JP2020020412A - 容器に加圧ガスを補給するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧ガスで容器を燃料補給するための装置を提供する。【解決手段】加圧ガス源２と、容器に取り外し可能に接続されるように意図された移送回路とを備え、前記装置は、容器に入る前にガス源２から流れるガスを冷却するための冷凍システムを備え、冷凍システムは、直列に配置された圧縮機と、凝縮器部９と、膨張弁１０と、蒸発器部１１とを備える冷媒冷却ループ回路を備え、冷凍システムは凝縮器部９と熱交換する冷源１２と、移送回路内に配置され、移送回路内を流れるガスと蒸発器部１１との間の熱交換部を備える熱交換器７とを備え、前記装置は、膨張弁１０に接続されるとともに膨張弁１０の開度の制御を介して冷凍システムによって生成される冷却力を制御するように構成された電子コントローラ２１を備え、熱交換器７で必要とされる冷却力を示す信号を生成または受信し、それに応じて、冷却力を制御するように構成されることを特徴とするデバイス。【選択図】図４

Description

本発明は、容器に加圧ガスを補給するための装置及び方法に関する。

本発明はより詳細には、加圧ガスで容器を燃料補給するための装置、特にガス水素タンクを燃料補給するための装置に関し、加圧ガス源と、前記ガス源に接続された１つの上流端、及び、容器に取り外し可能に接続されるように意図された少なくとも１つの下流端を含む移送回路とを備え、前記装置は、ガス源から流れるガスを前記容器に入る前に冷却するための冷凍システムを備え、前記冷凍システムは直列に配置された圧縮機、凝縮器部、膨張弁、および蒸発器部を備える冷媒冷却ループ回路を備え、前記冷凍システムは前記凝縮器部と熱交換する冷源と、移送回路内に配置され、移送回路内を流れるガスと蒸発器部との間に熱交換部を含む熱交換器と、を備え、前記装置は、前記膨張弁に接続され、前記膨張弁の開放の制御を介して前記冷凍システムによって生成される冷却力を制御するように構成された電子コントローラを備える。

水素燃料補給ステーションは燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ）を高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素で高速燃料補給（数分）するように設計されている。タンク内の過熱を避けるために、ディスペンサ燃料補給ノズルで水素を予備冷却（一般に−３３℃未満）する必要がある。

公知の冷却または冷凍システムは、水素冷却熱交換器に冷媒冷却ループ回路の冷媒を供給する。

冷媒はＣＯ_２である。例えば、ＪＰ２０１５０９２１１０８ＡまたはＵＳ２０１６３４８８４０Ａの文献を参照されたい。ＷＯ２０１８１０４９８３Ａも参照されたい。

一般に、熱交換器は、高需要に応えるために冷熱を貯蔵する材料の塊またはブロックを含む。冷凍装置はほぼ一定の冷却を提供することができ、冷却エネルギーは、熱交換器の熱慣性（高熱慣性）に蓄えられる。

しかしながら、熱慣性は、必要とされる冷熱を供給するのに、ある状況では十分ではないかもしれない。さらに、他のタイプの熱交換器（例：小型拡散接合熱交換器）を使用する場合、熱慣性は小さい。その場合、冷却エネルギーは、需要があるときに供給されなければならない。この要求は、ゼロから全冷却力まで数秒以内に変化する可能性がある。

冷却力の最も効率的な使用は、向流熱交換器を使用して行われる。その場合、熱交換器への入口における冷媒の温度は、所定の温度範囲のままであることが望ましい。

その目的のために、所定の蒸発圧力範囲が熱交換器の入口で維持されなければならない。また、圧縮機の吸入時に十分な過熱を維持しなければならない。過熱は例えば、冷媒が既に気化した後に冷媒に加えられる所定量の熱である。それは、所与の圧力における温度によって定義することができ、熱交換器の出口または圧縮機入口で測定することができる。冷媒の蒸発温度は圧力に依存する。

過熱が制御される理由は、蒸発器部内の液体冷媒が液体から蒸気（気体）に完全に変化したことを確認するためである（これは蒸気のみが圧縮機吸込／吸込口に戻るようにしたいからである。）

また、燃料補給装置（またはステーション）は、延長された時間の間、待機モード（燃料補給の待機状態）に設定されてもよい。また、たとえ燃料補給があったとしても、ガスの量は最大の設計値を下回る可能性がある。これらの場合、冷凍システムは低負荷で動作する。

さらに、状況が変化すると、ガスを正しく冷却することは困難である。

１つの目標は、前述の問題の少なくとも１つを克服または低減することである。

この目的のために、上記の一般的な定義による本発明による装置は本質的に、電子コントローラが、熱交換器を通る移送回路内のガス流を冷却し、それに応じて、冷凍システムによって生成される冷却力を制御するために熱交換器で必要とされる冷却力を示す信号を生成または受信するように構成されることを特徴とする。

