JP7357915B2 - 水素冷却装置、水素供給システム及び冷凍機 - Google Patents

水素冷却装置、水素供給システム及び冷凍機 Download PDF

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本発明は、水素を冷却するための水素冷却装置、冷却水素を供給する水素供給システム、及びこれら装置又はシステムに好適に用いられ得る冷凍機に関する。
燃料電池は、発電時に生じる環境汚染物質が極めて少ない等の理由から次世代のエネルギー源として注目されており、普及しつつある。
例えば燃料電池を搭載した燃料電池車両は近年普及しつつあるが、燃料電池車両の更なる普及には水素供給ステーションの普及が必要である。
水素供給ステーションは通常、水素ガスを圧縮して貯蔵する貯蔵タンクと、貯蔵タンクに接続される供給配管とを有し、貯蔵タンク内の水素を供給配管を介して燃料電池側のタンクに供給する。
このような水素供給ステーションでは、供給配管を通過中の水素の温度がジュールトムソン効果によって上昇し得るが、このような温度上昇は例えば燃料電池側のタンクの温度上昇を招くため、抑制することが求められる。そのため、水素供給ステーションには供給配管を冷却するプレクール装置と呼ばれる装置を備えるものがある。本件出願人も、このようなプレクール装置を備える水素供給装置を特許文献１及び特許文献２において提案している。
特許第５６３２０６５号公報 特開２０１７－１２９２５９号公報
水素供給ステーション等の水素供給システムは高温環境や低温環境に設置されることも想定され、様々な環境における動作信頼性を確保することが普及に際して極めて重要となる。ここで、水素供給システムに設けられるプレクール装置は一般に冷凍機を利用して構成されるが、冷凍機は、環境温度に応じて凝縮器や圧縮機に損傷が生じる場合がある。
本発明は上記の点に着目してなされたものであり、冷凍機を利用する水素冷却装置であって、環境温度に起因する冷凍機の構成部品の損傷を回避することにより、長期運転の信頼性を向上させることができる水素冷却装置、水素供給システム及び冷凍機を提供することを目的とする。
本発明にかかる水素冷却装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が冷媒をこの順に循環させるように接続された冷凍回路と、前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分から前記冷凍回路における前記膨張弁の下流側であって前記蒸発器の上流側の部分まで延びるバイパス流路及び前記バイパス流路上に設けられる開閉弁を有するバイパス回路と、を有する冷凍機と、前記蒸発器と接続し前記蒸発器において前記冷媒により冷却されて前記蒸発器から流出する水素冷却用流体を熱交換器を介して前記蒸発器に循環させる循環路を有し、前記熱交換器において前記水素冷却用流体と水素とを熱交換させる流体循環ユニットと、を備え、前記冷凍機は、前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分における前記バイパス流路の接続位置の下流側に設定される第１圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第１所定値を越えたときに、前記開閉弁を開き、前記第１圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第１所定値よりも小さい第２所定値よりも小さくなったときに、前記開閉弁を閉じる、水素冷却装置である。
この構成では、例えば水素冷却装置の周辺が極高温環境になることに伴い、凝縮器で凝縮される冷媒の凝縮圧力が高くなり、その結果、圧縮機が流出させる冷媒の圧力が凝縮器に悪影響を及ぼす程度に高くなり得る場合に、悪影響を及ぼす程度と見做される冷媒の圧力として定められる第１所定値を基準として、圧縮機が流出させる冷媒を凝縮器の下流側にバイパスさせることができる。これにより、凝縮器に過剰に高圧の冷媒が流入することによる悪影響を回避することができる。よって、環境温度に起因する冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。
前記冷凍機は、前記冷凍回路における前記蒸発器の下流側であって前記圧縮機の上流側の第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第３所定値よりも小さくなったときに前記開閉弁を開き、前記第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第３所定値よりも大きい第４所定値を越えたときに前記開閉弁を閉じてもよい。
この構成では、例えば水素冷却装置の周辺が極低温環境になることに伴い、凝縮器で凝縮される冷媒の凝縮圧力が低くなり、その結果、蒸発器における冷媒の蒸発圧力が圧縮機に悪影響を及ぼす程度に低くなり得る場合に、悪影響を及ぼす程度と見做される冷媒の圧力として定められる第３所定値を基準として、圧縮機が流出させる冷媒を膨張弁の下流側にバイパスさせることができる。これにより、冷媒の蒸発圧力を上昇させることで過剰に低圧の冷媒による悪影響を回避することができる。よって、環境温度に起因する冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。
前記バイパス回路は、前記バイパス流路における前記開閉弁の上流側の部分と下流側の部分とを接続する通常流路と、前記通常流路上に設けられる流量調節弁と、をさらに有し、前記冷凍機は、前記開閉弁が閉じ状態のときに、前記第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が所定の目標値に維持されるように前記流量調節弁の開度を調整し、前記開閉弁が開状態のときに前記流量調節弁を閉じてもよい。
