(57)【要約】【課題】  無駄に捨てている冷却力を回収して予冷型冷却装置の冷却効率を向上させることが出来る、予冷型冷却装置を提供すること【解決手段】  低温流体を貯蔵する貯蔵タンク２０と、貯蔵タンク２０に接続され貯蔵タンク２０から低温流体を取出す取出し管２３と、貯蔵タンク２０に接触し貯蔵タンク２０の低温流体を冷却するスターリング冷凍機１０と、貯蔵タンク２０および取出し管２３の少なくとも一方とスターリング冷凍機１０の一部とが熱的に接触し貯蔵タンク２０および取出し管２３の少なくとも一方内の低温流体と熱交換しスターリング冷凍機１０の一部を冷却する予冷熱交換器１６と、を備える、予冷型冷却装置１。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温流体を貯蔵する貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクに接続され前記貯蔵タンクから低温流体を取出す取出し管と、
前記貯蔵タンクに接触し前記貯蔵タンク内の低温流体を冷却する冷却機と、
前記貯蔵タンクおよび前記取出し管の少なくとも一方と前記冷却機の一部と熱的に接触し前記貯蔵タンクおよび前記取出し管の少なくとも一方内の低温流体と熱交換し前記冷却機の一部を冷却する予冷熱交換器と、を備える、
予冷型冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の予冷型冷却装置であって、
前記予冷熱交換器は前記取出し管と熱的に接触される、
予冷型冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の予冷型冷却装置であって、
前記冷却機は、前記貯蔵タンクに熱的に接触するコールドヘッドを備える冷凍機である、
予冷型冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の予冷型冷却装置であって、
前記冷凍機は、スターリング冷凍機である、
予冷型冷却装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の予冷型冷却装置であって、
前記冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮部と冷媒を膨張させて吸熱する膨張部とを備え、
前記予冷熱交換器は、前記冷凍機の前記圧縮部と前記膨張部との間の配管に熱的に接触し前記配管内の圧縮された高温流体を冷却する様に構成されている、
予冷型冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予冷型冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来技術として、特許文献１に示される蓄冷器（予冷型冷却装置）が知られている。それは、第１冷凍機（冷却機）のコールドヘッドは、例えば略６０Ｋの冷凍を発生し、蓄冷型の第２冷凍機（冷却機）のコールドヘッドは、例えば略１５Ｋの冷凍を発生する。第１冷凍機と第２冷凍機は作動ガス回路が別の回路で、第２冷凍機の蓄冷器の途中は、第１冷凍機の発生する冷凍によって冷却され、第２冷凍機のコールドヘッドで略１５Ｋの冷凍を発生するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４３８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の予冷型冷却装置では、第１冷凍機と第２冷凍機の２つの冷凍機を必要とし、冷凍機の設置スペースとコストが２台分必要となる、と云う問題が発生する。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みて成されたものであり、第１冷凍機を必要とせず、予冷型冷却装置全体の設置スペースとコストを低減することが出来る、予冷型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】
【０００６】
本発明の第１の課題解決手段は、低温流体を貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに接続され前記貯蔵タンクから低温流体を取出す取出し管と、前記貯蔵タンクに接触し前記貯蔵タンク内の低温流体を冷却する冷却機と、前記貯蔵タンクおよび前記取出し管の少なくとも一方と前記冷却機の一部と熱的に接触し前記貯蔵タンクおよび前記取出し管の少なくとも一方内の低温流体と熱交換し前記冷却機の一部を冷却する予冷熱交換器と、を備える、構成である。
【０００７】
また、本発明の第２の課題解決手段は、前記予冷熱交換器は前記取出し管と熱的に接触される、構成である。
