JP2008525733A - 加圧ガスリザーバの制御された充填方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、加圧ガスボンベを充填する方法であって、前記充填は注入圧力が最大充填圧力に達したときに中断され、前記ボンベ内の前記最大充填圧力は、以下の２つの条件、公称充填容量又はボンベ設計温度のより厳しい方に適合するように計算されることを特徴とする方法に関する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ガスボンベの充填を制御する方法に関する。
本発明において、加圧ガスを貯蔵するための密閉構造の容器を示す用語「ボンベ」及び「リザーバ」は、等価物として使用される。

環境保全が企業及び個人の双方にとって益々切迫した関心事になりつつあるので、自動車両用の「クリーン」な燃料への要求は着実に高まっている。

従来の燃料を置き換える１つの可能な選択肢は、ガスの使用である。
しかしながら、リザーバを液体燃料であるガソリン又は燃料オイルで充填することは容易且つ迅速な作業であるのに対し、リザーバをガスで充填することは遥かに慎重な扱いを要する作業である。ガスの圧縮率のせいで、その充填は、相当な温度上昇へと導き得て、移送される材料の量を「計測」する問題を生じさせる。

実際、ガスは、ガス貯蔵ゾーンから加圧ガスリザーバ又はボンベ（ガス及び適用に依存して２００バール以上）中へと注入されねばならず、その貯蔵ゾーン自体は高圧又は低圧下にあり、後者の場合、コンプレッサを使用することが必要である。

安全の理由で、リザーバ内の最終圧力は、リザーバ内のガスの温度及び貯蔵されるガスの質量と同様に、それらリザーバの製造業者によって定められたリザーバ強度限界を超えてはならない。その上、充填がより速くなると、温度上昇がより大きくなり、それゆえ、リザーバ内部のガスの量を最適化することがより難しくなる。

従って、複数のリザーバが非常に頻繁にそれらの容量未満に充填され、充填がより頻繁に生じ、消費は推定が難しく、ユーザにとって不快さを生む。

更に、ボンベ内部のガス温度は得るのが非常に難しいことが気付かれねばならない。というのは、それは、ボンベ内に直接に設置される温度プローブの取り付け及びこれが示唆する全ての密閉の問題並びにデータ交換のための車両と貯蔵ステーションとの間の接続を必要とするからである。

明らかに、同様の困難が、全てのタイプのリザーバ又はボンベへのガスの供給について生じる。

従来から、充填は、周囲温度で、或る原理を用いて行われている。その原理によると、欧州特許出願公開第１２０５７０４号及び欧州特許出願公開第１３３６７９５号にあるようにオンボード温度測定、即ちボンベ内のガス温度の測定を用いて、又は、計量（米国特許第４５２７６００号、米国特許第４６４８４３０号、米国特許第５７１１９４７号、米国特許第５７７１９４８号、米国特許第５８１００５８号、米国特許第５８８１７７９号）によって若しくは流量の測定（米国特許第４９９３４６２号、米国特許第５２３８０３０号、米国特許第５７５２５５２号）によって得られる注入された質量の測定を用いることにより、測定されるパラメータ、即ち圧力及び／又は温度が制御される及び／又はこれらパラメータの最大値が概算される。

更に、不十分な充填の問題を克服する他の方法は、欧州特許出願公開第１３３１２８９号に記載されているように、ボンベに入るガスを周囲温度未満の値に設定された温度へと冷却することにある。しかしながら、選択される温度は、最適化されず、それらボンベを最適且つ安全に充填する包括的な解決法にはならない。

欧州特許出願公開第１４５２７９４号は、周囲温度によって決まる速度で充填する方法を記載しており、その充填は、リザーバ内で測定される温度が上限に達したときに中止される。

