JP2017044217A

JP2017044217A - ガス充填装置

Info

Publication number: JP2017044217A
Application number: JP2015164707A
Authority: JP
Inventors: 公貴坂本; Kimitaka Sakamoto; 達夫菅田; Tatsuo Sugata
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Measurement Ltd
Current assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-02

Abstract

【課題】燃料タンク２へのガス充填に要する時間が長くなるか否かを判別することができ、作業者の負担を軽減することができるようにする。【解決手段】制御装置２３は充填開始可否判断手段を備えている。この充填開始可否判断手段は、蓄圧器６を用いて燃料タンク２へのガスの充填を開始するとき、蓄圧器６内のガス圧力或いはガス容量が、所定の圧力またはガス容量以上の場合には、開閉弁２０を開弁させて燃料タンク２へのガス充填を行う。しかし、蓄圧器６内のガス圧力或いはガス容量が所定の圧力またはガス容量未満の場合には、開閉弁２０を閉弁した状態に保持する。開閉弁２０が閉弁状態に保持されているときは、例えばユーザにガス充填に少し時間がかかることを説明したり、例えば蓄圧器６への高圧ガスの補充作業を行ったりする等の対応をすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば水素等の高圧ガスを車両の燃料タンクに充填するのに好適に用いられるガス充填装置に関する。

一般に、水素、天然ガス等の高圧ガスを被充填タンク（４輪自動車等の車両に搭載した燃料タンク）に充填して供給するようにしたガス充填装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の従来技術によるガス充填装置は、例えばコンプレッサ等の昇圧器を用いて蓄圧器内に高圧ガスを予め蓄圧（貯蔵）しておき、この蓄圧器と被充填タンクとの間の圧力差を利用することにより、高圧ガスを蓄圧器から被充填タンクに向けて充填するようにしている。

特許第５４６１７９１号（特開２０１０−１９１９号）公報

ところで、上述した従来技術では、蓄圧器内のガスの圧力が低下し、被充填タンクとの間でガス圧力の差が小さくなった場合に、前記タンクに対するガスの充填時間が長くなってしまう。一方、ガス充填に要する時間は、通常のガソリン燃料を燃料タンクに給油する場合と同等の時間（例えば、５分以内）とすることが望まれている。

しかし、例えばガス供給ステーションに到着した車両（顧客）に対して、前記蓄圧器から車両の燃料タンクに順次ガス充填を行う場合に、充填作業者は当該ガスの充填に要する時間を知らされていない。このため、充填作業者は、充填作業にどれくらいの時間が必要なのかに不安をもつことがあり、充填作業時の負担が余分に増大するという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、被充填タンクへのガス充填に要する時間が長くなるか否かを判別でき、作業者の負担を軽減することができるようにしたガス充填装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、予めガスが蓄圧されている蓄圧器とガス供給経路を介して接続され、当該ガスを被充填タンクに充填するためのカップリングと、前記ガス供給経路に設けられ、開弁することにより前記蓄圧器内のガスを前記カップリングへ供給する開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御することにより、前記被充填タンクへのガスの供給を制御する充填制御手段と、からなるガス充填装置に適用される。

そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記充填制御手段は、前記被充填タンクへのガスの充填を開始するとき、前記蓄圧器内のガス圧力またはガス容量が、所定の圧力またはガス容量以上の場合には、前記開閉弁を開弁させて前記被充填タンクへのガス充填を行い、前記蓄圧器内のガス圧力またはガス容量が、所定の圧力またはガス容量未満の場合には、前記開閉弁を閉弁した状態に保持する充填開始可否判断手段を備えたことにある。

請求項２の発明によると、前記充填開始可否判断手段は、前記蓄圧器から被充填タンクに向けて供給可能なガス容量としての蓄圧器ガス容量と、前記被充填タンクに供給しようとするガス容量としての被充填タンクガス容量とを演算し、前記蓄圧器ガス容量が前記被充填タンクガス容量以上の場合に、前記開閉弁を開弁させて前記被充填タンクへのガス充填を開始させ、前記蓄圧器ガス容量が前記被充填タンクガス容量未満の場合には、前記開閉弁を閉弁した状態に保持する構成としている。

請求項３の発明によると、前記充填開始可否判断手段が前記蓄圧器内のガス容量の不足を判断した場合には、その旨を報知する報知手段を設ける構成としている。

上述の如く、請求項１の発明によれば、蓄圧器内のガス圧力（または、ガス容量）が所定の圧力（または、ガス容量）未満まで低下した場合には、充填開始可否判断手段により開閉弁を閉弁した状態に保持することができる。このため、ガス充填を行う作業者は、蓄圧器内のガスの圧力（ガス残量）が低下したことにより、開閉弁が閉弁状態に保持されていると判断することができ、例えば顧客に対してガス充填に少し時間がかかることを説明したり、例えば蓄圧器への高圧ガスの補充作業を行ったりして、迅速な対応、対策を講ずることができる。

請求項２の発明は、蓄圧器内のガス容量を、「蓄圧器から被充填タンクに向けて供給可能なガス容量としての蓄圧器ガス容量」とし、所定のガス容量を、「被充填タンクに供給しようとするガス容量としての被充填タンクガス容量」としている。そして、蓄圧器ガス容量と被充填タンクガス容量とを予め演算しておくことにより、蓄圧器から被充填タンクにガス充填を行う前に、充填作業者は当該ガスの充填に要する時間が長くなるか否かを知ることができる。そして、ガス充填の時間が長くなるときには、開閉弁を閉弁した状態に保持することにより、例えば蓄圧器への高圧ガスの補充作業を行うことができ、充填時間を短くするための対応を迅速に行うことができる。

