WO2017195657A1 - 低温冷却システム - Google Patents

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WO2017195657A1
WO2017195657A1 PCT/JP2017/016924 JP2017016924W WO2017195657A1 WO 2017195657 A1 WO2017195657 A1 WO 2017195657A1 JP 2017016924 W JP2017016924 W JP 2017016924W WO 2017195657 A1 WO2017195657 A1 WO 2017195657A1
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WO
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temperature
liquid hydrogen
low
hydrogen
cooling system
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Application number
PCT/JP2017/016924
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English (en)
French (fr)
Inventor
睦夫 日高
知紀 中山
Original Assignee
国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D16/00—Devices using a combination of a cooling mode associated with refrigerating machinery with a cooling mode not associated with refrigerating machinery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a low-temperature cooling system capable of realizing low-temperature cooling excellent in energy efficiency using a mechanical refrigerator such as a GM refrigerator, a hydrogen power generation unit such as liquid hydrogen and a fuel cell.
  • the operating temperature of an electronic device using a metal superconductor niobium is about 4K. In order to operate these devices, it is necessary to create a low temperature environment of 4K. In addition to the electronic devices using the metal superconductor niobium, there are many electronic devices using superconducting devices operating at 20K or lower and other materials.
  • liquid helium having a boiling point of 4.2 K at 1 atm has been used for a long time.
  • mechanical refrigerators such as GM (Gifford-McMahon) refrigerators and pulse tube refrigerators have been used (for example, Non-patent document 1).
  • the GM refrigerator is a mechanical refrigerator in which a cold storage material reciprocates inside a cylinder, adiabatically expands refrigerant gas, and generates cold.
  • the pulse tube refrigerator is a refrigerator constituted by a simple tube named a compressor, a regenerator, and a pulse tube.
  • the maximum efficiency of the mechanical refrigerator is known as the Carnot efficiency ⁇ of the following equation (1).
  • T c denotes the temperature of the cold end of the mechanical refrigerator
  • T h indicates the temperature of the warm end of the refrigerator.
  • T h since the room temperature (300K), the Carnot efficiency ⁇ when cooled to 4K, 1.35%.
  • the relationship with the power P cryo is as shown by the solid line in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the power consumption P cryo and refrigerating output Q r of 4K-GM refrigerator.
  • the efficiency when cooling 1 W at 4 K is 0.4%, and the power consumption of the refrigerator is 250 W.
  • this efficiency value is a value assumed under ideal conditions, and in an actual refrigerator, the efficiency value is lower than the value assumed under ideal conditions due to mechanical loss or pressure loss.
  • a point indicated by a black circle in FIG. 1 is a value in an actual refrigerator described in Non-Patent Document 3, and the efficiency value decreases as the refrigeration output decreases. That is, when the refrigeration output is 1 W, the power consumption is 13.6 times that of the ideal case, so the efficiency is 0.029%. This indicates that the refrigerator consumes 3,414 W of power in order to obtain a refrigeration output of 1 W at 4K.
  • the low energy efficiency when using the mechanical refrigerator is a major obstacle to the practical application of all superconducting devices and low-temperature devices used at cryogenic temperatures.
  • a superconducting device represented by a single flux quantum circuit is known to have a power consumption of 3 to 4 digits lower than that of a semiconductor circuit, but the energy efficiency of the mechanical refrigerator is low.
  • the low power consumption cannot be fully exhibited. Therefore, when the mechanical refrigerator is used, it is currently desired to develop a new low-temperature cooling system that improves energy efficiency for practical application of the superconducting device and the low-temperature device.
  • the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art and to provide a low-temperature cooling system excellent in energy efficiency using a mechanical refrigerator.
  • Means for solving the problems are as follows. That is, ⁇ 1> a mechanical refrigerator having a low temperature end that is frozen to a temperature lower than a liquid hydrogen temperature by a cooled working gas and a high temperature end that is heated to a temperature higher than the low temperature end by the working gas before and after cooling.
  • a cryostat that is thermally connected to the low temperature end and accommodates a low temperature operation device that operates at a temperature lower than the liquid hydrogen temperature; and is thermally connected to the high temperature end and stores liquid hydrogen therein
  • the liquid hydrogen storage part that is capable of cooling the high-temperature end by the latent heat of vaporization of the liquid hydrogen when the liquid hydrogen changes into hydrogen gas
  • the pipe connected to the liquid hydrogen storage part and the pipe Through which the hydrogen gas supplied from the liquid hydrogen storage unit can be driven as a power source, and is electrically connected to the mechanical refrigerator and generates electric power.
  • a low-temperature cooling system comprising: a hydrogen power generation unit capable of being supplied to a refrigerator.
  • ⁇ 2> The low-temperature cooling system according to ⁇ 1>, wherein a hydrogen power generation unit and a low-temperature operation device are electrically connected, and the power generated by the hydrogen power generation unit can be supplied to the low-temperature operation device.
  • a working gas heated to a temperature exceeding the liquid hydrogen temperature supplied to the high temperature end side and a pipe connecting the liquid hydrogen storage unit and the hydrogen power generation unit are thermally connected to each other in the pipe.
  • a liquid hydrogen storage unit that is thermally connected to a high-temperature end and stores liquid hydrogen therein, and stores the liquid hydrogen in a state spaced from the outer wall of the liquid hydrogen storage container
  • a space that is arranged so as to cover the whole or a part of the outer periphery of the container and the space defined by the interval communicates with the inside of the liquid hydrogen storage container, and hydrogen gas generated in the liquid hydrogen storage container is introduced into the space.
  • the low-temperature cooling system according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 3>, wherein the low-temperature cooling system includes a coated container that can be retained.
  • the pipe connecting the liquid hydrogen storage unit and the hydrogen power generation unit is thermally connected to the sub-device operating in a low temperature environment exceeding the liquid hydrogen temperature and below room temperature in the path, and discharged from the liquid hydrogen storage unit.
  • the low-temperature cooling system according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 4>, wherein the sub-device is cooled by the hydrogen gas and the hydrogen gas heated by the sub-device is supplied to the hydrogen power generation unit. . ⁇ 6>
  • the liquid hydrogen storage unit is thermally connected and electrically connected to the hydrogen power generation unit, and the liquid hydrogen storage unit can be cooled using electric power supplied from the hydrogen power generation unit.
  • the low-temperature cooling system according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>, further including a cooling unit.
  • ⁇ 7> Hydrogen gas in the pipe using the electric power that is electrically connected to the hydrogen power generation unit and supplied from the hydrogen power generation unit in the path of the pipe connecting the liquid hydrogen storage unit and the hydrogen power generation unit Part of the liquid hydrogen is connected to the liquid hydrogen storage part through a branch pipe branched from the pipe, and the re-liquefied liquid hydrogen can be reintroduced into the liquid hydrogen storage part.
  • ⁇ 8> The low-temperature cooling system according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 7>, wherein the hydrogen power generation unit is electrically connected to an external system, and surplus power can be supplied to the external system.
  • the above-mentioned problems in the conventional technology can be solved, and a low-temperature cooling system excellent in energy efficiency can be provided using a mechanical refrigerator.
  • FIG. 2 is explanatory drawing for demonstrating the outline
  • the low temperature cooling system 100 includes a mechanical refrigerator 10, a cryostat 11, a liquid hydrogen storage container 22, and a fuel cell 25.
  • the mechanical refrigerator 10 is a known GM refrigerator, and includes a freezing unit 13 having a low temperature end 14 that is frozen to a temperature of liquid hydrogen temperature (20K) or lower by a working gas cooled, and the working gas before and after the cooling. And a compressor 19 having a high temperature end 20 that is heated to a temperature higher than that of the low temperature end 14.
  • the working gas is cooled by the volume expansion of the working gas accompanying the drive of the displacer mechanism disposed in the freezing unit 13, and the refrigeration output of the cooled working gas is supplied. It is generated at the cold end 14.
  • the working gas in a low pressure state in which the low temperature end 14 is frozen is sent from the freezing unit 13 to the compressor 19 via the pipe 17 (see arrow a).
