(57)【要約】【課題】装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供する。【解決手段】主熱交換器２と、ヘッドタンク３と、液化ガスが気化して生成されるとともにヘッドタンク３から排出された排出ガスと、未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する補助熱交換器４と、を備え、主熱交換器２は、内管５と外管６とからなる二重管構造であって、内管５内に水素が流れ、外管６内に液化ガスが満たされ、ヘッドタンク３からの液化ガスを供給する液化ガス供給管８が外管６の底部に接続され、外管６の底部よりも上方の位置に液化ガスをヘッドタンク３に戻す戻り管１５が設けられ、ヘッドタンク３は、その底部が主熱交換器２の頂部を越える上方に配置され、補助熱交換器４が主熱交換器２の前段に設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置１である。【選択図】図１
2011127754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記液化ガスが気化して生成されるとともに前記ヘッドタンクから排出された排出ガスと、未冷却の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを予備冷却する補助熱交換器を備え、
前記補助熱交換器が、前記主熱交換器の前段に設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置。
【請求項２】
水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記液化ガスが気化して生成されるとともに前記ヘッドタンクから排出された排出ガスと、冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを追加冷却して低温に保持する補助熱交換器を備え、
前記補助熱交換器が、前記主熱交換器の後段に設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置。
【請求項３】
水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記液化ガスが気化して生成されるとともに前記ヘッドタンクから排出された排出ガスと、未冷却の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを予備冷却する第１の補助熱交換器と、
前記排出ガスと、冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを追加冷却して低温に保持する第２の補助熱交換器と、を備え、
前記第１の補助熱交換器が前記主熱交換器の前段に、前記第２の補助熱交換器が前記主熱交換器の後段にそれぞれ設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置。
【請求項４】
前記主熱交換器の前記内管の外周部に、熱交換促進手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水素ガス冷却装置。
【請求項５】
前記熱交換促進手段が、前記内管に密着するように巻きつけられた金属線材又はフィンであることを特徴とする請求項４に記載の水素ガス冷却装置。
【請求項６】
前記主熱交換器の前記外管内に、熱交換促進部材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水素ガス冷却装置。
【請求項７】
前記熱交換促進部材が、レッシングリング、ラシヒリング、ポールリング、サドルのいずれか１つ又は２以上の混合物であることを特徴とする請求項６に記載の水素ガス冷却装置。
【請求項８】
水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記主熱交換器の前記内管の外周部に、熱交換促進手段が設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置。
【請求項９】
前記熱交換促進手段が、前記内管に密着するように巻きつけられた金属線材又はフィンであることを特徴とする請求項８に記載の水素ガス冷却装置。
【請求項１０】
水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記主熱交換器の前記外管内に、熱交換促進部材が充填されていることを特徴とする水素ガス冷却装置。
【請求項１１】
前記熱交換促進部材が、レッシングリング、ラシヒリング、ポールリング、サドルのいずれか１つ又は２以上の混合物であることを特徴とする請求項１０に記載の水素ガス冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス冷却装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素自動車では、水素ガスを燃料タンクに高圧で充填することが要求されるため、水素ガスを燃料タンクに充填する際には、断熱圧縮による温度上昇が起きる。また、水素ガスは一般的なガスと異なり、断熱膨張させるとジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有する。
充填作業の効率を上げるため、水素ガスの供給流量を高く設定する場合には、水素ガスは高温になりやすいため、燃料タンクへの充填に際しては予め水素ガスを−３０℃〜−４０℃程度に冷却する必要がある。
【０００３】
