(57)【要約】【課題】継続的に冷媒を供給することなく効率的に気体を液化可能な気体液化装置を提供する。【解決手段】水素液化装置１は、水素ガスを液化する。水素液化装置１は、水素ガスを圧縮する圧縮部１０と、圧縮部１０により圧縮された水素ガスを冷却する冷却部２０と、冷却部２０により冷却された水素ガスを膨張させて液化する液化部３０と、を備える。冷却部２０は、冷媒の流路が互いに独立した複数のヒートポンプ２１〜２３を有し、複数のヒートポンプ２１〜２３の冷媒との熱交換により水素ガスを冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を液化する気体液化装置であって、
前記気体を圧縮する圧縮部と、
前記圧縮部により圧縮された前記気体を冷却する冷却部と、
前記冷却部により冷却された前記気体を膨張させて液化する液化部と、
を備え、
前記冷却部は、冷媒の流路が互いに独立した複数のヒートポンプを有し、複数の前記ヒートポンプの冷媒との熱交換により前記気体を冷却する、
気体液化装置。
【請求項２】
複数の前記ヒートポンプは、第１のヒートポンプと、前記第１のヒートポンプよりも前記気体の流路の下流側に設けられた第２のヒートポンプと、を含み、
前記第１のヒートポンプは、前記第１のヒートポンプの冷媒と前記第２のヒートポンプの冷媒との熱交換により前記第２のヒートポンプの冷媒を冷却する、
請求項１に記載の気体液化装置。
【請求項３】
前記第２のヒートポンプの冷媒は、前記第１のヒートポンプの冷媒の沸点よりも低い沸点を有する、
請求項２に記載の気体液化装置。
【請求項４】
前記ヒートポンプの冷媒は、単原子分子を含む、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の気体液化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体液化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には水素液化装置が記載されている。この水素液化装置は、複数の熱交換器と、膨張弁と、気液分離器と、を備えている。水素ガスは、複数の熱交換器を順に経由することにより徐々に冷却される。冷却された水素ガスは、膨張弁により膨張されて一部液化する。液化した一部の水素は、気液分離器により分離され取り出される。気液分離器において分離された水素ガスの残部は、複数の熱交換器を逆に経由しながら徐々に加熱された後に圧縮され、最上流の熱交換器にリサイクルされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６４７０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の水素液化装置においては、気液分離器に向かう下りの水素ガスは、熱交換器を順に経由する際に、気液分離器において分離された水素ガスの残部を用いて冷却される。したがって、水素ガスから大量の液化水素を取り出すと、冷却に用いられる水素ガスの流量が大きく減少するため、各熱交換器における水素ガスの冷却能力が低下する。これに対して、上記の水素液化装置においては、一部の熱交換器に対して外部から液体窒素を導入することにより、水素ガスの十分な冷却を図っている。したがって上記の水素液化装置にあっては、以下に記載する２つの解決すべき課題が存在する。１つは、液体窒素の温度以下の領域にあっては、気液分離器において分離された水素での冷却が必要となる。液体水素を大量に製造したい場合には、冷却用の水素ガスの割合が減少すると液体窒素温度以下の領域で冷却能力が不足し、結果として液体水素の収率を大きくできない。もう１つは、冷媒としての液体窒素を継続的に供給可能な状況下でないと、効率的に液化水素を製造することが困難である。
【０００５】
本発明は、製造される液体の収率を向上可能であると共に、継続的に冷媒を供給することなく気体を液化可能な気体液化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】
【０００６】
