(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガスの冷熱を利用して動力を得るスターリングエンジンと、
前記液化ガスの一部が前記スターリングエンジンのクーラーからの熱で気化することによって発生した気化ガスを、液化ガスから分離する気液分離器と、
前記気液分離器において気化ガスが分離された後の、残りの液化ガスを気化する気化器と、
を備え、
前記気液分離器は、供給された前記液化ガスを、その下部において貯留する容器を備え、
前記容器の下端部の液化ガスに埋没する位置に、前記スターリングエンジンのクーラーが配置され、
前記容器の上端部に、前記気化ガスを導出するための気体出口が設けられるとともに、前記容器の側部又は底部に、前記液化ガスを導出するための液体出口が設けられ、
前記クーラーからの熱によって気化した気化ガスが内部を上昇するように前記容器内に配置され、前記クーラーの位置から前記液体出口よりも上方の位置まで延びる筒状部材を有し、
前記筒状部材と前記容器との間、および前記筒状部材と前記クーラーとの間に、それぞれ間隙が設けられていることを特徴とする液化ガス気化システム。
【請求項２】
前記容器への前記液化ガスの供給流量を調整する流量調整手段と、
前記容器内の液化ガスの液面レベルを検出する液面検出手段と、
前記液面検出手段の検出結果に基づいて、前記液体出口よりも液化ガスの液面が常に上方に位置するように、前記流量調整手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の液化ガス気化システム。
【請求項３】
前記気化ガスが存在する前記容器の上部における水平断面積は、前記液化ガスが貯留される前記容器の下部の水平断面積よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液化ガス気化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガス等の低温液化ガスが有する冷熱エネルギーをスターリングエンジンにより動力として回収しつつ、液化ガスを気化させる、液化ガス気化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）等の低温の液化ガスを、気化器において温水や海水、あるいは、外気などの高温の熱媒体と熱交換を行わせることによって気化させる気化システムが一般的に知られている。
【０００３】
その一方で、低温の液化ガスが有する冷熱エネルギーを、スターリングエンジンにより動力として回収する、冷熱回収システムも従来から知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この冷熱回収システムは、スターリングエンジンのクーラー（低温部）を低温の液化ガスで冷却するとともに、ヒーター（高温部）を気化ガスの燃焼熱や海水等の熱媒体で加熱し、クーラーとヒーターの間の温度差によってスターリングエンジンを作動させることによって動力回収する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２２５５０号公報
【特許文献２】特開２００６−３４８８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１，２等に記載されているような冷熱回収システムを、液化ガスの気化システムに組み込めば、低温の液化ガスを気化器で気化する前に、この液化ガスの冷熱エネルギーの一部をスターリングエンジンによって動力として回収することができるため、気化システム全体のエネルギー効率の向上が期待される。しかし、実際には、次のような問題が存在する。
【０００６】
低温の液化ガスによりスターリングエンジンのクーラーを冷却する際に、クーラーからの入熱によって、液化ガスの顕熱（液温）が上昇する場合や、液化ガスが全量気化される場合は問題ないのだが、液化ガスの一部のみしか気化されない場合には、気化ガスと液化ガスが混在した気液二相流の状態で、ガスが後段の気化器に供給されることになる。
【０００７】
