(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非循環のガス流体の流れの中に蓄冷型冷凍機を配設し、この蓄冷型冷凍機の下流側のガス流体の圧力を上流側のガス流体の圧力より少なくとも０．１ＭＰａ以上低圧にし、この圧力差で蓄冷型冷凍機を作動させ寒冷を発生させるようにしたことを特徴とする冷凍機運転方法。
【請求項２】
上記ガス流体が、天然ガス，窒素，酸素，空気，水素，二酸化炭素，アルゴン，エチレン，プロパン，ブタン，メタン，エタンのうち１種乃至は２種以上のガスである請求項１記載の冷凍機運転方法。
【請求項３】
上記蓄冷型冷凍機が、ＧＭ冷凍機もしくはパルスチューブ冷凍機である請求項１または２記載の冷凍機運転方法。
【請求項４】
上記ガス流体が天然ガスであり、上記非循環のガス流体の流れが、天然ガスを高圧ラインから中圧ライン、または中圧ラインから低圧ライン、もしくは高圧ラインから低圧ラインへ供給する供給ラインである請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍機運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、蓄冷型冷凍機は、高圧・低圧のガスを冷凍機に定まったタイミングで出し入れすることにより、冷凍機内でガスの圧縮，膨脹，移動を行い、寒冷を発生させるようにしている。より詳しく説明すると、ガスを圧縮し圧縮熱を除去することによりエントロピーを下げること、気体を膨脹させ吸熱させることによりエントロピーを上げること、および蓄冷器を用い圧縮部と膨脹部とを温度的に分離することを行うようにしている。このような冷凍サイクルを用いた蓄冷型冷凍機として、ＧＭ冷凍機，パルスチューブ冷凍機等がある。
【０００３】
通常は、蓄冷型冷凍機とコンプレッサーユニットとを接続し、コンプレッサーユニットで吸入したガスを圧縮し高圧ガスとして吐出し、つぎに、この高圧ガスを冷凍機で吸入し、この冷凍機内でガスの圧縮，膨脹，移動を行い、低圧ガスとして冷凍機から吐出したのち、この低圧ガスを再びコンプレッサーユニットで吸入し、これにより、ガスを循環させている。なお、このガスは、雰囲気ガスと区別し、作動ガスと呼ぶ。
【０００４】
このように作動ガスを循環させているのは、作動ガスと空気もしくは雰囲気ガスとを分離し、作動ガスと空気もしくは雰囲気ガスとが混じらないようにするためであり、さらに有限の作動ガス量で連続的に寒冷を発生させるのに都合がよいからである。
【０００５】
上記のような蓄冷型冷凍機を用いた冷凍装置として、図５に示す冷凍装置がある。この冷凍装置は、蓄冷型冷凍機としてパルスチューブ冷凍機１を用い、これをコンプレッサーユニット２に接続している。上記パルスチューブ冷凍機１は、高圧ガス弁３，低圧ガス弁４，蓄冷器５，冷端部６，パルス管７および位相制御部８を備えており、この位相制御部８として、２組の開閉弁９，１０とバッファタンク１１，１２とからなるアクティブバッファ型の位相制御部８が用いられている。また、上記コンプレッサーユニット２は、コンプレッサー１３を備えており、このコンプレッサー１３の吐出口１３ａを高圧ガスライン１４を介してパルスチューブ冷凍機１の吸入口１ａに接続するとともに、コンプレッサー１３の吸入口１３ｂを低圧ガスライン１５を介してパルスチューブ冷凍機１の吐出口１ｂに接続している。
【０００６】
そして、コンプレッサー１３で昇圧された高圧ガスを高圧ガスライン１４を通してパルスチューブ冷凍機１に送り、パルスチューブ冷凍機１から吐出される低圧ガスを低圧ガスライン１５を通してコンプレッサー１３に戻している。また、高圧ガス弁３と低圧ガス弁４とを所定のタイミングで開閉させるとともに、この開閉に連動させて位相制御部８の開閉弁９，１０を開閉させることにより、パルス管７内のガスが圧縮，膨脹，移動を行い、寒冷が冷端部６で発生する。
【０００７】
このような冷凍装置では、コンプレッサー１３で低圧ガスを高圧ガスに昇圧するために動力が必要である。通常は、連続的に安定して得られる動力として、電力が用いられており、これにより、連続的に寒冷を発生することができるようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コンプレッサー１３を用い低圧ガスを高圧ガスに昇圧する場合には、一般的に、投入する電力は冷凍能力の約３０〜４０倍が必要とされる。例えば、１ｋＷの冷凍能力であれば約３０〜４０ｋＷもの電力が必要となるが、このような蓄冷型冷凍機の大型化は行われていないのが現状である。そこで、コンプレッサー１３を用いずに、高圧ガス源を蓄冷型冷凍機に接続することができれば、投入動力が不要になり、これにより、大きな冷凍能力を持つ冷凍機を投入動力の必要なコンプレッサーなしで実現することができるため、その実現が強く望まれている。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、コンプレッサーユニットが不要な冷凍機運転方法の提供をその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の冷凍機運転方法は、非循環のガス流体の流れの中に蓄冷型冷凍機を配設し、この蓄冷型冷凍機の下流側のガス流体の圧力を上流側のガス流体の圧力より少なくとも０．１ＭＰａ以上低圧にし、この圧力差で蓄冷型冷凍機を作動させ寒冷を発生させるようにしたという構成をとる。
