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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024047550
(43)【公開日】2024-04-05
(54)【発明の名称】極低温流体の生産のための設備およびプロセス
(51)【国際特許分類】
F25J 1/00 20060101AFI20240329BHJP
F25J 1/02 20060101ALI20240329BHJP
【ＦＩ】
F25J1/00 C
F25J1/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023125972
(22)【出願日】2023-08-02
(31)【優先権主張番号】2209712
(32)【優先日】2022-09-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(71)【出願人】
【識別番号】591036572
【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】エムリーヌ・バンドルー
(72)【発明者】
【氏名】フロリアン・マルタン
(72)【発明者】
【氏名】リュドビック・グラナドス
(72)【発明者】
【氏名】ジャン－マルク・ベルンハルト
【テーマコード（参考）】
4D047
【Ｆターム（参考）】
4D047AA02
4D047AB07
4D047CA06
4D047CA13
4D047CA17
4D047EA00
(57)【要約】 （修正有）
【課題】極低温流体の生産、とりわけ、液化水素の生産のための設備およびプロセスを提供する。
【解決手段】少なくとも１つのコールドボックス３、４の中に位置決めされている、水素が冷却されるための回路２と熱的に交換している１セットの熱交換器５、６、７を備え、設備１は、予冷デバイス８を備え、ガスが冷却されるための回路を第１の決定された温度に予冷するように構成され、設備は、極低温冷却のためのデバイス９を備え、ガスが冷却されるための回路２を、第１の温度よりも低い第２の決定された温度に冷却するように構成され、サイクルガス冷却ユニット１５、１６、７および／又はサイクルガス加熱ユニット７、１５は、ガスが冷却されるための回路の予冷熱交換器の第１のパーツとは区別される１つ又は複数の第１のサイクル熱交換器を備え、第１のサイクル熱交換器は、予冷デバイスの予冷流体回路１８との熱的な交換によって冷却される。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも１つのコールドボックス３、４の中に位置決めされている、水素が冷却されるための回路２と熱的に交換している１セットの熱交換器５、６、７を備え、設備１は、予冷デバイス８を備え、ガスが冷却されるための回路を第１の決定された温度に予冷するように構成され、設備は、極低温冷却のためのデバイス９を備え、ガスが冷却されるための回路２を、第１の温度よりも低い第２の決定された温度に冷却するように構成され、サイクルガス冷却ユニット１５、１６、７および／又はサイクルガス加熱ユニット７、１５は、ガスが冷却されるための回路の予冷熱交換器の第１のパーツとは区別される１つ又は複数の第１のサイクル熱交換器を備え、第１のサイクル熱交換器は、予冷デバイスの予冷流体回路１８との熱的な交換によって冷却される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
極低温流体、とりわけ、液化水素の生産のための設備であって、前記設備は、ガスが冷却されるための冷却回路（２）を備え、
ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）は、上流端部（２１）と下流端部（２２）とを有しており、前記上流端部（２１）は、ガスの供給源に接続されるように設計されており、前記下流端部（２２）は、少なくとも１つのレシーバーシステム、例えば、極低温貯蔵ユニットに接続されるように設計されており、
前記設備（１）は、少なくとも１つのコールドボックス（３、４）の中に位置決めされている、水素が冷却されるための前記冷却回路（２）と熱的に交換している１セットの熱交換器（５、６、７）を備え、
前記設備（１）は、前記１セットの熱交換器の少なくとも１つの第１のパーツ（５、６）と熱的に交換している予冷のための予冷デバイス（８）を備え、前記予冷デバイスは、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）を第１の決定された温度に予冷するように構成されており、
また、前記設備（１）は、前記１セットの熱交換器の少なくとも１つの第２のパーツ（７）と熱的に交換している極低温冷却のための極低温冷却デバイス（９）を備え、
前記極低温冷却デバイスは、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）を、前記第１の決定された温度よりも低い第２の決定された温度に冷却するように構成されており、
前記予冷デバイス（８）は、予冷流体閉回路（１８）の冷凍機を備え、前記予冷流体閉回路（１８）は、予冷流体の圧縮のための圧縮デバイス（２８）と、前記予冷流体の膨張のための予冷流体膨張デバイス（３８）と、前記予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）とを備え、
前記予冷流体閉回路（１８）は、前記１セットの熱交換器の前記第１のパーツ（５、６）のうちの少なくとも１つとの熱交換のための１つ又は複数の部分を備え、
前記極低温冷却デバイス（９）は、作業回路（１９）の中のサイクルガスの冷凍のためのサイクルを備えた冷凍機を備え、前記サイクルガスは、水素、ヘリウム、ネオンのうちの少なくとも１つを含み、