このような用途において水素ガスを冷却する装置としては、特許文献１に提案されたものがある。具体的には、特許文献１に記載された冷却装置は、ブラインなどの冷却媒体を貯留し循環させる冷媒貯槽にコイル状の冷却パイプを浸漬した構造の熱交換器を備えたもので、この冷却パイプに冷却すべき水素を流して冷却するものである。
また、冷却媒体として液体窒素などの液化ガスを冷媒貯槽に供給して貯留するタイプの冷却装置も知られている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の水素ガス冷却装置にあっては、設備全体が大型化すること、冷却媒体としての液体窒素の消費量が多くなること、装置の起動時間および終了時間が長くなることなどの不具合があった。
【０００５】
そこで、上記不具合を解決する水素ガス冷却装置としては、特許文献２に提案されたものがある。具体的には、図６に示すように、水素ガス冷却装置１０１は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する熱交換器１０２と、この熱交換器１０２に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンク１０３を備えており、この熱交換器１０２は、二重管構造であって、内管１０５側に水素が流れ、外管１０６側に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配されている。そして、ヘッドタンク１０３からの液化ガスを供給する液化ガス供給管１０８が外管１０６の底部に接続され、外管１０６の底部よりも上方の位置に液化ガスをヘッドタンク１０３に戻す戻り管１１５が設けられており、ヘッドタンク１０３は、その底部が熱交換器１０２の頂部を越える上方に位置するものである。
【０００６】
上記特許文献２に記載の水素ガス冷却装置により、上記不具合が解決されるが、設備全体のさらなる小型化や、設備のサイズを変えることなく冷却能力を向上させたいという要求があった。
【０００７】
また、上記特許文献２に記載の水素ガス冷却装置では、熱交換器の出口側に近い水素ガスは十分冷却されているものの、配管内を流れる間に温められてしまうため、水素自動車の燃料タンク等の供給先容器の入口においては所望の温度範囲よりも高温となってしまう場合があった。したがって、熱交換器においては供給先容器において要求されるよりも水素ガスを過剰に冷却（すなわち、より低温に冷却）しておかなければならないため、熱交換器が大型化してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０８３５６７号公報
【特許文献２】特開２００８−２６７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記液化ガスが気化して生成されるとともに前記ヘッドタンクから排出された排出ガスと、未冷却の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを予備冷却する補助熱交換器を備え、
前記補助熱交換器が、前記主熱交換器の前段に設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置である。
【００１１】
請求項２に係る発明は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記液化ガスが気化して生成されるとともに前記ヘッドタンクから排出された排出ガスと、冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを追加冷却して低温に保持する補助熱交換器を備え、
前記補助熱交換器が、前記主熱交換器の後段に設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置である。
【００１２】
請求項３に係る発明は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、
前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、
前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記液化ガスが気化して生成されるとともに前記ヘッドタンクから排出された排出ガスと、未冷却の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを予備冷却する第１の補助熱交換器と、
前記排出ガスと、冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを追加冷却して低温に保持する第２の補助熱交換器と、を備え、
前記第１の補助熱交換器が前記主熱交換器の前段に、前記第２の補助熱交換器が前記主熱交換器の後段にそれぞれ設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置である。
【００１３】
請求項４にかかる発明は、前記主熱交換器の前記内管の外周部に、熱交換促進手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水素ガス冷却装置である。
請求項５にかかる発明は、前記熱交換促進手段が、前記内管に密着するように巻きつけられた金属線材又はフィンであることを特徴とする請求項４に記載の水素ガス冷却装置である。
請求項６にかかる発明は、前記主熱交換器の前記外管内に、熱交換促進部材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水素ガス冷却装置である。
