JP2005502822A

JP2005502822A - 貯蔵槽から低温流体を汲み上げる方法および装置

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Publication number: JP2005502822A
Application number: JP2003528995A
Authority: JP
Inventors: ウルサン、ミハイ; グラム、アンカー
Original assignee: Westport Research Inc
Current assignee: Westport Research Inc
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2005-01-27
Also published as: GB0407690D0; CN1328508C; CA2460734A1; GB2396890A; WO2003025396A1; US6640556B2; US20030051486A1; CN1571883A; CA2460734C; GB2396890B; BR0212622A

Abstract

本方法および装置では、低温液体と低温蒸気を貯蔵槽から汲み上げ、かつ本装置を通過する流量に対して作用するように液体と蒸気の比率を制御する。導入行程では、往復ポンプのピストンが引き込まれ、低温液体が貯蔵槽からピストンに付随するピストン室の中に吸い込まれる。導入行程の一部分の間に実質的に蒸気のみをポンプに供給することにより、導入行程時にポンプに供給される液体と蒸気の比率を制御することによって、本装置を通過する流量を制御する。圧縮行程では、ピストン室の中でポンプが蒸気を圧縮しかつ液体に凝縮し、次いで液体をいずれも圧縮して、最終的に圧縮した低温液体をポンプから吐出する。本装置は、ポンプ吸込み口を貯蔵槽に連結する液体供給管、漏損空間をポンプ吸込み口に連結する蒸気供給管、ポンプ吸込み口への蒸気の流れを制御するために開閉する自動駆動弁、および望ましい流量を実現するために弁を制御する制御器を有するポンプを備えることが好ましい。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、貯蔵槽から低温流体を汲み上げる方法および装置に関する。本装置は往復ポンプからなり、また本方法は、導入行程時にポンプに供給される低温液体と蒸気の比率を制御することによって、ポンプ流量と貯蔵槽内部の蒸気圧とを制御することからなる。
【背景技術】
【０００２】
低温流体は、水素、ヘリウム、窒素、酸素、天然ガス、またはメタンなど、約２００ケルビン度よりも低い温度で沸騰する液体として定義される。
低温液体を収容するために、真空保温貯蔵槽が知られている。たとえば、約２０４と１５８０キロパスカル（約１５と２００ゲージポンド毎平方インチ）の間の圧力にある液化天然ガス（ＬＮＧ）を、真空保温貯蔵槽の中に約１２０ケルビン度と１５８ケルビン度の間の温度で貯蔵することが可能である。
【０００３】
周知の貯蔵槽に関する問題は、熱漏洩によって貯蔵槽内部の低温流体の一部が蒸発し、そのために低温流体をこのような貯蔵槽の内部に収容可能な時間が短くなることである。蒸気圧が望ましくない圧力に上昇するのを防止するために、通常は低温貯蔵槽に安全弁を装備する。蒸気圧が安全弁の設定点を超えて上昇した場合、貯蔵槽をガス抜きする。低温流体の一部を環境に放出することは望ましいことではなく、しかもガス抜きは低温流体の浪費になるので、ガス抜きの必要を減らすシステムに対する要望が存在する。
【０００４】
水素、天然ガス、およびメタンなどのの低温流体は、内燃エンジンの燃料として利用可能である。幾つかのエンジンでは、ピストンの圧縮行程終了時点の高圧下で燃料をシリンダ内に直接噴射すれば、効率と排気ガスの改善が実現され得る。このような方式で燃料をエンジン・シリンダ内に直接噴射するために必要な燃料圧は、エンジン設計に応じて、約２３，７００キロパスカル（３０００ゲージポンド毎平方インチ）であるか、またはそれよりも高くなり得る。したがって、低温流体を従来の貯蔵槽から直接送出することは不可能であり、しかもこのような高圧で低温液体をエンジンに送出するための装置が必要である。貯蔵圧から噴射圧まで圧力を高め、かつガス抜きの必要を減らすために、貯蔵槽から蒸気を抜き出すためのポンプが必要である。
【０００５】
米国特許第５，４１１，３７４号ならびにその分割特許である２つの米国特許第５，４７７，６９０号および第５，５５１，４８８号が、低温流体ポンプ・システムと低温流体の汲上げ方法の実施形態を開示している。一実施形態では、開示の複動式ピストン・ポンプは自動車用燃料ポンプとして使用可能である。この実施形態では、このポンプを使用して、調圧槽（ｓｕｒｇｅｔａｎｋ）内の圧力が低いときに液体のみを汲み上げ、また調圧槽内の圧力がエンジンの必要とする圧力に対して十分に高くかつ車両貯蔵槽の蒸気圧が設定点よりも高くなったときに蒸気の抜出しを開始する方式で、低温蒸気と低温液体を貯蔵槽から取り出す。貯蔵槽とポンプ入口の間を連通するそれぞれの導管を介して低温液体と蒸気を貯蔵槽から供給する。液体制御弁を液体供給導管に設け、かつ蒸気制御弁を蒸気供給導管に設ける。燃料要求量と低温液体貯蔵槽の内部で測定した蒸気圧とに応答して液体制御弁と蒸気制御弁を制御する。
【０００６】