前記冷凍機（９）の前記作業回路（１９）は、前記サイクルガスの圧縮のための圧縮ユニット（２９）と、圧縮された前記サイクルガスの冷却のためのサイクルガス冷却ユニット（１５、１６、７）と、圧縮及び冷却された前記サイクルガスの膨張のための膨張ユニット（３９）と、膨張された前記サイクルガスの加熱のためのサイクルガス加熱ユニット（７、１５）とを備え、
ここで、前記サイクルガス冷却ユニット（１５、１６、７）及び／又は前記サイクルガス加熱ユニット（７、１５）は、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）の予冷熱交換器の前記第１のパーツ（５、６）とは区別される１つ又は複数の第１のサイクル熱交換器（１５、１６）を備え、また、これらの第１のサイクル熱交換器（１５、１６）は、前記予冷流体閉回路（１８）において、前記予冷デバイス（８）の前記予冷流体閉回路（１８）との熱交換によって冷却されており、
前記予冷デバイス（８）は、前記予冷流体の圧縮のための前記圧縮デバイス（２８）を構成する１セットの圧縮機（２８）と、前記予冷流体膨張デバイス（３８）を形成する１セットの膨張タービン（３８）と、前記予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）とを備え、
前記少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）は、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）の１セットの予冷交換器の前記第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器（６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）のループに接続されている入力と出力とを備え、
また、前記予冷デバイス（８）は、前記予冷流体のための予冷流体サーモサイフォン（４８）を備え、前記予冷流体サーモサイフォン（４８）は、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器（１５、１６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）のループに接続されている入力と出力とを有しており、
前記１セットの予冷交換器の前記第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器（６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）のループに接続されている入力と出力とを備える前記サーモサイフォン（４８）と、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器（１５、１６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）の別のループに接続されている入力と出力とを有する前記予冷流体サーモサイフォン（４８）とは、前記予冷流体閉回路（１８）の中に並列に位置決めされている２つの区別されたサーモサイフォンである、設備。
ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）は、上流端部（２１）と下流端部（２２）とを有しており、前記上流端部（２１）は、ガスの供給源に接続されるように設計されており、前記下流端部（２２）は、少なくとも１つのレシーバーシステム、例えば、極低温貯蔵ユニットに接続されるように設計されており、
前記設備（１）は、少なくとも１つのコールドボックス（３、４）の中に位置決めされている、水素が冷却されるための前記冷却回路（２）と熱的に交換している１セットの熱交換器（５、６、７）を備え、
前記設備（１）は、前記１セットの熱交換器の少なくとも１つの第１のパーツ（５、６）と熱的に交換している予冷のための予冷デバイス（８）を備え、前記予冷デバイスは、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）を第１の決定された温度に予冷するように構成されており、
また、前記設備（１）は、前記１セットの熱交換器の少なくとも１つの第２のパーツ（７）と熱的に交換している極低温冷却のための極低温冷却デバイス（９）を備え、
前記極低温冷却デバイスは、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）を、前記第１の決定された温度よりも低い第２の決定された温度に冷却するように構成されており、
前記予冷デバイス（８）は、予冷流体閉回路（１８）の冷凍機を備え、前記予冷流体閉回路（１８）は、予冷流体の圧縮のための圧縮デバイス（２８）と、前記予冷流体の膨張のための予冷流体膨張デバイス（３８）と、前記予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）とを備え、
前記予冷流体閉回路（１８）は、前記１セットの熱交換器の前記第１のパーツ（５、６）のうちの少なくとも１つとの熱交換のための１つ又は複数の部分を備え、
前記極低温冷却デバイス（９）は、作業回路（１９）の中のサイクルガスの冷凍のためのサイクルを備えた冷凍機を備え、前記サイクルガスは、水素、ヘリウム、ネオンのうちの少なくとも１つを含み、
前記冷凍機（９）の前記作業回路（１９）は、前記サイクルガスの圧縮のための圧縮ユニット（２９）と、圧縮された前記サイクルガスの冷却のためのサイクルガス冷却ユニット（１５、１６、７）と、圧縮及び冷却された前記サイクルガスの膨張のための膨張ユニット（３９）と、膨張された前記サイクルガスの加熱のためのサイクルガス加熱ユニット（７、１５）とを備え、
