(57)【要約】【課題】  所定の濃度に濃縮した高濃度および低濃度の石炭層内メタンガスを効率よく極低温に冷却し液化するとともに分離された極低温空気を窒素ガスの再冷却に利用する省エネルギ化の実現およびＣＯ2排出量の削減を行うのに好適なガス液化装置を提供する。【解決手段】  極低温冷却メタンガス液化装置は、メタン用リブレット付矩形導管１２および窒素用リブレット付矩形導管２３をスパイラル状に接触させて配管したスパイラル式極低温冷却部１１の窒素用リブレット付矩形導管２３内に極低温度冷却用液化窒素１３を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触するメタン用リブレット付矩形導管１２内を流れる石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂを極低温に冷却し液化する。【選択図】  図１
2012233652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを冷却し液化することを特徴とするガス液化装置。
【請求項２】
第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式極低温冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを極低温に冷却し液化することを特徴とするガス液化装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記冷却対象ガスからの熱貫流により前記冷媒が気化した冷媒ガスを再凝縮して前記冷媒とする極低温冷却手段と、
前記スパイラル式極低温冷却部で液化された冷却対象と空気を比重の違いによって分離する空気分離手段とを備え、
前記極低温冷却手段は、前記空気分離手段で分離した極低温空気により前記冷媒ガスを冷却することを特徴とするガス液化装置。
【請求項４】
第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式冷却部の導管壁面に、リブレットの溝方向と流れの方向を一致させて当該リブレットを設けたことを特徴とするリブレット付導管。
【請求項５】
第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に接触させて円筒型冷却部を構成し周囲を真空容器で包んだことを特徴とするスパイラル式冷却部。
【請求項６】
第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを冷却し液化することを特徴とするガス液化方法。
【請求項７】
第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式極低温冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを極低温に冷却し液化することを特徴とするガス液化方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記冷却対象ガスからの熱貫流により前記冷媒が気化した冷媒ガスを再凝縮して前記冷媒とする極低温冷却工程と、
前記スパイラル式極低温冷却部で液化された冷却対象と空気を比重の違いによって分離する空気分離工程とを含み、
前記極低温冷却工程は、前記空気分離工程で分離した極低温空気により前記冷媒ガスを冷却することを特徴とするガス液化方法。
【請求項９】
請求項４記載のリブレット付導管により冷却対象ガスを冷却することを特徴とするガス冷却方法。
【請求項１０】
請求項５記載のスパイラル式冷却部により冷却対象ガスを冷却することを特徴とするガス冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重要なエネルギ源である地下の石炭層内に多量に包含される高濃度メタンガスを余すことなく効率的に採取し、大気中への散逸を防止し有効利用するためにメタンガスの体積を６００分の１の液化メタンとして貯蔵する工程において、熱貫流率の向上と流体抵抗の低減を図ることによってメタンガスの液化に要する消費動力と圧縮機等の原動機から大気中に排出されるＣＯ2の削減を可能とする方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の炭鉱における石炭層内メタンガスの採取法と利用概要を示す図である。
地下深部の石炭層内には、多量の濃度１００％に近いメタンガスが内包されている。この石炭層を採掘するときに巨大な地圧が解放されることにより圧縮されたメタンガスが坑道内作業空間に湧出してくる現象が生じる。
