(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と固体粒子が混合したスラッシュ流体を製造する方法において、
断熱容器内に前記液体を初期充填し、該断熱容器内を前記液体の三重点圧力以下まで減圧排気した後、液体供給手段により前記断熱容器内に微細粒子状の液体を噴射し、蒸発潜熱により該液体を固化させて固体粒子を生成し、該固体粒子と前記初期充填した液体とを混合してスラッシュ流体を製造することを特徴とするスラッシュ流体製造方法。
【請求項２】
前記断熱容器内に初期充填した液体の液面に、該液体の蒸発或いは固化を防止する気液分離用断熱材を設けることを特徴とする請求項１記載のスラッシュ流体製造方法。
【請求項３】
前記減圧排気したガスを圧縮した後に冷却することにより凝縮させて再液化し、該再液化した液体を前記液体供給手段に供給し、循環させることを特徴とする請求項１記載のスラッシュ流体製造方法。
【請求項４】
前記減圧排気した低圧低温ガスを熱交換器により昇温した後に圧縮機にて圧縮して高圧中温ガスを生成し、該高圧中温ガスを前記熱交換器により前記低圧低温ガスと熱交換して冷却し、該冷却により凝縮させて再液化した液体を前記液体供給手段に供給し、循環させることを特徴とする請求項１記載のスラッシュ流体製造方法。
【請求項５】
前記減圧排気したガスから不純ガスを除去することを特徴とする請求項３若しくは４記載のスラッシュ流体製造方法。
【請求項６】
液体と固体粒子が混合したスラッシュ流体を製造する装置において、
前記液体が初期充填された断熱容器と、該断熱容器内を前記液体の三重点圧力以下まで減圧排気する減圧手段と、該減圧された断熱容器内の気相部に微細粒子状の液体を噴射する液体供給手段と、該噴射された液体が蒸発潜熱により固化して生成した固体粒子と前記初期充填された液体とを攪拌する攪拌手段と、を備えたことを特徴とするスラッシュ流体製造装置。
【請求項７】
前記断熱容器内に初期充填した液体の液面に、該液体の蒸発或いは固化を防止する気液分離用断熱材を設けたことを特徴とする請求項６記載のスラッシュ流体製造装置。
【請求項８】
前記減圧手段により前記断熱容器から減圧排気した低圧低温ガスを昇温する熱交換器と、該昇温したガスを圧縮して高圧中温ガスを得る圧縮機と、を備えるとともに、前記熱交換器により、前記圧縮機からの前記高圧中温ガスを前記低圧低温ガスと熱交換して冷却するようにし、該冷却により凝縮させて再液化した液体を前記液体供給手段に循環させる循環ラインを設けたことを特徴とする請求項６記載のスラッシュ流体製造装置。
【請求項９】
前記熱交換器とは別に前記高圧中温ガスを冷却する補助冷却手段を設けたことを特徴とする請求項８記載のスラッシュ流体製造装置。
【請求項１０】
前記減圧排気したガスから不純ガスを除去する不純ガス除去手段を設けたことを特徴とする請求項８記載のスラッシュ流体製造装置。
【請求項１１】
前記断熱容器内に内側容器を収容した二重構造を有し、前記内側容器は前記断熱容器に対して上下動自在で且つ底部に通液弁を備えており、
前記固体粒子の生成時には前記内側容器を上昇させ該内側容器内に液体が略存在しない状態として前記通液弁を閉じ、前記生成した固体粒子が該内側容器内に所定量貯留したら前記通液弁を開放するとともに前記内側容器を下降させて、前記断熱容器内に初期充填した液体と前記生成した固体粒子を混合してスラッシュ流体を生成し、再度該内側容器を上昇させて該スラッシュ流体を前記通液弁から前記断熱容器側に移動させ、該スラッシュ流体を加圧搬送するようにしたことを特徴とする請求項６記載のスラッシュ流体製造装置。
【請求項１２】
前記断熱容器内に内側容器を収容した二重構造を有し、前記内側容器は前記断熱容器に対して上下動自在で且つ底部に通液弁を備えるとともに、該内側容器内に前記攪拌手段が配設され、