ここで、前記サイクルガス冷却ユニット（１５、１６、７）及び／又は前記サイクルガス加熱ユニット（７、１５）は、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）の予冷熱交換器の前記第１のパーツ（５、６）とは区別される１つ又は複数の第１のサイクル熱交換器（１５、１６）を備え、また、これらの第１のサイクル熱交換器（１５、１６）は、前記予冷流体閉回路（１８）において、前記予冷デバイス（８）の前記予冷流体閉回路（１８）との熱交換によって冷却されており、
前記予冷デバイス（８）は、前記予冷流体の圧縮のための前記圧縮デバイス（２８）を構成する１セットの圧縮機（２８）と、前記予冷流体膨張デバイス（３８）を形成する１セットの膨張タービン（３８）と、前記予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）とを備え、
前記少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）は、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）の１セットの予冷交換器の前記第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器（６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）のループに接続されている入力と出力とを備え、
また、前記予冷デバイス（８）は、前記予冷流体のための予冷流体サーモサイフォン（４８）を備え、前記予冷流体サーモサイフォン（４８）は、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器（１５、１６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）のループに接続されている入力と出力とを有しており、
前記１セットの予冷交換器の前記第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器（６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）のループに接続されている入力と出力とを備える前記サーモサイフォン（４８）と、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器（１５、１６）と熱交換している前記予冷流体閉回路（１８）の別のループに接続されている入力と出力とを有する前記予冷流体サーモサイフォン（４８）とは、前記予冷流体閉回路（１８）の中に並列に位置決めされている２つの区別されたサーモサイフォンである、設備。
【請求項2】
ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）の予冷のための前記１セットの熱交換器の前記第１のパーツ（５、６）、前記第１のサイクル熱交換器（１５、１６）、及び前記予冷デバイス（８）の少なくとも一部（３８、４８）は、単一の第１のコールドボックス（３）の中に位置決めされていることを特徴とする、請求項１に記載の設備。
【請求項3】
前記少なくとも１つのサーモサイフォン（４８）は、少なくとも１つの入力と少なくとも２つの出力とを備え、前記２つの出力は、２つの区別された熱交換器（５、６、１５、１６）とのそれぞれの熱交換のために、前記予冷流体閉回路（１８）の２つの区別された部分に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の設備。
【請求項4】
前記１セットの熱交換器の前記第２のパーツ（７）は、水素が冷却されるための前記冷却回路（２）と前記極低温冷却デバイス（９）の前記作業回路（１９）との間の熱交換を保証する少なくとも１つの第２のサイクル熱交換器（７）を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の設備。
【請求項5】
前記第２のサイクル熱交換器（７）は、膨張ユニット（３９）の中への通過の前のサイクルガスを搬送する前記極低温冷却デバイス（９）の前記作業回路（１９）の第１の部分と熱交換し、前記膨張ユニット（３９）の中への通過の後のサイクルガスを搬送する前記極低温冷却デバイス（９）の前記作業回路（１９）の第２の部分と熱交換していることを特徴とする、請求項４に記載の設備。
【請求項6】
前記第２のサイクル熱交換器（７）は、前記第１のコールドボックス（３）とは区別された第２のコールドボックス（４）の中に位置していることを特徴とする、請求項４又は５に記載の設備。
【請求項7】
前記予冷流体閉回路（１８）は、１セットのバルブ（５８）及び／又は圧縮機を備え、前記１セットのバルブ（５８）及び／又は圧縮機は、異なる圧力において並列に２つのサーモサイフォン（４８）の動作圧力を制御するように構成されており、好ましくは、前記サーモサイフォンから来る、及び共通の前記圧縮デバイス（２８）から戻る前記予冷流体閉回路の２つのループのフロー圧力を均等化するように構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の設備。
【請求項8】
前記予冷流体は、窒素又はＭＲＣタイプの混合物（冷却剤の混合物）のうちの１つを備えるか又はそれによって構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の設備。
【請求項9】
