JP7061955B2 - 極低温冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は、冷凍庫内にて極低温温度帯で冷凍対象物を冷凍可能な極低温冷凍システムに関する。

従来、工場排熱やコ－ジェネレーション装置の排熱を利用した空調・冷蔵・冷凍システムが知られており、特に、排熱を利用した冷凍システムとして、－２０℃以上０℃未満の通常冷凍温度帯での冷凍を可能にする吸収式冷凍機や吸着式冷凍機が普及している（例えば、特許文献１を参照）。
一方、工場排熱やコ－ジェネレーションシステムの排熱を利用して、冷凍を実現するものとして熱音響機関を用いた冷凍技術の研究が盛んに行われている（例えば、特許文献２を参照）。当該熱音響機関を用いた冷凍技術では、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２、空気等の液化温度が低い作動媒体が用いられており、熱音変換の温度帯を選ばないため、－１００℃以上－５０℃未満の超低温温度帯の出力が可能となる。

特開２０１６－１７６６３２号公報 特開２０１８－９１５３１号公報

さて、冷凍システムとしては、－２０℃以上０℃未満の通常冷凍温度帯、－５０℃以上－２０℃未満の低温冷凍温度帯、－１００℃以上－５０℃未満の超低温温度帯、－１００℃未満の極低温温度帯で働くシステムが存在するが、吸収式冷凍機及び吸着式冷凍機では、使用できる冷媒の制限から、通常冷凍温度帯で出力ができるに過ぎず、極低温温度帯の出力を得ることは現状の技術では実現できない状況にある。
尚、他の冷凍機として蒸気圧縮冷凍機が知られており、当該蒸気圧縮冷凍機では、超低温温度帯や極低温温度帯で働くものがあるが、冷媒としてオゾン層破壊物質であるハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）としてのＲ２２や、オゾン層破壊物質ではないが温室効果ガスであるハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）としてのＲ４０４ａを用いなければならず、環境に適切に配慮したものとは言えなかった。
一方で、熱音響機関を用いた冷凍技術については、－１００℃以上－５０℃未満の超低温温度帯の出力が可能であるものの、現状では、熱音響現象自体に焦点を当てた研究が多く、例えば、－１００℃未満の極低温温度帯の出力を効果的に得るためのシステム構成についての研究開発は積極的に行われておらず、更なる研究開発が望まれていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オゾン層破壊作用や温室効果のあるフロン類の冷媒を用いることなく、比較的高い効率で極低温温度帯の冷凍を実現可能な極低温冷凍システムを実現することにある。

上記目的を達成するための極低温冷凍システムは、冷凍庫内にて極低温温度帯で冷凍対象物を冷凍可能な極低温冷凍システムであって、その特徴構成は、
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、温熱源からの排熱により前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波の音響エネルギを増幅する第１再生器とから成る原動機を少なくとも１つ以上有すると共に、前記作動媒体が外部から吸熱する吸熱器と前記作動媒体が外部へ放熱する放熱器と前記吸熱器と前記放熱器との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第２再生器とから成る音響ヒートポンプ部を少なくとも１つ以上有する熱音響機関と、
冷媒液を蒸発させる蒸発器と前記蒸発器で発生した水蒸気を吸収液に吸収させて希吸収液を生成する吸収器と前記吸収器で生成した希吸収液を温熱源の排熱により加熱して水蒸気と濃吸収液とに分離再生する再生器と前記再生器で再生した水蒸気を液化させる凝縮器とを有する吸収式冷凍機、又は冷媒を蒸発させる蒸発器と内部に吸着剤が収容される吸着器と冷媒を凝縮させる凝縮器と凝縮した冷媒を膨張させる膨張弁とを有する吸着式冷凍機の何れか一方を備え、
前記吸収式冷凍機又は前記吸着式冷凍機の何れか一方の前記蒸発器と前記放熱器との間で第１冷媒を循環する第１冷媒循環路と、
前記冷凍庫の内部の気体と第２冷媒とを熱交換する熱交換器と前記吸熱器との間で第２冷媒を循環する第２冷媒循環路とを備える点にある。

本発明の発明者らは、吸収式冷凍機又は吸着式冷凍機の何れか一方の蒸発器と熱音響機関の放熱器との間で第１冷媒を循環する第１冷媒循環路を備えると共に、冷凍庫の内部の気体と第２冷媒とを熱交換する熱交換器と吸熱器との間で第２冷媒を循環する第２冷媒循環路とを備える構成により、一次冷却を吸収式冷凍機又は吸着式冷凍機で行うと共に、二次冷却を熱音響機関にて行うことができる。
即ち、発明者らは、比較的高温の通常冷凍温度帯での冷却については、吸収式冷凍機又は吸着式冷凍機の何れか一方で実行すると共に、比較的低温の極低温温度帯での冷却については、熱音響機関にて実行することで、熱音響機関のみで極低温温度帯まで冷却する場合に比べて高い効率で冷却できる場合があることを、後述するシミュレーションにより確認した。
従って、上述の特徴構成を採用することで、オゾン層破壊効果や温室効果のあるフロン類の冷媒を用いることなく、比較的高い効率で極低温温度帯での冷凍ができる極低温冷凍システムを実現できる。