さらに（または代替的に）、実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたはいくつかを含むことができる。熱交換器で必要とされる冷却力を示す信号は移送回路を流れるガスの量または流量を含むか、またはそれに依存し、熱交換器で必要とされる冷却力を示す信号は移送回路を流れるガスの温度を含むか、またはそれに依存し、熱交換器で必要とされる冷却力を示す信号は電子コントローラに送信される無線信号などの外部需要を含むか、またはそれに依存し、熱交換器で必要とされる冷却力を示す信号は、移送回路を通って流れるガスの圧力、ガス源の圧力値または圧力変化のうちの少なくとも１つを含むか、またはそれに依存し、前記装置は前記熱交換器の出口における前記冷媒冷却ループ回路内の冷媒の温度と前記熱交換器の入口における前記冷媒冷却ループ回路内の冷媒の温度との温度差を測定する差分温度センサシステムを備え、前記電子コントローラは前記温度差の関数として生成される冷却力を制御するように構成され、前記冷媒冷却ループ回路は前記圧縮機の出口に接続された上流端と、前記圧縮機の入口の上流の前記冷媒冷却ループ回路に接続された下流端とを備えるとともに前記凝縮器部及び前記膨張弁を迂回するバイパス導管を備え、前記装置は前記バイパス導管に流れる冷媒の流れを制御するバイパス調整弁を備え、前記バイパス導管の下流端は前記移送回路の前記熱交換器の出口に接続され、電子コントローラが冷却されるべきガス流量に、熱交換器の入口におけるガスのエンタルピーと熱交換器の出口における前記ガスのエンタルピーとの差を乗じた関数として必要とされる冷却力を計算し、移送回路の下流端において所定の温度を達成するように構成される。

本発明はまた、加圧ガスで容器に燃料補給するための方法、特にガス状水素タンクを燃料補給するための方法であって、ガス源と、ガス源から容器へ圧縮ガスを移送するための移送回路とを備える装置を備え、前記方法は、移送回路内に配置される熱交換器を冷却するステップを備え、熱交換器はガス源から容器へ流れるガスと熱交換し、冷却ステップは冷媒冷却ループ回路の蒸発器部において冷却力を生成し、前記冷媒冷却ループ回路は、直列に配置された圧縮機、凝縮器部、膨張弁、および蒸発器部を備え、前記凝縮器部は冷源と熱交換し、前記方法は前記熱交換器を通る前記移送回路内のガス流を冷却するために熱交換器で必要とされる冷却力を示す信号を生成または受信するステップと、それに応じて、前記冷却ステップによって生成される冷却力を制御するステップとを含む。

他の実施形態によれば、本発明は、以下の特徴のうちの１つまたはいくつかを含むことができる。前記方法は冷媒冷却ループ回路の蒸発器部において生成される冷却力を、熱交換器における冷却力需要を示す信号の関数として制御するステップを含み、前記信号は、移送回路を通って流れるガスの量または流量、移送回路を通って流れるガスの温度、移送回路を通って流れるガスの圧力、ガス源の圧力または圧力変化、容器への燃料補給に対する使用者からの要求、無線信号のうちの少なくとも１つを含む。必要な冷却力は移送回路内のガス流および熱交換器における所定の入口温度に基づいて計算され、前記方法は膨張弁の開放の制御を介して冷媒冷却ループ回路の蒸発器部内で生成される冷却力を制御するステップを含み、熱交換器内の必要な冷媒流は必要な冷却力に基づいて計算され、前記流れは膨張弁の必要な開放を介して提供され、膨張弁の開放信号は冷却力制御のためのフィードフォワード信号を生成するために使用される。

本発明はまた、特許請求の範囲内の上記または下記の特徴の任意の組合せを含む任意の代替の装置または方法にも関することができる。

他の特徴または利点は、図面を参照した以下の説明を読むことによって明らかになるのであろう。
第１の実施形態による燃料補給装置の構造および動作を示す概略図および部分図である。 第２の実施形態による燃料補給装置の構造および動作を示す概略図および部分図である。 第３の実施形態による燃料補給装置の構造および動作を示す概略図および部分図である。 第４の実施形態による燃料補給装置の構造および動作を示す概略図および部分図である。 （独立してまたは組み合わされて）実施され得る装置およびプロセスの異なる可能な動作の概略図および部分図である。 さらなる実施形態による燃料補給装置の構造および動作を示す概略図および部分図である。

図面に示されるように、容器３を燃料補給するための装置１は自動車のタンクに加圧ガス（例えば、水素であるが、天然ガスなど他のガスであってもよい）を燃料補給するための燃料補給ステーションであってもよい。

装置１は加圧ガス源２と、ガス源２に接続される１つの上流端５と、充填される容器またはタンク３に取り外し可能に接続されることを意図される少なくとも１つの下流端６（例えば、ノズルを備える）とを備える移送回路４とを備える。

ガス源２は例えば、加圧ガス貯蔵器またはバッファ、圧縮機、加圧ガスシリンダまたはチューブトレーラの束、液化ガス源および気化器、電解槽、ガスネットワーク出口のうちの少なくとも１つを含むことができる。

移送回路４は、所定の燃料補給ストラテジ（圧力増加または圧力増加率および／または注入量制御および／またはタンク３内の密度の制御および／またはタンク３内の温度増加の制御）に従って電子コントローラによって制御されるバルブのセットを備えることができる。

装置１は容器３に入る前にガス源２から流れるガスを（例えば、０℃未満の所定の温度（特に−３３℃と−４０℃との間）まで）冷却するための冷凍システムを備える。冷却されたガス温度は、燃料補給条件（タンク３内の温度及び／又は圧力、タンク３内の圧力上昇率、移送回路４内のガス流量、周囲温度．．．）に応じて変化するように制御することもできる。

この冷凍システムは、直列に配置された圧縮機８、凝縮器部９、膨張弁１０および蒸発器部１１を含む冷媒冷却ループ回路２０を含む。冷媒冷却ループ回路２０を流れる冷媒は好ましくは二酸化炭素であるが、Ｒ７１７（アンモニア）、Ｒ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａ、Ｒ５０７、または少なくとも−４０℃に達することができる任意の冷媒のような別の冷媒が使用されてもよい。

