JP5523935B2 - 気化方法及びこれに用いられる気化装置並びに同装置を備えた気化システム - Google Patents

Description

本発明は、スターリングエンジンを用いて動力を回収しつつ液体を気化させる気化方法及びこれに用いられる気化装置並びに同装置を備えた気化システムに関するものである。

従来から、温熱用熱交換部及び冷熱用熱交換部を有し、温熱用熱交換部に温熱が供給されるとともに冷熱用熱交換部に冷熱が供給されることにより動力を得ることができるスターリングエンジンが知られている。

また、この種のスターリングエンジンに供給する冷熱として、液体の有する冷熱（潜熱）を採用することにより、動力を回収しつつ液体を気化させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。つまり、特許文献１に係るスターリングエンジンは、液体（ＬＮＧ：液化天然ガス）に対して気化熱を与えることにより、動力を回収しつつ液体を気化させる。

具体的に、特許文献１のスターリングエンジン１０２は、図７に示すように、そのディスプレーサーシリンダー１０６のヘッド（冷熱用熱交換部）の外側に設けられたクーラー１０４を有している。このクーラー１０４は、その内部に供給されたＬＮＧの潜熱によってディスプレーサーシリンダー１０６のヘッドを冷却する。この冷却の結果、前記潜熱を奪われた（気化熱が与えられた）ＬＮＧが気化する。

特開平１１−２２５５０号公報

しかしながら、特許文献１のスターリングエンジン１０２では、液体（ＬＮＧ）から目的の気体を高い効率で得るために複雑な処理が必要だった。具体的に、特許文献１のスターリングエンジン１０２では、ディスプレーサーシリンダー１０６と接触させるためにクーラー１０４内に溜められた液体にディスプレーサーシリンダ１０６のヘッドを浸すように構成されているため、既に気化された気体と未だ気化されていない気体とが分離することになる。このように液体と気体とが分離した状態において目的のガスを高い効率で得るためには、図７に示すように、クーラー１０４から気体と液体とを個別に回収するとともに、気体については昇温器１０５ａにより昇温させて気化した状態を保つとともに、液体については気化器１０５ｂにより気化させ、これら昇温器１０５ａ及び気化器１０５ｂからの気体を混合器１１５によって混合させることを要する。

したがって、特許文献１のスターリングエンジン１０２を用いて目的の気体を高い効率得るためには、その工程や設備が複雑となるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複雑な工程や設備を要することなく、スターリングエンジンを用いて目的の気体を高い効率で得ることができる気化方法及びこれに用いられる気化装置並びに同装置を備えた気化システムを提供することを目的としている。

本願に係る発明者らは、液体と気体とを気液二相流の状態で、かつ、スターリングエンジンの冷熱用熱交換部に接触可能な状態で流通させることができれば、未だ気化されていない液体を既に気化した気体とともに流通させながら残る液体を気化させることができるため、複雑な工程や設備を要することなく、目的となる気体を高い効率で得ることができる点に想到した。

しかし、単に液体と気体とを気液二相流の状態で水平方向に流しても液体の流速が遅い場合には、気液の界面が分離する、いわゆる分離流が発生し、液体及び気体を気液二相流として流通させることが困難である。

そこで、本発明は、気液二相流の状態で液体と気体とを流通することができるように、液体及び気体の上昇流を形成する方法を提供する。

具体的に、上記課題を解決するために、本発明は、冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンを用いて液体を気化させる方法であって、前記スターリングエンジンの前記冷熱用熱交換部の少なくとも一部を覆うとともに前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能な管路を準備する準備工程と、前記管路内に液体を流すことにより前記上昇流を形成して、この液体を前記スターリングエンジンに接触させることにより気化させる気化工程とを含み、前記準備工程では、前記冷熱用熱交換部と液体とが接触する熱交換部と、前記熱交換部の流路の断面積よりも小さな断面積を有するとともに前記熱交換部に液体を導入するための導入部とを有する管路を準備するとともに、前記管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記上昇流の流れ方向を調整し、前記気化工程では、前記管路内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、以下の数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化方法を提供する。

本発明に係る気化方法によれば、準備工程で上昇流の流れ方向が所定の角度に調整されていることにより、管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制することができるため、液体の流速が低い場合であっても、気液の界面が分離することなく気体と液体とが混合した気液二相流を維持することができる。その理由を図４及び図５を参照して説明する。なお、図４及び図５において横軸は、液体の速度に関するパラメータであり、縦軸は、気体の速度に関するパラメータである。水平方向の気液二相流の流動状態を示す図４に示すように、水平方向の気液二相流では、液体の流速が低下することに応じて気液の界面が分離した状態（波状流及び成層流）が生じる。一方、本発明のように垂直方向（上昇流）の気液二相流では、図５に示すように液体の流速が低下しても気液の界面が分離することなく、スラグ流や気泡流の状態を維持することができるので、液体と既に気化した気体とを効率よく流通させることが可能となる。

