JP2005337338A

JP2005337338A - タンク装置

Info

Publication number: JP2005337338A
Application number: JP2004155142A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Negishi; 良昌根岸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】
燃料ガス貯蔵タンクに備えられた熱交換部材を熱交換効率良く配置すると共に、燃料ガス貯蔵タンク本体が移動の際に空気抵抗を生じないように配置することにより、燃料ガス貯蔵タンクの温度調整を可能にするタンク装置を提供する。
【解決手段】
前記タンク装置（１００）は、外気導入口（３０）に連通する外気導入路（３２）と、タンク内部とタンク外部との熱交換を行う熱交換部材（２０）を備える燃料ガス貯蔵タンク（１０）と、を備え、前記外気導入路（３２）に、前記タンク外部に露出した前記熱交換部材（２０）の一部が晒されるように前記燃料ガス貯蔵タンク（１０）を配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池等に設置する燃料ガス貯蔵タンクの熱交換を好適にするタンク装置に関する。

燃料電池に水素を供給するために搭載される水素ガス貯蔵タンクにおいては、水素ガス充填時やタンクからのガス放出時により生じるタンク内の温度を所定範囲内に調整する必要がある。

この目的を達成すべく、特開２００２−１８１２９５号公報は、一端を容器本体の内部に露出させ、その他端を容器本体外部に露出させ、かつ容器本体に気密性を保持しつつ固着された伝熱部材（熱交換部材）を備え、伝熱部材の一端に熱交換フィン組立体を伝熱可能に結合した構成を有していた（特許文献１）。
特開２００２−１８１２９５号公報

しかしながら、前記公報は、「水素タンクが風通しのよいところに設置してあると、放熱は良好に行われる」（段落番号００５７）と述べるのみであり、風通しをよくするような水素ガス貯蔵タンクの具体的な配置については、何ら開示がなかった。せっかく水素ガス貯蔵タンクが熱交換部材を備えていても、熱交換を妨げるような配置では外部との熱交換が不十分となる。また、水素タンクを搭載した車輌が移動する際には、タンク本体に移動風があたると空気抵抗が発生してしまう。

そこで、本発明の目的は、燃料ガス貯蔵タンクに備えられた熱交換部材を、熱交換の効率を向上させると共に、燃料ガス貯蔵タンクを移動体に搭載した場合に、燃料ガス貯蔵タンク本体による空気抵抗が生じないように配置し、燃料ガス貯蔵タンクの温度調整を可能にするタンク装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、外気導入口に連通する外気導入路と、タンク内部と、タンク外部との間で熱交換可能な熱交換部材を備える燃料ガス貯蔵タンクとを備え、前記外気導入路に、前記熱交換部材の一部が晒されるように前記燃料ガス貯蔵タンクを配置したことを特徴とするタンク装置を提供するものである。

かかる構成とすることによって、燃料ガス貯蔵タンクから露出した熱交換部材の一部に対し、特に外気導入路によって外気がフィンに導かれるように外気を当てることになり、熱交換が効率的に行われるので、タンク全体に風をあてる以上の効果が得られる。また、燃料ガス貯蔵タンク本体部分には外気を当てる必要がないので、燃料ガス貯蔵タンクを移動体に搭載した際に、燃料ガス貯蔵タンク本体による空気抵抗が生じない。さらに、外気導入口から取り込む外気は少なくてすむので、外気導入口を小さくすることができ、移動体の空力特性に与える影響を少なくすることができる。

前記熱交換部材は、その一部が前記外気導入路に晒される限りにおいて、どのように配置されてもよい。ここで、熱交換部材が外気導入路に晒されるとは、熱交換部材の一部が外気導入路に露出して外気に当たりうる状態であれば足り、必ずしも常に外気に当てられていることを必要としない。

好ましくは、前記フィンを備えた熱交換部材を、フィンの熱交換面が前記外気導入路の空気の流れと略平行になるよう配置する。これにより、表面積の大きい熱交換部材を、外気導入路の空気の流れを妨げずに外気に晒すことができるから、効率的に熱交換を行うことが可能となる。

好ましくは、前記燃料ガス貯蔵タンクは、燃料ガス貯蔵タンク両端に熱交換部材が備えられている。これにより、燃料ガス貯蔵タンク一端のみに熱交換部材を備える場合より、熱を大量に交換することができ、より効率的にタンク内の温度を所定範囲内に保つことが可能となる。