極低温冷凍システムの更なる特徴構成は、
前記音響筒は、前記原動機と前記音響ヒートポンプ部のうち前記原動機が設けられる部位に近い原動機側音響筒と、前記原動機と前記音響ヒートポンプ部のうち前記音響ヒートポンプ部が設けられる部位に近い音響ヒートポンプ部側音響筒とを有し、
前記第１冷媒循環路において前記放熱器を通過後で前記蒸発器を通過前の第１冷媒により、前記音響ヒートポンプ部と前記音響ヒートポンプ部側音響筒とを冷却する冷却機構を有する点にある。

本発明に係る熱音響機関では、吸熱器にて極低温まで第２冷媒を冷却するから、音響ヒートポンプ部及びその近傍の音響ヒートポンプ部側音響筒と、温熱源からの排熱が供給される加熱器を有する原動機とその近傍の原動機側音響筒との温度差が、非常に大きくなり、両者の間で熱の移動が起き易く、冷却効率の低下を招く虞がある。
上記特徴構成によれば、第１冷媒循環路において放熱器を通過後で蒸発器を通過前の第１冷媒により、音響ヒートポンプ部と音響ヒートポンプ部側音響筒とを冷却する冷却機構を有するから、音響ヒートポンプ部、特に極低温まで第２冷媒を冷却する吸熱器が、原動機の加熱器に導かれる温熱源の排熱が伝達することを効果的に防止でき、システムの冷却効率が低下することを抑制できる。

極低温冷凍システムの更なる特徴構成は、
前記冷却機構は、前記音響ヒートポンプ部と前記音響ヒートポンプ部側音響筒とを外部と断熱して外囲する第１断熱筐体を有すると共に、
前記第１冷媒循環路において前記放熱器を通過後で前記蒸発器を通過前の第１冷媒と前記第１断熱筐体の内部の気体とを熱交換する熱交換器を有する点にある。

上記特徴構成の如く、冷却機構が、音響ヒートポンプ部と音響ヒートポンプ部側音響筒とを外部と断熱して外囲する第１断熱筐体を有することで、原動機及び原動機側音響筒と音響ヒートポンプ部及び音響ヒートポンプ部側音響筒との間で、熱の授受を抑制することができるから、冷却効率の低下を抑制できる。
更に、冷却機構が、第１冷媒循環路において放熱器を通過後で蒸発器を通過前の第１冷媒と第１断熱筐体の内部の気体とを熱交換する熱交換器を有することで、比較的簡易な構成により、音響ヒートポンプ部及び音響ヒートポンプ部側音響筒の双方を効果的に冷却することができる。

極低温冷凍システムの更なる特徴構成は、
前記第１断熱筐体の内部において前記音響ヒートポンプ部の前記吸熱器を外囲すると共に、前記音響ヒートポンプ部の前記吸熱器を前記第１断熱筐体の内部空間から断熱する第２断熱筐体を備える点にある。

上述した構成の如く、冷却機構が、第１冷媒循環路において放熱器を通過後で蒸発器を通過前の第１冷媒と第１断熱筐体の内部の気体とを熱交換する熱交換器を有する構成を採用する場合、第１断熱筐体の外部へ冷熱が熱伝達することは防止できる。しかしながら、第２冷媒を極低温まで冷却する場合、当該極低温まで冷却された第２冷媒の冷熱が、第１断熱筐体の内部の気体及び第１冷媒へ熱伝達することによる冷却効率の低下が生じる。
上記特徴構成によれば、第１断熱筐体の内部において音響ヒートポンプ部の吸熱器を外囲すると共に、音響ヒートポンプ部の吸熱器を第１断熱筐体の内部空間から断熱する第２断熱筐体を備えることで、極低温まで冷却された第２冷媒の冷熱の第１冷媒等への熱伝達を効果的に抑制して、冷却効率の低下を抑制できる。

極低温冷凍システムの更なる特徴構成は、
前記音響筒は、鉛直方向において、前記原動機側音響筒を前記音響ヒートポンプ部側音響筒に対して上方側に配設される点にある。

上記特徴構成によれば、高温の作動媒体は鉛直方向で上方へ移動するため、比較的高温となる原動機側音響筒を音響ヒートポンプ部側音響筒に対して上方側に配設することで、原動機側から音響ヒートポンプ側へ温熱が伝達することを抑制し、冷却効率の向上を図ることができる。