また、スターリングエンジンは、理想的には、低温側のクーラーと高温側のヒーターの間で少しでも温度差が存在すれば作動するとされている。しかし、実際には、ピストンの摺動抵抗やクランク軸の回転抵抗などに起因した動力損失が発生することから、スターリングエンジンを作動させるためには、クーラーとヒーターの温度差を一定以上確保しなくてはならない。そのためには、ヒーター側の温度にもよるが、クーラーを冷却する液化ガスの温度は一定温度以下である必要がある。
【０００８】
しかし、クーラーの冷却に使用される液化ガスが、主成分のメタンにプロパンやブタン等の高沸点成分が混合されたＬＮＧのように、沸点の異なる複数種類の成分の混合物である場合には、クーラーからの入熱によって、メタン等の低沸点成分が先に気化していく一方で、プロパンやブタン等の高沸点成分はそれぞれの沸点に到達するまで気化しないため、液化ガス全体の温度は上昇していく。そして、高沸点成分がまだ液体のままで残存していても、液化ガスの温度がスターリングエンジンを作動させるのに最低限必要な温度まで上昇していると、それ以上、この液化ガスからは冷熱を回収できないことから、必然的に、気液二相流の状態でガスが気化器に供給されることになる。
【０００９】
このように、気化器に、液化ガスと気化ガスとが混在した二相流の状態でガスが供給されることは、気化器に対して様々な悪影響を及ぼす。例えば、液化ガスを気化させることを目的とする気化器は、通常、液化ガスのみを受け入れた条件下で、要求されている所定の気化性能を満足するように設計される。しかし、ガスが二相流の状態で供給された場合には、気体が存在しているが故に、液化ガスのみが供給された場合と比べて、気化器配管内での液化ガスへの熱伝達率が小さくなる。そのため、液化ガスに十分な熱量が与えられず、液化ガスを完全に気化できない、あるいは、気化器から送出される気化ガスの温度を設計温度以上にすることができない等、要求される気化性能を発揮できなくなる虞がある。また、気液二相流の状態でガスが気化器へ供給されると、気化器内における各気化器配管において配管振動が発生しやすくなり、疲労破壊が発生する原因にもなる。
【００１０】
本発明の目的は、スターリングエンジンのクーラーを冷却する際に発生する気化ガスを液化ガスから分離して、液化ガスと気化ガスが混在した二相流の状態でガスが気化器に供給されるのを防止することである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
第１の発明の液化ガス気化システムは、液化ガスの冷熱を利用して動力を得るスターリングエンジンと、前記液化ガスの一部が前記スターリングエンジンのクーラーからの熱で気化することによって発生した気化ガスを、液化ガスから分離する気液分離器と、前記気液分離器において気化ガスが分離された後の、残りの液化ガスを気化する気化器とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この構成によれば、スターリングエンジンのクーラーを冷却する際に、液化ガスの一部がクーラーからの熱で気化することによって発生した気化ガスが、気液分離器において、液化ガスから分離される。そのため、気化器には液体（液化ガス）のみが供給されることになり、気化ガスが混在した気液二相流の状態で供給されることに起因して生じる、気化器への様々な悪影響が防止される。
【００１３】
第２の発明の液化ガス気化システムは、前記第１の発明において、前記気液分離器は、供給された前記液化ガスを、その下部において貯留する容器を備え、前記容器の下端部の液化ガスに埋没する位置に、前記スターリングエンジンのクーラーが配置され、前記容器の上端部に、前記気化ガスを導出するための気体出口が設けられるとともに、前記容器の側部又は底部に、前記液化ガスを導出するための液体出口が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