凝縮器部９は、圧縮機８で圧縮された冷媒を冷却する熱交換器を備えていてもよい。

冷凍システムは、凝縮器部９と熱交換する冷源１２を含む。この冷源１２は、ループなどの冷却流体回路を含むことができる。例えば、空気、水、窒素、または任意の適切な冷却流体または冷媒である。冷源は、熱対流器、冷却塔、または二次冷凍サイクルなど、冷媒を冷却することができる任意の他の冷器官（冷機器）または装置を含むことができる。冷源１２からの冷却流体は、熱交換器において凝縮器部９と熱交換することができる。

冷凍システムは、好ましくは移送回路４内に配置され、移送回路４内を流れるガスと蒸発器部１１との間に熱交換部を備える熱交換器７を備える。蒸発器部１１は移送回路４と熱交換する回路（例えば、コイル）及び／又は低温を貯蔵するための高い熱慣性を有する器官を形成する材料（アルミニウム等）の塊（例えば、数センチメートルの厚さの金属又はアルミニウムブロック及び／又は相変化材料などの他の材料）を備えることができる。

有利な特徴によれば、冷媒冷却ループ回路２０は、好ましくは、圧縮機８の出口に接続された上流端と、冷媒冷却ループ回路２０内の圧縮機８の上流に接続された下流端とを含むとともに凝縮器部９および膨張弁１０を迂回するバイパス導管１３を備える。好ましくは、冷凍システムは、バイパス導管１３に流入する冷媒の流れを制御するためのバイパス調整弁１５を備える。

図１に示すように、圧縮機８、凝縮器部９、冷源１２、バイパス調整弁、および場合によっては膨張弁１０の少なくとも一部を冷凍モジュール１４内に配置することができる。

図１に示すように、バイパス導管１３の下流端（上流は圧縮機出口に接続される）は、圧縮機８の吸入ラインに直接接続することができる。これは、高温の圧縮されバイパスされた冷媒が圧縮機８の入口に直接的に再注入されることを意味する。

別の実施態様（図２）では、バイパス導管１３の下流端が熱交換器７の入口の上流に接続することができる。この第２の解決策は、高温の圧縮されバイパスされた冷媒と、熱交換器７に入る前に膨張弁１０によって調整されるより冷たい冷媒流との混合を可能にする。これにより、膨張弁１０は回路内の過熱レベル（十分な温度）を維持することができる。これにより、熱交換器７および圧縮機の吸入ラインにおいてより高い流体速度も可能になる。

圧縮機が油潤滑式ピストン圧縮機である場合、これは、漏洩して冷媒冷却ループ回路、特に熱交換器７に蓄積したものであろう油をより良好に運ぶことを可能にする。しかし、蒸発器負荷が低い場合、熱交換器入口の温度を一定に保つことは、制御がより困難になる可能性がある。

図３および図４に示す好ましい実施形態では、バイパス導管１３の下流端が移送回路４の熱交換器７の出口に接続されている。すなわち、高温の圧縮されバイパスされた冷媒が再注入され、前記熱交換器７を出る冷媒と混合される。

これは、高温の圧縮されバイパスされた冷媒が圧縮機８の入口または吸入ラインに注入されないが、より上流側、好ましくは熱交換器７の冷媒出口により近い位置に注入されることを意味する。

例えば、バイパス導管１３の下流端は蒸発器部１１の直後、例えば、この蒸発器部１１の出口から２０ｃｍ〜４０ｃｍ後または熱交換器７の出口の直後に、冷媒冷却ループ回路２０内に固定（接続）される。また、高温ガスのバイパス導管１３のこの接続は、蒸発器部１１の出口における冷媒温度測定値１７に近すぎないことが好ましい。

これにより、バイパス流体が、測定された温度１７に及ぼす影響を回避または制限することができる。従って、好ましくは、温度測定値１７が蒸発器１１の出口にできるだけ近くにあり（例えば、必要な取付具により出口から約５〜１０ｃｍ）、バイパス導管１３の連結部は温度センサ１７の約２０〜３０ｃｍ下流または出口または３０〜３０ｃｍ下流にある（例えば、冷媒冷却ループ回路／バイパス導管の第１の湾曲部の２０〜３０ｃｍ下流）。しかし、蒸発器部１１は一般にディスペンサの内側に取り付けられ、パイプは下から来るので、その位置は利用可能な空間によりほとんど自動的に画定される。

図２で説明した解決策と比較して、この解決策は、熱交換器７の入口で高温および低温の冷媒が混合されないので、熱交換器７の入口での温度変動の問題を防止または低減する。図１に記載された解決策と比較して、この解決策はオイルの戻りを助け、冷媒冷却ループ回路２０の戻りライン（すなわち、熱交換器から圧縮機入口までのライン）における液体冷媒の蓄積を防止する。

好ましくは、バイパス調整弁１５は、調節された時間（例えば、ソレノイド弁のパルス幅変調）の間、閉鎖位置または複数の開放位置に設定され得るか、または開放位置および閉鎖位置（例えば、全開および全閉）に設定され得る、制御された弁である。これにより、バイパス導管１３内を流れる冷媒の流量を中断又は変化させることができる。装置１はバイパス調整弁１５に接続され、前記バイパス調整弁１５の開度を制御するように構成された（例えば、プログラムされた）電子コントローラ２１を備えることができる（図４参照）。

電子コントローラ２１は、データを受信および／または送信する処置を記憶するための機器を備え得る。例えば、マイクロプロセッサおよび／または計算機および／またはコンピュータを含む。電子コントローラ２１は装置またはステーション内に配置されてもよいし、離れていてもよい。この電子コントローラ２１は、移送回路４内のガスのタンク３への流れを制御することもできる。

圧縮機８は、可変速圧縮機であることが好ましい。電子コントローラ２１は、圧縮機８に接続され、圧縮機８（ｏｎ／ｏｆｆ状態）および圧縮機８の速度を制御するように構成されてもよい。

