JPH07190524A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 サイクル効率の高い冷凍サイクルを提供す
る。 【構成】 高圧水素ライン２から第１の金属水素化物昇
圧器１１を経て導入される水素ガスの圧力で膨張機５、
６を回転駆動し、膨張機５、６における高圧水素ガスの
断熱膨張により発生した冷熱を冷凍熱交換器１４により
回収して冷熱利用設備３２を冷却する。また、駆動軸２
０の回転をクラッチ１０の切り替えで発電機７または圧
縮機８、９に伝達し、電力供給または水素ガスの昇圧の
いずれかを行なう。また、昇圧後の水素ガスを中間冷却
器１５により冷却し、このとき熱を得た熱交換媒体３３
が第２の金属水素化物昇圧器１６に導入される。また、
冷熱回収後の低温の水素ガスを膨張機５、６に導入する
水素ガスの予冷に利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば低温ガス貯蔵、
食品工業等の冷熱利用設備を使用する産業分野に用いて
好適な冷凍サイクルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、次世代のエネルギー源として水素
が注目されており、例えば都市域にて高圧水素ラインと
低圧水素ラインをそれぞれ敷設し、高圧水素、低圧水素
のポテンシャルエネルギー差を利用してフロン等の冷媒
を使用しない冷凍サイクルを実現することが考えられて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように水素を用いた冷凍サイクルでサイクル効率の高い
ものは未だ提案されておらず、この種の冷凍サイクルの
実用化は困難であると考えられていた。

【０００４】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であって、サイクル効率の高い冷凍サイクルを提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の冷凍サイクルは、高圧の水素ガス
を流す高圧水素ラインと、低圧の水素ガスを流す低圧水
素ラインと、回転自在な駆動軸を有し、前記高圧水素ラ
インから高圧水素導入管を介して導入された水素ガスを
断熱膨張させ、その水素ガスを低圧水素排出管を介して
前記低圧水素ラインに導出する膨張機と、前記駆動軸上
に設置され、該駆動軸が回転する際に電力を発生する発
電機と、前記駆動軸上に設置され、該駆動軸が回転する
際に前記低圧水素排出管から水素ガスの一部を導入し
て、これを断熱圧縮させ、前記高圧水素ラインに導出す
る圧縮機と、前記駆動軸上に設置され、該駆動軸の回転
を前記発電機、または前記圧縮機のいずれかに伝達すべ
く断続動作を行なうクラッチと、前記膨張機の後段に設
置され、断熱膨張後の水素ガスが導入されて熱交換媒体
との間で熱交換が行なわれるとともに、該熱交換媒体が
任意の冷熱利用設備との間で循環するように構成された
冷凍熱交換器とが具備されていることを特徴とするもの
である。

【０００６】また、請求項２記載の冷凍サイクルは、冷
凍熱交換器における熱交換後の水素ガスが、高圧水素ラ
インを流れる水素ガスより低温となるように構成される
とともに、高圧水素導入管の途中に設置され、前記高圧
水素ラインから導入される水素ガスを予冷する第１の予
冷器と、前記高圧水素導入管における前記第１の予冷器
の後段、かつ低圧水素排出管における前記冷凍熱交換器
の後段に設置され、前記第１の予冷器を経た水素ガスお
よび前記冷凍熱交換器を経た水素ガスが内部に導入され
て、これら水素ガス同士が熱交換するように構成された
第２の予冷器とが具備されていることを特徴とするもの
である。

【０００７】また、請求項３記載の冷凍サイクルは、高
圧水素ラインと低圧水素ラインとの間に設けられ、前記
高圧水素ラインから導入される水素ガスを減圧して前記
低圧水素ラインに導出するとともに、水素ガスの減圧の
際に発生する熱を内部の熱交換媒体に吸収させる金属水
素化物減圧器と、高圧水素導入管における膨張機の前段
に設けられるとともに、前記金属水素化物減圧器の熱交
換媒体が導入されるように構成され、該熱交換媒体の熱
を吸収することにより前記高圧水素ラインから導入され
る水素ガスをさらに昇圧し前記膨張機に導出する第１の
金属水素化物昇圧器とが具備されていることを特徴とす
るものである。