米国特許第５６２８３４９号は充填方法を記載しており、その充填速度は、リザーバ内で測定されるガス温度に応じて調節される。

米国特許第６５９８６２４号は、充填方法を記載しており、充填速度がリザーバ内で測定される瞬間圧力に応じて調節される充填方法を記載している。

記述される全ての方法は、測定されるべき複数のパラメータ、特にはガスの内部温度が比較的得難いか若しくは車両への適用のための計量などの或る適用には不適当であるので実行が困難であるか、又は、或る場合に正確性を欠く測定手段、特には水素の場合には質量流量を測定するための機器を使用し、そのため、ボンベ内の最高温度は制御されないか又はそれは充填の最適化を可能としない。

それゆえ、オペレータが入手可能なデータに拘らず、そして、特には彼がリザーバ内の温度を測定できないときに信頼することができ、実行が容易であり、使用が容易であり、どのようなタイプのボンベ及びどのようなタイプの充填、特には急速充填にも適した、ガスボンベ又はリザーバを制御する方法への真の必要性が存在している。

以下の用語が、本発明において使用される。
「公称圧力」又は「使用圧力」は、ボンベが満たされているときに、一定の温度、例えば１５℃（２８８Ｋ）でガス供給物が到達し得る最大圧力である。

「公称温度」は、ボンベの公称圧力が規定される温度（典型的には１５℃）である。

「ボンベ設計温度」は、使用時のボンベ内で到達させられ得る最高温度であり、この値は製造業者によって与えられる。

「公称充填容量」は、所定のボンベ内に貯蔵させられ得るガスの質量である。この値は、製造業者によって指定され、一般には、公称温度における公称圧力の形で与えられる。

ボンベの「最大許容温度」は、使用時のボンベ内で超えられてはならない最大圧力である。

本発明者らは、長く徹底的な研究の後に、列挙した様々な要求は、以下の２つの条件、公称充填容量及びボンベ設計温度のより厳しい方に対応した最大充填圧力を計算することによって満たされ得ることを見出している。最終充填圧力がこの最大充填圧力以下の場合には、充填動作は、ボンベの動作限界内に留まる。

この方法は、２つの安全性限界値、即ちボンベの公称容量及び最大許容温度を満足させるのに貢献するので、「安全である」と呼ばれる。

最大充填圧力は、好ましくは、事前に測定した周囲温度及び初期圧力の、並びに、例えば単位時間当たりの圧力単位（例えば、バール／秒）で表される充填速度の関数として計算される。

実際には、まず、初期ボンベ圧力が、少量のガスを注入することによりコネクタ及び充填ラインを複数のボンベと釣り合わせることによって測定される。周囲温度も、充填ステーションの位置で測定される。そのステーションの位置で測定される周囲温度は、複数のボンベの周りの雰囲気を代表していなければならない。一般に、充填ターミナルの位置で測定される温度は、それらボンベの位置における温度をまずまず代表しているが、それは、これを確認するのに役立つかも知れない。このシステムは、次いで、公称質量又は設計温度に対応する最大圧力を、測定された複数のパラメータ、即ち周囲温度及びボンベ内の初期圧力を用いて、及び、単位時間当たりの圧力単位で定められた速度の値を用いて計算する。充填の間、ガス圧が、音波素子の下流のコネクタ又は充填ラインの位置で測定される。このレベルで測定される圧力は、充填の間のそれらボンベ内の圧力と等しい。次いで、ロボットは、この圧力の時間についての導関数を計算し、このパラメータはリザーバ充填速度を表す。その後、充填は、それらボンベ内の圧力がこのようにして計算される最大圧力に到達したときに中止される。このようにして、充填は、測定される注入圧力のみを用いて制御されている。
本発明によると、それゆえ、リザーバ温度をリアルタイムで測定することが必要である。

本発明の他の特定の態様によると、ガス注入圧力の充填時間又は速度の関数についての単位時間当たりの圧力単位で表される導関数の値は、
・充填速度が、その公称充填容量に見合い且つ充填時間に拘らないボンベの最小充填率を得るのに貢献するか、−この最小充填率は、システムの固有データであって、顧客の要求に準拠した値に相当しており、水素車両充填の分野においては、例えば、顧客は、典型的には例えば９０％の最小充填率を要望するかも知れない−
・又は、充填速度は、所定の最大時間内に及び充填の最後における充填率に拘らずに充填を完了するのに貢献しなければならない−この最大充填時間は、システムの固有データであって、顧客の要求に準拠した値に相当しており、水素車両充填の分野においては、例えば、顧客は、典型的には例えば３分の最大充填時間を要望するかもしれない−
という２つの基準によって決定され得る。