前記固体粒子の生成時には前記内側容器を下降させて前記初期充填した液体が該内側容器内に存在する状態で前記通液弁を閉じ、該液体の液面に気液分離用断熱材を設け、前記生成した固体粒子を前記液体と混合攪拌してスラッシュ流体を生成し、該スラッシュ流体が所定濃度に達したら前記通液弁を開放するとともに前記内側容器を上昇させて前記断熱容器側に前記スラッシュ流体を移動させ、該スラッシュ流体を加圧搬送するようにしたことを特徴とする請求項６記載のスラッシュ流体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に微細固体が混在するスラッシュ流体の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、極低温状態で微細固体と液体が混じり合ったスラッシュ流体は、各種分野において広く用いられている。スラッシュ流体は、液体だけの場合と比較して固体分だけ密度が大きく、且つ潜熱分だけ熱量が大きいという特徴があり、断熱容器内での長時間冷却状態を保持できることから、例えば、ダイナミックアイス方式を用いた氷蓄熱システム、スラッシュ窒素を利用した超電導機器等の冷却システム、或いはスラッシュ水素を利用した水素燃料貯蔵・移送システムなどの様々な用途において注目されている。
一例として、スラッシュ窒素を用いた冷却システムにつき説明すると、このシステムの特徴として、窒素の融解温度（６３K）を利用するので、より低温での冷却が可能で、且つ融解潜熱（２５．７２ｋJ／ｋｇ）分だけ冷却熱量が大きく、また固体分が溶けきるまで窒素温度が一定（６３K）であるという特徴を有する。【０００３】
スラッシュ流体の代表的な製造方法としては、流体と極低温のヘリウムを伝熱面を介して熱交換により冷却し、伝熱面に凝縮した固体を削り落として微細固体を生成する方法と、液体を減圧して固体を生成する方法がある。
前者の方法は、例えば特許文献１（特開平６−２８１３２１号公報）等に開示されている。特許文献１はスラッシュ水素を製造する方法であり、液体水素を大気圧以上の圧力で断熱容器内に導き、膨張弁を介して三重点圧力又はそれ以下まで膨張させて容器内に導入し、低温ヘリウムを冷却源とする過冷器により容器内の液体水素を過冷却状態まで冷却し、過冷器の冷却面に固体水素を析出させ、該析出した固体水素をオーガで剥離してスラッシュ水素を製造する方法である。
しかし、この方法では、付帯設備としてヘリウム冷凍機が必要となり、オーガの刃と冷却面との隙間の設計が困難で、またこれらの機構が複雑になるなどの問題があった。【０００４】
後者の方法は、液体を貯留した断熱容器内を真空ポンプにより真空引きし、三重点に到達させた上で固体を生成する方法である
しかし、これらのスラッシュ窒素を冷却システムに適用した場合、以下の問題がある。
１）スラッシュ流体は、低流速では液体より圧力損失が大きい。しかし高流速では圧力損失の絶対値が大きいので搬送効率が悪化する。
２）固体分が分離・沈殿するのであまり低流速にできない。
従って、固体粒子径は小さく且つ粒径が均一であることが好ましい。
また、超電導送電ケーブルのような長距離冷却に関しては上記に加え以下の課題がある。
１）ケーブルの発熱量が非常に小さく比較的小流量しか必要としない。
２）長距離冷却になるほど圧力損失分を加圧するポンプからの熱進入が大きくなる。
従って、流速を低くし圧力損失を減らすことが効率向上に最も必要なこととなる。【０００５】
ところが、上記した真空引きによるスラッシュ窒素の製造方法では、真空引きして液面に生成した固体分を攪拌翼で液中に拡散させていたため粒子径が均一とならず、粒子径が大きいものも存在する。
そこで、特許文献２（特表２００３−５１７４１１号公報）では、ノズルから噴霧する液体粒子から固体を製造する方法が開示されている。
また、特許文献３（特開平８−２８５４２０号公報）にも同様の方法が開示されている。この方法は、スラッシュ水素製造槽に設けられた真空排気ラインから槽内の圧力を減圧し、該槽に備え付けられた液体水素噴射ノズルから液体水素を噴射すると、蒸発潜熱により液体水素が固体水素に状態変化し、槽底部に貯留する。そして真空排気を停止して槽内を大気圧としてガス排気ラインから蒸発ガスを放出した後、液体水素噴射ノズルから液体水素を供給して混合し、スラッシュ窒素を生成する。これにより粒子径が均一で微細な粒子を生成することができると提案している。【０００６】
【特許文献１】特開平６−２８１３２１号公報
【特許文献２】特表２００３−５１７４１１号公報
