JP2005521846A - 低温液体の貯蔵タンク - Google Patents

Abstract

低温液体の貯蔵タンクが、アレッジ空間を提供するアレッジ容器を内蔵する。アレッジ容器はアレッジ管路を介して充填管路に連絡し、この充填管路は低温体を低温流体空間に供給する。アレッジ管路と充填管路とが接続する連結部が特定の断面積を有する。低温流体空間を充填する過程中の低温体の流れの方向に関して判定された、充填管路内部の連結部の下流は、連結部での場合よりも断面積が広い。このため、充填の過程中に連結部で減圧が生じ、これにより、充填の過程に亘りアレッジ空間からの物質の有効な流れが生成される。低温タンクが液体で満杯になり低温体がアレッジ管路を下るように向け直されると、充填管路に比べ狭いアレッジ管路の断面積により低温体の流れの減少が引き起こされ、この減少は、充填ポンプにより検出され充填を停止させアレッジ空間をもたらす。貯蔵タンクの充填前及び充填中のアレッジ容器からの排出手段が提供される。

Description

本発明は、アレッジ空間を内蔵する貯蔵タンクの設計に関する。

燃焼機関技術の発展により、しばしばディーゼルサイクルエンジンと称される圧縮点火機関に、性能や効率を犠牲にせずに、ディーゼル燃料の代わりに、燃料を供給できるのは、気体燃料であることが分かった。この燃料の例は、天然ガス、メタン、プロパン、エタン、気体の可燃性炭化水素誘導体、水素などである。ディーゼル燃料の代わりにこれらの気体燃料を用いると、一般に、コスト、入手のし易さや、排気の点でディーゼル燃料よりも有利になる。

しかし、気体燃料をこれらの用途に用いる際の一つの課題は、液体燃料と同程度に効率よく気体燃料を貯蔵することが難しい点である。このことは、貯蔵の空間が制限されている場合には重要な考慮すべき事項である。例えば、天然ガス自動車用の搭載燃料補給システムは、これらのシステムが、制限されている利用可能な空間に収容可能であり、輸送容量を制限しない場合には有益である。

天然ガス及び他の気体燃料は、圧縮ガス（天然ガスの場合ＣＮＧ）として、または低温で液体（液化された天然ガスの場合ＬＮＧ）としてタンクに貯蔵可能である。ＣＮＧを凌ぐＬＮＧの利点は、ＬＮＧのエネルギー密度が同体積のＣＮＧよりかなり高いことである。天然ガスがＬＮＧの状態で貯蔵されていることにより、単位体積当たりに貯蔵される燃料を増やすことができる。

この用途の目的に関し、低温燃料には、大気圧において−１００℃以下の温度で沸騰する液体燃料などがある。これらの燃料の例はＬＮＧである。注目すべきは、本発明はＬＮＧに関して述べられてはいるが、本発明は一般に、他の低温又は低温の燃料や気体にも同様に適用できることである。このことは当業者には理解されるであろう。一例として、開示されたタンクは、メタン、エタン、プロパン、炭化水素誘導体などの他の炭化水素を収容する。更なる燃料及び気体、例えば水素、ヘリウム、窒素、酸素など全てが低温体として本発明の利益を享受する。

上述のように、ＬＮＧを利用することには特別な経済性があるが、低温の貯蔵は特有の課題を提示する。ＬＮＧの課題の１つは、多くの用途で、ＬＮＧが保持タンクへと送り込まれると、ＬＮＧが温まった場合に膨張するための余分な空間が必要になることである。

本用途で扱われている主な問題はＬＮＧ膨張であるが、ＬＮＧは、用途によっては、長時間に亘って低温で貯蔵されなくてはならない場合もある。低温タンクへの過度の熱の漏入により、ＬＮＧの膨張が引き起こされるのみならず、低温液体の沸騰も引き起こされる。結局は、連続した熱の漏入により、ＬＮＧは沸騰又は気化し、その結果、圧力の増大により引き起こされた過度の応力が貯蔵タンクにかかる。沸騰や気化（又は、更に言えば、ＬＮＧ膨張）に関する圧力増大に対処する方法は、内部容器に逃し弁を備え、容器内の圧力が所定の限界に到達したら、気体を排気することである。しかし、様々な理由により、天然ガスを大気中に日常的に排気することは望ましくない。例えば、天然ガスの主要な成分のメタンは、温室効果ガスである。更に、燃料を排気することは、未使用の燃料を大気中に放出することになるので不経済である。従って、排気に代わる解決策が望まれる。

徐々にＬＮＧが膨張する量又は沸騰するＬＮＧの量を制限するもう一つの方法は、確実
に貯蔵タンクが十分に断熱されるようにし、タンクに漏入する熱の量を最小限にすることである。一例として、低温体が貯蔵されている内部の貯蔵容器を、周囲環境に露出されている外部ジャケットから分離し断熱するように、真空の空間が使用されることがある。しかし、低温の流体又は液体への熱漏入を防止するために使用される断熱材の有効性に関わらず、外部ジャケットと貯蔵容器との間に熱の経路が存在する場合がある。例えば、外部ジャケットと内部容器との間に配置された空間が不完全な真空であるために、熱の漏入が引き起こされる恐れがある。真空の空間内にあり外部ジャケット内に内部容器を吊り下げるために備えられている支持部材からも、熱の経路が生じる恐れがある。内部容器内の低温体を、例えば、充填し、空にし、ガス抜きするために、低温流体空間への導管又は管路が使用され、やはり熱の経路を導入する。いずれにしても、内部容器を完全に断熱することはできない。

