JP4176641B2 - 極低温流体用カップリング装置 - Google Patents

Description

本発明は極低温流体及び液化天然ガス用カップリング装置に関し、特にそれぞれ単心又は多心の貫通孔を有する連結プラグと連結ソケットとを備え、これらプラグとソケットが連結状態の時にプラグ内に軸心方向に相対移動可能に配置された接続配管がプラグとソケットとの間の分離境界面を越えてソケット内に進入及びそこから後退可能であり、更にそれぞれ開放状態で前記接続配管の挿通を許容するプラグ側遮断ボール弁及びソケット側遮断ボール弁と、これらボール弁を開閉するための開閉手段とを有する、極低温流体及び液化天然ガス用カップリング装置に関するものである。

本発明は更にこのようなカップリング装置の使用にも関する。

この明細書において、特に極低温流体を表示する記号にはそれらの状態に応じて「気体」には「Ｇ」を、「液体」には「Ｌ」を付すものとする。即ち、例えばＧＨ_２は気体水素を意味し、ＬＨ_２は液体水素を意味する。同様に、圧縮天然ガスには略号「ＣＮＧ」を用い、液化天然ガスには「ＬＮＧ」を使用する。

近年、特に水素と天然ガスは、エネルギー需要の増加と環境意識の高まりにより、エネルギー源としてますます重要になってきている。既に、トラック、バス、乗用車、或いは鉄道機関車でさえも、天然ガスや水素を燃料とするエンジンによって駆動されている。更に、これらのエネルギー源で航空機を駆動する最初の実験が進行中である。

以上に例示したような交通手段における車両又は航空機に搭載した形式での水素又は天然ガスの貯蔵は、液体の形が最も有利である。この目的のためには、水素やＬＮＧを約２５Ｋ或いは１１２Ｋ程度まで冷却した温度状態に保持する必要があり、これを実現するには、貯蔵容器や貯蔵タンクを適切な断熱構造としなければならない。勿論、気体状態での貯蔵は、ＧＨ_２やＣＮＧの密度が低いことから上記交通手段では一般に不都合であり、これは、気体状態での貯蔵は大容積の重い貯蔵容器に高圧状態で貯蔵しなければならないからである。

冒頭に述べたような形式の一般的なカップリング装置は特許文献１に開示されている。この公知のカップリング装置の原理は、プラグ側とソケット側の１つずつの遮断ボール弁が互いにフランジ結合される機構を基本としている。フランジ結合が形成されるのに続いて、プラグ側から両ボール弁の貫通穴に接続配管としての真空断熱充填管が通され、この充填管内を極低温流体がソケット側に通じた容器等へと流れる。充填完了後、プラグと共に充填管が戻され、両ボール弁が再び遮断状態に閉じられる。その後、両ボール弁のフランジ結合が解かれ、プラグとソケットが分離される。このような燃料補給用カップリング装置は、カップリング装置外部に視認できるほどの冷却成分の漏れを生じることなく極低温流体の移し替えを可能とする。
独国特許出願公開第４１０４７１１号明細書

上述の基本原理による機構を実際に応用する場合、プラグ側ボール弁とソケット側ボール弁をボールの９０°回転によって開放又は閉鎖させる操作が不可欠である。従来、この操作はハンドレバーによって行われ、このハンドレバーは、通常のボール弁に使用されているのと同様にレバーの９０°回転によってプラグ側のボール弁を開放又は閉鎖位置に動かすものである。ソケット側ボール弁は、プラグ側とソケット側のボール弁同士がフランジ結合したときに連結される歯車装置を介して同時に開放又は閉鎖位置に動かされる。

例えば、いわゆる給油ロボットを利用した自動操作のために、液圧もしくは空気圧駆動装置でプラグ側ボール弁を操作することも可能である。この場合も、ソケット側ボール弁はフランジ結合が完了した時に連結される歯車装置を介して手動操作時と同様に開放又は閉鎖操作される。