【０００３】
湧出した多量のメタンガスは空気と混合し濃度は低下するが、坑道内の作業員の人体に悪影響を与えるため、通気立坑や入昇降用立坑を通して大気中に放出される。
【０００４】
メタンガスはＣＯ2の２１倍の温室効果を持っているが、現在の大気中の含有量はわずか０．０００２２％に過ぎず、地球温暖化に影響を与えるような数値ではないことは明らかである。しかしながら、近年、世界全体の年間石炭生産量は７０億トンを超えており、石炭採掘に伴い大気中への放散されるメタンガスの温室効果への影響は無視できないものがある。さらに、貴重なメタンガスエネルギの大量消失ともなっている。
【０００５】
そこで、石炭層内メタンガスをガス抜き法により石炭層から採取して発電や原動機の燃料として利用する試みがある。
【０００６】
さらに、メタンガスを液化すると体積が６００分の１となり、運搬や貯蔵と利用に非常に便利であるので、液化メタンを極低温冷却機により製造する試みもある。
【０００７】
しかしながら、メタンガスの液化には冷媒が使用され、圧縮と膨張を繰り返す冷媒サイクルの中で圧縮機動力を得るために多くのエネルギを必要とし、消費される燃料から多くのＣＯ2が排出されることが問題となっている。
【０００８】
そこで、石炭層内メタンガスの有効利用のため高性能冷却能力を備え消費燃料とＣＯ2排出量を削減できる極低温冷却メタンガス液化装置が必要とされている。
【０００９】
非特許文献１には、２１％低濃度石炭層内メタンガス中に含まれる酸素、窒素およびメタンガスのうち、分子サイズの大きいメタンガスだけを吸着塔内でメタン選択制吸着剤に吸着させ、吸着塔の出口から分子サイズが小さく吸着されない酸素および窒素を排出し、吸着されたメタンガスを吸着塔内の圧力を下げることで吸着剤から分離させ、４８％濃度のメタンガスとしてガスエンジンやガスボイラの燃料として有効利用する技術が開示されている。
【００１０】
しかしながら、非特許文献１記載の技術は、２０％以下の低濃度石炭層内メタンガスを対象として、活性炭を用いたメタン選択性吸着剤によりメタンガスを酸素および窒素から分離し、４８％まで濃縮した後、メタンガスを貯蔵槽に蓄えて発電機用燃料とするものであるので、メタンガスを液化するためには、さらに濃縮分離を行う必要があるという問題がある。
【００１１】
図９は、非特許文献２に開示された低濃度石炭層内メタンガス濃縮装置の概要を示す図である。
【００１２】
非特許文献２では、メタンガスの液化には冷媒が使用され、圧縮と膨張を繰り返す冷媒サイクルの中で圧縮機動力を得るために多くのエネルギを必要とし、消費される燃料から多くのＣＯ2が排出されることが問題となっている点が指摘されている。
【００１３】
そこで、非特許文献２では、石炭層内メタンガスを発生装置に導入し、活性炭等の吸脱効果を利用して高純度のメタンガスに精製して分離された酸素、ＣＯ2などは別ラインから排出している。精製されたメタンガスは、極低温冷却機のコールヘッド冷却部と直接接触することで自然対流冷却により液化され、貯蔵容器に移送される。特記すべきは、冷却方式で冷媒コンプレッサーが１系列１基で２系列を使用してメタンガス液化を行う最もシンプルな構成となっていることである。
【００１４】
しかしながら、非特許文献２記載の技術にあっては、メタンガスの自然対流により冷却を行うために連続的なメタンガスの液化には大規模冷却槽と大きな消費エネルギが必要となること、および、液化には冷媒が使用され、圧縮と膨張を繰り返す冷媒サイクルの中で圧縮機動力を得るために多くの燃料が消費されるので大量のＣＯ2を発生するという問題がある。
【００１５】
図１０は、非特許文献３に開示された石炭層内メタンガスの液化メタン自動生産システムを示す図である。
【００１６】
非特許文献３では、実際のパイプラインの管径（内径４９２[mm]）に近い条件下で内面塗装を施している、いわゆるコーティング管の内壁に乱流摩擦抵抗を低減するリブレットを施して管の摩擦抵抗低減効果を調べ、最大の低減効果を生じる無次元リブレット高さを明らかにしている。
【００１７】
また、特許文献１記載の技術は、航走体リブレットを流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けて流体抵抗を低減させたリブレット付航走体船殻についてのものである。
【００１８】
しかしながら、非特許文献３および特許文献１には、リブレットが流体とリブレット壁面間の熱伝達効果に与える機能については開示されていない。
【００１９】