極低温冷凍システムの更なる特徴構成は、
燃焼用空気と燃料とを燃焼して軸出力を得るエンジンを前記温熱源として備え、
前記エンジンの排ガスの熱を前記加熱器を加熱する熱源とすると共に、
前記エンジンのジャケット水の熱を前記吸収式冷凍機の前記再生器又は前記吸着式冷凍機の前記吸着器の熱源とする点にある。

上記特徴構成によれば、温熱源が近傍に存在しない冷凍庫であっても、エンジンの排ガス及びジャケット水の熱を効果的に利用する形で、これまで説明してきた特異な作用効果を良好に発揮することができる極低温冷凍システムを実現できる。

実施形態に係る極低温冷凍システムの概略構成図である。 シミュレーションのシステム形状を示す概略図である。

本発明の実施形態に係る如く極低温冷凍システム１００は、オゾン層破壊作用や温室効果のあるフロン類の冷媒を用いることなく、比較的高い効率で極低温温度帯の冷凍を実現可能なものに関する。以下、図面に基づいて、当該極低温冷凍システム１００について説明する。

図１に示すように、極低温冷凍システム１００は、冷凍庫ＦＺ内にて極低温温度帯（例えば、－１００℃未満）で冷凍対象物を冷凍可能なシステムであり、作動媒体（例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２、空気等：当該実施形態ではＨｅ）が充填され音波が伝播する音響筒Ｔに、温熱源としてのエンジン２６からの排熱により作動媒体を外部から加熱する加熱器７１と作動媒体を外部から冷却する冷却器７２と加熱器７１と冷却器７２との間で音波の音響エネルギを増幅する第１再生器７３とから成る原動機７０を少なくとも１つ以上（当該実施形態では２つ）有すると共に、作動媒体が外部から吸熱する吸熱器８１と作動媒体が外部へ放熱する放熱器８２と吸熱器８１と放熱器８２との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第２再生器８３とから成る音響ヒートポンプ部８０を少なくとも１つ以上有する熱音響機関９０を備えている。
更に、冷媒液としての水を低圧力下で蒸発させる蒸発器５７と、蒸発器５７で発生した水蒸気を吸収液に吸収させて希吸収液を生成する吸収器５１と、吸収器５１で生成した希吸収液を温熱源としてのエンジン２６の排熱により加熱して水蒸気と濃吸収液とに分離再生する再生器５３と、再生器５３で再生した水蒸気を液化させる凝縮器５４とを備えた吸収式冷凍機５０を備えると共に、吸収式冷凍機５０の蒸発器５７と放熱器８２との間で第１冷媒を循環する第１冷媒循環路Ｃ１と、冷凍庫ＦＺの内部の気体と第２冷媒とを熱交換する熱交換器ＥＸ３と吸熱器８１との間で第２冷媒を循環する第２冷媒循環路Ｃ２と、運転を制御する制御装置Ｒとを備える。

当該実施形態にあっては、熱音響機関９０及び吸収式冷凍機５０の温熱源としてコ－ジェネレーション装置２０を備えている。当該コージェネレーション装置２０は、エンジン２６から排出される排ガスＥの熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生器６０と、エンジン２６の回転動力により駆動される同期発電機２８とを備えて構成されている。
尚、エンジン２６の回転軸に接続される同期発電機２８は、発電電力の周波数を、商用電力系統７５から供給される電力の周波数と同じ周波数に調整可能に構成されている。また、当該同期発電機２８には、電圧を調整する自動電圧調整器が備えられており、当該自動電圧調整器により、発電電力の電圧が商用電力系統７５から供給される電力の電圧と同じ電圧に調整される。同期発電機２８と商用電力系統７５との間には、分電盤７４が設けられ、当該分電盤７４からは、極低温冷凍システム１００内の電力負荷へ電力が供給されるように構成されている。

エンジン２６は、天然ガス等の燃料ガス（燃料の一例）と燃焼用空気との混合気Ｍを燃焼室２６ａにおいて圧縮して燃焼させることにより回転軸４０を回転させる形態で回転動力を発生させて当該回転動力により発電機２８を駆動する。
この種のエンジン２６は、詳細な図示は省略するが、吸気路から燃焼室２６ａに新気として吸気された混合気Ｍを、ピストンの上昇により圧縮した状態で点火プラグ（図示せず）にて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて回転軸４０から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスＥは、燃焼室２６ａから排気路２７へ押し出される。当該排気路２７には、排ガスＥの排熱により水を加熱して蒸気Ｓｔを生成する蒸気発生器６０が設けられており、当該蒸気発生器６０にて生成された蒸気Ｓｔは、蒸気流路Ｌ４を介して、熱音響機関９０の加熱器７１へ導かれる。
更に、エンジン２６には、シリンダヘッドにエンジンジャケット２６ｂが設けられており、当該エンジンジャケット２６ｂと、吸収式冷凍機５０の再生器５３との間でエンジン冷却水を循環する冷却水循環路Ｃ３と、当該冷却水循環路Ｃ３にエンジン冷却水を循環させる冷却水循環ポンプＰ１とが設けられている。
尚、詳細な図示及び構成の説明は省略するが、冷却水循環路Ｃ３を通流するエンジン冷却水が保有する熱のうち、再生器５３で回収できなかった熱はラジエター（図示せず）にて放熱するように構成されている。