請求項１から８のいずれか一項に記載の設備を使用して、極低温流体、とりわけ、液化水素を生産するためのプロセスであって、前記プロセスは、前記予冷デバイス（８）によって、６５Ｋから１００Ｋの間の、好ましくは、７７Ｋから９０Ｋの間の第１の温度に、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）のフローを予冷するステップと、前記予冷デバイス（８）を介して、７７Ｋから９０Ｋの間の温度にサイクル流体を予冷するステップと、前記極低温冷却デバイス（９）を介して、１８Ｋから２５Ｋの間の、好ましくは、２０Ｋから２３Ｋの間の第２の決定された温度に、ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）を冷却するステップと、を備える、プロセス。
【請求項10】
ガスが冷却されるための前記冷却回路（２）を第１の決定された温度に予冷するように構成されている少なくとも１つのサイクル熱交換器（１５、１６）及び／又は少なくとも１つの熱交換器（５、６）は、サーモサイフォン（４８）から退出する前記予冷流体閉回路（１８）の予冷流体のフローと熱交換しており、前記サーモサイフォンは、１．５バールから３．５バールの間の圧力において、及び８０．８Ｋから８９．６Ｋの間の対応する温度において動作することを特徴とする、請求項９に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、極低温流体の生産のための設備およびプロセスに関する。
【0002】
より具体的には、本発明は、極低温流体、とりわけ、液化水素の生産のための設備であって、設備は、ガスが冷却されるための回路を備え、ガスが冷却されるための回路は、上流端部と下流端部とを有しており、上流端部は、ガスの供給源に接続されるように設計されており、下流端部は、少なくとも１つのレシーバーシステム、たとえば、極低温貯蔵ユニットに接続されるように設計されており、設備は、少なくとも１つのコールドボックスの中に位置決めされている、水素が冷却されるための回路と熱的に交換している１セットの熱交換器を備え、設備は、１セットの熱交換器の少なくとも１つの第１のパーツと熱的に交換している予冷のためのデバイスを備え、デバイスは、ガスが冷却されるための回路を第１の決定された温度に予冷するように構成されており、また、設備は、１セットの熱交換器の少なくとも１つの第２のパーツと熱的に交換している極低温冷却のためのデバイスを備え、デバイスは、ガスが冷却されるための回路を、第１の温度よりも低い第２の決定された温度に冷却するように構成されており、予冷デバイスは、予冷流体閉回路冷凍機を備え、回路は、予冷流体の圧縮のためのデバイスと、予冷流体の膨張のためのデバイスと、予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォンとを備え、前記回路は、１セットの熱交換器の第１のパーツのうちの少なくとも１つと熱的に交換している１つまたは複数の部分を備え、極低温冷却デバイスは、作業回路の中のサイクルガスの冷凍のためのサイクルを備えた冷凍機を備え、サイクルガスは、水素、ヘリウム、ネオンのうちの少なくとも１つを備え、冷凍機の作業回路は、サイクルガスの圧縮のためのユニットと、圧縮されたサイクルガスの冷却のためのユニットと、圧縮および冷却されたサイクルガスの膨張のためのユニットと、膨張されたサイクルガスの加熱のためのユニットとを備える、設備に関する。
【背景技術】
【0003】
水素の液化のためのプロセスは、２つの連続したパーツ：１）予冷と、２）液化を保証する冷却とに分割されている。予冷は、予冷デバイスによって実施されることが可能であり、予冷デバイスは、たとえば、コールドボックスの中で窒素サイクル（または、別の予冷流体）を使用する。窒素サイクルの最適化は、コールドボックスのコンパクトさと性能（消費される電力）との間の妥協点である。
【0004】
予冷は、一般的に、適当な熱力学サイクルを介して冷温を作り出す閉じられた予冷流体ループを使用する予冷デバイスを介して実施される。冷温は、たとえば、予冷流体のフローの膨張のためのタービンによって作り出される。冷却されることとなる水素は、最終的な予冷交換器においてサブクールされ、コールド端部におけるその温度は、予冷流体のためのサーモサイフォンのおかげで効率的に制御される。また、液化を保証する液化サイクルの流体は、予冷ユニットの主交換器において予冷される。
【0005】
この公知の解決策は、予冷コールドボックスの中に大型の熱交換器を提供することを必要にする。対応するコールドボックスは、容積が大きい。そのうえ、エネルギー効率は、最適ではない。
【発明の概要】
【0006】
本発明の目的は、先行技術の上述の不利益のうちのいくつかまたはすべてを排除することである。
【0007】
この目的のために、本発明による設備（それは、そのうえ、上記のプリアンブルによって与えられる一般的な定義に適合している）は、サイクルガス冷却ユニットおよび／またはサイクルガス加熱回路が、ガスが冷却されるための回路の予冷熱交換器の第１のパーツとは区別される１つまたは複数の第１のサイクル熱交換器を備え、これらの第１のサイクル熱交換器は、また、予冷デバイスの予冷流体回路との熱的な交換によって冷却されるということを実質的に特徴とする。
【0008】
加えて、本発明の実施形態は、以下の特性のうちの１つまたは複数を備えることが可能である：
－ 第１のサイクル熱交換器は、サーモサイフォンから退出する回路の予冷流体フローと熱的に交換している少なくとも１つの熱交換器とを備える；
－ ガスが冷却されるための回路の予冷のための１セットの熱交換器の第１のパーツ、第１のサイクル熱交換器、および、予冷デバイスの少なくとも一部は、単一の第１のコールドボックスの中に位置決めされている；