また、特許文献２記載の技術は、新たに開発した高粘度流体熱交換器および高温殺菌用流体保持容器としてスパイラル式熱交換器の導管内部に特殊な攪拌阻止手段を持ち、高粘度性による層流を打ち壊し、高性能伝熱を達成している。また、高粘度側容積が他の熱交換器の１／１０となり、温度制御性が非常によく、コンパクトでメンテナンスが容易な単純形状で、保温工事も容易で保守と工事費の削減を図った発明を開示している。
【００２０】
しかしながら、特許文献２記載の攪拌阻止手段は、流体の高粘度性による層流を打壊し高性能伝熱を達成すものであり、導管内を流れる流体の流体抵抗を増大させるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】「低濃度ＣＭＭ濃縮の実証試験装置」，大阪ガス株式会社プレリリース，２００９年４月７日
【非特許文献２】「中国新疆ウイグル自治区：ＬＮＧ液化プロジェクトの夢と現実」，石油・天然ガスレビュー，２００７．１１  Ｖｏｌ．４１  Ｎｏ．６
【非特許文献３】「リブレットを用いた管内流の摩擦抵抗減少について」，日本機械学会論文集（Ｂ偏），６８巻６６８号（２００２−４）
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００４−３５２０２４号公報
【特許文献２】特開平８−１６６１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明が解決しようとする課題は３つある。
第１点は、所定の濃度に濃縮した高濃度および低濃度の石炭層内メタンガスを連続的に液化するため、従来の極低温冷却機と比較して高い冷却性能を有する余熱利用式冷却サイクルを備えた省力型極低温冷却メタンガス液化装置の開発である。
【００２４】
第２点は、極低温冷却部の導管壁面のメタンガスまたは液化メタンと窒素ガスまたは液化窒素との間の熱貫流率の向上と導管内を流れる流体の流体抵抗を低減させる冷却用導管の開発である。
【００２５】
第３点は、メタン用リブレット付矩形導管および窒素用リブレット付矩形導管をスパイラル状に接触させて円筒型冷却部を構成し周囲を真空容器で包むことによってメタンガスと液化窒素との間で効果的に熱貫流が行われることにより冷却効率を高めたスパイラル式極低温冷却部を製作し、窒素とメタンガスとの間の熱貫流率と冷却効率を明らかにすることである。
【００２６】
本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、所定の濃度に濃縮した高濃度および低濃度の石炭層内メタンガスを効率よく極低温に冷却し液化するとともに分離された極低温空気を窒素ガスの再冷却に利用する省エネルギ化の実現およびＣＯ2排出量の削減を行うのに好適なガス液化装置、リブレット付導管およびスパイラル式冷却部、並びに、ガス液化方法およびガス冷却方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
〔発明１〕  上記目的を達成するために、発明１のガス液化装置は、第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを冷却し液化する。
【００２８】
〔発明２〕  さらに、発明２のガス液化装置は、第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式極低温冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを極低温に冷却し液化する。
【００２９】
〔発明３〕  さらに、発明３のガス液化装置は、発明２のガス液化装置において、前記冷却対象ガスからの熱貫流により前記冷媒が気化した冷媒ガスを再凝縮して前記冷媒とする極低温冷却手段と、前記スパイラル式極低温冷却部で液化された冷却対象と空気を比重の違いによって分離する空気分離手段とを備え、前記極低温冷却手段は、前記空気分離手段で分離した極低温空気により前記冷媒ガスを冷却する。
【００３０】
〔発明４〕  一方、上記目的を達成するために、発明４のリブレット付導管は、第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式冷却部の導管壁面に、リブレットの溝方向と流れの方向を一致させて当該リブレットを設けた。
【００３１】
〔発明５〕  一方、上記目的を達成するために、発明５のスパイラル式冷却部は、第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に接触させて円筒型冷却部を構成し周囲を真空容器で包んだ。
【００３２】
〔発明６〕  一方、上記目的を達成するために、発明６のガス液化方法は、第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを冷却し液化する。