参照により本願明細書に援用する、共有の米国特許第５，８８４，４８８号が、低温液体を貯蔵槽からエンジンに供給するための高圧燃料供給システムを開示する。特に第５，８８４，４８８号特許は、液体または液体と蒸気の混合物の汲上げが可能な多段ＬＮＧポンプを開示する。絞り弁は、ポンプ吸込み装置の中に吸い込まれる蒸気量を制御すべく調整可能である。別の実施形態では、ＬＮＧポンプの液溜めの中に導入される蒸気量を調節するために蒸気供給配管中に絞り口（ｏｒｉｆｉｃｅ）を設ける。本願明細書に開示する技法は、貯蔵槽から蒸気を抜き出す方法および装置を設けることによって、貯蔵槽内での収容時間の延長が可能になる。
【特許文献１】
米国特許第５，４１１，３７４号
【特許文献２】
米国特許第５，４７７，６９０号
【特許文献３】
米国特許第５，５５１，４８８号
【特許文献４】
米国特許第５，８８４，４８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本方法では、往復ピストン・ポンプを使用して低温液体と蒸気を貯蔵槽から汲み上げる。本方法は、
（ａ）導入行程では、
ピストンを往復ポンプ内部に引き込み、貯蔵槽から低温流体を、ピストンに付随するピストン室の中に吸い込む工程と、
導入の動作のうちのある選択された期間は実質的に蒸気のみを供給することにより、ポンプに供給される液体と蒸気の比率を制御することによって、ポンプを通過する流量を制御する工程と、からなり、さらに
（ｂ）圧縮行程では、ピストン室内部で蒸気を圧縮しかつ凝縮し、さらに液体を圧縮する工程と、圧縮された低温流体をポンプから吐出する工程と、からなる。
【０００８】
好ましい一方法では、ポンプを通過する流量が、ポンプから排出される下流の１点における圧力を所定範囲内に維持するように制御される。たとえば、ポンプよりも下流の点は、蓄圧容器の中、配管の中、またはエンジンに至る燃料システムのマニホルドの中でもよい。
【０００９】
さらに本方法は、貯蔵槽内部の蒸気圧をモニタする工程と、貯蔵槽内部の蒸気圧を所定値よりも低く維持するために、ポンプに供給される蒸気と液体の比率をさらに制御する工程とからなる。たとえば、ポンプ速度を変更することによって、一定流量を維持すると共に、ポンプに供給される液体と蒸気の比率を変更することができる。同様に、該ポンプより下流の圧力が望ましい所定範囲内にあるときは、貯蔵槽内部の蒸気圧をより急速に低減するために、ポンプに供給される蒸気の比率を増大させることができる。
【００１０】
導入行程時にポンプに供給される液体と蒸気の比率は、ピストンが液体の望ましい比率に対応する導入行程時の位置に達するまで、最初に液体を供給し、次いで導入行程が終了するまで、実質的に蒸気のみを供給してピストン室を充満することによって制御可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
好ましい一実施形態では、それぞれのポンプ・サイクル毎に、ポンプを介して汲み上げ可能な最小限の流量は、圧縮行程時にピストン室内部で蒸気を凝縮させるのに必要な、液体の最小限の比率によって決定される。
【００１２】
液化ガスは、気体状態にある同じ流体よりもはるかに占有空間が少なく、したがって貯蔵空間の利点は、低温システムを使用して気体を供給することによって実現可能である。高圧応用例では、低温ポンプを使用することができる。液化ガスを低温ポンプから吐出後に、その流体を加熱器に誘導してそれを気体に変換することができる。
【００１３】
本方法の一実施形態では、体積で測定した液体の望ましい比率は、それぞれのポンプ・サイクルにおいて一定である。液体の一定比率を実現するために、導入行程の所定期間に蒸気をポンプに供給する。たとえば、導入行程の開始時点の初期に液体をポンプに供給してもよい。次いでピストンが所定の位置に達するたびに導入行程の残りの期間に蒸気をポンプに供給する。導入行程の所定の期間に、実質的に蒸気のみをポンプに供給し、かつ導入行程の残りの期間に実質的に液体のみをポンプに供給することによっても同じ結果を実現することができよう。
【００１４】
低温流体が可燃性燃料である場合は、本方法を用いてエンジンに燃料を供給することができる。
一実施形態では、導入行程時のピストン室に対する蒸気の供給が、貯蔵槽の漏損空間をポンプに連結する蒸気供給管に設けた自動駆動弁を動作させることによって制御される。本方法は、実質的に蒸気のみをポンプに供給するように弁を開く工程と、実質的に液体のみを供給するように弁を閉じる工程とからなる。ポンプを通過する流量は、ピストン位置を基準にして弁を開く時機を制御することによって制御され、また流量は、導入行程のより短い期間、弁を開くことによって増加可能である。ポンプ・ピストンの位置は、電子的信号を電子制御器に送信するセンサによって決定される。センサは、ピストンに設けられた直線位置変換器からなる。自動的に弁を駆動する適切な手段は周知である。たとえば、駆動器は、電子式、機械式、空圧式、油圧式、またはこれらの組合せであり得る。機械式駆動器は、導入行程の一定期間、弁を自動的に駆動するように設定可能である。
【００１５】
好ましい一実施形態では、弁駆動器を電子的に制御し、ポンプに供給される液体と蒸気の比率が導入行程毎に可変である。たとえば、蒸気をポンプに誘導しかつ望ましいポンプ流量を実現するために、電子制御器を使用して電磁弁を開閉することができる。貯蔵槽の漏損空間からポンプに蒸気を供給することによって、貯蔵槽内部の蒸気圧を低減する。
【００１６】
本技法の１つの利点は、蒸気供給管を介して流れる蒸気の量を制御するために絞り弁または絞り口の必要がないことである。その代わりに、本方法によれば、蒸気の比率は個々の導入行程毎に制御可能である。