この構成によれば、容器の下部には液化ガスの層が存在する一方で、容器上部には気化ガスの層が存在することになる。また、容器の下端部には、貯留された液化ガスに埋没するようにスターリングエンジンのクーラーが配置されている。従って、容器の下端部において、クーラーからの熱で発生した気化ガスは、液化ガス中を上方へ移動して液化ガスから分離し、さらに、容器の上端部に設けられた気体出口から容器外へ導出される。一方、気化せずに残った液化ガスは、容器の側部又は底部に設けられた液体出口から導出され、後段の気化器へ供給される。
【００１５】
また、液化ガスが貯留される容器の下端部にクーラーが配置されることで、容器下端部内でプール核沸騰が生じ、これによってクーラーと液化ガスの熱伝達率が格段に高くなることから、液化ガスによるクーラーの冷却を効率よく行うことができる。さらに、容器下端部に配置されたクーラーの周囲において発生した気化ガスは、クーラーから離れるように速やかに上昇していくため、クーラーと液化ガスの間の熱伝達が気化ガスによって妨げられることもない。
【００１６】
第３の発明の液化ガス気化システムは、前記第２の発明において、前記容器への前記液化ガスの供給流量を調整する流量調整手段と、前記容器内の液化ガスの液面レベルを検出する液面検出手段と、前記液面検出手段の検出結果に基づいて、前記液体出口よりも液化ガスの液面が常に上方に位置するように、前記流量調整手段を制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。
【００１７】
この構成によれば、液化ガスの液面が、容器から液化ガスが導出される液体出口よりも上方に位置する状態が常に維持されるため、液面よりも上方に存在する気化ガスが液化ガスとともに液体出口から気化器へ流れてしまうことが防止される。
【００１８】
第４の発明の液化ガス気化システムは、前記第２又は第３の発明において、前記気化ガスが存在する前記容器の上部における水平断面積は、前記液化ガスが貯留される前記容器の下部の水平断面積よりも大きくなっていることを特徴とするものである。
【００１９】
このように、気化ガスが存在する容器上部の水平断面積が、液化ガスが貯留される容器下部の水平断面積よりも大きくなっていると、液化ガスから分離して容器上端部の気体出口へ向けて流れる際の、気化ガスの流速が低下する。そのため、容器下端部の液化ガスの一部が、気化ガスの流れに伴って気体出口から排出されてしまうのを抑制することができる。
【００２０】
第５の発明の液化ガス気化システムは、前記第２〜第４の何れかの発明において、前記容器内に、前記クーラーの位置から前記液体出口よりも上方の位置まで延びる筒状部材が配置されていることを特徴とするものである。
【００２１】
この構成によれば、筒状部材の内部に、クーラーからの熱によって気化した気化ガスが上昇するのに伴って、上方へ向かう液化ガスの流れが生じる。さらに、筒状部材の上端において液化ガスが溢れ出ることによって、筒状部材の外側において、下方へ向かう液化ガスの流れが発生する。これにより、容器内の液化ガスに循環流れが発生するため、クーラーからの入熱によって生じる、液化ガスの不均一な温度分布が解消される。また、この筒状部材によって、クーラーの周囲で発生した気化ガスが、液化ガスとともに液体出口から気化器へ流出してしまうことも防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態の液化ガス気化システムの概略構成図である。本実施形態の液化ガス気化システム１は、ＬＮＧ（液化天然ガス）等の低温の液化ガスを気化させ、所定温度、所定圧力の気化ガスを下流設備へ送出するものである。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の液化ガス気化システム１は、液化ガスを貯留する液化ガスタンク２と、液化ガスタンク２から供給された低温の液化ガスの冷熱を利用して動力を得るスターリングエンジン３と、液化ガスタンク２に接続された気液分離器４と、気液分離器４から導出された液化ガスを気化させる気化器５と、気液分離器４で液化ガスから分離された気化ガスを昇温する気化ガス昇温器６と、気化システム１全体を制御する制御装置７（制御手段）などを備えている。
【００２４】