この構成では、水素冷却装置の周辺が通常の温度環境であるときに、圧縮機に戻る冷媒の圧力を安定的に所望状態に維持できるため、安定的な冷却を行うことができる。
前記流体循環ユニットは、前記水素冷却用流体を断熱的に貯留する蓄熱タンクをさらに有してもよい。
この構成では、水素冷却装置の周辺が極高温環境又は極低温環境になることにより冷凍機の冷凍能力が低下した場合に、蓄熱タンクに貯留された水素冷却用流体が熱交換器における冷凍能力の急激な低下を抑制するため、水素を適正に冷却できる状態をある程度の期間、維持することができる。特に開閉弁を開けた際には、蒸発器における冷凍能力が低下するが、このような状況における流体循環ユニットの冷凍能力の低下を効果的に抑制できる。また水素冷却用流体の急激な膨張や、開閉弁を閉じた後の正常運転への復帰にかかる時間を抑制できる。
本発明にかかる水素冷却装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が高温側冷媒をこの順に循環させるように接続された高温側冷凍回路と、前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機の下流側であって前記高温側凝縮器の上流側の部分から前記高温側冷凍回路における前記高温側膨張弁の下流側であって前記高温側蒸発器の上流側の部分まで延びる高温側バイパス流路及び前記高温側バイパス流路上に設けられる高温側開閉弁を有する高温側バイパス回路と、を有する高温側冷凍機と、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側蒸発器が低温側冷媒をこの順に循環させるように接続された低温側冷凍回路と、前記低温側冷凍回路における前記低温側圧縮機の下流側であって前記低温側凝縮器の上流側の部分から前記低温側冷凍回路における前記低温側膨張弁の下流側であって前記低温側蒸発器の上流側の部分まで延びる低温側バイパス流路及び前記低温側バイパス流路上に設けられる低温側開閉弁を有する低温側バイパス回路と、を有する低温側冷凍機と、前記低温側蒸発器と接続し前記低温側蒸発器において前記低温側冷媒により冷却されて前記低温側蒸発器から流出する水素冷却用流体を熱交換器を介して前記低温側蒸発器に循環させる循環路を有し、前記熱交換器において前記水素冷却用流体と水素とを熱交換させる流体循環ユニットと、を備え、前記高温側冷凍回路の前記高温側蒸発器と前記低温側冷凍回路の低温側凝縮器とがカスケードコンデンサを構成し、前記高温側冷凍機は、前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機の下流側であって前記高温側凝縮器の上流側の部分における前記高温側バイパス流路の接続位置の下流側に設定される圧力検出位置での前記高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値を越えたときに、前記高温側開閉弁を開き、前記高温側第１圧力検出位置での前記高温側冷媒の圧力が前記高温側第１所定値よりも小さい高温側第２所定値よりも小さくなったときに前記高温側開閉弁を閉じる、水素冷却装置である。
この構成では、二元冷凍が利用されることで、極高温環境下においても所望される冷凍能力を確保し易くなり、且つ単元の場合に比べて所望の冷凍能力までの到達時間を低減できる。また、例えば水素冷却装置の周辺が極高温環境になることに伴い、高温側凝縮器で凝縮される高温側冷媒の凝縮圧力が高くなり、その結果、高温側圧縮機が流出させる高温側冷媒の圧力が高温側凝縮器に悪影響を及ぼす程度に高くなり得る場合に、悪影響を及ぼす程度と見做される高温側冷媒の圧力として定められる高温側第１所定値を基準として、高温側圧縮機が流出させる高温側冷媒を高温側凝縮器の下流側にバイパスさせることができる。これにより、高温側凝縮器に過剰に高圧の高温側冷媒が流入することによる悪影響を回避することができる。よって、環境温度に起因する高温側冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。
また、前記低温側冷凍機は、前記低温側冷凍回路における前記低温側圧縮機の下流側であって前記低温側凝縮器の上流側の部分における前記低温側バイパス流路の接続位置の下流側に設定される圧力検出位置での前記低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値を越えたときに、前記低温側開閉弁を開き、前記低温側第１圧力検出位置での前記低温側冷媒の圧力が前記低温側第１所定値よりも小さい低温側第２所定値よりも小さくなったときに前記低温側開閉弁を閉じてもよい。
この構成では、例えば水素冷却装置の周辺が極高温環境になることに伴い、低温側凝縮器で凝縮される低温側冷媒の凝縮圧力も高くなり、その結果、低温側圧縮機が流出させる低温側冷媒の圧力も低温側凝縮器に悪影響を及ぼす程度に高くなり得る場合に、悪影響を及ぼす程度と見做される低温側冷媒の圧力として定められる低温側第１所定値を基準として、低温側圧縮機が流出させる低温側冷媒を低温側凝縮器の下流側にバイパスさせることができる。これにより、低温側凝縮器に過剰に高圧の低温側冷媒が流入することによる悪影響を回避することができる。よって、環境温度に起因する低温側冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。
また、本発明にかかる水素供給システムは、前記の水素冷却装置と、水素が貯蔵された水素貯蔵部と、前記水素貯蔵部に貯蔵された水素が通流される水素流路と、を備え、前記水素流路を通流する水素を前記水素冷却装置によって冷却する、水素供給システムである。
この水素供給システムによれば、水素を安定的に冷却できる。