【００１７】
好ましい一方法では、直線油圧モータがポンプを駆動する。直線油圧モータを使用してポンプを一定速度で動作可能であり、これによって吐出管中の圧力脈動が抑制されるので、機械式クランク・シャフト駆動に比べて直線油圧モータが好ましい。本方法を使用してエンジンに燃料を供給するとき、エンジンからの機械的なエネルギーを効率的に利用して油圧モータ用の油圧ポンプに動力を供給することができる。
【００１８】
直線油圧モータがポンプを駆動するとき、ポンプ・ピストンの位置は、油圧モータをモニタすることによって決定することができる。別の実施形態では、ポンプ・ピストンの位置が、ポンプ・ピストンと直線油圧モータの間に位置するピストン・ロッドに設けた基準点をモニタすることによって決定される。
【００１９】
本方法が単段ポンプを所与のポンプ速度で使用するとき、本装置は、導入行程時に液体のみをポンプに供給することによって最大流量で動作するように制御可能である。ポンプにインデューサが備わっている場合は、蒸気がインデューサの中で凝縮されるので、ポンプが最大流量で動作するとき、ある一定量の蒸気を依然としてポンプに供給することができる。インデューサを使用すると、それぞれのサイクル毎に、インデューサに供給される蒸気のすべてがインデューサによって凝縮可能であり、かつ最大流量は、インデューサから吐出される液体がポンプ・ピストン室を充満するように、インデューサにある一定比率の液体と蒸気を供給することによって実現可能である。
【００２０】
別の実施形態では、ポンプに供給される液体と蒸気の比率が、ポンプに供給される液体の流量を制御することによって制御可能である。たとえば、蒸気がポンプに供給されていないとき、液体供給管に設けた流量制御弁を動作させて貯蔵槽からポンプに流れる液体の流量を制御することができる。したがって、導入行程の一定期間、蒸気をポンプに供給するように構成されているポンプでは、ポンプに供給される液体と蒸気の比率は、ポンプに供給される流量を制御することによって制御可能である。
【００２１】
ポンプに供給される液体と蒸気の比率を制御することによる流量制御に加えて、可変容量形ポンプの使用またはポンプ速度の変更によってポンプを通過する流量に対してさらに作用することができる。たとえば、ポンプを油圧モータによって駆動するとき、可変速度制御器を使用してポンプ速度の変更が可能である。低温ポンプが燃料を供給するエンジンによって油圧ポンプまたは低温ポンプ自体を駆動する配置では、エンジン速度が概ね燃料要求量に相関し、ポンプ速度は、増加するエンジン速度と共に自動的に増加するように制御可能である。しかし、このような配置では、エンジンによって駆動される油圧ポンプを備える油圧モータは、吐出管中の圧力脈動を抑制するように油圧モータがポンプ速度を制御できるので、エンジンによって直接駆動される低温ポンプに優る利点を有する。
【００２２】
可変容積形低温ポンプを使用するとき、ポンプを通過する流量は、ポンプ排水量の変更によってさらに制御可能であり、たとえば、より少ない流量が望ましいときは、行程を制限することによって制御する。ポンプを通過する流量を制御する数多くの方法が、ポンプに供給される低温蒸気と低温液体の比率を制御することによって流量制御する開示の方法と組み合わせられることが、当該関連技術の当業者なら理解されよう。
【００２３】
往復ピストン・ポンプを使用して低温液体を貯蔵槽から汲み上げる１つの特定の好ましい方法が、
（ａ）導入行程では、
ピストンを往復ポンプ内部に引き込み、貯蔵槽から低温流体をピストンに付随するピストン室の中に吸い込む工程と、
貯蔵槽から蒸気供給管を介して、蒸気供給管に設けた弁が開いているときに蒸気をポンプに供給する工程と、
弁が閉じているとき、貯蔵槽から液体供給管を介して低温液体をポンプに供給する工程と、
導入行期間に弁を開く時機を制御することによって、貯蔵槽内部の蒸気圧を低減し、かつポンプ流量を制御する工程と、からなり、さらに
（ｂ）圧縮行程では、
ピストンの方向を反転して、ピストン室内部で蒸気を圧縮しかつ凝縮し、さらに低温液体を圧縮する工程と、
圧縮された低温流体をポンプから吐出する工程と、からなる。
【００２４】
ポンプが次の導入行程の開始時点で液体を導入するとき、次の導入行程の前に蒸気供給管に設けた弁を閉じる。弁は、圧縮行程の終了時点または圧縮行程時の任意の時点で閉じることができる。明らかなことであるが、導入行程の開始時点またはその中途の間に蒸気を供給するとき、弁は導入行程の終了前に閉じられる。
【００２５】
本技法は、低温液体を貯蔵槽から汲み上げ、かつ貯蔵槽内部の蒸気圧を低減する方法を実施する装置にさらに関する。好ましい一実施形態では、本装置は、
（ａ）貯蔵槽から供給される低温流体を汲み上げるための往復ポンプと、
（ｂ）貯蔵槽をポンプの吸込み口に流体連結する液体供給管と、
（ｃ）貯蔵槽内部の漏損空間を吸込み口に流体連結する蒸気供給管と、
（ｄ）閉位置と開位置の間で動作可能であり、該開位置にあるとき蒸気が該蒸気供給管を通過できるように、該蒸気供給管に設けられた自動駆動弁と、
（ｅ）該ポンプの導入行程期間に該弁の開放時機を決定し、そのような決定を行って望ましい流量を実現する制御器と、からなる。
【００２６】
さらに本装置は、ポンプのピストン位置を決定する位置センサからなる。この位置センサは、導入行程の間にピストンが液体の望ましい比率に対応する位置にあるとき、制御器が弁を開くように制御器と接続する。好ましい１つの配置では、位置センサがピストンに設けた直線位置変換器からなる。