ＬＮＧ膨張に対処する手段としては、内部容器内にアレッジ空間を供給することがある。アレッジ空間は更に、当業者には分かるように、ＬＮＧが貯蔵される用途では、容器が充填された後でＬＮＧのあらゆる沸騰や気化を収容するために使用されることもある。しかし、殆どの用途については、アレッジ空間は液体膨張に対処するために供給されている。本開示の目的に関しては、ＬＮＧ膨張の収容が参照されているが、アレッジ空間は、当業者には分かるように、ＬＮＧ膨張や沸騰や気化を収容するように適合可能である。

アレッジ空間は、ＬＮＧの膨張に備えたタンク内の空間である。この解決策の１つの問題は、充填中に十分な空間を残すことが難しいことである。即ち、貯蔵タンクが液体で満杯になる前に燃料補給はある所定の点で停止されなくてはならない。理想的には、アレッジ空間は、ＬＮＧ膨張を考慮して十分に大きいながらも、内部容器内に保持可能な低温体の量を最大にし、それにより燃料補給と燃料補給との間の時間を最長にできる程度に小さくなくてはならない。上述の通り、これは、燃料系統が、自動車における使用可能な限られた空間に貯蔵可能な体積を最大にすると同時に、この燃料を貯蔵するために利用される空間を最小にすることを企図している天然ガス自動車の運転において有用である。

十分なアレッジ空間を残す充填点を決定するために様々な手段が開発されてきた。
目で見る充填の線は、必要なレベルの精度を提供できない恐れがある。更に、多くのタンクに二重容器構造が備えられており、内部容器を貫通するのぞき窓を設けることは容易でない。

遮断フロートやバルブなどの停止機構は、内部容器の内部に機械的な部品を必要とする。これにより、各充填中と各々の充填と充填との間に磨耗される機械的な機能停止点が貯蔵タンクに導入される。このような機能停止点の導入は、多くの場合、タンクの寿命を決定する機械的不具合箇所となる。タンクの内部への、従ってタンク内の機械的な部品への接近は、熱的に内部タンクを外部環境から分離する必要のため、不可能ではないにせよ、難しい。従って、機械的な部品の修理は多くの場合に実際的ではない。そのため、機械的な停止機構が機能停止すると一般に貯蔵タンクの交換が必要になる。

更に、このような停止機構は、アレッジ空間が準備されたら充填ポンプを遮断できるように、直接又は間接的に充填ポンプと連絡する手段を必要とする。このような連絡手段は内部容器内の低温流体空間にもう１つの熱の経路を導入する恐れがある。

アレッジ空間供給の更なる代案は、内部容器と連絡しているアレッジ容器を導入することである。この容器にはバルブ又は制限的な開口があり、その寸法は、充填中にガスがアレッジ空間に流れ込むことは可能だが液体の流れは制限されるようになっている。アレッジ容器の外側の空間が満たされたら、低温体はアレッジ容器内のアレッジ空間に押し込まれる。アレッジ容器内のアレッジ開口の寸法決定又はアレッジ容器内に配置されたバルブ
の特質により、低温流体空間が液体で満たされるとアレッジ空間への低温液体の流れに対する抵抗が圧力上昇を引き起こし、この圧力上昇は充填ポンプ又はオペレータにより検出される。検出されると、充填ポンプは遮断される。アレッジ空間内部のガスには、低温流体空間が満たされアレッジ容器が冷却されるに従い、充填中に冷却され凝結するものがある。

しかし、このシステムは、一般に、最初にアレッジ空間にあった量と等量以上のガスを低温流体空間の充填の最後にアレッジ空間内部に残す。充填の前に冷たい低温体の環境により凝結されて液体になるガスがあるが、このガスは、多くの場合、最初にあった比較的少量の全残留ガスである。しかも、供給された低温体の幾らかは、充填中に気化してこの空間に入る恐れがある。従って、アレッジ空間の所望の体積を決定する際には、アレッジ空間内部に最初にあったガスの体積の他に、低温流体空間に追加された低温体から気化するあらゆる付加的なガスが考慮に入れられなくてはならない。

更に、アレッジ空間を供給するこの方法は、充填と充填との間に低温タンクが空にされなかった場合の問題を提示する。燃料補給の後で、アレッジ容器は、上述のプロセスによりＬＮＧを膨張させアレッジ空間に入れてしまう。更に、重力がＬＮＧを制限的な開口を介しアレッジ容器に徐々に押し込むこともよくある。そのため、一般にアレッジ容器の開口の向き及び低温タンクのレベルに依存して、低温流体空間のＬＮＧがアレッジ空間開口の下に引き下ろされ、これによりアレッジ空間のあらゆるＬＮＧをこの空間から低温流体空間へと流出するように重力が強制するまでは、アレッジ容器が少なくとも部分的にＬＮＧで満たされている。しかし、多くの場合、ＬＮＧタンクが完全に空になる時点より前に燃料補給することが望ましい。しかし、先行技術の設計では、最初の燃料補給は、部分的に充填されたアレッジ空間を備えたタンクに対して行われる。そのため、このアレッジ空間は燃料補給完了時のＬＮＧ膨張に対する考慮が不十分である。