本発明に係る気体液化装置は、気体を液化する気体液化装置であって、気体を圧縮する圧縮部と、圧縮部により圧縮された気体を冷却する冷却部と、冷却部により冷却された気体を膨張させて液化する液化部と、を備え、冷却部は、冷媒の流路が互いに独立した複数のヒートポンプを有し、複数のヒートポンプの冷媒との熱交換により気体を冷却する。
【０００７】
この気体液化装置においては、液化の対象となる気体は、まず、圧縮部により圧縮される。圧縮された気体は、冷却部により冷却される。そして、冷却された気体は、液化部において膨張されて液化される。冷却部においては、気体は、複数のヒートポンプの冷媒との熱交換により冷却される。したがって、気体から液体を取り出すことによる冷却能力の低下を考慮することなく液体を取り出すことが可能である。すなわち、この気体液化装置によれば、製造される液体の収率を向上可能である。さらに、各ヒートポンプにおいては、冷媒が消費されずに循環する。このため、気体の冷却に際して、外部から継続的に冷媒を供給する必要がない。よって、この気体液化装置によれば、継続的に冷媒を供給することなく気体を液化可能である。
【０００８】
本発明に係る気体液化装置においては、複数のヒートポンプは、第１のヒートポンプと、第１のヒートポンプよりも気体の流路の下流側に設けられた第２のヒートポンプと、を含み、第１のヒートポンプは、第１のヒートポンプの冷媒と第２のヒートポンプの冷媒との熱交換により第２のヒートポンプの冷媒を冷却してもよい。この場合、上流側の第１のヒートポンプの冷媒を用いて、下流側の第２のヒートポンプの冷媒を相対的に低い温度とすることができる。
【０００９】
本発明に係る気体液化装置においては、第２のヒートポンプの冷媒は、第１のヒートポンプの冷媒の沸点よりも低い沸点を有してもよい。この場合、下流側の第２のヒートポンプにおいて、より低温で気相にある冷媒を用いて気体の冷却が可能となる。
【００１０】
本発明に係る気体液化装置においては、ヒートポンプの冷媒は、単原子分子を含んでもよい。この場合、ヒートポンプにおいて、一定の圧縮仕事に対して、冷媒をより低い温度にすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造される液体の収率を向上可能であると共に、継続的に冷媒を供給することなく気体を液化可能な気体液化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る気体液化装置を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る気体液化装置を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る気体液化装置を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る気体液化装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図面の説明において、同一の要素同士、及び、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
［第１実施形態］
【００１４】
図１及び図２は、第１実施形態に係る気体液化装置を示す図である。図１，２に示されるように、水素液化装置（気体液化装置）１は、圧縮部１０と、冷却部２０と、液化部３０と、を備えている。圧縮部１０は、外部から水素ガスを導入して水素ガス（気体）を圧縮する。冷却部２０は、圧縮部１０により圧縮された水素ガスを冷却する。液化部３０は、冷却部２０により冷却された水素ガスを膨張させて少なくとも一部を液化する。すなわち、水素液化装置１は、圧縮部１０、冷却部２０、及び液化部３０に水素ガスを流通させることにより、液化水素を製造する。
【００１５】
水素液化装置１は、導入ラインＬ１〜Ｌ３と、リサイクルラインＬ４と、を備えている。導入ラインＬ１〜Ｌ３及びリサイクルラインＬ４は、水素ガスの流路である。導入ラインＬ１は、フィルタＦを介して外部から水素ガスを圧縮部１０に導入する。導入ラインＬ２は、圧縮部１０から導出される水素ガスを冷却部２０に導入する。導入ラインＬ３は、冷却部２０から導出される水素ガスを液化部３０に導入する。リサイクルラインＬ４は、水素ガスを導入ラインＬ１に戻す（リサイクルする）。
【００１６】