好ましくは、前記熱交換部材は、伝熱面積の大きいヒートパイプを備える。前記ヒートパイプ内部では、例えば気体を用いて対流を起こし、熱を運ぶことができる。ヒートパイプを備えることにより、従来の熱伝導による加熱或いは冷却では困難であった、長い距離を有する燃料ガス貯蔵タンクにおいて、大量に熱を交換することが可能となる。

好ましくは、前記熱交換部材は、燃料ガス貯蔵タンク内部、燃料ガス貯蔵タンク外部いずれにおいても、前記熱交換部材に伝熱可能に結合したフィンを備える。前記フィンは、銅やアルミなどを用いることができ、かつ、円形、角形等の形状を有することができる。前記フィンを備えることにより、前記熱交換部材の伝熱面積がより大きくなり、熱をより大量に交換することが可能となる。

好ましくは、前記タンク装置は、前記外気導入路を複数備え、前記燃料ガス貯蔵タンクからタンク外部に露出したそれぞれの熱交換部材は、それぞれの外気導入路に晒され、外気により効率的に熱交換されるように配置する。このように外気導入路を複数備えることにより、１の外気導入路のみを備える場合に比べ、特に燃料ガス貯蔵タンク両端に熱交換部材が備えられた場合に、外気導入路に晒される熱交換部材の数を増やすことができるので、熱をより大量に交換することが可能となる。

以下、本発明の実施の最良の形態としての実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。

図１乃至図３を用いて、第１の実施形態について説明する。この実施形態は、大型バスの屋根部分内部に搭載した、燃料ガス貯蔵タンクの両端にフィンを備えた熱交換部材の一部を、外気導入口から連通する外気導入路に晒すように配置することを特徴とする。

図１は、大型バスの屋根部分内部に、タンク装置を搭載した様子を示す概略図である。図２は、タンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ切断面で燃料ガス貯蔵タンクを切断した場合の断面図である。

本実施形態１のタンク装置１００は、大きく外気導入口３０から連通する外気導入路３２と、燃料ガス貯蔵タンク１０と、から構成され、大型バス４０の屋根部分内部に設置される。

外気導入路３２は、外気導入口３０から導入された外気を、前記燃料ガス貯蔵タンク１０からタンク外部に露出した熱交換部材２０の一部に導くようにして当て、かつ外気排出口３３から排出するように構成されている。

燃料ガス貯蔵タンク１０は、熱交換部材２０と、熱交換部材挿入部１３、タンク内外壁１１及び１２、タンク内空部１４等から構成されている。熱交換部材２０は、フィン２２を備え、燃料ガス貯蔵タンク１０内外部を連通し、その一部を燃料ガス貯蔵タンク１０外に露出させるようにタンク両端に備えられるよう、構成されている。前記フィン２２の熱交換面は、外気導入口３０から連通する外気導入路３２に対し略平行になるように構成されている。

タンク装置が設置される大型バス４０は、大きくタンク装置１００、燃料電池４１、モータ４２、車輪４３、シャフト４４、内外壁４５及び４６から構成される。なお、タンク装置を搭載する対象は、大型バス４０に限らず、自動二輪車、リニアモーターカーなどの各種移動体でもよい。また搭載する場所は、屋根部分内部に限らず、床部分その他いずれの場所でもよい。

以上の実施形態１の構成によれば、図１に示すように、本タンク装置は、大型バス４０の前部に備えられた外気導入口３０から外気を外気導入路３２に取り込む。取り込まれた外気は、外気導入路３２を通じて、外気導入路３２に晒される熱交換部材２０及びフィン２２の周りを流れる。この外気の流れにより、フィン２２及び熱交換部材２０周りの空気が外気と入れ替えられる。入れ替えられた外気の熱は、熱交換部材２０及びフィン２２を通じて、前記燃料ガス貯蔵タンク１０内部に伝わる。

その結果、燃料ガス貯蔵タンク内部と外気の温度差が小さくなるので、燃料ガス貯蔵タンク１０内部の温度が所定範囲内に保たれる。

図４乃至図６を用いて、第２の実施形態について説明する。この実施形態は、実施形態１と異なり、熱交換部材を備えた燃料ガス貯蔵タンクを、乗用車の床部分上部に搭載したことを特徴とする。

図４は、乗用車の床部分上部に、タンク装置を搭載した様子を上面から表したものである。図５は、図４におけるＡ−Ａ切断面で乗用車を切断した場合に、乗用車に燃料ガス貯蔵タンクが搭載された様子を示す断面図である。図６は、図４におけるＢ−Ｂ切断面で乗用車を切断した場合に、乗用車に燃料ガス貯蔵タンクが搭載された様子を示す断面図である。

