(57)【要約】【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。【選択図】図２
2019124365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【数１】
2019124365.tif 000003
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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
【非特許文献３】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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。
【図２】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３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（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。
【００１４】
＜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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
【数２】
2019124365.tif 000004
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【数３】
2019124365.tif 000005
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。
【００２５】
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。
【００２６】
【数４】
2019124365.tif 000006
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。
【００２７】
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。
【００２８】
【数５】
2019124365.tif 000007
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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
【００３１】
【数６】
2019124365.tif 000008
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
＜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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
【数７】
2019124365.tif 000009
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。
【００３９】
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）。
【００４０】
＜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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
＜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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
＜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。
【００４７】
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）。
【００４８】
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。
【００４９】
＜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。
【００５０】
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）
【００５１】
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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【図１】
2019124365.tif 000010
【図２】
2019124365.tif 000011
【図３】
2019124365.tif 000012
【図４】
2019124365.tif 000013
【図５】
2019124365.tif 000014
【図６】
2019124365.tif 000015
【図７】
2019124365.tif 000016