JP2008281495A - 気密試験システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタンクの気密試験に要する時間を短縮して、気密試験を効率的に行うことができる気密試験システムを提供する。
【解決手段】気密試験の対象であるガスタンク１が配置されるチャンバ１０と、該チャンバ１０内を冷却するドライアイス１５と、ガスタンク１に、内圧が該ガスタンクの使用圧力となるように気密試験用のガスを導入する試験ガス用配管１３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタンクのガス漏れ等を検査する気密試験システム及び方法に関する。

近年、燃料電池の開発に伴い、燃料ガスとして使用される水素ガスを高圧で充填するガスタンクについても、その機能を向上させる研究が進んでいる。例えば、車両搭載用のガスタンクにおいては、高圧化及び軽量化の要請があり、現在では、樹脂製のライナの外側にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を形成した多層構造が主流となっている。

ところで、ガスタンクの気密試験は、ガスタンクに試験ガスを充填して内圧を使用圧力（例えば、７０ＭＰａ）まで高め、その状態で試験ガスのリークを測定することにより行われる。このような気密試験においては、試験ガスの充填を開始してから、リーク測定できる状態になるまで、長時間を要することが問題となっている。

その理由は、次の通りである。即ち、試験ガスをガスタンクに充填する際には、断熱圧縮によりガスタンクの温度が上昇してしまう。ところが、気密試験は常温付近で行われるため、一旦上昇したガスタンクの温度が低下するのを待たなくてはならない。

ここで、タンクの温度Ｔは、次式によって表される。
（タンクの温度）＝（タンクの初期温度）＋（断熱圧縮による温度上昇分）
（断熱圧縮による温度上昇分）
＝（内部エネルギーの増加量）−（放熱量）
／（試験ガス及びガスタンク等の熱容量）

先に述べたように、車両搭載用のガスタンクにおいては高圧化が進められているため、試験ガスの充填時には、内部エネルギーの増加量が大きくなる。また、樹脂ライナ及びＣＦＲＰ製のガスタンクについても、板厚を増加させる傾向にあり、放熱量は少なくなっている。そのため、試験ガスの充填が終了した時点で、ガスタンクの温度が、例えば１００℃程度に至る場合もあり、そこから常温に戻るまで、長時間を要している。

或いは、試験ガスの充填時に、なるべく断熱圧縮が生じないように、充填速度を制御することも考えられる。しかし、この場合には、試験ガスの充填作業そのものに時間がかかってしまう。特に、ある程度の容積がある高圧ガスタンクの場合には待ち時間が長くなり、作業効率は良くない。

関連する技術として、特許文献１には、原子炉圧力容器の上蓋に、冷却水が流れる網目状配管を被着することにより、定期検査時に原子炉圧力容器を冷却して検査時間を短縮することが開示されている。
特開２０００−４６９８５号公報

特許文献１においては、定期検査の対象である原子炉圧力容器に、冷却水を流通させる配管を被着している。しかし、数多くのガスタンクについて気密試験が順次実施されるシステムにおいて、各ガスタンクにそのような配管を設けることにすると、作業が煩雑になり、手間やコストを要してしまう。

そこで、本発明は、ガスタンクの気密試験に要する時間を短縮して、気密試験を効率的に行うことができる気密試験システム及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る気密試験システムは、ガスタンクの気密試験を行うシステムであって、気密試験の対象であるガスタンクが配置されるチャンバと、前記チャンバ内を冷却する冷却手段と、前記ガスタンクに、内圧が該ガスタンクの使用圧力となるように、気密試験用のガスを導入する配管とを備える。

かかる構成とすることにより、ガスタンクに気密試験用のガスを高圧に充填する際に、断熱圧縮によるガス及びガスタンクの温度上昇を低減できると共に、ガスタンクの温度が一旦上昇しても速やかに冷却することができる。

本発明の第２の観点に係る気密試験システムは、ガスタンクの気密試験を行うシステムであって、圧力容器が配置されるチャンバと、前記チャンバ内を冷却する冷却手段と、前記圧力容器に、内圧が気密試験の対象であるガスタンクよりも高くなるように、気密試験用のガスを導入する第１の配管と、前記圧力容器から前記ガスタンクに気密試験用のガスを導入する第２の配管とを備える。