【０００８】また、請求項４記載の冷凍サイクルは、圧
縮機の後段に設けられ、該圧縮機における断熱圧縮を経
た水素ガスを熱交換媒体により冷却して高圧水素ライン
に導出する中間冷却器と、前記高圧水素ラインと低圧水
素ラインとの間に設けられるとともに、前記中間冷却器
の熱交換媒体が導入されるように構成され、該熱交換媒
体の熱を吸収することにより前記低圧水素ラインから導
入される水素ガスを昇圧して前記高圧水素ラインに導出
するように構成された第２の金属水素化物昇圧器とが具
備されていることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】請求項１記載の冷凍サイクルでは、高圧水素ラ
インから高圧水素導入管を通じて高圧の水素ガスを膨張
機に導入すると、膨張機においては水素ガスが有する圧
力エネルギーにより駆動軸が回転駆動するとともに、高
圧の水素ガスは断熱膨張して低圧の水素ガスとなり、こ
の水素ガスを低圧水素排出管へと導出する。ここで、膨
張機から冷凍熱交換器に導入された水素ガスは、膨張機
にて断熱膨張されたことにより大幅に温度低下している
ので、この低温の水素ガスと冷凍熱交換器における熱交
換媒体との間で熱交換を行なわせることにより冷熱が得
られ、熱交換媒体を冷熱利用設備に循環させることによ
り、冷熱を冷熱利用設備にて利用する。そして、冷凍熱
交換器を経た水素ガスを圧縮機に導入する。

【００１０】一方、高圧の水素ガスを膨張機に導入する
ことにより得られた駆動軸の回転力をこの駆動軸上に設
置された発電機および圧縮機に伝達する。このとき、駆
動軸上にはクラッチが設けられているので、クラッチの
断続動作により駆動軸の回転力を発電機と圧縮機のいず
れかに伝達することができる。そこで、駆動軸の回転力
を発電機に伝達すると、発電機が電力を発生してこの電
力を冷凍サイクルの外部に供給する。また、駆動軸の回
転力を圧縮機に伝達すると、圧縮機が稼動することによ
り膨張機から導入される低圧の水素ガスを断熱圧縮して
高圧の水素ガスとし、高圧水素ラインに回収する。

【００１１】また、請求項２記載の冷凍サイクルでは、
高圧水素ラインから膨張機に水素ガスを導入する際に、
水素ガスを第１の予冷器により予冷した後、第２の予冷
器に導入する。一方、冷凍熱交換器から低圧水素排出管
を介して第２の予冷器に導入される水素ガスは、高圧水
素導入管を介して第２の予冷器に導入される水素ガスよ
り低温となっているため、第２の予冷器においてこれら
水素ガスの間で熱交換が行なわれ、高圧水素導入管側の
水素ガスを低圧水素排出管側の水素ガスの冷熱によって
さらに予冷した上で膨張機に導入する。

【００１２】また、請求項３記載の冷凍サイクルでは、
高圧水素ラインから水素ガスを金属水素化物減圧器内に
導入しこれを密閉したときに、内部の水素吸蔵合金が水
素ガスを吸蔵して金属水素化物となるとともに、水素ガ
スが減圧する。そして、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵
する際の発熱により熱交換媒体の温度が上昇する。一
方、高圧水素ラインから水素ガスを第１の金属水素化物
昇圧器に導入すると、内部の水素吸蔵合金が水素を吸蔵
して金属水素化物となり、水素の吸蔵が完了した時点で
第１の金属水素化物昇圧器を密閉する。ここで、高温と
なった前記金属水素化物減圧器の熱交換媒体を第１の金
属水素化物昇圧器に導入すると、水素吸蔵合金が熱交換
媒体から吸熱することにより水素を放出するため、内部
に導入される水素ガスをさらに昇圧する。そして、水素
ガスの圧力が高圧水素ラインを流れていたときの圧力よ
りさらに高くなって膨張機に導入されるので、膨張機に
よる駆動軸の回転力も大きくなる。