なお、本発明において『管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度』とは、以下の数式１の条件を満たす角度θのことである。ここで、θは、上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄは、管路の内径（直径）寸法であり、ｌは、管路内の気液二相流の流路長である。つまり、下記数式１の角度θの範囲内に収まるように上昇流の流れ方向を調整すれば、分離流の発生を抑制することができる。

そして、本発明に係る気化方法では、前記のように上昇流の流れ方向を調整して分離流の発生を抑制した上で、気化工程において管路内で気液二相流が形成される流速で液体を供給するため、気体及び液体を混合した状態で効果的に流通しつつ、この気液二相流に含まれる液体をスターリングエンジンの冷熱用熱交換部から受ける気化熱によって有効に気化させることができる。

したがって、本発明によれば、上昇流の気液二相流として液体及び気体を流通させることにより、目的となる気体を回収しながら残る液体の気化を行うことができるため、複雑な工程や設備を要することなく、目的の気体を高い効率で得ることができる。

また、本発明によれば、導入部の流路の断面積を熱交換部の流路の断面積よりも小さくすることにより、導入部内の液体の密度を熱交換部内の液体の密度よりも大きくすることができるため、熱交換部へ導かれる前段階において冷熱を多く保持している状態を維持することができ、その結果、熱交換部においてより効率的に気化を行うことができる。

なお、本発明において『液体と気体とが混合した気液二相流』とは、気液の界面が分離した状態（波状流及び成層流）を排除する趣旨であり、図５に示す気液二相流の状態のうちの何れかを限定するものではないが、より有効に液体と冷熱用熱交換部とを接触させる観点から液体の速度が比較的低く、かつ、液体が満遍なく流通する間けつ流又は気泡流であることが好ましい。

また、本発明は、冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンを用いて液体を気化させる方法であって、前記スターリングエンジンの前記冷熱用熱交換部の少なくとも一部を覆うとともに前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能な管路を準備する準備工程と、前記管路内に液体を流すことにより前記上昇流を形成して、この液体を前記スターリングエンジンに接触させることにより気化させる気化工程とを含み、前記準備工程では、前記管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記上昇流の流れ方向を調整し、前記気化工程では、前記管路内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、前記冷熱用熱交換部は、前記スターリングエンジンの動作用気体を封入する封入部と、前記封入部に熱伝導可能に連結され、前記封入部から液体の流れ方向に延びる複数の延設部とを有し、前記準備工程では、前記封入部の少なくとも一部を覆うとともに前記封入部と液体とが接触する熱交換部と、前記各延設部を覆うとともに前記各延設部と液体とが接触する補助熱交換部とを有する管路を準備し、前記気化工程では、前記熱交換部及び補助熱交換部において前記気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、前記数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化方法を提供する。

本発明によれば、液体を気化させるための領域として熱交換部だけでなく補助熱交換部を持つ管路を準備することができるので、広い領域で気化することによって気化をより効果的に行うことができる。

さらに、本発明は、冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンを用いて液体を気化させる方法であって、前記スターリングエンジンの前記冷熱用熱交換部の少なくとも一部を覆うとともに前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能な管路を準備する準備工程と、前記管路内に液体を流すことにより前記上昇流を形成して、この液体を前記スターリングエンジンに接触させることにより気化させる気化工程とを含み、前記準備工程では、前記管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記上昇流の流れ方向を調整し、前記気化工程では、前記管路内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、前記液体を気化するとともに前記気体を昇温するための気化昇温器に対して、前記管路から導出された液体を上昇流のまま導く案内工程をさらに含み、前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、前記数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化方法を提供する。

本発明によれば、管路から導出された液体及び気体を上昇流のまま導くことにより、管路から気化昇温器までの間においても分離流の発生を抑制することができるので、前記スターリングエンジンにより気化されなかった液体を気化昇温器により気化させて目的の気体を高い効率で得ることができる。

また、本発明は、冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンと、前記冷熱用熱交換部を覆った状態で前記スターリングエンジンに取り付けられ、前記冷熱用熱交換部に接触するように内部に液体を流通させるための気化管とを備え、前記気化管は、前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能となり、かつ、前記上昇流の流れ方向が前記気化管内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記スターリングエンジンに取り付けられ、前記気化管は、前記冷熱用熱交換部と接触するように液体を流通させる熱交換部と、前記熱交換部に液体を導入するための導入部とを備え、前記導入部内の流路の断面積は、前記熱交換部内の流路の断面積よりも小さく構成され、前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、前記数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化装置を提供する。

本発明に係る気化装置によれば、気化管内での分離流の発生を抑制することができるため、上述したように液体の流速が低い場合であっても、気液の界面が分離することなく気体と液体とが混合した気液二相流を維持することができる。そして、本発明に係る気化装置では、気化管内の液体が冷熱用熱交換器に接触することによって当該液体が気化して、目的の気体を高い効率で得ることができる。