請求項３の発明によれば、充填開始可否判断手段により蓄圧器内のガス容量が不足すると判断した場合に、報知手段を作動させてガス容量の不足を報知することができる。

本発明の実施の形態によるガス充填装置を模式的に示す全体構成図である。図１中の充填制御装置によるガス充填制御処理を示す流れ図である。

以下、本発明の実施の形態によるガス充填装置を、添付図面の図１および図２に従って詳細に説明する。

本実施の形態に係るガス充填装置１は、例えば自動車の燃料タンク２（被充填タンク）に圧縮したガス（本実施の形態では、水素ガス）を充填するように供給するため、一般にガス供給ステーションと呼ばれる設備等に設置されている。ガス充填装置１は、高圧に圧縮されたガスを貯蔵するガス貯蔵部３と、該ガス貯蔵部３からのガスを自動車の燃料タンク２に充填、供給するためのディスペンサユニット４と、ガス貯蔵部３からディスペンサユニット４にわたって延びるガス供給経路５とを含んで構成されている。

ガス供給経路５は、一端（上流端）側が後述の蓄圧器６に接続され、他端（下流端）側は後述の充填ホース１４を介して充填ノズル１５に接続されている。この充填ノズル１５は、ガス供給経路５の下流端側を自動車の燃料タンク２の供給口（以下、充填口２Ａという）に接続自在にするためのカップリング（接続部）を構成している。

ガス充填装置１のガス貯蔵部３は、蓄圧器６と、昇圧器としてのコンプレッサ７とを含んで構成されている。蓄圧器６は、コンプレッサ７により圧縮された高圧のガスを蓄圧するための容器であり、例えば複数個のボンベを互いに並列に接続してなる圧力容器として形成されている。蓄圧器６は、その流入側がガス導管８を介してコンプレッサ７の吐出側に接続され、ガス導管８の途中には逆止弁９が設けられている。逆止弁９は、蓄圧器６内のガスがガス導管８内を逆流するのを防止している。

コンプレッサ７は、例えば複数段でガスを圧縮する多段式の圧縮機からなり、その吸込管路１０は、例えば水素ガスを貯蔵するガスタンク（または、水素ガスを生成する水素生成設備）と連通する中圧配管１１に接続されている。中圧配管１１からのガスは、吸込管路１０を介してコンプレッサ７により圧縮され、昇圧したガスがガス導管８および逆止弁９を介して蓄圧器６に供給される。蓄圧器６には、コンプレッサ７よって昇圧された高圧のガスが満圧になるまで蓄圧して貯蔵される。このため、蓄圧器６は、燃料タンク２よりも十分に高い耐圧性能をもって形成されている。

蓄圧器６内に貯蔵されたガスの圧力Ｐｃと温度Ｔｃは、圧力センサ１２と温度センサ１３とで検出され、それぞれの検出信号は、後述の制御装置２３に出力される。理想気体の状態方程式によると、下記の数１式のように、圧力Ｐと容積Ｖとは、気体のモル数ｎ、気体定数Ｒ（例えば、8.314J/mol×Ｋ）および温度Ｔ（絶対温度Ｋ）により求められる。ここで、蓄圧器６の容積Ｖｃ、圧力Ｐｃ、温度Ｔｃの関係は、数１式を用いて下記の数２式で表される。

ディスペンサユニット４には、ガス供給経路５が上流側（例えば、蓄圧器６側）から下流側にわたって延びるように配設されている。ガス供給経路５の下流側には、ディスペンサユニット４の外部へと延びる充填ホース１４が接続されている。充填ホース１４の先端には、燃料タンク２の充填口２Ａ（即ち、レセプタクル）に連結される充填ノズル１５が設けられている。

充填ノズル１５は、例えば水素ガスからなる燃料を自動車（以下、車両１６という）の燃料タンク２に供給するため、充填口２Ａに気密状態で着脱可能に接続されるカップリングを構成している。充填ノズル１５は、例えば水素ガスの充填中にガスの圧力によって充填口２Ａから誤って外れることがないように、燃料タンク２の充填口２Ａに対して係脱可能にロックされるロック機構（図示せず）を備えている。充填ノズル１５は、燃料タンク２の充填口２Ａに接続（ロック）された状態で、蓄圧器６内の高圧な燃料（水素ガス）をガス供給経路５、充填ホース１４および充填ノズル１５等を通じて車両１６の燃料タンク２に充填することができる。

ディスペンサユニット４のガス供給経路５には、上流側から下流側へと順に、調節弁としての制御弁１７、流量測定部としての流量計１８、冷却器１９、遮断弁としての開閉弁２０、圧力センサ２１および温度センサ２２等が設けられている。なお、ガス供給経路５の上流側から下流側に向けて設けられている制御弁１７、流量計１８、冷却器１９、開閉弁２０およびセンサ２１，２２等の取付けの順番は、図１中に示した順番に限定されるものではない。

ディスペンサユニット４内に設けられた制御弁１７は、例えばエア作動式で、エアの供給で開弁し、制御信号で制御圧（エア圧）を制御して弁開度が調整される弁装置である。制御弁１７は、制御装置２３の制御プログラムに基づく指令により任意の弁開度に制御され、ガス供給経路５内を流れるガスの流量、ガス圧を可変に制御するものである。