圧縮部１０は、複数（ここでは３つ）の圧縮機１１，１３，１５と、複数（ここでは３つ）の熱交換器１２，１４，１６と、を有する。圧縮部１０は、圧縮機１１と圧縮機１３とを互いに接続する圧縮部ラインＬ５と、圧縮機１３と圧縮機１５とを互いに接続する圧縮部ラインＬ６と、を有する。圧縮部ラインＬ５，Ｌ６は、水素ガスの流路である。導入ラインＬ１は、圧縮機１１に接続されている。導入ラインＬ２は、圧縮機１５に接続されている。熱交換器１２は、圧縮部ラインＬ５に設けられている。熱交換器１４は、圧縮部ラインＬ６に設けられている。熱交換器１６は、導入ラインＬ２に設けられている。
【００１７】
圧縮機１１、熱交換器１２、圧縮機１３、熱交換器１４、圧縮機１５、及び、熱交換器１６は、水素ガスの流路の上流から下流に向けて、この順に設けられている。したがって、導入ラインＬ１から圧縮部１０に導入された水素ガスは、常温・常圧の状態において、まず、圧縮機１１において圧縮される。圧縮機１１において圧縮された水素ガスは、熱交換器１２において所定の冷媒と熱交換することにより冷却される。熱交換器１２の冷媒は、例えば水又は空気である。
【００１８】
熱交換器１２において冷却された水素ガスは、圧縮機１３においてさらに圧縮される。圧縮機１３において圧縮された水素ガスは、熱交換器１４において所定の冷媒と熱交換することにより冷却される。熱交換器１４の冷媒は、例えば水又は空気である。熱交換器１４において冷却された水素ガスは、圧縮機１５においてさらに圧縮される。圧縮機１５において圧縮された水素ガスは、熱交換器１６において所定の冷媒と熱交換することにより冷却される。熱交換器１６の冷媒は、例えば水又は空気である。熱交換器１６において冷却された水素ガスは、導入ラインＬ２を流通しつつ冷却部２０に導入される。
【００１９】
冷却部２０は、冷媒の流路が互いに独立した複数（ここでは３つ）のヒートポンプ２１〜２３と、複数（ここでは６つ）の熱交換器２４〜２９と、を有している。冷却部２０は、複数のヒートポンプ２１〜２３の冷媒との熱交換により、水素ガスを冷却する。ヒートポンプ（第１のヒートポンプ）２１は、閉じた冷媒流路Ｆ１と、冷媒流路Ｆ１に順に設けられた圧縮機２１ａ及び膨張器２１ｂと、を有している。ヒートポンプ２１の冷媒は、単原子分子（例えばアルゴン、ヘリウム、又は、ネオン）を含む。ヒートポンプ２１の冷媒は、例えばアルゴンである。
【００２０】
ヒートポンプ（第１のヒートポンプ、第２のヒートポンプ）２２は、閉じた冷媒流路Ｆ２と、冷媒流路Ｆ２上に順に設けられた圧縮機２２ａ及び膨張器２２ｂと、を有している。ヒートポンプ２２の冷媒は、単原子分子（例えばアルゴン、ヘリウム、又は、ネオン）を含む。ヒートポンプ２２の冷媒は、例えばアルゴンである。ヒートポンプ（第２のヒートポンプ）２３は、閉じた冷媒流路Ｆ３と、冷媒流路Ｆ３上に順に設けられた圧縮機２３ａ及び膨張器２３ｂと、を有している。ヒートポンプ２３の冷媒は、単原子分子（例えばアルゴン、ヘリウム、又は、ネオン）を含む。ヒートポンプ２３の冷媒は、例えば、アルゴン又はヘリウムである。
【００２１】
熱交換器２４は、圧縮機２１ａから膨張器２１ｂに向かう冷媒流路Ｆ１上に設けられている。熱交換器２５は、膨張器２１ｂから圧縮機２１ａに向かう冷媒流路Ｆ１上に設けられている。熱交換器２５には、導入ラインＬ２が導入されている。したがって、ヒートポンプ２１は、熱交換器２５において導入ラインＬ２に熱的に接続されている。熱交換器２６は、膨張器２１ｂから圧縮機２１ａに向かう冷媒流路Ｆ１上、及び、圧縮機２２ａから膨張器２２ｂに向かう冷媒流路Ｆ２上に設けられている。したがって、ヒートポンプ２１及びヒートポンプ２２は、熱交換器２６において互いに熱的に接続されている。なお、熱交換器２６は、冷媒流路Ｆ１上において、図では熱交換器２５よりも下流に設けられているが上流であってもよい。
【００２２】
熱交換器２７は、膨張器２２ｂから圧縮機２２ａに向かう冷媒流路Ｆ２上に設けられている。熱交換器２７には、導入ラインＬ２が導入されている。したがって、ヒートポンプ２２は、熱交換器２７において、導入ラインＬ２に熱的に接続されている。熱交換器２８は、膨張器２２ｂから圧縮機２２ａに向かう冷媒流路Ｆ２上、及び、圧縮機２３ａから膨張器２３ｂに向かう冷媒流路Ｆ３上に設けられている。したがって、ヒートポンプ２２及びヒートポンプ２３は、熱交換器２８において互いに熱的に接続されている。なお、熱交換器２８は、冷媒流路Ｆ２上において、図では熱交換器２７よりも下流に設けられているが上流であってもよい。
