JP2008510115A - 深冷媒体用貯蔵容器 - Google Patents

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Abstract

外側容器と、少なくとも１つの内側容器と、外側容器と単数又は複数の内側容器との間に配置された少なくとも１層の金属層を有する断熱体と、内側容器に対する深冷媒体の充填及び／又は取出用の２系統以上のプロセス管路とを備えた貯蔵容器、特に深冷媒体用、主に液体水素用の貯蔵容器を述べている。本発明によれば、プロセス管路の少なくとも２系統は気化深冷媒体を単数又は複数の内側容器から放出するための手段を有している。気化深冷媒体を放出するための手段は、放出すべき気体の流量を調整可能とするように構成されている。

Description

本発明は、外側容器と、少なくとも１つの内側容器と、外側容器と単数又は複数の内側容器との間に配置された少なくとも１層の金属層を有する断熱体と、内側容器に対する深冷媒体の充填及び／又は取出用の２系統以上のプロセス管路とを備えた貯蔵容器、特に深冷媒体用、主に液体水素用の貯蔵容器に関するものである。
本書において「プロセス管路」なる用語は、外側容器を貫通してその内部の単数又は複数の内側容器に接続され、この単数又は複数の内側容器に深冷媒体を充填し、或いは単数又は複数の内側容器から深冷媒体を取り出すためのあらゆる形態の管路を意味する。
また、以下の説明で特定の深冷媒体を表わす場合、それらの凝集状態に応じて「気体」には語頭に「Ｇ」、「液体」には語頭に「Ｌ」を付すものとし、例えば気体水素はＧＨ２、液体水素はＬＨ２と表すものとする。
現在、特に水素はエネルギー需要の増大と環境意識の高まりによってエネルギー媒体としてますます重要となっている。既にトラックやバス、或いは乗用車の駆動に水素作動エンジンもしくは燃料電池が利用されている。更に水素を燃料とする航空機の初期実験も進行中である。
これらの交通手段に搭載する形式での水素の貯蔵は液体の形態が最も有利であるとされている。このためには確かに水素を約２１Ｋに冷却してこの低温状態に維持する必要があり、これは貯蔵容器又は貯蔵タンクに相応する断熱措置を施すだけで実現できるのであるが、これに対して気体状態での水素の貯蔵は、ＧＨ２が低密度であることから、通常は蒸気交通手段に搭載する形式では不利であり、その理由は、充分な量を積載するには高圧に圧縮して大容積の重い貯蔵容器を搭載しなければならないからである。
冒頭に記載の二重式の貯蔵容器においてさえ周囲から内側容器への熱侵入を完全に阻止することはできないので、貯蔵容器から深冷媒体が比較的長期間に亘って取り出されないままにされると、内側容器の内部に貯蔵された深冷媒体の温度及び圧力が上昇することになる。その場合、内側容器の設計安全圧力値に応じて充填及び／又は取出用の管路に設けられている逃し弁を介して深冷媒体の気体分をときどき貯蔵容器から排出又は放出する必要がある。貯蔵容器が例えば自動車に搭載されている場合、放出される気化深冷媒体のために例えば金属水素化物貯蔵器等の付加的な貯蔵装置が設けられていない限り、貯蔵容器から放出される気体分は利用されることなく失われてしまうことになる。
従来の液体水素貯蔵容器は、内部の液体水素が気化して気体水素の損失を生じるに至るまでに２〜３日の有効寿命を実現している。エネルギー担体として特に乗用車における水素の利用が受け入れられるか否かは、就中、乗用車の可能な稼働時間の長さによって左右される。２〜３日後にタンクから水素を抜くことは決してユーザに受け入れられることではない。
液体状態の深冷媒体の貯蔵に用いる貯蔵容器の断熱構造は、一般にいわゆる超断熱体によって達成されている。これは複数層の薄いアルミニウム箔及び／又はアルミニウム蒸着膜の層間にガラスクロス又はガラスマット層を介装した積層体からなる。層間のガラスクロス又はガラスマット層は、アルミニウム箔及び／又はアルミニウム蒸着膜同士が接触して熱的短絡を引き起こすのを防止する。
更に、冒頭に述べた形式の貯蔵容器において、外側容器内部の特定温度領域に内側容器をほぼ完全に取り囲むアルミニウム又は銅製のシールド体を配置し、内側容器から気化深冷媒体を放出するために逃し弁を設けた取出用管路をこのシールド体と熱的に結合することは既に提案されている。この場合、アルミニウム又は銅製のシールド体は気化深冷媒体の放出時に取出用管路内に流れる気化深冷媒体によって冷却（再冷却）される。貯蔵容器の外部から侵入した熱流はアルミニウム又は銅製シールド体が配置されている特定温度領域に至るまでの間に放出気化深冷媒体を加温しながらこの放出気化深冷媒体に吸収され、再び外部へと運ばれることになる。これにより内側容器への熱流の侵入をかなり減らすことが可能である。基本的に複数のアルミニウム又は銅製シールド体を配置しておくこともでき、これにより断熱作用は更に向上する。しかしながら、このような設計の貯蔵容器は製造コストがかなり高くなる。
冒頭に述べた形式の深冷媒体用貯蔵容器は特許文献１により公知である。この公知の貯蔵容器では、充填及び／又は取出用のプロセス管路の少なくとも１つが外側容器と内側容器との間に配置された超断熱体の単数又は複数の金属層と直接的及び／又は間接的に熱接触している。しかしながら、このような構造設計は多くの場合に技術的な理由から実現が困難であり、過度に高い製造コストの負担を余儀なくする。
独国特許出願公開第１０３５３３８２号明細書
即ち、冷却を担うプロセス管路は、管路内を流れる深冷媒体との熱交換のために熱交換が起き得るように特定長さに亘ってシールド体又は単数又は複数の金属層に熱伝導接触されていなければならない。この熱伝導接触は、接触部材の蝋付又は熱伝導性接着剤による接着によって行われる。このための作業は製造プロセス中にかなりの時間を必要とする。それに加えて、進行中の製造プロセスがこれらの作業によって中断される。更に、設計上の理由からプロセス管路を所要の長さで熱伝導接触させることができないことも多く、その理由は、そのために必要な空間が超断熱体内で利用できないからである。
本発明の課題は、内部に貯蔵した深冷媒体に対する熱の侵入を減らし、放出気化深冷媒体量の著しい減少を簡単な手段で可能とする冒頭に述べた形式の深冷媒体用貯蔵容器を提供することである。
この課題を解決するための本発明による貯蔵容器は、冒頭に述べた形式の深冷媒体用貯蔵容器において、プロセス管路の少なくとも２系統が単数又は複数の内側容器から気化深冷媒体を放出するための手段を備えていることを特徴としている。