この基準が選択されると、充填速度は、周囲温度及び事前に測定された初期圧力に依存してもよい。

これら選択（その基準及びその限界値）は、顧客又は充填ステーションのオペレータのイニシアチブに委ねられ、各々の新たな充填の前に為されるか又は全ての充填について固定され得る。

この速度は、典型的には０．０５バール／秒乃至２０バール／秒であり、好ましくは０．１０乃至１５バール／秒であり、より好ましくは０．５バール／秒乃至１２バール／秒である。

有利な他の代替によると、充填は、「コールド」で行われ得る。即ち、所定の温度まで冷却されたガスを用いて実行され得る。

この特定の態様によると、ボンベ内のガス注入温度が以下のパラメータ、初期圧力、周囲温度、最終充填圧力及び充填速度、に従って計算され、ボンベの動作限界に準拠しながら所定の充填時間内にボンベの公称貯蔵容量を得る。

最終圧力は、例えば、プロセスの条件に応じて任意に設定され得る。しかしながら、それは、ボンベの最大許容圧力未満でなければならない。例えば、加圧ボンベが加圧された複数の貯蔵容器を釣り合わせることにより満たされる場合、最終圧力は、それら容器の貯蔵圧力によって制限されるか、又は、圧力の釣り合わせのせいでより低い値に制限される。

このようにして決定した注入ガス温度は、以下の２つの条件、公称容量に達すること及びボンベの動作限界が守られることを満足させるのに役立つ。

この方法は、「安全」且つ「最適」である。というのは、それは、ボンベの動作限界に準拠しつつ、ボンベ内に最終的に貯蔵されるガスの質量を最適化するのを助けるからである。

実際には、まず、複数のボンベの初期圧力が、少量のガスを注入して、コネクタ及び充填ラインをそれらボンベと釣り合わせることにより測定される。また、周囲温度が、充填ステーションの位置で測定される。このステーションの位置で測定される周囲温度は、それらボンベを取り囲んでいる雰囲気の代表値でなければならない。一般に、充填ターミナルの位置で測定される温度は、それらボンベの位置における温度をまずまず代表するが、それは、これを確認するのに役立つかもしれない。充填速度が、単位時間当たりの圧力単位で決定される。また、最終充填圧力が、オペレータによって設定される。

次いで、システムは、ボンベ入口におけるガス温度を、以下の測定パラメータ、周囲温度、（コネクタの位置で測定された）ボンベ内の初期圧力を用いて、及び、オペレータによって又はプロセス条件によって設定された最終圧力と圧力の時間についての導関数の値とを用いて計算する。

このようにして計算された温度が周囲温度よりも高い場合、オペレータは、前述の態様に係る方法を実行する（充填は、注入圧力がより厳しい以下の２つの条件、公称充填容量及びボンベ設計温度に対応する最大充填圧力に達したときに中断される）。

このようにして計算された温度が周囲温度よりも低い場合、ボンベ内に入るガスは、この温度にまで冷却されなければならない。このようにして計算された注入温度は、ボンベの動作限界内に維持しつつ、公称搭載量までの充填を可能とし、その充填は、それらボンベ内の圧力が所定の圧力に到達したときに終了させられる。

他の「コールド」充填モードによると、充填温度は一定条件である。この場合、最終充填圧力は、有効な充填を可能とするように計算された圧力であってもよい。

この特定の態様によると、最終充填圧力は、以下のパラメータ、初期圧力、周囲温度、ボンベに入るガスの温度、及び充填速度に従って、ボンベの動作限界に準拠しつつ、所定の充填時間内にボンベの公称貯蔵容量に到達するように決定及び計算される。