本発明は上述の先行技術の問題に対処する。

低温流体を保持する低温タンクアセンブリが開示される。該低温タンクアセンブリは、低温流体空間を有する容器と、アレッジ空間を有するアレッジ容器と、充填導管とを備えている。前記充填導管には、前記低温流体を前記低温タンクアセンブリの外部から受け入れるための入口と、前記低温流体空間を充填する過程中に前記低温流体を前記低温流体空間に移送するための前記低温流体空間内の出口とがある。前記充填導管には更に、断面積を有する広幅通路と、広幅通路の断面積より小さい断面積を有する狭幅通路とがある。前記広幅通路は前記狭幅通路の下流にある。更に、前記タンクは、前記狭幅通路の断面積より小さい断面積を有するアレッジ導管を有する。前記アレッジ導管は、前記充填導管の前記狭幅通路内部への出口と、前記アレッジ空間へのアレッジ開口とを備える。前記充填の過程中は前記低温流体が前記アレッジ空間から規制されている。

本発明の更なる実施形態に含まれる低温タンクアセンブリでは、前記充填の過程の完了時、前記アレッジ空間には低温液体が実質的に存在しない。
本発明の更なる実施形態に含まれる低温タンクアセンブリの充填導管は、前記狭幅通路と前記広幅通路との間に傾斜部を備えている。傾斜通路は、前記充填の過程中における充填管路の前記低温流体内部での流れの分離を低減するように決定された距離に亘り、狭幅通路の断面積から広幅通路の断面積へと拡張している。

本発明の更なる実施形態に含まれる低温タンクアセンブリの充填導管は、前記狭幅通路
の上流で第２の広幅通路を更に画定している。第２の広い断面積が狭幅通路の断面積より大きい。

低温タンクアセンブリの更なる実施形態は、前記アレッジ通路を介する以外は密閉されているアレッジ容器を備える。
低温タンクの更なる実施形態は、前記低温流体空間と前記アレッジ空間とを連通させる制限的な排液口を有するアレッジ容器を備える。この開口は充填の過程の前の前記アレッジ空間からの低温液体の排液を可能にする。

更に、本開示には、初期の圧力下でアレッジ空間が低温流体で充填されるのを防止するとともに、低温貯蔵空間を低温流体で充填する方法も含まれる。前記方法には、狭幅通路と広幅通路とを有する充填導管を介して前記低温流体を前記低温貯蔵空間に移送する工程が含まれる。前記広幅通路が前記狭幅通路より下流に配置されている。更に、アレッジ導管を介した前記狭幅通路と前記アレッジ空間との間で流体の連通が可能である。前記アレッジ導管は前記充填導管の前記狭幅通路へのアレッジ出口を画定している。前記方法には更に、狭幅通路の圧力が前記アレッジ出口で確立されるように前記充填導管を介する前記低温流体の流量を選択する工程も含んでいる。前記通路の圧力は前記初期の圧力より低くなければならず、低温流体空間が前記低温流体で充填されている。前記低温流体空間が液体で実質的に満杯になると、前記充填導管を介した流れが停止する。

前記低温流体空間が実質的に液体で満杯の場合に引き起こされる流量の低下が検出されることで流れが停止され得る。前記流量の低下が前記アレッジ通路内への流れの分岐により引き起こされ、前記流れの分岐が前記狭幅通路を介する流れよりも更に制限的である。

本発明の更なる実施形態は、前記液体を前記低温流体空間に移送する工程の前に少なくとも一部の前記低温液体を前記アレッジ空間から排出する工程を含む。
本方法の更なる実施形態は、流量を導入する工程を含み、実質的に流れの分離がない充填導管を介して前記低温流体が送り出される。

本発明は、低温容器の充填の完了時に少なくとも部分的に空のアレッジ空間を備え、これにより、アレッジ空間に必要な体積が他の場合に要する体積よりも縮小される。更に、アレッジ空間を縮小することにより、充填中または充填前により迅速にこの空間を空にすることが可能になる。

本発明は、燃料補給の間に少なくとも部分的に空のアレッジ空間を備え、従って、燃料補給前のアレッジ容器中のいかなる残留ＬＮＧの存在に関わらずアレッジ体積を均一にすることができる。

本方法では、ＬＮＧタンクへの燃料補給の完了時にＬＮＧタンク内にアレッジ空間を設けるために圧力を利用する低温タンクが開示されている。特に、少なくとも部分的に空のアレッジ空間をＬＮＧタンク内部に固定し維持するために、ベルヌーイの法則が利用されている。

図１を参照すると、低温タンク２０が示されている。図２を参照すると、図１の低温タンクの連結部３４付近の詳細図が示されている。燃料補給管路２２が、タンク２０外部の箇所から内部容器２４内部に配置された開口２３へと延びている。燃料補給管路２２は、その経路に沿って少なくとも２つの別個の断面積を有する。これらの面積は、燃料補給管路が一般に円柱形なので、ベンチュリ径３８及び管路径４０により決定される。燃料補給管路２２のベンチュリ径３８を有する部分と燃料補給管路２２の管路径４０を有する部分
とを傾斜２５が連結している。ベンチュリ径３８は管路径４０より小さい。傾斜２５は、ベンチュリ径区域と管路径区域とを連結する角度に設定されている。この角度を参照する別の方法は、ベンチュリ管路及び燃料補給管路に平行に測定された傾斜２５の長さを参照することである。燃料補給管路のベンチュリ径３８を備えた部分は、一般にベンチュリ管路３９と呼ばれる。ベンチュリ径３８と管路径４０との比はベンチュリ比である。