かかる構成とすることにより、圧力容器に気密試験用のガスを高圧に充填する際に、断熱圧縮によるガス及び圧力容器の温度上昇を低減できる。さらに、気密試験用のガスを、高圧側の圧力容器から、それよりも低圧となるようにガスタンクに導入するので、断熱圧縮によるガス及びガスタンクの温度上昇を抑制することができる。

ここで、前記冷却手段として、前記チャンバ内に冷却媒体を配置することにより、チャンバ内の構成を複雑化することなく、ガスタンク又は圧力容器を直接冷却することができる。冷却媒体としては、ドライアイスや、液体窒素や、これらと熱交換することにより冷却されたガス等が用いられる。

また、このとき、前記配管又は前記第１の配管を、前記冷却媒体と接するように配設することにより、冷却された気密試験用のガスがガスタンク又は圧力容器に導入されるので、ガスタンク又は圧力容器の温度上昇をさらに低減することができる。

前記冷却手段は、前記チャンバの外側から、前記チャンバを介して前記ガスタンク又は前記圧力容器を冷却しても良い。
例えば、前記冷却手段として、気密試験用のガスが充填された蓄圧器を前記チャンバの外側に配置し、前記配管又は前記第１の配管を介して、前記蓄圧器に充填されているガスを前記ガスタンク又は前記圧力容器に導入しても良い。この場合には、蓄圧器に充填されているガスをガスタンク等に導入することにより、蓄圧器の温度が断熱膨張により低下して、チャンバを冷却する。

或いは、前記冷却手段として、冷却媒体を通過させる熱交換器を用いても良い。
例えば、前記熱交換器に液化ガスを導入して、これを気化させることにより、前記チャンバを効率良く冷却することができる。
その際に、チャンバ内にファン等の熱交換促進手段をさらに設置することにより、ガスタンク又は圧力容器の冷却効率をさらに高めることができる。
また、前記配管又は前記第１の配管を介して、前記熱交換器において気化されたガスを前記ガスタンク又は前記圧力容器に導入しても良く、この場合には、ガスタンク等を内部から冷却することができる。

本発明の第１の観点に係る気密試験方法は、ガスタンクの気密試験を行う方法であって、気密試験の対象であるガスタンクをチャンバ内に配置するステップと、前記チャンバ内を冷却するステップと、前記ガスタンクに、内圧が該ガスタンクの使用圧力となるように、気密試験用のガスを導入するステップとを備える。

また、本発明の第２の観点に係る気密試験方法は、ガスタンクの気密試験を行う方法であって、圧力容器をチャンバ内に配置するステップと、前記チャンバ内を冷却するステップと、前記圧力容器に、内圧が気密試験の対象であるガスタンクよりも高くなるように、気密試験用のガスを導入するステップと、前記圧力容器から前記ガスタンクに気密試験用のガスを導入するステップとを備える。

本発明によれば、充填速度を特に制御することなく気密試験用のガスをガスタンクに充填しても、ガスタンクの温度の大幅な上昇を抑えることができると共に、ガスタンクが常温に戻るまでの時間を短縮することができる。従って、気密試験に要する時間全体を短縮し、効率的に試験を行うことができる。さらに、ガスタンクの温度上昇が低減されるので、ガスタンク自体への温度の影響を抑制することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１の（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る気密試験システムの内部を示す側面図であり、図１の（ｂ）は、同正面図である。

この気密試験システムは、ガスタンク１について気密試験を行うシステムであり、チャンバ１０と、試験ガス供給源１１と、バルブ１２が設けられた試験ガス用配管１３と、支持台１４とを含んでいる。また、ガスタンク１には、充填系のバルブ１ａ及び供給系のバルブ１ｂが設けられている。

チャンバ１０は、断熱性を有する材料によって形成されており、その内部には、ガスタンク１を支持する支持台１４が配置されている。
試験ガス供給源１１は、気密試験用のガスとして、例えば、窒素（Ｎ₂）ガスや、ヘリウム（Ｈｅ）ガスや、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを供給する。

試験ガス用配管１３は、ガスタンク１の充填系のバルブ１ａに接続されており、試験ガス供給源１１から供給された試験ガスをガスタンク１に導入する。また、試験ガス用配管１３には、圧力検出器（図示せず）が設けられている。
さらに、この気密試験システムには、ガスタンク１からのリークを測定する際に用いられる測定器（図示せず）が設けられている。