また、本発明によれば、導入部内の流路の断面積が熱交換部内の流路の断面積よりも小さくされていることにより、導入部内の液体の密度を熱交換部内の液体の密度よりも高くすることができるため、熱交換部へ導かれる前段階において冷熱を多く保持している状態を維持することができ、その結果、熱交換部においてより効果的に気化を行うことができる。

具体的に、前記気化管は、前記熱交換部において気化された気体及び前記熱交換部からの液体を導出するための導出部を備え、前記気化管内の流路を、前記導入部から前記導出部までの全範囲で上向きの成分を持つ方向に液体を流通させる形状を有するものとすることができる。

ここで、『導入部から導出部までの全範囲で上向きの成分を持つ方向に液体を流通させる形状』とは、流路の上流側の位置が下流側の位置よりも高くなる区間を有しない状態で配置することができる流路の形状を意味し、直線状に限られず、湾曲した形状も含む趣旨である。

また、本発明は、冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンと、前記冷熱用熱交換部を覆った状態で前記スターリングエンジンに取り付けられ、前記冷熱用熱交換部に接触するように内部に液体を流通させるための気化管とを備え、前記気化管は、前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能となり、かつ、前記上昇流の流れ方向が前記気化管内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記スターリングエンジンに取り付けられ、前記冷熱用熱交換部は、前記スターリングエンジンの動作用気体を封入する封入部と、前記封入部に熱伝導可能に連結され、前記封入部から上方に延びる複数の延設部とを有し、前記気化管は、前記封入部の少なくとも一部を覆うとともに前記封入部と液体とが接触する熱交換部と、前記各延設部を覆うとともに前記各延設部と液体とが接触する補助熱交換部とを有し、前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、前記数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化装置を提供する。

本発明によれば、気化管が熱交換部だけでなく補助熱交換部を有するため、広い領域で気化することによって気化をより効果的に行うことができる。

さらに、本発明は、前記気化装置と、前記気化装置の気化管に対して液体を供給可能な供給源と、前記気化管から導出された液体を気化させるとともに、前記気化管から導出された気体を昇温するための気化昇温器とを備え、前記供給源は、前記気化管内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を前記気化管に供給することを特徴とする気化システムを提供する。

本発明に係る気化システムによれば、気化管内において液体と気体とが混合した気液二相流を形成することができるので、この気液二相流に含まれる液体をスターリングエンジンの冷熱用熱交換部により気化するとともに、ここで気化されずに気化管から上昇流として導出された液体を気化昇温器によって気化することにより複雑な工程や構成を要することなく、目的の気体を高い効率で得ることができる。

前記気化システムにおいて、前記気化管は、前記冷熱用熱交換部と接触するように液体を流通させる熱交換部を有し、前記供給源は、前記熱交換部において間けつ流又は気泡流が形成される流速で液体を前記気化管に供給することが好ましい。

この構成によれば、比較的低い流速で満遍なく液体が流通する間けつ流又は気泡流を形成することにより、当該気液二相流に含まれる液体とスターリングエンジンの冷熱用熱交換部とを効果的に接触させることができるため、スターリングエンジンによる気化の効率をより高めることができる。

前記気化システムにおいて、前記気化昇温器は、前記気化管の上部に設けられるとともに前記気化管から導出された液体及び気体を上昇流のまま受け入れることが好ましい。

この構成によれば、気化管から気化昇温器までの間についても上昇流を形成することにより、分離流の発生を抑制しつつ液体及び気体を確実に気化昇温器まで導くことができるため、この上昇流に係る気液二相流に含まれる液体を気化昇温器によって確実に気化させることができる。したがって、前記構成によれば、目的の気体をより高い効率で得ることができる。

本発明によれば、複雑な工程や設備を要することなく、スターリングエンジンを用いて目的の気体を高い効率で得ることができる。

本発明の実施形態に係る気化システムの全体構成を示す概略図である。 図１の気化管を拡大して示す断面図である。 図２のIII−III線断面図である。 水平方向の気液二相流の流動状態を示す図である。 垂直方向の気液二相流の流動状態を示す図である。 図１の実施形態の変形例を示す断面図である。 従来の気化システムの構成を示す概略図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る気化システムの全体構成を示す概略図である。図２は、図１の気化管を拡大して示す断面図である。図３は、図２のIII−III線断面図である。

図１〜図３を参照して、気化システム１は、スターリングエンジン２と、このスターリングエンジン２に取り付けられた気化管４と、この気化管４にＬＮＧ（液化天然ガス）を供給するためのポンプ３と、前記気化管４から導出された流体を気化し又は昇温するための気化昇温器５とを備えている。なお、スターリングエンジン２と気化管４とが本実施形態における気化装置を構成する。