傾斜２５ａ及び管路径４０ａは一般に傾斜２５及び管路径４０と同一であるが、同一でなくてはならないのではない。本実施形態では、管路径４０ａはベンチュリ径３８より大きい。

燃料補給管路２２の連結部３４から延びているのは、アレッジ管路２６であり、このアレッジ管路２６は燃料補給管路２２の連結部３４からアレッジ容器２８まで通っている。アレッジ管路２６は、図示した本実施形態では、アレッジ容器２８内部のアレッジ空間３０と内部容器２４内部の低温流体空間３２との間を連絡する唯一の手段を提供する。即ち、アレッジ管路２６の一方の端はアレッジ空間３０内部に密閉され、アレッジ空間３０と低温流体空間３２との間の連絡はアレッジ管路２６と燃料補給管路２２とを介する。

図２では、アレッジ流方向４２及び燃料流れ方向４４を表す２つの矢印が示されている。上流および下流は本明細書では燃料流れ方向４４に関して参照される。
図３を参照すると、主題のタンクの第２の実施形態が示されている。図４は、図３の第２の実施形態の連結部５８付近を中心とした詳細図を示す。本実施形態のタンク５１は、所望のアレッジ空間の供給を助けるためにベンチュリ管ではなく拡張を利用する。本実施形態は、管路径５２と拡張径５４とを有する燃料補給管路５０を示す。燃料補給管路は、燃料補給管路の管路径５２を有する部分と燃料補給管路の拡張径５４を有する部分とを分けている傾斜５６を備える。傾斜５６は、燃料補給管路に平行に測定される傾斜５６の長さについても考慮され得る傾斜角度に設定されている。連結部５８は、管路径５２の燃料補給管路５０の部分である傾斜５６の上流の燃料補給管路内部に配置されている。

拡張径５４は管路径５２より大きい。拡張径５４と管路径５２との比は本明細書では拡張比と呼ばれる。
燃料補給管路５０は開口６１で低温流体空間５９に通じている。

連結部５８では、燃料補給管路からアレッジ容器６２までアレッジ管路６０が延びており、アレッジ容器６２は、本実施形態ではタンク５１の隔壁に配置されている。本実施形態では、アレッジ管路は、燃料補給管路５０を介する以外は低温流体空間５９に制限されている。

そのため、アレッジ空間６４は、アレッジ管路６０と燃料補給管路５０とによってもたらされる通路以外は、低温流体空間５９から分離されている。
図４を参照すると、特に、アレッジ流方向６７及び燃料流れ方向６９を表す２つの矢印が示されている。上流及び下流は燃料流れ方向６９に関して参照される。

図５を参照すると、代替の実施形態のタンク５１の詳細図が、アレッジ空間６４へのアレッジ管路６０の開口６８において示されている。本実施形態は、アレッジ空間６４から低温流体空間５９へ通じるドレン経路７０を備えている。ここで、アレッジ空間６４は、ドレン経路７０と、図示されていない燃料補給管路を介したアレッジ管路６０との両方を通じ、低温流体空間５９と連通している。

図６を参照すると、タンク２０内部の様々な点での様々な圧力のグラフ表示が時間に対しプロットされている。圧力は縦軸上に示され、時間は横軸上に示されている。時間Ｔ＝
０は、燃料補給の開始の時点から測定され、その後、ＬＮＧが燃料補給管路２２を通って連結部３４を通り越して開口２３を介して低温流体空間３２へとポンプ輸送される。Ｔ＝Ｆの時間では、燃料補給ポンプが停止されグラフは終了する。

低温流体圧力１００は、タンク２０への燃料補給の開始時及び燃料補給の過程中の低温流体空間３２内部のバックグラウンド圧力を表して示されている。本用途の目的に関し、また単純化のために、低温流体空間３２内部で蒸気の崩壊が発生することは考慮されていない。アレッジ圧力１０２は、燃料補給中のアレッジ空間６４内部の圧力を表して示されている。流圧１０４は、燃料補給中の燃料補給管路内部の一般に十分上流の点での燃料補給管路２２内部の流れの圧力を表して示されている。最後に、連結部圧力１０６は、連結部３４で検出される圧力を表して示されている。

図６は、図１及び図２で提供された本実施形態に関する燃料補給の過程に亘る圧力を示すが、図３及び図４で提供される実施形態についても同一の一般的な圧力対時間のグラフが得られるであろう。加えて、グラフは実際の時間や圧力を示しておらず、タンク内部の上述した点における圧力の一般的で相対的な測定を提供するだけである。当業者には分かるように、タンク内部の圧力及び時間の実際の値は、ポンプ圧力、材料、流量、初期の又は静的な圧力、ベンチュリ径（又は場合によっては拡張径）、傾斜角度、管路径などを含む変数の数に依存して変動する。