【特許文献３】特開平８−２８５４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載した方法は、液体粒子の冷却にヘリウムガスを用いており、製造したスラッシュ流体中へのヘリウムの混入が避けられない。同様に、特許文献３の方法でも製造時に他の物質が混入する可能性が高く、この場合、スラッシュ流体を形成する物質よりも融点の高いものは固化して壁面に付着し、沸点の低いものは気体として分離して高所に溜まり、何れの場合も搬送管の閉塞を引き起こすことになる。
また、特許文献３では排気ラインより排気したガスは大気放出させているため、効率が悪いという問題がある。さらに、特許文献３では、ノズルから噴射する液体水素から固体水素を生成後、真空排気を止めて圧力上昇を図るとノズル出口の水素の温度が上昇し、固体水素が溶けてしまうという問題もあった。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、微細で均一粒径の固体粒子を含むスラッシュ流体を確実に製造でき、且つ不純物の混入を防止し、スラッシュ流体の生成・搬送を高効率且つ高信頼で行うことのできるスラッシュ流体の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
液体と固体粒子が混合したスラッシュ流体を製造する方法において、
断熱容器内に前記液体を初期充填し、該断熱容器内を前記液体の三重点圧力以下まで減圧排気した後、液体供給手段により前記断熱容器内に微細粒子状の液体を噴射し、蒸発潜熱により該液体を固化させて固体粒子を生成し、該固体粒子と前記初期充填した液体とを混合してスラッシュ流体を製造することを特徴とする。
本発明では、予め断熱容器内に液体が初期充填されているため、該断熱容器を真空引きにより減圧することで前記断熱容器内に噴射された液体粒子が三重点まで冷却され、固体粒子を生成することができる。このとき、前記初期充填される液体は飽和温度であることが好ましく、これにより真空引きだけで容易に三重点まで冷却され、固体粒子を生成できる。また、液体を微細粒子状に噴射して固体粒子を生成する液体供給手段を設けたことにより、粒径制御が可能となり、非常に微細且つ均一粒径の固体粒子を含むスラッシュ流体を製造することが可能となる。従って、製造したスラッシュ流体を冷却システムの冷媒として適用した場合に、固体分が分離・沈殿せずに効率良い搬送、冷却が可能となる。【０００９】
また、前記断熱容器内に初期充填した液体の液面に、該液体の蒸発或いは固化を防止する気液分離用断熱材を設けることを特徴とする。
このように、前記気液分離用断熱材を設けることにより、初期充填した液体の蒸発、固化を防止することが可能となり、容器内に貯留した液体が固化することにより生成する大粒径の固体粒子の生成を防ぎ、微細で均一粒径の固体粒子を含むスラッシュ流体を製造できる。【００１０】
また、前記減圧排気したガスを圧縮した後に冷却することにより凝縮させて再液化し、該再液化した液体を前記液体供給手段に供給し、循環させることを特徴とする。
さらに、前記減圧排気した低圧低温ガスを熱交換器により昇温した後に圧縮機にて圧縮して高圧中温ガスを生成し、該高圧中温ガスを前記熱交換器により前記低圧低温ガスと熱交換して冷却し、該冷却により凝縮させて再液化した液体を前記液体供給手段に供給し、循環させることを特徴とする。尚、前記中温とは、常温付近の温度を言い、好適には常温である。
これらの発明のように、減圧排気したガスを凝縮して再液化し、循環させることにより、外部へ放出するガスを最小限に抑え、ガスの効率的な利用が可能となる。また、減圧時にポンプの代わりに圧縮機を用いることにより、高効率の搬送が可能となる。さらに、熱交換器にて低圧低温ガスと高圧中温ガスを熱交換する構成とすることにより、熱効率の向上が図れる。さらにまた、圧縮機に導入するガスは一旦昇温してから導入しているため、低温条件による装置の不具合の発生を極力防止することができ、且つ極低温部には補助的な冷却手段以外の駆動装置を設ける必要がないので、装置コストを削減することが可能である。【００１１】
さらにまた、前記減圧排気したガスから不純ガスを除去することを特徴とする。
これにより、系内の不純物濃度を非常に低く保つことができ、製造したスラッシュ流体を冷却システム等に使用する場合にも不純物混入による不具合を回避することができ、高効率、高信頼性の冷却システムが提供できる。【００１２】