本発明によれば、いまやプロセス管路の少なくとも２系統、即ち充填用と取出用の２系統のプロセス管路が設けられているだけの場合は両方のプロセス管路が気化深冷媒体（即ち熱の侵入によって内側容器内の上部空間に生じる気体）を放出するための手段を備えている。従って、単数又は複数の内側容器への熱侵入を不可避的に導くこれらのプロセス管路は、気化深冷媒体の放出のたびに再冷却されることになる。
本発明に係る貯蔵容器の基本理念を展開して、気化深冷媒体を放出するための手段は放出すべき気体の流量を調整可能とするように構成されていることが好ましい。
この構成によれば、例えば長さを異にするがその他では違いのない２系統のプロセス管路を介して気化深冷媒体の放出を行う場合、両方のプロセス管路のうち、長い方のプロセス管路を介して放出される気体よりも、より多くの熱の進入を内側容器内へ導く短い方のプロセス管路を介して多量の気体を放出させることが可能である。
その際、気化深冷媒体を放出するための手段は、本発明に係る貯蔵容器の有利な一実施形態に従って、弁、特にリリーフ弁、及び／又は絞り弁として構成されていることが好ましい。
本発明に係る貯蔵容器の更に好ましい実施形態によれば、プロセス管路に加えて少なくとも１系統の放出管路が設けられ、この放出管路が気化深冷媒体を制御下に放出する手段を備えている。この放出管路は断熱体の金属層の少なくとも１層と直接的及び／又は間接的に熱接触していることが好ましい。
また、付加的な放出管路は単数又は複数のプロセス管路と直接的及び／又は間接的に熱接触していることが好ましい。
直接的熱接触は例えば金属接着テープ、熱伝導性接着剤及び／又は熱伝導性ペーストを用いて達成できる。但し、場合によっては間接的熱接触、即ち放射による熱エネルギーの伝達を利用して付加的放出管路からプロセス管路への所要の冷却エネルギーの充分な伝達を引き起こすことも勿論可能である。
このような付加的な放出管路は、プロセス管路と比べて小径のパイプで構成することができる。その理由は、本発明に係る貯蔵容器では、放出すべき気化深冷媒体の量が従来技術の設計による貯蔵容器に比べてかなり減少するからである。
即ち、一言で表現すると、本発明に係る貯蔵容器は多くの「放出経路、即ち放出の可能性」を有すると言うことができる。従って放出気化深冷媒体、即ちその加温エネルギーを一層良好に利用できるので、放出気化深冷媒体の量は従来技術による貯蔵容器に比べて少なくなることになる。
プロセス管路及び場合によって設けられる付加的な放出管路を介して放出される気体の流量は基本的にこれら管路のそれぞれについて個別に制御することが可能である。これにより、放出される気体の流量は、材料や長さ等の各管路パラメータに最適に適合させることが可能である。
従って異なる放出経路を介した気化深冷媒体流の選択的な放出及び放出流量の調整又は制御を実行する管理システムを組み合わせることも可能である。
本発明によれば、いまや前述の諸欠点による特に液体水素燃料利用の受け入れに対する阻害要因を解消する程度にまで、或いは完全に無視できる程度にまで気化深冷媒体の放出量を減少又は低下させることが可能である。例えば本発明に係る貯蔵容器を搭載した自動車内に更に付加的に金属水素化物貯蔵器を設置すると、僅かな流量で放出される気化深冷媒体をこの貯蔵器で実用上ほぼ完全に捕集して貯蔵し、損失を生じることなく有効利用することが可能となる。
このため、本発明に係る深冷媒体用貯蔵容器は、可搬タンク、特にあらゆる種類の水素燃料自動車用車載タンクとして使用するのに好適である。
本発明に係る深冷媒体用貯蔵容器及び従属請求項の対象であるその他の諸構成を図示の実施形態に基づいて詳述すれば以下の通りである。
添付の図１は、例えば液体水素等の深冷媒体用の貯蔵容器の概略構成を示す断面図である。
この貯蔵容器は、液体水素を燃料とする自動車に搭載されて利用されるものであり、外殻を構成する外側容器１と、外側容器の内部に配置されて貯蔵すべき液体水素３を収容する内側容器２と、外側容器１と内側容器２との間に配置された複数層の金属層４、４’、４”…とを有している。これらの金属層は、前述したように層間の熱的短絡防止層と共に積層体構造の超断熱体を形成している。
図示の貯蔵容器は、更に３系統のプロセス管路、即ち内側容器２に貯蔵すべき深冷媒体を供給する充填管路５と、内側容器２から液体の深冷媒体と気体の深冷媒体をそれぞれ取り出すための２系統の取出管路６、７とを有している。これら３系統のプロセス管路５、６、７のそれぞれには１つずつの遮断弁ａ、ｂ又はｃが設けられている。
内側容器２には更に付加的は放出管路８が接続されており、この放出管路８を介して内側容器２内の上部空間に生じる気体深冷媒体を取り出すことができるようになっている。この放出管路８は、超断熱体の金属層４、４’、４”…に熱的に接触した放出管路９と、取出管路６に熱的に接触した放出管路１０とに分岐されている。更に、充填管路５と取出管路７には放出管路１１と１２がそれぞれ接続されている。
放出管路９〜１２のそれぞれには１つずつの調圧可能なリリーフｄ、ｅ、ｆ又はｇが設けられ、これらの弁によって各放出管路の選択的な放出動作と放出圧力や流量が調整又は制御される。各放出管路を介して流出される気体流は集合管路１３に集められ、大気中に放出されたり、或いは更に有効利用するために例えば搭載電源支援用の電気エネルギーを発生する燃料電池へ供給される。この場合、本発明により、気化深冷媒体の予想される放出量はごく僅かであるので、集合管路から放出される気化深冷媒体は空気・酸素混合物との触媒反応又は燃焼によって水に変換してから周囲に安全に放出することができる。
適正にプログラムされた管理システムを用いて各弁を自動制御することにより、いまや充填管路５と放出管路１２、取出管路７と放出管路１１、更に各専用の放出管路８、９、１０を介して内側容器２の上部空間から気化深冷媒体を適切な放出圧力及び流量で取り出すことができる。この場合、気化深冷媒体が通過する各管路は放出に際して気化深冷媒体によって冷却され、同時に断熱体の単数又は複数の金属層４、４’、４”…もそれに熱的に接触している放出管路９を介して冷却され、これにより内側容器内に貯蔵されている深冷媒体への外部からの熱侵入を効果的に低減することができる。
本発明の一実施形態による深冷媒体用貯蔵容器の概略構成を示す断面図である。