この気密試験システムにおいて、気密試験は次のように行われる。
まず、図２に示すように、支持台１４上にガスタンク１を設置し、その周囲に冷却媒体としてドライアイス１５を配置する。それにより、ガスタンク１が冷却される。そして、その状態でバルブ１２を開弁し、ガスタンク１の内圧がその使用圧力（例えば、７０ＭＰａ）となるように、ガスタンク１に試験ガスを充填する。このとき、ガスタンク１自体は、その周囲に配置されたドライアイス１５により冷却されているので、その内部において試験ガスが断熱圧縮しても、ガスタンク１自体の温度上昇は低減される。また、試験ガス用配管１３もドライアイス１５によって冷却されており、そこを通過することにより冷却された試験ガスが、ガスタンク１内に導入されるため、ガスタンク１の温度はさらに上昇し難くなる。
その後、ガスタンク１の内圧が所定の値になると、バルブ１ａ及びバルブ１２が閉弁され、ガスタンク１のリーク測定が開始される。

このように、本実施形態によれば、チャンバ内にドライアイスを配置することにより、試験ガスの充填時におけるガスタンクの温度上昇を低減すると共に、ガスタンクの温度低下を促進することができる。それにより、試験ガスの充填後、ガスタンクが常温に戻るまでの時間を短縮することができ、気密試験を効率的に行うことが可能になる。

また、ガスタンクの温度上昇が低減されることにより、熱によるガスタンクへの影響を抑制することができる。例えば、ガスタンクに含まれる樹脂ライナや、ガスタンクの口金に設けられた樹脂製の部材（Ｏリング等のシール部材）等の熱劣化を抑えることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る気密試験システムについて、図３を参照しながら説明する。
本実施形態に係る気密試験システムは、図１に示す気密試験システムに対し、液体窒素プラント２０と、熱交換器２１と、バルブ２２が設けられた冷却ガス導入配管２３とが更に設けられている。その他の構成については、図１に示すものと同様である。

本実施形態においては、冷却ガス導入配管２３からチャンバ１０内に冷却ガス２４を導入することにより、ガスタンク１や試験ガス用配管１３を冷却する。その際には、冷却ガスとして、液体窒素プラント２０から供給された液体窒素を熱交換器２１において気化させ、潜熱により温度が低下した窒素ガスが用いられる。或いは、冷却ガスとして、ヘリウム等の不活性ガスを、他の冷却媒体（ドライアイス、液体窒素等）との間で熱交換させたり、断熱膨張を生じさせることにより冷却させたものを用いても良い。

次に、本発明の第３の実施形態に係る気密試験システムについて、図４を参照しながら説明する。
本実施形態に係る気密試験システムは、チャンバ３０と、該チャンバ３０の周囲に配置された蓄圧器３１と、試験ガス用配管３２とを有している。これらのチャンバ３０及び蓄圧器３１は、二重構造のチャンバを形成している。また、蓄圧器３１は、試験ガス供給源１１から供給される試験ガスを蓄えている。さらに、試験ガス用配管３２は、蓄圧器３１に蓄えられた試験ガスを、ガスタンク１に導入するように配設されている。

気密試験を行う際には、まず、蓄圧器３１に蓄えられている試験ガスを、試験ガス用配管３２を介してガスタンク１に導入する。それにより、蓄圧器３１側の圧力が急激に低下するので、断熱膨張により蓄圧器３１内のガスの温度が低下する。それに伴い、チャンバ３０を介してガスタンク１が冷却される。その結果、試験ガスを充填する際のガスタンク１の温度上昇が低減される。また、ガスタンク１には、断熱膨張により温度が低下した試験ガスが導入されるので、やはり、ガスタンク１の温度上昇は抑えられる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る気密試験システムについて、図５を参照しながら説明する。
本実施形態に係る気密試験システムは、断熱性を有する材料によって形成されたチャンバ４０と、液体窒素プラント４１と、熱交換器４２と、ファン（熱交換促進装置）４３と、コンプレッサ４４とを含んでいる。また、図５においては、チャンバ４０内に、気密試験の対象である３つのガスタンク１が配置されている様子が示されている。