請求項７にかかる発明は、前記熱交換促進部材が、レッシングリング、ラシヒリング、ポールリング、サドルのいずれか１つ又は２以上の混合物であることを特徴とする請求項６に記載の水素ガス冷却装置である。
【００１４】
また、請求項８にかかる発明は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記主熱交換器の前記内管の外周部に、熱交換促進手段が設けられていることを特徴とする水素ガス冷却装置である。
【００１５】
請求項９にかかる発明は、前記熱交換促進手段が、前記内管に密着するように巻きつけられた金属線材又はフィンであることを特徴とする請求項８に記載の水素ガス冷却装置である。
【００１６】
さらに、請求項１０にかかる発明は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクと、を備え、前記主熱交換器は、内管と外管とからなる二重管構造であって、前記内管内に水素が流れ、前記外管内に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が前記外管の底部に接続され、前記外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、前記ヘッドタンクは、その底部が前記主熱交換器の頂部を越える上方に配置される水素ガス冷却装置であって、
前記主熱交換器の前記外管内に、熱交換促進部材が充填されていることを特徴とする水素ガス冷却装置である。
【００１７】
請求項１１にかかる発明は、前記熱交換促進部材が、レッシングリング、ラシヒリング、ポールリング、サドルのいずれか１つ又は２以上の混合物であることを特徴とする請求項１０に記載の水素ガス冷却装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素ガス冷却装置によれば、液化ガスが気化して生成されるとともにヘッドタンクから排出された排出ガスと未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する補助熱交換器を備え、この補助熱交換器が、主熱交換器の前段に設けられていることで、主熱交換器に導入される前の未冷却の水素ガスを予備冷却することができる。すなわち、従来は系外に排出されていたヘッドタンクの排出ガスを予備冷却に利用するため、冷媒としての液化ガスの消費量を削減することが可能となる。これにより、主熱交換器のサイズを縮小した場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。また、補助熱交換器では、冷却側及び被冷却側ともにガスを用いるため、省スペースな熱交換器を用いることが可能となる。これにより、装置内のデッドスペースへの設置も可能となるため、装置の大型化を招くおそれがない。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【００１９】
また、本発明の水素ガス冷却装置の第二の態様によれば、液化ガスが気化して生成されるとともにヘッドタンクから排出された排出ガスと、冷却後の水素ガスとの間で熱交換を行なう補助熱交換器が、主熱交換器の後段に設けられる構成となっている。これにより、冷却された水素ガスを追加冷却して低温に保持することができるため、配管内を流れる間に水素ガスが温められてしまうことがなく、熱交換器において予め水素ガスを過剰に冷却する必要がない。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【００２０】
また、本発明の水素ガス冷却装置の第三の態様によれば、液化ガスが気化して生成されるとともにヘッドタンクから排出された排出ガスと未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する第１の補助熱交換器が、主熱交換器の前段に設けられている。これにより、主熱交換器に導入される前の未冷却の水素ガスを予備冷却することができる。また、上記排出ガスと、冷却後の水素ガスとの間で熱交換を行なう補助熱交換器が、主熱交換器の後段に設けられる構成となっている。これにより、冷却された水素ガスを追加冷却して低温に保持することができるため、配管内を流れる間に水素ガスが温められてしまうことがなく、熱交換器において予め水素ガスを過剰に冷却する必要がない。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【００２１】
また、本発明の水素ガス冷却装置の第四の態様によれば、主熱交換器の内管の外周部に、熱交換促進手段が設けられている構成となっている。これにより、主熱交換器における熱交換を促進することができるため、主熱交換器のサイズを縮小した場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【００２２】
さらに、本発明の水素ガス冷却装置の第五の態様によれば、主熱交換器の外管内に、熱交換促進部材が充填されている構成となっている。これにより、主熱交換器における熱交換を促進することができるため、主熱交換器のサイズを縮小した場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態である水素ガス冷却装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態である水素ガス冷却装置に用いる熱交換促進手段の一例を説明するための図であり、主熱交換器の内管付近を示す拡大側面図である。
【図３】本発明を適用した一実施形態である水素ガス冷却装置に用いる熱交換促進手段の他の例を説明するための図であり、主熱交換器の内管付近の拡大断面図である。