また、装置の発明として、液体と固体粒子が混合したスラッシュ流体を製造する装置において、
前記液体が初期充填された断熱容器と、該断熱容器内を前記液体の三重点圧力以下まで減圧排気する減圧手段と、該減圧された断熱容器内の気相部に微細粒子状の液体を噴射する液体供給手段と、該噴射された液体が蒸発潜熱により固化して生成した固体粒子と前記初期充填された液体とを攪拌する攪拌手段と、を備えたことを特徴とする。
このとき、前記断熱容器内に初期充填した液体の液面に、該液体の蒸発或いは固化を防止する気液分離用断熱材を設けることが好ましい。【００１３】
また、前記減圧手段により前記断熱容器から減圧排気した低圧低温ガスを昇温する熱交換器と、該昇温したガスを圧縮して高圧中温ガスを得る圧縮機と、を備えるとともに、前記熱交換器により、前記圧縮機からの前記高圧中温ガスを前記低圧低温ガスと熱交換して冷却するようにし、該冷却により凝縮させて再液化した液体を前記液体供給手段に循環させる循環ラインを設けたことを特徴とする。
また、前記熱交換器とは別に前記高圧中温ガスを冷却する補助冷却手段を設けるようにしても良い。
また、前記減圧排気したガスから不純ガスを除去する不純ガス除去手段を設けたことを特徴とする。【００１４】
さらに、前記断熱容器内に内側容器を収容した二重構造を有し、前記内側容器は前記断熱容器に対して上下動自在で且つ底部に通液弁を備えており、
前記固体粒子の生成時には前記内側容器を上昇させ該内側容器内に液体が略存在しない状態として前記通液弁を閉じ、前記生成した固体粒子が該内側容器内に所定量貯留したら前記通液弁を開放するとともに前記内側容器を下降させて、前記断熱容器内に初期充填した液体と前記生成した固体粒子を混合してスラッシュ流体を生成し、再度該内側容器を上昇させて該スラッシュ流体を前記通液弁から前記断熱容器側に移動させ、該スラッシュ流体を加圧搬送するようにしたことを特徴とする。これにより、前記断熱容器内加圧時の気液分離性を確実にすることができる。【００１５】
さらにまた、前記断熱容器内に内側容器を収容した二重構造を有し、前記内側容器は前記断熱容器に対して上下動自在で且つ底部に通液弁を備えるとともに、該内側容器内に前記攪拌手段が配設され、
前記固体粒子の生成時には前記内側容器を下降させて前記初期充填した液体が該内側容器内に存在する状態で前記通液弁を閉じ、該液体の液面に気液分離用断熱材を設け、前記生成した固体粒子を前記液体と混合攪拌してスラッシュ流体を生成し、該スラッシュ流体が所定濃度に達したら前記通液弁を開放するとともに前記内側容器を上昇させて前記断熱容器側に前記スラッシュ流体を移動させ、該スラッシュ流体を加圧搬送するようにしたことを特徴とする。これにより、前記断熱容器内加圧時の気液分離性を確実にすることができるとともに、固体粒子同士の固着を防止することが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載のごとく本発明によれば、簡単な構成で以って微細且つ均一粒径のスラッシュ流体を製造することが可能となる。また、減圧排気したガスを再液化して循環利用する構成としたため、ガスの放出量を最小限に抑え、効率的な利用が可能となる。また、循環系に不純ガス除去手段を設けたため、系内の不純物濃度を非常に低く保つことができ、製造したスラッシュ流体を冷却システム等に使用する場合にも不純物混入による不具合を回避することができ、高効率、高信頼性のシステムが提供できる。さらに、断熱容器内に気液分離用断熱材を設けることにより、初期充填した液体の蒸発、固化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係るスラッシュ窒素製造装置の全体構成図である。
【図２】実施例２に係り、図１のスラッシュ窒素製造装置に備えられた生成タンクの別の構成を示す断面図である。
【図３】実施例３に係り、図１のスラッシュ窒素製造装置が備える生成タンクの別の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１      スラッシュ窒素生成タンク（断熱容器）
３      攪拌機
６      攪拌翼
８      気液分離用断熱材
９      気液分離器