冷凍システムの冷却力は、主として膨張弁１０の開度によって制御することができる。コントローラ２１は、膨張弁１０に接続され、膨張弁１０の開度を制御することによって冷凍システムによって生成され提供される冷却力を制御するように構成されることが好ましい。

一定の蒸発圧力を維持するために、圧縮機８の上流、特に熱交換器７の入口における吸入圧力は、所定の範囲内に維持されなければならない。

したがって、蒸発圧力の制御は、バイパス調整弁１５および圧縮機８の速度を制御することによって行うことができる。

蒸発温度、すなわち膨張弁の後の冷媒の温度は、膨張弁１０の下流の圧力に依存する。

（燃料補給ガスの所定の冷却のための）所望の蒸発温度に基づいて、必要な吸入圧力を（適切な状態式または相関式によって）計算することができる。

圧力は、熱交換器７で、または好ましくは圧縮機８の吸入側で測定することができる。図４に示すように、装置は、圧縮機８の入口と熱交換器７の出口との間の、特に圧縮機８の入口における冷媒冷却ループ回路２０内の冷媒圧力を感知するための圧力センサ１６を備えることができる。

圧力損失を補償するために、熱交換器７の入口における温度の測定値１８を使用して、吸入圧力制御の設定点を減少させることができる。

図４に示すように、装置は、熱交換器７の上流、特に熱交換器７の入口における蒸発器部１１内の冷媒温度を感知するための温度センサ１８を備えることができる。

入口１８における温度は、吸入圧力によって与えられる蒸発温度に等しい。測定の代わりに、吸入圧力を介して計算された入口温度はより速く反応し、より良い制御を与える。

この文脈において、＜＜温度センサ＞＞という用語は、温度を直接または間接的に測定するためのデバイスおよび／または適切なパラメータに基づいて温度を計算するためのデバイスを意味する。

圧縮機８の吸入圧力は、バイパス導管１３に入る高温ガスの流量の制御と圧縮機８の速度とによって制御することができる。

熱交換器７を通る冷媒流は、圧縮機８が最低速度（または停止）にあり、バイパス調整弁１５が完全に開いている場合にゼロになり得る。

熱交換器７を通る冷媒の最大流量は、バイパス調整弁１５が閉じられ、圧縮機８がその最大速度にあるときに得られる。

この関係は、分割レンジ制御技術（信号振幅シーケンス制御技術）で制御することができる。

これにより、圧縮機８の吸入側に常に十分な過熱があることを確実にすることができる。

急速な負荷変化は、膨張弁１０の急速な反応をもたらす可能性がある。これは、圧縮機８の吸入圧力に影響を与える。圧力制御の迅速な反応のために、膨張弁１０の開放は、圧力制御出力（すなわち、バイパス調整弁１５および圧縮機８の速度設定値）へのフィードフォワード信号（ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｉｇｎａｌ）に関連し得る。

冷却要求が増大すると、膨張弁１０の開度が増大する。蒸発圧力を一定に保つために、膨張弁１０への信号を使用して、吸入圧力制御へのフィードフォワード信号を計算することもできる。これは、膨張弁の開度の増加がバイパスされた冷媒流の減少および／または圧縮機８の速度の増加を命令する可能性があることを意味する。

典型的な冷凍用途では、過熱（冷媒温度）が、蒸発器部１１の直後（熱交換器７の出口）で測定され得る。

これに代えて、またはこれに加えて、圧縮機８の入口に近い過熱（冷媒温度）を、例えば冷凍モジュール１４（冷凍モジュールは冷凍機とも呼ぶことができる）の入口で測定することが可能である。

蒸発器部１１（熱交換器７）に近い温度を測定する主な理由は、エネルギーの消費である。この装置では、冷凍器とディスペンサ６との間の距離を使用して、液体冷媒を過冷却し、圧縮機８の吸入側で気体冷媒の温度を上昇させることができる。例えば、図４を参照すると、これは、凝縮器部９の出口と膨張弁１０との間のラインを、蒸発器部１１および過熱制御２２との間のライン共に、同じ断熱材料または断熱構造内で走らせることによって達成することができる。このため、過熱制御は、熱交換器７よりも圧縮機８の近くに制御されることが好ましい。

したがって、装置１は、圧縮機８の入口と熱交換器７の出口との間の冷媒冷却ループ回路２０内の冷媒温度を感知するための温度センサ１７と、特に圧縮機８の入口のセンサ２２とを備えることが好ましい。

電子コントローラ２１は、圧縮機８の速度およびバイパス調整弁１５の開度を制御することによって、圧縮機８の入口における冷媒の温度を所定の温度範囲に調整するように構成することができる。

図５に示されるように、実際の測定または計算された圧力Ｐおよび圧力設定点ＰＳ（必要とされる圧力）に基づいて、電子コントローラはバイパス調整弁１５および圧縮機８に作用する。

冷却力の制御は、熱交換器７の出口における温度測定（過熱制御）に基づいてもよい。この制御スキームは、冷却需要がゆっくりと変化するだけで良好に機能する。しかしながら、タンク燃料補給ステーションの場合には、急速な負荷変化が起こり得る。簡単な温度制御ストラテジーは冷却されるべき気体温度（例えば、Ｈ_２）を、燃料補給のための正しい温度領域（典型的には、−３３℃と−４０℃との間）に保つことができない。

典型的な冷凍用途では、冷却需要の変化は非常に遅い。これらの場合、冷凍機の反応速度は重要ではない。

燃料補給ステーションの場合、冷却要求は、ゼロからフル冷却力まで数秒以内に変化することがある。この理由から、単一の温度ベースの制御では十分ではないかもしれない。

好ましくは、装置が、熱交換器７の出口における冷媒冷却ループ回路２０内の冷媒の温度と、熱交換器７の入口における冷媒冷却ループ回路２０内の冷媒の温度との差を測定する温度差センサシステムを備える。電子コントローラ２１は、この温度差の関数として生成される冷却力を制御するように構成されてもよい。