【００２７】
往復ポンプがさらにインデューサからなり得る。このインデューサは、貯蔵槽と往復ポンプの間に流体配置されている。このインデューサは、低温液体を貯蔵槽から受け取るための吸込み口、低温蒸気を圧縮しかつ凝縮し、さらに低温液体を圧縮するためにインデューサ・ピストン室内部で往復自在のインデューサ・ピストン、および圧縮された低温液体を吐出するための吐出口からなる。次いで、インデューサによって圧縮された低温液体は、低温液体をさらに圧縮するためにポンプの吸込み口に供給される。
【００２８】
インデューサの好ましい１つの配置は、インデューサが２段で動作するように、インデューサ・ピストンによってインデューサ・ピストン室が２つの小室に分割されている。低温流体は、第１のピストン室から、典型的には逆止め弁である一方向流れ導管を介してポンプ・ピストン室に移動する。圧力駆動弁は、第２段が所定値を超過した場合、低温流体をインデューサの第２段から第１段に流すことができる。すなわち、第２段の圧縮行程時に、低温流体を第２段の小室からポンプ・ピストン室まで移し、ポンプ・ピストン室が充満されたとき、圧力駆動弁が開いて過剰な液体をインデューサの第１段の小室に戻すまで、第２段の小室内部の圧力が上昇する。このような２段インデューサ構成によって、過剰な低温流体を貯蔵槽に戻さずにインデューサ内部で循環させることができる。
【００２９】
参照によりその全体を本願明細書に援用した、共有の米国特許第５，８８４，４８８号で、インデューサからなる低温ポンプをさらに詳細に説明しかつ例示する。ポンプ・ピストン室は、インデューサ・ピストン室よりも容積が小さいことが好ましい。さらに具体的には、インデューサ・ピストン室は、ポンプ・ピストン室の容積の少なくとも２倍の大きさである容積を有することが好ましく、１つの好ましい実施形態では、インデューサ・ピストン室が、ポンプ・ピストンの容積の約４倍から７倍の間の大きさである容積を有する。
【００３０】
図面は本発明の特定の実施形態を示すが、いずれの点においても本発明の趣旨または範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１を参照すると、それは低温流体を貯蔵容器１０から蓄圧容器４０へ汲み上げる好ましい装置の概略図である。圧力センサ１２は貯蔵槽１０内部の圧力を測定し、圧力センサ４２は蓄圧器容器４０内部の圧力を測定する。図示していない別の実施形態では、本装置は蓄圧器容器４０を使用する必要がなく、圧力センサ４２は単に吐出管４４内の圧力を測定するだけである。
【００３２】
ピストン２２、ピストン室２４、ピストン・ロッド２６、および直線駆動器２８を備え、低温流体をさらに高圧にする単動式往復ピストン・ポンプ２０を参照して本装置を説明するが、インデューサまたは多段ポンプを備えるポンプをポンプ２０と置き換えてもよく、または別体の第２段のポンプをポンプ２０と直列で使用してもよい。たとえば、共有の米国特許第５，８８４，４８８号に記載の１つのポンプなどに図１のポンプ２０を置き換えてもよい。１つの好ましい実施形態では、直線駆動器２８が直線油圧モータである。
【００３３】
液体は、貯蔵槽１０から、液体供給管３０、ポンプ吸込み管３１、およびポンプ吸込み口を介してピストン室２４に供給される。蒸気は、貯蔵槽１０内の漏損空間から別体の蒸気供給管３２を介して同じポンプ吸込み管３１およびポンプ吸込み口に供給される。弁３４が、蒸気供給管３２を通過する蒸気の流れを制御するために蒸気供給管３２沿いに位置するように示してある。弁３４は自動駆動弁である。１つの好ましい実施形態では、弁３４が電磁弁であるが、弁３４は、空圧式駆動器または機械式駆動器（たとえば、軸駆動カム）など、別の種類の自動駆動器を使用することも可能である。弁３４が開いているとき、液流に比べてより小さい蒸気流の抵抗によって、実質的に蒸気のみがポンプ吸込み管３１を介してピストン室２４に供給されることになる。したがって、弁３４が開いているときは、液体供給管３０を通過する流れを止めるために制御弁を必要としないが、取外しおよび補修のためにさまざまな構成要素の分離を容易にするために手動式の遮断弁（図示せず）を使用してもよい。ポンプ２０を通過するさらに広範囲の流量を実現するために、ポンプ２０に供給される液体と蒸気の比率を制御する別の装置を備えることが望ましいときは、随意選択的な制御弁３５（破線で示す）をシステム内に使用してもよい。すなわち、随意選択の制御弁３５は、単独で使用することもまたはポンプ２０に供給される液体と蒸気の比率を制御する他の装置と併用することも可能である。
【００３４】
１つの好ましい実施形態では、弁３４が電磁弁であるとき、それを制御器３６によって電子的に制御する。制御器３６を使用して直線駆動器２８の速度を制御してもよい。直線駆動器２８の可変速度制御は、本装置を通過する流量を制御する装置として使用することが可能である。制御器３６は、貯蔵槽１０と蓄圧器容器４０の内部のポンプ流量と圧力を制御する専用の制御器でもよい。１つの別法による実施形態では、制御器３６が、図１に示す装置に加えて他のシステム構成要素を制御する多機能制御器の一部であり得る。たとえば、本装置を使用してエンジンに燃料を供給するとき、制御器３６は、その他のエンジン・システムの一部または全部を制御する、より大きな装置の一部でもよい。他の実施形態では、電子制御器を必要とせず、体積で実質的に一定比率の液体と蒸気を導入するように本装置を動作させる、すなわち、弁３４または別の機械式部品を使用して導入行程の一定期間に蒸気をポンプに供給する。