１０    液体窒素供給ノズル
１１    真空排気ライン
１２    加圧圧力調整用ライン
１３ａ、１３ｂ  熱交換器
１５    圧縮機
１６、１８  熱交換器
１７    補助寒冷用冷凍機
１９    液体窒素供給ライン（真空断熱管）
２０、２１  不純物除去装置
３４    バッファタンク
４０、４４  気液分離用内側容器
４１、４２  シール部材
４３    通液弁
５０    液体窒素
５１    固体窒素
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本実施例は、液体と微細な固体粒子が混合したシャーベット状態の流体であるスラッシュ流体の製造方法及び製造装置に関し、対象とする物質としては、例えば、窒素、酸素、水素、或いはヘリウム等とし、その流体の形態としては、ダイナミックアイス、スラッシュ窒素、スラッシュ水素等が挙げられる。
本実施例では一例として、スラッシュ窒素を製造する方法、装置につき説明するが、これに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
図１に示されるように、本実施例に係るスラッシュ窒素製造装置は、真空断熱式のスラッシュ窒素生成タンク１を含むスラッシュ窒素生成系と、前記生成タンク１から真空排気された窒素ガスを液化して前記生成タンク１に循環させる窒素循環系と、からなる。
前記スラッシュ窒素生成系では、前記生成タンク１内で液体窒素５０から固体窒素５１を生成し、該生成タンク１内に初期充填した液体窒素５０と混合してスラッシュ窒素を製造する。
前記生成タンク１の具体的構成は、該生成タンク１の頂部に複数個のバッフル盤２が層状に積層されて固着され、該生成タンク中心軸に沿って攪拌機３が挿設される。該攪拌機３は、モータに連結されたシャフト４の下端部に攪拌翼６が設けられた構成を有し、該攪拌翼６は前記生成タンク１の底部に貯留するスラッシュ窒素を攪拌するように設置される。また、前記生成タンク１の気相部には気液分離器９が設けられ、該気液分離器９を介して気相部に存在するガスのみが外部へ排出されるようになっている。さらに、前記生成タンク１は、前記気液分離器９にて分離されたガスを外部へ排気する真空排気ライン１１を備える。前記生成タンク１の底部には、該生成タンク内で生成したスラッシュ窒素を排出するスラッシュ窒素取出し口１ａが備えられる。
また前記生成タンク１の気相部には、液体窒素を微細粒子状に噴射する液体窒素供給ノズル１０が設けられる。該液体窒素供給ノズル１０は、前記窒素循環系から延びる液体窒素供給ライン１９に連結される。前記バッフル盤２を含む生成タンク頂部空間は、ガスを通過する断熱材７により隔離されている。該隔離された生成タンク頂部には、該生成タンク内の加圧圧力調整用ライン１２が設けられている。【００２１】
前記循環系は、前記生成タンク１から真空排気ライン１１により排気された窒素ガスを圧縮機１５により再圧縮し、さらに凝縮して再液化させ、液体窒素供給ライン１９を介して液体窒素として前記生成タンク１に循環させる構成となっている。
前記真空排気ライン１１上には、排気した窒素ガスを熱交換により略常温まで昇温する熱交換器１３ａ、１３ｂが設けられ、該昇温された低圧常温ガスが導入される圧縮機１５が設けられる。該圧縮機１５により昇圧され高圧常温ガスとなった窒素ガスは、再度前記熱交換器１３ｂ、１３ａに導入され、前記真空排気ライン１１の窒素ガスとの熱交換により冷却され、低温高圧ガスが生成される。また、前記低温高圧ガスが導入される熱交換器１６が設けられ、該熱交換器１６は補助寒冷用冷凍機１７を備える。前記熱交換器１６では、前記低温高圧ガスが凝縮して液化し、液体窒素となる。該熱交換器１６の下流側には、前記冷却された液体窒素により前記生成タンク１内のスラッシュ窒素を冷却する熱交換器１８を設けるようにしても良い。前記熱交換器１６を経て液化した液体窒素は、前記液体窒素供給ライン１９を通って前記生成タンク１の液体窒素供給ノズル１０に送給される。【００２２】
また、前記圧縮機１５の出口側には、窒素ガスから不純ガスを除去する不純ガス除去装置２０が備えられる。同様に、圧縮機１５の下流側で、前記熱交換器１３ｂと前記熱交換器１３ａの間にも低温用不純ガス除去装置２１が備えられている。該不純ガス除去装置２１は、一基のみ設置する構成としても良いし、複数設置する構成としても良く、またその設置位置は特に限定されるものではない。