【図４】本発明を適用した第２の実施形態である水素ガス冷却装置を示す概略構成図である。
【図５】本発明を適用した第３の実施形態である水素ガス冷却装置を示す概略構成図である。
【図６】従来の水素ガス冷却装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を適用した一実施形態である水素ガス冷却装置について、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明を適用した第１の実施形態である水素ガス冷却装置（以下、単に「冷却装置」という）の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の冷却装置１は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器２と、上記主熱交換器２に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンク３と、液化ガスが気化して生成されるとともに上記ヘッドタンク３から排出された排出ガスと未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する補助熱交換器４と、を備えて概略構成されている。
【００２６】
主熱交換器２は、直管状の内管５とこの内管５の外側に同軸的に設けられた直管状の外管６とからなる二重管構造となっている。
この主熱交換器２は、その内管５および外管６の軸線が鉛直方向または鉛直方向から若干斜めに傾いた方向に沿うように立設状態で設置されている。
【００２７】
内管５は、その内部を冷却すべき水素ガスが流れるもので、内径２〜１０ｍｍ、外径１０〜３０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度で、低温水素脆性を考慮した金属材料、例えばＳＵＳ３１６Ｌ等からなるものである。内管５は、外管６の頂部および底部を液密に貫通しており、貫通した上部は入口５ａと、下部は出口５ｂとなっている。
【００２８】
外管６は、その内側に液化窒素などの冷却媒体として機能する低温液化ガスを貯えるもので、内径４０〜６０ｍｍ、外径４５〜８０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度のステンレス鋼などからなるものである。この外管６の上部は、長手方向に伸縮が可能なベローズ７となっている。なお、このベローズ７の位置は上部に限られることはなく、外管６のどこでも良い。
外管６の頂部および底部は閉じられている。外管６の外側は図示しない断熱材で被覆されており、液化ガスへの外部からの熱の侵入を防ぐように構成されている。
【００２９】
本実施形態では、主熱交換器２の内管５の外周部に熱交換促進手段が設けられていることが好ましい。上記熱交換促進手段の一例として、金属線材が挙げられる。具体的には、図２に示すように、内管５の外周部に、金属線材５ｃが内管５に密着するように巻きつける。このように、内管５の周囲に金属線材５ｃを巻き付けることによって、内管５側と外管６内に貯えられた低温の液化ガスとの伝熱面積が増加するため、熱交換が促進される。したがって、簡単な構造で主熱交換器２の小型化（特に長さ方向の短縮）が実現される。なお、金属線材５ｃの具体例としては、ステンレス線、アルミ線、銅線などが挙げられるが、熱交換効率の向上の理由から、ステンレス線が好ましい。また、金属線材５ｃは、内管５の外周部の全体に巻きつけることが好ましい。これにより、主熱交換器２の全長を短縮することができる。
【００３０】
熱交換促進手段の他の例として、フィンが挙げられる。具体的には、図３に示すように、内管５の外周に複数のフィン５ｄ（図３中では、４個）を設ける。このように、内管５の外周に複数のフィン５ｄを設けることにより、熱交換が促進される。
【００３１】
また、本実施形態では、主熱交換器２の外管６内に、熱交換促進部材が充填されていることが好ましい。上記熱交換促進部材としては、具体的には、レッシングリング、ラシヒリング、ポールリング、サドル等が挙げられる。これらの１つ又は２以上の混合物を外管６内に充填して内管５の周囲に存在させることにより、上述した熱交換促進手段と同様に熱交換が促進される。なお、熱交換促進部材は、外管６の内部全体に詰め込むことが好ましい。また、熱交換促進部材は、上記熱交換促進手段に代えて、あるいは上記熱交換促進手段と併せて、用いることができる。
【００３２】
ヘッドタンク３は、液化窒素などの液化ガスを貯えるために設けられている。このヘッドタンク３は、主熱交換器２の頂部よりも上方の位置に配され、主熱交換器２の頂部よりも３０〜５０ｃｍ程度上方に置くことが好ましい。
ヘッドタンク３の底部と主熱交換器２の外管６の底部とは液化ガス供給管８によって接続されており、ヘッドタンク３から外管６内に液化ガスが高低差によって流下して供給されるようになっている。
【００３３】
ヘッドタンク３には、図示しない液化ガス供給源からの液化ガスが補給される補給管９が接続され、液面計１０と液面位調整弁とからなる液面制御機構により所定量の液化ガスが常時貯えられるようになっている。
また、ヘッドタンク３の上部には予備冷却ガス供給管１１が接続され、気化した液化ガスからなる排出ガスが補助熱交換器４内に導入されるようになっている。
【００３４】
補助熱交換器４は、ヘッドタンク３において液化ガスが気化して生成されるとともにこのヘッドタンク３から排出された排出ガスと、未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却するために、主熱交換器２の前段に設けられている。