【０００８】
また、本発明の第３の課題解決手段は、前記冷却機は、前記貯蔵タンクに熱的に接触するコールドヘッドを備える冷凍機である、構成である。
【０００９】
また、本発明の第４の課題解決手段は、前記冷凍機は、スターリング冷凍機である、構成である。
【００１０】
また、本発明の第５の課題解決手段は、前記スターリング冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮部と冷媒を膨張させて吸熱する膨張部とを備え、前記予冷熱交換器は、前記冷凍機の前記圧縮部と前記膨張部との間の配管に熱的に接触し前記配管内の圧縮された高温流体を冷却する様に構成されている、構成である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の課題解決手段では、予冷型冷却装置は、貯蔵タンクおよび取出し管の少なくとも一方内の低温流体と熱交換し冷却機の一部を冷却する予冷熱交換器を備えることで、予冷型冷却装置を予冷する為に別の冷却機（背景技術の第１冷凍機に相当）を使用しなくて済み、冷却装置を予冷型冷却装置全体の設置スペースとコストを低減することが出来る。
【００１２】
また、本発明の第２の課題解決手段では、予冷型冷却装置は、予冷熱交換器が取出し管と接触されることで、背景技術の第１冷凍機の代わりに取出し管を通過する低温流体によって冷却機（背景技術の第２冷凍機に相当）の一部が冷却される為、省エネ化することが出来る。
【００１３】
また、本発明の第３の課題解決手段では、貯蔵タンクに熱的に接触するコールドヘッドを備える冷凍機であることで、コールドヘッドと貯蔵タンクの間の熱交換を少ない面積で行なう事が可能になる。
【００１４】
また、本発明の第４の課題解決手段では、予冷型冷却装置は、冷却機がスターリング冷凍機であることで、絶対温度１０Ｋ程度の極低温付近まで冷却することが可能になる。これにより、予冷型冷却装置を沸点約１１３ＫのＬＮＧや沸点２０．４Ｋの液体水素等の保存に活用することが可能になり、用途範囲を広げることが出来る。
【００１５】
また、本発明の第５の課題解決手段では、予冷型冷却装置は、予冷熱交換器が冷却機の圧縮部と膨張部との間の配管に熱的に接触し配管内の圧縮された高温流体を冷却する。これにより、高温流体の温度を予め低下させ高温流体の膨張部での膨張時の温度を更に下げることが可能になり、更に予冷型冷却装置の冷却効率を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に於ける予冷型冷却装置の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、実施形態に於ける予冷型冷却装置１の説明図である。予冷型冷却装置１の膨張部１２は、液化天然ガス（低温流体、以下ＬＮＧと呼ぶ）を貯蔵する貯蔵タンク２０へ伝熱バー３０を介して、熱的に接続されている。貯蔵タンク２０は、ＬＮＧを貯蔵する貯蔵槽２１と、貯蔵槽２１を覆い外気から貯蔵槽２１へ熱が侵入することを防止する断熱カバー２２と、貯蔵タンク２０からＬＮＧを取出す取出し管２３と、取出し管２３からＬＮＧを取出す取出し口２４と、貯蔵タンク２０を冷却するスターリング冷凍機１０（冷却機）と、を具備している。スターリング冷凍機１０は、圧縮部１１と、膨張部１２と、膨張部１２の一端に膨張部１２および伝熱バー３０を熱的に接続するコールドヘッド１３と、圧縮部１１および膨張部１２をつなぐ蓄冷器１４と、蓄冷器１４の内部に蓄冷材１７と、を具備している。コールドヘッド１３は、膨張部１２を形成する一つの面を兼用している。
【００１９】
なお、必要に応じて貯蔵タンク２０と断熱カバー２２には、両者が向き合う面に輻射熱を断熱する為の金属コーティングが施され、貯蔵タンク２０と断熱カバー２２の間には、真空層が設けられる。スターリング冷凍機１０は、パルス管冷凍機と云った他の冷却機で代用することも可能である。スターリング冷凍機１０の向きを図中左へ９０°回転させて設置し、コールドヘッド１３を貯蔵槽２１へ熱的に直接接触させることで、伝熱バー３０を不要にすることも可能である。
【００２０】
以下に、実施形態の予冷型冷却装置１の動作について、説明する。
【００２１】
例えば、ＬＮＧタンカーではタンカー推進エンジンの燃料として重油を使用する他に、潮流状況変化等によって推進力増加が必要な場合にはＬＮＧそのものをタンカー推進エンジンの燃料として使用することがある。この際、貯蔵タンク２０から取出し管２３を介してタンカー推進エンジンへＬＮＧを送ることになるが、取出し管２３の途中にスターリング冷凍機１０の圧縮冷媒管１４と熱的に接続された予冷熱交換器１６を介してスターリング冷凍機１０の圧縮冷媒を冷却する。