【００２３】
熱交換器２９は、膨張器２３ｂから圧縮機２３ａに向かう冷媒流路Ｆ３上に設けられている。熱交換器２９には、導入ラインＬ２が導入されている。したがって、ヒートポンプ２３は、熱交換器２９において、導入ラインＬ２に熱的に接続されている。以上のように、ヒートポンプ２１〜２３は、水素ガスの流路（導入ラインＬ２）の上流から下流に向けて設けられている。すなわち、ヒートポンプ２２は、ヒートポンプ２１よりも水素ガスの流路の下流側に設けられており、ヒートポンプ２３は、ヒートポンプ２２よりも水素ガスの流路の下流側に設けられている。
【００２４】
ヒートポンプ２１において、冷媒は、圧縮機２１ａにおいて圧縮される。圧縮機２１ａにより圧縮された冷媒は、熱交換器２４において水又は空気等の別の冷媒との熱交換により冷却される。熱交換器２４において冷却された冷媒は、膨張器２１ｂにおいて膨張（ジュール＝トムソン膨張、以下同様）され、さらに低温とされる。膨張器２１ｂにより膨張された冷媒は、熱交換器２５において水素ガスとの熱交換により加熱される。熱交換器２５において加熱された冷媒は、熱交換器２６においてヒートポンプ２２の冷媒との熱交換によりさらに加熱されて圧縮機２１ａに戻される。
【００２５】
ヒートポンプ２２において、冷媒は、圧縮機２２ａにおいて圧縮される。圧縮機２２ａにより圧縮された冷媒は、熱交換器２６においてヒートポンプ２１の冷媒との熱交換により冷却される。つまり、ヒートポンプ２１は、ヒートポンプ２１の冷媒とヒートポンプ２２の冷媒との熱交換によりヒートポンプ２２の冷媒を冷却する。熱交換器２６において冷却された冷媒は、膨張器２２ｂにおいて膨張され、さらに低温とされる。膨張器２２ｂにより膨張された冷媒は、熱交換器２７において水素ガスとの熱交換により加熱される。熱交換器２７において加熱された冷媒は、熱交換器２８においてヒートポンプ２３の冷媒との熱交換によりさらに加熱されて圧縮機２２ａに戻される。
【００２６】
ヒートポンプ２３において、冷媒は、圧縮機２３ａにおいて圧縮される。圧縮機２３ａにより圧縮された冷媒は、熱交換器２８においてヒートポンプ２２の冷媒との熱交換により冷却される。つまり、ヒートポンプ２２は、ヒートポンプ２２の冷媒とヒートポンプ２３の冷媒との熱交換によりヒートポンプ２３の冷媒を冷却する。熱交換器２７において冷却された冷媒は、膨張器２３ｂにおいて膨張され、さらに低温とされる。膨張器２３ｂにより膨張された冷媒は、熱交換器２９において水素ガスとの熱交換により加熱される。熱交換器２９において加熱された冷媒は、圧縮機２３ａに戻される。
【００２７】
一方、圧縮部１０から導出された水素ガスは、圧力低下を必要最小限に抑制しつつ導入ラインＬ２を流通しながら、熱交換器２５においてヒートポンプ２１の冷媒との熱交換により冷却される。続いて、水素ガスは、熱交換器２７においてヒートポンプ２２の冷媒との熱交換により冷却される。そして、水素ガスは、熱交換器２９においてヒートポンプ２３の冷媒との熱交換により冷却される。つまり、冷却部２０は、複数のヒートポンプ２１〜２３の冷媒との熱交換により水素ガスを順次冷却する。冷却部２０により冷却された水素ガスは、導入ラインＬ３により液化部３０に導入される。
【００２８】
液化部３０は、複数（ここでは３つ）のオルソ−パラ変換器３１〜３３と、エジェクタ３４と、複数（ここでは２つ）の貯留槽３５，３６と、を有している。液化部３０は、液化部ラインＬ７〜Ｌ１１を有している。液化部ラインＬ７〜Ｌ１１は、水素ガス（液化水素を含む場合がある）の流路である。導入ラインＬ３は、オルソ−パラ変換器３１に接続されている。液化部ラインＬ７は、オルソ−パラ変換器３１とエジェクタ３４とを互いに接続する。
【００２９】