また、本発明にかかる冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が冷媒をこの順に循環させるように接続された冷凍回路と、前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分から前記冷凍回路における前記膨張弁の下流側であって前記蒸発器の上流側の部分まで延びるバイパス流路及び前記バイパス流路上に設けられる開閉弁を有するバイパス回路と、を備え、前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分における前記バイパス流路の接続位置の下流側に設定される圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第１所定値を越えたときに、前記開閉弁を開き、前記圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第１所定値よりも小さい第２所定値よりも小さくなったときに、前記開閉弁を閉じる、冷凍機である。
この冷凍機によれば、環境温度に起因する冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。
本発明によれば、環境温度に起因する冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。
本発明の一実施の形態に係る水素供給システムの概略構成を示す図である。 図１に示す水素供給システムを構成する高温側冷凍機の動作を説明するフローチャートである。 図１に示す水素供給システムを構成する低温側冷凍機の動作を説明するフローチャートである。
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る水素供給システムＳの概略構成を示す図である。本実施の形態に係る水素供給システムＳは、二元冷凍ユニット１と、水素冷却用流体循環ユニット２と、水素貯蔵部３と、水素流路４と、制御装置５とを備えている。このうちの二元冷凍ユニット１、水素冷却用流体循環ユニット２及び制御装置５は、本発明でいう水素冷却装置を構成する。水素貯蔵部３は水素を貯蔵しており、水素流路４は水素を外部に供給する際に水素貯蔵部３からの水素を外部に向けて通流させる。水素供給システムＳは、水素冷却用流体循環ユニット２が循環させる水素冷却用流体を二元冷凍ユニット１によって冷却し、冷却された水素冷却用流体によって水素流路４を冷却することで水素流路４内の水素を冷却する。以下、水素供給システムＳの各構成について説明する。
＜二元冷凍ユニット＞
二元冷凍ユニット１は、高温側冷凍機１００と低温側冷凍機２００とを備え、高温側冷凍機１００と低温側冷凍機２００とがカスケードコンデンサＣＣを構成するようにこれら高温側冷凍機１００と低温側冷凍機２００とを接続している。カスケードコンデンサＣＣでは、高温側冷凍機１００が循環させる高温側冷媒と低温側冷凍機２００が循環させる低温側冷媒とが熱交換し、低温側冷媒が凝縮される。高温側冷媒としては例えばＲ４１０Ａを用いることができ、低温側冷媒としては例えばＲ２３を用いることができるが、これら冷媒の組合せは特に限定されるものではない。
（高温側冷凍機）
高温側冷凍機１００は、高温側圧縮機１０１、高温側凝縮器１０２、高温側膨張弁１０３及び高温側蒸発器１０４が高温側冷媒をこの順に循環させるように配管により接続された高温側冷凍回路１０５と、高温側バイパス回路１１０とを有している。詳細は後述するが、高温側バイパス回路１１０は、高温側圧縮機１０１から流出した高温高圧の冷媒を高温側膨張弁１０３と高温側蒸発器１０４との間の部分に流入させるために設けられている。
高温側冷凍回路１０５では、高温側圧縮機１０１によって圧縮された高温側冷媒が、高温側凝縮器１０２に流入し、高温側凝縮器１０２に流入した冷媒は、空冷又は液冷（本例では、空冷）により凝縮される。その後、高温側冷媒は、高温側膨張弁１０３によって減圧されて低温の気液混合状態となり、高温側蒸発器１０４に流入する。高温側蒸発器１０４は上述したカスケードコンデンサＣＣを構成しており、カスケードコンデンサＣＣにおいて高温側冷媒は低温側冷凍機２００が循環させる低温側冷媒と熱交換を行った後に、高温側圧縮機１０１に流入する。その後、高温側冷媒は高温側圧縮機１０１によって再度圧縮される。
高温側バイパス回路１１０は、高温側冷凍回路１０５における高温側圧縮機１０１の下流側であって高温側凝縮器１０２の上流側の部分から高温側冷凍回路１０５における高温側膨張弁１０３の下流側であって高温側蒸発器１０４の上流側の部分まで延びる高温側バイパス流路１１１と、高温側バイパス流路１１１上に設けられる高温側開閉弁１１２とを有している。また、本実施の形態における高温側バイパス回路１１０は、高温側バイパス流路１１１における高温側開閉弁１１２の上流側の部分と下流側の部分とを接続する高温側通常流路１１３と、高温側通常流路１１３上に設けられる高温側流量調節弁１１４とをさらに有する。
高温側開閉弁１１２は開状態と閉じ状態との２位置を切り替えるように構成されており、例えばソレノイド弁等で構成されてもよい。高温側流量調節弁１１４は開度を調節可能に構成されており、例えばモータバルブ等で構成されてもよい。高温側開閉弁１１２及び高温側流量調節弁１１４は制御装置５に電気的に接続され、制御装置５によって動作を制御されるようになっている。
高温側開閉弁１１２は高温側冷媒の圧力異常時に、大量の高温側冷媒を高温側膨張弁１０３の下流側に流入させるために設けられており、高温側流量調節弁１１４は通常の運転時に高温側圧縮機１０１に戻る高温側冷媒の圧力の一定化を図るために設けられている。
また、図１における符号１１６は、高温側冷凍回路１０５における高温側圧縮機１０１の下流側であって高温側凝縮器１０２の上流側の部分における高温側バイパス流路１１１の接続位置の下流側に設定される高温側第１圧力検出位置ＨＰ１での高温側冷媒の圧力を検出する高温側第１圧力センサを示している。また、符号１１７は、高温側冷凍回路１０５における高温側蒸発器１０４の下流側であって高温側圧縮機１０１の上流側の高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力を検出する高温側第２圧力センサを示している。