Claims (7)

  1. 外側容器と、少なくとも１つの内側容器と、外側容器と単数又は複数の内側容器との間に配置された少なくとも１層の金属層を有する断熱体と、内側容器に対する深冷媒体の充填及び／又は取出用の２系統以上のプロセス管路とを備えた貯蔵容器、特に深冷媒体用、主に液体水素用の貯蔵容器において、プロセス管路（５、６、７）の少なくとも２系統が単数又は複数の内側容器（２）から気化深冷媒体を放出するための手段を備えていることを特徴とする貯蔵容器。
  2. 気化深冷媒体を放出すための手段が、放出すべき気体の流量を調整可能とするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の貯蔵容器。
  3. 気化深冷媒体を放出するための手段が、弁（ａ〜ｇ）、特にリリーフ弁、及び／又は絞り弁として構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯蔵容器。
  4. プロセス管路（５、６、７）に加えて少なくとも１系統の放出管路（８〜１３）が設けられ、この放出管路が気化深冷媒体を制御下に放出する手段を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の貯蔵容器。
  5. 放出管路（８〜１３）の少なくとも１系統が断熱体の金属層（４、４’、４”、…）の少なくとも１層と直接的及び／又は間接的に熱接触していることを特徴とする請求項４に記載の貯蔵容器。
  6. 放出管路（８〜１３）の少なくとも１系統が単数又は複数のプロセス管路（５、６、７）と直接的及び／又は間接的に熱接触していることを特徴とする請求項４又は５に記載の貯蔵容器。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の貯蔵容器の可搬タンク、特に自動車用車載タンクとしての使用。
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