液化部ラインＬ８は、エジェクタ３４とオルソ−パラ変換器３２とを互いに接続している。液化部ラインＬ９は、オルソ−パラ変換器３２とオルソ−パラ変換器３３とを互いに接続している。液化部ラインＬ１０は、オルソ−パラ変換器３３を、図示しない外部の液化水素のタンクに接続する。液化部ラインＬ１１は、貯留槽３６とエジェクタ３４とを互いに接続している。なお、エジェクタ３４の下流では、水素ガスと液化水素とが同時に流通している場合、及び、液化水素のみが流通している場合がある。したがって、以下では、水素ガス及び液化水素を単に水素と称する場合がある。
【００３０】
オルソ−パラ変換器３１〜３３は、水素に対してオルソ−パラ（Ortho-Para）変換を行う。すなわち、オルソ−パラ変換器３１〜３３は、オルソ水素をパラ水素に変換する。オルソ−パラ変換は発熱を伴うため、水素の温度は、オルソ−パラ変換器３１〜３３を通過する際に上昇する。液化部ラインＬ７は、オルソ−パラ変換器３１とエジェクタ３４との間において、熱交換器２９に導入される。したがって、オルソ−パラ変換器３１を通過して温度が上昇した水素ガスは、熱交換器２９において、ヒートポンプ２３の冷媒との熱交換により冷却される。
【００３１】
エジェクタ３４は、液化部ラインＬ７により導入された水素ガスを膨張（ジュール＝トムソン膨張）させ、液化部ラインＬ８に導出する。これにより、水素ガスの温度が大幅に低下する。したがって、ここでは、水素ガスの少なくとも一部が液化される。また、エジェクタ３４は、後述する貯留槽３６において蒸発により発生した水素ガスを、液化部ラインＬ１１を介して導入し、液化部ラインＬ８に導出する。
【００３２】
貯留槽３５は、常圧状態において液化水素Ｃを貯留している。水素液化装置１においては、製造した液化水素の一部を貯留槽３５に導入し、貯留槽３５内の液化水素Ｃの量を維持している。貯留槽３５には、液化部ラインＬ８及び液化部ラインＬ９が導入されている。したがって、エジェクタ３４から導出されて液化部ラインＬ８を流通する水素は、貯留槽３５において液化水素Ｃとの熱交換により冷却された後にオルソ−パラ変換器３２に導入される。また、オルソ−パラ変換器３２から導出されて液化部ラインＬ９を流通する水素は、再び、貯留槽３５において液化水素Ｃとの熱交換により冷却される。
【００３３】
貯留槽３６は、減圧状態において液化水素Ｃを貯留している。このため、貯留槽３６に貯留されている液化水素Ｃの温度は、貯留槽３５に貯留されている液化水素Ｃの温度よりも低くされている。つまり、貯留槽３６は、水素の深冷のための貯留槽である。貯留槽３６には、液化部ラインＬ９及び液化部ラインＬ１０が導入されている。したがって、貯留槽３５を通過した水素は、貯留槽３６において液化水素Ｃとの熱交換によりさらに冷却され、オルソ−パラ変換器３３に導入される。
【００３４】
また、オルソ−パラ変換器３３から導出されて液化部ラインＬ１０を流通する水素は、再び、貯留槽３６において液化水素Ｃとの熱交換により冷却された後に、タンクに貯留される。なお、貯留槽３５と貯留槽３６とは、バルブＢを介して互いに接続されている。したがって、貯留槽３６においても、製造された液化水素の一部が導入され、貯留槽３６内の液化水素Ｃの量が維持される。また、上述したように、貯留槽３６において蒸発により発生した水素ガスは、液化部ラインＬ１１を介してエジェクタ３４に導入され、一方で貯留槽３６を減圧状態にする。
【００３５】
一方、貯留槽３５において蒸発により発生した水素ガスは、リサイクルラインＬ４を介して導入ラインＬ１に戻される（リサイクルされる）。リサイクルラインＬ４には、上記のタンクから延びる導入ラインＬ１２が接続されている。したがって、タンクにおいて蒸発により発生した水素ガスも、リサイクルラインＬ４を介して導入ラインＬ１に戻される。リサイクルラインＬ４は、熱交換器２９、熱交換器２７、及び、熱交換器２５を流通し、冷却部２０を流れる水素ガスを順次冷却する。
【００３６】
或いは、リサイクルラインＬ４を流通する水素ガス（リサイクルガス）は、ヒートポンプ２３の冷媒との熱交換、ヒートポンプ２２の冷媒との熱交換、及び、ヒートポンプ２１の冷媒との熱交換により順次加熱される。換言すれば、ヒートポンプ２１〜２３の冷媒は、リサイクルラインＬ４を流通する水素ガスにより冷却される。
【００３７】