高温側第１圧力センサ１１６及び高温側第２圧力センサ１１７は制御装置５に電気的に接続され、制御装置５に検出した情報を送出するようになっている。制御装置５は、高温側第１圧力センサ１１６及び高温側第２圧力センサ１１７からの情報に基づいて、高温側開閉弁１１２及び高温側流量調節弁１１４の動作を制御するようになっている。
（低温側冷凍機）
低温側冷凍機２００は、低温側圧縮機２０１、低温側凝縮器２０２、低温側膨張弁２０３及び低温側蒸発器２０４が低温側冷媒をこの順に循環させるように配管により接続された低温側冷凍回路２０５と、低温側バイパス回路２１０とを有している。低温側バイパス回路２１０は、低温側圧縮機２０１から流出した高温高圧の冷媒を低温側膨張弁２０３と低温側蒸発器２０４との間の部分に流入させるために設けられている。
低温側冷凍回路２０５では、低温側圧縮機２０１によって圧縮された低温側冷媒が、低温側凝縮器２０２に流入する。ここで、低温側凝縮器２０２は上述したカスケードコンデンサＣＣを構成しており、カスケードコンデンサＣＣにおいて低温側冷媒は高温側冷媒により凝縮される。その後、低温側冷媒は、低温側膨張弁２０３によって減圧されて低温の気液混合状態となり、低温側蒸発器２０４に流入する。ここで、低温側蒸発器２０４に流入した低温側冷媒は、水素冷却用流体循環ユニット２が循環させる水素冷却用流体と熱交換し、当該水素冷却用流体を冷却する。その後、低温側冷媒は、低温側圧縮機２０１に流入した後、低温側圧縮機２０１によって再度圧縮される。
低温側バイパス回路２１０は、低温側冷凍回路２０５における低温側圧縮機２０１の下流側であって低温側凝縮器２０２の上流側の部分から低温側冷凍回路２０５における低温側膨張弁２０３の下流側であって低温側蒸発器２０４の上流側の部分まで延びる低温側バイパス流路２１１と、低温側バイパス流路２１１上に設けられる低温側開閉弁２１２とを有している。また、本実施の形態における低温側バイパス回路２１０は、低温側バイパス流路２１１における低温側開閉弁２１２の上流側の部分と下流側の部分とを接続する低温側通常流路２１３と、低温側通常流路２１３上に設けられる低温側流量調節弁２１４とをさらに有する。
上述の高温側開閉弁１１２と同様に、低温側開閉弁２１２は開状態と閉じ状態との２位置を切り替えるように構成されており、例えばソレノイド弁等で構成されてもよい。また、低温側流量調節弁２１４は開度を調節可能に構成されており、例えばモータバルブ等で構成されてもよい。低温側開閉弁２１２及び低温側流量調節弁２１４は制御装置５に電気的に接続され、制御装置５によって動作を制御されるようになっている。
低温側冷凍機２００においても、低温側開閉弁２１２は低温側冷媒の圧力異常時に、大量の低温側冷媒を低温側膨張弁２０３の下流側に流入させるために設けられており、低温側流量調節弁２１４は通常の運転時に低温側圧縮機２０１に戻る低温側冷媒の圧力の一定化を図るために設けられている。
また、図１における符号２１６は、低温側冷凍回路２０５における低温側圧縮機２０１の下流側であって低温側凝縮器２０２の上流側の部分における低温側バイパス流路２１１の接続位置の下流側に設定される低温側第１圧力検出位置ＬＰ１での低温側冷媒の圧力を検出する低温側第１圧力センサを示している。また、符号２１７は、低温側冷凍回路２０５における低温側蒸発器２０４の下流側であって低温側圧縮機２０１の上流側の低温側第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力を検出する低温側第２圧力センサを示している。
低温側第１圧力センサ２１６及び低温側第２圧力センサ２１７は制御装置５に電気的に接続され、制御装置５に検出した情報を送出するようになっている。制御装置５は、低温側第１圧力センサ２１６及び低温側第２圧力センサ２１７からの情報に基づいて、低温側開閉弁２１２及び低温側流量調節弁２１４の動作を制御するようになっている。
＜水素冷却用流体循環ユニット＞
次に水素冷却用流体循環ユニット２は、低温側蒸発器２０４と接続し低温側蒸発器２０４において低温側冷媒により冷却されて低温側蒸発器２０４から流出する水素冷却用流体を熱交換器２１を介して低温側蒸発器２０４に循環させる循環路２０を有する。熱交換器２１は水素冷却用流体と水素とを熱交換させることにより、水素を冷却する。なお、水素冷却用流体として不凍液（ブライン）が用いられるが特に限定されるものではない。
本実施の形態における水素冷却用流体循環ユニット２は、循環路２０上に、水素冷却用流体を循環させるための液送ポンプ２２と、余剰の水素冷却用流体を貯留するタンクユニット２３とをさらに有している。タンクユニット２３は、複数の蓄熱タンク２３Ａ～２３Ｃ（第１蓄熱タンク２３Ａ、第２蓄熱タンク２３Ｂ、第３蓄熱タンク２３Ｃ）と、補充用タンク２３Ｄとを含んでなる。
第１蓄熱タンク２３Ａ、第２蓄熱タンク２３Ｂ及び第３蓄熱タンク２３Ｃはそれぞれ、例えば断熱材によって覆われており、水素冷却用流体を断熱的に貯留するようになっている。また第１蓄熱タンク２３Ａ、第２蓄熱タンク２３Ｂ及び第３蓄熱タンク２３Ｃは配管により直列状に接続されており、水素冷却用流体の循環時には、水素冷却用流体が第１蓄熱タンク２３Ａ、第２蓄熱タンク２３Ｂ及び第３蓄熱タンク２３Ｃの順で通流する。
第１蓄熱タンク２３Ａ、第２蓄熱タンク２３Ｂ及び第３蓄熱タンク２３Ｃは、二元冷凍ユニット１による冷凍能力が異常低下した場合に、熱交換器２１における水素に対する冷凍能力が急激に低下することを抑制するために設けられている。第１蓄熱タンク２３Ａ、第２蓄熱タンク２３Ｂ及び第３蓄熱タンク２３Ｃにおいて貯留される合計の水素冷却用流体の体積Ｖ１は、循環路２０におけるタンクユニット２３を除く流路部分（点ＵＥから左周りに点ＤＥまでの部分）の体積Ｖ２の２０倍以上、特に２６～３０倍とするのがよい。一方、補充用タンク２３Ｄは開閉可能に構成されており、水素冷却用流体を補充又は排出可能に水素冷却用流体を貯留する。