  • the working gas sent to the compressor 19 is brought into a high pressure state by the compressor 19 and sent to the refrigeration unit 13 via the pipe 18 (see arrow b).
  • Each of the refrigeration unit 13, the pipes 17 and 18, and the compressor 19 is placed in a room temperature atmosphere, but the working gas deprived of heat through liquid hydrogen in the liquid hydrogen storage container 21, which will be described later,
  • the pipes 17 and 18 and the compressor 19 are sufficiently insulated from the room temperature atmosphere, and are compressed from the compressor 19 to the refrigeration unit 13 at a low temperature of about the liquid hydrogen temperature (20 K) and sent.
  • the mechanical refrigerator 10 composed of the GM refrigerator will be described as an example. However, the cryogenic working gas cooled to the liquid hydrogen temperature or lower by the cooled working gas and before and after the cooling.
  • the cryostat 11 is a cryogenic vacuum vessel, and is thermally connected to the low-temperature end 14 of the mechanical refrigerator 10 through an opening, and has a low-temperature operating device that operates at a temperature equal to or lower than the liquid hydrogen temperature (20K) inside. Be contained.
  • a superconducting device 12 that is a single-flux quantum circuit manufactured using niobium as a superconducting material is accommodated in a cryostat 11, and the superconducting device 12 has an operating temperature of 4K.
  • the heat generated by driving the superconducting device 12 becomes a heat load 15 for the refrigeration unit 13, and the operating temperature of 4K is maintained by the refrigeration output 16 of the refrigeration unit 13 that balances the heat load 15.
  • the liquid hydrogen storage container 22 is configured such that the high temperature end 20 is drawn into the interior, and the liquid hydrogen 21 introduced from the pipe 23 and stored therein and the high temperature end 20 are in direct contact with each other.
  • the high temperature end can be cooled by the latent heat of vaporization of the liquid hydrogen 21 during the phase change. That is, it is possible to cool the heated working gas by taking the heat of the heated working gas by the latent heat of vaporization of the liquid hydrogen 21 through the high temperature end 20 (see arrows c and d in the figure).
  • the liquid hydrogen storage container 22 will be described as an example.
  • the liquid hydrogen 21 is not necessarily limited as long as it is thermally connected to the high temperature end 20 and can cool the high temperature end by the latent heat of evaporation of the liquid hydrogen 21.
  • the high temperature end 20 do not have to be in direct contact with each other, and instead of the liquid hydrogen storage container 22, the latent heat of vaporization of the liquid hydrogen 21 indirectly takes the heat of the high temperature end 20 through a good heat conductor. You may use what was done.
  • these can be suitably comprised using a well-known liquid hydrogen storage container.
  • the fuel cell 25 is connected to the liquid hydrogen storage container 22 by a pipe 24 and can be driven using the hydrogen gas supplied from the liquid hydrogen storage container 22 through the pipe 24 as a power source. In addition, it is electrically connected to the mechanical refrigerator 10 via the wirings 26 and 27 and can also supply the generated electric power to the mechanical refrigerator 10. The exhaust heat generated from the fuel cell 25 is released to the outside as indicated by an arrow g in the figure.
  • the fuel cell 25 will be described as an example, but there is no particular limitation as long as it can be driven using the hydrogen gas as a power source.
  • a gas turbine generator using hydrogen as fuel instead of the fuel cell 25, a gas turbine generator using hydrogen as fuel, A known hydrogen power generation unit such as a steam turbine generator using hydrogen as fuel for a boiler, a diesel engine generator using hydrogen as fuel for an internal combustion engine, or a gasoline engine generator may be used. Also, the fuel cell 25 can be appropriately selected from known ones.
  • the fuel cell 25 is electrically connected to the superconducting device 12 via the wirings 26, 28, and 29 and can supply the generated power to the superconducting device 12. Further, the fuel cell 25 can be electrically connected to an external system (not shown) outside the system via wirings 26, 28, and 30 to supply surplus power to the external system.
  • the external system is not particularly limited and can be appropriately selected from known ones according to the purpose.
  • the operation of the low-temperature cooling system 100 according to the first embodiment will be described in association with energy efficiency (power consumption).
  • energy efficiency power consumption
  • helium gas (He) in the working gas is calculated, the refrigeration output Q r of the refrigerating unit 13 in the case of cooling the cold end 14 to 4K, the following formula the helium gas as an ideal gas (2) to (4) Is done.
  • p H is (high-pressure side pressure of the compressor 19, [Pa]) suction pressure of the refrigeration unit 13 indicates, V cryo the variable volume of the refrigeration unit 13 ([ M 3 ]), p L indicates the discharge pressure of the refrigeration unit 13 (pressure on the low pressure side of the compressor 19, [Pa]), and m ⁇ He R indicates the mass flow rate of the helium gas ([[ kg / s]), R represents the gas constant of the helium gas ([J / (kg ⁇ K)]), k represents the specific heat ratio of the helium gas, and T 0 represents the freezing unit 13.
  • Tr indicates the temperature (refrigeration temperature) ([K]) of the low temperature end 14
  • T 1 indicates the temperature of the high temperature end 20.
  • Temperature (inhalation temperature) ([K]) is indicated.
  • c p represents the specific heat at constant pressure of the helium gas.
  • the power consumption P cryo refrigeration unit 13 in consideration of the losses, real ([W]), the ideal power P cryo refrigeration output Q r, refrigeration unit 13 previously obtained, shown in ideal and FIG From the correction coefficient ⁇ determined based on the energy efficiency of the actual mechanical refrigerator (GM refrigerator) derived from the relationship, the following equations (6) and (7) are calculated.
  • P cryo, fit in the following formula (6) indicates a value of power consumption at each refrigeration output Q r in the approximate curve of power consumption of the actual refrigerator shown in FIG.
  • the ideal power consumption P cryo, ideal ([W]) of the refrigeration unit 13 is 5) It becomes 15W according to the formula.
  • the power consumption P cryo, real ([W]) of the refrigeration unit 13 in consideration of the loss is 208 W according to the above formulas (6) and (7), and is an actual refrigerator (refrigeration unit) described in Non-Patent Document 3. compared to 3,141W described as the power consumption equivalent) in section 13, by the 20K temperature of the hot end 20 (T 1) from 300K, suppressing the power consumption of the refrigeration unit 13 to 1/15 or less I can see that
  • the losses considered in determining the power consumption P cryo, real ([W]) of the refrigeration unit 13 are mechanical losses and pressure losses of the refrigerator, and these losses are the heat transferred to the high temperature end 20. Therefore, the amount of heat transferred to the high temperature end 20 is 15 W, which is the ideal power consumption P cryo, ideal ([W]) of the refrigeration unit 13.
  • the ideal power consumption P cryo, ideal ([W]) of the refrigeration unit 13, that is, the evaporation weight per unit time of the liquid hydrogen when the heat transmitted to the high temperature end 20 is taken away only by the latent heat of the liquid hydrogen m ⁇ H2 and evaporation volume V ⁇ H2 per unit time are expressed by the following equations (8) and (9), respectively.
  • the latent heat of vaporization ⁇ of the liquid hydrogen is 443.0 kJ / kg, and the density ⁇ of the liquid hydrogen is 70.8 kg / m 3 , so the amount of heat transferred to the high temperature end 20 (Q When (cryo ) is 15 W, the evaporation weight m ⁇ H2 per unit time of the liquid hydrogen is 0.0339 g / s (122 g / h) from the equations (8) and (9), and the liquid hydrogen The evaporation volume V ⁇ H2 per unit time is 0.48 mL / s (1.72 L / h).
  • the evaporated hydrogen gas is supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 through the pipe 24 as shown by an arrow e and becomes the fuel.
  • the net hydrogen feed solid polymer fuel cell Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC, for example, see below Reference 1
  • electrical output P FC and the exhaust heat Q of the fuel cell 25 (PEFC) in the case of using the FC is represented by the following formulas (10) and (11), respectively.
  • the operating temperature of PEFC is about 70 ° C.
  • the hydrogen gas supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 is 20 K by an appropriate temperature raising means before the power generation reaction in the fuel cell 25.