【００３３】
〔発明７〕  さらに、発明７のガス液化方法は、第１リブレット付導管および第２リブレット付導管をスパイラル状に配管したスパイラル式極低温冷却部の前記第２リブレット付導管内に冷媒を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触する前記第１リブレット付導管内を流れる冷却対象ガスを極低温に冷却し液化する。
【００３４】
〔発明８〕  さらに、発明８のガス液化方法は、発明７のガス液化方法において、前記冷却対象ガスからの熱貫流により前記冷媒が気化した冷媒ガスを再凝縮して前記冷媒とする極低温冷却工程と、前記スパイラル式極低温冷却部で液化された冷却対象と空気を比重の違いによって分離する空気分離工程とを含み、前記極低温冷却工程は、前記空気分離工程で分離した極低温空気により前記冷媒ガスを冷却する。
【００３５】
〔発明９〕  一方、上記目的を達成するために、発明９のガス冷却方法は、発明４のリブレット付導管により冷却対象ガスを冷却する。
【００３６】
〔発明１０〕  さらに、発明１０のガス冷却方法は、発明５のスパイラル式冷却部により冷却対象ガスを冷却する。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したように、発明１のガス液化装置、または発明６のガス液化方法によれば、スパイラル式冷却部により冷却対象ガスを効率よく冷却し液化することにより、冷却対象の製造に必要な圧縮機等の消費動力の節減を可能とする。
【００３８】
さらに、発明２のガス液化装置、または発明７のガス液化方法によれば、スパイラル式極低温冷却部により冷却対象ガスを効率よく極低温に冷却し液化することにより、冷却対象の製造に必要な圧縮機等の消費動力の節減と、大気中に排出されるＣＯ2と冷却対象ガスの放出量の減少を可能とする。また、産業用冷却機および高層ビル用空調機への応用ができるので、広く節電効果の向上が期待できる。
【００３９】
さらに、発明３のガス液化装置、または発明８のガス液化方法によれば、冷却対象ガスの液化工程において分離された極低温空気を冷媒ガスの再凝縮工程で冷媒ガスの冷却に再利用することにより、冷媒の再生に必要な圧縮機等の消費動力の節減と、大気中に排出されるＣＯ2の放出量の減少を可能とする。また、従来の極低温冷却機と比較してその温度制御と設置工事および保守を容易にし、極低温冷却手段の容積を約１／１０とすることができる。
【００４０】
一方、発明４のリブレット付導管、または発明９のガス冷却方法によれば、スパイラル式冷却部の導管壁面の断面積を増大させるとともにリブレットが当該導管内を流れる流体のＸ方向の渦流の発生を抑制して流体抵抗を低減させ、さらに壁面近傍のＹ方向、Ｚ方向、Ｙ−Ｚ方向の流れに微小渦流が発生して熱貫流を促進するので、スパイラル式冷却部の導管壁面を介して接触する温度の異なる冷却対象ガスと冷媒との間の熱貫流効果を高めることができる。
【００４１】
一方、発明５のスパイラル式冷却部、または発明１０のガス冷却方法によれば、冷却対象ガスと冷媒との間で効果的に熱貫流が行われるので冷却効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】極低温冷却メタンガス液化装置の構成概要を示す図である。
【図２】特許文献１に開示された流体抵抗低減用鮫鱗型リブレットの形状の概要を示す図である。
【図３】スパイラル式極低温冷却部１１の縦断面図および横断面図である。
【図４】リブレット付矩形導管を示す図である。
【図５】リブレット付矩形導管内を液化窒素とメタンガスが並流および逆流する場合の熱交換状況を示す。
【図６】リブレットが近傍を流れる流体のＸ方向の渦流の発生を抑制し、さらに壁面近傍のＹ方向、Ｚ方向、Ｙ−Ｚ方向の流れに微小渦流が発生している流体速度分布を示す図である。
【図７】本実施の形態に係る極低温冷却メタンガス液化装置を炭鉱に導入した場合における石炭層内メタンガスの採取法と利用概要を示す図である。
【図８】従来の炭鉱における石炭層内メタンガスの採取法と利用概要を示す図である。
【図９】非特許文献２に開示された低濃度石炭層内メタンガス濃縮装置の概要を示す図である。
【図１０】非特許文献３に開示された石炭層内メタンガスの液化メタン自動生産システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１ないし図７は、本実施の形態を示す図である。
【００４４】
まず、本発明を適用する極低温冷却メタンガス液化装置の構成を説明する。