＜水素貯蔵部及び水素流路＞
水素貯蔵部３は例えば圧縮された水素を貯蔵するものであり、水素流路４は、水素を燃料電池や燃料電池車両等の外部に供給する際に水素貯蔵部３からの水素を外部に向けて通流させる。水素流路４の水素貯蔵部３側とは反対側の端部には供給ノズル４Ａが設けられ、供給ノズル４Ａは水素を外部に流出させる。水素流路４は水素冷却用流体循環ユニット２の熱交換器２１に接続されており、熱交換器２１は、低温側冷媒によって冷却された水素冷却用流体によって水素流路４を冷却することで水素流路４内の水素を冷却する。
＜制御装置＞
制御装置５は、上述したように高温側開閉弁１１２、高温側流量調節弁１１４、低温側開閉弁２１２及び低温側流量調節弁２１４の動作を制御する。なお、制御装置５はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えるコンピュータで構成されてもよく、この場合、記憶されたプログラムに従って各部の動作を制御してもよい。制御装置５の処理は、詳しくは以下の通りである。
（高温側冷凍機における制御）
制御装置５はまず、高温側冷凍回路１０５を循環する高温側冷媒の圧力が正常であると判断される場合には、高温側開閉弁１１２を閉じ状態にし、高温側流量調節弁１１４の開度を高温側第２圧力センサ１１７の検出値に基づいて制御する。具体的に制御装置５は、高温側第２圧力センサ１１７が検出する高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力が所定の目標値に維持されるように高温側流量調節弁１１４の開度を調整する。
一方で、制御装置５は、高温側第１圧力センサ１１６が検出する高温側第１圧力検出位置ＨＰ１での高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値を越えたときに、高温側冷媒の圧力が異常と判断し、また高温側第２圧力センサ１１７が検出する高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力が高温側第３所定値よりも小さくなったときに、高温側冷媒の圧力が異常と判断する。
そして、高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値を越えたとき、制御装置５は、高温側開閉弁１１２を開き、高温側流量調節弁１１４を閉じ状態にする。そして制御装置５は、高温側開閉弁１１２を開いた後、高温側第１圧力検出位置ＨＰ１での高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値よりも小さい高温側第２所定値よりも小さくなったときに高温側開閉弁１１２を閉じるようにする。
また、高温側冷媒の圧力が高温側第３所定値よりも小さくなったときにも、制御装置５は、高温側開閉弁１１２を開き、高温側流量調節弁１１４を閉じ状態にする。そして制御装置５は、高温側開閉弁１１２を開いた後、高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力が高温側第３所定値よりも大きい高温側第４所定値を越えたときに高温側開閉弁１１２を閉じるようにする。
（低温側冷凍機における制御）
一方で、低温側冷凍機２００における制御は次の通りである。すなわち、制御装置５はまず、低温側冷凍回路２０５を循環する低温側冷媒の圧力が正常であると判断される場合には、低温側開閉弁２１２を閉じ状態にし、低温側流量調節弁２１４の開度を低温側第２圧力センサ２１７の検出値に基づいて制御する。具体的に制御装置５は、低温側第２圧力センサ２１７が検出する低温側第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力が所定の目標値に維持されるように低温側流量調節弁２１４の開度を調整する。
また制御装置５は、低温側第１圧力センサ２１６が検出する低温第１圧力検出位置ＬＰ１での低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値を越えたときに、低温側冷媒の圧力が異常と判断し、また低温側第２圧力センサ２１７が検出する低温第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力が低温側第３所定値よりも小さくなったときに、低温側冷媒の圧力が異常と判断する。
そして、低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値を越えたとき、制御装置５は、低温側開閉弁２１２を開き、低温側流量調節弁２１４を閉じ状態にする。そして制御装置５は、低温側開閉弁２１２を開いた後、低温側第１圧力検出位置ＬＰ１での低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値よりも小さい低温側第２所定値よりも小さくなったときに低温側開閉弁２１２を閉じるようにする。
また、低温側冷媒の圧力が低温側第３所定値よりも小さくなったときにも、制御装置５は、低温側開閉弁２１２を開き、低温側流量調節弁２１４を閉じ状態にする。そして制御装置５は、低温側開閉弁２１２を開いた後、低温側第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力が低温側第３所定値よりも大きい低温側第４所定値を越えたときに低温側開閉弁２１２を閉じるようにする。
＜動作＞