吸収式冷凍機５０は、上述したように、冷媒液としての水を低圧力下で蒸発させる蒸発器５７と、蒸発器５７で発生した水蒸気を吸収液（例えば、臭化リチウム）に吸収させて希吸収液を生成する吸収器５１と、吸収器５１で生成した希吸収液を温熱源としてのエンジン２６の排熱により加熱して水蒸気と濃吸収液とに分離再生する再生器５３と、再生器５３で再生した水蒸気を液化させる凝縮器５４とを備えている。
更に、蒸発器５７で蒸発した冷媒を吸収器５１へ導き吸収器５１で生成された希吸収液を再生器５３へ導き再生器５３にて生成された水蒸気を凝縮器５４へ導く第４冷媒循環路Ｃ４と、当該第４冷媒循環路Ｃ４で冷媒を圧送する第３圧送ポンプＰ３と、水等の比較的低温の冷媒ＣＷを吸収器５１と凝縮器５４とに記載の順に導く冷媒通流路Ｌ２と、当該冷媒通流路Ｌ２にて冷媒ＣＷを圧送する第２圧送ポンプＰ２と、再生器５３にて生成された濃吸収液を吸収器５１へ導く濃吸収液通流路Ｌ１とを備えている。
尚、第４冷媒循環路Ｃ４の凝縮器５４と蒸発器５７との間には膨張弁Ｖ１が、濃吸収液通流路Ｌ１には膨張弁Ｖ２が、圧力調整のために設けられている。また、吸収器５１と再生器５３との間の第４冷媒循環路Ｃ４を通流する希吸収液と濃吸収液通流路Ｌ１を通流する濃吸収液とを熱交換させる第２熱交換器ＥＸ２が設けられている。
そして、蒸発器５７と熱音響機関９０の放熱器８２との間で第１冷媒を循環される第１冷媒循環路Ｃ１、及び第１冷媒循環路Ｃ１にて第１冷媒を圧送する第４圧送ポンプＰ４が設けられている。
尚、第１冷媒としては、例えば、主成分がエチレングリコールの不凍液（東京理化器械株式会社のナイブライン（Ｒ）Ｚ１、使用温度範囲：－４０～＋６０℃）を好適に用いることができる。

熱音響機関９０は、図１に示すように、作動媒体が充填され音波が伝播する第１ループ管Ｔ１と第２ループ管Ｔ２とが連結筒Ｔ３にて連結されて構成された音響筒Ｔを備え、当該実施形態においては、第１ループ管Ｔ１に２つの原動機７０が設けられると共に第２ループ管Ｔ２に単一の音響ヒートポンプ部８０が設けられている。

以下、作動媒体を外部から加熱する加熱器７１と作動媒体を外部から冷却する冷却器７２と加熱器７１と冷却器７２との間で音波の音響エネルギを増幅する第１再生器７３とから成る原動機７０について説明を加える。

加熱器７１は、詳細な図示は省略するが、蒸気流路Ｌ４を通流する蒸気Ｓｔを通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。加熱器７１は、フィンがジャケット部を通流する蒸気Ｓｔにて加熱され、当該フィンから音響筒Ｔの内部の作動流体へ温熱を伝導する形態で、作動流体を加熱する。

冷却器７２は、冷媒通流路Ｌ３にて導かれる水等の冷媒ＣＷを通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。冷却器７２は、フィンがジャケット部を通流する冷媒ＣＷにて冷却され、当該フィンから音響筒Ｔの内部の作動流体へ冷熱を伝導する形態で、作動流体を冷却する。

加熱器７１と冷却器７２との間に設けられる第１再生器７３は、例えば、音響筒Ｔの筒軸心方向に直交する方向に板面を沿わせた状態で、当該筒軸心方向に沿って複数並べられる薄板状部材（図示せず）から構成されている。
当該薄板状部材は、例えば、厚さが５０μｍ以上１００μｍ以下で、３００枚～６００枚程度設けられる。当該薄板状部材には、筒軸心方向に沿う方向に貫通する多数の貫通孔（図示せず）が、その直径が２００μｍ～３００μｍ程度で、設けられる。