液化ガスタンク２から気液分離器４まで延びる液化ガス供給管８の途中部には、気液分離器４への液化ガスの流量を調整する流量調整装置９が設けられている。この流量調整装置９は、公知の流量調整弁を含む一般的な構成のものであり、制御装置７からの信号を受けて、気液分離器４へ供給される液化ガスの流量を所定量に調整する。
【００２５】
スターリングエンジン３は、２つのシリンダ（高温側の第１シリンダ１０及び低温側の第２シリンダ１１）と、２つのシリンダ１０，１１の内部においてそれぞれ上下に往復移動可能に配設された２つのパワーピストン１２，１３と、第１シリンダ１０を加熱するヒーター１４と、第２シリンダ１１を冷却するクーラー１５とを備えている。
【００２６】
２つのシリンダ１０，１１内にはヘリウム等の作動流体が封入されている。また、２つのシリンダ１０，１１は再生器１６を介して連通しており、両シリンダ１０，１１の間で作動流体が相互に移動できるようになっている。
【００２７】
ヒーター１４は、熱源１７からポンプ１８によって供給された、温水や海水等の高温の熱媒体から熱を受け取り、第１シリンダ１０内の作動流体を加熱する。一方、クーラー１５は、後述する気液分離器４の下端部に貯留される低温の液化ガスから冷熱を受け取り（液化ガスに熱を放散し）、第２シリンダ１１内の作動流体を冷却する。
【００２８】
２つのパワーピストン１２，１３の下端部はそれぞれクランク軸１９に連結され、両ピストン１２，１３は、所定の位相差（例えば、９０°程度）ずれた状態を維持しながら上下に往復運動し、クランク軸１９に動力を伝達する。クランク軸１９には、このクランク軸１９と一体回転するフライホイール２０が設けられている。また、クランク軸１９の端部には動力を回収する動力回収装置２１（例えば、発電機）が取り付けられる。
【００２９】
そして、第１シリンダ１０における作動流体の膨張と、第２シリンダ１１における作動流体の収縮によって、２つのパワーピストン１２，１３がそれぞれ上下に往復駆動されることでクランク軸１９が回転駆動され、このクランク軸１９に取り付けられた動力回収装置２１によって動力が回収される。
【００３０】
気液分離器４は、液化ガスの冷熱によってスターリングエンジン３のクーラー１５を冷却する際に、クーラー１５からの熱で液化ガスの一部が気化することによって発生した気化ガスを、液化ガスから分離するものである。この気液分離器４の具体的な構造に関しては後ほど説明する。
【００３１】
気液分離器４からは、気化器５へ液化ガスが送られて、気化器５により液化ガスが気化されるとともに、所定温度まで昇温される。ここで、この気化器５の前段に位置する気液分離器４において、液化ガスから気化ガスが分離されているため、気化器５には、液体（液化ガス）のみが供給され、液化ガスと気化ガスとが混在する二相流の状態でガスが供給されることはない。尚、気化器５は、特定の熱源方式のものに制限されるものではなく、空気式、海水式、温水式、あるいは、中間熱媒体式など、種々の方式のものを使用できる。
【００３２】
一方、気液分離器４で液化ガスから分離された気化ガスは、気化状態とは言え、まだかなり温度が低い状態であることから、気化ガス昇温器６へ送られて、所定温度まで昇温される。また、この気化ガス昇温器６においても、気化器５と同様に、空気式や温水式など種々の方式のものを使用できる。
【００３３】
ここで、スターリングエンジン３の作動時には、クーラー１５から液化ガスに熱が供給される（液化ガスの冷熱の一部がクーラー１５で使用される）ため、スターリングエンジン３が併設されていない場合と比較して、気化器５及び気化ガス昇温器６において、同量の液化ガスを同温度の気化ガスにするために必要な熱エネルギーは少なくてすむ。さらに、スターリングエンジン３において、液化ガスの冷熱エネルギーの一部が動力回収装置２１で動力として回収されるため、気化システム１全体のエネルギー効率は一層向上することになる。
【００３４】
気化器５から送出された気化ガスと、気化ガス昇温器６から送出された気化ガスは、混合器２２によって混合される。また、この混合器２２の後段には、混合された気化ガスの圧力を検出する圧力検出器２３と、気化ガスの温度を検出する温度検出器２４とが設けられている。
【００３５】
