提供する方法が提案され、この方法は、
−プロセス媒体の供給流を流路内に供給することと、
−向流型熱交換器内で供給流を冷却することと、
−調圧器によって供給流の圧力を低下させることと、
−ベッセル内に供給流を受け入れることと、プロセス媒体からの蒸発ガス流が熱交換器によって使用されて供給流を冷却することと、を含み、プロセス媒体からの蒸発ガス流が熱交換器によって使用され、
供給流を冷却することは、蒸発する液相が存在しないように行われる。
【００４０】
したがって、供給流又はプロセス媒体の冷却は、熱交換器に入る前に蒸発した、低エンタルピーを有するガス流によって生じる。よって、液相は熱交換器に入らず、蒸発式熱交換器とは違って、熱交換器内で液相が蒸発しない。このことは、システムが４．５Ｋレベルでの蒸発式熱交換器及び相分離器を必要とせず、更に大気圧でのフラッシュガス又は蒸発ヘリウムの再循環が発生しないため、液体ヘリウムを使用する場合に特に有利である。加えて、システムの寸法を縮小できるように、コンプレッサ及び熱交換器などのより小さい装置が設けられてもよい。
【００４１】
更に、この方法は、熱交換器によって、極低温冷凍システムの通常動作中に、熱交換器の高温端における蒸発ガスの温度因子が、熱交換器の高温端における供給流のプロセス媒体に対して、０．９より大きくなるように提供されることを含んでもよい。好ましくは、この温度因子は、熱交換器の高温端における蒸発ガスと熱交換器の高温端における供給流のプロセス媒体との温度差が最小かつ／又は無視できるものになり、よってシステムに影響を与えないように、０．９８よりも大きい。
【００４２】
このような温度因子が可能になるのは、システムが上流に蒸発式熱交換器を必要としないためであり、一般に、蒸発式熱交換器では、蒸発式熱交換器を通過した後のプロセス媒体の温度は固定の温度、例えばヘリウムでは約４．６Ｋとなり、一般に、定常状態のプロセス内の低温端及び高温端における質量流量は等しく、かつ一定である。それとは反対に、低温向流型熱交換器は、温度差を最小化できるように、高められた熱容量を有する熱交換器の高温端で、より高い温度レベルで供給流及び蒸発ガスを提供する。
【００４３】
あるいは、又は加えて、蒸発ガスの温度は、熱交換器のＮＴＵ構成によって提供される極低温冷凍システムの通常動作中に、熱交換器の高温端におけるプロセス媒体の温度に一致させられる。
【００４４】
必要なＮＴＵを有する熱交換器の実装には、システムが熱力学的に最適化される一方で、例えば熱交換器パラメータ及び境界条件などの、ある種の変数が必要ないか、知られている必要がないという利点が、少なくとも存在する。したがって、このＮＴＵ構成は、熱効率の良い極低温冷凍システムが得られるＬＭＴＤ構成の代替となる。
【００４５】
上記で概説したように、必要なＮＴＵを含む熱交換器の実装による一致温度又は最小温度差には、通常動作中にエクセルギーの損失が低減されるという利点が、少なくとも存在する。そのように、システム内の不可逆過程の発生及びプロセスへの電力入力も同様に低減される。
【００４６】
この方法では、更に好ましくは、供給流は加圧液体、好ましくは液体ヘリウムを含み、調圧器によって供給流の圧力を低下させることによって調圧器の下流に二相プロセス媒体流が供給され、ベッセル内の蒸発ガスが準大気圧で供給される。プロセス媒体を加圧液体として供給することにより、流路の熱交換部内の熱伝達及び、例えば供給流の提供などのプロセス媒体の取り扱いが容易になり得る。
【００４７】
供給流を冷却することは、好ましくは、流路の熱交換部の下流にλ点と飽和温度との間の温度のプロセス媒体を供給する。上記で概説したように、このような温度範囲及び、境界条件としての固定圧力を有することにより、プロセス媒体の安定した物理的状態が確実に維持され、よってシステムの変動の発生を低減し得る。同時に、熱交換部の下流のプロセス媒体の圧力を解放することにより、次いで、プロセス媒体が異なる物理的状態になり、これにより、例えば、液相及び気相の両方が得られる。