作動流体は、音響筒Ｔの内部において、その筒軸心方向で、微小な揺らぎを生じる状態で、存在している。換言すると、作動流体を伝搬する音波は、加熱器７１と冷却器７２との両者間において、一方側から他方側への進行波と、他方側から一方側への進行波とを形成する。
作動流体を伝搬する音波が冷却器７２から加熱器７１の側への進行波を形成する場合、音波は、加熱器７１近傍での第１再生器７３としての薄板状部材の複数の貫通孔を通過するときに当該貫通孔の内壁に接触して加熱されると共に、加熱器７１のフィンにて直接加熱されることで、膨張する。一方、作動流体を伝搬する音波が加熱器７１から冷却器７２の側への進行波を形成する場合、音波は、冷却器７２の近傍での第１再生器７３としての薄板状部材の複数の貫通孔を通過するときに当該貫通孔の内壁に接触して冷却されると共に、冷却器７２のフィンにて直接冷却されることで、収縮する。
これにより、進行波としての音波が自己励起振動を起こし、その音響エネルギが増幅される形態で、熱エネルギが音波の音響エネルギに変換される。

作動媒体としては、音波を伝播する気体から構成することができる。ここで、第１再生器７３での熱交換が迅速になされることが望ましいため、作動媒体としては、熱拡散係数の高いＨｅ、Ｈ_２が望ましい。また、発電を目的とする場合には、分子量の高い気体が望ましいため、Ａｒ等の気体を混合しても良い。尚、熱的に安定していることから、当該実施形態では、作動媒体としてＨｅを用いている。

原動機７０にて増幅された音波の音響エネルギは、音響筒Ｔの第１ループ管Ｔ１から第２ループ管Ｔ２の音響ヒートポンプ部８０へ伝搬する。
音響ヒートポンプ部８０は、作動媒体が外部から吸熱する吸熱器８１と作動媒体が外部へ放熱する放熱器８２と吸熱器８１と放熱器８２との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第２再生器８３とから成る。

詳細な図示は省略するが、吸熱器８１は、第２冷媒循環路Ｃ２を循環する第２冷媒を通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。吸熱器８１では、フィンがジャケット部を通流する第２冷媒から吸熱し、音響筒Ｔの内部の作動媒体がフィンから吸熱する形態で、第２冷媒が極低温（－１００℃以下）まで冷却される。
尚、第２冷媒としては、例えば、－９０℃以上の温度であればシリコーンオイル（英弘精機株式会社製のＤＷ－ＴＨｅｒｍ Ｍ９０．２００．０２、使用温度範囲：－９０～＋２００℃）を好適に用いることができ、－９０℃よりも低い温度では、その温度に応じてメタン、エタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系混合物を熱媒体として用いる。－１２０℃まで冷却する本実用例では、プロパンが適する。

放熱器８２は、第１冷媒循環路Ｃ１を循環する第１冷媒を通流するジャケット部（図示せず）と、当該ジャケット部から音響筒Ｔの内部に延びるフィン（図示せず）とから成る。放熱器８２では、音響筒Ｔの内部の作動媒体がフィンに放熱し、当該放熱された熱がジャケット部を通流する第１冷媒へ放熱される。

ここで、音響ヒートポンプ部８０は、作動流体を伝搬する音波が、吸熱器８１から放熱器８２の側への進行波を形成する場合に圧縮し、放熱器８２から吸熱器８１の側へ進行波を形成する場合に膨張するように、その吸熱器８１と第２再生器８３と放熱器８２とが音響筒Ｔにおける適切な位置に配置されている。
これにより、作動流体を伝搬する音波が吸熱器８１から放熱器８２の側への進行波を形成する場合、音波は第２再生器８３にて圧縮しながら吸熱して昇温し、放熱器８２にて昇温して高温となった状態で放熱する。これにより、放熱器８２ではジャケット部を通流する第２冷媒が、吸熱器８１のジャケット部を通流する第２冷媒よりも高温の作動媒体と熱交換する形態で加熱される。
一方、作動流体を伝搬する音波が放熱器８２から吸熱器８１の側への進行波を形成する場合、音波は第２再生器８３にて膨張しながら放熱して降温し、吸熱器８１にて降温して低温となった状態で吸熱する。これにより、吸熱器８１ではジャケット部を通流する第１冷媒から、十分に低温となった作動媒体が良好に吸熱することとなる。
因みに、上述の如く、第２再生器８３にて圧縮しながら吸熱する工程、及び膨張しながら放熱する工程において、音波の音響エネルギが消費され、音波は減衰するが、音響エネルギは、原動機７０から逐次補充されるので、音響ヒートポンプ部８０のヒートポンプ機能が維持されることとなる。