【００１３】また、請求項４記載の冷凍サイクルでは、
圧縮機における断熱圧縮後の水素ガスが温度上昇してい
るため、これを中間冷却器に導入し、熱交換媒体により
冷却した後に高圧水素ラインに回収する。一方、第２の
金属水素化物昇圧器には、予め高圧水素ラインから水素
ガスを導入し、内部の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ金
属水素化物としておく。そこで、第２の金属水素化物昇
圧器に前記中間冷却器の熱交換媒体を導入すると、熱交
換器における熱交換により熱交換媒体が高温となってい
るため、この熱交換媒体との熱交換により金属水素化物
が熱を吸収して予め貯蔵していた水素を放出し、密閉さ
れた金属水素化物昇圧器内で水素ガスが昇圧されるの
で、この水素ガスが十分に昇圧されて高圧水素ラインの
圧力以上になった時点で高圧の水素ガスを高圧水素ライ
ンへと導入する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の冷凍サイクルの一実施例を図
１を参照して説明する。図１は冷凍サイクル１の全体構
成を示す図であって、図中符号２は高圧水素ライン、３
は低圧水素ライン、４は金属水素化物減圧器、５、６は
膨張機、７は発電機、８、９は圧縮機、１０はクラッ
チ、１１は第１の金属水素化物昇圧器、１２は第１の予
冷器、１３は第２の予冷器、１４は冷凍熱交換器、１５
は中間冷却器、１６は第２の金属水素化物昇圧器であ
る。

【００１５】高圧水素ライン２は圧力１１００ｋＰａ、
温度２０℃の水素ガスを流す管路であり、低圧水素ライ
ン３は圧力２００ｋＰａ、温度２０℃の水素ガスを流す
管路である。

【００１６】金属水素化物減圧器４が低圧水素ライン３
と高圧水素ライン２との間に設置されており、高圧水素
ライン２側から入口弁１７を介して水素ガスが導入さ
れ、低圧水素ライン３側へ出口弁１８を介して水素ガス
を導出するようになっている。また、金属水素化物減圧
器４の内部には水素吸蔵合金（図示せず）が収納されて
おり、この水素吸蔵合金に熱交換媒体１９が導入される
ようになっている。なお、金属水素化物減圧器４は、水
素吸蔵合金が発熱を伴って水素を吸蔵し金属水素化物に
なるという水素吸蔵合金の性質を利用して、密閉された
水素ガスを減圧し得るものである。

【００１７】膨張機５、６は、回転自在な駆動軸２０の
一端部に前段、後段の２段にわたって設置されたもので
あり、駆動軸２０の中央部には発電機７が設置され、駆
動軸２０の他端部には前段、後段の２段にわたって圧縮
機８、９が設置されている。また、駆動軸２０における
発電機７と圧縮機８、９との間にはクラッチ１０が介装
されている。したがって、膨張機５、６により駆動軸２
０が回転駆動するときに、クラッチ１０が接続され発電
機７が遊転した状態では、駆動軸２０の回転が圧縮機
８、９のみに伝達され、クラッチ１０が切断され発電機
７が稼動した状態では、駆動軸２０の回転が発電機７の
みに伝達されるようになっている。

【００１８】また、高圧水素ライン２と前段の膨張機５
の入口は高圧水素導入管２１により接続されている。そ
して、後段の膨張機６の出口と低圧水素ライン３とは低
圧水素排出管２２により接続されているが、この低圧水
素排出管２２はその途中で前段の圧縮機８に延びる圧縮
機側排出管２３が分岐されている。また、圧縮機側排出
管２３の途中には遮断弁２４が設けられている。さら
に、前段の膨張機５の出口と後段の膨張機６の入口とが
膨張機連絡管２５を介して接続され、前段の圧縮機８の
出口と後段の圧縮機９の入口とが圧縮機連絡管２６を介
して接続されるとともに、後段の圧縮機９の出口と高圧
水素ライン２とは高圧水素排出管２７を介して接続され
ている。

【００１９】また、第１の金属水素化物昇圧器１１が、
高圧水素導入管２１の上流側に設置されており、入口弁
２８を介して高圧水素ライン２側から水素ガスが導入さ
れ、出口弁２９を介して膨張機５、６側へ水素ガスを導
出するようになっている。そして、第１の金属水素化物
昇圧器１１の内部には水素吸蔵合金（図示せず）が収納
されており、この水素吸蔵合金に前記金属水素化物減圧
器４の熱交換媒体１９が循環供給されるとともに、工業
用水等の比較的低温の熱交換媒体３０も循環供給される
ようになっている。なお、金属水素化物昇圧器は、水素
吸蔵済の水素吸蔵合金が熱を吸収すると水素を再度放出
するという水素吸蔵合金の性質を利用して、水素ガスを
昇圧し得るものである。