以上の液化部３０においては、まず、冷却部２０により冷却された水素ガスが導入ラインＬ３を介してオルソ−パラ変換器３１に導入される。オルソ−パラ変換器３１に導入された水素ガスは、オルソ−パラ変換され温度が上昇してオルソ−パラ変換器３１から液化部ラインＬ７に導出される。液化部ラインＬ７を流通する水素ガスは、熱交換器２９において冷却された後にエジェクタ３４に導入される。
【００３８】
エジェクタ３４に導入された水素ガスは、膨張により少なくとも一部が液化されつつ、液化部ラインＬ８に導出される。液化部ラインＬ８を流通する水素は、貯留槽３５において冷却された後にオルソ−パラ変換器３２に導入される。オルソ−パラ変換器３２に導入された水素は、オルソ−パラ変換され温度が上昇してオルソ−パラ変換器３２から液化部ラインＬ９に導出される。液化部ラインＬ９を流通する水素は、貯留槽３５及び貯留槽３６において順次冷却された後に、オルソ−パラ変換器３３に導入される。
【００３９】
オルソ−パラ変換器３３に導入された水素は、オルソ−パラ変換され温度が上昇してオルソ−パラ変換器３３から液化部ラインＬ１０に導出される。液化部ラインＬ１０を流通する水素は、貯留槽３６において冷却された後に、タンクに貯留される。これにより、水素液化装置１において液化水素が製造される。すなわち、水素ガスから液化水素が取り出される。一方、貯留槽３５、貯留槽３６、及び、上記タンクにおいて蒸発により発生した水素ガスは、リサイクルラインＬ４を流通して導入ラインＬ１に戻される。その過程において、水素ガスは、熱交換器２９、熱交換器２７、及び、熱交換器２５により順次加熱される。
【００４０】
以上説明したように、水素液化装置１においては、液化の対象となる水素ガスは、まず、圧縮部１０により圧縮される。圧縮された水素ガスは、冷却部２０により冷却される。そして、冷却された水素ガスは、液化部３０において膨張されて液化される。冷却部２０においては、水素ガスは、複数のヒートポンプ２１〜２３の冷媒との熱交換により冷却される。したがって、水素ガスから液化水素を取り出すことによる冷却能力の低下を考慮することなく液化水素を取り出すことが可能である。すなわち、水素液化装置１によれば、製造される液化水素（液体）の収率を向上可能である。さらに、ヒートポンプ２１〜２３においては、冷媒が消費されずに循環する。このため、水素ガスの冷却に際して、外部から継続的に冷媒を供給する必要がない。よって、水素液化装置１によれば、継続的に冷媒を供給することなく水素ガスを液化可能である。
【００４１】
また、水素液化装置１においては、冷却部２０は、ヒートポンプ２１と、ヒートポンプ２１よりも水素ガスの流路（導入ラインＬ２）の下流側に設けられたヒートポンプ２２と、を含む。また、冷却部２０は、ヒートポンプ２２と、ヒートポンプ２２よりも水素ガスの流路の下流側に設けられたヒートポンプ２３と、を含む。そして、ヒートポンプ２１は、ヒートポンプ２１の冷媒とヒートポンプ２２の冷媒との熱交換によりヒートポンプ２２の冷媒を冷却する。
【００４２】
また、ヒートポンプ２２は、ヒートポンプ２２の冷媒とヒートポンプ２３の冷媒との熱交換によりヒートポンプ２３の冷媒を冷却する。このように、複数のヒートポンプのうちの相対的に上流側のヒートポンプの冷媒を用いて、相対的に下流側のヒートポンプの冷媒を冷却すれば、水素ガスの流路に沿って順次冷媒の温度を低くすることができる。
【００４３】
さらに、水素液化装置１においては、ヒートポンプ２１〜２３の冷媒は、例えば単原子分子を含む。一例として、ヒートポンプ２１〜２３の冷媒はアルゴンである。このため、ヒートポンプ２１〜２３において、一定の圧縮仕事に対して、その後のジュール＝トムソン膨張によって冷媒をより低い温度にすることが可能となる。
［第２実施形態］
【００４４】
図３及び図４は、第２実施形態に係る気体液化装置を示す図である。図３，４に示される水素液化装置１Ａは、液化部３０に代えて液化部３０Ａを備える点と、オルソ−パラ変換器１８及び熱交換器１９をさらに備える点において、第１実施形態に係る水素液化装置１と相違している。
【００４５】
オルソ−パラ変換器１８は、導入ラインＬ２において、熱交換器２５の上流側に設けられている。熱交換器１９は、導入ラインＬ２において、オルソ−パラ変換器１８と熱交換器２５との間に設けられている。したがって、水素液化装置１Ａにおいては、圧縮部１０により冷却された水素ガスは、オルソ−パラ変換器１８においてオルソ−パラ変換され温度が上昇する。その後、水素ガスは、熱交換器１９において所定の冷媒との熱交換により冷却され、冷却部２０に導入される。熱交換器１９の冷媒は、例えば水又は空気である。