スターリングエンジン２は、図略のディスプレーサシリンダ内の動作気体（例えば、水素ガス又は窒素ガス）を冷却するための冷熱用熱交換部６及びディスプレーサシリンダ内の気体を加熱するための温熱用熱交換部７と、ディスプレーサシリンダ内を移動可能なディスプレーサピストン８と、ディスプレーサシリンダ内の気体の圧縮又は膨張に応じて移動可能なパワーピストン９と、ディスプレーサピストン８とパワーピストン９とを連結するクランクシャフト１０とを備えている。このスターリングエンジン２では、冷熱用熱交換部６においてディスプレーサシリンダ内の気体が冷却されるとディスプレーサシリンダの容積を狭くする方向にパワーピストン９が移動し、この移動に応じてディスプレーサピストン８が温熱用熱交換部７側の容積を広くする方向に移動する。そうすると、温熱用熱交換部７により温められる気体の増加に伴いパワーピストン９がディスプレーサシリンダの容積を広げる方向に移動し、この移動に応じてディスプレーサピストン８が冷熱用熱交換部６の容積を広くする方向に移動する。この動作が繰返し行われることにより、クランクシャフト１０の回転動作として動力を回収することができる。

前記冷熱用熱交換部６は、前記動作気体が内部を流通するＵ字状の金属管（封入部）６ｂと、この金属管６ｂに対して熱伝達可能に連結された６枚の金属板（延設部）６ａとを備えている。各金属板６ａは、前記金属管６ｂにそれぞれ貫かれた状態で、互いに略平行に配置されている。また、各金属板６ａは、金属管６ｂに対して一方側（図１及び図２の上側）が他方側（図１及び図２の下側）に比べて長くなるように配置されている。

気化管４は、前記スターリングエンジン２に取り付けられた状態で内部にＬＮＧを流通させることにより、冷熱用熱交換部６から受ける気化熱によりＬＮＧを気化させるための管路である。具体的に、気化管４は、ポンプ３からのＬＮＧを導入するための導入部１１と、この導入部１１からのＬＮＧにより前記スターリングエンジン２の冷熱用熱交換部６を冷却する気化部（熱交換部及び補助熱交換部）１２と、気化部１２からのＬＮＧを導出するための導出部１４とを備え、これら導入部１１、気化部１２及び導出部１４が上下方向の軸に沿って同軸に配置されたものである。気化部１２は、前記金属管６ｂの先端部と各金属板６ａとを収容する。具体的に、気化部１２は、その側壁が金属管６ｂに貫かれた状態で各金属板６ａが気化管４の軸線に沿うように配置されている。また、気化部１２は、金属管６ｂに対して他方側（図１及び図２の下側）よりも長く延びる各金属板６ａの一方側（図１及び図２の上側）の部分が導出部１４に向いた姿勢で各金属板６ａを収容する。換言すると、各金属板６ａは、金属管６ｂからＬＮＧの流れ方向の下流側に向けて長く延びた形状を有する。

そして、本実施形態に係る気化管４は、垂直上昇流Ｆ１（図１参照）を形成するように、スターリングエンジン２に取り付けられている。具体的に、気化管４は、前記導入部１１が下、導出部１４が上となり、その軸線が鉛直方向に沿った姿勢となるようにスターリングエンジン２に取り付けられている。この気化管４内に下から上に向かう液体の垂直上昇流Ｆ１を形成した場合、水平方向の気液二相流を形成する場合と異なり、分離流（波状流及び成層流：図４参照）が発生することなく、図５に示すように液体と気体とが混合した気液二相流が形成される。

具体的に、気化管４は、図５に示す垂直上昇流Ｆ１における気液二相流の流動状態のうち、導入部１１の範囲Ｅ１（図２参照）及び金属管６ｂとポンプ３からの液体とが接触する範囲Ｅ２（図２参照：熱交換部）について気泡流を発生させ、気化部１２のうち金属管６ｂよりも下流側の範囲Ｅ３（図２参照：補助熱交換部）について気泡流、スラグ流又は間けつ流を発生させ、導出部１４の範囲Ｅ４について間けつ流又は環状流を発生させるように設定された内径寸法を有する。なお、気泡流とは、気体の流速が小さい場合に液中に気泡が分散する流れのことをいう。間けつ流とは、小気泡を含む液体スラグと気体スラグとが交互に流れるスラグ流と、液体の流速が大きくなり大小多数の気泡が液中に存在するチャーン流とを含む流れのことをいう。環状流とは、液体が管壁に沿って流れるとともに気体が管中心部を連続的に流れることをいう。以下、上述の流動状態を形成するための気化管４の内径寸法の設定の手法について説明する。

（１）範囲Ｅ１及び範囲Ｅ２について
範囲Ｅ１及び範囲Ｅ２については、図５に示す気液二相流の流動状態が気泡流となるように、液層の流速パラメータＵ_Ｌ／φ２となる内径寸法ｄを以下数式２に基づいて算出する。なお、Ｕ_Ｌは、液層の流速であり、φ２は、管路の内径が２．５４ｃｍであるときに値が１となるように設定された補正係数であり、ｄ^０は、基準となる内径寸法（２．５４ｃｍ）である。