－ 予冷流体回路において、予冷デバイスは、予冷流体の圧縮のためのデバイスを構成する１セットの圧縮機と、予冷流体膨張デバイスを形成する１セットの膨張タービンと、予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォンとを備え、少なくとも１つのサーモサイフォンは、ガスが冷却されるための回路の１セットの予冷交換器の第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路のループに接続されている入力と出力とを備える；
－ 予冷デバイスは、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路のループに接続されている入力と出力とを備えた予冷流体のためのサーモサイフォンを備える；
－ サーモサイフォンは、１セットの予冷交換器の第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路のループに接続されている入力と出力とを備え、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路の別のループに接続されている入力と出力とを有する予冷流体サーモサイフォンは、予冷流体回路の中に並列に位置決めされている２つの区別されたサーモサイフォンである；
－ 少なくとも１つのサーモサイフォンは、少なくとも１つの入力と少なくとも２つの出力とを備え、２つの出力は、２つの区別された熱交換器とのそれぞれの熱的な交換のために、予冷流体回路の２つの区別された部分に接続されている；
－ １セットの熱交換器の第２のパーツは、水素が冷却されるための回路と極低温冷却デバイスの作業回路との間の熱的な交換を保証する少なくとも１つの第２のサイクル熱交換器を備える；
－ 第２のサイクル熱交換器は、膨張ユニットの中への通過の前のサイクルガスを搬送するデバイスの作業回路の第１の部分と、前記膨張ユニットの中への通過の後のサイクルガスを搬送するデバイスの作業回路の第２の部分と熱的に交換している；
－ 第２のサイクル熱交換器は、第１のコールドボックスとは区別された第２のコールドボックスの中に位置している；
－ 予冷流体は、窒素または「ＭＲＣ」タイプの混合物のうちの１つを備えるかまたはそれによって構成されている。
－ 第１のサイクル熱交換器は、サーモサイフォンから退出する回路の予冷流体フローと熱的に交換している少なくとも１つの熱交換器とを備える；
－ ガスが冷却されるための回路の予冷のための１セットの熱交換器の第１のパーツ、第１のサイクル熱交換器、および、予冷デバイスの少なくとも一部は、単一の第１のコールドボックスの中に位置決めされている；
－ 予冷流体回路において、予冷デバイスは、予冷流体の圧縮のためのデバイスを構成する１セットの圧縮機と、予冷流体膨張デバイスを形成する１セットの膨張タービンと、予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォンとを備え、少なくとも１つのサーモサイフォンは、ガスが冷却されるための回路の１セットの予冷交換器の第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路のループに接続されている入力と出力とを備える；
－ 予冷デバイスは、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路のループに接続されている入力と出力とを備えた予冷流体のためのサーモサイフォンを備える；
－ サーモサイフォンは、１セットの予冷交換器の第１のパーツの少なくとも１つの熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路のループに接続されている入力と出力とを備え、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器と熱的に交換している予冷流体回路の別のループに接続されている入力と出力とを有する予冷流体サーモサイフォンは、予冷流体回路の中に並列に位置決めされている２つの区別されたサーモサイフォンである；
－ 少なくとも１つのサーモサイフォンは、少なくとも１つの入力と少なくとも２つの出力とを備え、２つの出力は、２つの区別された熱交換器とのそれぞれの熱的な交換のために、予冷流体回路の２つの区別された部分に接続されている；
－ １セットの熱交換器の第２のパーツは、水素が冷却されるための回路と極低温冷却デバイスの作業回路との間の熱的な交換を保証する少なくとも１つの第２のサイクル熱交換器を備える；
－ 第２のサイクル熱交換器は、膨張ユニットの中への通過の前のサイクルガスを搬送するデバイスの作業回路の第１の部分と、前記膨張ユニットの中への通過の後のサイクルガスを搬送するデバイスの作業回路の第２の部分と熱的に交換している；
－ 第２のサイクル熱交換器は、第１のコールドボックスとは区別された第２のコールドボックスの中に位置している；
－ 予冷流体は、窒素または「ＭＲＣ」タイプの混合物のうちの１つを備えるかまたはそれによって構成されている。
【0009】
また、本発明は、上記または下記に説明されている特性のいずれかによる設備を使用して、極低温流体、とりわけ、液化水素の生産のためのプロセスに関し、プロセスは、予冷デバイスによって、６５Ｋから１００Ｋの間の、好ましくは、７７Ｋから９０Ｋの間の第１の温度に、ガスが冷却されるための回路のフローを予冷するステップと、予冷デバイスを介して、７７Ｋから９０Ｋの間の温度に、サイクル流体を予冷するステップと、極低温冷却デバイスを介して、１８Ｋから２５Ｋの間の、好ましくは、２０Ｋから２３Ｋの間の第２の決定された温度に、ガスが冷却されるためのガス回路を冷却するステップとを備える。
【0010】