【００４６】
液化部３０Ａは、オルソ−パラ変換器３１，３２、膨張器３７、貯留槽３８、凝縮器３９、熱交換器４０、及び、ヒートポンプ４１を有している。また、液化部３０Ａは、液化部ラインＬ１３〜Ｌ１６を有している。液化部ラインＬ１３〜Ｌ１６は、水素ガス（液化水素を含む場合がある）の流路である。液化部ラインＬ１３は、オルソ−パラ変換器３１と膨張器３７とを互いに接続する。液化部ラインＬ１４は、膨張器３７とオルソ−パラ変換器３２とを互いに接続している。液化部ラインＬ１５は、オルソ−パラ変換器３２と貯留槽３８とを互いに接続する。液化部ラインＬ１６は、貯留槽３８を図示しない外部の液化水素のタンクに接続する。
【００４７】
膨張器３７は、オルソ−パラ変換器３１から導出され、熱交換器２９を介して液化部ラインＬ１３から導入された水素ガスを膨張（ジュール＝トムソン膨張）させる。これにより、水素ガスの温度が大幅に低下する。このため、ここでは、水素ガスの少なくとも一部が液化される。また、膨張器３７の下流では、水素ガスと液化水素とが同時に流通している場合、及び、液化水素のみが流通している場合がある。膨張器３７から導出されて液化部ラインＬ１４を流通する水素は、オルソ−パラ変換器３２に導入される。
【００４８】
貯留槽３８は、オルソ−パラ変換器３２から導出され液化部ラインＬ１５を流通した水素を貯留する。液化部ラインＬ１５は、凝縮器（熱交換器）３９に導入されている。したがって、オルソ−パラ変換器３２から貯留槽３８に向かう水素は、凝縮器３９において、冷却される。貯留槽３８に貯留された液化水素Ｃは、液化部ラインＬ１６から取り出されて上記のタンクに導入される。また、貯留槽３８において蒸発により生じた水素ガス（又は、貯留槽３８に至るまでに液化しなかった水素ガス）は、上記の第１実施形態と同様に、リサイクルラインＬ４を介して導入ラインＬ１に戻される。
【００４９】
ヒートポンプ４１は、閉じた冷媒流路Ｆ４と、冷媒流路Ｆ４上に順に設けられた圧縮機４１ａ及び膨張器４１ｂと、を有している。ヒートポンプ４１の冷媒は、単原子分子（例えばアルゴン、ヘリウム、又は、ネオン）を含む。ヒートポンプ４１の冷媒は、例えば、ヘリウムである。圧縮機４１ａから膨張器４１ｂに向かう冷媒流路Ｆ４には、熱交換器４０が設けられている。熱交換器４０には、ヒートポンプ２３の冷媒流路Ｆ３が導入されている。つまり、ヒートポンプ４１は、熱交換器４０において、ヒートポンプ２３に熱的に接続されている。
【００５０】
また、冷媒流路Ｆ４は、膨張器４１ｂから圧縮機４１ａに向かう間において、図では凝縮器３９及び貯留槽３８に順に導入されているが、順番が入れ替わる場合もある。したがって、ヒートポンプ４１は、凝縮器３９において、液化部ラインＬ１５に熱的に接続されている。このようなヒートポンプ４１においては、冷媒は、圧縮機４１ａにおいて圧縮される。圧縮機４１ａにより圧縮された冷媒は、熱交換器４０においてヒートポンプ２３の冷媒との熱交換により冷却される。
【００５１】
熱交換器４０において冷却された冷媒は、膨張器４１ｂにおいて膨張され、さらに低温とされる。膨張器４１ｂにより膨張された冷媒は、凝縮器３９において、液化部ラインＬ１５を流通する水素との熱交換により加熱される（すなわち、水素を冷却する）。凝縮器３９において加熱された冷媒は、貯留槽３８において、貯留槽３８に貯留された液化水素との熱交換によりさらに加熱される（すなわち、水素をさらに深く冷却する）。貯留槽３８において加熱された冷媒は、圧縮機４１ａに戻される。
【００５２】
以上の液化部３０Ａにおいては、まず、冷却部２０により冷却された水素ガスが導入ラインＬ３を介してオルソ−パラ変換器３１に導入される。オルソ−パラ変換器３１に導入された水素ガスは、オルソ−パラ変換され温度が上昇してオルソ−パラ変換器３１から液化部ラインＬ１３に導出される。液化部ラインＬ１３を流通する水素ガスは、熱交換器２９において冷却された後に膨張器３７に導入される。
【００５３】