【００１１】
すなわち、本発明の冷凍機運転方法は、非循環のガス流体の流れの中に配設した蓄冷型冷凍機の下流側のガス流体の圧力を上流側のガス流体の圧力より少なくとも０．１ＭＰａ以上低圧にし、この圧力差で蓄冷型冷凍機を作動させ寒冷を発生させるようにしている。このように、本発明では、上記ガス流体の圧力差を利用して蓄冷型冷凍機を作動させるようにしているため、コンプレッサーユニットが不要になる。また、上記ガス流体の流れを形成し続ける限り、連続的に寒冷を発生させることができる。
【００１２】
つぎに、本発明を詳しく説明する。
【００１３】
本発明のガス流体としては、天然ガス，窒素，酸素，空気，水素，二酸化炭素，アルゴン，エチレン，プロパン，ブタン，メタン，エタンのいずれか１種が用いられるが、これらのうち２種以上を混合したガスを用いてもよい。また、蓄冷型冷凍機の下流側のガス流体の圧力を上流側のガス流体の圧力より少なくとも０．１ＭＰａ以上低圧にする必要があるが、０．５ＭＰａ以上低圧にすることが好ましい。
【００１４】
天然ガスの供給は、通常、供給元から需要先に至るまでに、高圧，中圧，低圧と３段階の圧力条件で供給される。これは遠距離供給の場合に、経済的理由により高圧供給導管径をできるだけ小径にするためである。すなわち、基幹供給ラインは送出ガス量が大きいため、高圧にして大量のガスを搬送している。そして、需要先に近づくにつれ、基幹供給ラインから分岐され、各分岐供給ラインで減圧弁を用いて減圧している。このため、上記供給ラインには数段階の圧力のライン（例えば、高圧ライン，中圧ライン，低圧ラインの３段階圧力のライン）が存在している。
【００１５】
そこで、上記減圧弁に代えて、もしくは上記減圧弁と並列に蓄冷型冷凍機を設け、高圧側供給ラインを蓄冷型冷凍機の吸入口に接続し、それより低い圧力の低圧側供給ラインを蓄冷型冷凍機の吐出口に接続すると、蓄冷型冷凍機をコンプレッサーユニットに接続したのと同様に、高圧と低圧のガスを蓄冷型冷凍機に接続することができ、蓄冷型冷凍機は連続的に寒冷を発生する。このように、上記供給ラインを利用すると、蓄冷型冷凍機を駆動するにあたって、高圧ガスと低圧ガスとを得るための新たな動力は必要ない。また、コンプレッサーユニットが不要になり、動力が削減できる。しかも、コンプレッサーユニットは長期運転の場合にメンテナンス作業が必要であるが、これを行う必要もなくなり、コストの削減が見込める。
【００１６】
また、天然ガスの供給ラインでは、本発明を採用しない場合（減圧弁だけを用いて減圧する場合）に、減圧弁および低圧側供給ラインで天然ガスの自由膨脹によりその温度が低下するため、低圧側供給ラインの凍結が起こり、破損等の可能性がある。したがって、ガス温度を上昇させる工夫が必要になり、簡便な方法としてヒーターを用いて加熱することが行われている。これに対し、本発明を採用した場合には、蓄冷型冷凍機から吐出される天然ガスは温度低下がないため、低圧側供給ラインでヒーターによる加熱の必要がなく、ヒーター動力の削減，コストの低下，故障の軽減を図ることができる。
【００１７】
本発明の蓄冷式冷凍機としては、ＧＭ冷凍機，パルスチューブ冷凍機等が挙げられる。パルスチューブ冷凍機は位相制御機構により様々な種類、例えば、複数の弁とバッファタンクを組み合わせてなるアクティブバッファ型，ダブルインレット型，オリフィス型等があるが、いずれの位相制御機構でもよい。また、位相制御機構を有しないパルスチューブ冷凍機（ベーシック型パルスチューブ冷凍機と呼ばれている）でもよい。
【００１８】
本発明の蓄冷式冷凍機は、その冷端部で発生した寒冷を熱交換させることにより、ガスの液化や冷却ガスの発生に利用することができる。また、冷凍庫の寒冷源としても用いることもできる。また、ノイズを減らし感度を上げることを目的として、センサーを直接もしくは間接的に冷却することができる。また、超伝導体を直接もしくは間接的に冷却することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
【００２０】