ディスペンサユニット４内に設けられた流量計１８は、ガス供給経路５の途中で被測流体の質量流量を計測するコリオリ式流量計等により構成されている。流量計１８は、例えば制御弁１７および開閉弁２０等を介してガス供給経路５内を流れる燃料、即ち水素ガスの流量（質量流量）を計測し、計測した流量に比例した数の流量パルスを後述の制御装置２３へと出力する。これによって、制御装置２３は、車両１６の燃料タンク２に対する燃料（水素ガス）の充填量を演算により求めることができ、自動車（車両１６）に対する燃料の払出し量（給油量に相当）を表示装置（例えば、後述の表示部２５またはこれ以外の表示部）等で表示し、例えば顧客等に表示内容を報知することができる。

冷却器１９は、ガス供給経路５内を流れる燃料を冷却するプレクーラ等の冷却装置である。即ち、冷却器１９は、ガスが充填される車両１６の燃料タンク２の温度上昇を防止するために、ガス供給経路５の途中位置で水素ガス（燃料）を冷却するように配設されている。冷却器１９は、ガス供給経路５の途中部位に設けられた熱交換器（図示せず）と、例えば冷媒用コンプレッサ、ポンプ等が搭載されたチラーユニット（いずれも図示せず）とを含んで構成されている。

開閉弁２０は、ガス供給経路５の途中部位（例えば、冷却器１９と圧力センサ２１との間）に設けられたエア作動式または電磁式の弁装置である。開閉弁２０は、後述する制御装置２３からの制御信号で開，閉されることにより、ガス供給経路５内でのガスの流通を許したり、または遮断したりする。即ち、制御装置２３は、充填ノズル１５を介して自動車（車両）の燃料タンク２に燃料ガスを充填するとき、または充填を停止（終了）するときに、制御弁１７と開閉弁２０との開，閉弁制御を行うものである。

圧力センサ２１は、被充填タンクである燃料タンク２内（または、燃料タンク２に連通しているガス供給経路５等の配管途中）のガス圧力を検知するセンサである。ここで、圧力センサ２１は、充填ノズル１５の近傍でガス供給経路５内の圧力を測定し、測定した圧力に応じた検出信号を制御装置２３へと出力する。制御弁１７および開閉弁２０は、ガス供給経路５を流れるガスの流量および圧力を制御する制御機器を構成している。流量計１８、圧力センサ２１および温度センサ２２は、ガス供給経路５を流れるガスの流量、温度および圧力を計測する計測機器を構成している。

ディスペンサユニット４には、制御弁１７および開閉弁２０等の制御機器を制御してガスの充填制御を行う充填制御手段としての制御装置２３が設けられている。該制御装置２３は、例えばマイクロコンピュータ等を用いて構成され、その入力側が図１に示すように、蓄圧器６側の圧力センサ１２、温度センサ１３と、ディスペンサユニット４内の流量計１８、圧力センサ２１、温度センサ２２および操作部２４等に接続されている。

ディスペンサユニット４に設けられた操作部２４は、例えば充填開始スイッチと充填停止スイッチ（いずれも図示せず）とを含んで構成されている。前記充填開始スイッチは、例えば燃料供給所の作業者等が手動で操作可能な操作スイッチで、ガスの充填を開始する場合に操作される。即ち、前記充填開始スイッチは、充填ホース１４の先端に設けられた充填ノズル１５が燃料タンク２の充填口２Ａに接続された後に、ガス充填作業を開始させるために操作される充填開始用の操作スイッチである。前記充填停止スイッチは、ガス充填作業を停止する際に操作される充填停止用の操作スイッチで、ガス充填中に充填を停止させる場合に操作される。そして、操作部２４の前記充填開始スイッチと充填停止スイッチとは、操作状態に応じた信号を制御装置２３にそれぞれ出力し、制御装置２３は、これらの信号に応じてエア作動式の空圧駆動弁または電磁弁等の自動弁からなる開閉弁２０を開弁または閉弁させる。

ディスペンサユニット４に設けられた表示部２５は、ガスの充填作業を行う作業者が視認し易い位置に配置され、ガスの充填作業に必要な情報表示等を行う。表示部２５は、制御装置２３により後述の如く充填プロトコルに準拠した充填制御を行っているときに、例えば車両１６の燃料タンク２に対するガスの充填状態等を表示して作業者に知らせる。一方、例えば図２に示すステップ６で充填開始の可否判定を行い、「ＮＯ」として充填不可と判定したときには、次のステップ１２で表示部２５により「エラー表示」を行う。これにより、表示部２５は、作業者に対して開閉弁２０が閉弁状態に保持され、ガスの充填作業ができないことを報知することができる。表示部２５は、蓄圧器６内のガス容量または圧力が不足傾向となると、これを報知する報知手段を構成している。

制御装置２３の出力側は、制御弁１７、開閉弁２０および表示部２５等に接続されている。また、制御装置２３は、不揮発性メモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等からなる記憶部としてのメモリ２６を備えている。該メモリ２６には、例えば図２に示すガス充填制御処理用のプログラム等が格納され、制御装置２３は、燃料タンク２に対する燃料（例えば、水素ガス）の充填制御処理を後述の如く行うものである。即ち、メモリ２６には、ガスの充填時に圧力センサ２１により測定された圧力値から得られる圧力上昇率が、予め設定された所定の圧力上昇率に一致するように制御弁１７の弁開度を制御する定圧上昇制御用の制御プログラム等が格納され、上述したように、制御装置２３により制御弁１７の開度が制御される。