【００２０】また、第１の予冷器１２が、高圧水素導入
管２１における第１の金属水素化物昇圧器１１の後段に
設置されており、第１の金属水素化物昇圧器１１から導
入された水素ガスが任意の冷媒（図示せず）により冷却
されるようになっている。

【００２１】さらに、第２の予冷器１３が、高圧水素導
入管２１における第１の予冷器１２の後段、かつ低圧水
素排出管２２における後述する冷凍熱交換器１４の後段
に設置されており、高圧水素導入管２１および低圧水素
排出管２２を流れる水素ガスが内部に導入されて、低圧
水素排出管２２側の冷凍熱交換器１４を経た低温の水素
ガスによって高圧水素導入管２１側の水素ガスが膨張機
５、６に導入される前に予冷されるようになっている。

【００２２】また、冷凍熱交換器１４が、低圧水素排出
管２２における後段の膨張機６と第２の予冷器１３との
間に設置されており、この冷凍熱交換器１４においては
低圧水素排出管２２を流れる水素ガスと熱交換媒体３１
との間で熱交換が行なわれるとともに、熱交換により冷
熱を得た熱交換媒体３１が冷凍庫等の冷熱利用設備３２
との間を循環するようになっている。

【００２３】一方、中間冷却器１５が、高圧水素排出管
２７における後段の圧縮機９の後段に設置されており、
高圧水素排出管２７および圧縮機連絡管２６を流れる水
素ガスがそれぞれ内部に導入されるとともに、熱交換媒
体３３が導入されるようになっている。そして、前段の
圧縮機８から導出された水素ガス、および後段の圧縮機
９から導出された水素ガスの双方が熱交換媒体３３によ
り冷却されるようになっている。

【００２４】また、第２の金属水素化物昇圧器１６が低
圧水素ライン３と高圧水素ライン２との間に設置されて
おり、入口弁３４を介して低圧水素ライン３側から水素
ガスが導入され、出口弁３５を介して高圧水素ライン２
側へ水素ガスを導出するようになっている。また、第２
の金属水素化物昇圧器１６の内部には水素吸蔵合金（図
示せず）が収納されており、この水素吸蔵合金に中間冷
却器１５の熱交換媒体３３が循環供給されるようになっ
ているとともに、工業用水等の比較的低温の熱交換媒体
３６も循環供給されるようになっている。

【００２５】前記構成の冷凍サイクル１を稼動させる際
には、まず、第１の金属水素化物昇圧器１１の入口弁２
８を開き出口弁２９を閉じた状態とし、高圧水素ライン
２から圧力１１００ｋＰａ、温度２０℃の水素ガスを第
１の金属水素化物昇圧器１１内に導入すると、内部の水
素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵して金属水素化物となる。
このとき、水素吸蔵反応により水素吸蔵合金に発熱が生
じるが、この熱は工業用水等の比較的低温の熱交換媒体
３０との間の熱交換により回収され、第１の金属水素化
物昇圧器１１内は約２０℃程度に保持されて、水素吸蔵
合金はこの温度で平衡状態となるまで水素ガスを吸蔵し
続ける。このようにして、第１の金属水素化物昇圧器１
１における水素ガスの吸蔵が完了した時点で、入口弁２
８を閉じて第１の金属水素化物昇圧器１１を密閉する。

【００２６】また同時に、金属水素化物減圧器４の入口
弁１７を開き出口弁１８を閉じた状態で、高圧水素ライ
ン２から圧力１１００ｋＰａ、温度２０℃の高圧の水素
ガスを金属水素化物減圧器４内に導入した後、入口弁１
７を閉じて金属水素化物減圧器４を密閉すると、内部の
水素吸蔵合金が水素を吸蔵して金属水素化物となり水素
ガスが減圧されるとともに、水素吸蔵反応に伴って１５
９５ｋＷの発熱が生じ、熱交換媒体１９の温度が上昇す
る。そして、水素ガスを減圧した後、出口弁１８を開き
流量３７０ｋｇ／ｈの水素ガスを低圧水素ライン３に導
入する。

【００２７】また、第２の金属水素化物昇圧器１６につ
いても、前記第１の金属水素化物昇圧器１１と同様の方
法により水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ密閉しておく。

