JP3904078B2 - ガス充填装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素燃料電池自動車などに搭載されたガスタンクに水素ガス、または水素リッチガスを充填する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素や天然ガスなどの高圧ガスの充填装置は、通常、圧縮機により所定圧力以上に昇圧されたガスをガス供給タンクに貯留してから、この高圧ガスを自動車の被充填タンクに差圧を利用して注入する方法が採用されている。
このようなガス充填装置の充填量の制御は、特許文献1に見られるように、被充填タンクへのガス充填開始から充填目標圧力に達するまで予め設定された圧力上昇率となるように制御弁の弁開度を制御すると共に、流量計により計測された流量が予め設定された所定の微小流量以下に減少した時点、つまり被充填タンクが満タンとなった時点でガスの充填動作を停止させるように構成されている。
【特許文献1】
特開平9-79496号公報
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来装置では、圧力上昇率が一定に抑えられているものの、充填時の流量には制限がないため、断熱圧縮により被充填タンクの温度が急激に上昇し、被充填タンクやこれに接続されている配管に損傷を与える危険性がある。
一方、供給元であるガス供給タンクの圧力と被充填タンクとの差圧を利用する関係上、満充填の場合は、充填終了時の被充填タンクの圧力がそのタンクに決められた一定値であるのに対して、充填量を指定した充填においては、高速充填が終了した時点での被充填タンクの圧力が不定であるから、規定量に到達する以前に高速充填を停止して流量を絞った充填を実行しようとすると、圧力差が不定となり、したがって追加充填時の流速が不定となるため、誤差が大きくなるという問題がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その第1の目的とするところは、被充填タンクの損傷を防止しつつ、しかも可及的に高速でガスを充填することができるガス充填装置を提供することである。
また本発明の第2の目的は、可及的に高い精度でプリセット充填が可能なガス充填装置を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明は、ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンクに供給管路を介して接続された充填ノズルと、前記供給管路に接続された流量計測手段、流量調整弁、及び前記供給管路のガス圧を測定する圧力計測手段を備え、被充填タンクと前記供給タンクとの差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、前記流量計測手段からの信号に基づいて算出された単位時間当たりのガス流量の変化分、及び前記圧力計測手段からの信号に基づいて算出された単位時間当たりのガス圧の変化分を算出し、前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも小さく、かつ前記被充填タンクの現在の充填圧力が予め設定された設定圧力と前記ガス圧の変化分との差分よりも低い場合には前記流量調整弁を開弁し、また前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも大きく、かつ現在の充填流量が前記被充填タンクの許容最高流量よりも小さい場合、もしくは前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも小さく、しかも前記被充填タンクの現在の充填圧力が予め設定された設定圧力と前記ガス圧の変化分との差分よりも高く、かつ現在の充填圧力が前記被充填タンクの許容最高圧力よりも低い場合には前記流量調整弁の弁開度を現在の状態に維持し、さらに前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも大きく、かつ現在の充填流量が前記被充填タンクの許容最高流量よりも大きい場合、もしくは前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも小さく、しかも前記被充填タンクの現在の充填圧力が予め設定された設定圧力と前記ガス圧の変化分との差分よりも高く、かつ現在の充填圧力が前記被充填タンクの許容最高圧力よりも高い場合は前記流量調整弁を絞るように制御するようにした。
【0005】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図1は、本発明のガス充填装置の一実施例を示すもので、この実施例では許容充填最大圧力が異なる2種類の被充填タンクに対応できるように、高圧用充填ユニット10と、低圧用充填ユニット20が装備されている。