ここで、制御装置２３は、車両１６の燃料タンク２の充填口２Ａに充填ノズル１５を接続した状態で、例えば操作部２４の前記充填開始スイッチが閉成（ＯＮ）操作されたときに、制御弁１７と開閉弁２０に開弁信号を出力して制御弁１７と開閉弁２０とを開弁させる。これにより、蓄圧器６内の水素ガスによるガスの充填作業が開始される。また、制御装置２３は、例えば流量計１８、温度センサ２２、圧力センサ２１の測定結果を監視しつつ、制御弁１７の開度等を予め設定された制御方式（定圧上昇制御方式または定流量制御方式）等で調整する。これにより、ガス供給経路５内に供給されるガスの圧力、流量を適切な流通状態に制御することができる。

このとき、制御装置２３は、流量計１８からの流量パルスを積算して燃料の充填量（質量）を演算し、燃料の充填量が予め設定された目標充填量に達するか、または圧力センサ２１により検出したガスの圧力が予め設定された目標充填圧力（目標充填圧）に達したときに、開閉弁２０を閉弁して燃料の充填を停止する。また、操作部２４の前記充填停止スイッチが操作された場合には、例えばガスの充填量や圧力が目標に達していなくても、充填動作を強制的に停止すべく開閉弁２０が制御装置２３からの信号により閉弁される。

また、メモリ２６には、蓄圧器６の内容積に相当する容積Ｖｃ（例えば、６００Ｌ）データと、蓄圧器６の満圧に該当する上限側の圧力データ等とが格納されている。蓄圧器６内に貯蔵されたガスの圧力Ｐｃと温度Ｔｃは、圧力センサ１２と温度センサ１３とで検出され、それぞれの検出信号が制御装置２３に出力されることにより、これらのデータがメモリ２６に更新可能に記憶される。ディスペンサユニット４内の流量計１８、圧力センサ２１および温度センサ２２で検出したデータについても、同様にメモリ２６に更新可能に記憶される。

制御装置２３の入力側には、ディスペンサユニット４内に設けた通信機２７が接続されている。この通信機２７は、例えば車両１６側に設けられた車載の通信機２８との間で後述のデータおよび情報の授受を行うため、無線（または、有線でも可能）の通信回線を介して車載の通信機２８に接続される。

ここで、車両１６側に設けられる車載の通信機２８は、例えばマイコン（マイクロコンピュータからなる制御ユニット）を含んで構成され、不揮発性メモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等からなる記憶部としてのメモリ２９を備えている。該メモリ２９には、例えば燃料タンク２の内容積に相当する容積Ｖｂ（例えば、１２２Ｌ）データと、燃料タンク２の圧力Ｐｂおよび温度Ｔｂ等のデータとが更新可能に格納されている。即ち、車両１６には、燃料タンク２内に供給または貯留されたガスの圧力Ｐｂと温度Ｔｂとを検出する圧力センサ３０と温度センサ３１とが設けられている。

車両１６の通信機２８は、圧力センサ３０と温度センサ３１で検出している現時点における燃料タンク２の圧力Ｐｂと温度Ｔｂ等の計測値と、メモリ２９に記憶している燃料タンク２の容積Ｖｂ等の情報を、ディスペンサユニット４の通信機２７へと送信する。このとき、ディスペンサユニット４の通信機２７は、車両１６の通信機２８から送信された情報およびデータを受信し、これらの情報およびデータを制御装置２３へと必要に応じて出力する。

制御装置２３は、通信機２７が受信した被充填タンク（即ち、燃料タンク２）の情報を元に、予めメモリ２６に記憶されている充填プロトコル情報（例えば、前述した定圧上昇制御方式または定流量制御方式等の充填処理手順）を参照し、燃料タンク２への充填プロトコルを決定する。

本実施の形態によるガス充填装置１は、上述の如き構成を有するものであり、次に、制御装置２３による燃料タンク２への燃料ガス（例えば、水素ガス）の充填制御処理について、図２を参照して説明する。

まず、処理動作がスタートすると、ステップ１で「ノズルをレセプタクルに接続」し、ガスの充填開始の前処理が行われる。具体的には、ガス供給ステーション（燃料供給所）の作業者は、ガス充填を受ける車両１６が到着すると、車両１６をディスペンサユニット４近傍の予め決められた所定位置に誘導し、充填ホース１４先端の充填ノズル１５を燃料タンク２の充填口２Ａ（レセプタクル）に連結（接続）する。

次のステップ２では、車両１６の燃料タンク２から状態情報を取得する。具体的には、ディスペンサユニット４内に設けた通信機２７が車両１６側の通信機２８と無線（または有線）で接続される。この状態で、制御装置２３は、通信機２７，２８を介して燃料タンク２のデータおよび情報の授受を行う。即ち、充填制御手段としての制御装置２３は、車両１６に設けられた燃料タンク２の容積Ｖｂ（例えば、１２２Ｌ）データと、燃料タンク２内に残留しているガスの圧力Ｐｂおよび温度Ｔｂ等のデータおよび情報を取得する。

次のステップ３で、制御装置２３は、通信機２７，２８を介して受信した燃料タンク２の情報を元に、メモリ２６に予め記憶している充填プロトコル情報を参照し、燃料タンク２へのガス充填に最適な充填プロトコルを選択して決定する。ここで、燃料タンク２の容積Ｖｂ、圧力Ｐｂ、温度Ｔｂの関係は、前記数１式を用いて下記の数３式で表される。

例えば、容積Ｖｂを１２２Ｌ、圧力Ｐｂを２０ＭＰａ（即ち、２０００００００Ｐａ）、温度Ｔｃを２０℃とした場合、現在の燃料タンク２に貯留されているガスのモル数ｎは、下記の数４式で求められる。なお、大気圧は１０１３２５Ｐａとし、気体定数Ｒ（例えば、8.314J/mol×Ｋ）、絶対温度は２７３．２度であり、温度Ｔｃは絶対温度で、２９３．２Ｋとなる。