タンク２０の内部を参照すると、燃料補給の開始時に、低温流体空間３２、アレッジ空間３０、アレッジ管路２６、燃料補給管路２２は、全て定常状態圧力かそれに近い圧力下にあり、そのような圧力は線１００，１０２，１０６において点Ｔ＝０の圧力で示されている。Ｔ＝０の流圧１０４は、燃料補給の開始時にＬＮＧが燃料補給管路２２を介して導入されるがＬＮＧが連結部３４を通過する前の圧力を表している。ＬＮＧ源から延びた充填ノズルが燃料補給管路２２に取り付けられている。ＬＮＧは保持タンクから低温流体空間へとポンプ輸送される。

更に注意すべきことは、Ｔ＝０での燃料補給の前は、低温流体空間及びアレッジ空間の温度が定常状態温度だということである。前回の燃料補給以降の期間に多少の熱が典型的には低温環境へと移動するため、多少のＬＮＧの沸騰が引き起こされ、平衡条件により現れる量以上の多少の付加的な量のガスがアレッジ空間及び低温流体空間内部にもたらされる。この量は一般に、低温流体空間及びアレッジ空間内部の温度と、これらの空間内部の任意の通気バルブに対して設定された通気圧力とにより決定される。

Ｔ＝０の直後に、燃料補給ポンプが開口２３を介して低温流体空間３２へとＬＮＧを導き、タンク２０の充填を開始する。しかし、ＬＮＧは、開口２３に達する前に、ベンチュリ管路３９を通過する。ベンチュリ管路３９の直径は、上述の通り、燃料補給管路を細めることを意味する。連結部３４の後の燃料補給管路は傾斜２５を介して管路径４０に広がる。従って、ある体積のＬＮＧは、燃料補給管路２２の管路径４０部分に沿って所与の断面積を所与の期間に亘り通過する。同一の体積が同一の期間に亘ってベンチュリ管路３９の直径３８の狭い断面積へと押し込まれる。従って、ベンチュリ管路３９内の流速は、傾斜２５を過ぎたベンチュリ管路３９の下流の、管路径４０により決定される断面積を備えた部分の燃料補給管路の流速よりも速い。ベンチュリ管路のこの流量は、ベンチュリ効果をもたらす。即ち、ベンチュリ管路内部で圧力が低下する。ベンチュリ管路３９内部のこの低い圧力は、連結部３４の圧力に影響する。即ち、連結部３４の圧力はその初期の圧力より降下する。次に、これがアレッジ管路２６及びアレッジ空間３０の圧力に影響する。アレッジ空間と連結部とで圧力の差が生じる。これにより方向４２のアレッジ流がもたらされる。

図６を参照すると、当初は、アレッジ圧力１０２は平衡状態で低温流体空間３２の圧力に等しい。しかし、充填が開始するとすぐに、連結部圧力１０６がΔＰだけ低下し、その初期の定常状態圧力より低くなり、時間Ｔ＝Ａでみられるように、連結部３４とアレッジ空間３０との間に圧力勾配がもたらされる。そのため、アレッジ圧力１０２は、連結部３４で検出された圧力と同一の圧力に対し平衡を保つように仕向けられる。従って、ＬＮＧがベンチュリ管路３９を通って流れることにより圧力勾配が確立されると、残留ガス又は液体の初期の有効な流れが、当初は多少存在すると仮定すると、アレッジ空間からアレッジ管路２６を介してアレッジ流方向４２に向かう。圧力水頭及びタンクの構造に依存して、この残留ガス及び液体は、存在する場合には、燃料補給管路２２に引き込まれる。燃料補給管路２２に引き込まれたガスは、一般に燃料補給管路２２内部で液化される。アレッジ空間から流れてくるこれらの内容物は低温流体空間３２に加えられる。

図６の時間Ｔ＝Ｅに見られるように、連結部圧力１０６及びアレッジ圧力１０２は燃料補給の過程の間に平衡状態に近づく。アレッジ空間、生じた圧力水頭、燃料補給時間の規模などの因子に依存して、燃料補給中に連結部３４の圧力とアレッジ空間３０の圧力との間に最終的には定常状態が確立され、このアレッジ空間３０の圧力は、燃料補給の開始前にアレッジ空間内部で検出された元の定常状態圧力を約ΔＰだけ下回る。ベンチュリ効果は燃料補給の間を通じて継続するが、この新しい平衡は一般に多少の調整により保持される。この調整は、燃料補給管路２２を通るＬＮＧの流量の変化と、アレッジ空間３０内部に残ったあらゆるガスに関して発生するあらゆる凝縮との結果として生じるものである。アレッジ容器２８は低温流体空間３２へと導入されたＬＮＧにより冷却され得る。

低温流体空間について検討すると、燃料補給の開始時に、定常状態の低温流体圧力（Ｔ＝０での１０２）を上回る流圧が選択されるので、ＬＮＧが低温流体空間３２に入ることが可能になる。これは低温流体圧力１００と流圧１０４との差により図６にグラフで表現されている。注意すべきは、タンクが満杯になった際に、低温流体圧力が変化する場合も、変化しない場合もある。図６では、低温流体圧力１００は、充填の間中はほぼ一定の状態にあり、タンクが液体で満杯の状態に達すると急上昇する。しかし、低温流体圧力１００は燃料補給中に蒸気の崩壊のようなものにより影響される恐れがある。しかし、本明細書の目的に関しては、低温流体空間が液体で満杯になる手前の時点までは低温流体圧力１００が一定のままであることが仮定されている。