例えば、温度差は、熱交換器７の出口及び入口における温度センサ１７、１８に基づいて計算される。

膨張弁１０は、熱交換器８の入口１８と出口１７との間の冷媒温度差の閉ループ制御を介して制御することができる。必要な冷却力がないかまたは低い場合（例えば、待機モードで冷たい熱交換器）、温度差は非常に低い。冷却要求が増加することにつれて、温度差は増加し、制御は必要に応じて膨張弁１０を開かせる。

実際の冷却力は膨張弁１０の開度に直接（典型的には比例および／または調整された開放時間）関連付けられるので、したがって、供給された冷却力が高すぎるか低すぎるかを制御するための測定は、熱交換器７への冷媒入口と冷媒出口との間の温度差であり得る。

装置１は燃料補給要求があるときに、燃料補給モードに切り替えられてもよい。

例えば、燃料補給モードは、電子コントローラ２１において信号またはコマンドを生成または受信すると作動されてもよい。例えば、ユーザからの支払い／要求、及び／又は燃料補給ノズル６がベースディスペンサから取り外されたときである。

ノズル６が取り外された後、使用者がノズル６を自動車に取り付け、燃料補給シーケンスを作動させるのに、いくらかの時間（例えば、１０秒〜２０秒）を要する場合がある。

ノズルのタンク３への接続が行われると、圧力パルステスト（例えば、約３０秒）が行われ、実際の燃料補給が開始される。

燃料補給が開始されてから短時間（例えば、３０秒）以内に、ディスペンサ出口６で所定の低ガス温度（例えば、約−３３℃）に到達すべきである。

この装置はノズルがそのベースから取り外された後のある時間（例えば、６０秒）内に、熱交換器７が所定の温度（例えば、−３８℃）で冷却されるように設計することができる。

これは、移送回路４内のガスがタンク３へ流れる前に熱交換器が過冷却されることを意味する。

ガス流に先立って熱交換器１１の冷却が要求されるときに、システムがスタンバイモード（後述する）にある場合、電子コントローラ２１は、圧縮機８を始動させ、膨張弁１０およびバイパス調整弁１５を上述のように制御することができる。これは、急速な冷却を引き起こす。

タンク３の燃料補給は、例えば１５０秒〜５００秒を要する。その間、実際の冷却需要は急速に変化する。これらの急速な変化は典型的に、古典的な制御には速すぎる。水素の安定した温度を維持するために、フィードフォワード制御が実施されることが好ましい。

例えば、冷凍システムの動作パラメータは、実際に必要とされる冷却エネルギーに基づく。

したがって、いったん実際の燃料補給が開始されると、燃料補給は冷却要求を生成する。実際の冷却要求に基づいて、必要な冷却力を計算／提供することができる。

電子コントローラ２１は、（冷却要求が増加することにつれて、冷媒流量を増加させなければならないので）熱交換器７内の必要な冷媒流量を計算し、制御することができる。

圧縮機８は、燃料補給開始直後に始動することができる。冷凍システムは、消費電力を抑えるために、内部熱交換器９（凝縮器部）と熱交換器７とを最初からできるだけ冷却してもよい。

冷却要求が増加することにつれて、最初にバイパス調整弁１５が閉じられ、次いで圧縮機８の速度が必要に応じて増加される。これは、分割レンジ制御（信号振幅シーケンス制御）を介して行うことができる。

負荷変化に対してより速く反応するために、必要な冷却パワーは、冷却されるべきガス流に基づいて計算され得る。計算された冷却要求は、電子コントローラ２１に対するオフセットとして作用することができる。したがって、膨張弁１０は、熱交換器７において温度差の著しい変化が生じる前に開くことができる。

実際の冷却要求に基づくフィードフォワード制御が使用されてもよい。移送回路４内のガス流量と（予想される）入口温度とに基づいて、必要な冷却力を計算することができる。必要な冷却力に基づいて、必要な冷媒流量を計算し、次いで膨張弁１０の必要な開度を計算することができる。したがって、必要な膨張弁１０の開度を使用して、冷却力制御のためのフィードフォワード信号を生成することができる。

必要な冷却力の推定値は、装置１で利用可能な計器を用いて計算することができる。例えば、必要な冷却力は、冷却すべきガス流量に熱交換器７の入口におけるガスのエンタルピーと熱交換器７の出口における前記ガスのエンタルピーとの差を乗じた値に等しく設定することができる。これは、ノズル６における予想される出口ガス温度（典型的には−４０℃）を用いて計算することができる。最低限、ガス流量の推定値が必要であり得る。これは、例えば、移送回路内の流量計信号から取り出すことができることが好ましい。しかし、これは、他の機器の信号（例えば、バッファなどのガス源２における圧力降下または圧力変化）から計算することもできる。冷却力算出の精度を向上させるために、熱交換器７の上流のガス圧力、熱交換器７の下流のガス圧力、熱交換器の上流のガス温度、周囲温度、熱交換器の温度などの他の測定値を考慮に入れることができる。

図７に示すように、冷却力要求信号２４は、電子コントローラ２１に圧縮機８およびバイパス弁１０に要求を満たすように作用させる。

デバイスを待機モード（２つの充填の間）にすることもできる。

この待機モードの間、熱交換器７は燃料補給の迅速な開始（例えば、６０秒以内の所定の期間）を可能にする温度に維持され得る。

この要件は、待機モード中の熱交換器７の最高温度を規定することができる。例えば、冷凍システムが６０秒以内に２０°Ｋだけ熱交換器７を冷却することができる場合、待機モード中の能動冷却は、熱交換器７の温度が所定の閾値、例えば−１８℃を超えたときに開始する。