【００４８】
この方法は、更に、負荷の極低温冷凍を提供してもよい。したがって、ベッセルは、プロセス媒体の液相を回収し、等温負荷を提供するために、熱的に結合された負荷又はベッセル内のプロセス媒体の液相の中に配設された負荷を冷凍する。
【００４９】
極低温冷凍方法の効率を更に最適化するために、供給流を冷却することは、直列又は並列に配置された複数の熱交換モジュールによって直列又は並列に発生してもよい。このような構成では、供給流の圧力は、好ましくは、直列に配置された熱交換モジュールのそれぞれの間で、第２の調圧器によって低下する。熱交換モジュール間のプロセス媒体を抑圧することには、中間圧力レベルが得られ、熱容量が増加する一方で、更にプロセス媒体の緩やかな緩和がもたらされるという利点が存在する。加えて、プロセス媒体の直列冷却によって、熱交換器構成の高温端の温度レベルを上昇させて、プロセスの効率を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
本開示は、添付図面との関連において考察されれば、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
【図１】極低温冷凍システム内の熱交換器、ベッセル、及び調圧器の概略図である。
【図２】所定の物理的状態でプロセス媒体を供給するように構成された、図１による実施形態の概略図である。
【図３Ａ】チューブ式熱交換器の概略断面図である。
【図３Ｂ】熱交換器の低温端から見た、図３Ａによるチューブ式熱交換器の概略上面図である。
【図４】コントローラ及び負荷を有する極低温冷凍システムの概略図である。
【図５】更なるコントローラ構成を有する、図４による極低温冷凍システムの概略図である。
【図６Ａ】熱交換器と調圧器の直列構成を有する極低温冷凍システムの概略図である。
【図６Ｂ】更なる並列の熱交換器構成を有する、図６Ａによる極低温冷凍システムの概略図である。
【００５１】
好ましい実施形態の詳細な説明
以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図において、同様の要素は同一の参照番号によって示され、冗長性を回避するために、繰り返しての説明は省略されることがある。
【００５２】
図１に、プロセス媒体を使用して動作している極低温冷凍システム１が概略的に示されている。冷凍を行うために、プロセス媒体の供給流１０が流路２内に提供される。プロセス媒体は多様な化合物を含んでもよく、更に複数の異なる物理的状態で供給されてもよいが、図１による例示的な実施形態でのプロセス媒体は、加圧液体ヘリウムを含む。よって、この液体ヘリウムは、大気圧より高い圧力、好ましくは１．５〜１０ｂａｒ、より好ましくは１．５〜８．０ｂａｒにおけるものである。
【００５３】
システム１の全ての特徴部、特に流路２は熱的に絶縁されており、そのため、システム１に出入りする熱の量は、ゼロであるか、無視できると考えられる。極低温冷凍システム１は、向流型熱交換器３を備え、これは流路２の熱交換部２Ａに熱的に結合されており、そのため、供給流１０は向流型熱交換器３によって冷却される。熱交換器３によって冷却された後、供給流１０は第１の調圧器４に到達し、この調圧器は、流路２と流体連通しており、流路２の熱交換部分２Ａの下流に配置されている。この文脈では、「下流」という用語は、流路２に供給される供給流１０に関し、システム１への供給流１０の最初の進入との関係を指す。したがって、システム１への供給流１０の進入は、熱交換部２Ａの上流で発生する。
【００５４】
第１の調圧器４は、膨張弁又は弁構成として提供される。第１の調圧器４によって、供給流１０内のプロセス媒体の圧力は、大気圧よりわずかに高い圧力、例えば１．０５〜１．２ｂａｒにまで低下する。供給流１０は次にベッセル５に流入し、このベッセルは、流路２と流体連通しており、したがって第１の調圧器４の下流に配置されている。第１の調圧器４とベッセル５との流体連通は、図１２には、流路、例えば、第１の調圧器４の出口及び／又はベッセル５の対応する入口を備えて描かれているが、この流体連通はまた、第１の調圧器４の下流端をベッセル５の対応する開口部又は結合要素に直接結合することによって提供されてもよい。