【００３５】
補助熱交換器４は、直管状の内管１２とこの内管１２の外側に同軸的に設けられた直管状の外管１３とからなる二重管構造となっている。
この補助熱交換器４は、その内管１２および外管１３の軸線が鉛直方向に沿うように立設状態で設置されているが、水平方向に設置したり、屈曲させたり等、設置状態や形状は任意とすることができる。
【００３６】
内管１２は、その内部を冷却前の水素ガス、すなわち主熱交換器２に導入前の水素ガスが流れるもので、内径２〜１０ｍｍ、外径１０〜３０ｍｍ、長さ５００ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは長さ５００〜２０００ｍｍ程度で、低温水素脆性を考慮した金属材料、例えばＳＵＳ３１６Ｌ等からなるものである。内管１２は、外管１３の頂部および底部を気密に貫通しており、貫通した上部は入口１２ａと、下部は出口１２ｂとなっている。
【００３７】
外管１３は、その内側にヘッドタンク３において気化した液化ガスであって、ヘッドタンク３から排出された排出ガスが流れるもので、内径４０〜６０ｍｍ、外径４５〜８０ｍｍ、長さ５００ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは長さ５００〜２０００ｍｍ程度のステンレス鋼などからなるものである。
また、外管１３の頂部および底部は閉じられている。外管１３の外側は図示しない断熱材で被覆されており、排出ガスへの外部からの熱の侵入を防ぐように構成されている。
【００３８】
さらに、ヘッドタンク３の上部と補助熱交換器４の外管１３の底部とは上述した予備冷却ガス供給管１１によって接続されており、ヘッドタンク３から外管１３内に液化ガスが気化した排出ガスが供給されるようになっている。更にまた、補助熱交換器４の外管１３の上部には排気管１４が接続され、水素ガスを予備冷却した後、すなわち未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なった後の排出ガスが系外に排出されるようになっている。
【００３９】
主熱交換器２の外管６の上下方向の高さの異なる５箇所の側面には、それぞれ戻り管１５が接続されており、これらの戻り管１５は、それぞれに設けられた図示略の開閉弁を介して戻り母管１６に接続され、この戻り母管１６はヘッドタンク３に接続されている。
これにより、外管６内の液化ガスが、その一部が気化して生じた泡とともに戻り管１５及び図示略の開閉弁を通り、戻り母管１６を上昇してヘッドタンク３に戻るように構成されている。また、ヘッドタンク３に戻った液化ガスは、再度液化ガス供給管８に流入して、主熱交換器２とヘッドタンク３との間を自然に循環するようになっている。
【００４０】
補助熱交換器４の内管１２の上部の入口１２ａには水素ガス流入管１７が接続されている。また、補助熱交換器４の内管１２の下部の出口１２ｂには、主熱交換器２の内管５の上部の入口５ａが接続されている。さらに、主熱交換器２の内管５の下部の出口５ｂには水素ガス流出管１８が接続されている。
水素ガス流入管１７は、冷却すべき水素ガスを主熱交換器２に供給する前に、補助熱交換器４の内管１２に送り込むものであり、図示略の流量計と流量調整弁１９とからなる流量調整機構が設けられ、内管１２に送り込まれる水素ガスの流量を制御するようになっている。
【００４１】
水素ガス流出管１８は、主熱交換器２で冷却された水素ガスを外部の水素自動車などに送給するためのもので、その温度を計測する温度計２０と圧力を計測する圧力計（図示略）および圧力発信器（図示略）が設けられている。
温度計２０からの水素ガス温度信号は水素ガス流入管１７に設けられた流量調整弁１９に送られ、水素ガス流出管１８を流れる水素ガスの温度に基づいて補助熱交換器４の内管１２に送り込まれる水素ガスの流量が制御されるように構成されている。
【００４２】
さらに、水素ガス流入管１７と水素ガス流出管１８とを直接結ぶバイパス管２１が設けられている。このバイパス管２１は、補助熱交換器４の内管１２及び主熱交換器２の内管５と並列的に接続される形態となっており、水素ガス流入管１７を流れる水素ガスの一部がバイパス管２１を通って直接水素ガス流出管１８に流れるようになっている。
バイパス管２１には、流量調整弁２２が設けられており、この流量調整弁２２は上記温度計２０からの水素ガス温度信号に基づいてその開度が調整されてバイパス管２１を流れる水素ガスの流量が調整されるようになっている。
【００４３】
次に、本実施形態の水素ガス冷却装置１の運転方法について説明する。
先ず、水素ガス流入管１７から温度０〜４０℃、圧力０〜９０ＭＰａ（ゲージ圧）の水素ガスを導入し、その流量を流量調整弁１９により調整して補助熱交換器４の内管１２に送り込む。
一方、ヘッドタンク３において、気化した液化ガスからなる排出ガスをヘッドタンク３から予備冷却ガス供給管１１を介して補助熱交換器４の外管１３内に供給する。
【００４４】
補助熱交換器４の内管１２に供給された水素ガスは、内管１２内を流れてその壁面に接することで予備冷却され、温度−１９６〜０℃、圧力０〜９０ＭＰａ（ゲージ圧）の予備冷却された水素ガスとして出口１２ｂから導出され、主熱交換器２の内管５に供給される。
補助熱交換器４の外管１３内の排出ガスは、水素ガスを冷却した後に排出管１４から系外へと排出される。
【００４５】
次に、補助熱交換器４によって予備冷却された温度−１９６〜０℃、圧力０〜９０ＭＰａ（ゲージ圧）の水素ガスを主熱交換器２の内管５に送り込む。
一方、ヘッドタンク３から液化窒素などの液化ガスを、液化ガス供給管８を介して主熱交換器２の外管６内に供給して外管６内に貯める。
【００４６】