次に、水素冷却システムＳの動作について説明する。水素冷却システムＳを動作させる際には、まず、高温側圧縮機１０１、低温側圧縮機２０１及び液送ポンプ２２が駆動される。この際、高温側冷凍機１００では高温側開閉弁１１２は閉じられるが、高温側流量調節弁１１４は開度調節可能な状態とされる。同様に、低温側冷凍機２００では高温側開閉弁１１２が閉じられるが、低温側流量調節弁２１４は開度調節可能な状態とされる。このような始動誤、低温側冷凍機２００の低温側凝縮器２０２を通流する低温側冷媒は高温側冷凍機１００の高温側蒸発器１０４を通流する高温側冷媒によって冷却される。そして、水素冷却用流体循環ユニット２が循環させる水素冷却用流体は低温側冷凍機２００の低温側蒸発器２０４を通流する低温側冷媒によって冷却される。そして冷却された水素冷却用流体によって水素流路４が冷却され、水素流路４内の水素が冷却される。
このような運転時において、高温側冷凍機１００は図２に示すフローチャートに従って動作する。なお、以下の動作は、制御装置５が高温側冷凍機１００を制御することにより行われる。
図２に示すように高温側冷凍機１００は、まずステップＳ２１において高温側第１圧力センサ１１６が検出する高温側第１圧力検出位置ＨＰ１での高温側冷媒の圧力が、高温側第１所定値を越えているか否かを判断する。ここで、高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値を越えていない場合（高温側第１所定値以下の場合）には、処理がステップＳ２２に移行し、越えている場合には、処理がステップＳ２４に移行する。
高温側第１圧力検出位置ＨＰ１での高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値を越えていない場合のステップＳ２２では、制御装置５は、高温側第２圧力センサ１１７が検出する高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力が高温側第３所定値よりも小さい否かを判断する。ここで、高温側冷媒の圧力が高温側第３所定値以上の場合には、処理がステップＳ２３に移行し、高温側第３所定値よりも小さい場合には、処理がステップＳ２７に移行する。
ステップＳ２３は高温側冷媒の圧力が正常と判断される状態であり、この場合、制御装置５は、高温側第２圧力センサ１１７が検出する高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力が所定の目標値に維持されるように高温側流量調節弁１１４の開度を調整する。その後、処理はステップＳ２１に戻る。
一方で、ステップＳ２４は高温側冷媒の圧力が異常と判断される状態であり、この場合、制御装置５は、高温側開閉弁１１２を開き、高温側流量調節弁１１４を閉じ状態にする。次いで、制御装置５は、ステップＳ２５において高温側第１圧力検出位置ＨＰ１での高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値よりも小さい高温側第２所定値よりも小さくなったか否か判定する。そして、高温側冷媒の圧力が高温側第２所定値よりも小さくなったときには、ステップＳ２６において高温側開閉弁１１２が閉じられ、処理がステップＳ２１に戻る。一方で、高温側冷媒の圧力が高温側第２所定値よりも小さくならない場合には、高温側開閉弁１１２の開状態が維持される。
また、ステップＳ２７も、高温側冷媒の圧力が異常と判断される状態であり、この場合、制御装置５は、高温側開閉弁１１２を開き、高温側流量調節弁１１４を閉じ状態にする。次いで、制御装置５は、ステップＳ２８において高温側第２圧力検出位置ＨＰ２での高温側冷媒の圧力が高温側第３所定値よりも大きい高温側第４所定値を越えたか否か判定する。そして、高温側冷媒の圧力が高温側第４所定値を越えたときには、ステップＳ２９において高温側開閉弁１１２が閉じられ、処理がステップＳ２１に戻る。一方で、高温側冷媒の圧力が高温側第４所定値を越えない場合には、高温側開閉弁１１２の開状態が維持される。
また、低温側冷凍機２００は図３に示すフローチャートに従って動作する。なお、以下の動作は、制御装置５が低温側冷凍機２００を制御することにより行われる。
図３に示すように低温側冷凍機２００は、まずステップＳ３１において低温側第１圧力センサ２１６が検出する低温側第１圧力検出位置ＬＰ１での低温側冷媒の圧力が、低温側第１所定値を越えているか否かを判断する。ここで、低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値を越えていない場合（低温側第１所定値以下の場合）には、処理がステップＳ３２に移行し、越えている場合には、処理がステップＳ３４に移行する。
低温側第１圧力検出位置ＬＰ１での低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値を越えていない場合のステップＳ３２では、制御装置５は、低温側第２圧力センサ２１７が検出する低温側第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力が低温側第３所定値よりも小さい否かを判断する。ここで、低温側冷媒の圧力が低温側第３所定値以上の場合には、処理がステップＳ３３に移行し、低温側第３所定値よりも小さい場合には、処理がステップＳ３７に移行する。
ステップＳ３３は低温側冷媒の圧力が正常と判断される状態であり、この場合、制御装置５は、低温側第２圧力センサ２１７が検出する低温側第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力が所定の目標値に維持されるように低温側流量調節弁２１４の開度を調整する。その後、処理はステップＳ３１に戻る。