圧力検出器２３からの圧力検出信号と温度検出器２４からの温度検出信号は、ともに制御装置７に入力される。そして、制御装置７は、検出された気化ガスの圧力及び温度に基づいて、流量調整装置９に対して制御信号を出力し、気化ガスの圧力及び温度がそれぞれ所定の値となるように、液化ガスタンク２からの液化ガスの供給流量を制御する。
【００３６】
次に、気液分離器４について詳細に説明する。図２は気液分離器４の縦断面図である。図２に示すように、気液分離器４は、液化ガスタンク２から液化ガス供給管８を介して供給された液化ガスを、その下部において貯留する容器３０を備えている。
【００３７】
容器３０は、上下方向に長尺な形状を有する。この容器３０の下端部の側面には液化ガス供給管８が接続されており、この液化ガス供給管８から供給された液化ガスは、容器３０の下部に貯留される。また、容器３０の側部の、上下方向中央よりもやや下よりの位置には液体出口３０ａが設けられており、この液体出口３０ａは、液化ガス管２５を介して気化器５に接続されている。尚、この液体出口３０ａは容器３０の底部に設けられてもよい。一方、容器３０の上端部には気体出口３０ｂが設けられており、この気体出口３０ｂは、気化ガス管２６を介して気化ガス昇温器６に接続されている。
【００３８】
容器３０の下端部には、前述したスターリングエンジン３のクーラー１５が配置されており、容器３０とクーラー１５が一体化されている。このクーラー１５は、液化ガス供給管８から供給されて容器３０の下部に貯留される液化ガスの中に常に埋没しており、液化ガスとクーラー１５との間で熱交換が連続して行われる。
【００３９】
クーラー１５からの熱は液化ガスの顕熱及び蒸発潜熱として消費され、液化ガスの温度が上昇するとともに、液化ガスの一部が気化する。そして、液化ガスの一部が気化することにより発生した気化ガス（図２では多数の気泡４０で示されている）は、液化ガス中を上方に移動して液面に到達し、液化ガスから分離する。この気化ガスは、容器３０の上端部に設けられた気体出口３０ｂから気化ガス昇温器６へ送出される。一方、気化ガスが分離した後の液化ガスは、容器３０の側部に設けられた液体出口３０ａから気化器５へ送出される。
【００４０】
尚、液化ガスが気化して気化ガスになると、体積が急激に増加することから、気体出口３０ｂへ向かう気化ガスの流速はかなり大きなものとなる。そのため、気化ガスが液化ガスから分離する際に液化ガスが吹き上げられ、さらに、その一部が気化ガスとともに気体出口３０ｂから流出してしまう虞がある。そのため、容器３０の高さ（長さ）は、吹き上げられた液化ガスが気体出口３０ｂに到達する前に落下することができる程度に、十分大きいことが好ましい。
【００４１】
また、容器３０の下端部に、液化ガスに埋没するようにクーラー１５が配置されることで、容器３０下端部内でプール核沸騰が生じ、クーラー１５と液化ガスの間の熱伝達率が格段に高くなる。そのため、液化ガスによるクーラー１５の冷却を効率よく行うことができる。さらに、クーラー１５の周囲において発生した気化ガスは、クーラー１５から離れるように速やかに上昇していくため、クーラー１５と液化ガスの間に気化ガスが介在することによる、熱伝達率の低下が極力防止される。
【００４２】
また、図２に示すように、容器３０の下端部の内部には、クーラー１５の位置から液体出口３０ａよりも上方の位置まで延びる、筒状部材３１が設置されている。そのため、図２において矢印で示されているように、筒状部材３１の内部に、クーラー１５からの熱によって気化した気化ガスが上昇するのに伴って、上方へ向かう液化ガスの流れが生じる。さらに、筒状部材３１の上端において液化ガスが溢れ出ることによって、筒状部材３１の外側において、下方へ向かう液化ガスの流れが発生する。これにより、容器３０内の液化ガスに循環流れが発生するため、クーラー１５からの入熱によって生じる、液化ガスの不均一な温度分布が解消される。また、この筒状部材３１によって、クーラー１５の周囲で発生した気化ガスが、液化ガスとともに液体出口３０ａから気化器５へ流出してしまうことも防止される。
【００４３】