また、前記圧縮機１５に並列となるように、前記真空排気ラインを通ってきた窒素ガスを一時的に貯留するバッファタンク３４を設けることが好ましい。さらに、前記真空排気ライン１１からの窒素ガスを前記圧縮機１５及び前記バッファタンク３４をバイパスして前記熱交換器１３ｂに送給するバイパスライン１４を設けても良い。【００２３】
さらに、前記生成タンク１内の圧力を測定する生成タンク圧力計２３と、該圧力計２３にて測定したタンク内圧力に基づき、該タンク内圧力を制御する加圧用圧力調整弁２４が設けられる。
また、前記熱交換器１３ｂと前記圧縮機１５との間の真空排気ライン１１上に、排気ガス用流量計２５と、生成タンク圧力調整弁２６とが設けられるとともに、低圧側圧力計２７が設けられている。さらに、該低圧側圧力計２７にて測定された窒素ガスの圧力に基づき、前記バッファタンク３４に流入させるガス量を調整する低圧圧量調整弁２８と、バイパスライン１４を流れるガス量を調整するバイパス調整弁２９が設けられる。
また、前記圧縮機１５、前記バッファタンク３４、若しくは前記バイパスライン１４を経た窒素ガスの圧力を測定する高圧側圧力計３０と、該圧力計３０にて測定された窒素ガスの圧力に基づきバッファタンク３４から送出するガス量を制御する高圧圧力調整弁３１が設けられる。さらにまた、前記高圧圧力調整弁３１の下流側で且つ熱交換器１３ｂに導入される前の高圧常温ガスの流量を測定する供給ガス用流量計３２と、該流量計３２により測定されたガス流量に基づき、該ガス流量を制御する供給ガス流量調整弁３３が設けられる。【００２４】
次に、上記した構成を有するスラッシュ窒素製造装置における作用を説明する。
まず生成タンク１内から圧縮機１５により真空引きした窒素ガスは、真空排気ライン１１を介して気液分離器９、熱交換器１３ａ、１３ｂを経て常温にまで昇温され、低圧常温ガスとして圧縮機１５に導入される。該圧縮機１５にて昇圧されたガスは、不純ガス除去装置２０において水蒸気や不純ガスを除去され、再度熱交換器１３ｂ、１３ａを経て冷却され、高圧低温ガスとなる。その際に、低温用不純ガス除去装置２１により再度窒素ガス中の水蒸気や不純ガスが除去され、窒素純度の高いガスに精製される。この後、熱交換器１６にて窒素の凝固点である６３Ｋ付近まで冷却・凝縮され、液化して液体窒素供給ライン１９を介して液体窒素供給ノズル１０に送給され、該液体窒素供給ノズル１０から微細粒子状の液滴となって前記生成タンク１内に噴射される。このとき、前記生成タンク１内には、予め飽和温度の液体窒素５０を初期充填しておく。
このサイクルにおいて、前記気液分離器９から吸い込まれるガス量と前記液体窒素供給ノズル１０から噴射される液量を等しく（質量換算）することにより、生成タンク１内で固体窒素５１を生成する熱量と圧縮機１５で冷却水に捨て去る熱量とバランスし、補助寒冷用冷凍機１７の負荷を大幅に小さくすることが可能である。【００２５】
前記生成タンク１に初期充填する液体窒素５０は外部から補給するか、若しくはバッファタンク３４から窒素ガスで供給し、補助寒冷用冷凍機１７で液化して、窒素の三重点以上の圧力の状態で前記生成タンク１内に供給する。また、余分な窒素はバッファタンク３４に回収することができる。
前記液体窒素供給ノズル１０から噴射された６３Ｋ、例えば粒径１ｍｍの液体窒素は、蒸発潜熱を奪われることで固化し、０．９ｍｍ程度の微細粒子状の固体窒素５１となる。このとき生成タンク１下部に初期充填した液体窒素５０表面からも蒸発が起こると、ここに粒径の大きな固体窒素ができてしまうことから、液体窒素５０より密度の小さい材質、例えば高分子樹脂製の多数の小さな球からなる気液分離用断熱材８を液体窒素表面を被覆するごとく配置しておく。これにより液表面の蒸発が阻止され、前記液体窒素供給ノズル１０から噴射した液滴が優先的に固化し、前記固液分離用断熱材８の上に降り注ぐ。このとき、前記攪拌機３を連続的若しくは断続的に作動させ、前記生成タンク１内の液体窒素５０を攪拌する。この攪拌機３の回転により、前記固液分離用断熱材８の上部に積もった微細粒子状の固体窒素５１は回転して液体窒素５０中に入り込む。さらに攪拌機３により液体窒素５０と固体窒素５１は攪拌されて混じり合い、均一なスラッシュ窒素が生成する。このとき、前記生成タンク１内の圧力は生成タンク圧力計２３により測定され、該測定された圧力に基づき生成タンク圧力調整弁２６を制御してタンク内圧力を適宜調整すると良い。また、前記液体窒素供給ノズル１０からの液体窒素噴射量は、供給ガス流量調整弁３３にて調整されるため任意の生成能力を得ることが可能である。【００２６】