他の可能な際立った特徴によれば、
－ ガスが冷却されるための回路を第１の決定された温度に予冷するように構成されている少なくとも１つのサイクル熱交換器および／または少なくとも１つの熱交換器は、サーモサイフォンから退出する回路の予冷流体のフローと熱的に交換しており、サーモサイフォンは、１．５バールから３．５バールの間の圧力において、および、８０．８Ｋから８９．６Ｋの間の対応する温度において動作する。
－ ガスが冷却されるための回路を第１の決定された温度に予冷するように構成されている少なくとも１つのサイクル熱交換器および／または少なくとも１つの熱交換器は、サーモサイフォンから退出する回路の予冷流体のフローと熱的に交換しており、サーモサイフォンは、１．５バールから３．５バールの間の圧力において、および、８０．８Ｋから８９．６Ｋの間の対応する温度において動作する。
【0011】
また、本発明は、特許請求の範囲の文脈において上記または下記に説明されている特性の任意の組み合わせを備える任意の代替的なデバイスまたはプロセスに関することも可能である。
【0012】
さらなる特定の特徴および利点は、図を参照して提供される以下の説明を読むと明らかになることとなる。
【0013】
本発明は、以下の説明を読むことからより良好に理解されることとなり、以下の説明は、単なる例としておよび添付の図面を参照して与えられる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
図の全体を通して、同じ参照符号は、同じエレメントに関する。
【0016】
この詳細な説明において、以下の実施形態は、例である。説明は１つまたは複数の実施形態に言及しているが、これは、特性が単一の実施形態のみに適用されるということを意味するものではない。異なる実施形態の簡単な特性は、特許請求の範囲の文脈において他の実施形態を提供するために、組み合わせられおよび／または相互交換されることが可能である。
【0017】
［図１］に概略的に図示されている極低温流体の生産のための設備１は、ガス（とりわけ、水素）が冷却／液化されるための回路２を備える。ガスが冷却されるためのこの回路２は、上流端部２１と下流端部２２とを有しており、上流端部２１は、ガスの供給源に接続されるように設計されており、下流端部２２は、少なくとも１つのレシーバーシステム（たとえば、液化ガス極低温貯蔵ユニット）に接続されるように設計されている。
【0018】
設備１は、１セットの熱交換器５、６、７を備え、それは、少なくとも１つのコールドボックス３、４の中に位置決めされており、水素が冷却されるための回路２と熱的に交換している。
【0019】
設備１は、１セットの熱交換器（または、ガスが冷却されるための回路２の予冷のための交換器５、６）の少なくとも１つの第１のパーツ５、６と熱的に交換している予冷デバイス８を備える。予冷デバイス８は、ガスが冷却されるための回路２を第１の決定された温度に（たとえば、６５Ｋから１００Ｋの間に、好ましくは、７７Ｋから９０Ｋの間に）冷却するように構成されている。
【0020】
また、設備１は、１セットの熱交換器の少なくとも１つの第２のパーツ７（さらに下流）と熱的に交換している極低温冷却のためのデバイス９を備える。冷却デバイス９は、ガスが冷却されるための回路２を、第１の温度から、第１の温度よりも低い第２の決定された温度に（たとえば、１８Ｋから２５Ｋの間に、好ましくは、２０Ｋから２３Ｋの間に）冷却するように構成されている。
【0021】
図示されているように、１セットの熱交換器のこの第２のパーツ７は、水素が冷却されるための回路２と以降で説明されている極低温冷却デバイス９の作業回路１９との間の熱的な交換を保証する少なくとも１つの第２のサイクル熱交換器７を備える。
【0022】
予冷デバイス８は、たとえばＳｏｎｇｗｕｔ Ｋｒａｓａｅ－ｉｎによる博士論文（「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」ＩＳＢＮ９７８－８２－４７１－１８６９－６．ｒ、４３ページおよび４４ページ）に提案されているコンポーネントから構成された予冷流体（たとえば、窒素）または冷却剤流体の混合物（ＭＲＣ：mixture of refrigerant fluids）のための閉回路冷凍機１８を備える。回路１８は、直列におよび／または並列に位置決めされており、予冷流体の圧縮のためのデバイス２８（直列および／または並列になった１つまたは複数の圧縮機）と、予冷流体の膨張のためのデバイス３８（直列および／または並列になった１つまたは複数のタービンまたはバルブ）と、予冷流体のための少なくとも１つのサーモサイフォン４８とを備える。
【0023】
回路１８は、１セットの熱交換器の第１のパーツ５、６の少なくとも１つの熱交換器との熱的な交換のための１つまたは複数の部分を備える。
【0024】
したがって、予冷流体は、回路１８において圧縮－冷却－膨張－加熱のサイクルを受け、それは、ガスが冷却されるための回路２と熱的に交換した状態に置かれている回路の少なくとも１つの端部において、コールドパワーを作り出す。
【0025】
とりわけ、ガスが冷却されるための回路２は、少なくとも１つの最終的な交換器６（上流から下流に向かう最終的なもの）において予冷され、コールド端部におけるその温度は、サーモサイフォン４８によって発生させられる予冷流体のフローのおかげで効率的に制御されることが可能である。
【0026】
サーモサイフォン４８は、膨張－収縮および浮力に基づく流体（ガスおよび／または液体）の循環のためのシステムであり、循環は、進入／退出する流体の異なるフローの間の温度の差によって保証される。
【0027】
