(57)【要約】  本明細書には、処理流を補助流で冷却するための方法が記載されており、この場合第１の熱交換器と、該第１の熱交換器の下流に接続された第２の熱交換器とにおいて、処理流と補助流との間で熱交換が行われる。本発明によれば、ａ）処理流（１）が、２つ以上の部分流（２，２ａ，２ｂ）に分割され、ｂ）部分流（２，２ａ，２ｂ）の流量は、それぞれ１つのバルブ（ａ，ｂ，ｃ）を用いて制御可能であり、ｃ）第１の部分流（２）のみが、第１および第２の熱交換器（Ｅ１，Ｅ２）において補助流（９，１１）で冷却され、ｄ）１つ以上の他の部分流（２ａ，２ｂ）は、冷却された第１の部分流（３）に混合され、そのように形成された処理流は第２の熱交換器（Ｅ２）において新たに冷却され、ただし、３つ以上の部分流（２ａ，２ｂ）への分割の場合には、処理流は、部分流の各混合の後で第２の熱交換器（Ｅ２）において新たに冷却され、ｅ）部分流（２，２ａ，２ｂ）の流量は、第２の熱交換器（Ｅ２）において冷却すべき処理流の温度が第２の熱交換器（Ｅ２）の入口において、相互に１０Ｋ以下しか異ならないように制御され、ｆ）部分流の流量を制御する複数のバルブ（ａ，ｂ，ｃ）のうちの少なくとも１つは完全に開放されることを特徴とする方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理流を補助流で冷却するための方法であって、
第１の熱交換器と、該第１の熱交換器の下流に接続された第２の熱交換器とにおいて、前記処理流と前記補助流との間で熱交換が行われる方法において、
ａ）前記処理流（１）が、２つ以上の部分流（２，２ａ，２ｂ）に分割され、
ｂ）前記部分流（２，２ａ，２ｂ）の流量は、それぞれ１つのバルブ（ａ，ｂ，ｃ）を用いて制御可能であり、
ｃ）第１の部分流（２）のみが、前記第１および第２の熱交換器（Ｅ１，Ｅ２）において前記補助流（９，１１）で冷却され、
ｄ）１つ以上の他の部分流（２ａ，２ｂ）は、冷却された第１の部分流（３）に混合され、そのように形成された処理流は前記第２の熱交換器（Ｅ２）において新たに冷却され、ただし、３つ以上の部分流（２ａ，２ｂ）への分割の場合には、前記処理流は、前記部分流の各混合の後で前記第２の熱交換器（Ｅ２）において新たに冷却され、
ｅ）前記部分流（２，２ａ，２ｂ）の流量は、前記第２の熱交換器（Ｅ２）において冷却すべき前記処理流の温度が前記第２の熱交換器（Ｅ２）の入口において、相互に１０Ｋ以下しか異ならないように制御され、
ｆ）前記部分流の流量を制御する前記複数のバルブ（ａ，ｂ，ｃ）のうちの少なくとも１つは完全に開放されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記部分流（２，２ａ，２ｂ）の流量は、前記第２の熱交換器（Ｅ２）において冷却すべき前記処理流の温度が前記第２の熱交換器（Ｅ２）の入口において、相互に５Ｋ以下しか、好ましくは相互に２Ｋ以下しか、異ならないように制御される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１の熱交換器（Ｅ１）および／または前記第２の熱交換器（Ｅ２）は、プレート型熱交換器として構成されている、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
冷却すべき前記処理流（１）は、水素リッチガス、ヘリウムリッチガスまたはネオンリッチガスである、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記補助流（８〜１２）は、窒素リッチ液体および／または窒素リッチガスである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理流を補助流で冷却するための方法であって、この場合第１の熱交換器と、該第１の熱交換器の下流に接続された第２の熱交換器とにおいて処理流と補助流との間で熱交換が行われる。
【０００２】