さて、当該実施形態に係る極低温冷凍システム１００にあっては、音響ヒートポンプ部８０の吸熱器８１にて極低温（例えば、－１００℃未満）の温度まで第２冷媒を冷却すると共に、原動機７０の加熱器７１にて、エンジン２６の排ガスＥの排熱を有する比較的高温（例えば、３００℃以上）の蒸気Ｓｔが通流するため、熱音響機関９０にて、大きな温度差が形成されるため、熱損失が大きくなる虞がある。当該熱損失を低減するため、以下の構成を採用している。

音響筒Ｔとして、原動機７０と音響ヒートポンプ部８０のうち原動機７０が設けられる部位に近い原動機側音響筒（図１で、第１ループ管Ｔ１、連結筒Ｔ３の一部から構成される音響筒）と、原動機７０と音響ヒートポンプ部８０のうち音響ヒートポンプ部８０が設けられる部位に近い音響ヒートポンプ部側音響筒（図１で、第２ループ管Ｔ２、連結筒Ｔ３の残部から構成される音響筒）とを有し、第１冷媒循環路Ｃ１において放熱器８２を通過後で蒸発器５７を通過前の第１冷媒により、音響ヒートポンプ部８０と音響ヒートポンプ部側音響筒とを冷却する冷却機構を有する。
具体的には、冷却機構は、音響ヒートポンプ部８０と音響ヒートポンプ部側音響筒とを外部と断熱して外囲する第１断熱筐体ＩＳ１を有すると共に、第１冷媒循環路Ｃ１において放熱器８２を通過後で蒸発器５７を通過前の第１冷媒と第１断熱筐体ＩＳ１の内部の気体（当該実施形態では空気）とを熱交換する熱交換器ＥＸ１を有する。尚、第１断熱筐体ＩＳ１は、例えば、グラスウール等の断熱材を充填した断熱構造体を好適に採用できる。また、ポリスチレンなどの発泡系材料で構成しても構わない。
また、第１断熱筐体ＩＳ１の内部において音響ヒートポンプ部８０の吸熱器８１を外囲すると共に、音響ヒートポンプ部８０の吸熱器８１を第１断熱筐体ＩＳ１の内部空間から断熱する第２断熱筐体ＩＳ２を備える。

更に、音響筒Ｔは、鉛直方向（図１で矢印Ｚに沿う方向）において、原動機側音響筒を音響ヒートポンプ部側音響筒に対して上方側に配設する。

〔シミュレーション〕
発明者らは、当該実施形態に係る極低温冷凍システム１００において、一次冷却として吸収式冷凍機５０による冷却、二次冷却として熱音響機関９０による冷却を行う構成をとることで、熱音響機関９０にてすべての冷却を行う構成をとる場合に比べて、高い冷却効率を得られることをシミュレーションにより確認した。以下、そのシミュレーション結果について説明する。

図２に示す熱音響機関９０において、音響筒Ｔの筒内直径は１０ｃｍであり、Ｘ０を始点として筒軸心方向に沿ったＸ０～Ｘ１５の位置は、以下の表１に示す通りである。尚、図２の熱音響機関９０は、模式図であり、筒内直径の値の縮尺とＸ０～Ｘ１５で示す位置の縮尺とは同一ではない。

第１再生器７３及び第２再生器８３の水力直径を０．１４６ｍｍとし、空隙率を７１％とし、金属メッシュの目開きが０．２ｍｍ、線径が０．０１２ｍｍ、作動媒体をＨｅとし、筒内圧力が１ＭＰａとし、発振周波数を６４Ｈｚとし、音響筒Ｔの内部圧力を１ＭＰａとした場合のエネルギーバランスを示す。

まず、当該実施形態に係る極低温冷凍システム１００においては、冷却器７２の夫々では、Ｘ０を始点として上流側の冷却器７２では冷媒ＣＷの流入温度ｔ２ａが２０℃で吸熱量Ｑ２ａが３０２Ｗの状態で通流し、下流側の冷却器７２では冷媒ＣＷの流入温度ｔ２ｂが２０℃で吸熱量Ｑ２ｂが４８７Ｗの状態で通流する。
加熱器７１の夫々では、Ｘ０を始点として上流側の加熱器７１の熱媒ＨＷの流入温度ｔ１ａが３００℃で放熱量Ｑ１ａが４３３Ｗの状態で通流し、下流側の加熱器７１の熱媒ＨＷの流入温度ｔ１ｂが３００℃で放熱量Ｑ１ｂが６５９Ｗの状態で通流する。
放熱器８２では、冷媒ＣＷの流入温度ｔ４が－１０℃で作動媒体による放熱量Ｑ４が３２６Ｗの状態で通流するものとした。この場合、吸熱器８１では、第２冷媒に対する作動媒体による吸熱量Ｑ３が８７Ｗで出力温度ｔ３が－１２０℃の状態で通流することとなった。