さらに、容器３０には、液化ガスの液面レベルを検出する液面検出器３２（液面検出手段）が設けられており、図１に示すように、この液面検出器３２からの液面レベル検出信号は、制御装置７に送られる。そして、制御装置７は、前述した圧力検出器２３及び温度検出器２４の検出結果に基づく制御に加えて、さらに、液面検出器３２による液面レベルの検出結果に基づいて、液体出口３０ａよりも液化ガスの液面Ａが常に上方に位置するように、流量調整装置９を制御するように構成されている。この構成によれば、液化ガスの液面Ａが液体出口３０ａよりも上方に位置する状態が常に維持されるため、液面Ａよりも上方に存在する気化ガスが液化ガスとともに液体出口３０ａから気化器５へ流れてしまうことが防止される。
【００４４】
但し、容器３０内の液化ガスの液面Ａがあまりにも上方に位置していると、気化ガスに吹き上げられた液化ガスの液滴が気体出口３０ｂへ流出してしまう虞があるので、液化ガスの液面Ａは、液体出口３０ａよりも上方であって、容器３０の上下方向中央位置よりも下方の位置に維持されることが好ましい。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態の液化ガス気化システム１においては、スターリングエンジン３のクーラー１５を冷却する際に、液化ガスの一部がクーラー１５からの熱で気化することによって発生した気化ガスが、気液分離器４において、液化ガスから分離される。そのため、気化器５には液体（液化ガス）のみが供給されることになり、気化ガスが混在した気液二相流の状態で供給されることに起因して生じる、気化器５への様々な悪影響が防止される。
【００４６】
また、気液分離器４において、液化ガスが貯留される容器３０の下端部にクーラー１５が配置されていることから、容器３０の下端部内でプール核沸騰が生じて、クーラー１５と液化ガスの間の熱伝達率が格段に高くなるため、液化ガスによるクーラー１５の冷却を効率よく行うことができる。さらに、クーラー１５の周囲において発生した気化ガスは、クーラー１５から離れるように速やかに上昇していくため、クーラー１５と液化ガスの間の熱伝達が気化ガスによって妨げられない。
【００４７】
尚、本発明を適用可能な形態は、前述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることが可能である。
【００４８】
例えば、図３に示すように、気液分離器４Ａにおいて、気化ガスが存在する容器３０Ａの上部が下部よりも膨らんでおり、この上部における水平断面積が、下部の水平断面積よりも大きくなっていてもよい。このように、容器３０Ａ上部の水平断面積が、容器３０Ａ下部の水平断面積よりも大きくなっていると、気化ガスが液化ガスから分離して容器３０Ａ上端部の気体出口３０ｂへ向けて流れる際の、気化ガスの平均流速が低下する。そのため、液化ガスの一部が、気化ガスの上方への流れに伴って気体出口３０ｂから排出されてしまうのを抑制することができる。
【００４９】
また、前記実施形態では、液化ガスを貯留する気液分離器４の容器３０と、液化ガスにより冷却されるスターリングエンジン３のクーラー１５が一体化されていたが、クーラー１５とは別体の気液分離器が、クーラー１５と気化器５の間の位置に配置されてもよい。この場合、クーラー１５との間で熱交換を行った後の、液化ガスと気化ガスが混在した二相流の状態の流体が気液分離器に供給され、気液分離器において気化ガスが液化ガスから分離された後に、液化ガスが気化器５に供給されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態に係る液化ガス気化システムの概略構成図である。
【図２】気液分離器の縦断面図である。
【図３】変更形態に係る気液分離器の縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  液化ガス気化システム
３  スターリングエンジン
４，４Ａ  気液分離器
５  気化器
７  制御装置
９  流量調整装置
１５  クーラー
３０，３０Ａ  容器
３０ａ  液体出口
３０ｂ  気体出口
３１  筒状部材
３２  液面検出器
【図１】
0004917008.tif 000002
【図２】
0004917008.tif 000003
【図３】
0004917008.tif 000004