本実施形態２のタンク装置は、大きく外気導入口３０から連通する外気導入路３２と、燃料ガス貯蔵タンク１０と、から構成され、乗用車５０の床部分上部に設置される。燃料ガス貯蔵タンクは、タンクカバー５１内部に格納されている。

外気導入路３２、燃料ガス貯蔵タンク１０の構成は実施形態１と同様であるので省略する。

タンク装置が設置される乗用車５０は、大型バスと同様にタンク装置１００等から構成される。なお、タンク装置を搭載する対象は、乗用車５０に限らず、自動二輪車、リニアモーターカーなどの各種移動体でもよい。また搭載する場所は、床部分に限らず、側面部その他の場所でもよい。

以上の実施形態２の構成によれば、実施形態１と同様、本タンク装置は、乗用車５０の前部に備えられた外気導入口３０から、外気を外気導入路３２に取り込む。取り込まれた外気は、外気導入路３２を通じて、外気導入路３２に晒される熱交換部材２０及びフィン２２の周りを流れる。この外気の流れにより、フィン２２及び熱交換部材２０周りの空気が外気と入れ替えられる。入れ替えられた外気の熱は、熱交換部材２０及びフィン２２を通じて、前記燃料ガス貯蔵タンク１０内部に伝わる。

なお、タンクはタンクカバー５１に格納されているため、タンク床部分に配置されても、乗用車の移動中、小石や縁石、その他の障害物により害を受ける恐れは少ない。

図７及び図８を用いて、第３の実施形態について説明する。

この実施形態３は、燃料ガス貯蔵タンクを一対の外気導入路間に配置し、各燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の一部が、前記一対の外気導入路の各々に交互に晒されるように、前記燃料ガス貯蔵タンクが隣接する燃料ガス貯蔵タンクに対して交互に反対向きに配置されている点に特徴がある。

図７は、タンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図の概要を示す図である。図８は、図７におけるＢ−Ｂ切断面で燃料ガス貯蔵タンクを切断した場合の断面図である。

本実施形態３のタンク装置１００は、大きく外気導入口３０から連通する外気導入路３２と、燃料ガス貯蔵タンク１０と、から構成される。外気導入路３２の構成は実施形態１と同様であるので説明を省略する。燃料ガス貯蔵タンク１０についても、実施形態２では熱交換部材２０をその一端のみからタンク外部に露出させる点において実施形態１、２と異なるが、その他の点は実施形態１、２と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態３においては、図４に示すように、燃料ガス貯蔵タンク１０Ａ、１０Ｃの一端からタンク外部に露出した熱交換部材の一部が、一対の外気導入路のうち、外気導入路３２Ｃに、燃料ガス貯蔵タンク１０Ｂ、１０Ｄの一端からタンク外部に露出した熱交換部材の一部が他の外気導入路３２Ｄに、それぞれ交互に晒されるように、燃料ガス貯蔵タンクが隣接する燃料ガス貯蔵タンクに対して交互に反対向きに配置されている。

以上の実施形態３の構成によれば、燃料ガス貯蔵タンクからタンク外部に露出するように備えられた熱交換部材の一部が隣接する燃料ガス貯蔵タンクに対して交互に一対の外気導入路に晒されるため、外気導入路３２から導入された外気が、熱交換部材の間をスムーズに流れる。

後述する図９を用いて説明する実施形態４では、隣接する燃料ガス貯蔵タンクの熱交換部材が、同一外気導入路上の上流と下流に設けられると、上流の熱交換部材と下流の熱交換部材との間の距離が十分でなく、外気導入路を流れる空気が外気導入路の中心部と周辺部とで混合されず、温度差が緩和されない。一方、図７を用いて説明する本実施形態３の場合には、隣接する熱交換部材間の距離が長くなるので、外気導入路を流れる空気が、外気導入路の中心部と周辺部で混合されやすくなり、温度差が緩和される。その温度差が緩和された空気が、下流の熱交換部材にあたることになり、熱交換効率が上がる。

この結果、いずれの燃料ガス貯蔵タンクも、燃料ガス貯蔵タンク内部と外気の温度差が小さくなるので、燃料ガス貯蔵タンク１０内部の温度が所定範囲内に保たれる。

図９を用いて、第４の実施形態について説明する。この実施形態は、前記燃料ガス貯蔵タンクを複数備え、前記燃料ガス貯蔵タンク装置からタンク外部に露出するように備えられた熱交換部材が車両の片側一方に配置されることを特徴とする。