サーモサイフォン４８は、たとえば、ガスが冷却されるための回路２の少なくとも１つの予冷熱交換器６と熱的に交換している予冷流体回路１８のループに接続されている少なくとも１つの入力と１つの出力とを備える。サーモサイフォン４８は、たとえば、下側流体入力と、流体の加熱のための内側チャンバーと、このチャンバーの上部に位置決めされている垂直ダクト（ベント）と、入力の軸線に対して垂直方向になっている流体出力とを備える。
【0028】
極低温冷却デバイス９は、その一部に関して、作業回路１９の中のサイクルガスのための冷凍サイクル冷凍機を備える。サイクルガスは、好ましくは、水素、ヘリウム、ネオンのうちの少なくとも１つを備える。
【0029】
冷凍機９の作業回路１９は、好ましくは、閉じられており、また、サイクルガスの圧縮のためのユニット２９（直列および／または並列になった１つまたは複数の圧縮機）と、圧縮されたサイクルガスの冷却のためのユニット１５、１６、７（１つまたは複数の熱交換器）と、圧縮および冷却されたサイクルガスの膨張のためのユニット３９（直列および／または並列になった１つまたは複数のタービンまたはバルブ）と、膨張されたサイクルガスの加熱のためのユニット７、１５（直列および／または並列になった１つまたは複数の圧縮機）とを備える。
【0030】
したがって、作業流体は、圧縮－冷却－膨張－加熱のサイクルを受け、それは、回路１９の少なくとも１つの端部においてコールドパワーを作り出し、回路１９は、ガスを液化する目的のためにガスが冷却されるための回路２と熱的に交換した状態に置かれている。
【0031】
図示されているように、サイクルガスの冷却のためのユニット１５、１６、７、および、サイクルガスの加熱のためのユニット７、１５は、１つまたは複数の熱交換器（好ましくは、向流）を備えることが可能であり、比較的に冷温のフローと高温のフローとの間の熱的な交換を保証する（それらのそれぞれの加熱および冷却を保証するために）。
【0032】
とりわけ、サイクルガスの予冷および／またはサイクルガスの加熱のために、冷凍機９は、１つまたは複数の第１のサイクル熱交換器１５、１６を備え、それらは、ガスが冷却されるための回路２を予冷するように構成されている熱交換器の第１のパーツ５、６とは区別されている。
【0033】
加えて、これらの第１のサイクル熱交換器１５、１６は、予冷デバイス８の予冷流体の回路１８との熱的な交換によって冷却されている。
【0034】
換言すれば、ガス（たとえば、水素）が冷却されるための回路２の予冷、および、サイクルガス（たとえば、ヘリウムをベースとする）の予冷は、別個の区別された交換器における予冷流体回路（たとえば、窒素をベースとする）によって実施される。
【0035】
換言すれば、冷凍機サイクル９の作業流体は、少なくとも１つの第１の専用のサイクル熱交換器１５、１６において予冷され、それは、冷却されることとなる流体の回路２とは交換しない。
【0036】
加えて、このサイクルガスは、熱交換器１６において予冷されることが可能であり、コールド端部におけるその温度は、サーモサイフォン４８（好ましくは、ガス回路２の予冷を保証する、以前に説明されたサーモサイフォン４８とは区別されるサーモサイフォン４８）によって発生させられる予冷流体のフローによって効率的に制御されることが可能である。
【0037】
したがって、および、表されているように、第１のサイクル熱交換器１５、１６に関連付けられるサーモサイフォン４８、および、ガスが冷却されるための回路２の少なくとも１つの予冷交換器に関連付けられるサーモサイフォン４８は、区別されることが可能であり、たとえば、予冷流体回路１８において並列におよび／または直列に位置決めされることが可能である。
【0038】
したがって、専用の熱交換器における予冷流体による冷凍機９のサイクルガスの予冷（冷却されることとなる回路２の予冷とは区別される）は、水素が冷却されるための回路２の予冷および冷凍機９のサイクルガスの予冷を最大化することを可能にする。
【0039】
図示されているように、その膨張および冷却されることとなるガスの回路２とのその熱的な交換の後に、冷凍機９のサイクルガスは、圧縮ユニット２９に向けて戻ることによって、（圧縮ユニット２８に戻る前に）熱交換器１５における予冷流体にキログラムカロリーを生み出すことが可能である。
【0040】
図示されているように、サーモサイフォン４８は、少なくとも１つの入力と少なくとも２つの出力とを備えることが可能であり、２つの出力は、関係する熱交換器５、６、１５、１６と熱的に交換している予冷流体回路１８の２つの区別された部分に接続されている。
【0041】
予冷流体のためのサーモサイフォン４８は、たとえば、少なくとも１つの第１のサイクル熱交換器１５、１６と熱的に交換している予冷流体回路１８のループに接続されている少なくとも１つの入力と１つの出力とを有している。
【0042】
換言すれば、第１の熱交換器１５、１６は、サーモサイフォン４８から退出する回路１８の予冷流体のフローと熱的に交換する少なくとも１つの熱交換器を備える。
【0043】
少なくとも１つの交換器１６に接続されているサーモサイフォン４８は、冷凍機９のサイクル流体の温度を効率的に制御することを可能にする。
【0044】
予冷液体は、予冷デバイス８によって作り出される。液体予冷流体は、サーモサイフォン４８に送られる前に、タービン３８またはバルブにおいて膨張されることが可能である。設備が複数のサーモサイフォン４８を備えるケースでは、サーモサイフォン４８の中の圧力同士は、異なっていることが可能である。サーモサイフォン４８によっておよび膨張デバイス３８によって作り出された低圧予冷流体は、熱交換器（一方では、回路２の予冷熱交換器５、６、および、他方では、冷凍機回路９の熱交換器１５、１６）のうちのいくつかまたはすべてと熱的に交換した状態に置かれることが可能である。比較的に冷温の冷却流体のこのフローまたはこれらのフローは、冷却されることとなるガス２とサイクルガスとを冷却するために、関係する交換器にキログラムカロリーをそれぞれ生み出す。このように加熱された冷却流体は、予冷デバイス８の同じ圧縮機２８の入力に送られ、新しいサイクルが始まることが可能である。