【００２８】ついで、高温となった金属水素化物減圧器
４の熱交換媒体１９を第１の金属水素化物昇圧器１１に
導入すると、内部の水素吸蔵合金が熱交換媒体１９から
１４６７ｋＷの熱を受け取って水素を放出することによ
り内部の水素ガスが昇圧される。

【００２９】そこで、第１の金属水素化物昇圧器１１の
出口弁２９を開くと、圧力５０００ｋＰａ、温度９０℃
の高温高圧の水素ガスが流量３４１ｋｇ／ｈで第１の金
属水素化物昇圧器１１から第１の予冷器１２に導入さ
れ、第１の予冷器１２により冷却されて温度４０℃の水
素ガスとなる。

【００３０】ついで、この水素ガスは第２の予冷器１３
により冷却されて温度−５０℃の水素ガスとなり、前段
の膨張機５に導入されて、高圧の水素ガスが有する圧力
エネルギーにより駆動軸２０が回転駆動しつつ、高圧の
水素ガスが断熱膨張される。ついで、水素ガスは膨張機
連絡管２５を介して前段の膨張機５から後段の膨張機６
に導入され、同様に回転力を生じつつ断熱膨張されて温
度−１６２℃の低温低圧の水素ガスとなり、後段の膨張
機６から低圧水素排出管２２を介して冷凍熱交換器１４
に導入される。

【００３１】ここで、冷凍熱交換器１４に導入された温
度−１６２℃の水素ガスと冷凍熱交換器１４の熱交換媒
体３１との間で熱交換が行なわれ、水素ガスは冷熱を奪
われて温度−７０℃となる一方、冷熱を得た熱交換媒体
３１が冷凍庫等の冷熱利用設備３２に導入されることに
より冷却に利用される。なお、この冷熱利用設備３２で
は温度−６０℃、冷却能力１００ｋＷの冷却が可能であ
る。

【００３２】また、冷凍熱交換器１４から導出された低
圧の水素ガスは、冷凍熱交換器１４にて冷熱を奪われた
後もまだ温度−７０℃と十分に低温であり、冷却能力を
有するものである。そこで、この水素ガスを第２の予冷
器１３に導入し、第１の予冷器１２を経て膨張機５、６
に導入される４０℃の水素ガスを予冷するための冷却媒
体として利用するわけである。すなわち、第１の予冷器
１２を経た４０℃の水素ガスと冷凍熱交換器１４を経た
−７０℃の水素ガスとの間で熱交換が行なわれて、４０
℃の水素ガスは−５０℃に冷却されて前段の膨張機５に
導入される一方、−７０℃の水素ガスは温度２０℃の低
圧の水素ガスとなって低圧水素ライン３に導入されるこ
とになる。

【００３３】一方、高圧の水素ガスを２段の膨張機５、
６に導入して得られた駆動軸２０の回転を発電機７およ
び圧縮機８、９に伝達する。このとき、駆動軸２０上に
設けられたクラッチ１０を断続させることにより発電機
７、圧縮機８、９のいずれかを使用するべく切り替えを
行なうことができる。

【００３４】そこで、発電機７を使用する場合には、ク
ラッチ１０を切断すると、駆動軸２０の回転は圧縮機
８、９には伝達されず、発電機７のみに伝達されること
になる。このように構成したのは圧縮機８、９にも回転
を伝達した上で圧縮機８、９を遊転させる方法では圧縮
機８、９の遊転による動力エネルギーのロスが大きくな
るためである。すると、発電機７により１３７ｋＷの電
力が発生し、この電力が冷凍サイクル１の外部に供給さ
れる。なお、この際には、圧縮機側排出管２３の遮断弁
２４を閉じ水素ガスを圧縮機８、９に導入しないように
しておき、この状態では後段の膨張機６から導出された
圧力２００ｋＰａ、温度２０℃の水素ガスが流量３４１
ｋｇ／ｈで低圧水素ライン３に導入される。