また、気体(ガス)１モルの体積は、２２．４Ｌ(リットル)で、立方メートルに換算すると０．０２２４ｍ^３となる。従って、現在の燃料タンク２に貯留されている水素ガスのガス容量Ｖgbは、下記の数５式により、約２２．５ｍ^３として求められる。

次に、燃料タンク２内の圧力Ｐｂが目標圧力Ｐｔ、例えば７０ＭＰａ（即ち、７０００００００Ｐａ）となるまで、燃料タンク２内に燃料ガス（水素ガス）を充填する場合を例に挙げると、この場合のモル数ｎは下記の数６式となり、目標ガス容量Ｖgtは、下記の数７式により求められる。

次のステップ４において制御装置２３は、通信機２７が受信した被充填タンク（燃料タンク２）の状態情報と選択した充填プロトコルを元に、蓄圧器６から燃料タンク２にガスを充填するために必要な圧力やガス容量を計算する。ここで、燃料タンク２内にガスを目標圧力Ｐｔに達するまで充填するために必要なガス容量Ｖgd（即ち、被充填タンクガス容量）は、前記数６式による目標ガス容量Ｖgtから前記数５式による現在の燃料タンク２のガス容量Ｖgbを差し引くことによって、下記の数８式のように、約５６．１ｍ^３として求められる。

次のステップ５で、制御装置２３は、メモリ２６に記憶している蓄圧器６の容積Ｖｃ、圧力センサ１２で検出された蓄圧器６の圧力Ｐｃと、温度センサ１３で検出されたガスの温度Ｔｃから、現時点で蓄圧器６に貯留されているガス容量Ｖgcを、前記数２式に基づいて下記の数９式と数１０式とにより求める。即ち、蓄圧器６の容積Ｖｃを６００Ｌとし、圧力Ｐｃを８２ＭＰａ（即ち、８２００００００Ｐａ）とし、温度Ｔｃを２５℃（絶対温度で２９８．２度）とした場合、下記のように算出される。

ここで、蓄圧器６の圧力が前記目標圧力Ｐｔに達した場合、即ち蓄圧器６内が前記目標圧力Ｐｔまで圧力低下した場合に、蓄圧器６内に残っているガス容量Ｖgeは、前記数９，１０式と同様に、下記の数１１，１２式により求められる。

これにより、蓄圧器６から車両１６の燃料タンク２内にガスを充填し、燃料タンク２内の圧力が目標圧力Ｐｔに達するまでに必要なガス容量Ｖgf（即ち、蓄圧器６から燃料タンク２に供給可能なガス容量Ｖgfとしての蓄圧器ガス容量）は、前記数１０式による現在の蓄圧器６のガス容量Ｖgcから前記数１２式によるガス容量Ｖgeを差し引くことによって、下記の数１３式のように、約６５．１ｍ^３として求められる。

次のステップ６では、必要な蓄圧器６のガス容量と圧力と、現時点で供給可能なガス容量と圧力から、選択した充填プロトコルに準拠した充填を行うことができるか否かを、充填開始の可否判定として判定処理する。即ち、燃料タンク２内を蓄圧器６からのガス充填により目標圧力Ｐｔまで圧力上昇させるために必要な被充填タンクガス容量は、前記数８式による燃料タンク２側の必要ガス容量Ｖgd（約５６．１ｍ^３）となる。これに対して、蓄圧器６側での供給可能な蓄圧器ガス容量は、前記数１３式によるガス容量Ｖgf（約６５．１ｍ^３）として求められる。

蓄圧器６から燃料タンク２に向けてガス充填を円滑に行うためには、前記蓄圧器ガス容量が被充填タンクガス容量に対し同等以上の容量（即ち、Ｖgf≧Ｖgd）である必要がある。そして、蓄圧器６内の圧力Ｐｃが、例えば８２ＭＰａ（即ち、８２００００００Ｐａ）であるときには、「蓄圧器ガス容量が被充填タンクガス容量以上」（即ち、Ｖgf≧Ｖgd）という条件を満たしているので、充填開始が可能と判定することができる。

そこで、ステップ６で「ＹＥＳ」と判定し、選択した充填プロトコルに準拠した充填を行うことができる状態のときには、次のステップ７で充填開始操作を行ったか否かを判定する。操作部２４の前記充填開始スイッチをオン操作したときには、ステップ７で「ＹＥＳ」と判定する。このように、操作部２４の前記充填開始スイッチが閉成（ＯＮ）操作されることにより、次のステップ８で「選択した充填プロトコルに準拠した充填制御」を行う。

具体的には、操作部２４の前記充填開始スイッチのオン操作に基づいた制御装置２３からの信号により、制御弁１７および開閉弁２０が開弁され、ガスが開閉弁２０から下流側のガス供給経路５、充填ホース１４を介して燃料タンク２内へと充填される。このとき、制御装置２３は、開閉弁２０を開弁状態としたままで、燃料タンク２の圧力Ｐｂや温度Ｔｂを監視しながら、制御弁１７の弁開度を可変に制御することで選択した充填プロトコルに準拠した充填を行い、例えば表示部２５において、ガスの充填状態等を表示させる。制御弁１７は、制御装置２３からの制御信号により、例えば定圧上昇制御方式および/または定流量制御方式等で弁開度が調整される。