主熱交換器２の内管５に供給された水素ガスは、内管５内を流れてその壁面に接することで冷却され、水素ガス流出管１８から温度−１９６〜０℃、圧力０〜９０ＭＰａ（ゲージ圧）の冷却水素ガスとして導出され、水素自動車などに供給される。
一方、主熱交換器２の外管６内の液化ガスは、水素ガスを冷却することで加熱され、その一部は気化して気泡状となって液化ガス中に混合した状態となる。
【００４７】
この気泡を含む液化ガスは、見掛けの密度が小さいものとなって、外管６内を上昇し、戻り管１５及び図示略の開閉弁を経て、さらに戻り母管１６を上昇してヘッドタンク３に戻る。ヘッドタンク３に戻った液化ガスに含まれる気体状の液化ガスはここで分離され、予備冷却ガス供給管１１から補助熱交換器４に供給され、液化ガスはヘッドタンク３内に貯えられ、再度使用に供される。
【００４８】
この運転操作の際、水素ガス流出管１８を流れる冷却水素ガスの温度を温度計２０によって監視し、目的温度から逸脱した場合には、温度計２０からの制御信号が水素ガス流入管１７に設けられた流量調整弁１９とバイパス管２１に設けられた流量調整弁２２に送信され、流量調整弁１９、２２の開度を調整して水素ガス流入管１７あるいはバイパス管２１を流れる未冷却の水素ガスの流量を変化させて目的の温度の冷却水素ガスが得られるようにする。
【００４９】
また、主熱交換器２の外管６に取り付けられた５本の戻り管１５，１５・・の開閉弁（図示略）のいくつかを開閉することによって、外管６内に貯えられる液化ガスの液面高さを変化させることができる。この液面高さの変化は、内管５と液化ガスとが接触する面積（有効伝熱面積）を変化させることになり、内管５内を流れる水素ガスの冷却度合が変化し、これにより水素ガス流出管１８に流出する冷却水素ガスの温度を調整することができる。
【００５０】
主熱交換器２の内管５および外管６は、液化ガスの貯留、排出、水素ガスの流入などによってその温度が変化し、この温度変化に伴って管軸方向の長さがそれぞれ伸縮する。この伸縮は外管６のベローズ７によって吸収される。このため、内管５および外管６の伸縮に起因する主熱交換器２の損傷などの不都合が生じることがない。
【００５１】
本実施形態の水素ガス冷却装置１によれば、液化ガスが気化して生成されるとともにヘッドタンク３から排出された排出ガスと未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する補助熱交換器４を備え、この補助熱交換器４が、主熱交換器２の前段に設けられているため、主熱交換器２に導入される前の未冷却の水素ガスを予備冷却することができる。このように、従来は系外に排出されていたヘッドタンクの排出ガスを予備冷却に利用することができるため、冷媒としての液化ガスの消費量を削減することが可能となる。これにより、鉛直型の主熱交換器２の高さ方向の寸法を小さくした場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。
【００５２】
また、補助熱交換器４では、冷却側及び被冷却側ともにガスを用いるため、二重管式熱交換器のような省スペースな熱交換器を用いることが可能となる。これにより、補助熱交換器４を冷却装置１内のデッドスペースへ設置することが可能となるため、装置の大型化を招くおそれがない。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置１を提供することができる。
【００５３】
また、本実施形態の水素ガス冷却装置１によれば、主熱交換器２の内管５の外周部に、熱交換促進手段が設けられている。これにより、内管５と金属との接触長が長くなることで液化ガスの冷熱を内管５に伝える金属の経路が確保されるので、主熱交換器２における熱交換を促進することができる。したがって、鉛直型の主熱交換器２の高さ方向の寸法を小さくした場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。
【００５４】
さらに、本実施形態の水素ガス冷却装置１によれば、主熱交換器２の外管６内に、熱交換促進部材が充填されている。これにより、内管５と金属との接触長が長くなることで液化ガスの冷熱を内管５に伝える金属の経路が確保されるので、主熱交換器２における熱交換を促進することができる。したがって、鉛直型の主熱交換器２の高さ方向の寸法を小さくした場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。
【００５５】
更にまた、本実施形態の水素ガス冷却装置１によれば、冷却水素ガスの温度調節を、流量調整弁１９、２２および戻り管１５の３つの手段で行うことができるので、水素ガスの流量が大幅に変動しても、常に冷却水素ガスの温度を目的の温度域に保つことができる。
【００５６】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態である水素ガス冷却装置の構成について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の水素ガス冷却装置１とは、主熱交換器２の前段に設けられた補助熱交換器４に代えて、主熱交換器２の後段に補助熱交換器２４が設けられている点で異なる構成となっている。したがって、本実施形態の水素ガス冷却装置の構成については、第１の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
【００５７】
図４に示すように、本実施形態の冷却装置４１は、主熱交換器２と、ヘッドタンク３と、液化ガスが気化して生成されるとともに上記ヘッドタンク３から排出された排出ガスと冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを追加冷却して低温に保持する補助熱交換器２４と、を備えて概略構成されている。