システムが低温（例えば、第１の待機温度閾値未満（例えば、−２０℃未満）の熱交換器温度）である場合、システムは、待機モードに入れられる／保持される。次いで、圧縮機のスイッチをオフにすることが好ましい。

待機モードの間、液体冷媒は暖められ、冷媒冷却ループ回路２０内の圧力は増加する。

冷媒冷却ループ回路２０内の圧力を低下させるために（圧力は予め設定された限界を超えて増加する）、冷源１２を始動させて冷媒冷却ループ回路を生成するか、または冷媒冷却ループ回路２０を冷やすことができる。

熱交換器７の温度を下げなければならない場合（または低温に維持しなければならない場合）、圧縮機８を始動させることができる。圧縮機８の始動により、ループ内の流れが生じ、その入口の圧力が低下する。

圧縮機８の始動により、ループ内の流れが生じ、その入口の圧力が低下する。

待機モード中に熱交換器７が過度に暖まった場合、熱交換器７は再び冷却されることが好ましい。

この動作シナリオでは、低温に達する時間は重要ではない。従って、圧縮機８は、最高効率の速度（典型的には最低速度）で運転することができる。

圧縮機８の最低速度では、冷却力は例えば１０〜２０ｋＷである。これは、典型的な熱交換器を１２０秒以内に３０°Ｋだけ冷却するのに十分な冷却力である。圧縮機８の最小動作時間は固定（例えば、１２０秒）であってもよい。したがって、熱交換器７のこの待機冷却中に、より高い圧縮機速度を必要としない場合がある。

例えば、熱交換器７の温度“Ｔ１７”（図８の温度センサ１９）が第１の待機温度閾値（図８の「ＴＳ１」、例えば−３７℃）を下回る場合、冷凍システム（冷却）または圧縮機８は、オフに切り換えられることができる（スイッチオフに維持される、図８の参照番号２５参照）。熱交換器７の温度は例えば、温度センサ１９を介して測定されてもよいし、他のパラメータに基づいて計算されてもよい。

しかし、この温度Ｔ１７が第２の待機温度閾値ＴＳ２（例えば、−２０℃以上など）を超える場合、冷凍装置のスイッチを入れる（または入れることができる）（図８の「Ｙ」および参照番号２６を参照）。さもなければ、冷凍システム（冷却）または圧縮機は、オフに切り替えられることができる（スイッチオフに維持される、図８の参照番号２５参照）。

電子コントローラ２１は、熱交換器入口における冷媒温度の設定点が所定の温度、例えば−４０℃になるように冷凍システムを制御することができる。

したがって、電子コントローラ２１は、例えば熱交換器７の入口で測定される蒸発温度を調節することができる。この温度が過度に上昇すると、圧縮機８の入口における圧力設定点が低下する（すなわち、熱交換器の入口において達成される温度）。

熱交換器７および圧縮機吸入ラインを介した予想される圧力損失は、１バール未満であり得る。したがって、冷媒がＣＯ_２であるときには、圧力損失により蒸発温度への影響は２°Ｋ未満と言える。

異なる冷媒が使用される場合、温度効果は、はるかに大きくなり得る。

電子コントローラ２１は、熱交換器７の入口１８と出口１７との間の温度差を制御することができる。熱交換器が暖まる（温度差ΔＴの増加によって与えられる）場合、図６の参照符号２７および矢印「Ｙ」を参照、コントローラ２１は、膨張弁１０を開くことができる（図６の参照符号１２２参照）。

熱交換器７が冷えると、温度差が減少し（図６の矢印「Ｎ」参照）、電子コントローラ２１は膨張弁１０を閉じる（図６の参照番号２３参照）。

これにより、熱交換器７に流入する冷媒量を、この温度差（入口と出口との間の）に基づいて制御することができる。温度差が増加すると、コントローラ２１の出力が増加し、より多くの冷媒が熱交換器に送られる（逆もまた同様）。これは、膨張弁１０におけるフィードフォワード制御信号として制御されることができる。

最小出力は、ゼロ負荷において、圧縮機８の入口における過熱温度が所定の温度（例えば＋１０°Ｋ）付近になるように調整され得る。

「待機冷却」の場合、設定点はより高い、例えば＋２０°Ｋとすることができる。

電子コントローラ２１は、圧縮機８の速度およびバイパス調整弁１５を制御して、圧縮機８の入口において一定の圧力を維持することができる。

過熱制御（温度制御）は、好ましくは常に作動中である。過熱温度が低下しすぎる場合、膨張弁１０を必要に応じて閉じることができる。

好ましくは圧縮機の入口における過熱温度が低すぎる場合、膨張弁１０は実際の冷却要求とは無関係に閉じられる。

過熱温度が過度に上昇した場合、膨張弁１０を必要に応じて開くことができる。

圧縮機の入口における過熱温度が低すぎる場合、高温ガスのバイパス調整弁１５を開くことができる。

膨張弁１０の完全な閉鎖を回避するために、膨張弁１０の最小の開放を設定することができる。この最小開度は、圧縮機８の入口における吸入温度が高温バイパスガスの注入により常に十分に過熱されるように設定することができる。