図９は、タンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図である。

本実施形態４のタンク装置１００は、大きく外気導入口３０から連通する外気導入路３２と、燃料ガス貯蔵タンク１０と、から構成される。外気導入路３２の構成は実施形態１と同様であるので説明を省略する。燃料ガス貯蔵タンク１０については、熱交換部材２０をその一端からタンク外部に露出させる点において実施形態３と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態４においては、図９に示されるように、燃料ガス貯蔵タンク１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄの一端からタンク外部に露出した熱交換部材の一部が、いずれも外気導入路３２に晒されるように、車両の片側一方に配置されている。

以上の実施形態４の構成によれば、燃料ガス貯蔵タンク１０からタンク外部に露出するように備えられた熱交換部材２０の一部が車両の片側一方に配置されて外気導入路に晒され、外気導入路３２から導入された外気が、前記タンクの一端から外部に露出した各々の熱交換部材間をスムーズに流れる。

さらに、燃料ガス貯蔵タンクからタンク外部に熱交換部材が露出する部分に、外気導入路を備えて熱交換を行うと共に、外気導入路を備えない部分には燃料ガスの供給配管を備えることが可能となり、配管周りを簡素化することができる。

図１０を用いて第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、外気導入路を複数に分流し、それぞれの分流路に、燃料ガス貯蔵タンクからタンク外部に露出した熱交換部材の一部を晒し、かつ、１の列の前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の中心軸が、他の列の前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の中心軸から外気導入路の流れ方向へずれるように、燃料ガス貯蔵タンクを配置した点に特徴がある。

図１０は、複数の分流路に熱交換部材がそれぞれ晒されたタンク装置の概略を示す。

本実施形態５のタンク装置１００は、外気導入路３２と、外気導入路３２から分流した分流路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと、燃料ガス貯蔵タンク１０と、から構成される。このうち、外気導入路３２と、燃料ガス貯蔵タンク１０については、実施形態１と同様の構成であるので説明を省略する。

外気導入路３２からは、分流手段３４を用いて分流された３の分流路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが備えられている。一方、燃料ガス貯蔵タンク１０は、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄと、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈとに、２列に分けて配置されている。この結果、３の分流路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに、２列に分かれたタンク装置の両端に備えられた熱交換部材２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの列と、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ、２０Ｊ、２０Ｋ、２０Ｌ、２０Ｍの列と、２０Ｎ、２０Ｐ、２０Ｒ、２０Ｓの列とが、それぞれ晒された構成となっている。また、この燃料ガス貯蔵タンクは、１の列の前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の中心軸が、他の１の列の前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の中心軸から外気導入路の流れ方向へずれるように構成されている。

なお、図１０の外気導入路は３つに分流しているが、この外気導入路はいくつに分流してもよい。燃料ガス貯蔵タンクは、必要に応じ、１列或いは２列以上に分けて配置してもよい。図１０の外気導入路３２及び分流路３１はほぼ直線に近いが、これは外気が流れる限りにおいて、曲線等でもよい。

以上の実施形態５の構成によれば、外気導入口３０から分流された複数の分流路３１が備えられ、それぞれの分流路にそれぞれのタンクの熱交換部材の一部が晒されるので、外気に晒される熱交換部材２０の数が増加する。この結果、熱交換が効率的に促進される。

また、熱交換部材の中心軸を外気導入路の流れ方向へずらすことにより、図１０に示す３１Ｂの分流路に晒される熱交換部材２０Ｅから２０Ｍのように、各々の熱交換部材をより近づけて配置することが可能となり、外気導入路が狭い場合であっても、コンパクトかつ効率的な熱交換を行うことが可能となる。

さらに、複数の分流路を得たい場合であっても、外気導入口の数を少なくすることができるから、移動体の空力特性に与える影響を少なくすることができる。

本発明は、かかる実施形態により何等制限されるものではなく、種々に変更して適用可能である。また、複数の実施形態を適宜組み合わせてもよい。

例えば、図１において、燃料ガス貯蔵タンク１０が連続して互いに平行に配置されている。燃料ガス貯蔵タンク１０同士の距離は一定でなくてもよく、平行に並べられていなくともよい。また、図２に示す熱交換部材２０は、燃料ガス貯蔵タンクのいずれの部分に備えられてもよく、その数も問わない。

図１において、外気導入口３０は、タンク装置１００の前面に備えられているが、外気導入口３０は、外気導入路３２に外気が流入する限りにおいて、タンク装置１００のいずれの部分に開口してもよく、その数も問わない。また、外気導入口に連通する外気導入路は、タンク装置に外気排出口３３を備えて、外気を排出してもよい。前記外気排出口３３は、タンク装置１００のいずれの部分に開口してもよく、その数は問わない。