膨張器３７に導入された水素ガスは、膨張により少なくとも一部が液化されつつ、液化部ラインＬ１４に導出される。液化部ラインＬ１４を流通する水素は、オルソ−パラ変換器３２に導入される。オルソ−パラ変換器３２に導入された水素は、オルソ−パラ変換され温度が上昇してオルソ−パラ変換器３２から液化部ラインＬ１５に導出される。液化部ラインＬ１５を流通する水素は、凝縮器３９において冷却された後に、貯留槽３８に貯留される。貯留槽３８に貯留された液化水素Ｃは、液化部ラインＬ１６を介してタンクに取り出される。これにより、水素液化装置１Ａにおいて液化水素が製造される。
【００５４】
以上説明したように、水素液化装置１Ａにおいても、水素液化装置１と同様の効果を奏することが可能である。さらに、水素液化装置１Ａにあっては、液化部３０Ａが、水素の冷却のためのヒートポンプ４１を有している。ヒートポンプ４１は、冷却部２０のヒートポンプ２３と熱的に接続される。そして、ヒートポンプ４１の冷媒は、ヒートポンプ２３の冷媒との熱交換により冷却される。このため、水素液化装置１Ａによれば、液体水素の消費を抑えつつより効率的に水素を冷却可能である。
【００５５】
以上の実施形態は、本発明に係る気体液化装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る気体液化装置は、上述した水素液化装置１，１Ａに限定されない。本発明に係る気体液化装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した水素液化装置１，１Ａを任意に変更したものとすることができる。
【００５６】
例えば、本発明に係る気体液化装置は、上記のような水素を液化の対象とする水素液化装置に限定されない。本発明に係る気体液化装置は、例えばヘリウムガスや天然ガス（例えばメタンガス）等の他の気体を液化する装置に適用することができる。液化の対象の気体が水素でない場合、水素液化装置１，１Ａのオルソ−パラ変換器３１〜３３が不要となるが、他の構成は同様とすることができる。
【００５７】
また、ヒートポンプ２１〜２３の冷媒は、アルゴンやヘリウム等を適宜組み合わせ用いることができる。例えば、比較的上流側に位置するヒートポンプ（第１のヒートポンプ）２１，２２の冷媒をアルゴンとしつつ、比較的下流側に位置するヒートポンプ（第２のヒートポンプ）２３の冷媒をヘリウム又はネオンとすることができる。これは、下流側のヒートポンプ２３の冷媒を、上流側のヒートポンプ２１，２２の冷媒の沸点よりも低い沸点を有する冷媒とすることに相当する。この場合には、下流側のヒートポンプ２３において、より低温で気相にある冷媒を用いて気体の冷却が可能となる。
【００５８】
さらに、冷却部２０におけるヒートポンプの個数は、３つに限定されない。例えば、装置のコスト低減の観点からは、冷却部２０のヒートポンプの数を２つにしてもよい。一方、冷却部２０におけるヒートポンプの個数を多くすると、次のようなメリットがある。すなわち、まず、各ヒートポンプにおける冷媒の圧縮仕事を抑制できる。つまり、ヒートポンプ１つあたりの圧力比が大きくなると、冷媒の温度上昇により圧縮仕事（無駄な部分）が増大するが、ヒートポンプの個数を多くすると、この問題を抑制できる。
【００５９】
また、ヒートポンプの個数を多くすると、被冷却ガス（上記の実施例では水素ガス）とヒートポンプの冷媒との温度差を小さくすることにより、不可逆損失を抑制することができる。したがって、冷却部２０のヒートポンプの個数は、コスト低減の観点と、上記のメリットを得る観点との兼ね合いにより、２つ以上において任意に選択することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１、１Ａ  水素液化装置（気体液化装置）
１０  圧縮部
２０  冷却部
２１  ヒートポンプ（第１のヒートポンプ）
２２  ヒートポンプ（第１のヒートポンプ、第２のヒートポンプ）
２３  ヒートポンプ（第２のヒートポンプ）
３０、３０Ａ  液化部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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