【0006】
各ユニット10、20には、被充填タンクの許容充填最大圧力よりも所定圧力以上の圧力に図示しない圧縮機により昇圧されたガスをガス供給タンク1から高圧用供給元管路2によりコリオリ式ガス質量流量計等のガス流量計測手段3、流量調整弁4、遮断弁5、及び分岐管6を介して高圧ガスが供給されている。また高圧用供給元管路2には圧力計測手段7が接続されている。
【0007】
一方、各ユニット10(20)は、分岐管6を介して高圧用供給元管路2に供給管路11(21)が接続され、遮断弁12(22)を介して高圧ホース13(23)により充填ノズル14(24)が接続されている。供給管路11(21)にはガスの圧力、及び温度をそれぞれ検出するための圧力計測手段15(25)、及び温度計測手段16(26)がそれぞれ設けられている。
【0008】
制御装置30は、屋外データ入出力装置40、及びPOS50とに接続され、屋外データ入出力装置40の操作パネル41によりプリセット充填が指定された場合には、流量計測手段3、圧力計測手段15(25)、及び圧力計測手段7からの信号を受けて流量調整弁4を制御して、表示器31に充填量を表示するように構成されている。
【0009】
次にこのように構成されたガス充填装置によるプリセット充填の動作を図2、図3に示したフローチャートに基づいて説明する。
屋外データ入出力装置40の操作パネル41によりプリセット充填を指定して(ステップ イ)、プリセット量の入力が完了した時点で(ステップ ロ)、ノズル14を被充填タンクの充填口に装着する。これによりノズルスイッチ17からオン信号が出力するため(ステップ ハ)、制御装置30は表示器31を帰零する(ステップ ニ)。なお、プリセット充填が指定されない場合には、ステップ(ハ)に移動する。
【0010】
このようにして充填に必要な操作が完了した時点で操作パネル32のスタートスイッチ33を操作すると(ステップ ホ)、制御装置30は、遮断弁5、流量調整弁4、及び遮断弁12を開弁し(ステップ ヘ)、流量計測手段3、及び圧力計測手段15からの信号に基づいて被充填タンクに流れ込むガスの流量(充填流量F)、及び被充填タンクに流れ込むガスの圧力(充填圧力P)を計測し、同時に単位時間当たりの流量変化ΔF、及び圧力変化ΔPを演算する(ステップ ト)。
【0011】
充填流量Fが設定流量F0−ΔFよりも少なく(ステップ チ)、かつ充填圧力Pが設定圧力P0−ΔPよりも低い場合(ステップ リ)には、制御装置30は流量調整弁4を開弁する(ステップ ヌ)。
【0012】
一方、充填流量Fが設定流量F0−ΔFよりも高い場合には(ステップ チ)、充填流量と許容最高流量とを比較し、充填流量が許容最高流量より低い場合には(ステップ ル)、流量調整弁4を操作することなく、現在の状態を維持する。
同様に充填圧力Pが設定圧力P0−ΔPよりも高い場合には(ステップ リ)、充填圧力と許容最高圧力とを比較し、充填圧力が低い場合には(ステップ オ)、流量調整弁4を操作することなく、現在の状態を維持する。なお、充填動作中に温度計測手段16により基準値以上の温度が検出された場合には、制御装置30は、遮断弁12を閉弁させて被充填タンクの損傷を未然に防止する。
【0013】
他方、充填流量が被充填タンクに定められている許容最高流量より多い場合(ステップ ル)、または充填圧力が被充填タンクに定められている許容最高圧力より高い場合には(ステップ オ)、制御装置30は、流量調整弁4の弁開度を絞る(ステップ ワ)。
【0014】
ついで、充填圧力と設定圧とを比較して(ステップ カ)、プリセット量に到達する以前に設定圧に到達する、つまり満タンとなった場合には、制御装置30は遮断弁12、流量調整弁4、及び遮断弁5を閉弁して、充填動作を終了する(ステップ ヨ)。
【0015】
一方、充填圧力と設定圧との比較の結果(ステップ カ)、依然として設定圧に到達していない場合には、制御装置30は、充填量がプリセット量から予め定められ一定分量だけ手前まで進んだか、否かを判断する(ステップ タ)。
【0016】
このようにしてプリセット量から一定分量だけ少ない量まで充填が進行すると、制御装置30は、圧力計測手段7と圧力計測手段15とで測定された圧力の差分、つまり差圧Pdと、流量計測手段3の検出信号に基づいて充填流量Fを検出する(ステップ レ)。これら差圧Pd、及び充填流量Fとに、無次元化定数A(1/MPa)、B(min/Kg)を乗算して、これらの差分Pd*A−F*Bを算出して判定定数Cを求める(ステップ ソ)。
【0017】