【００５８】
本実施形態の補助熱交換器２４は、ヘッドタンク３において液化ガスが気化して生成されるとともにこのヘッドタンク３から排出された排出ガスと、冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって、水素ガスを追加冷却して低温に保持するために、主熱交換器２の後段に設けられている。
【００５９】
補助熱交換器２４は、水素ガス流出管１８を内管とし、この水素ガス流出管１８の外側に直管状の外管２５を同軸的に設けた二重管構造となっている。
この補助熱交換器２４は、内管である水素ガス流出管１８および外管２５の軸線が鉛直方向に沿うように立設状態で設置したり、水平方向に設置したり、屈曲させたり等、設置状態や形状は任意とすることができる。
【００６０】
本実施形態の補助熱交換器２４における内管である水素ガス流出管１８は、外管２５の導入部および導出部を気密に貫通しており、貫通した導入部は入口１８ａと、導出部は出口１８ｂとなっている。
【００６１】
外管２５は、その内側にヘッドタンク３において気化した液化ガスであって、ヘッドタンク３から排出された排出ガスが流れるもので、内径４０〜６０ｍｍ、外径４５〜８０ｍｍ、長さ５００ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは長さ５００〜２０００ｍｍ程度のステンレス鋼などからなるものである。なお、本実施形態の冷却装置４１では、主熱交換器２より下流側の水素ガス流出管１８が全て二重管構造、すなわち補助熱交換器２４とすることが好ましい。
また、外管２５の導入側および導出側の端部は閉じられている。外管２５の外側は図示しない断熱材で被覆されており、排出ガスへの外部からの熱の侵入を防ぐように構成されている。
【００６２】
ヘッドタンク３の上部と外管２５の入口１８ａ側の端部とは追加冷却ガス供給管２６によって接続されており、ヘッドタンク３から外管２５内に液化ガスが気化した排出ガスが供給されるようになっている。更にまた、外管２５の出口１８ｂ側の端部には排気管２７が接続され、水素ガスを追加冷却した後、すなわち冷却された水素ガスを低温に保持した後の排出ガスが系外に排出されるようになっている。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の冷却装置４１によれば、補助熱交換器２４が、主熱交換器２の後段に設けられる構成となっており、主熱交換器２で冷却された水素ガスをヘッドタンク３から排出された排出ガスによって冷却することにより、低温に保持することができる。このため、水素ガス流出管１８内を流れる間に水素ガスが温められてしまうことがなく、主熱交換器２において予め水素ガスを過剰に冷却する必要がない。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な冷却装置４１を提供することができる。
【００６４】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明を適用した第３の実施形態である水素ガス冷却装置の構成について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の水素ガス冷却装置１において主熱交換器２の前段に設けられた補助熱交換器４と、第２の実施形態の水素ガス冷却装置４１において主熱交換器２の後段に設けられた補助熱交換器２４とをいずれも備える構成となっている。したがって、本実施形態の水素ガス冷却装置の構成については、第１及び第２の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
【００６５】
図５に示すように、本実施形態の冷却装置５１は、主熱交換器２と、ヘッドタンク３と、液化ガスが気化して生成されるとともに上記ヘッドタンク３から排出された排出ガスと未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する補助熱交換器４（第１の補助熱交換器）と、上記排出ガスと冷却後の前記水素ガスとの間で熱交換を行なって当該水素ガスを追加冷却して低温に保持する補助熱交換器２４（第２の補助熱交換器）と、を備えて概略構成されている。
【００６６】
ヘッドタンク３の上部には、予備冷却ガス供給管１１及び追加冷却ガス供給管２６がそれぞれ接続されており、ヘッドタンク３から第１の補助熱交換器である補助熱交換器４の外管１３内及び第２の補助熱交換器である補助熱交換器２４の外管２５内に、液化ガスが気化した排出ガスをそれぞれ供給することができるようになっている。
なお、予備冷却ガス供給管１１及び追加冷却ガス供給管２６は、図５のように別々にヘッドタンク３に接続しても良いし、途中で分岐するように設けていても良い。
また、ヘッドタンク３からの予備冷却ガス供給管１１及び追加冷却ガス供給管２６への排出ガスの供給量は、水素ガスの冷却の目的に応じて適宜変更してもよい。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態の冷却装置５１によれば、液化ガスが気化して生成されるとともにヘッドタンク３から排出された排出ガスと未冷却の水素ガスとの間で熱交換を行なって水素ガスを予備冷却する第１の補助熱交換器４が、主熱交換器２の前段に設けられている。これにより、主熱交換器２に導入される前の未冷却の水素ガスを予備冷却することができる。また、上記排出ガスと、冷却後の水素ガスとの間で熱交換を行なう補助熱交換器２４が、主熱交換器２の後段に設けられる構成となっている。これにより、冷却された水素ガスを追加冷却して低温に保持することができるため、水素ガス流出管１８内を流れる間に水素ガスが温められてしまうことがなく、主熱交換器２において予め水素ガスを過剰に冷却する必要がない。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な冷却装置５１を提供することができる。