  • Reference 1 Kazuichi Iwasaki, Takayuki Kaneko, Goro Sakata “Large-scale demonstration of 1 kW class household fuel cell and current status of hydrogen generator development”, Toshiba Review, Vol. 62, pp. 50-53,2007
  • M shows the molecular weight of hydrogen
  • (DELTA) H shows the enthalpy which decreases with the chemical reaction accompanying electric power generation
  • (eta) e is the electric power generation efficiency of the fuel cell 25 (PEFC).
  • ⁇ h represents the exhaust heat recovery efficiency of the fuel cell 25 (PEFC).
  • the power generation efficiency ⁇ e of the fuel cell 25 (PEFC) is set to 46.0% using the values described in the above-mentioned reference document 1, and the exhaust heat recovery efficiency ⁇ h of the fuel cell 25 (PEFC) is set to 33.2%.
  • M is 2.0159 g / mol and ⁇ H is 242 kJ / mol
  • the electric output P FC (in the figure) of the fuel cell 25 (PEFC) is obtained by the above formulas (10) and (11).
  • f) is 1,872 W
  • the exhaust heat Q FC is 1,351 W.
  • Surplus power is supplied to the superconducting device 12 (see i in the figure) and can be used to drive the superconducting device 12.
  • surplus power can be used to drive any external system electrically connected by the wiring 30 as power supplied outside the system (see j in the figure).
  • a low temperature environment below the liquid hydrogen temperature (20K) can be efficiently created by supplying a small amount of liquid hydrogen, and 4K.
  • the cryogenic environment can be created efficiently.
  • FIG. 3 is explanatory drawing for demonstrating the outline
  • the low-temperature cooling system according to the second embodiment relates to a modification in which a part of the configuration of the low-temperature cooling system according to the first embodiment is changed.
  • the description will be made by paying attention to different components from the low-temperature cooling system according to the first embodiment, and the duplicate description of matters common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment will be omitted.
  • the same reference numerals are used for the sake of convenience for matters that are common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment.
  • the liquid hydrogen storage container 22 and the fuel cell 25 are connected by a pipe 33, and the temperature exceeding the liquid hydrogen temperature supplied to the high temperature end 20 side.
  • the working gas whose temperature has been increased to a temperature and the pipe 33 connecting the liquid hydrogen storage container 22 and the fuel cell 25 are thermally connected, and the hydrogen gas in the pipe 33 can be heated by the working gas. It is set as the structure. Specifically, one end of the good heat transfer branch line 31 is connected to the high temperature end 20, and the other end side is connected to the heat exchanger 32.
  • the heat of the high temperature end 20 transmitted through the branch line 31 can be applied to the pipe 33, and the hydrogen gas supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 can be heated through the pipe 33. It is said.
  • the branch line 31 and the heat exchanger 32 a well-known thing can be used.
  • the hydrogen gas is supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 through the pipe 33 and the pipe 24 (see arrows e1 and e2 in the figure).
  • the hydrogen gas may be supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 with only 33.
  • the liquid hydrogen evaporation weight m ⁇ H2 is expressed by the following equation (12).
  • the c H2 indicates the specific heat at constant pressure of hydrogen
  • T LH2 shows a boiling point of hydrogen
  • T op indicates the operating temperature of the fuel cell 25 (PEFC).
  • the constant pressure specific heat c H2 of hydrogen 14.20kJ / (kg ⁇ K), boiling point T LH2 of hydrogen, because it is 20.278K, the fuel cell 25 to operating temperature (PEFC) and 70 ° C.
  • the liquid hydrogen evaporation weight m ⁇ H2 is 0.003 g / s (10. 8 g / h).
  • the evaporation volume V ⁇ H2 of the liquid hydrogen at this time is 0.042 mL / s (0.15 L / h) from the equation (9).
  • the electric output P FC of the fuel cell 25 (PEFC) is 166 W from the above equation (10), and the exhaust heat Q FC of the fuel cell 25 (PEFC) is 120 W from the above (11).
  • the sensible heat of the hydrogen gas can be used for cooling the high temperature end 20 in addition to the latent heat of vaporization of the liquid hydrogen, a system with excellent cooling efficiency can be realized.
  • the heat taken from the high temperature end 20 can be used as energy for raising the hydrogen gas to the operating temperature of the fuel cell 25 (PEFC), a system with excellent energy efficiency can be realized. it can.
  • FIG. 4 is explanatory drawing for demonstrating the outline
  • the low-temperature cooling system according to the third embodiment relates to a modification in which a part of the configuration of the low-temperature cooling system according to the first embodiment is changed.
  • the description will be made by paying attention to different components from the low-temperature cooling system according to the first embodiment, and the duplicate description of matters common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment will be omitted.
  • the same reference numerals are used for the sake of convenience for matters that are common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment.
  • a liquid hydrogen storage container 22 that is thermally connected to the high temperature end 20 and stores liquid hydrogen 21 therein, and a liquid hydrogen storage container
  • the space between the outer walls of the liquid hydrogen storage container 22 is arranged so as to cover the whole (or part) of the outer periphery of the liquid hydrogen storage container 22, and the space defined by the space and the inside of the liquid hydrogen storage container 22 are piped.
  • the covering container 35 can be appropriately selected from known vacuum containers.
  • the liquid hydrogen storage container 22 is insulated from the outside room temperature atmosphere to suppress the transfer of heat from the room temperature atmosphere to the liquid hydrogen storage container 22, and as a result, the liquid hydrogen that spontaneously evaporates.
  • the amount of 21 used can be reduced.
  • the hydrogen gas staying in the coating container 35 and heated to a temperature higher than that immediately after evaporation can be supplied to the fuel cell 25 via the pipe 34b.
  • the heat received from the external room temperature atmosphere can be used as energy for raising the hydrogen gas to the operating temperature of the fuel cell 25 (PEFC), an energy efficient system is realized. Can do.
  • the hydrogen gas is supplied from the liquid hydrogen storage unit to the fuel cell 25 through the pipe 24 and the pipe 34b (see arrows e3 to e5 in the figure).
  • the hydrogen gas may be supplied from the liquid hydrogen storage unit to the fuel cell 25 only by 34b.
  • FIG. 5 is explanatory drawing for demonstrating the outline
  • the low-temperature cooling system according to the fourth embodiment relates to a modified example in which a part of the configuration of the low-temperature cooling system according to the first embodiment is changed.
  • the description will be made by paying attention to different components from the low-temperature cooling system according to the first embodiment, and the duplicate description of matters common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment will be omitted.
  • the same reference numerals are used for the sake of convenience for matters that are common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment.
  • the pipes 37a and 37b connecting the liquid hydrogen storage container 22 and the fuel cell 25 exceed the liquid hydrogen temperature in the path and are below room temperature.
  • the sub-device 36 is thermally connected to the sub-device 36 operating in a low-temperature environment, and the sub-device 36 is cooled by the hydrogen gas discharged from the liquid hydrogen storage container 22, and the hydrogen gas heated by the sub-device 36 is used as a fuel cell. 25 is configured to be supplied.
  • the sub-device 36 is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose from known devices that operate in the low-temperature environment.
  • the super-device 36 can operate at an operating temperature close to liquid nitrogen temperature (77 K) Examples include devices and biodevices made of conductors.
  • the cooled hydrogen gas is effectively utilized for driving the sub-device 36, and the hydrogen gas supplied to the fuel cell 25 is used according to the operating temperature of the fuel cell 25. Therefore, it is possible to increase the temperature efficiently and to realize a more energy efficient system.
  • the hydrogen gas is supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 through the pipe 24 and the pipes 37a and 37b (see arrows e6 to e8 in the figure).
  • the hydrogen gas may be supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 only by the pipes 37a and 37b.
  • FIG. 6 is explanatory drawing for demonstrating the outline
  • the low-temperature cooling system according to the fifth embodiment relates to a modification in which a part of the configuration of the low-temperature cooling system according to the first embodiment is changed.
  • the description will be made by paying attention to different components from the low-temperature cooling system according to the first embodiment, and the duplicate description of matters common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment will be omitted.
  • the same reference numerals are used for the sake of convenience for matters that are common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment.