上記の利点に加えて、本装置は一定の蒸発圧力および圧縮機８の吸入部における十分な過熱を維持しながら、冷却力の非常に速い変化を可能にすることができる。

装置１が待機状態にあるとき、凝縮器熱交換器９の下流の冷媒（典型的には液状ＣＯ２）は暖まり、蒸発して、圧縮機８の吐出側の圧力上昇に至る。１つの解決策は、冷源２を始動させて冷却を提供し冷媒圧力を低下させることである。冷源１２の始動回数を減らすために、図９に示すように、装置は、圧縮機８側の出口で冷媒冷却ループ回路２０に接続された入口を備える膨張容器２９を備えることができる。膨張容器２９は、圧縮機８側の出口において冷媒冷却ループ回路２０に接続される出口を備えている。この装置は、回路２０（圧縮機出口の下流）から膨張容器２９への、および膨張容器２９から回路２０（圧縮機８入口の上流）への冷媒の流れを制御するための一組の弁２８、３０を含む。電子コントローラ２１は、圧縮機８の下流の圧力がある値未満（典型的には３５ｂａｒｇで開き）になるまで膨張容器２９への入口弁２８を開き、プリセット値（例えば３３ｂａｒｇ）で閉じるように構成することができる。

熱交換器７の温度が高すぎる場合、または膨張容器２９内の圧力が高すぎる場合（例えば、１５ｂａｒｇを超える場合）、冷源１２を始動させ、圧縮機８を始動させることができる。膨張容器２９の出口弁３０が開かれ、膨張容器２９内の圧力が再び適当な値（例えば１０ｂａｒｇ）に低下する。

例えば、バイパス導管１３の下流端は蒸発器部１１の直後、例えば、この蒸発器部１１の出口から２０ｃｍ〜４０ｃｍ後または熱交換器７の出口の直後に、冷媒冷却ループ回路２０内に固定（接続）される。また、高温ガスのバイパス導管１３のこの接続は、蒸発器部１１の出口における冷媒温度測定値（温度センサ１７）に近すぎないことが好ましい。

これにより、バイパス流体が、測定された温度（温度センサ１７）に及ぼす影響を回避または制限することができる。従って、好ましくは、温度測定値（温度センサ１７）が蒸発器１１の出口にできるだけ近くにあり（例えば、必要な取付具により出口から約５〜１０ｃｍ）、バイパス導管１３の連結部は前記出口の約２０〜３０ｃｍ下流または前記温度センサ１７の２０〜３０ｃｍ下流にある（例えば、冷媒冷却ループ回路／バイパス導管の第１の湾曲部の２０〜３０ｃｍ下流）。しかし、蒸発器部１１は一般にディスペンサの内側に取り付けられ、パイプは下から来るので、その位置は利用可能な空間によりほとんど自動的に画定される。

圧力損失を補償するために、熱交換器７の入口における温度の測定値（温度センサ１８）を使用して、吸入圧力制御の設定点を減少させることができる。

入口（温度センサ１８）における温度は、吸入圧力によって与えられる蒸発温度に等しい。測定の代わりに、吸入圧力を介して計算された入口温度はより速く反応し、より良い制御を与える。

蒸発器部１１（熱交換器７）に近い温度を測定する主な理由は、エネルギーの消費である。この装置では、冷凍器とディスペンサ６との間の距離を使用して、液体冷媒を過冷却し、圧縮機８の吸入側で気体冷媒の温度を上昇させることができる。例えば、図４を参照すると、これは、凝縮器部９の出口と膨張弁１０との間のラインを、蒸発器部１１および過熱制御（温度センサ２２）との間のライン共に、同じ断熱材料または断熱構造内で走らせることによって達成することができる。このため、過熱制御は、熱交換器７よりも圧縮機８の近くに制御されることが好ましい。

したがって、装置１は、圧縮機８の入口と熱交換器７の出口との間の冷媒冷却ループ回路２０内の冷媒温度を感知するための温度センサ１７と、特に圧縮機８の入口の温度センサ２２とを備えることが好ましい。

膨張弁１０は、熱交換器８の入口（温度センサ１８）と出口（温度センサ１７）との間の冷媒温度差の閉ループ制御を介して制御することができる。必要な冷却力がないかまたは低い場合（例えば、待機モードで冷たい熱交換器）、温度差は非常に低い。冷却要求が増加することにつれて、温度差は増加し、制御は必要に応じて膨張弁１０を開かせる。

図７に示すように、冷却力要求信号２４は、電子コントローラ２１に圧縮機８および膨張弁１０に要求を満たすように作用させる。

電子コントローラ２１は、熱交換器７の入口（温度センサ１８）と出口（温度センサ１７）との間の温度差を制御することができる。熱交換器が暖まる（温度差ΔＴの増加によって与えられる）場合、図６の参照符号２７および矢印「Ｙ」を参照、コントローラ２１は、膨張弁１０を開くことができる（図６の参照符号１２２参照）。

装置１が待機状態にあるとき、凝縮器熱交換器９の下流の冷媒（典型的には液状ＣＯ２）は暖まり、蒸発して、圧縮機８の吐出側の圧力上昇に至る。１つの解決策は、冷源１２を始動させて冷却を提供し冷媒圧力を低下させることである。冷源１２の始動回数を減らすために、図９に示すように、装置は、圧縮機８側の出口で冷媒冷却ループ回路２０に接続された入口を備える膨張容器２９を備えることができる。膨張容器２９は、圧縮機８側の出口において冷媒冷却ループ回路２０に接続される出口を備えている。この装置は、回路２０（圧縮機出口の下流）から膨張容器２９への、および膨張容器２９から回路２０（圧縮機８入口の上流）への冷媒の流れを制御するための一組の弁２８、３０を含む。電子コントローラ２１は、圧縮機８の下流の圧力がある値未満（典型的には３５ｂａｒｇで開き）になるまで膨張容器２９への入口弁２８を開き、プリセット値（例えば３３ｂａｒｇ）で閉じるように構成することができる。