【0045】
ガスが冷却されるための回路２の予冷のために、および、（それぞれの分離された予冷フローによる）作業ガスのための回路１９の予冷のために、分離された交換器をそれぞれ備えたこの構成は、先行技術のものより相対的に小さいサイズを有するコールドボックス３交換器において使用することを可能にする。加えて、ガスが冷却されるための回路２の予冷のための、および、冷凍機９のサイクル流体のための、デバイス８のコールドパワーのこの別個の分配は、設備の全体的な効率を増加させる。
【0046】
冷凍機９のサイクルガスの予冷のためにサーモサイフォン４８を使用することは、冷凍機９のサイクルガスをより低い温度に予冷することを可能にする。これは、コールドボックス４において回路２の冷却されることとなるガスの液化のためのエネルギー消費を減少させることを可能にする。液体予冷流体の温度がサーモサイフォン４８の中の圧力によって制御されるので、温度は低下されることが可能である。加えて、熱的な交換は、専用の交換器６、１６において、より大きくなっていることが可能である。
【0047】
図示されているように、ガスが冷却されるための回路２の予冷のために構成されている熱交換器５、６、第１のサイクル熱交換器１５、１６、および、予冷デバイス８の少なくとも一部３８、４８（コールドエレメント：タービン、サーモサイフォン、コールドダクト、コールドバルブなど）は、単一の第１の予冷コールドボックス３の中に位置決めされている。
【0048】
この第１のコールドボックス３は、好ましくは、真空の下で熱的に絶縁されているか、または、パーライト（もしくは、別の絶縁体）によって熱的に絶縁されており、たとえばガス（たとえば、窒素など）によって掃気される。
【0049】
ガスが冷却されるための回路２のガスを液化するために提供される第２のサイクル熱交換器７は、好ましくは、第１のコールドボックス３（真空の下でまたは別の手段によって熱的に絶縁されている）とは区別される第２のコールドボックス４の中に位置している。また、この第２のコールドボックス４は、好ましくは、関連の極低温コンポーネント（タービン、バルブなど）を含有している。
【0050】
図示されているように、最終的な第２のサイクル熱交換器７は、膨張ユニット３９（タービン３９）の中への通過の前のサイクルガスを搬送するデバイス９の作業回路１９の第１の部分と、前記膨張ユニット３９の中への通過の後のサイクルガスを搬送するデバイス９の作業回路１９の第２の部分と熱的に交換していることが可能である。換言すれば、サイクル交換器７は、冷凍機９の作業回路１９の複数の通路を備えることが可能である。
【0051】
２つのサーモサイフォン４８を並列に配置することは、異なる圧力においてこれらの２つのサーモサイフォンを動作させることを可能にすることができ、予冷サイクルにおける負荷の損失（圧縮機２８の入力に関する限り）が、（ガスが冷却されるための回路２と熱的に交換５、６している予冷回路の側において、および、第１のサイクル交換器の液化サイクルとの熱交換１５、１６の側において）回路の両方の分岐において同一になるようになっている。
【0052】
加えて、この配置によれば、冷凍機の第１のサイクル交換器１５、１６と熱的に交換しているサーモサイフォン４８の側における圧力を減少させることが可能である。これは、比較的にわずかに多くサイクルガスを予冷することを可能にする。これは、設備の性能および全体的な制御を改善することを可能にする。
【0053】
予冷流体回路１８は、好ましくは、２つのサーモサイフォン４８の動作圧力を並列に制御することを可能にする１セットのバルブを備える。たとえば、２つのバルブ５８は、サーモサイフォン４８の中への流体の入力をそれぞれ制御する（たとえば、ジュールトムソンタイプのバルブ）。
【0054】
変形例として、または、組み合わせて、１つのバルブ／複数のバルブが、圧縮デバイスの入力における圧力を調整するために（回路の２つのループのフローが共通の圧縮機２８の入力において同じ圧力に戻ることを保証するために）、圧縮機２８から上流において予冷流体回路１８の中に提供されることが可能である。
【0055】
変形例として、または、組み合わせて、第２のサーモサイフォン４８（冷凍機９の第１の交換器１５に関連付けられる）は、亜大気圧圧縮機（sub-atmospheric compressor）に接続されることが可能であり、亜大気圧圧縮機は、その中の圧力をさらに減少させるように構成されている。
【0056】
［図２］は、第２のサーモサイフォン４８を圧縮器官（compression organ）２８の入口部にリンク接続する導管の上に亜大気圧圧縮機６８を備えたこの変形例を開示している。
【0057】
破線で図示されているように、圧縮機２８は、タービン３８（ターボ圧縮機）に連結されることが可能である。
【0058】
変形例として、または、組み合わせて（図示されていない）、第２のサーモサイフォン４８（サイクル１６の熱交換器に関連付けられる）に給送するフローは、第１のサーモサイフォン４８（予冷熱交換器に関連付けられる）によって予冷されることが可能である。すなわち、第２のサーモサイフォン４８に給送する導管は、少なくとも１つの予冷熱交換器と熱交換する前にある。この構成では、２つのサイクルの間の冷温の分配は、変化されることが可能である。第１のサーモサイフォン４８（予冷にリンクされる）は、たとえば、より多くの流体フローと利用可能なより多くの予冷パワーとを処理することとなる。
【図1】
【図2】
【外国語明細書】