原動機７０での熱音変換効率は２８％とし、発生する音響エネルギーとしてのΔＱｇａは１３１Ｗで、ΔＱｇｂは１７２Ｗであり、音響ヒートポンプ部８０の音熱変換効率は３６％とし、変換され消費された音響エネルギーΔＱｈは２３９Ｗとなる。
尚、吸収式冷凍機５０において、再生器５３への熱入力は９０℃で６９２Ｗとし、カルノー効率が３０％で試算した。

一方で、冷却として熱音響機関９０のみを用いた極低温冷凍システムは、図１に示す構成において、吸収式冷凍機５０を備えず、放熱器８２に対して上水を通流する構成である。
当該構成においては、冷却器７２の夫々では、Ｘ０を始点として上流側の冷却器７２では冷媒ＣＷの流入温度ｔ２ａが２０℃で吸熱量Ｑ２ａが４７８Ｗの状態で通流し、下流側の冷却器７２では冷媒ＣＷの流入温度ｔ２ｂが２０℃で吸熱量Ｑ２ｂが７７１Ｗの状態で通流する。
加熱器７１の夫々では、Ｘ０を始点として上流側の加熱器７１の熱媒ＨＷの流入温度ｔ１ａが３００℃で放熱量Ｑ１ａが６８６Ｗの状態で通流し、下流側の加熱器７１の熱媒ＨＷの流入温度ｔ１ｂが３００℃で放熱量Ｑ１ｂが１０４３Ｗの状態で通流する。
放熱器８２では、冷媒ＣＷの流入温度ｔ４が２０℃で作動媒体による放熱量Ｑ４が４６８Ｗの状態で通流するものとした。この場合、吸熱器８１では、第２冷媒に対する作動媒体による吸熱量Ｑ３が８７Ｗで出力温度ｔ３が－１２０℃の状態で通流することとなった。

原動機７０での熱音変換効率は２８％とし、発生する音響エネルギーとしてのΔＱｇａは２０８Ｗで、ΔＱｇｂは２７２Ｗであり、音響ヒートポンプ部８０の音熱変換効率は２３％とし、変換され消費された音響エネルギーΔＱｈは３８１Ｗとなる。

以上のシミュレーション結果をまとめると、－１２０℃で８７Ｗの冷熱出力をえる場合、実施形態に係る極低温冷凍システム１００（一次冷却を吸収式冷凍機で行うと共に二次冷却を熱音響機関で行う構成）にあっては、使用用途が少ない中温（上気シミュレーションでは９０℃）のエンジン冷却水の排熱は無限にあるとして入力熱量に含めないことを前提とすると、必要な入力熱量は１０９２Ｗである。これに対し、熱音響機関のみで極低温まで冷却する場合には、必要な入力熱量は１７２９Ｗとなり、当該実施形態に係る極低温冷凍システム１００が、熱音響機関単体で冷却する場合に比べ、中温の排熱を有効に利用しつつ、高い冷却効率を発揮できると言える。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、吸収式冷凍機にて低温冷却した冷媒を、音響ヒートポンプ部８０の放熱器へ導く構成を示した。他の構成として、冷媒を蒸発させる蒸発器と内部に吸着剤が収容される吸着器と冷媒を凝縮させる凝縮器と凝縮した冷媒を膨張させる膨張弁とを有する吸着式冷凍機にて冷却した冷媒を、音響ヒートポンプ部８０の放熱器へ導く構成を採用しても構わない。
具体的には、第１冷媒循環路Ｃ１を吸着式冷凍機の蒸発器と放熱器８２との間で第１冷媒を循環する構成とすると共に、冷却水循環路Ｃ３をエンジン２６のエンジンジャケット２６ｂと吸着式冷凍機の吸着器との間でエンジン冷却水を循環する構成とする。
いずれの構成においても、－２０℃以上１０℃未満の通常冷凍（冷蔵）温度帯における冷媒の冷却は、熱音響機関を用いることなく、吸収式冷凍機や吸着式冷凍機を用い、更に、－５０℃以上－２０℃未満の低温冷凍温度帯、－１００℃以上－５０℃未満の超低温温度帯、－１００℃未満の極低温温度帯において、熱音響機関を用いた冷却を行うことで、より効率的な冷却を実現できる。

（２）上記実施形態では、吸収式冷凍機５０及び熱音響機関９０の熱源として、コージェネレーション装置２０を例示したが、当該構成に限らず、工場排熱等を熱源としても構わない。

（３）上記実施形態では、吸収式冷凍機５０の温熱源として、エンジン２６の冷却水が有する排熱を用いる構成例を示した。しかしながら、エンジン２６の排ガスＥが有する排熱を用いる構成を採用しても構わない。
当該別実施形態に係る構成によれば、上記実施形態に示す構成よりも、高い冷却効率を発揮できる。