前記生成タンク１内の固体質量濃度が規定値に達すれば、前記二つの調整弁２６、３３を閉じ、加圧用圧力調整弁２４より窒素ガスを生成タンク１内に供給する。このとき気液分離用断熱材８により低温のスラッシュ窒素と加圧ガスの接触を防いでいるため、供給したガスの液化を防止し、生成タンク１内の圧力を上昇させることができる。設定した圧力に到達したら取出し口１ａよりスラッシュ窒素を取出し、利用先へ搬送する。前記生成タンク１が空になったら液体窒素５０を直接生成タンク１内に充填するか、又は補助寒冷用冷凍機１７でガスを液化させ、生成タンク１に充填する。そして再度真空排気を開始し、液体の温度を三重点まで下げていく。【００２７】
このように本実施例によれば、生成タンク１から排気した低圧低温ガスと、圧縮機１５により昇圧された高圧常温ガスとを熱交換する熱交換器１３ａ、１３ｂを設けているため、熱効率が向上する。また、定常運転中は補助寒冷用冷凍機１７の能力は小さくてよいか不要となる。また、バッファタンク３４により不要な窒素の貯蔵をガスで行うため、液貯蔵に比べ余分な冷凍負荷がない。さらに、不純ガス除去装置を設けることにより、系内不純物濃度を非常に低く保つことができ、窒素純度の高いスラッシュ窒素を製造できる。さらにまた、微細粒子状の液体窒素を噴射する液体窒素供給ノズル１０を用いることにより、固体窒素の粒径制御が可能となり、非常に微細且つ均一粒径のスラッシュ窒素の生成が可能となる。また、スラッシュの搬送は加圧としており、ポンプを用いるよりも高効率の搬送が可能である。さらに、低温部に補助寒冷用冷凍機以外の駆動装置がないため、不具合の発生を最小限に抑え、且つ装置を低コスト化することができる。
【実施例２】
【００２８】
図２に、実施例２に係り、図１とは別の構成を有する生成タンク１を示す。かかる実施例２は、実施例１に示した生成タンク１内の加圧時の気液分離をより一層確実に行うことができる構成となっている。
本実施例２は、真空断熱容器であるスラッシュ窒素生成タンク１と、該生成タンク１内に設けた気液分離用内側容器４０からなる二重構造を有する。該内側容器４０は、真空断熱式であり、前記生成タンク１内に貯留された液体窒素５０に浮遊した状態で、上下動自在に設けられている。従って通常は内側容器４０の内側に液はない。前記内側容器４０は浮力により自由に動けるように生成タンク１から分離されており、上部の常温部でその内外、即ち生成タンク１と内側容器４０の側壁間の隙間をシール部材４１によりシールされている。さらに、該内側容器４０の底部には通液弁４３が備えられ、通常は閉じた状態である。また、実施例１と同様に、生成タンク１（内側容器４０）の気相部には、液体窒素供給ライン１９に接続された液体窒素供給ノズル１０と、真空排気ライン１１に接続された気液分離器９が設けられており、これらは断熱容器４０に干渉しないように配置される。また、前記生成タンク１の中心軸に沿って攪拌機３が設けられ、該攪拌機３のシャフト５は前記内側容器４０を貫通して、その下端部には攪拌翼６が連結されている。該攪拌翼６は生成タンク１と内側容器４０との間に位置する。前記攪拌機３のシャフト５上部の常温部はシール部材４２でシールされている。【００２９】
本実施例では、固体窒素５１の生成時に、前記通液弁４３が閉じられた状態で内側容器４０は初期充填した液体窒素５０上に浮かんでいる。該内側容器４０内には固体窒素生成前には液体窒素は殆ど存在しない。前記真空排気ライン１１からの真空排気により、窒素の三重点圧力以下まで減圧した後、前記液体窒素供給ノズル１０から微粒子化した液体窒素を内側容器４０内に噴射する。該噴射した液体窒素は固化して微粒子状の固体窒素５１となり、内側容器４０内に溜まる。ある程度固体窒素５１が貯留したら、前記通液弁３６を開くと同時に内側容器４０を上部から抑えて沈め、その容器内部に生成タンク１内の液体窒素を流入させる。