なお、本実施形態では、範囲Ｅ１の内径寸法を範囲Ｅ２の内径寸法よりも小さくすることにより、範囲Ｅ１における液体の流速を高くしている。これにより、範囲Ｅ１における気液二相流に占める液体の密度が範囲Ｅ２のそれ以上となるため、熱交換部である範囲Ｅ２の前段階である範囲Ｅ１における気液二相流が持つ冷熱を大きく保持することができ、熱交換の効率をより高めることができる。

（２）範囲Ｅ３について
範囲Ｅ３については、範囲Ｅ２で生じた気液二相流の流動状態が気泡流、スラグ流又は間けつ流となるように、液層の流速パラメータＵ_Ｌ／φ２を上記数式２に基づいて算出するとともに、気層の流速パラメータＵ_Ｇ／φ１を下記数式３に基づいて算出し、これらの条件を満たすように範囲Ｅ３の内径寸法ｄを設定する。なお、気泡流、スラグ流又は間けつ流についての液層の流速パラメータＵ_Ｌ／φ２は、上記数式２で同様である。また、Ｕ_Ｇは、気層の流速であり、φ１は、管路の内径が２．５４ｃｍであるときに値が１となるように設定された補正係数であり、θは、ＬＮＧの流れ方向と水平方向とのなす角度（本実施形態では９０°）である。

（３）範囲Ｅ４について
範囲Ｅ４については、範囲Ｅ３で生じた気液二相流の流動状態が間けつ流又は環状流となるように内径寸法ｄを設定する。具体的に、間けつ流を形成する場合には、液層の流速パラメータＵ_Ｌ／φ２を上記数式２に基づいて算出するとともに、気層の流速パラメータＵ_Ｇ／φ１を上記数式３に基づいて算出し、これらの条件を満たすように範囲Ｅ４の内径寸法ｄを設定する。

一方、環状流を形成する場合には、液層の流速パラメータＵ_Ｌ／φ２を算出するとともに、気層の流速パラメータＵ_Ｇ／φ１を下記数式４に基づいて算出し、これらの条件を満たすように範囲Ｅ４の内径寸法ｄを設定する。なお、環状流を形成する場合のφ２は、１となるため、液層の流速パラメータは、流速Ｕ_Ｌにより決定される。また、ρ_Ｇは、気体の密度であり、ρ_Ｇ ^０は、１．３ｋｇ×ｍ^−３であり、Δρ^０は、（ρ_Ｌ ^０−ρ_Ｇ ^０）であり、Δρは、（ρ_Ｌ−ρ_Ｇ）であり、σ^０は、０．０７Ｎ×ｍ^−１であり、σは、表面張力である。

以下、前記気化システム１の動作について説明する。

まず、上述のように、スターリングエンジン２の冷熱用熱交換部６を覆うとともに冷熱用熱交換部６の下から上に向かう液体の垂直上昇流を形成可能な気化管４を準備する（準備工程）。

次に、気化管４の下にポンプ３が設けるとともに、気化管４の上に気化昇温器５を設ける。そして、ポンプ３からＬＮＧを吐出させることにより、気化管４の下（導入部１１）から導入されて上（導出部１４）から導出されるＬＮＧの垂直上昇流Ｆ１が形成される。

具体的に、ＬＮＧは、導入部１１（範囲Ｅ１）において気泡流となって気化部１２に導入される。気泡流の状態で気化部１２に導入されたＬＮＧのうち、未だ気化されていない液体は、範囲Ｅ２において金属管６ｂと接触して当該金属管６ｂから気化熱を受けることにより気化する（気化工程）。これにより、範囲Ｅ２よりも下流側に位置する範囲Ｅ３では、範囲Ｅ２と同様の気泡流、又は範囲Ｅ２に比べて液層の少ないスラグ流若しくは間けつ流が形成される。範囲Ｅ３では、前記範囲Ｅ２から導入された気液二相流のうち、未だ気化されていない液体が各金属板６ａと接触して当該各金属板６ａから気化熱を受けることにより気化する。そして、範囲Ｅ３からの気液二相流は、範囲Ｅ４において間けつ流又は環状流とされた状態で導出部１４から導出される。

さらに、本実施形態では、導出部１４の上に気化昇温器５が設けられ、導出部１４から導出された気液二相流が上昇流Ｆ１のまま気化昇温器５に導かれる（案内工程）。したがって、スターリングエンジン２の冷熱用熱交換部６により気化されなかった液体は、既に気化された液体とともに気化昇温器５に導かれ、この気化昇温器５において液体は気化され、気体は昇温されることになる。

以上説明したように、前記実施形態によれば、垂直上昇流Ｆ１が形成されていることにより気化管４内の液体と気体との分離流の発生を抑制することができるため、液体の流速が低い場合であっても、気液の界面が分離することなく気体と液体とが混合した気液二相流を維持することができる。