【００６８】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明を適用した第４の実施形態である水素ガス冷却装置の構成について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の水素ガス冷却装置１とは、補助熱交換器４を有しないという点で異なる構成となっている。したがって、本実施形態の水素ガス冷却装置の構成については、第１乃至第３の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
【００６９】
本実施形態の冷却装置は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器２と、上記主熱交換器２に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンク３と、を備えて概略構成されている。そして、上記主熱交換器２の内管５の外周部に、熱交換促進手段が設けられていることを特徴としている。
【００７０】
本実施形態の水素ガス冷却装置によれば、主熱交換器２の内管５の外周部に、金属線材５ｃやフィン５ｄ等の熱交換促進手段が設けられている構成となっている。これにより、主熱交換器２における熱交換を促進することができるため、鉛直型の主熱交換器２の高さ方向のサイズを縮小した場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。また、主熱交換器２のサイズを従来の主熱交換器と同じ大きさにした場合には、冷却能力の向上させることができる。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【００７１】
＜第５の実施形態＞
次に、本発明を適用した第５の実施形態である水素ガス冷却装置の構成について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の水素ガス冷却装置とは、補助熱交換器４を有しないという点で異なる構成となっている。また、第４の実施形態の水素ガス冷却装置とは、熱交換促進手段を有しないという点で異なる構成となっている。したがって、本実施形態の水素ガス冷却装置の構成については、第１乃至第４の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
【００７２】
本実施形態の冷却装置は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する主熱交換器２と、上記主熱交換器２に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンク３と、を備えて概略構成されている。そして、上記主熱交換器２の外管６内に、熱交換促進部材が充填することを特徴としている。
【００７３】
本実施形態の水素ガス冷却装置によれば、主熱交換器２の外管６内に、レッシングリング、ラシヒリング、ポールリング、サドル等の熱交換促進部材が充填されている構成となっている。これにより、主熱交換器２における熱交換を促進することができるため、鉛直型の主熱交換器２の高さ方向のサイズを縮小した場合であっても、従来サイズの主熱交換器を用いる場合と同等の冷却能力が得られる。また、主熱交換器２のサイズを従来の主熱交換器と同じ大きさにした場合には、冷却能力の向上させることができる。したがって、装置全体のさらなる小型化が可能な、或いは、装置サイズを変更することなく冷却能力の向上が可能な水素ガス冷却装置を提供することができる。
【００７４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記第１〜第５の実施形態では、主熱交換器２の外管６に接続される戻り管１５は、５本となっているが、これに限定されず、１本以上であればよく、本数が多い方が冷却水素ガスの精密な温度制御が可能となる。
【００７５】
また、上記第１〜第５の実施形態では、主熱交換器２の内管５の上部が水素ガスの入口５ａ、下部が水素ガスの出口５ｂとされているが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示す従来の水素ガス冷却装置１０１と同様に、内管の下部を入口とし、上部を出口としても構わない。
【符号の説明】
【００７６】
１，４１，５１…冷却装置（水素ガス冷却装置）
２…主熱交換器
３…ヘッドタンク
４…補助熱交換器（第１の補助熱交換器）
５…内管
５ｃ…金属線材（熱交換促進手段）
５ｄ…フィン（熱交換促進手段）
６…外管
７…ベローズ
８…液化ガス供給管
９…補給管
１０…液面計
１１…予備冷却ガス供給管
１２…内管
１３…外管
１４…排気管
１５…戻り管
１６…戻り母管
１７…水素ガス流入管
１８…水素ガス流出管
１９，２２…流量調整弁
２０…温度計
２１…バイパス管
２４…補助熱交換器（第２の補助熱交換器）
２５…外管
２６…追加冷却ガス供給管
２７…排気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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