最終的に、以上に示したように、燃料補給中に低温流体空間が液体で満杯になる。低温流体圧力は、この時点、即ち図６の点Ｆの後で急速に上昇する。低温流体空間が液体で満杯である場合には、ＬＮＧが燃料補給管路２２内部の傾斜２５の下流で充填されるので、連結部３４を過ぎて開口へ向かう流れが止まり、連結部で確立されたベンチュリ効果が終了する。そのため、連結部３４の圧力勾配は、ＬＮＧが残りの空の空間、即ちアレッジ空間のみに向けられるので、迅速に急上昇する。今度の圧力勾配は充填開始の直後に経験した圧力勾配の逆である。事実上、アレッジ管路２６を介しアレッジ空間３０へと向かう勾配が確立され、この勾配はアレッジ流方向４２と反対方向の流れを生成する。

この時点では、即ち図６の点Ｆでは、連結部３４の周囲で起きる著しい圧力上昇が燃料補給管路に沿った上流で検出される。これは、少なくとも部分的には、ベンチュリ径３８により決定されるベンチュリ管路３９の断面積より狭い断面積を備えたアレッジ管路２６を連結部３４で選択することにより引き起こされる。従って、流体の同等の体積がかなり小さい領域に突然向けられることになる。この圧力の急上昇が燃料補給管路に沿った上流で検出されると、図６の点Ｆでポンプが停止される。

ポンプを停止する直前に、少量のＬＮＧがアレッジ容器２８に導入される恐れがある。当業者には明白なように、ＬＮＧのこの量は、どの燃料補給操作においてもほぼ同じはず
なので、アレッジ容器の望ましい体積を設計する場合に考慮することができる。

燃料補給が停止されて、低温流体空間３０への流れを終了させと、燃料補給が完了次第、アレッジ空間と低温流体空間との間に確立される圧力勾配に依存して、ある量のＬＮＧがアレッジ管路２６を介してアレッジ空間３０へと流れ込む。一般に、これらの勾配が生成される１つの方法は、アレッジ容器、アレッジ管路、燃料補給管路の相対的な配向によりもたらされる重力によるものである。更に、アレッジ空間３０が少なくとも部分的に空であるため、アレッジ空間３０から引き出された流体及びガスがこの空間の圧力の低下をもたらし得るであろう。この圧力の低下は低温流体空間内部の最終的な圧力を下回る場合があり、その結果、これらの圧力を均一にする傾向が生じる。最後に、このような再分配に関わらず、重要なのは、燃料補給の完了時にアレッジ空間が提供されることである。アレッジ空間が部分的に空であるため、アレッジ空間が部分的に空になっていない状況と比較すると、同一の体積内に付加的な空間がＬＮＧの膨張のために提供されている。

図３及び図４を参照すると、本発明の代替の実施形態が提供されている。本実施形態は、連結部５８から傾斜５６に沿って燃料補給管路５０の下流部分の拡張径５４までの拡張部を備える。タンク５１への燃料補給についても、前述の実施形態の連結部３４での場合と同一の基本原理を用い、連結部５８で圧力を低下させる。管路径５２により決定される連結部５８での断面積が、傾斜５６の下流で拡張径５４により決定される燃料補給管路の断面積より狭い場合には、ＬＮＧが燃料補給管路５０を介してポンプ輸送される際に、連結部５８で減圧が生じる。この場合もまた、体積流量を維持するために連結部５８付近の流速が拡張部の流速より速い。従って、連結部で圧力が低下する。

連結部５８はアレッジ管路６０を介してアレッジ空間６４と連通しているので、連結部５８での圧力降下の結果として、アレッジ空間６４内部の初期の圧力が低下する。これが、上述の場合のように、アレッジ空間６４からのアレッジ流方向６７のガス又は液体の有効な流れを上述のようにもたらす。

燃料補給の完了時に、傾斜５６を介した流れが終了するため、流れによる圧力降下が終わり、連結部５８で圧力上昇が引き起される。この場合もまた、アレッジ管路６０の断面積は燃料補給管路の連結部５８での断面積より狭いので、著しい圧力上昇が起き、燃料補給ポンプを停止するか燃料補給を止めるようステーションに知らされる。

検討された２つの実施形態のどちらにおいても、場合によりベンチュリ管路３９又は管路の拡張が、各連結部３４，５８と各アレッジ空間３０，６４との間に、求められていた圧力勾配を一般に提供する。

図５を参照すると、アレッジ空間６４に狭い開口又はドレン経路７０が備えられており、低温流体空間５９に通じている。これは、燃料補給と燃料補給との間のアレッジ空間の排液を容易にするために備えられている。図示した実施形態では、低温流体空間５９のＬＮＧが消費されると、アレッジ空間内部の全てのＬＮＧがアレッジ空間から一般に重力により押し出される。ドレン経路のサイズが制限されているためにアレッジ空間６４の排液には遅れがあるが、アレッジ容器のあらゆるＬＮＧの液面は、一般に、低温流体空間で見られる液面と一致する。一般に、ドレン経路７０により、アレッジ空間内部の任意の量のＬＮＧが漏出させられ、次の充填のためにアレッジ空間６４はＬＮＧを有さなくなる。このドレン経路が設けられている場合に重要なのは、燃料補給中にアレッジ空間に入るＬＮＧの流れをドレン経路が制限するように、ドレン経路の大きさが決められていることである。当業者には明白なように、寸法の決定は、アレッジ空間に入る流れを制限するために必要とされる期間、即ち燃料補給に要する時間よりも、はるかに長い期間に亘るアレッジ空間からの排液に対応する必要がある。一例として、排液が少なくとも数時間に亘って行
われる可能性がある。燃料補給は数分の過程に亘り行われる。