【００３５】また、圧縮機８、９を使用する場合には、
クラッチ１０を接続し、発電機７に磁界をかけず遊転状
態とすると、発電機７の遊転による動力エネルギーのロ
スは小さく、駆動軸２０の回転が圧縮機８、９に伝達さ
れることになる。そこで、圧縮機側排出管２３の遮断弁
２４を開き、圧力２００ｋＰａ、温度２０℃、流量１０
２ｋｇ／ｈの水素ガスを前段の圧縮機８に導入すると、
この水素ガスは断熱圧縮されて昇圧されるとともに、温
度も上昇して１５０℃の水素ガスとなる。

【００３６】ついで、水素ガスは膨張機連絡管２６を介
して中間冷却器１５に導入され、熱交換媒体３３により
冷却されて温度４０℃の水素ガスとなり、後段の圧縮機
９に導入される。ここで、水素ガスは断熱圧縮によりさ
らに昇圧されるとともに、再び昇温して温度１５０℃の
水素ガスとなる。そこで、この水素ガスは再度中間冷却
器１５に導入され、熱交換媒体３３により冷却されて温
度４０℃の水素ガスとなり、高圧水素排出管２７を介し
て高圧水素ライン２に導出される。一方、高温の水素ガ
スとの熱交換により９１ｋＷの熱を得て高温となった熱
交換媒体３３は第２の金属水素化物昇圧器１６に導入さ
れる。

【００３７】ついで、第２の金属水素化物昇圧器１６で
は、中間冷却器１５から導入された熱交換媒体３３との
間の熱交換により金属水素化物が熱を吸収して、予め吸
蔵していた水素を放出する。すると、密閉された第２の
金属水素化物昇圧器１６内で水素ガスが昇圧されるの
で、水素ガスが充分に昇圧されて高圧水素ライン２の圧
力以上になった時点で出口弁３５を開き、温度１００
℃、流量１９ｋｇ／ｈの高圧の水素ガスを高圧水素ライ
ン２へと導出する。

【００３８】なお、前述したように、第１、第２の金属
水素化物昇圧器１１、１６による水素ガスの昇圧、およ
び金属水素化物減圧器４による水素ガスの減圧は間欠的
に行われるため、これら金属水素化物昇圧器１１、１
６、金属水素化物減圧器４からの水素ガスの導出を完了
し、再び水素ガスの吸蔵を開始する際には、膨張機５、
６、発電機７および圧縮機８、９の運転を一旦停止し、
水素の吸蔵が完了した時点で、これらの運転を再開す
る。

【００３９】本実施例の冷凍サイクル１においては、高
圧の水素ガスにおける圧力をそのまま利用することによ
り別の駆動源を用いることなく膨張機５、６を回転駆動
し、断熱膨張により発生した冷熱を冷凍熱交換器１４に
より取り出して温度−６０℃、冷却能力１００ｋＷの冷
熱利用設備３２の冷却に利用することができる。また、
膨張機５、６により得られた動力エネルギーを発電機
７、圧縮機８、９に伝達する際に発電機７、圧縮機８、
９のいずれかに切り替えるようにし、発電機７に伝達し
た場合には１３７ｋＷの電力を作り出すことができる。
また、圧縮機８、９に伝達した場合には、断熱膨張によ
り低圧となった水素ガスの一部（１０２／３４１、すな
わち１／３程度）を断熱圧縮により再び昇圧して高圧水
素ライン２に戻すことができる。

【００４０】また、断熱膨張後、冷熱が奪われた後の低
温の水素ガスを第２の予冷器１３において利用すること
により、膨張機５、６に導入する高圧の水素ガスの予冷
を第１、第２の予冷器１２、１３の２段で充分に行なう
ことができ、その結果、充分な大きな冷熱を得ることが
できる。

【００４１】また、金属水素化物減圧器４において高圧
水素ガスの減圧を行ない、その際に発生する熱を熱交換
媒体１９を介して第１の金属水素化物昇圧器１１におい
て利用することにより、高圧水素ライン２から導入する
水素ガスをさらに昇圧して膨張機５、６に導入すること
ができるため、膨張機５、６による動力エネルギーを高
めることができ、これを電力供給に利用することができ
る。

【００４２】さらに、第２の金属水素化物昇圧器１６
と、断熱圧縮後の水素ガスを中間冷却器１５で冷却する
際に熱交換媒体３３が得る熱とを利用して、低圧の水素
ガスを昇圧して高圧水素ライン２に導入することができ
る。