【００３５】
図４は、制御器を備えずに、実質的に一定比率の液体と蒸気（体積で）をポンプに供給するために使用可能なポンプ配置の１例を示す。図４では、ポンプ１２０が、延長部１２３を含むピストン１２２を備える。ピストン１２２は、ピストン室１２４内部でピストン１２２が往復するようにピストン・ロッド１２６によって駆動される。延長部１２３は、ポンプ１２０の吸込み端部中に形成されているウェル１２５中に挿入可能である。延長部１２３をウェル１２５中に挿入するとき、蒸気供給管１３２を通る蒸気の流れを実質的に遮断するように、厳密な許容差の嵌合いを封止体（図示せず）と組み合わせて延長部１２３とウェル１２５の平行表面の間を封止することができる。
【００３６】
液体供給管１３０は、導入行程の開始時点に一方向弁１３１を介して液体をピストン室１２４中に供給する。導入行程が進行するにつれて、延長部１２３がウェル１２５から後退し、蒸気がピストン室１２４の拡大する容積の残部を実質的に充満する。
【００３７】
圧縮行程時に、一方向弁１３１および１３３は、液体供給管１３０と蒸気供給管１３２のそれぞれの中に液体が圧入されるのを防止する。ピストン室１２４内部の蒸気は、一方向弁１２７および１２９を介してピストン室１２４から吐出される前に、圧縮されかつ凝縮され、さらに液体も圧縮されて液体の圧力が増大可能である。吐出される液体がより小さいピストン室によって別の段に誘導されるとき、安全弁１２８を介して過剰の液体をピストン室１２４に戻すことができる。
【００３８】
この実施形態の趣旨から逸脱することなく他の配置が可能であることは、当該関連技術の当業者には理解されよう。たとえば、蒸気吸入口をピストン室の壁の中に設けてもよく、この場合は、これらの吸入口は、ピストンがそれらを通過して移動するとき、２行程エンジンに使用される吸入口配置に多分に似ていることが明らかになる。
【００３９】
図４のポンプは、図１に示したような制御器を使用する必要がない。しかし、他の実施形態では、制御器を使用してポンプを通過する流量制御の融通性をさらに広げるために液体と蒸気の比率を調整することが可能である。図１を再び参照すると、電子制御器３６を使用して圧力センサ４２、位置センサ５０、および随意選択の圧力センサ１２からの入力信号を受け取る。本装置を流れる流量および／またはそれぞれの導入行程時にポンプに導入される液体と蒸気の比率を調整するために、制御器３６を使用して少なくとも１つの装置を制御することができる。
【００４０】
ピストン２２の位置を検出するのに適切な位置センサは、当業に周知である。１つの好ましい実施形態では、位置センサ５０が、ピストン２２の位置を検出し、かつ代表する信号を制御器３６に送出する直線位置変換器である。位置センサ５０は、ポンプ２０またはポンプ用駆動システムの任意の構成部品に設けてもよい。たとえば、センサ５０は、ピストン２２を直線駆動器２８に連結するピストン・ロッド上の基準点の位置を検出してもよいし、またはセンサ５０は、ピストン２２の位置に相関する直線駆動器２８の状態をモニタしてもよい。たとえば、直線駆動器２８が直線油圧モータであるとき、位置センサ５０は作動流体の流れまたは油圧ピストンの位置をモニタしてもよい。
【００４１】
センサ５０は、それぞれの導入行程において望ましい液体と蒸気の比率を実現するのに適切な位置にピストン２２があるとき、制御器３６が弁３４を開くように導入行程時にピストン２２の位置を決定する。
【００４２】
制御器３６は、それぞれの導入行程毎にピストン室２４に供給するための液体と蒸気の比率を規定する望ましい流量およびポンプ速度を決定する。制御器３６は、入力信号に基づいて決定された所定の動作基準に従って、そのように決定することが好ましく、たとえば、ポンプ２０を通過する流量は、ポンプ２０の下流の圧力を所定の圧力範囲内に維持し、かつ随意選択的に、貯蔵槽１０内部の圧力を所定の圧力よりも低圧に維持するように制御される。所与の設定の動作条件では、制御器３６が蒸気をポンプ２０に供給するのに適切なピストン位置を決定する。確実にポンプの中に引き込まれる蒸気の実質的にすべてが凝縮可能であり、かつ確実に圧縮行程の終了時点で液体の温度および圧力が過剰に高まらないようにするために、それぞれのポンプ・サイクルで最小限の液量が必要である。それぞれの導入行程における実際の最小限の液量は、幾つかの可変的な動作条件に依存するが、たとえば、体積で１０から２０％ほど少ない液体が、残存容積中に導入される蒸気を凝縮し、他方で十分に低い圧力と温度に維持するのに十分であることが判明している。制御器３６は、参照用テーブルを基準にしてまたはアリゴリズムを用いることによって、そのように決定することができる。
【００４３】
簡素化したシステムでは、電子制御器の代わりに、機械式制御器を使用して、ピストン２２が導入行程時に所定の位置に達するときは常に蒸気をポンプ２０に供給することによって、体積で測定された実質的に一定比率の液体と蒸気を供給することができる。
【００４４】
図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、図１のポンプ２０を示す。好ましい１方法では、制御器３６が、流量容量を制御することによってポンプ２０を通過する流量を制御する。流量容量は、それぞれの導入行程時にピストン室２１に供給される液体と蒸気の比率を制御するために、弁３４を動作することによって制御される。図２Ａでは、導入行程がちょうど開始されたところであり、ピストン２２が矢印６０の方向に移動中である。弁３４（図１に示す）が閉ざされ、液体のみが吸込み管３１を介して貯蔵槽１０から抜き出されてピストン室２４を充満する。