【００５５】
ベッセル５は、ベッセル５の上流の圧力よりも低い一定の圧力を有し、液相を回収して、プロセス媒体から蒸発ガスを提供するように構成されている。蒸発ガスは、例えば比エンタルピーなどの、第１の調圧器４の下流のプロセス媒体の状態と、例えば負荷（図示せず）などの、ベッセル５のなんらかの境界活性又は実装と、ベッセル内の一定に保たれる圧力とに応じて生成される。ベッセル５内の体積が、第１の調圧器４の下流のプロセス媒体の体積と比較して急激に増加することによって、第１の調圧器４の下流では、プロセス媒体が更に緩和される。例えば、ベッセル５は、プロセス媒体を迅速に膨張させるようにサイズ及び寸法が決められる。ベッセル５内のプロセス媒体の急激な体積増加は、プロセス媒体の急激な圧力低下をもたらし、それにより、気相又はフラッシュガスが生成され、これは準大気圧を有し、すなわち１．０ｂａｒ未満である。このジュールトムソン膨張において、準大気圧蒸発ガスの温度は一定のままか、わずかに低下することがあり、一方で、蒸発ガスの潜熱は低減される。加えて、上記で概説したように、ベッセル５の実装形態によっては、ベッセル内の液相もまた蒸発ガスを提供することがある。したがって、準大気圧蒸発ガス１２は、次いで、熱交換器３の入口３４に供給され、プロセス媒体の供給流１０のクーラント又は冷媒として機能する。熱交換器３の入口３４は、ベッセル５に直接結合されてもよく、又は流路若しくはチューブ部によってベッセル５の出口に流体接続されてもよい。
【００５６】
準大気圧蒸発ガス１２の潜熱及び温度は、熱交換器３の入口３４においてシステム１内で最も低いと考えられるため、この領域は熱交換器３の低温端３０と見なされる。熱交換器３内の準大気圧蒸発ガス１２によって熱交換部２Ａ内のプロセス媒体の供給流１０を冷却している間、準大気圧の蒸発ガス１２はプロセス媒体の供給流１０から熱を吸収するので、熱交換器３の出口３６は熱交換器３の高温端３２であると考えられる。したがって、準大気圧蒸発ガス１２は、熱交換器３の低温端３０の入口３４から熱交換器３の高温端３２の出口３６に流れ、これにより、プロセス媒体の供給流１０から熱を吸収し、低温の準大気圧蒸発ガス１２から高温の準大気圧蒸発ガス１２へと遷移し、出口３６で排ガス１４としてシステム１から出る。
【００５７】
極低温冷凍システム１は、始動中又は初期運転段階中にはシステム１内の温度の正規化及び安定化を必要とするが、通常動作中には、システム１内の様々な点又は場所におけるプロセス媒体の温度は一定で、予測可能であると考えられる。したがって、ベッセル５内のプロセス媒体が、例えば等温負荷（図示せず）などの等温条件を提供するために使用されてもよい。
【００５８】
流路２は、流路２の熱交換部分２Ａの上流に、蒸発式熱交換器を含まない。したがって、低い比エンタルピーを有する蒸発ガス流を含む低温向流型熱交換器３を設けることによって、システムには供給流１０を予冷するための蒸発器が不要となる。更に、低温向流型熱交換器３は、温度差を最小化できるように、高められた熱容量を有する熱交換器３の高温端３２で、より高い温度レベルで供給流１０及び蒸発ガス１２を供給する。
【００５９】
具体的には、システム１の熱交換器３は、通常動作中に、排ガス１４の温度が、熱交換器３の高温端３２におけるプロセス媒体の供給流１０の温度と一致するように構成される。本明細書において、「一致する」という用語はまた、例えば、最大０．５Ｋ、好ましくは０．０５〜０．２Ｋの最小差を含むと理解される。これらの温度の、一致する最小差は、熱交換器３の構成によって実現され、対応するＮＴＵ又は熱伝達率が適宜適合される。例えば、熱交換器３の領域、例えば熱交換器３の伝熱面積又は長さは、対応する温度範囲が得られるサイズ及び寸法であってもよく、ここで、少なくともプロセス媒体の様々な温度における質量流量及び熱容量値は知られていると見なされる。