なお、前記実施形態では、上昇流を垂直に形成しているが、垂直に限定されることはなく、以下の数式１の条件を満たす角度θの範囲であれば、分離流の発生を抑制することができる。ここで、θは、上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄは、気化管４の内径（直径）寸法であり、ｌは管路内の気液二相流の流路長である。

そして、前記実施形態では、上述のように分離流の発生を抑制した上で、気化管４内で気液二相流が形成される流速でポンプ３から液体が供給されるため、気体及び液体を混合した状態で効果的に流通しつつ、この気液二相流に含まれる液体をスターリングエンジン２の冷熱用熱交換部６から受ける気化熱によって有効に気化させることができる。

したがって、前記実施形態によれば、垂直上昇流Ｆ１の気液二相流として液体及び気体を流通させることにより、目的となる気体を回収しながら残る液体の気化を行うことができるため、複雑な工程や設備を要することなく目的の気体を高い効率で得ることができる。特に、ＬＮＧのように沸点の異なる複数の成分が混在する液体を気化管４に供給した場合、低沸点成分についてはスターリングエンジン２からの気化熱により容易に気化することができる反面、高沸点成分についてはスターリングエンジン２からの気化熱により十分に気化することができない場合があるが、前記実施形態に係る気化システムを採用することにより、既に気化した低沸点成分（気体）と未だ気化されていない高沸点成分（液体）とを有効に気化昇温器５に導くことができるため、この気化昇温器５によって高沸点成分を気化させることにより、目的となる天然ガスを高い効率で得ることができる。

前記実施形態のように、範囲Ｅ２（熱交換部）において気泡流を形成し、範囲Ｅ３（補助熱交換部）において気泡流、スラグ流又は間けつ流を形成する構成によれば、比較的低速で、かつ、満遍なく液体を流通させることができるので、当該液体と冷熱用熱交換部６とを確実に接触させることにより、気化の効率化を図ることができる。

前記実施形態のように、導入部１１の内径寸法を気化部１２の内径寸法よりも小さくした構成によれば、導入部１１内の液体の密度を気化部１２内の液体の密度よりも大きくすることができるため、気化部１２へ導かれる前段階において冷熱を多く保持している状態を維持することができ、その結果、気化部１２においてより効果的に気化を行うことができる。

前記実施形態のように、冷熱用熱交換部６が金属管（封入部）６ｂと、複数の金属板（延設部）６ａとを有し、範囲Ｅ２（熱交換部）及び範囲Ｅ３（補助熱交換部）において気液二相流を形成するようにすれば、範囲Ｅ２に加えて範囲Ｅ３においても液体を有効に気化させることができる。

前記実施形態のように、導出部１４から気化昇温器５に対して上昇流Ｆ１のまま液体及び気体を導くようにすれば、導出部１４と気化昇温器５との間においても分離流の発生を抑制することができるので、スターリングエンジン２により気化されなかった液体を気化昇温器５により気化させて目的の気体を高い効率で得ることができる。

なお、前記実施形態では、導入部１１、気化部１２及び導出部１４が同軸に配置された直線状の流路を持つ気化管４について説明したが、気化管４の流路は、直線状に限定されることはなく、流路の上流側の位置が下流側の位置よりも高くなる区間を有しない状態で配置することができる流路の形状であれば、例えば湾曲した形状でもよい。

なお、前記実施形態では、円筒状の気化管４について説明したが、気化管の断面形状は、円に限定されることはなく、例えば図６に示すように長方形とすることもできる。この気化管２２においては、当該気化管２２の断面積と同等の断面積を有する円筒容器を想定した場合における代表直径を上述した内径寸法ｄとして採用することができる。断面積の形状にかかわらず、断面積が同等とされていることにより気液二相流の状態は近似するためである。

以下、０．３ＭＰａＧ、−１６０℃のＬＮＧを１ｔ／ｈの流量で供給する場合における気化管４の直径寸法について説明する。なお、気化管４に供給されたＬＮＧは、スターリングエンジン２の冷熱用熱交換部６との熱交換により−１３３℃まで加熱されるものと想定する。

（１）範囲Ｅ１（図２参照）について
この実施例では、範囲Ｅ１について気泡流を生じさせる。そのために、流速パラメータＵ_Ｌ／φ２の値は、３未満であることを要する（図５参照）。ここで、仮に範囲Ｅ１における直径寸法ｄを４０ｍｍとした場合、φ２（＝ｄ／ｄ^０）は１．５７５となるため、流速Ｕ_Ｌは、４．７２４ｍ／ｓｅｃ未満であることを要する。