図１は、極低温冷却メタンガス液化装置の構成概要を示す図である。
【００４５】
極低温冷却メタンガス液化装置は、図１に示すように、高濃度石炭層内メタンガス２Ａ（例えば、濃度８０％以上）を石炭層から採取するメタンガス吸引用パイスライン１Ａと、メタンガス吸引用パイスライン１Ａを通じて採取された高濃度石炭層内メタンガス２Ａを吸引・圧送するメタンガス吸引用圧縮機３Ａと、メタンガス吸引用圧縮機３Ａから圧送された高濃度石炭層内メタンガス２Ａを貯蔵するメタンガス貯蔵槽４Ａと、メタンガス貯蔵槽４Ａに貯蔵された高濃度石炭層内メタンガス２Ａから水分を除去する高圧乾燥機５Ａとを有して構成されている。
【００４６】
極低温冷却メタンガス液化装置は、さらに、低濃度石炭層内メタンガス２Ｂ（例えば、濃度３０％以下）を石炭層から採取するメタンガス吸引用パイスライン１Ｂと、メタンガス吸引用パイスライン１Ｂを通じて採取された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂを吸引・圧送するメタンガス吸引用圧縮機３Ｂと、メタンガス吸引用圧縮機３Ｂから圧送された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂを貯蔵するメタンガス貯蔵槽４Ｂと、メタンガス貯蔵槽４Ｂに貯蔵された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂから水分を除去する高圧乾燥機５Ｂとを有して構成されている。
【００４７】
極低温冷却メタンガス液化装置は、さらに、高圧乾燥機５Ｂで水分が除去された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂを吸引・圧送する低濃度ガス圧縮機６と、低濃度ガス圧縮機６から圧送された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂを活性炭８等により濃縮するメタンガス濃縮機７と、メタンガス濃縮機７で濃縮された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂを貯蔵するメタンガス貯蔵槽８Ｂとを有して構成されている。
【００４８】
極低温冷却メタンガス液化装置は、さらに、高圧乾燥機５Ａおよびメタンガス貯蔵槽８Ｂのそれぞれに吸引口が接続された三方開閉弁９と、三方開閉弁９の排出口から石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂを吸引・圧送するガス圧縮機１０と、ガス圧縮機１０から圧送された石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂを冷却・液化するスパイラル式極低温冷却部１１と、スパイラル式極低温冷却部１１で液化された液化メタン１４を貯蔵する液化メタン貯蔵槽１５とを有して構成されている。
【００４９】
スパイラル式極低温冷却部１１は、メタン用リブレット付矩形導管１２および窒素用リブレット付矩形導管２３をスパイラル状に接触させて配管したものである（図３（ｂ））。スパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面には、リブレット１６が設けられている。例えば、リブレット１６が形成されたリブレットシートを、リブレット１６の溝方向と流れの方向を一致させてスパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面に貼り付けることにより実現することができる。
【００５０】
極低温冷却メタンガス液化装置は、さらに、冷媒となる冷媒用窒素ガス１７を冷却・液化する極低温冷却機１８、低圧フレキシブル配管２１、窒素液化用ガス圧縮機１９および高圧フレキシブル配管２０と、スパイラル式極低温冷却部１１の周囲に設けられた真空容器を構成するクライオスタット２５と、クライオスタット２５の上部であって極低温冷却機１８とクライオスッタト２５との間に設けられた振動防止手段２６とを有して構成されている。
【００５１】
次に、極低温冷却メタンガス液化装置を用いたメタンガス液化方法を説明する。