【００４５】
図２Ｂでは、ピストン２２を導入行程時の中間位置で示す。すなわち、ピストン２２は、導入行程の開始ピストン位置と終了ピストン位置の間の任意の位置にあり得る。制御器３６は、ポンプ２０下流の１つの点における圧力を基準にして液体と蒸気の望ましい比率を決定する。図２Ｂは、制御器３６が望ましい液量をピストン室２４中へ引き込むときの導入行程位置を表し、制御器３６は、導入行程の残部分の間に、吸込み管３１を介して実質的に蒸気のみをピストン室２４中に引き込むように弁３４を開く。
【００４６】
図２Ｃは、ピストン２２が導入行程の終了位置にちょうど達するときを示す。制御器３６が弁３４を開くとき、線６２はピストン２２の位置に基づく液体と蒸気の相対的な体積を表す。他の導入行程では、制御器３６が弁３４を開くとき、液体と蒸気の比率はピストン２２の位置に応じて変化することになる。所与の導入行程時に関して、流量容量を最大にするためには、その導入行程全体の間、弁３４を閉じておく。所与の導入行程に関して流量容量を減少させるためには、制御器３６は導入行程のより早い時期に弁３４を開く。
【００４７】
図２では、液体と蒸気の比率を制御する方法の説明を単純化するために、導入行程は液体の導入から開始し、かつ望ましい液量を導入したときに実質的に蒸気のみを導入するように示す。液体または蒸気がそれぞれに同じピストン移動量で導入される限り、液体と蒸気の望ましい体積比を変えずに液体と蒸気を導入する時機を変更し得ることは、当該関連技術の当業者なら理解されよう。
【００４８】
導入行程が終了した後、ピストン２２が方向を反転して圧縮行程が開始される。圧縮行程の開始時点に、ピストン室２３の容積が小さくなるにしたがって、ピストン室２４内部の蒸気が圧縮されかつ凝縮される。液体も圧縮され、図３に示すように、一旦、実質的に蒸気のすべてが凝縮されて液体になるとき、ピストン室２４内部の圧力が急激に上昇する。図３は、圧縮行程時のピストン位置に対する圧力を描くグラフである。グラフの左側、すなわちＡ点では、ピストン２２が圧縮行程の開始時点にあり、グラフの右側、すなわち、Ｄ点では、ピストン２２が圧縮終了時点にある。Ｂ点では、実質的にすべての蒸気が凝縮されており、圧力が急激に上昇する。Ｃ点では、液体が望ましい圧力まで圧縮され、かつその圧力で吐出される。グラフ上のＢ点およびＣ点に対応するピストン位置は、導入行程時により大きな比率の蒸気が導入されると、さらに右に移動し、反対に、導入行程時により大きな比率の液体が導入されると、さらに左に移動することになる。
【００４９】
低温流体は、ポンプ吐出口と吐出管４４を介して最終的にピストン室２４から吐出され、この吐出管が低温液体を加熱器４８に誘導し、次いで蓄圧器容器４０に誘導する。液体と蒸気の特定の比率では、ポンプ２０が、ピストン室２４中に導入した液体を望ましい高圧に圧縮し、次いでポンプ２０からその液体を吐出することになる。
【００５０】
図１をもう一度参照すると、低温液体は、蓄圧器容器４０と吐出管４４から応用例または最終用途４６に誘導され得る。たとえば、低温液体は天然ガスなどの可燃性燃料の場合は、最終用途４６が、低温液体を燃料に利用する内燃エンジンであり得る。低温液体を高圧ポンプから吐出するとき、それは超臨界低温液体であり、液体を内燃エンジンに誘導する前に、その液体を気体に変換することが望ましい。加熱器４８を使用して液体を加熱してそれを気体に変換することができる。
【００５１】
単純化のために、図ではポンプ２０を単動式単段ポンプとして示す。単段ポンプの使用によって、液体を高圧にすることが可能である。単段ポンプを使用して液体と蒸気の混合物を汲み上げるとき、約３９５０キロパスカル（約５００ゲージポンド毎平方インチ）の吐出圧を典型的に実現し、他方では同時に貯蔵槽から蒸気を除去し、それによって槽内の圧力を低減しかつ収容時間を延長することができる。しかし、２段以上を使用すれば、さらに高い吐出圧が実現可能であるし、またはこの役割に対してより軽量化され、かつより適切であり得る装備を使用して単段ポンプと同じ圧力を実現することも可能である。多段ポンプでは、同じ制御機構を使用してそれぞれの導入行程時にポンプに導入される液体の比率を調節することによってポンプ流量容量を制御することが可能である。既に留意したように、ポンプは、共有の米国特許第５，８８４，４８８号に記載された種類の１つでもよい。
【００５２】
ポンプ２０を断続的に動作させて、蓄圧器容器４０内の圧力を所定値の範囲内に維持し、かつ貯蔵槽１０内の蒸気圧を所定値よりも低圧に維持することができる。好ましい１方法では、ポンプ２０が連続的に動作して、ピストン２２を一定の速度で移動させ、それぞれの導入行程時に液体と蒸気の比率を制御することによってポンプ２０を通過する流量を制御する。ポンプ２０を一定の速度で動作させる利点は、ポンプの速度を変更するための別途の制御装置と構成要素の必要がなく、そのために油圧システムおよび制御機構が簡素になり、それによって信頼性の向上が可能になることである。さらに本方法の別の実施形態では、本装置を使用してエンジンに燃料を供給するとき、エンジンによって発生する機械的なエネルギーを利用して油圧モータ用の油圧ポンプを駆動し、油圧モータの速度、したがってポンプの速度をエンジン回転速度に相関させることができる。エンジン回転速度は一般に燃料要求量に対応するので、本装置によってポンプ容量を燃料要件に適合するように自動的に変更する。したがって、エンジン回転速度の関数としてポンプ速度を自動的に変更しかつ液体と蒸気の比率も制御することによって、貯蔵槽１０と蓄圧容器４０の間のより広範囲の流量を実現することができる。