図１は本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置の一実施の形態を示している。図において、２０は非循環系に形成された天然ガスの供給用パイプライン（供給ライン）である。この供給用パイプライン２０には、減圧弁の代わりにパルスチューブ冷凍機１が配設されている。この実施の形態では、パルスチューブ冷凍機１として、図５に示すパルスチューブ冷凍機１と同様構造のものが用いられている。２１はパルスチューブ冷凍機１の吸入口１ａに接続する高圧ガスパイプライン（すなわち、上記供給用パイプライン２０の、パルスチューブ冷凍機１より上流側のパイプライン）であり、２２はパルスチューブ冷凍機１の吐出口１ｂに接続する低圧ガスパイプライン（すなわち、上記供給用パイプライン２０の、パルスチューブ冷凍機１より下流側のパイプライン）である。そして、上記高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの圧力は３ＭＰａに、上記低圧ガスパイプライン２２を流れる天然ガスの圧力は０．５ＭＰａに設定されている。
【００２１】
上記構成において、供給用パイプライン２０に１００００Ｎｍ３  ／ｈの天然ガスを供給すると、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスはパルスチューブ冷凍機１の吸入口１ａからパルスチューブ冷凍機１内に流入し、パルスチューブ冷凍機１を運転させる。これにより、図５に示すパルスチューブ冷凍機１と同様の原理で寒冷を発生し、この寒冷を冷端部６から取り出すことができるようになる。このときに取り出し可能な寒冷エネルギーは１６５Ｋの温度で約１６ｋＷとなる。そして、パルスチューブ冷凍機１の吐出口１ｂから低圧の天然ガスが低圧ガスパイプライン２２に吐出され、需要先に供給される。
【００２２】
上記のように、この実施の形態では、コンプレッサーユニットを不要とすることができ、動力・コストが削減できる。また、パルスチューブ冷凍機１で得られた寒冷をガスの液化等に利用することができる。
【００２３】
図２は本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、上記実施の形態において、高圧ガスパイプライン２１と低圧ガスパイプライン２２とを接続する分流ガスパイプライン２３を設け、この分流ガスパイプライン２３に、ヒーター２５を備えた減圧弁２４を配設している。それ以外の部分は上記実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００２４】
上記構成において、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの一部はパルスチューブ冷凍機１の吸入口１ａからパルスチューブ冷凍機１内に流入し、上記実施の形態と同様に、パルスチューブ冷凍機１を運転させる。一方、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの他部は分流ガスパイプライン２３に分流し、減圧弁２４で減圧されたのちヒーター２５で加熱されて低圧ガスパイプライン２２に流入する。
【００２５】
天然ガスの高圧ガスパイプライン２１の圧力３ＭＰａ，低圧ガスパイプライン２２の圧力０．５ＭＰａで、天然ガスの流量がパルスチューブ冷凍機１側１００００Ｎｍ３  ／ｈ，減圧弁２４側１００００Ｎｍ３  ／ｈの場合に、パルスチューブ冷凍機１で発生する寒冷エネルギーは約１６ｋＷとなり、減圧弁２４側には約３５ｋＷのヒーターが必要となる。
【００２６】
上記のように、この実施の形態でも、コンプレッサーユニットを不要とすることができ、動力・コストが削減できる。また、パルスチューブ冷凍機１で得られた寒冷をガスの液化等に利用することができる。しかも、パルスチューブ冷凍機１と減圧弁２４とに流れる天然ガス量を制御することにより、パルスチューブ冷凍機１で発生する寒冷量を制御することができる。
【００２７】
図３は本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１に示す実施の形態おいて、パルスチューブ冷凍機１で発生した寒冷を利用し、高圧ガスパイプライン２１から分流させた天然ガスを液化して貯蔵するようにしている。図において、３１は液化天然ガスを貯蔵する貯蔵タンクである。３２は供給用パイプライン２０の高圧ガスパイプライン２１と貯蔵タンク３１の横側壁とを連結する第１連結パイプであり、３３は供給用パイプライン２０の低圧ガスパイプライン２２と貯蔵タンク３１の天井壁とを連結する第２連結パイプである。３４はパルスチューブ冷凍機１の冷端部６に対応する上記第１連結パイプ３２の部分に設けられた第１熱交換器である。３５は第１連結パイプ３２の、第１熱交換器３４と高圧ガスパイプライン２１との間の部分に設けられた第２熱交換器であり、第２連結パイプ３３の途中部に配設されている。３６は第１連結パイプ３２の、第１熱交換器３４と貯蔵タンク３１との間の部分に設けられた流量調節弁である。３７は貯蔵タンク３１の底壁から延びる流量調節弁３８付き取り出しパイプである。それ以外の部分は図１に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００２８】