冒頭に述べたような形式の処理流を補助流で予備冷却するための方法は、例えばヘリウムおよびネオン冷凍プラントや、水素およびヘリウム液化器などの極低温冷凍および液化プラントにおいて使用されている。この種の冷凍および液化プラントは、一般に予備冷却循環路を有しており、そこでは、冷却すべき、そして場合によっては液化すべき処理流が補助流、例えば液化窒素（ＬＮ２）で冷却される。液体窒素は、比較的安価な冷凍源である。液体窒素は、処理流の冷却を約８０Ｋの温度まで可能にする。
【０００３】
ここでの処理流の冷却は、直列に接続された２つの熱交換器において補助流で行われる。循環路内を案内された補助流もしくは液化窒素は、このことが図１に基づいて説明されているように、自身の冷凍膨張の後で液体留分と気体留分とに分離される。液体留分は、冷却すべき処理流と向流で２つの熱交換器を通って案内され、その際液体留分は最初に第２のより低温の熱交換器を通って案内されるのに対して、気体留分は、冷却すべき処理流と向流で２つの熱交換器のうちの第１の、もしくはより高温の熱交換器だけを通って案内される。
【０００４】
粒子加速器、核融合研究炉などは、比較的大きな質量の超伝導磁石およびそれに付随する設備を有する。これらの磁石は、周辺温度（約３００Ｋ）から一般的に５Ｋ未満の運転温度まで冷却する必要がある。この冷却手順には数日から数週間を要する可能性がある。冒頭で既に説明したように、約３００Ｋから約８０Ｋまでの第１の冷却段階のために、必要とされる冷凍は、好ましくは安価な液化窒素によって提供される。しかしながらこの場合は窒素が、冷却すべき磁石の冷却チャネルを通って直接案内されることは許されない。なぜなら冷却チャネル内に残った窒素が、５Ｋ未満の温度まで冷却される次の冷却段階において凍結して当該チャネルをふさぎかねないからである。この理由から、液化窒素と冷却すべき処理流との間で間接的な熱交換を実現する必要がある。
【０００５】
それらの比較的高い効率とコンパクトな構造形態に基づいて、向流プレート型熱交換器をこの目的のために使用することは好ましい。しかしながら、これらの熱交換器タイプは、個々のチャネル間の過度に高い温度勾配に敏感であり、過度に高い熱膨張力によって損傷もしくは破壊される可能性がある。
【０００６】
この危険性は、特に、冷却すべき処理流が周辺温度から約８０Ｋの温度に冷却される前述した第１の冷却段階中に生じる。従来の冷凍および液化循環路の場合、冷却すべきマグネットもしくは実験体から戻された低圧流または中圧流は、比較的長期間暖かいままであり、通常は加熱器を介して、ほぼ周辺温度のもとで循環路圧縮器に戻される。高圧流の冷却は、この冷却段階では専ら液化窒素によって上述のように行われる。液化窒素の気化熱は、周囲温度の飽和蒸気による窒素のエンタルピー差とほぼ同じ大きさである。ヘリウム冷凍システムやヘリウム液化プラントの場合、ヘリウムのエンタルピー経過は、それとは対照的に一定であることが当て嵌まる。それゆえ冷却すべきヘリウム処理流と窒素流との間の温度の広がりは、窒素飽和蒸気のレベルにあり、これは暖かい熱交換器の冷端部領域もしくは冷たい熱交換器の温端部領域において最大となる。
【０００７】
これまではこの問題は、１つ以上の熱交換器のチャネル間の最大許容温度差の一時的な上回りを許容することで対処してきた。そのため熱交換器の損傷リスクに基づいて、プラントの運転安全性は低下する。液化窒素を、２５０Ｋの温度で開始して、達成される冷凍循環路温度を少なくとも５０Ｋ下回る温度まで予備蒸化させ加熱することも既に提案されてきた。しかしながらこのやり方は非効率的でかつ比較的緩慢である。
【０００８】
本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の処理流を補助流で冷却するための方法において、上述した欠点が回避されるように改善を行うことである。
【０００９】
前記課題を解決するために、冒頭で述べたような形式の処理流を補助流で冷却するための方法において、以下の事項によって特徴付けられる方法が提案されている。すなわち、
ａ）処理流が、２つ以上の部分流に分割され、
ｂ）部分流の流量は、それぞれ１つのバルブを用いて制御可能であり、
ｃ）第１の部分流のみが、第１および第２の熱交換器において補助流で冷却され、