前記内側容器４０内の固体窒素５１がすべて液体窒素５０中に入ったら、前記通液弁４３を開いた状態で該内側容器４０を引き上げることで、固体窒素５１は流出する液体窒素５０とともに生成タンク１内に移る。生成タンク１内の固体窒素５１が所定量となるまでこれを繰り返し行うことで、生成タンク１内に所定濃度のスラッシュ窒素を製造することができる。製造したスラッシュ窒素の搬送時には、前記内側容器４０を引き上げてから前記通液弁３６を閉じ、該通液弁３６を閉じたまま生成タンク１内を加圧、或いは内側容器４０を下に押し込むことでスラッシュ窒素を加圧し、搬送することができる。
尚、液体窒素５０を予め補助寒冷用冷凍機１７にて凝固点付近まで冷却すれば、より効率的な運転が可能である。
このように本実施例によれば、内側容器４０の気液分離を確実に行うことが可能となる。
【実施例３】
【００３０】
図３に、実施例３に係り、図１とは別の構成を有する生成タンク１を示す。かかる実施例３は、実施例２に示した生成タンク１において、固体窒素５１のみが内側容器４０に貯留すると、運転条件によっては固体窒素同士の固着が懸念されるため、これを解消する構成を示す。
本実施例３は、真空断熱容器であるスラッシュ窒素生成タンク１と、該生成タンク１内に設けた気液分離用内側容器４４からなる二重容器構造を有する。該内側容器４４は、真空断熱式であり、前記生成タンク１とは分離され上下動自在に設けられている。前記内側容器４４の上部は常温部で、その内外をシール部材４１によりシールされている。さらに、該内側容器４４の底部には通液弁４３が備えられ、通常は閉じた状態である。また、実施例１と同様に、生成タンク１（内側容器４４）の気相部には、液体窒素供給ライン１９に接続された液体窒素供給ノズル１０と、真空排気ライン１１に接続された気液分離器９が設けられており、これらは内側容器４４に干渉しないように配置される。また、前記生成タンク１の中心軸に沿って攪拌機３が設けられ、該攪拌機３のシャフト５下端部に設けられた攪拌翼６は、内側容器４４内の底部に位置している。【００３１】
本実施例では、固体窒素５１の生成時に、内側容器４４は生成タンク１の最下部に置かれ、通液弁４３は閉じている。該内側容器４４内には、液体窒素の液面全体を被覆するように気液分離用断熱材８が浮遊しており、初期充填した液体窒素５０と気相部とがここで分離している。前記真空排気ライン１１からの真空排気により、窒素の三重点圧力以下まで減圧した後、前記液体窒素供給ノズル１０から微粒子化した液体窒素を内側容器４４内に噴射する。該噴射した液体窒素は、蒸発潜熱により固化して微粒子状の固体窒素５１となり、気液分離用断熱材８の上に落下し、積もる。前記攪拌機３により気液分離用断熱材８は回転するため、該回転により断熱材８上の固体窒素５１はこれを潜り抜けて液体窒素５０中に入る。所定濃度のスラッシュ窒素が得られたら、内側容器４４を引き上げるとともに通液弁４３を開ける。これにより、内側容器４４内に生成したスラッシュ窒素は同容器４４が移動した生成タンク１内の空間に流れ込む。全てのスラッシュ窒素が流れ込んだら内側容器４４の上昇を停止し、前記通液弁４３を閉じる。その後内側容器４４内を加圧あるいは内側容器４４を押し下げることで所定の圧力とし、スラッシュ窒素を搬送する。
このように本実施例によれば、固化生成した固体窒素５１のみを貯留することによる固着を防止し、均一で且つ微細な粒径を有するスラッシュ窒素を製造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、窒素、酸素、水素、或いはヘリウムなどの各種物質から簡単にスラッシュ流体を製造でき、また均一で微細な粒径の固体粒子を含むスラッシュ流体を製造可能であるため、製造したスラッシュ流体を、ダイナミックアイス方式を用いた氷蓄熱システム、スラッシュ窒素を利用した超電導機器等の冷却システム、又はスラッシュ水素を利用した水素燃料貯蔵・移送システムなどの様々な用途に使用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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