  • the liquid hydrogen storage container 22 and the fuel cell 25 are further electrically connected and supplied from the fuel cell 25.
  • the liquid hydrogen storage container 22 can be cooled by using electric power.
  • a cooling means 38 constituted by a known refrigerator such as a small GM refrigerator is arranged inside the liquid hydrogen storage container 22.
  • the cooling means 38 is electrically connected to the fuel cell 25 via the wiring 39a, and the exhaust heat from the cooling means 38 can be supplied to the fuel cell 25 via the pipe 39b according to the operating temperature. (See arrows e10 and e11 in the figure).
  • the hydrogen gas is supplied from the liquid hydrogen storage container 22 to the fuel cell 25 through the pipe 24 (see arrow e9 in the figure).
  • the liquid hydrogen storage container 22 is cooled by the cooling means 38, and the natural evaporation of the liquid hydrogen 21 is suppressed. Therefore, a more efficient system can be realized by reducing the amount of 21 used.
  • FIG. 7 is explanatory drawing for demonstrating the outline
  • the low-temperature cooling system according to the sixth embodiment relates to a modified example in which a part of the configuration of the low-temperature cooling system according to the first embodiment is changed.
  • the description will be made by paying attention to different components from the low-temperature cooling system according to the first embodiment, and the duplicate description of matters common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment will be omitted.
  • the same reference numerals are used for the sake of convenience for matters that are common to the low-temperature cooling system according to the first embodiment.
  • the fuel cell 25 is electrically connected to the fuel cell 25 via the wiring 41a in the path of the pipe 24 connecting the liquid hydrogen storage container 22 and the fuel cell.
  • a branch pipe 41b that is connected (see arrow e12 in the figure) and can reliquefy a part of the hydrogen gas in the pipe 24 using electric power supplied from the fuel cell 25 and is branched from the pipe 24.
  • the liquid hydrogen storage container 22 is connected to the liquid hydrogen storage container 22, and re-liquefaction means 40 is arranged so that the re-liquefied liquid hydrogen can be reintroduced into the liquid hydrogen storage container 22.
  • the reliquefaction means 40 is not particularly limited, and examples thereof include a hydrogen liquefaction apparatus using a helium-hydrogen condensation cycle described in Reference Document 2 below.
  • Reference Document 2 Yoshihiro Yasunaga, Hitachi review, Vol. 53, no. 8, pp. 31-36 (1971)
  • the hydrogen gas to be reliquefied by the reliquefaction means 40 is sufficiently cooled because it is just after evaporation, and the liquid hydrogen state
  • the proportion of parahydrogen that is stable and stable is sufficiently high, so that efficient reliquefaction is possible. Therefore, the consumption of liquid hydrogen 21 is reduced by reliquefaction, and the amount of liquid hydrogen 21 supplied to the system can be greatly reduced.
  • driving power necessary for driving the reliquefaction means 40 can be supplied from the fuel cell 25. Therefore, an energy efficient system using the fuel cell 25 can be realized.

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Abstract

【課題】機械式冷凍機を用いてエネルギー効率に優れた低温冷却システムを提供すること。 【解決手段】低温冷却システム１００は、液体水素温度以下の温度に冷凍される低温端１４及び低温端１４よりも高い温度に昇温される高温端２０を有する機械式冷凍機１０と、低温端１４と熱的に接続され、内部に前記液体水素温度以下の温度で動作する低温動作デバイスが収容されるクライオスタット１１と、高温端２０と熱的に接続されるとともに内部に液体水素が貯蔵され、前記液体水素が水素ガスに相変化する際の前記液体水素の蒸発潜熱により前記高温端を冷却可能とされる液体水素貯蔵容器２２と、配管２４を通じて液体水素貯蔵容器２２から供給される前記水素ガスを動力源として駆動可能とされ、かつ、発電した電力を機械式冷凍機１０に供給可能とされる水素発電部（燃料電池２５）と、を有することを特徴とする。

Description

低温冷却システム
　本発明は、ＧＭ冷凍機等の機械式冷凍機、液体水素及び燃料電池等の水素発電部を用いてエネルギー効率に優れた低温冷却を実現可能な低温冷却システムに関する。
　単一磁束量子回路などの金属超伝導体ニオブを用いた電子デバイスの動作温度は約４Ｋであり、これらのデバイスを動作させるためには４Ｋの低温環境を作る必要がある。また、前記金属超伝導体ニオブを用いた電子デバイス以外にも２０Ｋ以下で動作する超伝導デバイスやその他の材料を用いた電子デバイスが数多く存在する。
　これら電子デバイスを動作させる低温環境を作る場合には１気圧での沸点が４．２Ｋである液体ヘリウムが古くから用いられてきた。
　しかしながら、前記液体ヘリウムは高価で取り扱いが容易ではないため、近年では、ＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機やパルスチューブ冷凍機などの機械式冷凍機が使用されるようになってきている（例えば、非特許文献１参照）。
　前記ＧＭ冷凍機は、蓄冷材がシリンダ内部を往復運動し、冷媒ガスを断熱膨張し、寒冷を発生させる機械式冷凍機である。また、前記パルスチューブ冷凍機は、圧縮機、蓄冷機及びパルス管と名付けられた単純な管によって構成される冷凍機である。