【００４３】すなわち、この冷凍サイクル１では、膨張
機５、６における動力エネルギーを発電機７、圧縮機
８、９のいずれかに振り分けることによる電力供給、ま
たは水素ガスの昇圧、第２の予冷器１３における有効な
熱交換、第１の金属水素化物昇圧器１１と金属水素化物
減圧器４とを対で使用した水素ガスの昇圧、水素ガス冷
却時における熱交換媒体３３の循環による水素ガスの昇
圧というように、これらを有効に利用してエネルギーの
無駄を最小限にしつつ冷凍供給を行なうことができるの
で、サイクル効率の高い冷凍サイクルを実現することが
できる。

【００４４】特に、この冷凍サイクル１では、冷凍供給
に加えて、高圧の水素ガスと低圧の水素ガスとのエネル
ギー差を利用して電力が得られるという点で大きな利点
を有するものであり、さらに、電力の需要がない場合に
は、膨張機５、６の動力エネルギーを利用し、一旦低圧
になった水素ガスの一部を再度昇圧して高圧水素ライン
２に戻すことができるという点で非常に優れた効果を奏
することができる。

【００４５】また、環境に悪影響を及ぼす物質として問
題となっているフロン等の冷媒を使用することなく水素
ガスを使用して冷熱を回収することができ、しかもＣＯ
2等の排ガスや排水の発生を伴う機械動力を全く必要と
せずに冷凍サイクル１を運転することができるため、こ
れらによってさらに環境に及ぼす影響を少なく抑えるこ
とができる。

【００４６】なお、本実施例の冷凍サイクル１は膨張機
として２段の膨張機５、６を、圧縮機として２段の圧縮
機８、９を備えた構成としたが、この構成に限るもので
はなく、これらを単段、または３段以上とすることもで
きる。また、本実施例における冷凍サイクル１内の各箇
所における設定圧力や設定温度は一例であって、適宜設
定値の変更が可能であるし、それに伴って第１、第２の
金属水素化物昇圧器１１、１６、冷凍熱交換器１４およ
び中間冷却器１５の熱交換媒体についても種々のものを
用いることが可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、請求項１
記載の冷凍サイクルにおいては、高圧の水素ガスにおけ
る圧力を利用することにより膨張機を回転駆動し、断熱
膨張により発生した冷熱を冷凍熱交換器により取り出し
て冷熱利用設備の冷却に利用することができる。また、
膨張機により得られた動力エネルギーを発電機、圧縮機
に伝達する際に発電機、圧縮機のいずれかに切り替える
ようにし、発電機に伝達した場合には電力を作り出すこ
とができる。また、圧縮機に伝達した場合には、断熱膨
張により低圧となった水素ガスの一部を断熱圧縮により
再び昇圧して高圧水素ラインに戻すことができる。すな
わち、本発明は、冷凍供給に加えて、高圧の水素ガスと
低圧の水素ガスとのエネルギー差を利用して電力が得ら
れるという点で大きな利点を有するものであり、さら
に、電力の需要がない場合には、余剰の動力エネルギー
を利用して一旦低圧になった水素ガスの一部を再度昇圧
して高圧水素ラインに戻すことができるという点で非常
に優れた効果を奏することができる。

【００４８】また、請求項２記載の冷凍サイクルにおい
ては、断熱膨張後、冷熱が奪われた後の低温の水素ガス
を第２の予冷器において利用することにより、膨張機に
導入する高圧の水素ガスの予冷を第１、第２の予冷器の
２段で充分に行なうことができるので、充分大きな冷熱
を供給することができる。

【００４９】また、請求項３記載の冷凍サイクルにおい
ては、金属水素化物減圧器において高圧水素ガスの減圧
を行ない、その際に発生する熱を熱交換媒体を介して第
１の金属水素化物昇圧器において利用することにより、
高圧水素ラインから導入する水素ガスをさらに昇圧して
膨張機に導入することができるため、膨張機による動力
エネルギーを高めることができ、これを電力供給に利用
することができる。

【００５０】また、請求項４記載の冷凍サイクルにおい
ては、第２の金属水素化物昇圧器と、断熱圧縮後の水素
ガスを中間冷却器で冷却する際に熱交換媒体が得る熱と
を利用することにより、低圧の水素ガスの昇圧に利用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である冷凍サイクルの全体構
成を示す図である。