このように、ステップ８では、蓄圧器６から車両１６の燃料タンク２に向けて「充填プロトコルに準拠」したガス充填制御が実行される。また、ステップ９では、燃料タンク２内の圧力が目標圧力Ｐｔまで上昇したか否かを判定する。ステップ９で「ＮＯ」と判定する間は、前述のガス充填制御を続行する。そして、ステップ９で「ＹＥＳ」と判定したときには、燃料タンク２内の圧力が目標圧力Ｐｔに到達しているので、次のステップ１０に移ってガス充填作業を自動的に停止させる。具体的には、制御装置２３からの信号により制御弁１７および開閉弁２０が閉弁され、燃料タンク２へのガス充填が終了される。

これにより、次のステップ１１では、「ノズルをレセプタクルから外す」ように、充填ホース１４先端の充填ノズル１５を燃料タンク２の充填口２Ａ（レセプタクル）から取外し、ディスペンサユニット４側に設けられたノズル収納部（図示せず）に充填ノズル１５を戻すようにする。即ち、燃料供給所の作業者は、充填ホース１４先端の充填ノズル１５を燃料タンク２の充填口２Ａから取外し、次なる自動車（燃料タンク２）に対するガス充填作業を待機する。

次に、蓄圧器６内の圧力が低下した場合について説明する。

例えば、蓄圧器６内の圧力Ｐｃが７５ＭＰａ（即ち、７５００００００Ｐａ）となった場合、蓄圧器６に貯留されているガス容量Ｖg1は、前記数２式に基づいて下記の数１４式と数１５式とにより求められる。即ち、蓄圧器６の容積Ｖｃを６００Ｌとし、圧力Ｐｃを７５ＭＰａ（即ち、７５００００００Ｐａ）とし、温度Ｔｃを２５℃（絶対温度で２９８．２度）とした場合、下記のように算出される。

この場合、蓄圧器６から車両１６の燃料タンク２内にガスを充填し、燃料タンク２内の圧力が目標圧力Ｐｔに達するまでに必要なガス容量Ｖgm（即ち、蓄圧器６から燃料タンク２に供給可能なガス容量Ｖgmとしての蓄圧器ガス容量）は、前記数１５式による現在の蓄圧器６のガス容量Ｖg1から前記数１２式によるガス容量Ｖgeを差し引くことによって、下記の数１６式のように、約２７．１ｍ^３として求められる。

ここで、燃料タンク２内を蓄圧器６からのガス充填により目標圧力Ｐｔまで圧力上昇させるためには、前記数８式による燃料タンク２側の必要ガス容量Ｖgdとしての被充填タンクガス容量（約５６．１ｍ^３）に対して、前記数１６式による蓄圧器６側での供給可能なガス容量Ｖgmとしての蓄圧器ガス容量（約２７．１ｍ^３）が大きい容量である必要がある。しかし、蓄圧器６内の圧力Ｐｃが、例えば７５ＭＰａ（即ち、７５００００００Ｐａ）であるときには、「蓄圧器ガス容量が被充填タンクガス容量以上」という条件を満たしておらず、必要ガス容量Ｖgdの方が供給可能なガス容量Ｖgmよりも大きく（Ｖgm＜Ｖgd）となっているので、このままではガス充填の開始は不可能と判定することになる。

このように、蓄圧器６内の圧力Ｐｃが、例えば７５ＭＰａであるときには、ステップ６の充填開始の可否判定の処理で「ＮＯ」と判定する。即ち、ステップ６による判定処理は、蓄圧器６側での供給可能なガス容量Ｖgmとしての蓄圧器ガス容量（約２７．１ｍ^３）が、燃料タンク２側の必要ガス容量Ｖgdとしての被充填タンクガス容量（約５６．１ｍ^３）よりも小さい場合に、ガス充填の開始は不可能と判定し、制御弁１７および開閉弁２０を閉弁した状態に保持する充填開始可否判断手段を構成している。

ステップ６で「ＮＯ」と判定したときには、次のステップ１２に移って表示部２５により「エラー表示」を行う。次のステップ１３では、「強制的に充填を行う」か否かを判定し、「ＮＯ」と判定したときには、選択した充填プロトコルに準拠した充填を行うことができないとして、表示部２５で「エラー表示」を行ったままで、ガスの充填制御を停止した状態に保持する。

従って、供給可能なガス容量Ｖgmが必要ガス容量Ｖgdより小さく（Ｖgm＜Ｖgd）となって、「蓄圧器ガス容量が被充填タンクガス容量以上」という条件を満たしていない場合には、ステップ６の充填開始の可否判定処理で、このままではガス充填の開始は不可能と判定することになる。この場合、ステップ６は、充填開始可否判断手段として、蓄圧器６内のガス容量が所定のガス容量未満と判定し、制御弁１７および開閉弁２０を閉弁した状態に保持する。

一方、前記ステップ１３の判定処理で「ＹＥＳ」と判定した場合は、「強制的に充填を行う」ために作業者が操作部２４の前記充填開始スイッチのオン操作している。しかし、この場合は、前記ステップ３で選択した充填プロトコルに準拠した充填を実際には行うことができない可能性が高い。即ち、目標の圧力まで燃料タンク２にガスを充填できない場合や、規定の時間で充填が終了しない場合があることを承知の上で、強制的に充填を行いたい場合であり、この場合にも、前述の如く操作部２４で強制的に充填を開始するための操作を行うことで、充填が可能となる。