【００５３】
以上の開示を考慮すれば当業者には明らかなように、本発明の実施においては、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、数多くの変形および変更が可能である。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定されている本質に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】貯蔵容器から蓄圧器容器まで低温液体を汲み上げる装置を示す概略図。
【図２Ａ】導入行程時に往復ポンプのピストンが逐次的な位置にある同ポンプを示す断面図。
【図２Ｂ】導入行程時に往復ポンプのピストンが逐次的な位置にある同ポンプを示す断面図。
【図２Ｃ】導入行程時に往復ポンプのピストンが逐次的な位置にある同ポンプを示す断面図。
【図３】圧縮行程時のピストン室内部の圧力変化を例示するためにピストン位置に対する圧力を示すグラフ。
【図４】それぞれの導入行程において、体積による一定比率の蒸気と液体を導入する１実施形態を例示する、別体の蒸気供給管と液体供給管を有するポンプの端部を示す略断面図。

Claims

往復ピストン・ポンプを使用して低温液体と蒸気を貯蔵槽から汲み上げる方法であって、（ａ）導入行程では、
ピストンを該往復ポンプ内部に引き込み、該貯蔵槽から低温流体を該ピストンに付随するピストン室の中に吸い込む工程と、
該導入動作の選択された期間は、実質的に蒸気のみを供給することにより、該ポンプに供給される液体と蒸気の比率を制御することによって、該ポンプを通過する流量を制御する工程と、からなり、さらに
（ｂ）圧縮行程では、該ピストン室内部で蒸気を圧縮しかつ凝縮し、さらに液体を圧縮する工程と、圧縮された低温流体を該ポンプから吐出する工程と、からなる方法。
それぞれのポンプ・サイクル毎に、前記圧縮行程時に前記ピストン室内部で前記蒸気を凝縮させるのに必要な、最小限の比率の液体によって、前記ポンプを通過する汲上げ可能な最小限の流量を決定する請求項１に記載の方法。
前記ポンプが単段ポンプであり、それぞれのポンプ・サイクル毎に、前記ポンプを通過する汲上げ可能な最大流量が低温液体のみを前記ポンプに供給することによって実現可能である請求項１に記載の方法。
前記貯蔵槽から供給された蒸気をインデューサの中で凝縮する工程からさらになり、前記ポンプを通過する汲上げ可能な最大流量は、該インデューサが圧縮行程を終了するときには前記ポンプ・ピストン室が実質的に液体で充満されるように、ある一定比率の液体と蒸気を該インデューサに供給することによって実現可能である請求項１に記載の方法。
前記ポンプを通過する流量が、前記ポンプの下流の１点における圧力を所定範囲内に維持するように制御される請求項１に記載の方法。
前記貯蔵槽内部の蒸気圧をモニタし、前記貯蔵槽内部の蒸気圧を所定値よりも低く維持するように、前記ポンプに供給される蒸気と液体の比率をさらに制御する工程、からさらになる請求項５に記載の方法。
前記導入行程時に前記ポンプに供給される液体と蒸気の比率が、前記ピストンが、液体の望ましい比率に対応する前記導入行程時の位置に達するまで、最初に液体を供給し、次いで前記導入行程が終了するまで、実質的に蒸気のみを供給して前記ピストン室を充満することによって制御される、請求項１に記載の方法。
前記ポンプから吐出された低温流体を加熱器に誘導して前記低温流体を気体に変換する請求項１に記載の方法。
体積で測定した液体の前記望ましい比率が一定であり、前記導入行程の所定期間に蒸気が前記ポンプに供給される請求項１に記載の方法。
前記低温流体が可燃性燃料であり、前記方法が該可燃性燃料をエンジンに供給する工程からさらになる請求項１に記載の方法。
前記導入行程時に前記ピストン室に前記蒸気を供給する工程が、前記槽の漏損空間を前記ポンプに連結する蒸気供給管に設けた自動駆動弁を動作することによって制御され、前記方法が、実質的に蒸気のみを前記ポンプに供給するように該弁を開く工程と、実質的に液体のみを前記ポンプに供給するように該弁を閉じる工程とからなる請求項１に記載の方法。
前記ポンプを通過する流量が、前記ピストンの位置を基準にして前記弁を開く時機を制御することによって制御され、また流量は、前記導入行程のより短い期間、前記弁を開くことによって増加可能である請求項１１に記載の方法。
前記ポンプ・ピストンの位置が、電子的信号を電子制御器に送信するセンサによって決定される請求項１２に記載の方法。
前記センサが、前記ピストンに設けた直線位置変換器からなる請求項１３に記載の方法。
前記弁が電磁弁である請求項１１に記載の方法。
所望のポンプ流量を実現し、他方で前記貯蔵槽内部の蒸気圧を低減するために、電子制御器が前記電磁弁を制御する請求項１５に記載の方法。
直線油圧モータを使用して前記ポンプを駆動する工程からさらになる請求項１２に記載の方法。
前記ポンプ・ピストンの位置が、前記直線油圧モータをモニタすることによって決定される請求項１７に記載の方法。
前記ポンプ・ピストンの位置が、前記ポンプ・ピストンと前記直線油圧モータの間に位置するピストン・ロッドをモニタすることによって決定される請求項１７に記載の方法。
前記ポンプに供給される液体と蒸気の比率を制御することによる流量制御に加えて、前記低温流体の流量がポンプ速度の変更によってさらに制御される請求項１に記載の方法。