例えば、熱交換器３の伝熱面積のサイズは、プロセス媒体を十分に冷却して、流路２の熱交換部２Ａの下流かつ第１の調圧器４の上流でプロセス媒体をλ点より高い２．１４〜２．４０Ｋの温度で供給しながら、同時に、排ガス１４の温度が熱交換器３の高温端３２における熱交換部２Ａの上流のプロセス媒体の温度に一致して、４．５〜２０Ｋ、更にはより高く、好ましくは約１２Ｋになるように、必要なＮＴＵを提供するようなサイズであってもよい。よって、熱交換器３の対応するＮＴＵは、液体ヘリウムの温度範囲に対して最適であってもよい。ただし、ＮＴＵは、他の温度範囲及び／又は化合物に適合されてもよく、また、システムの変動、又は、例えばシステム１によって冷却される負荷などの変動する需要に対処できるように、更に余分に提供されてもよい。
【００６０】
図２による極低温冷凍システム１は、図１に示される実施形態にほとんど合致する。ここでも、プロセス媒体は流路２内の供給流１０によって供給され、上記のとおり、熱交換器３によって冷却される。加えて、熱交換器３の伝熱面積は、ある熱伝達率が得られるように適合され、その熱伝達率とは、プロセス媒体の冷却をもたらし、その結果、例えば、λ点より少し高く、供給流１０の対応する圧力の飽和温度より低い、例えば、２．１４〜２．４０Ｋの温度を有する、冷却されたプロセス媒体１１が得られるようなものである。次いで、冷却されたプロセス媒体１１の圧力は第１の調圧器４又は膨張弁によって低下し、二相プロセス媒体１３が得られる。換言すれば、供給流１０内の加圧液体ヘリウムは、まず、熱交換器３によって所定の温度まで冷却され、続いて減圧されて、液相と気相を含むプロセス媒体を提供する。
【００６１】
ベッセル５の構成は、二相プロセス媒体１３の液相１５がベッセル５内への進入時に回収される一方で、同時に、例えば、ベッセル５内の寸法決めなどの構成及び一定圧力によって、二相プロセス媒体１３の個々の状態に応じて、準大気圧蒸発ガス１２の生成が引き起こされるようになっている。次いで、準大気圧蒸発ガス１２は、熱交換器３の低温端の入口３４を介して熱交換器３に流入して、供給流１０を冷却する。準大気圧蒸発ガス１２は、熱交換器３の高温端３２で熱交換器３を出て、出口３６を介して排ガス１４としてシステム１から出る。
【００６２】
したがって、図２による極低温冷凍システム１は、準大気圧蒸発ガス１２による供給流１０の十分な冷却と、例えば更なる冷凍要件に必要な温度の十分な量のプロセス媒体の液相１５との両方を、二相プロセス媒体１３を供給する、対応する供給流１０の減圧と、ベッセル５の構成及び一定圧力と、例えば対応するＮＴＵ又は熱伝達率などによる熱交換器３の構成とによって提供するよう最適化されている。
【００６３】
図３Ａ及び図３Ｂに、向流型熱交換器３を更に詳細に図示する。プロセス媒体は、流路２内の供給流１０によって供給される。熱交換器３はチューブ形状を有し、このチューブ形状は、熱交換部２Ａを形成する流路２の円周領域を取り囲む。熱交換器３は、円筒形を有して、流路２を完全に取り囲んで示されているが、他の形状及び構成も可能である。ただし、いずれの場合も、熱交換器３のＮＴＵは、供給流１０を冷却し、排ガス１４と熱交換器３の高温端３２における供給流１０との温度差を最小化するように予め定められる。
【００６４】
図３Ａに示すように、流路２の熱交換部２Ａは、熱交換器３の高温端３２から低温端３０まで、熱交換器３を直線的に横断し、実質的にまっすぐな構成を備える。ただし、例えば蛇行形状、正弦波形状、又はコイル形状の流路２などの、熱伝達率を高めた、又は熱力学的に効率的な他の構成も可能である。供給流１０は、熱交換器３を横断する間に、低温端３０で入口３４を介して熱交換器３に入る準大気圧蒸発ガス１２により、熱交換器３によって冷却される。
【００６５】