　前記機械式冷凍機の最大効率は、次式（１）のカルノー効率ηとして知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ただし、前記式（１）中、Ｔｃは、前記機械式冷凍機の低温端の温度を示し、Ｔｈは、冷凍機の高温端の温度を示す。通常の冷凍機では、Ｔｈは、室温（３００Ｋ）となるため、４Ｋまで冷却するときのカルノー効率ηは、１．３５％となる。
　非特許文献２に記載される４Ｋ－ＧＭ冷凍機における一般的な値である冷凍機の吸入圧力ｐＨ＝２．０ＭＰａ、冷凍機の吐出圧力ｐＬ＝０．８ＭＰａ、Ｈｅの定圧比熱ｃｐ＝５．１９３ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、Ｈｅの気体定数Ｒ＝２．０７７２ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、動作周波数＝１Ｈｚを用いて計算すると、前記４Ｋ－ＧＭ冷凍機の冷凍出力Ｑｒと消費電力Ｐｃｒｙｏとの関係は、図１の実線に示すようになる。なお、図１は、４Ｋ－ＧＭ冷凍機の冷凍出力Ｑｒと消費電力Ｐｃｒｙｏとの関係を示す図である。
　この図１において、４Ｋで１Ｗの冷却を行う場合の効率は、０．４％となり、冷凍機の消費電力は、２５０Ｗとなる。
　しかしながら、この効率の値は、理想的な条件下で想定される値であり、実際の冷凍機では機械的損失や圧力損失を原因として理想的な条件下で想定される値よりも低下する。
　例えば、図１の黒丸で示される点は、非特許文献３に記載される実際の冷凍機での値であり、冷凍出力が小さいほど効率の値が低下する。即ち、冷凍出力が１Ｗの場合は、理想的な場合と比べて１３．６倍の消費電力が必要となるため、効率は、０．０２９％となる。これは４Ｋにおいて１Ｗの冷凍出力を得るために３，４１４Ｗの電力を前記冷凍機が消費することを示している。
　こうしたことから、極低温で使用される全ての超伝導デバイス及び低温デバイスの実用化にとって、前記機械式冷凍機を用いた場合のエネルギー効率の低さが大きな障害となっている。例えば、単一磁束量子回路に代表される超伝導デバイスは、半導体回路と比べて３桁から４桁消費電力が低いことが知られているものの、前記機械式冷凍機のエネルギー効率が低いため、その低消費電力性が十分に発揮できない状況にある。
　したがって、前記機械式冷凍機を用いる場合に、前記超伝導デバイス及び前記低温デバイスの実用化に向けてエネルギー効率を向上させる新たな低温冷却システムの開発が望まれているのが現状である。
池田　和也，「超電導技術を支える冷却技術」ＲＲＲ，２００７年１２月号ｐｐ．５－８ 海崎　友徳　他，「ＧＭ冷凍機の蓄冷器と冷凍室の構造を考慮した冷凍能力の数値計算」，工学院大学研究報告，Ｖｏｌ．８９，ｐｐ．４９－５４，２０００年 未来工学研究所　編，「「超電導応用・関連技術に関する調査研究」報告書」，未来工学研究所，１９８４年
　本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、機械式冷凍機を用いてエネルギー効率に優れた低温冷却システムを提供することを目的とする。
　前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
　＜１＞　寒冷された作動ガスにより液体水素温度以下の温度に冷凍される低温端及び寒冷前後の前記作動ガスにより前記低温端よりも高い温度に昇温される高温端を有する機械式冷凍機と、前記低温端と熱的に接続され、内部に前記液体水素温度以下の温度で動作する低温動作デバイスが収容されるクライオスタットと、前記高温端と熱的に接続されるとともに内部に液体水素が貯蔵され、前記液体水素が水素ガスに相変化する際の前記液体水素の蒸発潜熱により前記高温端を冷却可能とされる液体水素貯蔵部と、前記液体水素貯蔵部と配管で接続されるとともに前記配管を通じて前記液体水素貯蔵部から供給される前記水素ガスを動力源として駆動可能とされ、かつ、前記機械式冷凍機と電気的に接続されるとともに発電した電力を前記機械式冷凍機に供給可能とされる水素発電部と、を有することを特徴とする低温冷却システム。
　＜２＞　水素発電部と低温動作デバイスとが電気的に接続され、前記水素発電部で発電した電力を前記低温動作デバイスに供給可能とされる前記＜１＞に記載の低温冷却システム。
　＜３＞　高温端側に供給される前記液体水素温度を超える温度に昇温された作動ガスと、液体水素貯蔵部－水素発電部間を接続する配管とが熱的に接続され、前記配管中の前記水素ガスが前記作動ガスにより昇温可能とされる前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の低温冷却システム。
　＜４＞　液体水素貯蔵部が、高温端と熱的に接続されるとともに内部に液体水素が貯蔵される液体水素貯蔵容器と、前記液体水素貯蔵容器外壁から間隔を空けた状態で前記液体水素貯蔵容器外周の全体又は一部を覆うように配されるとともに前記間隔で画成された空間と前記液体水素貯蔵容器の内部とが連通され前記液体水素貯蔵容器内で発生した水素ガスが前記空間に滞留可能とされる被覆容器とを有する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の低温冷却システム。
　＜５＞　液体水素貯蔵部－水素発電部間を接続する配管が、経路中で液体水素温度を超え室温未満の低温環境で動作するサブデバイスと熱的に接続され、前記液体水素貯蔵部から排出された水素ガスにより前記サブデバイスが冷却されるとともに前記サブデバイスで昇温された前記水素ガスが前記水素発電部に供給される前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の低温冷却システム。
　＜６＞　更に、液体水素貯蔵部と熱的に接続されるとともに水素発電部と電気的に接続され、前記水素発電部から供給される電力を用いて前記液体水素貯蔵部を冷却可能とされる冷却手段を有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の低温冷却システム。
　＜７＞　液体水素貯蔵部－水素発電部間を接続する配管の経路中に、前記水素発電部と電気的に接続され、前記水素発電部から供給される電力を用いて前記配管中の水素ガスの一部を再液化可能とされるとともに、前記配管から分岐された分岐配管を通じて前記液体水素貯蔵部と接続され、再液化された液体水素を前記液体水素貯蔵部に再導入可能とされる再液化手段が配される前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の低温冷却システム。
　＜８＞　水素発電部が外部システムと電気的に接続され、余剰の電力を前記外部システムに供給可能とされる前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の低温冷却システム。
　本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、機械式冷凍機を用いてエネルギー効率に優れた低温冷却システムを提供することができる。
４Ｋ－ＧＭ冷凍機の冷凍出力Ｑｒと消費電力Ｐｃｒｙｏとの関係を示す図である。 第１実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。 第２実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。 第３実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。 第４実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。 第５実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。 第６実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
（低温冷却システム）
　以下、本発明に係る低温冷却システムについての種々の実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の技術的思想は、これらの実施形態により制限されるものではない。
＜第１実施形態＞
　先ず、本発明の第１実施形態に係る低温冷却システムを図２を参照しつつ説明する。なお、図２は、第１実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
　図２に示すように、第１実施形態に係る低温冷却システム１００は、機械式冷凍機１０と、クライオスタット１１と、液体水素貯蔵容器２２と、燃料電池２５とを有する。
　機械式冷凍機１０は、公知のＧＭ冷凍機であり、寒冷された作動ガスにより液体水素温度（２０Ｋ）以下の温度に冷凍される低温端１４を有する冷凍部１３と、寒冷前後の前記作動ガスにより低温端１４よりも高い温度に昇温される高温端２０を有する圧縮機１９とを備える。
　この機械式冷凍機１０（ＧＭ冷凍機）では、冷凍部１３に配されるディスプレーサ機構の駆動に伴う前記作動ガスの体積膨張により前記作動ガスを寒冷させ、寒冷された前記作動ガスの冷凍出力を低温端１４に生じさせる。また、低温端１４を冷凍させた低圧状態の前記作動ガスは、冷凍部１３から配管１７を介して圧縮機１９に送気される（矢印ａ参照）。一方、圧縮機１９に送気された前記作動ガスは、圧縮機１９により高圧状態とされ、配管１８を介して冷凍部１３に送気される（矢印ｂ参照）。冷凍部１３、配管１７、１８及び圧縮機１９のそれぞれは、室温雰囲気下に置かれるが、後述する液体水素貯蔵容器２１中の液体水素を通じて熱を奪われた前記作動ガスは、冷凍部１３、配管１７、１８及び圧縮機１９において室温雰囲気から十分に断熱され、前記液体水素温度（２０Ｋ）程度の低温状態で圧縮機１９から冷凍部１３に圧縮されて送気される。