一方で、ステップＳ３４は低温側冷媒の圧力が異常と判断される状態であり、この場合、制御装置５は、低温側開閉弁２１２を開き、低温側流量調節弁２１４を閉じ状態にする。次いで、制御装置５は、ステップＳ３５において低温側第１圧力検出位置ＬＰ１での低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値よりも小さい低温側第２所定値よりも小さくなったか否か判定する。そして、低温側冷媒の圧力が低温側第２所定値よりも小さくなったときには、ステップＳ３６において低温側開閉弁２１２が閉じられ、処理がステップＳ３１に戻る。一方で、低温側冷媒の圧力が低温側第２所定値よりも小さくならない場合には、低温側開閉弁２１２の開状態が維持される。
また、ステップＳ３７も、低温側冷媒の圧力が異常と判断される状態であり、この場合、制御装置５は、低温側開閉弁２１２を開き、低温側流量調節弁２１４を閉じ状態にする。次いで、制御装置５は、ステップＳ３８において低温側第２圧力検出位置ＬＰ２での低温側冷媒の圧力が低温側第３所定値よりも大きい低温側第４所定値を越えたか否か判定する。そして、低温側冷媒の圧力が低温側第４所定値を越えたときには、ステップＳ３９において低温側開閉弁２１２が閉じられ、処理がステップＳ３１に戻る。一方で、低温側冷媒の圧力が低温側第４所定値を越えない場合には、低温側開閉弁２１２の開状態が維持される。
以上に説明した本実施の形態では、例えば周辺が極高温環境になることに伴い、例えば高温側凝縮器１０２で凝縮される高温側冷媒の凝縮圧力が高くなり、その結果、高温側圧縮機１０１が流出させる高温側冷媒の圧力が高温側凝縮器１０２に悪影響を及ぼす程度に高くなり得る場合に、悪影響を及ぼす程度と見做される高温側冷媒の圧力として定められる高温側第１所定値を基準として、高温側圧縮機１０１が流出させる高温側冷媒を高温側凝縮器１０２の下流側にバイパスさせることができる。これにより、高温側凝縮器１０２に過剰に高圧の冷媒が流入することによる悪影響を回避することができる。また周辺が極低温環境になることに伴い、高温側凝縮器１０２で凝縮される高温側冷媒の凝縮圧力が低くなり、その結果、高温側蒸発器１０４における高温側冷媒の蒸発圧力が高温側圧縮機１０１に悪影響を及ぼす程度に低くなり得る場合に、悪影響を及ぼす程度と見做される高温側冷媒の圧力として定められる高温側第３所定値を基準として、高温側圧縮機１０１が流出させる高温側冷媒を高温側膨張弁１０３の下流側にバイパスさせることが可能となる。これにより、高温側冷媒の蒸発圧力を上昇させることで過剰に低圧の高温側冷媒による悪影響を回避することができる。
したがって、本実施の形態によれば、環境温度に起因する冷凍機の構成部品の損傷を回避することが可能となり、長期運転の信頼性を向上させることができる。以上、本発明の一実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、上述の実施の形態には各種の変更を加えることができる。
１…二元冷凍ユニット
２…水素冷却用流体循環ユニット
３…水素貯蔵部
４…水素流路
５…制御装置
２０…循環路
２１…熱交換器
２２…液送ポンプ
２３…タンクユニット
２３Ａ…第１蓄熱タンク
２３Ｂ…第２蓄熱タンク
２３Ｃ…第３蓄熱タンク
２３Ｄ…補充用タンク
１００…高温側冷凍機
１０１…高温側圧縮機
１０２…高温側凝縮器
１０３…高温側膨張弁
１０４…高温側蒸発器
１０５…高温側冷凍回路
１１０…高温側バイパス回路
１１１…高温側バイパス流路
１１２…高温側開閉弁
１１３…高温側通常流路
１１４…高温側流量調節弁
１１６…高温側第１圧力センサ
１１７…高温側第２圧力センサ
２００…低温側冷凍機
２０１…低温側圧縮機
２０２…低温側凝縮器
２０３…低温側膨張弁
２０４…低温側蒸発器
２０５…低温側冷凍回路
２１０…低温側バイパス回路
２１１…低温側バイパス流路
２１２…低温側開閉弁
２１３…低温側通常流路
２１４…低温側流量調節弁
２１６…低温側第１圧力センサ
２１７…低温側第２圧力センサ
Ｓ…水素供給システム
ＨＰ１…高温側第１圧力検出位置
ＨＰ２…高温側第２圧力検出位置
ＬＰ１…低温側第１圧力検出位置
ＬＰ２…低温側第２圧力検出位置

Claims (7)

  1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が冷媒をこの順に循環させるように接続された冷凍回路と、前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分から前記冷凍回路における前記膨張弁の下流側であって前記蒸発器の上流側の部分まで延びるバイパス流路及び前記バイパス流路上に設けられる開閉弁を有するバイパス回路と、を有する冷凍機と、
    前記蒸発器と接続し前記蒸発器において前記冷媒により冷却されて前記蒸発器から流出する水素冷却用流体を熱交換器を介して前記蒸発器に循環させる循環路を有し、前記熱交換器において前記水素冷却用流体と水素とを熱交換させる流体循環ユニットと、
    を備え、
    前記冷凍機は、前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分における前記バイパス流路の接続位置の下流側に設定される第１圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第１所定値を越えたときに、前記開閉弁を開き、前記第１圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第１所定値よりも小さい第２所定値よりも小さくなったときに、前記開閉弁を閉じ、
    前記冷凍機は、前記冷凍回路における前記蒸発器の下流側であって前記圧縮機の上流側の第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第３所定値よりも小さくなったときに前記開閉弁を開き、前記第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第３所定値よりも大きい第４所定値を越えたときに前記開閉弁を閉じる、水素冷却装置。