供給流１０の冷却は、渦巻状に形成された熱交換要素３８により熱交換器３のすみずみに分散される、準大気圧蒸発ガス１２によってもたらされる。したがって、渦巻状に形成された熱交換要素３８は、流路２の向流方向に熱交換器３を横断し、ここで、準大気圧蒸発ガス１２は、流路２の熱的に結合された熱交換部２Ａに供給される供給流１０から、熱伝導性材料による直接接触又は熱的な結合のいずれかを介して熱を吸収する。次いで、熱交換器３の高温端３２で、準大気圧蒸発ガス１２が、排ガス１４として出口３６を介して熱交換器３から出る。
【００６６】
熱交換器３の入口３４と出口３６は、それぞれ、熱交換器３の低温端３０と高温端３２に、流路２に平行かつ隣接して配置される。この構成は図３Ｂにも示され、この図では、熱交換器３の低温端３０における準大気圧蒸発ガス１２の流れの方向及び、冷却されたプロセス媒体１１の対向する流れの方向から見た熱交換器３を示す。熱交換器３の流路２と入口３４は垂直方向に隣接して配置されているが、熱交換器３若しくは渦巻状に形成された熱交換要素３８の延在する方向に垂直ななんらかの配向、又は、実質的に横方向の配置がなされてもよい。同様に、渦巻状に形成された熱交換要素３８は、熱交換器３内で流路２に隣接して配置されて、渦巻状に形成された熱交換要素３８と流路２との間に直接の熱伝達を提供してもよい。したがって、熱交換器３は、代替的に、より小さな径方向サイズを有するように寸法決めされてもよい。
【００６７】
しかしながら、他の熱交換器３の構成が提供されてもよい。例えば、熱交換器３は、例えば大規模なシステム又はプラント用にはプレートフィン型熱交換器として、あるいは、例えば小規模なシステム又はプラント用にはコイルフィン付きチューブ型管熱交換器として構成されてもよい。プレートフィン型熱交換器では、熱交換器は、隣接して互いに向流方向に配置された複数の区画を備え、それらの区画は、準大気圧蒸発ガス又は供給流のいずれかを含む。また一方で、熱交換器３をコイルフィン付きチューブ型熱交換器として実装する場合、準大気圧蒸発ガスは、供給流１０を含む流路２に沿ってコイル状に導かれてもよく、このコイル状構成は、半径方向に外向きに延在する複数のループ部を更に備え、それによって複数のフィンを画定する。
【００６８】
極低温冷凍システム１の更なる実施形態を図４に示す。図４は、図２によるシステム１にほぼ合致し、同様の特徴部及び機能については、更に詳細には説明しない。システム１は、コントローラ７を備え、このコントローラは第１の調圧器４と通信しており、冷却されたプロセス媒体１１を弛緩又は膨張させて第１の調圧器４の下流に二相プロセス媒体１３を供給するために、第１の調圧器４を制御するように構成されている。冷却されたプロセス媒体１１の圧力を適切に調節するために、コントローラ７は温度センサ７０と通信しており、このセンサは流路２と、及び熱交換器３の高温端３２で熱交換器３の出口３６と連通している。よって、このセンサ７０は、システム１に入る供給流１０及び出口３６を介してシステム１から出る排ガス１４の実際の温度を提供する。センサ７０の測定値はコントローラ７に提供され、コントローラ７は、少なくともセンサ７０の測定値と、二相プロセス媒体１３の状態と、ベッセル５内の圧力とに基づいて、第１の調圧器４を制御する。
【００６９】
システム１は一般に、特定の境界条件のために設計され、システム１の状態は一定に維持されるが、コントローラ７及び温度センサ７０を設けることにより、システム１は、例えば、準大気圧蒸発ガス１２の体積流量を調節することによって、システム１がシステム１内のわずかな変動に対処するか、又はその変動を防止することを可能にする。準大気圧蒸発ガス１２の体積流量は、二相プロセス媒体１３の状態及びベッセル５内の圧力に依存し、この圧力は、例えば出口３６の下流などの下流端でベッセル５と連通しているコンプレッサ（図示せず）によって一定レベルに維持される。供給流１０の温度及び圧力の両方が固定境界条件であり、また、熱交換器３の冷却効率、したがって冷却されたプロセス媒体１１の状態は一般に知られているため、二相プロセス媒体の状態又は比エンタルピーは、調圧器４を調節することによって制御し得る。