　なお、ここでは、前記ＧＭ冷凍機で構成される機械式冷凍機１０を例として説明をするが、寒冷された前記作動ガスにより前記液体水素温度以下の温度に冷凍される低温端及び寒冷前後の前記作動ガスにより前記低温端よりも高い温度に昇温される前記高温端を有する機械式冷凍機であれば、特に制限はなく、機械式冷凍機１０に代えて公知のスターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機等の公知の機械式冷凍機を用いてもよい。
　クライオスタット１１は、極低温用真空容器であり、開口部を通じて機械式冷凍機１０の低温端１４と熱的に接続され、内部に前記液体水素温度（２０Ｋ）以下の温度で動作する低温動作デバイスが収容される。本実施形態では、一例として超伝導材料にニオブを用いて作製された単一磁束量子回路である超伝導デバイス１２がクライオスタット１１中に収容されており、超伝導デバイス１２は、動作温度である４Ｋまで冷却されている。
　超伝導デバイス１２の駆動により発生する熱は、冷凍部１３に対する熱負荷１５となり、熱負荷１５と釣り合う冷凍部１３の冷凍出力１６によって４Ｋの動作温度が維持される。
　液体水素貯蔵容器２２は、高温端２０を内部に引き込み、配管２３から導入され内部に貯蔵される液体水素２１と高温端２０とが直接的に接するように構成され、液体水素２１が水素ガスに相変化する際の液体水素２１の蒸発潜熱により高温端を冷却可能とされる。即ち、昇温された前記作動ガスの熱を高温端２０を介して液体水素２１の蒸発潜熱で奪うことにより冷却することが可能とされる（図中の矢印ｃ，ｄ参照）。
　なお、ここでは、液体水素貯蔵容器２２を例として説明をするが、高温端２０と熱的に接続されて液体水素２１の蒸発潜熱により高温端を冷却可能とするものであれば必ずしも液体水素２１と高温端２０とが直接的に接する必要はなく、液体水素貯蔵容器２２に代えて、良熱伝導体を介して液体水素２１の蒸発潜熱が高温端２０の熱を間接的に奪うように構成されたものを用いてもよい。また、これらは、公知の液体水素貯蔵容器を用いて適宜構成することができる。
　燃料電池２５は、液体水素貯蔵容器２２と配管２４で接続されるとともに配管２４を通じて液体水素貯蔵容器２２から供給される前記水素ガスを動力源として駆動可能とされる。
　また、配線２６，２７を介して機械式冷凍機１０と電気的に接続されるとともに発電した電力を機械式冷凍機１０に供給可能とされる。燃料電池２５から生じる排熱としては、図中の矢印ｇのように外部に放出される。
　なお、ここでは、燃料電池２５を例として説明をするが、前記水素ガスを動力源として駆動可能であれば特に制限はなく、燃料電池２５に代えて、水素を燃料として用いるガスタービン発電機、水素をボイラーの燃料として用いる蒸気タービン発電機、水素を内燃機関の燃料として用いるディーゼルエンジン発電機及びガソリンエンジン発電機等の公知の水素発電部を用いてもよい。また、燃料電池２５としても公知のものから適宜選択して用いることができる。
　燃料電池２５としては、配線２６，２８，２９を介して超伝導デバイス１２と電気的に接続されるとともに発電した電力を超伝導デバイス１２に供給可能とされる。
　また、燃料電池２５としては、配線２６，２８，３０を介して系外の外部システム（不図示）と電気的に接続され、余剰の電力を前記外部システムに供給することもできる。なお、前記外部システムとしては、特に制限はなく、目的に応じて、公知のものから適宜選択することができる。
　以下、第１実施形態に係る低温冷却システム１００の動作をエネルギー効率（消費電力）と関連付けて説明する。
　前記作動ガスにヘリウムガス（Ｈｅ）を用い、低温端１４を４Ｋまで冷却させる場合の冷凍部１３の冷凍出力Ｑｒは、前記ヘリウムガスを理想気体として下記式（２）～（４）により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ただし、前記式（２）～（４）中、ｐＨは、冷凍部１３の吸入圧力（圧縮機１９の高圧側の圧力、［Ｐａ］）を示し、Ｖｃｒｙｏは、冷凍部１３の可変容積（［ｍ３］）を示し、ｐＬは、冷凍部１３の吐出圧力（圧縮機１９の低圧側の圧力、［Ｐａ］）を示し、ｍ・ ＨｅＲは、前記ヘリウムガスの質量流量（［ｋｇ／ｓ］）を示し、Ｒは、前記ヘリウムガスの気体定数（［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］）を示し、ｋは、前記ヘリウムガスの比熱比を示し、Ｔ０は、冷凍部１３の吐出温度（圧縮機１９の低圧側の温度（［Ｋ］））を示し、Ｔｒは、低温端１４の温度（冷凍温度）（［Ｋ］）を示し、Ｔ１は、高温端２０の温度（吸入温度）（［Ｋ］）を示す。
　また、圧縮機１９の断熱仕事（Ｗａｄ）と前記ディスプレーサの圧縮仕事（Ｗｉｓｏ）との和から求められる冷凍部１３の理想的な消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｉｄｅａｌ（［Ｗ］）は、次式（５）で算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　ただし、前記式（５）中、ｃｐは、前記ヘリウムガスの定圧比熱を示す。
　また、損失を考慮した冷凍部１３の消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｒｅａｌ（［Ｗ］）は、先に求めた冷凍出力Ｑｒ、冷凍部１３の理想的な消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｉｄｅａｌ及び図１で示した関係から導出される、実際の前記機械式冷凍機（ＧＭ冷凍機）の前記エネルギー効率を基に決定される補正係数αから、下記式（６），（７）により算出される。なお、下記式（６）中のＰｃｒｙｏ，ｆｉｔは、図１で示した実際の冷凍機の消費電力の近似曲線における、それぞれの冷凍出力Ｑrのときの消費電力の値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　今、冷凍部１３の冷凍出力１６（Ｑｒ）を１Ｗとし、高温端２０の温度Ｔ１を２０Ｋとすると冷凍部１３の理想的な消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｉｄｅａｌ（［Ｗ］）は、前記（５）式により１５Ｗとなる。一方、損失を考慮した冷凍部１３の消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｒｅａｌ（［Ｗ］）は、前記式（６），（７）により２０８Ｗとなり、非特許文献３に記載された実際の冷凍機（冷凍部１３に相当）の消費電力として説明した３，１４１Ｗと比較すると、高温端２０の温度（Ｔ１）を３００Ｋから２０Ｋとすることで、冷凍部１３の消費電力を１／１５以下に抑制することができることが分かる。
　冷凍部１３の消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｒｅａｌ（［Ｗ］）の決定に際して考慮した前記損失は、冷凍機の機械的損失及び圧力損失であるが、これらの損失は、高温端２０に伝達される熱と切り離して考えることができるため、高温端２０に伝達される熱の熱量は、冷凍部１３の理想的な消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｉｄｅａｌ（［Ｗ］）である１５Ｗとなる。
　冷凍部１３の理想的な消費電力Ｐｃｒｙｏ，ｉｄｅａｌ（［Ｗ］）、つまり高温端２０に伝達される熱を前記液体水素の潜熱のみで奪う場合の前記液体水素の単位時間当たりの蒸発重さｍ・ Ｈ２と単位時間当たりの蒸発体積Ｖ・ Ｈ２とは、それぞれ下記式（８），（９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　ただし、前記式（８），（９）中、γは、前記液体水素の蒸発潜熱を示し、ρは、前記液体水素の密度を示す。
　ここで、前記液体水素の蒸発潜熱γは、４４３．０ｋＪ／ｋｇであり、前記液体水素の密度ρは、７０．８ｋｇ／ｍ３であるから、高温端２０に伝達される熱の熱量（Ｑｃｒｙｏ）が１５Ｗである場合、前記式（８），（９）から、前記液体水素の単位時間当たりの蒸発重さｍ・ Ｈ２が０．０３３９ｇ／ｓ（１２２ｇ／ｈ）となり、前記液体水素の単位時間当たりの蒸発体積Ｖ・ Ｈ２が０．４８ｍＬ／ｓ（１．７２Ｌ／ｈ）となる。
　蒸発した水素ガスは、矢印ｅで示すように配管２４を通じて液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に供給され、その燃料となる。
　燃料電池２５として、純水素供給固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ，ＰＥＦＣ，例えば、下記参考文献１参照）を用いた場合の燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の電気出力ＰＦＣと排熱ＱＦＣとは、それぞれ下記式（１０），（１１）で表される。なお、例えば、ＰＥＦＣの動作温度は、７０℃程度とされ、液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に供給される前記水素ガスは、燃料電池２５での発電反応前に適当な昇温手段により２０Ｋから動作温度まで昇温される。
　参考文献１：岩崎　和市，金子　隆之，坂田　悦朗「１ｋＷ級家庭用燃料電池の大規模実証と水素機開発の現状」，東芝レビュー，Ｖｏｌ．６２，ｐｐ．５０－５３，２００７
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　ただし、前記式（１０），（１１）中、Ｍは、水素の分子量を示し、ΔＨは、発電に伴う化学反応により減少するエンタルピーを示し、ηｅは、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の発電効率を示し、ηｈは、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の排熱回収効率を示す。