本発明の方法は、急速充填、とりわけ自動車の急速充填に特に有用である。

本発明において、急速充填は、１分乃至１０分間で完了しなければならない充填である。この時間は、充填されるべき複数のボンベ及び／又は車両のタイプ（例えば、スクータ、乗用車又はバス）に依存する。

本発明は、ガスのタイプに拘らずに使用可能である。例えば、それは、メタン、水素、酸素、窒素、ヘリウムなどと関わっていてもよい。車両用途は、特には、天然ガス、メタン及び水素を狙っている。

それらボンベ又はリザーバは、それらの目的に応じて様々な容量を有している。例えば、自家用車については、合計容量は約１００乃至１５０Ｌである。その車両は、この容量の単一のリザーバ又は並列に配置されたより小さな複数のリザーバを装備していてもよい。

有利には、ボンベの形状は、充填の最後で、それが均一なガス温度の獲得を提供するものでなければならない。この特徴はボンベの幾何に依存し、それは、有利には、長さＬと直径Ｄとの比Ｌ／Ｄが６未満、好ましくは１乃至５、より好ましくは１乃至４の略円筒形である。

更に、有利には、充填されるべきそれらリザーバは水平又は垂直に配置され、この場合、充填は、上方から下方へと実行される。

本発明は、以下の例においてより詳細に記載され、それらは、本発明を例証するためのみに与えられ、非制限的である。

例
例１及び２：最終圧力の概算による安全な充填
以下の例１及び２において、使用されたボンベは、Ｄｙｎｅｔｅｋ １５０Ｌボンベである。

充填ガスは水素である。

以下の表記が使用される。

− Ｐｆ＝バールで表した最終圧力、Ｐｆ＝Ｍｉｎ（Ｐｆ_85℃；Ｐｆ_100%mass）であって、Ｐｆ_100%massはそれよりも高いとボンベ内に貯蔵される公称質量を上回る限界圧力であり、Ｐｆ_85℃はそれよりも高いとボンベの温度限界を上回る限界圧力である。

− Ｔａｍｂ＝Ｋで表した周囲温度。

− Ｐ０＝バールで表した初期圧力。

− （Ｐ０、１５℃）＝１５℃に合わせたバールで表した初期圧力。

− Ｖ＝バール／秒で表した速度。

− Ｔｒ＝充填ガス温度（Ｋ）。

− Ｔｆ＝Ｋで表した最終温度。

計算式
Ｐｆ_100%massは、それよりも高いとボンベ内に貯蔵される公称質量を上回る限界最終圧力であって、以下の等式（１）によって決定される。

ここで、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、回帰によって（試験又はシミュレーションによって）得られる係数である。これら係数は、任意に、ボンベのタイプに固有であってもよい。

Ｐｆ_85℃は、それを超えるとボンベ設計温度を上回る最終限界圧力であって、以下の等式（２）によって決定される。

ここで、
ＡＡ＝ａａａ×Ｔａｍｂ²＋ａａｂ×Ｔａｍｂ＋ａａｃ
ＢＢ＝ｂｂａ×Ｔａｍｂ²＋ｂｂｂ×Ｔａｍｂ＋ｂｂｃ
ＣＣ＝ｃｃａ×Ｔａｍｂ²＋ｃｃｂ×Ｔａｍｂ＋ｃｃｃ
ＤＤ＝ｄｄａ×Ｔａｍｂ²＋ｄｄｂ×Ｔａｍｂ＋ｄｄｃ
である。

そして、ここで、係数ａａａ、ａａｂ、ａａｃ、ｂｂａ、ｂｂｂ、ｂｂｃ、ｃｃａ、ｃｃｂ、ｃｃｃ、ｄｄａ、ｄｄｂ及びｄｄｃは、充填速度Ｖの３次多項式である。

決定される各種係数は、ボンベのタイプに固有であって、回帰によって（試験又はシミュレーションによって）決定される。

コールド充填については、それよりも高いとボンベ内に貯蔵される公称質量を上回る最終限界圧力であるＰｆ_100%massは、以下の等式によって決定される。

ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｇは、回帰によって（試験又はシミュレーションによって）得られる。これら係数は、ボンベのタイプに固有であってもよい。ａ、ｂ、ｃ及びｄは、周囲温度でのガス充填に使用されるのと同様の係数であってもよい。