Claims (15)

1. 加圧ガスで容器を燃料補給するための装置、特にガス水素タンクを燃料補給するための装置（１）であって、
   加圧ガス源（２）と、
   該ガス源（２）に接続された１つの上流端（５）と、容器（３）に取り外し可能に接続されるように意図された少なくとも１つの下流端（６）とを備える移送回路（４）と、を備え、
   該装置（１）は、加圧ガス源（２）から流れるガスを容器（３）に入る前に冷却するための冷凍システムを備え、
   該冷凍システムは、直列に配置された圧縮機（８）、凝縮器部（９）、膨張弁（１０）および蒸発器部（１１）を含む冷媒冷却ループ回路（２０）を備え、
   前記冷凍システムは、前記凝縮器部（９）と熱交換する冷源（１２）と、前記移送回路（４）内に配置され、前記移送回路（４）内を流れるガスと前記蒸発器部（１１）との間に熱交換部を含む熱交換器（７）とを備え、
   前記装置（１）は、前記膨張弁（１０）に接続されるとともに前記膨張弁（１０）の開度の制御を介して前記冷凍システムによって生成される冷却力を制御するように構成された電子コントローラ（２１）を備え、
   前記電子コントローラ（２１）は、前記熱交換器（７）を通る前記移送回路内のガスの流れを冷却するために前記熱交換器（７）で必要とされる冷却力を示す信号を生成または受信するように構成され、それに応じて、前記冷凍システムによって生成される冷却力を制御するように構成されることを特徴とする、装置。
2. 前記熱交換器（７）で必要とされる冷却力を示す信号が、前記移送回路（４）を通って流れるガスの量または流量を含むか、またはそれに依存することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記熱交換器（７）で必要とされる冷却力を示す信号が、前記移送回路（４）を通って流れるガスの温度を含むかまたはそれに依存することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 熱交換器（７）で必要とされる冷却力を示す信号が、電気コントローラ（２１）に送信される無線信号のような外部要求を含むか、またはそれに依存することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記熱交換器（７）で必要とされる冷却力を示す信号が、前記移送回路（４）を通って流れるガスの圧力、前記ガス源（２）内の圧力値または圧力変化のうちの少なくとも１つを含むかまたはそれに依存することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記熱交換器（７）の出口における冷媒冷却ループ回路（２０）内の冷媒の温度と、前記熱交換器の入口における冷媒冷却ループ回路（２０）内の冷媒の温度との温度差を測定する温度差センサ（１７、１８）システムを備え、
   前記電子コントローラ（２１）が、前記温度差の関数として生成される冷却力を制御するように構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記冷媒冷却ループ回路（２０）は、前記圧縮機（８）の出口に接続された上流端と、前記圧縮機（８）の入口の上流で前記冷媒冷却ループ回路（２０）に接続された下流端とを備えるとともに前記凝縮器部（９）及び前記膨張弁（１０）を迂回するバイパス導管（１３）を備え、
   前記装置は、前記バイパス導管（１３）に流入する冷媒の流れを制御するバイパス調整弁（１５）を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記バイパス導管（１３）の前記下流端は、前記移送回路（４）の前記熱交換器（７）の出口に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記電子コントローラは前記冷却されるべきガス流量に、前記熱交換器（７）の入口における前記ガスのエンタルピーと前記熱交換器（７）の出口における前記ガスのエンタルピーとの差を乗じた関数として必要な冷却力を計算し、前記移送回路（４）の前記下流端において所定の温度を達成するように構成されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 加圧ガスで容器に燃料補給するための方法、特にガス水素タンクに燃料補給するための方法であって、
    ガス源（２）と、ガス源（２）から容器（３）へ圧縮ガスを移送するための移送回路（４）とを含む装置を備え、
    前記方法は、移送回路（４）内に配置された熱交換器（７）を冷却するステップを備え、
    前記熱交換器（７）は、ガス源（２）から容器（３）へ流れるガスと熱交換し、
    前記冷却ステップは、冷媒冷却ループ回路（２０）の蒸発器部（１１）において冷却力を生成し、
    前記冷媒冷却ループ回路（２０）は、直列に配置された圧縮機（８）と、凝縮器部（９）と、膨張弁（１０）と、蒸発器部（１１）とを備え、
    前記凝縮器部（９）は、冷源（１２）と熱交換し、
    前記方法は、熱交換器（７）を通る前記移送回路内のガス流を冷却するために熱交換器（７）で必要とされる冷却力を示す信号を生成または受信し、それに応じて、前記冷却ステップによって生成される冷却力を制御するステップを含む、方法。
11. 前記膨張弁（１０）の開度を制御することにより、前記冷媒冷却ループ回路（２０）の前記蒸発器部（１１）で生成される冷却力を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記冷媒冷却ループ回路（２０）の前記蒸発器部（１１）で生成される冷却力を、前記熱交換器（７）での冷却力要求を示す信号の関数として制御するステップを含み、
    前記信号は、前記移送回路（４）を通って流れるガスの量または流量、前記移送回路（４）を通って流れるガスの温度、前記移送回路（４）を通って流れるガスの圧力、前記ガス源（２）内の圧力または圧力の変化、容器への燃料補給のユーザからの要求、無線信号のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１０〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 必要な冷却力は、前記移送回路（４）内のガス流および前記熱交換器（７）における所定の入口温度に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記熱交換器（７）における前記必要な冷媒流は前記必要な冷却力に基づいて計算され、前記冷媒流は前記膨張弁（１０）の必要な開放を介して提供されることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記膨張弁（１０）の開放信号が、前記冷却力制御のためのフィードフォワード信号を生成するために使用されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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