  2. 前記バイパス回路は、前記バイパス流路における前記開閉弁の上流側の部分と下流側の部分とを接続する通常流路と、前記通常流路上に設けられる流量調節弁と、をさらに有し、
    前記冷凍機は、前記開閉弁が閉じ状態のときに、前記冷凍回路における前記蒸発器の下流側であって前記圧縮機の上流側の第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が所定の目標値に維持されるように前記流量調節弁の開度を調整し、前記開閉弁が開状態のときに前記流量調節弁を閉じる、請求項１に記載の水素冷却装置。
  3. 前記流体循環ユニットは、前記水素冷却用流体を断熱的に貯留する蓄熱タンクをさらに有する、請求項１又は２に記載の水素冷却装置。
  4. 高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が高温側冷媒をこの順に循環させるように接続された高温側冷凍回路と、前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機の下流側であって前記高温側凝縮器の上流側の部分から前記高温側冷凍回路における前記高温側膨張弁の下流側であって前記高温側蒸発器の上流側の部分まで延びる高温側バイパス流路及び前記高温側バイパス流路上に設けられる高温側開閉弁を有する高温側バイパス回路と、を有する高温側冷凍機と、
    低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側蒸発器が低温側冷媒をこの順に循環させるように接続された低温側冷凍回路と、前記低温側冷凍回路における前記低温側圧縮機の下流側であって前記低温側凝縮器の上流側の部分から前記低温側冷凍回路における前記低温側膨張弁の下流側であって前記低温側蒸発器の上流側の部分まで延びる低温側バイパス流路及び前記低温側バイパス流路上に設けられる低温側開閉弁を有する低温側バイパス回路と、を有する低温側冷凍機と、
    前記低温側蒸発器と接続し前記低温側蒸発器において前記低温側冷媒により冷却されて前記低温側蒸発器から流出する水素冷却用流体を熱交換器を介して前記低温側蒸発器に循環させる循環路を有し、前記熱交換器において前記水素冷却用流体と水素とを熱交換させる流体循環ユニットと、
    を備え、
    前記高温側冷凍回路の前記高温側蒸発器と前記低温側冷凍回路の低温側凝縮器とがカスケードコンデンサを構成し、
    前記高温側冷凍機は、前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機の下流側であって前記高温側凝縮器の上流側の部分における前記高温側バイパス流路の接続位置の下流側に設定される高温側第１圧力検出位置での前記高温側冷媒の圧力が高温側第１所定値を越えたときに、前記高温側開閉弁を開き、前記高温側第１圧力検出位置での前記高温側冷媒の圧力が前記高温側第１所定値よりも小さい高温側第２所定値よりも小さくなったときに前記高温側開閉弁を閉じ、
    前記高温側冷凍機は、前記高温側冷凍回路における前記高温側蒸発器の下流側であって前記高温側圧縮機の上流側の高温側第２圧力検出位置での前記高温側冷媒の圧力が第３所定値よりも小さくなったときに前記高温側開閉弁を開き、前記高温側第２圧力検出位置での前記高温側冷媒の圧力が前記第３所定値よりも大きい第４所定値を越えたときに前記高温側開閉弁を閉じる、水素冷却装置。
  5. 前記低温側冷凍機は、前記低温側冷凍回路における前記低温側圧縮機の下流側であって前記低温側凝縮器の上流側の部分における前記低温側バイパス流路の接続位置の下流側に設定される低温側第１圧力検出位置での前記低温側冷媒の圧力が低温側第１所定値を越えたときに、前記低温側開閉弁を開き、前記低温側第１圧力検出位置での前記低温側冷媒の圧力が前記低温側第１所定値よりも小さい低温側第２所定値よりも小さくなったときに前記低温側開閉弁を閉じる、請求項４に記載の水素冷却装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の水素冷却装置と、
    水素が貯蔵された水素貯蔵部と、
    前記水素貯蔵部に貯蔵された水素が通流される水素流路と、を備え、
    前記水素流路を通流する水素を前記水素冷却装置によって冷却する、水素供給システム。
  7. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が冷媒をこの順に循環させるように接続された冷凍回路と、
    前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分から前記冷凍回路における前記膨張弁の下流側であって前記蒸発器の上流側の部分まで延びるバイパス流路及び前記バイパス流路上に設けられる開閉弁を有するバイパス回路と、
    を備え、
    前記冷凍回路における前記圧縮機の下流側であって前記凝縮器の上流側の部分における前記バイパス流路の接続位置の下流側に設定される第１圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第１所定値を越えたときに、前記開閉弁を開き、前記第１圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第１所定値よりも小さい第２所定値よりも小さくなったときに、前記開閉弁を閉じ、前記冷凍回路における前記蒸発器の下流側であって前記圧縮機の上流側の第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が第３所定値よりも小さくなったときに前記開閉弁を開き、前記第２圧力検出位置での前記冷媒の圧力が前記第３所定値よりも大きい第４所定値を越えたときに前記開閉弁を閉じる、冷凍機。
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