本実施形態においては、液体窒素プラント４１から熱交換器４２に液体窒素を導入して、液体窒素を気化させる。その際に、潜熱によって窒素の温度が低下するので、ファン４３により気流を形成し、熱交換器４２の周囲の冷気をガスタンク１に吹き付けることにより、ガスタンク１を冷却する。また、熱交換器４２から導出された窒素ガスは、コンプレッサ４４によって、例えば２５ＭＰａ〜７０ＭＰａ程度に圧縮され、試験ガスとしてガスタンク１に充填される。

図６に、試験ガスをガスタンクに充填したときのガスタンクの温度変化を測定する実験の結果を示す。曲線（１）は、実施例として、図５に示す気密試験システムを用いて試験ガスを充填した場合の温度変化を示しており、曲線（２）は、比較例として、従来の方法により試験ガスを充填した場合の温度変化を示している。

曲線（２）に示すように、比較例においては、ガスタンクに試験ガスを約７０ＭＰａとなるように充填したことにより、試験ガスを充填し終えた時点（時間ｔ₁≒３０分）で、ガスタンクの温度は約１００℃まで上昇してしまった。そのため、ガスタンクの温度が常温まで低下して、気密試験の測定を開始できる状態になるまで（時間ｔ₂≒１２０分）、長時間（ｔ₂−ｔ₁≒９０分）待たなくてはならなかった。

一方、曲線（１）に示すように、実施例においては、比較例と同じ量の試験ガスを、比較例よりも急速（約２倍の速度）に充填したにもかかわらず、試験ガスを充填し終えた時点（時間ｔ₀≒１５分）でガスタンクの温度は約４０℃であり、温度上昇幅は比較例の半分以下であった。また、ガスタンクの温度が最高になった時点から常温に低下するまでの待ち時間は、比較例の１／６（ｔ₁−ｔ₀≒１５分）程度であった。即ち、試験ガスの充填を開始してから気密試験を開始できる状態になるまでのトータルの時間を、比較例の１／４程度まで短縮することができた。

このように、本実施形態によれば、ガスタンク１を外側から冷却しつつ、液体窒素を気化させた比較的低温の窒素ガスをガスタンク１に充填するので、ガスタンク１の温度上昇を低減すると共に、一旦上昇したガスタンク１の温度を速やかに常温に戻すことができる。従って、気密試験に要する時間を短縮することができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る気密試験システムについて、図７を参照しながら説明する。
本実施形態においては、図５に示す気密試験システムに対して、冷却用の液体窒素とは別に試験ガス供給源５０を設けたものである。この場合には、試験ガスとして、ヘリウムガスやアルゴンガス等、窒素ガス以外のガスを使用することができる。また、熱交換器４２から導出された窒素ガスは、コンプレッサ４４を介して液体窒素プラント４１に循環させられ、冷却用の液体窒素として再利用される。

次に、本発明の第６の実施形態に係る気密試験システムについて、図８を参照しながら説明する。
本実施形態においては、液体窒素プラント４１から熱交換器４２に向けて、液圧ポンプ６０を用いて液体窒素を圧送する。その他の構成については、図５に示すものと同様である。

液圧ポンプ６０を用いることにより、液体窒素は、例えば２０ＭＰａ程度まで加圧されて熱交換器４２に導入される。それにより、熱交換器４２における窒素の循環効率が良くなり、その結果、ガスタンク１の冷却効率、及び、ガスタンク１への試験ガスの充填効率を向上させることができる。

次に、本発明の第７の実施形態に係る気密試験システムについて、図９を参照しながら説明する。
本実施形態に係る気密試験システムは、チャンバ４０内に配置された蓄圧器７０を介して、ガスタンク１に試験ガスを充填することを特徴としている。また、本実施形態において、ガスタンク１はチャンバ４０外に配置されている。その他の構成については、図８に示すものと同様である。なお、図９には、ガスタンク１の数に対応して、３つの蓄圧器７０が示されている。

コンプレッサ４４によって圧縮された窒素ガスは、蓄圧器７０に、内圧がガスタンク１の使用圧力（例えば７０ＭＰａ）よりも高く（例えば９０ＭＰａ）なるように充填される。ここで、蓄圧器７０は、冷風を吹き付けられることにより冷却されているので、大きな温度上昇を招くことなく、試験ガスを高圧で充填することができる。また、温度が上昇した場合においても、蓄圧器７０を素早く冷却することができる。