例えば、コントローラ７は、例えば排ガス１４の測定温度が供給流１０の温度よりも高いときなど、排ガス１４と供給流１０との間に望ましくない温度差が測定されるときに、冷却されたプロセス媒体１１の圧力を更に低下させるように第１の調圧器４を調節して、二相プロセス媒体１３が緩和され、かつ／又は気相が増加し、したがって、より大きな体積流量の準大気圧蒸発ガス１２が一定のベッセル圧力で熱交換器３に提供されるようにしてもよい。したがって、供給流１０の冷却の改善を提供し、同時に、準大気圧蒸発ガス１２内の吸収された熱が、熱交換器３の高温端３２における排ガス１４と供給流１０との温度差を平準化し得る。
【００７０】
ベッセル５に回収されたプロセス媒体の液相１５には、負荷６が設けられている。負荷６の活性に応じて、液相１５が飽和温度を超える温度を部分的に達成し、したがって気相に入り得るため、負荷はまた、準大気圧蒸発ガス１２の体積流量にも影響を及ぼす。よって、等温負荷６を維持するために、コントローラ７は、例えば液相１５の損失を補償するように、適宜第１の調圧器４を調節してもよい。例えば、コントローラ７は、第１の調圧器４を制御してベッセル５に回収される二相プロセス媒体１３の液相１５を増加させ、準大気圧蒸発ガス１２の量の増加及びベッセル５内の液相１５の損失を補償することによって、二相プロセス媒体１３の圧力、よって比エンタルピーを調節してもよい。同様に、温度センサ７０によって測定され、フィードバックとしてコントローラ７に提供され得る温度変化によって、負荷６に向かう質量流量の変化が検出されてもよい。
【００７１】
温度センサ７０に加えて、図５による実施形態は、コントローラ７と通信する、ベッセル５内に配設された充填センサ７２及び圧力センサ７４を備える。したがって、コントローラ７は、ベッセル５内の充填センサ７２によって測定された充填状態に基づいて、冷却されたプロセス媒体１１の圧力を調節することによって、第１の調圧器４を制御する。例えば、負荷６の活性の増大によって、プロセス媒体の液相１５の液位が低下することがあり、この液位は充填センサ７２によって検出され、システム１内に液相１５の不足が存在することをコントローラに示す。次いで、コントローラ７は、第１の調圧器４を制御して、ベッセル５に提供される二相プロセス媒体１３の状態、よって液相１５を適宜調節してもよい。
【００７２】
加えて、コントローラ７は、調圧器４に並列に、かつその上流に配置された制御弁２０と通信している。制御弁２０は、スリーウェイバルブとして構成されており、流路２を並列システムに接続する。充填センサ７２がベッセル５内のプロセス媒体の液相１５の不足又は過剰を示したならば、コントローラ７は、制御弁２０を制御して、供給流の圧力及び温度を一定に維持しながら質量流量を適宜調節してもよい。あるいは、又は加えて、そのような指示は、コントローラ７と通信しており、調圧器４の下流に設けられて、負荷６へ向かう質量流量を示す、流量センサ７６によって提供されてもよい。
【００７３】
ベッセル５内の圧力は更に、例えば出口３６の下流などの下流端でベッセル５と連通しているコンプレッサ（図示せず）によって一定レベルに維持される。ベッセル５内の圧力は、圧力センサ７４によって測定される。所定の範囲又は閾値からの圧力偏差が発生したならば、圧力センサ７４はコントローラ７にフィードバックを提供し、コントローラは下流のコンプレッサを介して圧力を適宜調節する。
【００７４】
更に、温度センサ７０が設けられ、このセンサは熱交換部２Ａの下流かつ調圧器４の上流に配置されており、コントローラ７と通信している。一般に、供給流１０の温度及び圧力は一定レベルに調節され、よって、固定の境界条件と考えてもよいので、所定温度からの温度偏差の測定値は、調圧器４を適宜調節して、調圧器４の下流のプロセス媒体の状態、例えば比エンタルピーなどを制御することによって補正され得る。ベッセル５内の圧力及び負荷６は一定であると見なされるので、よって、二相プロセス媒体１３の状態の変化は、低温端３０で熱交換器３に入る、準大気圧蒸発ガス１２の体積流量を変化させる。それに応じて、熱交換部２Ａの下流のプロセス媒体の温度偏差の測定値が低減する。