【００２２】
なお、ここではＬＮＧタンカーの事例で説明したが、水素自動車など、ＬＮＧタンカーとは大きさや低温流体の管理温度が異なる低温流体の貯蔵タンク２０で代用することも可能である。
【００２３】
以下に、実施形態の予冷型冷却装置１の効果について、説明する。
【００２４】
実施形態の第１の課題解決手段では、予冷型冷却装置１は、貯蔵槽２１および取出し管２３の少なくとも一方内の低温流体と熱交換しスターリング冷凍機１０の一部を冷却する予冷熱交換器１６を備えることで、スターリング冷凍機１０の設置スペースとコストを低減することが出来る。
【００２５】
また、実施形態の第２の課題解決手段では、予冷型冷却装置１は、予冷熱交換器１６が取出し管２３と接触されることで、背景技術の第１冷凍機の代わりに取出し管２３を通過する低温流体によってスターリング冷凍機１０（背景技術の第２冷凍機に相当）の一部が冷却される為、省エネ化することが出来る。
【００２６】
下記に、冷却効率の計算例を示す。
【００２７】
スターリングサイクルの効率（ＣＯＰ）は理論効率と％カルノー効率の積で表される。ここで、％カルノー効率は実際の機器として理論効率の何％が得られるかと云う係数で、３０から４０％程度が実際に得られる値である。さて、膨張部１２温度（Ｔｅ）を７７Ｋ、圧縮部１１の温度（Ｔｃ）を３２０Ｋと設計したスターリング冷凍機１０では、理論効率η＝Ｔｅ/(Ｔｃ−Ｔｅ)は、０．３１となる。これに％カルノー効率を掛け合わせると実際の効率としてＣＯＰ＝０．０９５から０．１２が得られる。一方、ＬＮＧの流量を調整して圧縮部１１の温度を２７０Ｋまで冷却すると、理論効率ηは０．４となる。理論効率ηの向上はそのままスターリング冷凍機１０の消費電力低減となり、この場合には（０．４−０．３１）/０．３１＝２９％の省エネとなる。より大型の予冷熱交換器１６を使用するか又はより多くのＬＮＧを予冷熱交換器１６へ流した場合は、圧縮部１１の温度（Ｔｃ）を２７０Ｋよりも更に下げることが可能になり、より省エネの向上を図ることが出来る。
【００２８】
更に、予冷型冷却装置１は、予冷熱交換器１６が取出し管２３と熱的に接続されることで、取出し管２３を通過するＬＮＧが有しＬＮＧタンカー推進エンジンで無駄に消費される冷却力を直接回収する為、予冷熱交換器１６を小型化することが出来る。
【００２９】
また、実施形態の第３の課題解決手段では、貯蔵槽２１に熱的に接触するコールドヘッド１３を備えるスターリング冷凍機１０であることで、コールドヘッド１３と貯蔵槽２１の間の熱交換を少ない面積で直接行なう事が可能になる。更に、コールドヘッド１３の面を貯蔵槽２１へ直接接触させることで、貯蔵槽２１を直接冷却し、更に効率良く貯蔵槽２１を冷却することが可能になる。
【００３０】
また、実施形態の第４の課題解決手段では、予冷型冷却装置は、冷却機がスターリング冷凍機１０であることで、絶対温度１０Ｋ程度の極低温付近まで冷却することが可能になる。これにより、予冷型冷却装置１を沸点約１１３ＫのＬＮＧや沸点２０．４Ｋの液体水素等の保存に活用することが可能になり、用途範囲を広げることが出来る。
【００３１】
また、実施形態の第５の課題解決手段では、予冷型冷却装置１は、予冷熱交換器１６がスターリング冷凍機１０の圧縮部１１と膨張部１２との間の圧縮冷媒管１４（配管）に熱的に接触し圧縮冷媒管１４内の圧縮された高温流体を冷却する。これにより、高温流体の温度を予め低下させて高温流体の膨張部１２での膨張時の温度を更に下げることが可能になり、予冷型冷却装置１の冷却効率を更に向上させることが出来る。
【００３２】
（付記項１）
予冷型冷却装置１は、予冷熱交換器１６を対向流式にしたものである。これにより、予冷熱交換器１６の高温流体出口の温度を並行流式のものよりも下げる（ＬＮＧ沸点１１３Ｋに近付ける）ことが出来る。これにより、予冷熱交換器１６の熱交換効率を更に向上させ、予冷熱交換器１６を更に小型化することが出来る。
【００３３】
（付記項２）
予冷型冷却装置１は、予冷熱交換器１６を通過したＬＮＧが全て気化して室温程度になる様に複数の予冷熱交換器１６と、各予冷熱交換器１６への流路を開閉する１個のロータリー開閉バルブまたは複数の開閉バルブを具備している。これにより、予冷型冷却装置１は、予冷熱交換器１６を通過するＬＮＧの量に応じて予冷熱交換器１６の熱交換能力を調整し、予冷熱交換器１６を通過するＬＮＧの冷却力を余すことなく有効活用し、更なる省エネを図ることが可能になる。
【符号の説明】
【００３４】
１  予冷型冷却装置
１０  スターリング冷凍機（冷却機）
１６  予冷熱交換器
２０  貯蔵タンク
２１  貯蔵槽（貯蔵タンク）
２３  取出し管
【図１】
2013195031.tif 000003