ドレン経路７０により、閉鎖されていないアレッジ容器が導入される。しかし、当業者には明白なように、燃料補給中、当初は連結部５８での圧力水頭がドレン経路７０全体に亘って勾配をもたらすが、ＬＮＧがドレン経路の先の低温流体空間内に充填されると、ドレン経路７０は大部分で密閉される。燃料補給の過程に亘り、連結部５８で生じた重力と圧力水頭の複合効果により少量のＬＮＧがドレン経路７０を介してアレッジ空間６４に引き込まれるが、ドレン経路５８の寸法は、燃料補給の過程に亘るアレッジ空間６４へのＬＮＧの流れを回避するよう確立されながらも、依然として充填と充填との間の排液を可能にする寸法が維持されている。従って、燃料補給処理の殆ど全体を通じ、アレッジ空間は、前述の実施形態の場合と同様、事実上、閉鎖系である。

アレッジ管路２６内部で生じた効果を証明するために、連結部３４，５８と傾斜の下流との間の圧力降下ΔＰが、場合によっては、下記の式で与えられる。

上記式中、Ｑは流量であり、ｄは連結部３４，５８での内径であり、ρはＬＮＧの密度であり、Ｄは燃料補給管路２２，５０の傾斜２５，５６を越えた部分の内径４０，５４である。この圧力降下は、充填が開始されると、アレッジ管路全体に亘る圧力の降下に反映される。比ｄ／Ｄはベンチュリ比であり、場合によっては、上述のように、拡張比である。

以上のことから分かるように、それぞれ燃料補給管路内部の傾斜２５，５６の下流での各断面積と燃料補給管路内部の連結部３４，５８での各断面積との比、即ちベンチュリ比および拡張比の関数ｄ／Ｄになるように定義される圧力勾配比が、生成される圧力勾配を決定する。これら２つの直径が近づくにつれ、上記の式の第２項への影響が大きくなり、圧力勾配が小さくなる。この影響は常に圧力勾配を小さくする。一例として、適切なｄ／Ｄ比は４：５である。

上述の説明に関して注意すべき重大なことは、数式（１）が証明の目的のためにのみ提供されていることである。本論の文脈では、説明された直径は単に断面積を表すものである。重要な寸法は、燃料補給管路の傾斜の下流での断面積及び燃料補給管路の前述の連結部での断面積である。即ち、本実施形態は、説明された本実施形態で検討された円柱形の管類および材料に特有なものであり、矩形又は他の管類や他の導管材料が使用される場合には、計算を適応させる必要がある。

管状の燃料補給管路２２，５０には、再循環や流れの分離の影響が燃料補給中に燃料補給管路に沿って引き起こされる可能性を小さくするという付加的な利点がある。当業者には分かるように、本発明の利点を特に連結部３４，５８とそれらの周辺で享受するためには流れの分離を解消することが有用である。

本明細書の目的については、再循環は流れの分離とみなされるであろう。
傾斜角度、又は、斜面長は、一つには、流量及び材料の仕上がりの結果として設定される。一つには、ある一定の値を下回るＬＮＧ流量及び傾斜角度により、引き起こされた流れの分離が、上述の数式（１）で示されるような連結部３４，５８で求められている圧力降下を提供できない恐れがある。即ち、連結部と低温流体空間への開口との間の流れに流
れの分離や再循環が生じたため、有効管路径または拡張直径が、場合によって、縮小されることがある。理想的には、本発明の利益は、一つには、燃料補給管路を介するＬＮＧの流れが燃料補給管路全体を満たすことにより最も良く実現され、充填の過程中は燃料補給管路の全ての点で共通した下流への流れを有する。再循環または流れの分離は、燃料補給管路の連結部を過ぎた部分に形成される有効な拡張を低減する。滑らかな拡張は、流れの分離や再循環の低減に役立つ。燃料補給管路に用いられる流量並びに材料及びＬＮＧ（又は、タンクに揚送される任意の他の低温体や低温物質）の物理的特性などの変数に基づいて、当業者は、問題になっているシステムに適した滑らかで緩やかな拡張を提供する満足な傾斜角度又は斜面長を決定できるであろう。

一般に、傾斜角度は、管路径や拡張直径への緩やかな拡張に沿って、またその周囲で一様であるべきであり、場合によっては、燃料補給管路において拡張が一様にもたらされる。しかし、当業者には明白なように、そうなくてはならないのではない。重要なことは、必要な圧力降下が連結部で確立されることである。これは、連結部における場合より広い断面積を移動するために、下流方向への流れが拡張する場合のみに起こる。