ｄ）１つ以上の他の部分流は、冷却された第１の部分流に混合され、そのように形成された処理流は第２の熱交換器において新たに冷却され、ただし、３つ以上の部分流への分割の場合には、処理流は部分流の各混合の後で第２の熱交換器において新たに冷却され、
ｅ）部分流の流量は、第２の熱交換器において冷却すべき処理流の温度が第２の熱交換器の入口において、相互に１０Ｋ以下しか異ならないように制御され、
ｆ）部分流の流量を制御する複数のバルブのうちの少なくとも１つは完全に開放される。
【００１０】
冷却すべき処理流は、本発明によれば、２つ以上、好ましくは３つの部分流に分割される。これらの部分流の流量は、それぞれ１つのバルブを用いて制御可能である。第１のおよび最大の部分流のみが、第１および第２の熱交換器において補助流で冷却される。ここでの冷却は、補助流の温度を約１Ｋ上回る温度まで行われる。続いて、このようにして冷却された処理流に第２の部分流が混合され、そのように形成された処理流が第２の熱交換器に新たに供給され、そこにおいて補助流で冷却される。処理流が３つ以上の部分流に分割されるかぎり、部分流のさらに別の各混合の後で、そのように形成された処理流が、第２の熱交換器において補助流で新たに冷却される。本発明によれば、２つ以上の部分流の狭い流れは、全ての冷却すべき処理流が、第２の熱交換器の入口でほぼ等しい温度を有するように制御される。特に、第２の熱交換器の入口における冷却すべき処理流の温度は、相互に１０Ｋ以下しか、好ましくは５Ｋ以下しか、特に好ましくは２Ｋ以下しか偏差しない。それにより、一時的な制御偏差は、１０Ｋまで、好ましくは５Ｋまで、特に好ましくは２Ｋまで許容され得る。さらに、２つ以上の部分流の流量を制御する複数のバルブのうちの少なくとも１つは完全に開放される。それにより、アクチュエータの数（ｎ＋１個のバルブ）は、制御変数の数に（ｎ個の温度差）に適合される。同時に、処理流における圧力損失も最小限になる。
【００１１】
本発明によれば、もはや冷却すべき処理流の部分流が第１の熱交換器を通って案内される。このことは、熱負荷が低減される一方で補助流−蒸発器における負荷は上昇するという結果をもたらす。それにより、処理流と補助流との間の温度が明確に適合化される。従来技術による方法では最大温度差は１００Ｋを超えてしまうが、２重以上の混合もしくは３つ以上の部分流への分割により、最大温度差は５０Ｋ未満に低減させることができる。したがってこの温度差は、プレート型熱交換器の最大許容温度差を下回る。この最大許容温度差は、熱交換器の製造メーカおよび幾何学形状に応じて５０Ｋ〜１００Ｋの間にある。
【００１２】
使用される熱交換器の最大許容温度差が少なくとも７０Ｋであるかぎり、冷却すべき処理流が２つの部分流に分割されるだけで基本的には十分である。このケースでは、部分流の第２のもしくはそれ以降の混合は必ずしも必要ではない。
【００１３】
本発明による手順を用いれば、発生する最大温度差を、３回以上の混合によってさらに低減することができる。
【００１４】
本発明による手順に基づけば、ヘリウム冷凍プラントのケースにおいて、冷却段階の開始から冷凍循環路内で得られるヘリウム高圧流全体を、プレート型熱交換器の個々のチャネル間の最大許容温度差を超えることなく、液化窒素で冷却することが可能になる。本発明による方法の実現のために必要とされる付加的な装置および付加的な論理回路についてのコストは比較的僅かである。さらに、本発明による方法は、いつでも完全な運転安全性を保証する。
【００１５】
従属請求項の対象事項を表す、処理流を補助流で冷却するための本発明による方法のさらに別の好ましい実施形態は、以下の事項によって特徴付けられる。すなわち、
−部分流の流量は、第２の熱交換器において冷却すべき処理流の温度が第２の熱交換器の入口において、相互に５Ｋ以下しか、好ましくは相互に２Ｋ以下しか、異ならないように制御される
−第１の熱交換器および／または第２の熱交換器は、プレート型熱交換器として構成されている
−冷却すべき処理流は、水素リッチガス、ヘリウムリッチガスまたはネオンリッチガスである
−補助流は、窒素リッチ液体および／または窒素リッチガスである。