このように、ステップ１３で「ＹＥＳ」と判定した場合にも、制御装置２３はステップ７〜１１にわたる制御処理を行う。即ち、この場合も開閉弁２０を開とし、燃料タンク２の圧力や温度を監視しながら、制御弁１７の弁開度を制御することで選択した充填プロトコルに準拠した充填を行い、充填量などの充填状態を、表示部２５で表示させる。このような強制的な充填制御の場合、燃料タンク２の圧力が目標圧力に到達しない可能性はあるが、作業者の判断で、操作部２４の前記充填停止スイッチを操作することにより、例えばガスの充填量や圧力が目標に達していなくても、充填動作を強制的に停止すべく制御装置２３からの信号により開閉弁２０を閉弁することができる。

かくして、本実施の形態によれば、充填制御手段としての制御装置２３は、蓄圧器６から車両１６の燃料タンク２に向けてガス充填を行う前に、ガス充填に要する時間が長くなるのを抑えるために充填開始の可否を判定する充填開始可否判断手段を備えている。そして、充填開始可否判断手段は、蓄圧器６内のガス容量（例えば、蓄圧器６から燃料タンク２に向けて供給可能なガス容量としての蓄圧器ガス容量）が、燃料タンク２内のガス容量に対して所定のガス容量以上（例えば、燃料タンク２内を目標圧力まで圧力上昇させるための必要ガス容量としての被充填タンクガス容量以上）であるか否か判定し、所定のガス容量以上のときには制御弁１７および開閉弁２０を開弁し、蓄圧器６からガス供給経路５、充填ホース１４を介して燃料タンク２内へとガスを充填する。

一方、蓄圧器６内のガス容量が燃料タンク２内のガス容量に対して所定のガス容量未満まで低下した場合には、前記充填開始可否判断手段により制御弁１７および開閉弁２０を閉弁した状態に保持することができる。このため、ガス充填を行う作業者は、蓄圧器６内のガス残量が低下したことにより、開閉弁２０が閉弁状態に保持されていると判断することができ、例えば顧客に対してガス充填に少し時間がかかることを説明したり、例えば蓄圧器６への高圧ガスの補充作業を行ったりして、迅速な対応、対策を講ずることができる。なお、蓄圧器６への高圧ガスの補充作業を行う場合には、例えばコンプレッサ７を作動させて中圧配管１１からのガスを圧縮し、昇圧したガスをガス導管８および逆止弁９を介して蓄圧器６に供給（補給）する。これにより、蓄圧器６内に高圧ガスを補充することができる。

特に、前記充填開始可否判断手段を構成する制御装置２３は、蓄圧器６側での供給可能なガス容量（例えば、ＶgfまたはＶgm）としての蓄圧器ガス容量と、燃料タンク２内を目標圧力Ｐｔまで圧力上昇させるための必要ガス容量Ｖgdとしての被充填タンクガス容量とを予め演算しておくことにより、蓄圧器６から燃料タンク２にガス充填を行う前に、充填作業者は当該ガスの充填に要する時間が長くなるか否かを知ることができる。そして、ガス充填の時間が長くなるときには、開閉弁２０を閉弁した状態に保持することにより、例えば蓄圧器６への高圧ガスの補充作業を行うことができ、充填時間を短くするための対応を迅速に行うことができる。

しかも、充填開始可否判断手段を構成する制御装置２３は、前記蓄圧器ガス容量が前記被充填タンクガス容量未満の場合には、開閉弁２０を閉弁した状態に保持すると共に、蓄圧器６のガス容量が不足して供給能力不足であることを報知手段（表示部２５）で表示して作業者に報知することができる。このため、充填作業者は、蓄圧器６内のガス容量不足により開閉弁２０が閉弁状態に保持されていると認識した上で、例えば蓄圧器６への高圧ガスの補充作業に専念することができる。

従って、本実施の形態によれば、充填作業者は、車両１６の燃料タンク２に対して蓄圧器６からのガスを充填するときに、燃料タンク２へのガス充填に要する時間が長くなるか否かを判別することができ、作業者の負担を軽減することができる。そして、ガス充填の時間が長くなるときには、制御装置２３（充填開始可否判断手段）により開閉弁２０を閉弁した状態に保持でき、例えば蓄圧器６への高圧ガスの補充作業を即座に行うことができる。

なお、前記実施の形態では、充填開始可否判断手段（即ち、制御装置２３）により、蓄圧器６から燃料タンク２に向けて供給可能なガス容量としての蓄圧器ガス容量と、燃料タンク２に供給しようとするガス容量としての被充填タンクガス容量とをそれぞれ演算し、前記蓄圧器ガス容量が前記被充填タンクガス容量以上であるか否かを判定する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば前記数１０式による現時点での蓄圧器６のガス容量Ｖgcと、例えば前記５式による現在の燃料タンク２のガス容量Ｖgbとに基づいて、充填開始の可否判断を行う構成としてもよい。

即ち、現時点での蓄圧器６のガス容量が現在の燃料タンク２のガス容量に対して、例えば試験データ等により予め決められる所定の容量以上で、ガス充填に要する時間が長くならないと判断できるときには、開閉弁２０を開弁して被充填タンク(燃料タンク２)へのガス充填を行い、前記所定の容量未満で、ガス充填に要する時間が長くなると判断できるときには、開閉弁２０を閉弁状態に保持する構成としてもよい。

また、蓄圧器６内に蓄圧されたガス容量が、予め決められた所定の容量（例えば、燃料タンク２に充填可能なガス容量よりも十分に大きい容量）以上である場合には、開閉弁２０を開弁して燃料タンク２へのガス充填を行い、前記所定の容量未満となるときには、開閉弁２０を閉弁状態に保持する構成としてもよい。この場合には、現在の燃料タンク２に残っているガス容量（例えば、数５式によるＶgb）を考慮することなく、充填開始の可否判断を行うことができる。