例１
オペレータは、最大使用温度が８５℃（３５８Ｋ）であるＤｙｎｅｔｅｋ １５０Ｌボンベを水素で充填することを望む。

彼は、周囲温度（３２℃）とボンベ入口における初期圧力（５０バール）とを測定する。彼は、このボンベを、２バール毎秒の速度で充填することを決断する。

次に、コンピュータは、彼に、等式（１）を用いて、Ｐｆ_100%mass＝４４７バールであり、Ｐｆ_85℃＝３０４バールであることを助言する。それゆえ、最終充填圧力は、これら２つの値のより小さい方、即ち３０４バールと等しい。

オペレータは、先に指摘した通り、コネクタの位置で圧力を測定しつつ、充填速度を２バール毎秒に調節し、充填を開始する。ロボットは、圧力上昇速度を２バール／秒の設定値を基準として制御するために、この圧力の時間についての導関数を計算する。

この圧力が３０４バールに達したとき、充填は中止される。

このように実行される充填プロトコルを、以下の表に纏める。

例２
オペレータは、最大使用温度が８５℃（３５８Ｋ）であるＤｙｎｅｔｅｋ １５０Ｌボンベを充填することを望む。

彼は、周囲温度（２０℃）とボンベ入口における初期圧力（６０バール）とを測定する。彼は、このボンベを、２バール毎秒の速度で充填することを決断する。

コンピュータは、彼に、以下の等式を用いて、１００％充填については、最終圧力は４２７バールであることを助言する。

最終圧力は、８５℃の最終温度に対応しており、４３８バールよりも高い。それら２つの値のより小さい方は、明らかに４２７バールに相当している。

次に、オペレータは、先に指摘した通り、コネクタの位置で圧力を測定しつつ、充填速度を２バール毎秒に調節し、充填を開始する。ロボットは、圧力上昇速度を２バール／秒の設定値を基準として制御するために、この圧力の時間についての導関数を計算する。充填は、圧力が４２７バールに達したときに中断される。

このように実行される充填プロトコルを、以下の表に纏める。

例３：注入温度の概算によって最適化される安全な充填
オペレータは、使用圧力が３５０バールであり、４３８バールの最大圧力に耐え得るＤｙｎｅｔｅｋ １５０Ｌ型ボンベを水素で充填することを望む。オペレータは、充填を４００バールの圧力で終了することを望む。

オペレータは、周囲温度（３５℃）とボンベ入口における圧力（３０バール）とを測定する。彼は、このボンベを、１．２５バール毎秒の速度で充填することを決断する。

コンピュータは、彼に、充填は−３３℃のガス注入温度で実行されねばならないことを助言する。

次に、オペレータは、ガス注入温度を−３３℃に及び充填速度を１．２５バール毎秒に調節し、ボンベ内の圧力を測定しつつ充填を開始する。圧力は、コネクタの位置で動的に測定される。

ロボットは、圧力上昇速度を１．２５バール／秒の設定値を基準として制御するために、この圧力の時間についての導関数を計算する。ボンベ内の圧力が４００バールに達したとき、充填は中止される。

このように実行される充填プロトコルを、以下の表に纏める。

例４
次に、オペレータは、同一のボンベを、０℃で利用可能なガスで充填することを望む。充填条件は、周囲温度＝３０℃であり、ボンベ注入圧力＝１５バールである。オペレータは、ボンベを２バール毎秒の速度で充填することを望む。

コンピュータは、彼に、充填は４２５バールの圧力で中断されねばならないことを助言する。

次いで、オペレータは、ボンベ内の圧力を測定しながら、ガス注入温度を０℃に及び充填速度を２バール毎秒に調節し、充填を開始する。ボンベ内の圧力が４２５バールに達したとき、充填は中止される。