【００１６】
「水素リッチガス」、「ヘリウムリッチガス」、「ネオンリッチガス」、「窒素リッチ液体」および「窒素リッチガス」との概念は、それぞれ、前述した成分の割合が、少なくとも９０体積％、好ましくは少なくとも９５体積％、特に好ましくは少なくとも９９体積％であるガスもしくは液体を意味するものと理解されたい。
【００１７】
処理流を補助流で冷却するための本発明による方法ならびにそのさらに別の好ましい実施形態については、図１に示されている実施例に基づいて以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による方法の実施形態を示した図
【００１９】
図示されている、処理流を補助流で冷却するための本発明による方法の２つの実施形態は、例えば、極低温ヘリウムおよびネオン冷凍プラント、水素およびヘリウム液化装置などで実現可能である。以下では、冷却すべき処理流はヘリウムであり、それに対して補助流は窒素リッチ流であるものとする。
【００２０】
冷却すべきヘリウム処理流１は、図１に示されている第１の実施形態に応じて、２つの部分流２および２ａに分割される。バルブａおよびｂは、２つの部分流の流量制御に用いられる。第１のおよび最大の部分流２は、熱交換器Ｅ１およびＥ２において、補助流もしくは液化窒素９の温度を約１Ｋ上回る温度まで冷却される。
【００２１】
冷凍膨張した窒素リッチ流８は、分離器Ｄにおいて、液体留分９と気体留分１０とに分離される。液体留分９のみが、上述した、熱交換器Ｅ２において冷却すべきヘリウム部分流２’と向流で熱交換器Ｅ２を通って案内され、ガス留分１０と混合されて統合された窒素リッチ部分流１１は、引き続き、当該窒素リッチ部分流１１が管路１２を介して引き出され、図１には示されていない循環路圧縮器に新たに供給される前に、冷却すべきヘリウム部分流２と向流で熱交換器Ｅ１を通って案内される。
【００２２】
熱交換器Ｅ１およびＥ２において冷却されたヘリウム部分流３には、ここにおいて第２のヘリウム部分流２ａが混合される。このように形成されたヘリウム処理流４は、熱交換器Ｅ２において冷却され、冷却されたヘリウム処理流５は、引き続き冷却すべき負荷および／または少なくとも１つの膨張装置に供給される。
【００２３】
熱交換器Ｅ１およびＥ２において冷却されたヘリウム部分流２に対して少なくとも２重の混合が行われるべきであると、ヘリウム処理流１を３つの部分流２，２ａおよび２ｂに分離する必要がある。この変形例は、図１において破線で示された管路区間２ｂ、５’，６および７ならびに破線で示された制御バルブｃによって示されている。本発明による方法のこの実施形態では、熱交換器Ｅ２において、ヘリウム部分流２ａとの混合の後で冷却されたヘリウム処理流５’は、管路５を介して引き出されない。その代わりに、当該ヘリウム処理流５’には、第３のヘリウム部分流２ｂが混合され、そのように形成されたヘリウム処理流６は、管路７を介して引き出される前に熱交換器Ｅ２において冷却される。
【００２４】
冷却すべきヘリウム処理流１が２つ、３つ、または４つ以上のヘリウム部分流２，２ａ，２ｂ…に分割されるかどうかにかかわらず、ヘリウム部分流２，２ａおよび２ｂの流量は、制御バルブａ，ｂおよびｃを用いて、第２の熱交換器において冷却すべき処理流２’，４および６の温度が、相互に１０Ｋ以下しか、好ましくは５Ｋ以下しか、特に好ましくは２Ｋ以下しか異ならないように制御される。
【００２５】
冷凍または液化プラントの内部に、特定の運転状態の期間中にのみ、例えば持続運転中にのみ必要とされるコントロールバルブもしくは制御バルブが設けられているかぎり、これらは場合によっては上記した制御バルブａ，ｂおよびｃのうちの１つの機能（複数可）を担うことができる。この実施形態を用いれば、所要の補強またはバルブに対する付加的コストを削減することができる。
【図１】
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【国際調査報告】
2018523082.tif 000004
2018523082.tif 000005