図１では、燃料ガス貯蔵タンク１０に、フィン２２を備えた熱交換部材２０が備えられている。前記フィンは、タンク内外共に備えられていなくても、タンク内部のみ、或いはタンク外部のみに備えられていてもよい。また、フィン２２の形状は、円形、多角形に加え、その他の形状でもよい。

図１１の簡略化した模式図にて示すように、外気導入口３０と、外気導入路３２と、外気排出口３３は、それぞれ備えられる数が対応関係を有する必要はなく、実施形態に応じ適宜選択可能である。外気導入路は、その路の途中で複数に分流してもよく、また他の分流路と合流してもよい。

図１は、実施形態１にかかる大型バスの屋根部分内部に、タンク装置を搭載した概略図である。図２は、実施形態１にかかるタンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ切断面で燃料ガス貯蔵タンクを切断した場合の断面図である。図４は、実施形態２にかかる乗用車の床部分上部に、タンク装置を搭載した概略図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ切断面で乗用車を切断した場合に、乗用車に燃料ガス貯蔵タンクが搭載された様子を示す断面図である。図６は、図４におけるＢ−Ｂ切断面で乗用車を切断した場合に、乗用車に燃料ガス貯蔵タンクが搭載された様子を示す断面図である。図７は、実施形態３にかかるタンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図である。図８は、図７におけるＢ−Ｂ切断面で切断した場合の、タンクの様子を示す断面図である。図９は、実施形態４にかかるタンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図である。図１０は、実施形態５にかかるタンク装置内の燃料ガス貯蔵タンクの配置図である。図１１は、外気導入路の例を簡略化した模式図である。

符号の説明

１００・・・タンク装置、１０・・・燃料ガス貯蔵タンク、１１・・・燃料ガス貯蔵タンク内壁、１２・・・燃料ガス貯蔵タンク外壁、１３・・・熱交換部材挿入部、１４・・・燃料ガス貯蔵タンク内空部、２０・・・熱交換部材、２１・・・熱交換部材連通部、２２・・・フィン（熱交換フィン）、３０・・・外気導入口、３１・・・分流路、３２外気導入路、３３・・・外気排出口、３４・・・分流手段、４０・・・大型バス（移動体）、４１・・・燃料電池、４２・・・モータ、４３・・・車輪、４４・・・シャフト、４５・・・内壁、４６・・・外壁、５０・・・乗用車（移動体）、５１・・・タンクカバー

Claims

外気導入口に連通する外気導入路と、
タンク内部とタンク外部との間で熱交換可能な熱交換部材を備える燃料ガス貯蔵タンクと、を備え、
前記外気導入路に、前記熱交換部材の一部が晒されるように前記燃料ガス貯蔵タンクを配置したことを特徴とする、タンク装置。
前記タンク装置は、移動体に設置されるものであって、前記移動体が移動する際に外気が流入する位置に前記外気導入口が開口していることを特徴とする、請求項１記載のタンク装置。
前記熱交換部材は、熱交換面を有する熱交換フィンを備える、請求項１記載のタンク装置。
前記タンク外部の熱交換フィンの熱交換面が、前記外気導入路における流路方向と略平行に配置されている、請求項３記載のタンク装置。
一対の前記外気導入路と、
前記一対の外気導入路間に配置された複数の前記燃料ガス貯蔵タンクと、を備え、
各前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の一部が、前記一対の外気導入路の各々に交互に晒されるように、前記燃料ガス貯蔵タンクが隣接する燃料ガス貯蔵タンクに対して交互に反対向きに配置されていることを特徴とする、請求項１記載のタンク装置。
前記移動体が車両である場合において、前記燃料ガス貯蔵タンクを複数備え、前記燃料ガス貯蔵タンク装置に備えられた熱交換部材を車両の片側一方に配置したことを特徴とする、請求項２記載のタンク装置。
前記燃料ガス貯蔵タンク及び前記外気導入路を複数備え、
複数の前記燃料ガス貯蔵タンクから露出している前記熱交換部材のそれぞれの一部が、それぞれの前記外気導入路に晒されるよう配置されている、請求項１記載のタンク装置。
前記燃料ガス貯蔵タンクが複数の列に分けて備えられ、
いずれかの列の前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の中心軸が、他の列の前記燃料ガス貯蔵タンクに備えられた前記熱交換部材の中心軸から外気導入路の流れ方向へずれるように配置されることを特徴とした、請求項７記載のタンク装置。
請求項１乃至８記載のいずれかのタンク装置を備える車両。