【符号の説明】

１ 冷凍サイクル ２ 高圧水素ライン ３ 低圧水素ライン ４ 金属水素化物減圧器 ５ 前段の膨張機（膨張機） ６ 後段の膨張機（膨張機） ７ 発電機 ８ 前段の圧縮機（圧縮機） ９ 後段の圧縮機（圧縮機） １０ クラッチ １１ 第１の金属水素化物昇圧器 １２ 第１の予冷器 １３ 第２の予冷器 １４ 冷凍熱交換器 １５ 中間冷却器 １６ 第２の金属水素化物昇圧器 １９ 金属水素化物減圧器および第１の金属水素化物昇
圧器の熱交換媒体 ２０ 駆動軸 ２１ 高圧水素導入管 ２２ 低圧水素排出管 ３１ 冷凍熱交換器の熱交換媒体 ３２ 冷熱利用設備 ３３ 中間冷却器および第２の金属水素化物昇圧器の熱
交換媒体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧の水素ガスを流す高圧水素ライン
   と、 低圧の水素ガスを流す低圧水素ラインと、 回転自在な駆動軸を有し、前記高圧水素ラインから高圧
   水素導入管を介して導入された水素ガスを断熱膨張さ
   せ、その水素ガスを低圧水素排出管を介して前記低圧水
   素ラインに導出する膨張機と、 前記駆動軸上に設置され、該駆動軸が回転する際に電力
   を発生する発電機と、 前記駆動軸上に設置され、該駆動軸が回転する際に前記
   低圧水素排出管から水素ガスの一部を導入して、これを
   断熱圧縮させ、前記高圧水素ラインに導出する圧縮機
   と、 前記駆動軸上に設置され、該駆動軸の回転を前記発電
   機、または前記圧縮機のいずれかに伝達すべく断続動作
   を行なうクラッチと、 前記膨張機の後段に設置され、断熱膨張後の水素ガスが
   導入されて熱交換媒体との間で熱交換が行なわれるとと
   もに、該熱交換媒体が任意の冷熱利用設備との間で循環
   するように構成された冷凍熱交換器とが具備されている
   ことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍サイクルにおいて、 前記冷凍熱交換器における熱交換後の水素ガスが、前記
   高圧水素ラインを流れる水素ガスより低温となるように
   構成されるとともに、 前記高圧水素導入管の途中に設置され、前記高圧水素ラ
   インから導入される水素ガスを予冷する第１の予冷器
   と、 前記高圧水素導入管における前記第１の予冷器の後段、
   かつ前記低圧水素排出管における前記冷凍熱交換器の後
   段に設置され、前記第１の予冷器を経た水素ガスおよび
   前記冷凍熱交換器を経た水素ガスが内部に導入されて、
   これら水素ガス同士が熱交換するように構成された第２
   の予冷器とが具備されていることを特徴とする冷凍サイ
   クル。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の冷凍サイクル
   において、 前記高圧水素ラインと前記低圧水素ラインとの間に設け
   られ、前記高圧水素ラインから導入される水素ガスを減
   圧して前記低圧水素ラインに導出するとともに、水素ガ
   スの減圧の際に発生する熱を内部の熱交換媒体に吸収さ
   せる金属水素化物減圧器と、 前記高圧水素導入管における前記膨張機の前段に設けら
   れるとともに、前記金属水素化物減圧器の熱交換媒体が
   導入されるように構成され、該熱交換媒体の熱を吸収す
   ることにより前記高圧水素ラインから導入される水素ガ
   スをさらに昇圧し前記膨張機に導出する第１の金属水素
   化物昇圧器とが具備されていることを特徴とする冷凍サ
   イクル。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の冷
   凍サイクルにおいて、 前記圧縮機の後段に設けられ、該圧縮機における断熱圧
   縮を経た水素ガスを熱交換媒体により冷却して前記高圧
   水素ラインに導出する中間冷却器と、 前記高圧水素ラインと前記低圧水素ラインとの間に設け
   られるとともに、前記中間冷却器の熱交換媒体が導入さ
   れるように構成され、該熱交換媒体の熱を吸収すること
   により前記低圧水素ラインから導入される水素ガスを昇
   圧して前記高圧水素ラインに導出するように構成された
   第２の金属水素化物昇圧器とが具備されていることを特
   徴とする冷凍サイクル。