上記の条件を満たすか否かを検討する。０．３ＭＰａＧ、−１６０℃におけるＬＮＧの密度は、４６０ｋｇ／ｍ^３であるため、範囲Ｅ１におけるＬＮＧの流量は、０．６０４×１０^−３ｍ^３／ｓｅｃとなる。ここで、範囲Ｅ１の直径寸法ｄは４０ｍｍであるため、流速Ｕ_Ｌは、約０．５ｍ／ｓｅｃとなる。したがって、範囲Ｅ１の直径寸法を４０ｍｍとしたときには、前記条件（流速Ｕ_Ｌ＜４．７２４ｍ／ｓｅｃ）を満たす。

（２）範囲Ｅ２（図２参照）について
この実施例では、範囲Ｅ２について気泡流を生じさせる。そのために、流速パラメータＵ_Ｌ／φ２の値は、３未満であることを要する（図５参照）。仮に範囲Ｅ２における直径寸法ｄを５００ｍｍとした場合、φ２（数式２参照）は１９．６９となるため、流速Ｕ_Ｌは、５９．０６ｍ／ｓｅｃ未満であることを要する。

上記条件を満たすか否かを検討する。０．３ＭＰａＧ、−１６０℃におけるＬＮＧの密度は、４６０ｋｇ／ｍ^３であるため、範囲Ｅ２におけるＬＮＧの流量は、０．６０４×１０^−３ｍ^３／ｓｅｃとなる。ここで、範囲Ｅ２の直径寸法ｄは５００ｍｍであるため、流速Ｕ_Ｌは、約３．１×１０^−３ｍ／ｓｅｃとなる。したがって、範囲Ｅ２の直径寸法を５００ｍｍとしたときには、前記条件（流速Ｕ_Ｌ＜５９．０６ｍ／ｓｅｃ）を満たす。

（３）範囲Ｅ３（図２参照）について
この実施例では、範囲Ｅ３について気泡流、スラグ流又は間けつ流を生じさせる。そのために、流速パラメータＵ_Ｇ／φ１の値は、１．０よりも小さいことを要する（図５参照）。仮に範囲Ｅ３における直径寸法ｄを５００ｍｍとした場合、φ１（数式３参照：θ＝９０°）は１０．８５となるため、流速Ｕ_Ｇは、１０．８５ｍ／ｓｅｃ未満であることを要する。

上記条件を満たすか否かを検討する。０．３ＭＰａＧ、−１３３℃におけるＬＮＧの密度との関係から、範囲Ｅ３におけるＬＮＧの流量は、０．０５８ｍ^３／ｓｅｃとなる。ここで、範囲Ｅ３の直径寸法ｄは５００ｍｍであるため、流速Ｕ_Ｇは、約０．３ｍ／ｓｅｃとなる。

（４）範囲Ｅ４（図２参照）について
この実施例では、範囲Ｅ４についてスラグ流、間けつ流又は環状流を生じさせる。そのために、流速パラメータＵ_Ｇ／φ１の値は、０．１よりも大きいことを要する（図５）。仮に範囲Ｅ４における直径寸法ｄを１２０ｍｍとした場合、φ１（数式３参照：θ＝９０°）は３．４６となるため、流速Ｕ_Ｇは、０．３４６ｍ／ｓｅｃよりも大きいことを要する。

上記条件を満たすか否かを検討する。０．３ＭＰａＧ、−１３３℃におけるＬＮＧの密度との関係から、範囲Ｅ４におけるＬＮＧの流量は、０．０５８ｍ^３／ｓｅｃとなる。ここで、範囲Ｅ４の直径寸法は１２０ｍｍであるため、流速Ｕ_Ｇは、約５ｍ／ｓｅｃとなる。したがって、範囲Ｅ４の直径寸法を１２０ｍｍとしたときには、前記条件（流速Ｕ_Ｇ＞０．３４６ｍ／ｓｅｃ）を満たす。

ｄ 内径寸法
１ 気化システム
２ スターリングエンジン
４、２２ 気化管
５ 気化昇温器
６ 冷熱用熱交換部
６ａ 金属板（延設部）
６ｂ 金属管（封入部）
７ 温熱用熱交換部
１１ 導入部
１２ 気化部
１４ 導出部

Claims (10)

1. 冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンを用いて液体を気化させる方法であって、
   前記スターリングエンジンの前記冷熱用熱交換部の少なくとも一部を覆うとともに前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能な管路を準備する準備工程と、
   前記管路内に液体を流すことにより前記上昇流を形成して、この液体を前記スターリングエンジンに接触させることにより気化させる気化工程とを含み、
   前記準備工程では、前記冷熱用熱交換部と液体とが接触する熱交換部と、前記熱交換部の流路の断面積よりも小さな断面積を有するとともに前記熱交換部に液体を導入するための導入部とを有する管路を準備するとともに、前記管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記上昇流の流れ方向を調整し、
   前記気化工程では、前記管路内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、
   前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、次の数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化方法。
   