【００７５】
負荷６はベッセル５内のプロセス媒体の液相１５の中に配設されてもよいが、負荷６はまた、図５に示されるように、ベッセル５の外側に設けられてもよい。よって、ベッセル５に入り、ベッセル５から出る体積流は負荷６の寸法に影響されないが、一方で、ベッセル５と負荷６との間の熱的な結合は負荷６を同様に冷却し、例えば、等温負荷６を提供する。熱的な結合は、ベッセル５の外表面と負荷６との間の直接の接触、又は、例えば逆止弁などの流体結合のいずれかによって提供されてもよい。
【００７６】
熱交換器３は、熱交換器の高温端に、例えば対応するＮＴＵ又は熱伝達率によって、必要な温度因子を提供する様々な構成を備えてもよい。例えば、熱交換器３は、図６Ａ及び図６Ｂによる実施形態に示されるように、直列及び／又は並列に配置された、複数の向流型熱交換モジュール３Ａ、３Ｂ、３Ｃを含んでもよい。図６Ａでは、熱交換器は、直列に配置された２つの熱交換モジュール３Ａ及び３Ｃを含む。直列の熱交換モジュール３Ａ、３Ｃは、互いに流体結合され、プロセス媒体を含む流路２と熱的に結合されている。
【００７７】
動作時には、準大気圧蒸発ガス１２は、低温端３０で第２の直列熱交換モジュール３Ｃに入り、熱交換モジュール３Ｃを横断し、それによって、流路２内のプロセス媒体から熱を吸収する。よって、第２の直列熱交換モジュール３Ｃを出る準大気圧蒸発ガスは、入口３４内に供給される準大気圧蒸発ガス１２と比較して異なる潜熱及び／又は温度を有し、よって、加温準大気圧蒸発ガス１７と考えられる。次いで、加温準大気圧蒸発ガス１７は、第１の直列熱交換モジュール３Ａに入り、高温端３２で、出口３６を介して排ガス１４としてシステム１から出る。加温準大気圧蒸発ガス１７が第１の直列熱交換モジュール３Ａ内で熱を吸収する間に、供給流１０内のプロセス媒体がそれに応じて冷却されるので、第２の直列熱交換モジュール３Ｃに到着する流路２内のプロセス媒体は、過冷却状態のプロセス媒体１６と考えられる。続いて第２の直列熱交換モジュール３Ｃによって過冷却状態のプロセス媒体１６が冷却されることにより、次いで、第２の直列熱交換器３Ｃの下流に、冷却されたプロセス媒体１１が供給される。
【００７８】
システム１は、第１の調圧器４Ａと、流路２と流体連通する第２の調圧器４Ｂとを含む調圧構成を更に備える。第１の調圧器４Ａは、第２の直列熱交換モジュール３Ｃの下流かつ第１の調圧器４Ａの上流に配置されて、プロセス媒体１１の圧力を調節して、第１の調圧器４Ａの下流に二相プロセス媒体１３を提供する。第２の調圧器４Ｂは、第１の熱交換モジュール３Ａと第２の熱交換モジュール３Ｃとの間に配置される。この構成により、プロセス媒体の過冷却の後で、第２の熱交換モジュール３Ｃによる冷却の前に、プロセス媒体又は加圧液体の圧力が調節又は低減されて、冷却されたプロセス媒体１１が供給されてもよく、ここで、過冷却状態のプロセス媒体１６は、液体として、又は二相プロセス媒体として供給されてもよい。したがって、システム１は、異なる温度及び圧力について、プロセス媒体の異なる熱容量値を最適に使用するように構成され、それにより、高温端３２で排ガス１４の温度と供給流１０の温度が一致するような熱交換器のＮＴＵが提供される。
【００７９】
向流型熱交換モジュールの並列配置と直列配置の組み合わせを、図６Ｂに示す。システム１は、第１の熱交換モジュール３Ａ及び第２の熱交換モジュール３Ｃに加えて、並列熱交換モジュール３Ｂを、第１の直列熱交換モジュール３Ａと並列熱交換モジュール３Ｂが並列に配置されるように備える。極低温冷凍システム１のこのような配置を得るために、ベッセル５は入口３４を介して第２の熱交換モジュール３Ｃの低温端３０に流体結合されて、ベッセル５から出る準大気圧蒸発ガス１２を供給する。第２の熱交換モジュール３Ｃを横断した後、加温準大気圧蒸発ガスは、次いで、並列の、第１の加温準大気圧蒸発ガス１７Ａ及び第２の加温準大気圧蒸発ガス１７Ｂに分割又は分離され、並列の流体結合部を使用して、それぞれ、第１の直列交換モジュール３Ａ及び並列熱交換モジュール３Ｂに導入される。続いて加温準大気圧蒸発ガス１７Ａ、１７Ｂは、それぞれ第１の排ガス１４Ａ及び第２の排ガス１４Ａとして、それぞれの第１の直列交換モジュール３Ａ及び並列熱交換モジュール３Ｂから出て、第１の排ガス１４Ａ及び第２の排ガス１４Ｂは高温端３２で出口３６に結合され、組み合わされて、出口３６を介してシステム１から出る排ガス１４を供給する。