一方、前述したガス容量に替えて、ガスの圧力に基づいて充填開始の可否判断を行う構成としてもよい。即ち、蓄圧器６内に蓄圧されたガスの圧力Ｐｃが、予め決められた所定の圧力（例えば、燃料タンク２内のガスの圧力Ｐｂよりも十分に高い圧力）以上である場合には、開閉弁２０を開弁して燃料タンク２へのガス充填を行い、前記所定の圧力未満となるときには、開閉弁２０を閉弁状態に保持する構成としてもよい。この場合には、現在の燃料タンク２に残っているガスの圧力に拘わりなく、充填開始の可否判断を行うことができる。

また、燃料タンク２内の圧力Ｐｂをガス充填により目標圧力Ｐｔまで上昇させる場合に、蓄圧器６内に蓄圧されたガスの圧力Ｐｃと目標圧力Ｐｔとの差圧ΔＰが、下記の数１７式を満たすように、予め決められた所定の圧力（例えば、試験データ等により予め決められる圧力値Ｐth）以上であるか否かを判定する構成としてもよい。

そして、差圧ΔＰが所定の圧力値Ｐth以上の場合には、蓄圧器６内のガスの圧力Ｐｃが十分に高いので、燃料タンク２へのガス充填を円滑に行うことができると判断できる。そこで、この場合には、開閉弁２０を開弁して燃料タンク２へのガス充填を行う。しかし、差圧ΔＰが前記圧力値Ｐth未満となるときには、両者間の圧力差が小さく、燃料タンク２へのガス充填を円滑に行うのは難しいと判断できるので、開閉弁２０を閉弁状態に保持する。この場合にも、現在の燃料タンク２に残っているガスの圧力に拘わりなく、充填開始の可否判断を行うことができる。

上述の如く、本発明によれば、蓄圧器６内のガス圧力（または、ガス容量）が所定の圧力（または、ガス容量）未満まで低下した場合には、充填開始可否判断手段により開閉弁を閉弁した状態に保持することができる。そして、例えば表示部２５等の報知手段を作動させて蓄圧器６内のガス圧力（または、ガス容量）が不足していることを報知することができ、ガス充填に時間を要することを開始前に報知しつつ、例えば蓄圧器６への高圧ガスの補充作業を即座に行うことができる。

また、前記実施の形態では、蓄圧器６内のガス圧力（または、ガス容量）が不足していることを報知する報知手段として表示部２５を用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば報知ランプ、警報ブザーまたは音声合成装置等の報知手段を用いる構成としてもよい。

さらに、前記実施の形態では、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、水素ガス以外のガス、例えばブタン，プロパン等のガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を車両の燃料タンク２に充填するためのガス充填装置にも適用することができる。また、車両の燃料タンク２に圧縮されたガスを充填する形態に限らず、他の被充填タンク（容器を含む）に圧縮されたガスを充填する際にも適用することができる。さらに、本ガス充填装置１のディスペンサユニット４を、他の場所にガス給送するための管路の途中に設置してもよい。

１ガス充填装置
２燃料タンク（被充填タンク）
２Ａ充填口（供給口）
３ガス貯蔵部
４ディスペンサユニット
５ガス供給経路
６蓄圧器
１２蓄圧器の圧力センサ
１３蓄圧器の温度センサ
１５充填ノズル（カップリング）
１６車両
１７制御弁
１８流量計
２０開閉弁
２１圧力センサ
２２温度センサ
２３制御装置（充填制御手段、充填開始可否判断手段）
２４操作部（充填開始スイッチ，充填停止スイッチ）
２５表示部（報知手段）
２７，２８通信機
３０燃料タンクの圧力センサ
３１燃料タンクの温度センサ

Claims

予めガスが蓄圧されている蓄圧器とガス供給経路を介して接続され、当該ガスを被充填タンクに充填するためのカップリングと、
前記ガス供給経路に設けられ、開弁することにより前記蓄圧器内のガスを前記カップリングへ供給する開閉弁と、
前記開閉弁を開閉制御することにより、前記被充填タンクへのガスの供給を制御する充填制御手段と、
からなるガス充填装置において、
前記充填制御手段は、
前記被充填タンクへのガスの充填を開始するとき、前記蓄圧器内のガス圧力またはガス容量が、所定の圧力またはガス容量以上の場合には、前記開閉弁を開弁させて前記被充填タンクへのガス充填を行い、
前記蓄圧器内のガス圧力またはガス容量が、所定の圧力またはガス容量未満の場合には、前記開閉弁を閉弁した状態に保持する充填開始可否判断手段を備えてなることを特徴とするガス充填装置。
前記充填開始可否判断手段は、前記蓄圧器から被充填タンクに向けて供給可能なガス容量としての蓄圧器ガス容量と、前記被充填タンクに供給しようとするガス容量としての被充填タンクガス容量とを演算し、
前記蓄圧器ガス容量が前記被充填タンクガス容量以上の場合に、前記開閉弁を開弁させて前記被充填タンクへのガス充填を開始させ、
前記蓄圧器ガス容量が前記被充填タンクガス容量未満の場合には、前記開閉弁を閉弁した状態に保持することを特徴とする請求項１に記載のガス充填装置。
前記充填開始可否判断手段が前記蓄圧器内のガス容量の不足を判断した場合には、その旨を報知する報知手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のガス充填装置。