   
2. 前記気化工程では、前記冷熱用熱交換部と液体とが接触する前記管路の熱交換部において、間けつ流又は気泡流が形成される流速で液体を流すことを特徴とする請求項１に記載の気化方法。
3. 冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンを用いて液体を気化させる方法であって、
   前記スターリングエンジンの前記冷熱用熱交換部の少なくとも一部を覆うとともに前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能な管路を準備する準備工程と、
   前記管路内に液体を流すことにより前記上昇流を形成して、この液体を前記スターリングエンジンに接触させることにより気化させる気化工程とを含み、
   前記準備工程では、前記管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記上昇流の流れ方向を調整し、
   前記気化工程では、前記管路内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、
   前記冷熱用熱交換部は、前記スターリングエンジンの動作用気体を封入する封入部と、前記封入部に熱伝導可能に連結され、前記封入部から液体の流れ方向に延びる複数の延設部とを有し、
   前記準備工程では、前記封入部の少なくとも一部を覆うとともに前記封入部と液体とが接触する熱交換部と、前記各延設部を覆うとともに前記各延設部と液体とが接触する補助熱交換部とを有する管路を準備し、
   前記気化工程では、前記熱交換部及び補助熱交換部において前記気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、
   前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、次の数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化方法。
   

   
4. 冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンを用いて液体を気化させる方法であって、
   前記スターリングエンジンの前記冷熱用熱交換部の少なくとも一部を覆うとともに前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能な管路を準備する準備工程と、
   前記管路内に液体を流すことにより前記上昇流を形成して、この液体を前記スターリングエンジンに接触させることにより気化させる気化工程とを含み、
   前記準備工程では、前記管路内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記上昇流の流れ方向を調整し、
   前記気化工程では、前記管路内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を流し、
   前記液体を気化するとともに前記気体を昇温するための気化昇温器に対して、前記管路から導出された液体を上昇流のまま導く案内工程をさらに含み、
   前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、次の数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化方法。
   

   
5. 冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンと、
   前記冷熱用熱交換部を覆った状態で前記スターリングエンジンに取り付けられ、前記冷熱用熱交換部に接触するように内部に液体を流通させるための気化管とを備え、
   前記気化管は、前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能となり、かつ、前記上昇流の流れ方向が前記気化管内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記スターリングエンジンに取り付けられ、
   前記気化管は、前記冷熱用熱交換部と接触するように液体を流通させる熱交換部と、前記熱交換部に液体を導入するための導入部とを備え、
   前記導入部内の流路の断面積は、前記熱交換部内の流路の断面積よりも小さく構成され、
   前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、次の数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化装置。
   

   
6. 前記気化管は、前記熱交換部において気化された気体及び前記熱交換部からの液体を導出するための導出部を備え、
   前記気化管内の流路は、前記導入部から前記導出部までの全範囲で上向きの成分を持つ方向に液体を流通させる形状を有することを特徴とする請求項５に記載の気化装置。
7. 冷熱用熱交換部を有するスターリングエンジンと、
   前記冷熱用熱交換部を覆った状態で前記スターリングエンジンに取り付けられ、前記冷熱用熱交換部に接触するように内部に液体を流通させるための気化管とを備え、
   前記気化管は、前記冷熱用熱交換部の下から上に向かう液体の上昇流を形成可能となり、かつ、前記上昇流の流れ方向が前記気化管内の液体と気体との分離流の発生を抑制するものとして予め設定された角度となるように前記スターリングエンジンに取り付けられ、
   前記冷熱用熱交換部は、前記スターリングエンジンの動作用気体を封入する封入部と、前記封入部に熱伝導可能に連結され、前記封入部から上方に延びる複数の延設部とを有し、
   前記気化管は、前記封入部の少なくとも一部を覆うとともに前記封入部と液体とが接触する熱交換部と、前記各延設部を覆うとともに前記各延設部と液体とが接触する補助熱交換部とを有し、
   前記予め設定された角度は、θが上昇流の流れ方向と水平方向とのなす角度であり、ｄが前記管路の直径寸法であり、ｌが前記管路内の気液二相流の流路長である場合に、次の数式１を満たす角度θであることを特徴とする気化装置。
   

   
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の気化装置と、
   前記気化装置の気化管に対して液体を供給可能な供給源と、
   前記気化管から導出された液体を気化させるとともに、前記気化管から導出された気体を昇温するための気化昇温器とを備え、
   前記供給源は、前記気化管内において液体と気体とが混合した気液二相流が形成される流速で前記液体を前記気化管に供給することを特徴とする気化システム。
9. 前記気化管は、前記冷熱用熱交換部と接触するように液体を流通させる熱交換部を有し、
   前記供給源は、前記熱交換部において間けつ流又は気泡流が形成される流速で液体を前記気化管に供給することを特徴とする請求項８に記載の気化システム。
10. 前記気化昇温器は、前記気化管の上部に設けられるとともに前記気化管から導出された液体及び気体を上昇流のまま受け入れることを特徴とする請求項９に記載の気化システム。

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