メタンガス吸引用パイスライン１Ｂを通じて採取された低濃度石炭層内メタンガス２Ｂをメタンガス吸引用圧縮機３Ｂでメタンガス貯蔵槽４Ｂに貯蔵し、高圧乾燥機５Ｂで水分を除去した後、低濃度ガス圧縮機６を介してメタンガス濃縮機７に圧送し、所定の濃度に濃縮してメタンガス貯蔵槽８Ｂに貯蔵する。その後、三方開閉弁９を介してガス圧縮機１０によりスパイラル式極低温冷却部１１のメタン用リブレット付矩形導管１２に圧送する。低濃度石炭層内メタンガス２Ｂは、メタン用リブレット付矩形導管１２のリブレット付壁面を介して接触する極低温度冷却用液化窒素１３との間で熱貫流が行われ冷却され液化メタン１４となり、液化メタン貯蔵槽１５内に貯蔵される。その間、メタン用リブレット付矩形導管１２の壁面にその溝方向と流れの方向を一致させて設けられたリブレット１６は、スパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面の断面積を増大させるとともに当該導管内を流れる流体のＸ方向の渦流の発生を抑制して流体抵抗を低減させ、さらに壁面近傍のＹ方向、Ｚ方向、Ｙ−Ｚ方向の流れに微小渦流が発生して熱貫流を促進するためにガス圧縮機１０の所要動力を削減する働きを行う。
【００５２】
また、冷媒用窒素ガス１７は、極低温冷却機１８、低圧フレキシブル配管２１、窒素液化用ガス圧縮機１９および高圧フレキシブル配管２０を用いた圧縮膨張工程において、極低温冷却機１８に内蔵された液化窒素再凝縮装置２２により極低温度冷却用液化窒素１３とされた後、スパイラル式極低温冷却部１１の窒素用リブレット付矩形導管２３に圧送される。そこで、極低温度冷却用液化窒素１３は、窒素用リブレット付矩形導管２３のリブレット付壁面を介して接触する低濃度石炭層内メタンガス２Ｂとの間で熱貫流が行われ、低濃度石炭層内メタンガス２Ｂを極低温度に冷却する。その間、窒素用リブレット付矩形導管２３の壁面にその溝方向と流れの方向を一致させて設けられたリブレット１６は、スパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面の断面積を増大させるとともに当該導管内を流れる流体のＸ方向の渦流の発生を抑制して流体抵抗を低減させ、さらに壁面近傍のＹ方向、Ｚ方向、Ｙ−Ｚ方向の流れに微小渦流が発生して熱貫流を促進するために極低温冷却機１８および窒素液化用ガス圧縮機１９の所要動力を削減する働きを行う。
【００５３】
液化メタン貯蔵槽１５は、スパイラル式極低温冷却部１１で−１６１．４９℃以下まで極低温冷却された液化メタン１４と、沸点温度が−１８４．００℃の空気とを比重の違いによって分離する。分離された極低温空気２４は、極低温冷却機１８による冷媒用窒素ガス１７の圧縮膨張工程で冷却に使用され、極低温冷却機１８および窒素液化用ガス圧縮機１９の所要動力を削減する働きを行う。
【００５４】
一方、メタンガス吸引用パイスライン１Ａを通じて採取された高濃度石炭層内メタンガス２Ａについては、スパイラル式極低温冷却部１１に圧送する前に前記濃縮工程により所定の高濃度メタンガスに濃縮する必要がない場合もあるので、メタンガス吸引用圧縮機３Ａでメタンガス貯蔵槽４Ａに貯蔵し、高圧乾燥機５Ａで水分を除去した後、三方開閉弁９を介してガス圧縮機１０によりスパイラル式極低温冷却部１１に圧送する。スパイラル式極低温冷却部１１以降の工程は、低濃度石炭層内メタンガス２Ｂの液化工程と同じである。
【００５５】
以下に、液化窒素再凝縮装置２２と、液化メタン貯蔵槽１５と、スパイラル式極低温冷却部１１の周囲に設けられた真空容器を構成するクライオスタット２５と、クライオスタット２５の上部であって極低温冷却機１８とクライオスッタト２５との間に設けられた振動防止手段２６とを備えることを特徴とする極低温冷却メタンガス液化装置および極低温冷却メタンガス液化方法を説明する。
【００５６】
図２は、特許文献１に開示された流体抵抗低減用鮫鱗型リブレットの形状の概要を示す図である。
【００５７】
リブレット１６の高さｈと幅ｓの関係には次式が成立する。
【数１】
2012233652.tif 000003
リブレット付矩形導管と滑面壁矩形導管を比較した場合の管摩擦抵抗低減率は次式で表される。
【００５８】
【数２】
2012233652.tif 000004
図３は、スパイラル式極低温冷却部１１の縦断面図および横断面図である。同図（ａ）は、リブレット付壁面の熱貫流状況を示す縦断面図である。同図（ｂ）は、スパイラル式極低温冷却部１１内の流体のスパイラル流を示す横断面図である。
【００５９】
一般に、円筒管壁面の熱伝達量Ｑは次式で表わされる。
【数３】
2012233652.tif 000005
また、多層円筒管であるスパイラル式導管壁面での熱貫流量Ｑは次式で表される。
【００６０】
【数４】
2012233652.tif 000006
ここで、ｋは熱貫流率、ｒは円筒半径、ｌは円筒長、ｔ１、ｔ２は窒素とメタンガスの温度である。
【００６１】
図４は、リブレット付矩形導管を示す図である。同図（ａ）は、並流式リブレット付矩形導管を示す図である。同図（ｂ）は、逆流式リブレット付矩形導管を示す図である。同図（ｃ）は、リブレットシートの平面図および立面図である。同図（ｄ）は、片面用リブレットおよび両面用リブレットの断面図である。