　ここで、前記参考文献１に記載の値を用いて燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の発電効率ηｅを４６．０％とし、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の排熱回収効率ηｈを３３．２％としたとき、Ｍは、２．０１５９ｇ／ｍｏｌであり、ΔＨは、２４２ｋＪ／ｍｏｌであるから、前記式（１０），（１１）により、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の電気出力ＰＦＣ（図中のｆ参照）は、１，８７２Ｗとなり、排熱ＱＦＣは、１，３５１Ｗとなる。
　燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の電気出力ＰＦＣ（＝１，８７２Ｗ）は、機械式冷凍機１０に対する供給電力（図中のｈ参照）として冷凍部１３の動力源となり、冷凍部１３の動作に必要な電力（Ｐｃｒｙｏ，ｒｅａｌ＝２０８Ｗ）を十分に賄うことができる。
　余剰の電力としては、超伝導デバイス１２に供給され（図中のｉ参照）、超伝導デバイス１２の駆動に利用することができる。
　更に、余剰の電力としては、システム外への供給電力（図中のｊ参照）として配線３０で電気的に接続された任意の外部システムの駆動に利用することもできる。
　以上のように、第１実施形態に係る低温冷却システム１００によれば、少量の液体水素を供給することで前記液体水素温度（２０Ｋ）以下の低温環境を効率よく創出することができるうえ、４Ｋの極低温環境も効率よく創出することができる。
＜第２実施形態＞
　次に、本発明の第２実施形態に係る低温冷却システムを図３を参照しつつ説明する。なお、図３は、第２実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
　第２実施形態に係る低温冷却システムは、第１実施形態に係る低温冷却システムの一部の構成を変更した変形例に係る。以下では、第１実施形態に係る低温冷却システムと異なる構成部分に注目して説明することとし、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、重複した説明を省略する。また、図中の符号についても、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、便宜上、共通する符号を用いることとする。
　図３に示すように第２実施形態に係る低温冷却システム２００では、液体水素貯蔵容器２２と燃料電池２５とが配管３３で接続され、高温端２０側に供給される前記液体水素温度を超える温度に昇温された前記作動ガスと、液体水素貯蔵容器２２－燃料電池２５間を接続する配管３３とが熱的に接続され、配管３３中の前記水素ガスが前記作動ガスにより昇温可能とされる構成とされる。具体的には、高温端２０に良伝熱性の分岐線３１の一端が接続され、他端側が熱交換器３２に接続される。熱交換器３２では、分岐線３１を通じて伝達される高温端２０の熱を配管３３に付与可能とされ、配管３３を通じて液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に供給される前記水素ガスが昇温可能とされる。なお、分岐線３１、熱交換器３２としては、公知のものを用いることができる。
　また、本例では、配管３３と配管２４とのそれぞれを通じて液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に前記水素ガスを供給するように図示されている（図中の矢印ｅ１，ｅ２参照）が、配管３３のみで液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に前記水素ガスを供給することとしてもよい。
　前記作動ガスの熱を配管３３に付与して前記水素ガスを昇温することは、逆に言えば、前記水素ガスの顕熱により前記作動ガスの熱の一部を奪う、つまり高温端２０に伝達される熱の一部を奪うこと意味する。
　前記液体水素の蒸発潜熱に加え、前記水素ガスの顕熱も高温端２０に伝達される熱を奪うために利用する場合、液体水素蒸発重さｍ・ Ｈ２は、次式（１２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　ただし、前記式（１２）中、ｃＨ２は、水素の定圧比熱を示し、ＴＬＨ２は、水素の沸点を示し、Ｔｏｐは、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の運転温度を示す。
　ここで、水素の定圧比熱ｃＨ２は、１４．２０ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）であり、水素の沸点ＴＬＨ２は、２０．２７８Ｋであるから、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の運転温度を７０℃とし、第１実施形態で述べたように高温端２０に伝達される熱が１５Ｗであるとすると、前記液体水素蒸発重さｍ・ Ｈ２は、前記式（１２）から０．００３ｇ／ｓ（１０．８ｇ／ｈ）となる。この時の前記液体水素の蒸発体積Ｖ・ Ｈ２は、前記（９）式から０．０４２ｍＬ／ｓ（０．１５Ｌ／ｈ）となる。
　また、この場合の燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の電気出力ＰＦＣは、前記式（１０）から１６６Ｗとなり、燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の排熱ＱＦＣは、前記（１１）から１２０Ｗとなる。
　本第２実施形態では、前記液体水素の蒸発潜熱に加え、前記水素ガスの顕熱を高温端２０の冷却に利用することができるため、冷却効率に優れたシステムを実現することができる。同時に、高温端２０から奪った熱を、前記水素ガスを燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の動作温度まで昇温させるためのエネルギーとして利用することができるため、エネルギー効率に優れたシステムを実現することができる。
　なお、ここで検証した燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の電気出力ＰＦＣ（＝１６６Ｗ）としては、冷凍部１３を駆動させるのに必要な電力（＝２０８Ｗ）と比べ十分ではないため、不足分をシステム外から供給させてもよい（図中の矢印ｋ参照）。
＜第３実施形態＞
　次に、本発明の第３実施形態に係る低温冷却システムを図４を参照しつつ説明する。なお、図４は、第３実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
　第３実施形態に係る低温冷却システムは、第１実施形態に係る低温冷却システムの一部の構成を変更した変形例に係る。以下では、第１実施形態に係る低温冷却システムと異なる構成部分に注目して説明することとし、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、重複した説明を省略する。また、図中の符号についても、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、便宜上、共通する符号を用いることとする。
　図４に示すように、第３実施形態に係る低温冷却システム３００では、高温端２０と熱的に接続されるとともに内部に液体水素２１が貯蔵される液体水素貯蔵容器２２と、液体水素貯蔵容器２２の外壁から間隔を空けた状態で液体水素貯蔵容器２２外周の全体（又は一部）を覆うように配されるとともに前記間隔で画成された空間と液体水素貯蔵容器２２の内部とが配管３４ａにより連通され液体水素貯蔵容器２２内で発生した前記水素ガスが前記空間に滞留可能とされる被覆容器３５とを有し、これら液体水素貯蔵容器２２と被覆容器３５とで液体水素貯蔵部が構成される。被覆容器３５としては、公知の真空容器から適宜選択して用いることができる。
　被覆容器３５を配する場合、外部の室温雰囲気から液体水素貯蔵容器２２を断熱して前記室温雰囲気からの液体水素貯蔵容器２２への熱の伝達が抑制され、延いては、自然蒸発する液体水素２１の使用量を低減可能とされる。また、被覆容器３５内に滞留して蒸発直後における温度よりも高い温度に昇温された前記水素ガスを配管３４ｂを介して燃料電池２５に供給可能とされる。同時に、外部の室温雰囲気から受け取った熱を、前記水素ガスを燃料電池２５（ＰＥＦＣ）の動作温度まで昇温させるためのエネルギーとして利用することができるため、エネルギー効率に優れたシステムを実現することができる。
　なお、本例では、配管２４と配管３４ｂとのそれぞれを通じて前記液体水素貯蔵部から燃料電池２５に前記水素ガスを供給するように図示されている（図中の矢印ｅ３～ｅ５参照）が、配管３４ｂのみで前記液体水素貯蔵部から燃料電池２５に前記水素ガスを供給することとしてもよい。
＜第４実施形態＞
　次に、本発明の第４実施形態に係る低温冷却システムを図５を参照しつつ説明する。なお、図５は、第４実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
　第４実施形態に係る低温冷却システムは、第１実施形態に係る低温冷却システムの一部の構成を変更した変形例に係る。以下では、第１実施形態に係る低温冷却システムと異なる構成部分に注目して説明することとし、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、重複した説明を省略する。また、図中の符号についても、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、便宜上、共通する符号を用いることとする。