【００８０】
並列冷却を提供するために、流路２は２つの並列部分に分割され、それらは、第１の直列交換モジュール３Ａ及び並列熱交換モジュール３Ｂの直前の点において、並列交換モジュール３Ａ、３Ｂに熱的に結合される。よって、並列熱交換モジュール３Ａ、３Ｂは、図６Ａによる実施形態について更に詳細に説明したように、プロセス媒体の過冷却を提供する。次いで、流路２の並列部分は、並列熱交換モジュール３Ａ、３Ｂの下流で、かつ第２の調圧器４Ｂに入る前に再び合体される。第２の調圧器４Ｂの下流で、プロセス媒体は、図６Ａに関連して説明したように、第２の直列熱交換モジュール３Ｃによって更に冷却され、ベッセル５に入る前に、第１の調圧器４Ａを通過する。
【００８１】
図６Ｂの実施形態によれば、第２の直列熱交換モジュール３Ｃは、流路２の周囲を取り囲むチューブ管形状を備え、並列熱交換モジュール３Ａ、３Ｂは、流路２の並列部分に隣接して熱的に結合されて示されている。ただし、図示された構成以外の構成も可能であり、例えば複数のチューブ状熱交換モジュール及び／又は流路２の円周を部分的にのみ取り囲む熱交換モジュールなども設けられ得る。更に、流路部分と流体結合部は互いに隣接して配置されて、いずれも熱効率を向上させると同時に、システム１の寸法及びサイズを低減する。ただし、例えば流路部分と流体結合部が少なくとも部分的に離れている、他の構成もまた提供され得ることが理解される。具体的には、図３Ａ及び図３Ｂを参照しながら説明した、更なる考え得る熱交換器の構成、すなわち、プレートフィン型熱交換モジュール又はコイルフィン付きチューブ型熱交換モジュールもまた実装され得る。
【００８２】
これらの実施形態及び項目が複数の可能性の例のみを示すことは、当業者にとって明らかとなる。よって、本明細書に示される実施形態は、これらの特徴及び構成の制限を形成すると理解されるべきではない。本発明の範囲に従って、記載された特徴のあらゆる考え得る組み合わせ及び構成を選択することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１      極低温冷凍システム
１０    プロセス媒体の供給流
１１    冷却されたプロセス媒体
１２    準大気圧蒸発ガス
１３    二相プロセス媒体
１４    排ガス
１４Ａ  第１の並列排ガス
１４Ｂ  第２の並列排ガス
１５    プロセス媒体の液相
１６    過冷却状態のプロセス媒体
１７    加温準大気圧蒸発ガス
１７Ａ  第１の並列加温準大気圧蒸発ガス
１７Ｂ  第２の並列加温準大気圧蒸発ガス
２      流路
２Ａ    熱交換部
２０    制御弁
３      向流型熱交換器
３Ａ    第１の直列向流型熱交換モジュール
３Ｂ    並列向流型熱交換モジュール
３Ｃ    第２の直列向流型熱交換モジュール
３０    熱交換器の低温端
３２    熱交換器の高温端
３４    入口
３６    出口
３８    渦巻状に形成された熱交換要素
４      第１の調圧器
４Ａ    第１の調圧器
４Ｂ    第２の調圧器
５      ベッセル
６      負荷
７      コントローラ
７０    温度センサ
７２    充填センサ
７４    圧力センサ
７６    流量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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