前記導入行程の一定期間、蒸気が前記貯蔵槽から前記ポンプに供給され、かつ前記ポンプに供給される液体と蒸気の比率が、蒸気が前記貯蔵槽から供給されていないときに、前記ポンプに供給される液体の流量を制御することによって制御される請求項１に記載の方法。
前記ポンプに供給される液体と蒸気の比率を制御することによる流量制御に加えて、前記ポンプが可変容積形ポンプであり、前記ポンプを通過する流量に作用するように容積が変更可能であるとき、流量をさらに制御することができる請求項１に記載の方法。
往復ピストン・ポンプを使用して低温流体を貯蔵槽から汲み上げる方法であって、
（ａ）導入行程では、
ピストンを該往復ポンプ内部に引き込み、該貯蔵槽から低温流体をピストン室の中に吸い込む工程と、
該貯蔵槽から蒸気供給管を介して、該蒸気供給管に設けた弁が開いているときに蒸気を該ポンプに供給する工程と、
該弁が閉じているとき、該貯蔵槽から液体供給管を介して低温流体を該ポンプに供給する工程と、
該導入行程時に該弁を開く時機を制御することによって、該貯蔵槽内部の蒸気圧を低減し、かつポンプ流量を制御する工程と、からなり、さらに
（ｂ）圧縮行程では、
該ピストンの方向を反転して、該ピストン室内部で蒸気を圧縮しかつ凝縮し、さらに低温流体を圧縮する工程と、
圧縮された低温流体を該ポンプから吐出する工程と、からなる方法。
前記ポンプが、前記弁が閉じているときに実質的に低温液体のみを前記ピストン室の中に吸い込み、前記弁が開いているときに実質的に蒸気のみを吸い込む、請求項２３に記載の方法。
前記弁を開く時機が、前記圧縮された低温流体が誘導される前記ポンプの下流の１点において測定された圧力を基準にして制御器によって決定される請求項２３に記載の方法。
低温流体を貯蔵槽から汲み上げ、かつ該貯蔵槽内部の蒸気圧を低減する装置であって、
（ａ）該貯蔵槽から供給される該低温流体を汲み上げるための往復ポンプと、
（ｂ）該貯蔵槽を該ポンプの吸込み口に流体連結する液体供給管と、
（ｃ）該貯蔵槽内部の漏損空間を該吸込み口に流体連結する蒸気供給管と、
（ｄ）閉位置と開位置の間で動作可能であり、該開位置にあるとき蒸気が該蒸気供給管を通過できるように該蒸気供給管に設けた自動駆動弁と、
（ｅ）該ポンプの導入行程期間に該弁の開放時機を決定し、そのような決定を行って所望の流量を実現する制御器と、からなる装置。
前記ポンプのピストンの位置を決定するための位置センサからさらになり、該位置センサは、該ピストンが前記導入行程の間に液体の所望の比率に対応する位置にあるとき、前記制御器が前記弁を開くように前記制御器と接続している請求項２６に記載の装置。
前記位置センサが、前記ピストンに設けた直線位置変換器からなる請求項２７に記載の装置。
前記弁が電磁弁である請求項２６に記載の装置。
前記ポンプを駆動するための直線油圧モータからさらになる請求項２６に記載の装置。
前記ポンプの吐出口に流体連結する蓄圧容器からさらになる、請求項２６に記載の装置。
前記低温液体が可燃性燃料である請求項３１に記載の装置。
前記ポンプから吐出された低温流体を加熱するための加熱器からさらになる請求項３１に記載の装置。
前記ポンプの吐出口に流体連結する内燃エンジンからさらになり、前記可燃性燃料が該エンジン用の燃料として利用可能である請求項２６に記載の装置。
前記往復ポンプが、単一ピストン室内部で往復自在の単一ピストンからなる単動ポンプである請求項２６に記載の装置。
前記装置が、
前記貯蔵槽と前記往復ポンプの間に流体配置され、前記貯蔵槽から低温液体を受け取る吸込み口と、低温蒸気を圧縮しかつ凝縮し、さらに低温液体を圧縮するためにインデューサ・ピストン室内部で往復自在のインデューサ・ピストンとからなるインデューサからさらになり、さらに
前記ポンプが、該インデューサから圧縮された低温流体を受け取るための吸込み口と、前記低温流体をさらに圧縮するためのポンプ・ピストン室内部で往復自在のポンプ・ピストンとからなる請求項２６に記載の装置。
前記インデューサ・ピストン室から前記ポンプ・ピストン室に低温流体を移すための一方向流れ導管からさらになる請求項３６に記載の装置。
前記ポンプ・ピストン室が、前記インデューサ・ピストン室から移された低温流体で充満され、過剰の低温流体が該インデューサ内でリサイクル可能である請求項３６に記載の装置。
前記インデューサ・ピストン室が、体積で前記ポンプ・ピストン室よりも大きい請求項３６に記載の装置。
前記インデューサ・ピストン室が、前記ポンプ・ピストン室の体積の少なくとも２倍の体積を有する、請求項３９に記載の装置。
前記インデューサ・ピストン室が、前記ポンプ・ピストン室の体積の約４倍と７倍の間の体積を有する、請求項３９に記載の装置。
前記インデューサ・ピストンと前記ポンプ・ピストンの両方を駆動する直線油圧モータからさらになる請求項３６に記載の装置。
前記油圧モータを前記インデューサ・ピストンと前記ポンプ・ピストンに連結するピストン・ロッドからさらになる請求項４２に記載の装置。
前記インデューサ・ピストンによって、前記インデューサ・ピストン室が前記インデューサ吸込み口と連通する第１段と、前記ポンプ・ピストン室と連通する第２段と、に分割され、さらに一方向流れ導管によって、低温流体の該第１段から該第２段への流れが可能になり、別の一方向流れ導管によって、低温液体の該第２段から前記ポンプ・ピストン室への流れが可能になり、さらに圧力駆動弁によって、該第２段が所定値を超過したとき、低温液体の該第２段から該第１段への流れが可能になる請求項３６に記載の装置。