　図５に示すように、第４実施形態に係る低温冷却システム４００では、液体水素貯蔵容器２２－燃料電池２５間を接続する配管３７ａ，ｂが、経路中で前記液体水素温度を超え室温未満の低温環境で動作するサブデバイス３６と熱的に接続され、液体水素貯蔵容器２２から排出された前記水素ガスによりサブデバイス３６が冷却されるとともにサブデバイス３６で昇温された前記水素ガスが燃料電池２５に供給されるように構成される。サブデバイス３６としては、特に制限はなく、前記低温環境で動作する公知のデバイスから目的に応じて適宜選択することができ、例えば、動作温度が液体窒素温度（７７Ｋ）付近とされる酸化物超伝導体を材料としたデバイスやバイオデバイスが挙げられる。
　このように構成される低温冷却システム４００では、冷却された前記水素ガスがサブデバイス３６の駆動に有効活用されるとともに、燃料電池２５に供給される前記水素ガスを燃料電池２５の動作温度に応じて効率よく昇温することが可能とされ、よりエネルギー効率に優れたシステムを実現することができる。
　なお、本例では、配管２４と配管３７ａ，ｂとのそれぞれを通じて液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に前記水素ガスを供給するように図示されている（図中の矢印ｅ６～ｅ８参照）が、配管３７ａ，ｂのみで液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に前記水素ガスを供給することとしてもよい。
＜第５実施形態＞
　次に、本発明の第５実施形態に係る低温冷却システムを図６を参照しつつ説明する。なお、図６は、第５実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
　第５実施形態に係る低温冷却システムは、第１実施形態に係る低温冷却システムの一部の構成を変更した変形例に係る。以下では、第１実施形態に係る低温冷却システムと異なる構成部分に注目して説明することとし、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、重複した説明を省略する。また、図中の符号についても、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、便宜上、共通する符号を用いることとする。
　図６に示すように、第５実施形態に係る低温冷却システム５００では、更に、液体水素貯蔵容器２２と熱的に接続されるとともに燃料電池２５と電気的に接続され、燃料電池２５から供給される電力を用いて液体水素貯蔵容器２２を冷却可能とされる冷却手段３８を有する。具体的には、小型のＧＭ冷凍機等の公知の冷凍機で構成される冷却手段３８が液体水素貯蔵容器２２の内部に配される。冷却手段３８は、配線３９ａを介して燃料電池２５と電気的に接続され、また、冷却手段３８からの排熱は、動作温度に応じて配管３９ｂを介して燃料電池２５に供給可能とされる（図中の矢印ｅ１０，ｅ１１参照）。なお、配管２４を通じて液体水素貯蔵容器２２から燃料電池２５に前記水素ガスが供給される（図中の矢印ｅ９参照）。
　このように構成される第５実施形態に係る低温冷却システム５００では、液体水素貯蔵容器２２が冷却手段３８により冷却され、延いては、液体水素２１の自然蒸発が抑制されることから、液体水素２１の使用量を低減してより効率的なシステムを実現することができる。
＜第６実施形態＞
　次に、本発明の第６実施形態に係る低温冷却システムを図７を参照しつつ説明する。なお、図７は、第６実施形態に係る低温冷却システムの概要を説明するための説明図である。
　第６実施形態に係る低温冷却システムは、第１実施形態に係る低温冷却システムの一部の構成を変更した変形例に係る。以下では、第１実施形態に係る低温冷却システムと異なる構成部分に注目して説明することとし、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、重複した説明を省略する。また、図中の符号についても、第１実施形態に係る低温冷却システムと共通する事項については、便宜上、共通する符号を用いることとする。
　図７に示すように、第６実施形態に係る低温冷却システム６００では、液体水素貯蔵容器２２－燃料電池間を接続する配管２４の経路中において、配線４１ａを介して燃料電池２５と電気的に接続され（図中の矢印ｅ１２参照）、燃料電池２５から供給される電力を用いて配管２４中の前記水素ガスの一部を再液化可能とされるとともに、配管２４から分岐された分岐配管４１ｂを通じて液体水素貯蔵容器２２と接続され、再液化された液体水素を液体水素貯蔵容器２２に再導入可能とされる再液化手段４０が配されて構成される。ここで、液体水素貯蔵容器２２から排出された前記水素ガスは、再液化手段４０に導入された後、一部が再液化されて液体水素貯蔵容器２２に再導入され、残りが燃料電池２５に供給される（図中の矢印ｅ１３～ｅ１５参照）。
　ここで、再液化手段４０としては、特に制限はなく、例えば、下記参考文献２に記載のヘリウム－水素凝縮サイクルを用いた水素液化装置等が挙げられる。
　参考文献２：安永　義博、日立評論、Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．８，ｐｐ．３１－３６（１９７１）
　このように構成される第６実施形態に係る低温冷却システム６００では、再液化手段４０で再液化を行う前記水素ガスが蒸発直後のものであるため十分に冷却されており、また、液体水素状態で安定であるパラ水素の割合も十分に高いため、効率的な再液化が可能とされる。よって、再液化により液体水素２１の消費量が低減され、システムに供給される液体水素２１の量を大幅に削減することができる。
　また、再液化手段４０の駆動に必要な駆動電力が燃料電池２５から供給可能とされる。よって、燃料電池２５を利用したエネルギー効率に優れたシステムを実現することができる。
　　　１０　　機械式冷凍機
　　　１１　　クライオスタット
　　　１２　　超伝導デバイス
　　　１３　　冷凍部
　　　１４　　低温端
　　　１５　　熱負荷
　　　１６　　冷凍出力
　１７，１８，２３，２４，３３，３４ａ，３４ｂ，３７ａ，３７ｂ，３９ｂ　配管
　　　１９　　圧縮機
　　　２０　　高温端
　　　２１　　液体水素
　　　２２　　液体水素貯蔵容器
　　　２５　　燃料電池
　　　２６，２７，２８，２９，３０，３９ａ，４１ａ　配線
　　　３１　　分岐線
　　　３２　　熱交換器
　　　３５　　被覆容器
　　　３６　　サブデバイス
　　　３８　　冷却手段
　　　４０　　再液化手段
　　　４１ｂ　分岐配管
　　１００，２００，３００，４００，５００，６００　　低温冷却システム

 

Claims (8)

  1. 　寒冷された作動ガスにより液体水素温度以下の温度に冷凍される低温端及び寒冷前後の前記作動ガスにより前記低温端よりも高い温度に昇温される高温端を有する機械式冷凍機と、
    　前記低温端と熱的に接続され、内部に前記液体水素温度以下の温度で動作する低温動作デバイスが収容されるクライオスタットと、
    　前記高温端と熱的に接続されるとともに内部に液体水素が貯蔵され、前記液体水素が水素ガスに相変化する際の前記液体水素の蒸発潜熱により前記高温端を冷却可能とされる液体水素貯蔵部と、
    　前記液体水素貯蔵部と配管で接続されるとともに前記配管を通じて前記液体水素貯蔵部から供給される前記水素ガスを動力源として駆動可能とされ、かつ、前記機械式冷凍機と電気的に接続されるとともに発電した電力を前記機械式冷凍機に供給可能とされる水素発電部と、
    　を有することを特徴とする低温冷却システム。
  2. 　水素発電部と低温動作デバイスとが電気的に接続され、前記水素発電部で発電した電力を前記低温動作デバイスに供給可能とされる請求項１に記載の低温冷却システム。
  3. 　高温端側に供給される前記液体水素温度を超える温度に昇温された作動ガスと、液体水素貯蔵部－水素発電部間を接続する配管とが熱的に接続され、前記配管中の前記水素ガスが前記作動ガスにより昇温可能とされる請求項１から２のいずれかに記載の低温冷却システム。
  4. 　液体水素貯蔵部が、高温端と熱的に接続されるとともに内部に液体水素が貯蔵される液体水素貯蔵容器と、前記液体水素貯蔵容器外壁から間隔を空けた状態で前記液体水素貯蔵容器外周の全体又は一部を覆うように配されるとともに前記間隔で画成された空間と前記液体水素貯蔵容器の内部とが連通され前記液体水素貯蔵容器内で発生した水素ガスが前記空間に滞留可能とされる被覆容器とを有する請求項１から３のいずれかに記載の低温冷却システム。
  5. 　液体水素貯蔵部－水素発電部間を接続する配管が、経路中で液体水素温度を超え室温未満の低温環境で動作するサブデバイスと熱的に接続され、前記液体水素貯蔵部から排出された水素ガスにより前記サブデバイスが冷却されるとともに前記サブデバイスで昇温された前記水素ガスが前記水素発電部に供給される請求項１から４のいずれかに記載の低温冷却システム。
  6. 　更に、液体水素貯蔵部と熱的に接続されるとともに水素発電部と電気的に接続され、前記水素発電部から供給される電力を用いて前記液体水素貯蔵部を冷却可能とされる冷却手段を有する請求項１から５のいずれかに記載の低温冷却システム。
  7. 　液体水素貯蔵部－水素発電部間を接続する配管の経路中に、前記水素発電部と電気的に接続され、前記水素発電部から供給される電力を用いて前記配管中の水素ガスの一部を再液化可能とされるとともに、前記配管から分岐された分岐配管を通じて前記液体水素貯蔵部と接続され、再液化された液体水素を前記液体水素貯蔵部に再導入可能とされる再液化手段が配される請求項１から６のいずれかに記載の低温冷却システム。
  8. 　水素発電部が外部システムと電気的に接続され、余剰の電力を前記外部システムに供給可能とされる請求項１から７のいずれかに記載の低温冷却システム。
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