このように実行される充填プロトコルを、以下の表に纏める。

Claims (17)

1. 加圧ガスボンベを充填する方法であって、前記充填は、ボンベ内の注入圧力の時間の関数としての導関数などの充填速度の規定値を用いてパラメータで表され、前記充填は、前記ボンベ内の前記注入圧力を用いて制御され、前記充填は、前記注入圧力が最大充填圧力に達したときに中断され、前記ボンベ内の前記最大充填圧力は、以下の２つの条件、公称充填容量又はボンベ設計温度のより厳しい方に適合するように計算されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記最大圧力は、周囲温度及び前記ボンベ内の初期圧力の関数として計算されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記周囲温度及び前記ボンベ内の前記初期温度は、充填の前に測定されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法であって、前記最大充填圧力は、前記充填速度の関数として計算されることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法であって、前記充填速度は、所望の充填率に応じて及び／又は所望の充填時間に応じて選定されることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記充填速度は、周囲温度と充填前に測定される前記ボンベ内のガスの初期圧力とに応じて選定されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法であって、前記充填速度は、前記ボンベ内の前記注入圧力の時間の関数としての導関数として表現され、０．０５バール／秒乃至２０バール／秒、好ましくは０．１０乃至１５バール／秒、より好ましくは０．５バール／秒乃至１２バール／秒であることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法であって、前記充填速度は、充填時にオペレータによって又は自動的に選択される方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法であって、前記充填は、前記ボンベ内の前記注入圧力のみを用いて制御されることを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法であって、前記ボンベの充填は、前記初期圧力、前記周囲温度及び前記最大充填圧力の関数として計算される温度で実行されることを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記充填の温度は、前記充填速度の関数として計算されることを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、前記充填最大圧力は、前記初期圧力、前記周囲温度、前記ボンベの入口におけるガスの温度、及び前記充填速度の関数として計算されることを特徴とする方法。
13. 請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の方法であって、計算される前記充填の温度は、前記周囲温度未満であることを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の方法であって、前記ボンベは、長さＬと直径Ｄとの比Ｌ／Ｄが６未満の、好ましくは１乃至５の、より好ましくは１乃至４の略円筒形であることを特徴とする方法。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の方法であって、前記ボンベの公称充填容量に対応した条件に相当する前記最大充填圧力（Ｐｆ_100%mass）は、等式：
    

    

    によって計算され、ここで、
    − ＴａｍｂはＫで表した周囲温度であり、
    − Ｖはバール／秒で表した前記ボンベの充填速度であり、
    − Ｐ０はバールで表した初期圧力であって、（Ｐ０、１５℃）は１５℃に合わせたバールで表した初期圧力であり、
    − ａ、ｂ、ｃ及びｄは、回帰によって得られる係数であることを特徴とする方法。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の方法であって、前記ボンベの公称充填容量に対応した条件に相当する前記最大充填圧力（Ｐｆ_100%mass）は、等式：
    

    

    によって計算され、ここで、
    − ＴａｍｂはＫで表した周囲温度であり、
    − ＴｒはＫで表した充填ガスの温度であり、
    − Ｖはバール／秒で表した前記ボンベの充填速度であり、
    − Ｐ０はバールで表した初期圧力であって、（Ｐ０、１５℃）は１５℃に合わせたバールで表した初期圧力であり、
    − ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｇは、回帰によって得られる係数であることを特徴とする方法。
17. 請求項１乃至１６の何れか１項に記載の方法であって、前記ボンベ設計温度に対応した条件に相当する前記最大充填圧力（Ｐｆ_85℃）は、多項式：
    

    

    によって計算され、ここで、
    − Ｐ０はバールで表した初期圧力であり、
    − ｎは３以上の整数であり、
    − 係数ＡＡ、ＢＢ、ＣＣ．．．、ＺＺは、充填されるボンベに固有であり且つ回帰によって得られる充填速度の多項式関数であることを特徴とする方法。