【００６２】
図５は、リブレット付矩形導管内を液化窒素とメタンガスが並流および逆流する場合の熱交換状況を示す。同図（ａ）は、リブレット付矩形導管内における並流する液化窒素とメタンガスとの間の熱交換状況を示す図である。同図（ｂ）は、リブレット付矩形導管内における逆流する液化窒素とメタンガスとの間の熱交換状況を示す図である。
【００６３】
図６は、リブレットが近傍を流れる流体のＸ方向の渦流の発生を抑制し、さらに壁面近傍のＹ方向、Ｚ方向、Ｙ−Ｚ方向の流れに微小渦流が発生している流体速度分布を示す図である。同図（ａ）は、Ｘ方向の速度分布を示す図である。同図（ｂ）は、Ｙ方向の速度分布を示す図である。同図（ｃ）は、Ｚ方向の速度分布を示す図である。同図（ｄ）は、Ｙ−Ｚ方向の速度分布を示す図である。
【００６４】
図７は、本実施の形態に係る極低温冷却メタンガス液化装置を炭鉱に導入した場合における石炭層内メタンガスの採取法と利用概要を示す図である。
【００６５】
このようにして、本実施の形態では、極低温冷却メタンガス液化装置は、メタン用リブレット付矩形導管１２および窒素用リブレット付矩形導管２３をスパイラル状に接触させて配管したスパイラル式極低温冷却部１１の窒素用リブレット付矩形導管２３内に極低温度冷却用液化窒素１３を流すことにより、当該リブレット付壁面を介して接触するメタン用リブレット付矩形導管１２内を流れる石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂを極低温に冷却し液化する。
【００６６】
これにより、スパイラル式極低温冷却部１１により石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂを連続的に効率よく極低温に冷却し液化することにより、液化メタン１４の製造に必要な圧縮機等の消費動力の節減と、大気中に排出されるＣＯ2と石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂの放出量の減少を可能とする。また、産業用冷却機および高層ビル用空調機への応用ができるので、広く節電効果の向上が期待できる。
【００６７】
さらに、本実施の形態では、石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂからの熱貫流により極低温度冷却用液化窒素１３が気化した冷媒用窒素ガス１７を再凝縮して極低温度冷却用液化窒素１３とする極低温冷却機１８と、スパイラル式極低温冷却部１１で液化された液化メタン１４と空気を比重の違いによって分離する液化メタン貯蔵槽１５とを備え、極低温冷却機１８は、液化メタン貯蔵槽１５で分離した極低温空気により冷媒用窒素ガス１７を冷却する。
【００６８】
これにより、石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂの液化工程において分離された極低温空気を冷媒用窒素ガス１７の再凝縮工程で冷媒用窒素ガス１７の冷却に再利用することにより、極低温度冷却用液化窒素１３の再生に必要な圧縮機等の消費動力の節減と、大気中に排出されるＣＯ2の放出量の減少を可能とする。また、従来の極低温冷却機と比較してその温度制御と設置工事および保守を容易にし、極低温冷却機１８の容積を約１／１０とすることができる。
【００６９】
さらに、本実施の形態では、リブレット付矩形導管１２，２３は、スパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面に、リブレット１６の溝方向と流れの方向を一致させてリブレット１６を設けてなる。
【００７０】
これにより、スパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面の断面積を増大させるとともにリブレット１６が当該導管内を流れる流体のＸ方向の渦流の発生を抑制して流体抵抗を低減させ、さらに壁面近傍のＹ方向、Ｚ方向、Ｙ−Ｚ方向の流れに微小渦流が発生して熱貫流を促進するので、スパイラル式極低温冷却部１１の導管壁面を介して接触する温度の異なる石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂと極低温度冷却用液化窒素１３との間の熱貫流効果を高めることができる。
【００７１】
さらに、本実施の形態では、スパイラル式極低温冷却部１１は、メタン用リブレット付矩形導管１２および窒素用リブレット付矩形導管２３をスパイラル状に接触させて円筒型冷却部を構成し周囲を真空容器で包んでなる。