一例として、燃料補給と燃料補給との間の３日〜５日の期間にＬＮＧを貯蔵するよう設計されたＬＮＧ保持タンクには、以下の概算のタンクの仕様が適している。
アレッジ空間（体積）と低温流体空間（体積）の比： １：１０
ベンチュリ径と管路径の比： ４：５
管路径と拡張径の比： ４：５
アレッジ管路径とベンチュリ径３８の比： １：５
アレッジ管路径と管路径５２の比： １：５
拡張やベンチュリの傾斜角度（１０、仕上がり）： ６％
本論の目的については、考慮されている燃料はＬＮＧであるが、上述の通り、液化された水素又は他の液化された炭化水素が同様に本発明を利用できる。更に、アレッジ空間は、一般に低温液体の貯蔵が必要な場合に有用である。従って、以上に提供された原理は燃料に限定される必要はないだけでなく、一般に低温又は低温の液体の貯蔵に利用されてもよい。一例として、液体ヘリウム、液体窒素、液体酸素、３つのみを挙げたが、これらの貯蔵が全てアレッジ空間を設けることによる利益を享受する。本発明はこのような液体の貯蔵のために使用可能である。

本発明の特定の要素、実施形態、用途が図示され記述されたが、もちろん、本開示の範囲を逸脱することなく、特に前述の技術に照らして、当業者により修正がなされ得るので、本発明がそれに限定されていないことがわかるであろう。

内部容器とアレッジ容器とを備えた主題のタンクの望ましい実施形態の断面図。 図１に示される主題のタンクの断面図の充填管路の連結部付近の詳細図。 内部容器とアレッジ容器とを備えた主題のタンクの第２の望ましい実施形態の断面図。 図３に示される主題のタンクの断面図の充填管路の連結部付近の詳細図。 アレッジ容器とアレッジ管路とが接続する所の付近のタンクの詳細図を図示する主題のタンクの第３の実施形態の断面図。 主題のタンクへの充填の過程中における容器の様々な位置での圧力を反映している圧力対時間のグラフ。

Claims (10)

1. 低温流体を保持する低温タンクアセンブリであって、
   ａ．低温流体空間を画定している容器と、
   ｂ．アレッジ空間を画定しているアレッジ容器と、
   ｃ．充填導管であって、
   ｉ．前記低温流体を前記低温タンクアセンブリの外部から受け入れるための入口と、
   ｉｉ．前記低温流体空間を充填する過程中に前記低温流体を前記低温流体空間に移送するための前記低温流体空間内の出口と、
   ｉｉｉ．広い断面積を画定している広幅通路と、
   ｉｖ．前記広い断面積より小さい狭い断面積を画定している狭幅通路とを備え、前記広幅通路は前記狭幅通路より下流にある、充填導管と、
   ｄ．前記狭い断面積より小さいアレッジ断面積を画定しているアレッジ導管であって、
   ｉ．前記充填導管の狭幅通路内へのアレッジ出口と、
   ｉｉ．前記アレッジ空間へのアレッジ開口とを有する、アレッジ導管とを備え、
   前記充填の過程中は、前記低温流体が前記アレッジ空間から規制されている、低温タンクアセンブリ。
2. 前記充填の過程の完了時に、前記アレッジ空間には前記低温液体が実質的にない請求項１に記載の低温タンクアセンブリ。
3. 前記充填導管が、前記狭幅通路と前記広幅通路との間に傾斜通路を画定する傾斜を更に備え、前記傾斜通路が、前記充填の過程中における前記低温流体内での流れの分離を低減するように決定された距離に亘って、前記狭い断面積から前記広い断面積へと拡張している請求項１に記載の低温タンクアセンブリ。
4. 前記充填導管が、前記狭幅通路の上流で第２の広幅通路を更に画定し、前記第２の広幅通路は前記狭い断面積より大きい第２の広い断面積を画定している請求項１又は３に記載の低温タンクアセンブリ。
5. 前記アレッジ容器が前記アレッジ通路を介する以外は密閉されている請求項１、３、４のいずれか１項に記載の低温タンクアセンブリ。
6. 前記充填の過程の前に前記アレッジ空間から前記低温液体を排出するために、前記アレッジ容器が、前記低温流体空間と前記アレッジ空間とを連通させる制限的な排液口を画定している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の低温タンクアセンブリ。
7. 初期の圧力下のアレッジ空間が低温流体で充填されるのを防止しながら、低温貯蔵空間を低温流体で充填する方法であって、前記方法は、
   ａ．狭幅通路と広幅通路とを画定している充填導管を介して前記低温流体を前記低温貯蔵空間に移送する工程であって、前記広幅通路は前記狭幅通路より下流に配置されている、工程と、
   ｂ．アレッジ導管を介して前記狭幅通路と前記アレッジ空間との間で流体の連通を可能にする工程であって、前記アレッジ導管は前記充填導管の狭幅通路へのアレッジ出口を画定している、工程と、
   ｃ．前記低温流体空間が前記低温流体で充填されている間に、前記アレッジ出口において前記初期の圧力より低い狭幅通路の圧力が確立されるように、前記充填導管を介する前記低温流体の流量を選択する工程と、
   ｄ．前記低温流体空間が実質的に液体で満杯になったとき、前記充填導管を介した流れ
   を停止する工程とを含む方法。
8. 前記低温流体空間が実質的に液体で満杯になると、流量の低下が検出され、前記流量の低下は、前記狭幅通路を介する流れよりも更に制限的である前記アレッジ通路への流れの分岐のためである、請求項６に記載の方法。
9. 前記液体を移送する工程の前に、少なくとも一部の前記低温液体を前記アレッジ空間から排出する工程を更に含む請求項７に記載の方法。
10. 前記流量は、実質的に流れの分離を生じることなく、前記充填導管を介して前記低温流体が移送されるように選択される請求項７に記載の方法。

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