（４）上記実施形態において、蒸気流路Ｌ４を加熱するバーナを備え、コージェネレーション装置２０からの排熱が不足する場合に、当該バーナを作動させて蒸気Ｓｔを加熱する構成を採用しても構わない。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明の極低温冷凍システムは、オゾン層破壊効果や温室効果のあるフロン類の冷媒を用いることなく、比較的高い効率で極低温温度帯の冷凍を実現可能な極低温冷凍システムとして、有効に利用可能である。

２６ ：エンジン
５０ ：吸収式冷凍機
７０ ：原動機
７１ ：加熱器
７２ ：冷却器
７３ ：第１再生器
８０ ：音響ヒートポンプ部
８１ ：吸熱器
８２ ：放熱器
８３ ：第２再生器
９０ ：熱音響機関
１００ ：極低温冷凍システム
Ｃ１ ：第１冷媒循環路
Ｃ２ ：第２冷媒循環路
Ｅ ：排ガス
ＥＸ３ ：熱交換器
ＦＺ ：冷凍庫
ＩＳ１ ：第１断熱筐体
ＩＳ２ ：第２断熱筐体
Ｒ ：制御装置
Ｓｔ ：蒸気
Ｔ ：音響筒
Ｔ１ ：第１ループ管
Ｔ２ ：第２ループ管

Claims (6)

1. 冷凍庫内にて極低温温度帯で冷凍対象物を冷凍可能な極低温冷凍システムであって、
   作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、温熱源からの排熱により前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波の音響エネルギを増幅する第１再生器とから成る原動機を少なくとも１つ以上有すると共に、前記作動媒体が外部から吸熱する吸熱器と前記作動媒体が外部へ放熱する放熱器と前記吸熱器と前記放熱器との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第２再生器とから成る音響ヒートポンプ部を少なくとも１つ以上有する熱音響機関と、
   冷媒液を蒸発させる蒸発器と前記蒸発器で発生した水蒸気を吸収液に吸収させて希吸収液を生成する吸収器と前記吸収器で生成した希吸収液を温熱源の排熱により加熱して水蒸気と濃吸収液とに分離再生する再生器と前記再生器で再生した水蒸気を液化させる凝縮器とを有する吸収式冷凍機、又は冷媒を蒸発させる蒸発器と内部に吸着剤が収容される吸着器と冷媒を凝縮させる凝縮器と凝縮した冷媒を膨張させる膨張弁とを有する吸着式冷凍機の何れか一方を備え、
   前記吸収式冷凍機又は前記吸着式冷凍機の何れか一方の前記蒸発器と前記放熱器との間で第１冷媒を循環する第１冷媒循環路と、
   前記冷凍庫の内部の気体と第２冷媒とを熱交換する熱交換器と前記吸熱器との間で第２冷媒を循環する第２冷媒循環路とを備える極低温冷凍システム。
2. 前記音響筒は、前記原動機と前記音響ヒートポンプ部のうち前記原動機が設けられる部位に近い原動機側音響筒と、前記原動機と前記音響ヒートポンプ部のうち前記音響ヒートポンプ部が設けられる部位に近い音響ヒートポンプ部側音響筒とを有し、
   前記第１冷媒循環路において前記放熱器を通過後で前記蒸発器を通過前の第１冷媒により、前記音響ヒートポンプ部と前記音響ヒートポンプ部側音響筒とを冷却する冷却機構を有する請求項１に記載の極低温冷凍システム。
3. 前記冷却機構は、前記音響ヒートポンプ部と前記音響ヒートポンプ部側音響筒とを外部と断熱して外囲する第１断熱筐体を有すると共に、
   前記第１冷媒循環路において前記放熱器を通過後で前記蒸発器を通過前の第１冷媒と前記第１断熱筐体の内部の気体とを熱交換する熱交換器を有する請求項２に記載の極低温冷凍システム。
4. 前記第１断熱筐体の内部において前記音響ヒートポンプ部の前記吸熱器を外囲すると共に、前記音響ヒートポンプ部の前記吸熱器を前記第１断熱筐体の内部空間から断熱する第２断熱筐体を備える請求項３に記載の極低温冷凍システム。
5. 前記音響筒は、鉛直方向において、前記原動機側音響筒を前記音響ヒートポンプ部側音響筒に対して上方側に配設される請求項２～４の何れか一項に記載の極低温冷凍システム。
6. 燃焼用空気と燃料とを燃焼して軸出力を得るエンジンを前記温熱源として備え、
   前記エンジンの排ガスの熱を前記加熱器を加熱する熱源とすると共に、
   前記エンジンのジャケット水の熱を前記吸収式冷凍機の前記再生器又は前記吸着式冷凍機の前記吸着器の熱源とする請求項１～５の何れか一項に記載の極低温冷凍システム。

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