判定定数Cは、プリセット充填のために流量を絞る際の状態、現在のガスの流れが差圧に支配されているのか、流速に支配されているのかの指標を示す定数となる。したがって、Cを所定値、この実施例では「0」と比較し(ステップ ツ)、C≧0の場合、つまり差圧の影響が大きい場合にはD/Pd*Aとなるように流量調整弁4の弁開度を設定し(ステップ ネ)、またC<0の場合、つまり流量の影響が大きい場合にはD/F*Bとなるように流量調整弁4の弁開度を設定する(ステップ ナ)。
【0018】
これにより、制御装置30は、変動要因が大きい方のパラメータ(流量、差圧)を優先させて流量調整弁4の弁開度を設定し、被充填タンク側の配管などによる損失に左右されて、差圧が大きくても流量が小さい場合、また差圧が小さくても流量が大きい場合にも、プリセット量までの残りの追加充填に適した小流量で充填が可能となる。
【0019】
この状態で制御装置30は、流量計測手段3の検出信号に基づいて充填時の流速Fを、プリセット量までの追加充填に適した基準流量値Eと比較し(ステップラ)、充填流量Fが基準流量値Eより小さい場合には流量調整弁4の弁開度を一定量だけ大きくし(ステップ ム)、また大きい場合には流量調整弁4の弁開度を一定量だけ小さくする(ステップ ウ)という操作を繰り返して追加充填に適した一定の小流量での充填を実行する。これにより、追加充填時のガス量の誤差を可及的に少なくすることができる。
【0020】
このようにしてプリセット量に到達する(ステップ ヰ)と、制御装置は遮断弁12、流量調整弁4、及び遮断弁5を閉弁して、充填動作を終了する(ステップ
タ)。
【0021】
なお、上述の実施例においては、流量調整弁を高圧用供給元管路2に接続しているが、各ユニット10(20)のそれぞれの供給管路11(21)に接続しても同様の作用を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高圧ガス充填装置の一実施例を示す構成図である。
【図2】同上装置の動作のうち、大流量での充填動作を示すフローチャートである。
【図3】同上装置の動作のうち、プリセット充填の際の小流量での充填動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 ガス供給タンク
2 高圧用供給元管路
3 ガス流量計測手段
4 流量調整弁
5 遮断弁
7 圧力計測手段
10、20 充填ユニット
11(21) 供給管路
12(22) 遮断弁
13(23) 高圧ホース
14(24) 充填ノズル
15(25) 圧力計測手段
16(26) 温度計測手段
17(27) ノズルスイッチ
30 制御装置
31 表示器
32 操作パネル
33 スタートスイッチ
40 屋外データ入出力装置
41 操作パネル
Claims (1)
- ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンクに供給管路を介して接続された充填ノズルと、前記供給管路に接続された流量計測手段、流量調整弁、及び前記供給管路のガス圧を測定する圧力計測手段を備え、被充填タンクと前記供給タンクとの差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、
前記流量計測手段からの信号に基づいて算出された単位時間当たりのガス流量の変化分、及び前記圧力計測手段からの信号に基づいて算出された単位時間当たりのガス圧の変化分を算出し、
前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも小さく、かつ前記被充填タンクの現在の充填圧力が予め設定された設定圧力と前記ガス圧の変化分との差分よりも低い場合には前記流量調整弁を開弁し、
また前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも大きく、かつ現在の充填流量が前記被充填タンクの許容最高流量よりも小さい場合、
もしくは前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも小さく、しかも前記被充填タンクの現在の充填圧力が予め設定された設定圧力と前記ガス圧の変化分との差分よりも高く、かつ現在の充填圧力が前記被充填タンクの許容最高圧力よりも低い場合 には前記流量調整弁の弁開度を現在の状態に維持し、
さらに前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも大きく、かつ現在の充填流量が前記被充填タンクの許容最高流量よりも大きい場合、
もしくは前記被充填タンクの現在の充填流量が予め設定された設定流量と前記ガス流量の変化分との差分よりも小さく、しかも前記被充填タンクの現在の充填圧力が予め設定された設定圧力と前記ガス圧の変化分との差分よりも高く、かつ現在の充填圧力が前記被充填タンクの許容最高圧力よりも高い場合 には前記流量調整弁を絞る ように制御するガス充填装置。
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