上記構成おいて、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの一部はパルスチューブ冷凍機１の吸入口１ａからパルスチューブ冷凍機１内に流入し、図１に示す実施の形態と同様に、パルスチューブ冷凍機１を運転させる。一方、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの他部は第１連結パイプ３２に分流し、第２熱交換器３５を通過する間に、第２連結パイプ３３を流れる液化天然ガスの蒸発ガスと熱交換して冷却され、つぎに、第１熱交換器３４を通過する間に、パルスチューブ冷凍機１の冷端部６で熱交換されて液化されたのち、貯蔵タンク３１に貯蔵される。この貯蔵タンク３１に貯蔵された液化天然ガスは、必要に応じて取り出しパイプ３７を介して取り出され、利用される。また、貯蔵タンク３１の上部に溜まる液化天然ガスの蒸発ガスは、第２熱交換器３５を通る間に、第１連結パイプ３２を流れる天然ガスと熱交換して昇温されたのち、低圧ガスパイプライン２２に送られる。
【００２９】
上記のように、この実施の形態では、図１に示す実施の形態と同様の作用・効果を奏する。しかも、パルスチューブ冷凍機１の冷端部６の寒冷を利用して、貯蔵タンク３１に液化天然ガスを貯蔵することができる。
【００３０】
図４は本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図３に示す実施の形態において、高圧ガスパイプライン２１の、第１連結パイプ３２より上流側の部分と低圧ガスパイプライン２２の、第２連結パイプ３３より下流側の部分とを接続する分流ガスパイプライン３９を設け、この分流ガスパイプライン３９に、ヒーター４１を備えた減圧弁４０を配設している。それ以外の部分は図３に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００３１】
上記構成において、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの一部はパルスチューブ冷凍機１の吸入口１ａからパルスチューブ冷凍機１内に流入し、図３に示す実施の形態と同様に、パルスチューブ冷凍機１を運転させる。一方、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの他部は分流ガスパイプライン３９に分流し、減圧弁４０で減圧されたのちヒーター４１で加熱されて低圧ガスパイプライン２２に流入する。また、高圧ガスパイプライン２１を流れる天然ガスの残部は第１連結パイプ３２に分流し、図３に示す実施の形態と同様の作用を行う。
【００３２】
上記のように、この実施の形態では、図３に示す実施の形態と同様の作用・効果を奏する。しかも、パルスチューブ冷凍機１と減圧弁４０とに流れる天然ガス量を制御することにより、パルスチューブ冷凍機１で発生する寒冷量を制御することができる。
【００３３】
なお、上記各実施の形態では、ガス流体として天然ガスを用いているが、これに限定するものではなく、窒素，酸素，空気等のガス流体を用いてもよい。また、パルスチューブ冷凍機に代えて、ＧＭ冷凍機等を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の冷凍機運転方法は、非循環のガス流体の流れの中に配設した蓄冷型冷凍機の下流側のガス流体の圧力を上流側のガス流体の圧力より少なくとも０．１ＭＰａ以上低圧にし、この圧力差で蓄冷型冷凍機を作動させ寒冷を発生させるようにしている。このように、本発明では、上記ガス流体の圧力差を利用して蓄冷型冷凍機を作動させるようにしているため、コンプレッサーユニットが不要になる。また、上記ガス流体の流れを形成し続ける限り、連続的に寒冷を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置の他の実施の形態を示す説明図である。
【図３】本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置のさらに他の実施の形態を示す説明図である。
【図４】本発明の冷凍機運転方法を用いた冷凍装置のさらに他の実施の形態を示す説明図である。
【図５】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  パルスチューブ冷凍機
【図１】
0003616761.tif 000002
【図２】
0003616761.tif 000003
【図３】
0003616761.tif 000004
【図４】
0003616761.tif 000005
【図５】
0003616761.tif 000006