【００７２】
これにより、石炭層内メタンガス２Ａ，２Ｂと極低温度冷却用液化窒素１３との間で効果的に熱貫流が行われるので冷却効率を向上することができる。
【００７３】
本実施の形態において、スパイラル式極低温冷却部１１は、発明１、４ないし６または１０のスパイラル式冷却部に対応し、メタン用リブレット付矩形導管１２は、発明１、２、４ないし７の第１リブレット付導管に対応し、窒素用リブレット付矩形導管２３は、発明１、２、４ないし７の第２リブレット付導管に対応している。また、極低温冷却機１８は、発明３の極低温冷却手段に対応し、液化メタン貯蔵槽１５は、発明３の空気分離手段に対応し、極低温冷却機１８による再凝縮工程は、発明８の極低温冷却工程に対応し、液化メタン貯蔵槽１５による分離工程は、発明８の空気分離工程に対応している。
【００７４】
なお、上記実施の形態においては、濃度が８０％以上の石炭層内メタンガスを高濃度石炭層内メタンガス２Ａとして採取したが、これに限らず、濃度が低濃度石炭層内メタンガス２Ｂよりも高ければよい。
【００７５】
また、上記実施の形態においては、濃度が３０％以下の石炭層内メタンガスを低濃度石炭層内メタンガス２Ｂとして採取したが、これに限らず、濃度が高濃度石炭層内メタンガス２Ａよりも低ければよい。
【００７６】
また、上記実施の形態においては、メタン用リブレット付矩形導管１２を矩形状として構成したが、これに限らず、任意の形状とすることができる。
【００７７】
また、上記実施の形態においては、窒素用リブレット付矩形導管２３を矩形状として構成したが、これに限らず、任意の形状とすることができる。
【００７８】
また、上記実施の形態において、スパイラル式極低温冷却部１１は、メタン用リブレット付矩形導管１２および窒素用リブレット付矩形導管２３をスパイラル状に接触させて配管したが、これに限らず、メタン用リブレット付矩形導管１２および窒素用リブレット付矩形導管２３を、所定の間隔をあけてスパイラル状に配管してもよい。
【００７９】
また、上記実施の形態においては、冷媒として液化窒素を用いたが、これに限らず、任意の冷媒を用いることができる。
【００８０】
また、上記実施の形態においては、本発明を、メタンガスを冷却し液化する場合について適用したが、これに限らず、任意の冷却対象ガスを冷却し液化する場合についても同様に適用することができる。例えば、原子炉の冷却（原子炉から発生する水蒸気を冷却し液化する場合）にも適用することができる。
【００８１】
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、伝熱の分野において、スパイラル式極低温冷却部１１により熱貫流率の向上と流体抵抗の低減を図り、冷却効率の向上、消費動力の省力化およびＣＯ2排出量の削減を目的とした熱交換器に適用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１Ａ，１Ｂ…メタンガス吸引用パイスライン、  ２Ａ…高濃度石炭層内メタンガス、  ２Ｂ…低濃度石炭層内メタンガス、  ３Ａ，３Ｂ…メタンガス吸引用圧縮機、  ４Ａ，４Ｂ，８Ｂ…メタンガス貯蔵槽、  ５Ａ，５Ｂ…高圧乾燥機、  ６…低濃度ガス圧縮機、  ７…メタンガス濃縮機、  ８…活性炭、  ９…三方開閉弁、  １０…ガス圧縮機、  １１…スパイラル式極低温冷却部、  １２…メタン用リブレット付矩形導管、  １３…極低温度冷却用液化窒素、  １４…液化メタン、  １５…液化メタン貯蔵槽、  １６…リブレット、  １７…冷媒用窒素ガス、  １８…極低温冷却機、  １９…窒素液化用ガス圧縮機、  ２０…高圧フレキシブル配管、  ２１…低圧フレキシブル配管、  ２２…液化窒素再凝縮装置、  ２３…窒素用リブレット付矩形導管、  ２４…極低温空気、  ２５…クライオスタット、  ２６…振動防止手段、  ２８…スプリングサス、  ２９…防振ベローズ、  ３０…ラジエイションシールド、  ３１…圧力制御装置連結部、  ３２…真空装置連結部、  ３３…真空
【図１】
2012233652.tif 000007
【図２】
2012233652.tif 000008
【図３】
2012233652.tif 000009
【図４】
2012233652.tif 000010
【図５】
2012233652.tif 000011
【図６】
2012233652.tif 000012
【図７】
2012233652.tif 000013
【図８】
2012233652.tif 000014
【図９】
2012233652.tif 000015
【図１０】
2012233652.tif 000016