試験ガスが蓄圧器７０に所定の圧力で充填されると、次に、蓄圧器７０からガスタンク１に試験ガスが導入される。このとき、窒素ガスの圧力は、蓄圧器７０の内圧からガスタンク１の使用圧力まで低下する（即ち、試験ガスは圧縮されない）ので、ガスタンク１自体を冷却しなくても、ガスタンク１の温度上昇を抑えることができる。

なお、本発明の第１〜第６の実施形態に係る気密試験システムについても、第７の実施形態におけるのと同様に、冷却された圧力容器（蓄圧器等）に一旦試験ガスを充填し、圧力容器からガスタンクに試験ガスを導入するようにしても良い。

次に、本発明の第８の実施形態に係る気密試験システムについて、図１０を参照しながら説明する。
本実施形態においては、図９に示す気密試験システムに対して、ガスタンク１をチャンバ４０内に配置している。その他の構成については、図９に示すものと同様である。この場合には、ガスタンク１の温度上昇をさらに抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 図１に示す気密試験システムに冷却媒体（ドライアイス）が配置されている様子を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 試験ガスをガスタンクに充填する際のガスタンクの温度変化を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。 本発明の第８の実施形態に係る気密試験システムの構成を示す図である。

符号の説明

１…ガスタンク、１０、３０、４０…チャンバ、１１、５０…試験ガス供給源、１３、３２…試験ガス用配管、１５…ドライアイス、２０、４１…液体窒素プラント、２１、４２…熱交換器、２３…冷却ガス導入配管、２４…冷却ガス、３１、７０…蓄圧器、４３…ファン、４４…コンプレッサ、６０…液圧ポンプ

Claims (12)

1. ガスタンクの気密試験を行うシステムであって、
   気密試験の対象であるガスタンクが配置されるチャンバと、
   前記チャンバ内を冷却する冷却手段と、
   前記ガスタンクに、内圧が該ガスタンクの使用圧力となるように、気密試験用のガスを導入する配管と、
   を備える気密試験システム。
2. ガスタンクの気密試験を行うシステムであって、
   圧力容器が配置されるチャンバと、
   前記チャンバ内を冷却する冷却手段と、
   前記圧力容器に、内圧が気密試験の対象であるガスタンクよりも高くなるように、気密試験用のガスを導入する第１の配管と、
   前記圧力容器から前記ガスタンクに気密試験用のガスを導入する第２の配管と、
   を備える気密試験システム。
3. 前記冷却手段は、前記チャンバ内に配置される冷却媒体である、請求項１又は２記載の気密試験システム。
4. 前記配管又は前記第１の配管は、前記冷却媒体と接するように配設されている、請求項３記載の気密試験システム。
5. 前記冷却手段は、前記チャンバの外側から、前記チャンバを介して前記ガスタンク又は前記圧力容器を冷却する、請求項１又は２記載の気密試験システム。
6. 前記冷却手段は、気密試験用のガスが充填された蓄圧器であり、
   前記配管又は前記第１の配管は、前記蓄圧器に充填されているガスを前記ガスタンク又は前記圧力容器に導入する、
   請求項５記載の気密試験システム。
7. 前記冷却手段は、冷却媒体を通過させる熱交換器を含む、請求項１又は２記載の気密試験システム。
8. 前記熱交換器は、導入された液化ガスを気化させる、請求項７記載の気密試験システム。
9. 前記チャンバ内に熱交換促進手段をさらに備える、請求項８記載の気密試験システム。
10. 前記配管又は前記第１の配管は、前記熱交換器において気化されたガスを前記ガスタンク又は前記圧力容器に導入する、請求項８又は９記載の気密試験システム。
11. ガスタンクの気密試験を行う方法であって、
    気密試験の対象であるガスタンクをチャンバ内に配置するステップと、
    前記チャンバ内を冷却するステップと、
    前記ガスタンクに、内圧が該ガスタンクの使用圧力となるように、気密試験用のガスを導入するステップと、
    を備える気密試験方法。
12. ガスタンクの気密試験を行う方法であって、
    圧力容器をチャンバ内に配置するステップと、
    前記チャンバ内を冷却するステップと、
    前記圧力容器に、内圧が気密試験の対象であるガスタンクよりも高くなるように、気密試験用のガスを導入するステップと、
    前記圧力容器から前記ガスタンクに気密試験用のガスを導入するステップと、
    を備える気密試験方法。

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