しかしながら、この場合の欠点として、機構上の幾何学的条件のゆえに歯車装置はプラグ側とソケット側のフランジ同士が接触し合う前に連結されていなければならず、カップリングの連結過程中に歯車装置の歯同士を正確にかみ合わせるには、ソケット側に対して相対的にプラグ側の軸心を極めて良好に案内する必要がある。この種のカップリング装置では余分なスペースが殆ど無いので、軸心ガイド機構として例えば円錐形ガイドを所要の形状で利用することはできない。そのため、歯車装置の連結を含むカップリングの連結が正しく行われるか否かは、専ら操作員の熟練度或いは給油ロボットのセンサ装置を含む制御系の精度に依存しているのが実情である。

更に、カップリングの連結過程ではプラグ側とソケット側のボール弁の回転軸が互いに１平面内に位置し、歯車装置同士もそれらの歯がやはり１平面内で噛合しているようにしなければならない。

また、カップリングの連結過程では一方の側の歯先が相手側の歯底内に確実に係合する必要があり、２つの歯先が相突き合う状態となるとフランジ結合が不可能となる。

また、歯車が露出配置されていると周囲環境の影響による強度の汚れに曝され、特に正確な噛合を果たすために僅かな公差しかもたないこの種の歯車装置では、汚れによって歯車の膠着や摩耗の増加を招く恐れがある。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のカップリング装置において、以上の諸欠点を解消することのできる極低温流体用カップリング装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた形式のカップリング装置において、
各ボール弁を開閉するための開閉手段が、連結プラグに付設されて連結プラグの軸心方向にスライド可能なプラグ側回転リングと、連結ソケットに付設されてソケット側遮断ボール弁に作用結合されたソケット側回転リングとを有し、
両回転リングが連結プラグ及び連結ソケットの軸心周りに回転可能であり、
両回転リングが互いに摩擦結合及び／又は形状結合するための手段を有し、
プラグ側回転リングがプラグ側ボール弁に作用結合されているか、或いはまたプラグ側ボール弁に開閉駆動装置が付設されていることによって解決される。

本発明によれば、両方のボール弁は、連結プラグと連結ソケットとが連結される際に、いまやフランジ結合による直接結合ではなく、プラグとソケットとの間の本来の連結が既に完了した後にはじめて互いに結合又は作用結合される。従ってプラグ側とソケット側のフランジ同士は先ず通常の通りに互いに結合させることができ、この場合、従来のように歯車対の軸心方向への相対移動に対するガイドや軸心アライメント精度の不良及び噛合不全などによる不都合が生じることはない。

連結プラグに付設される回転リングを完全な全周リングとして構成することは必ずしも必要でなく、むしろ回転リングは部分リング又は環状部分体で構成すれば充分である。

本発明に係るカップリング装置とこのカップリング装置の諸構成を図１に示す実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。

この実施形態によるカップリング装置は、プラグ側フランジ９とソケット側フランジ１０とを有し、各フランジは係止リング８によって解除可能に互いに形状結合される。連結プラグと連結ソケットとの間の本来の連結は、両フランジ９、１０が係止リング８による係合動作がなされたときに完了する。

本発明によるカップリング装置は、プラグ側回転リング３とソケット側回転リング４とを備えている。両回転リング３、４は、連結プラグ及び連結ソケットの軸心周りで回転可能である（２つの太い両方向矢印で示す）。更に、プラグ側回転リング３は連結プラグの軸心方向へスライド可能である（細い矢印で示す）。プラグ側回転リング３はプラグ側ボール弁１と作用結合され、ソケット側回転リング４はソケット側ボール弁２と作用結合されている。

連結プラグに付設される回転リング３は必ずしもプラグ側ボール弁１と作用結合しておく必要はない。プラグ側ボール弁１を例えば連結プラグに付設される回転リング３とは無関係の別の手動回転リングや、液圧又は空気圧ピストン駆動装置、電動駆動装置等、任意の駆動手段によって選択的に又は付加的に動かすことも可能である。

本発明による図示の実施形態に係るカップリング装置において、連結プラグと連結ソケット、即ちそれらのフランジ９、１０が互いに係止リング８で連結状態に保持されている限り、ボール弁１、２の開放はプラグ側回転リング３が或る限定的な操作力でソケット側回転リング４の方向にスライド変位されることによって行われる。この場合、両回転リング３、４の対向端面同士は摩擦力で軸心周りの相対回転を阻止できるようにしてあり、更に好ましくはこれらの対向端面同士に係合切欠部を設けておけば、それによって両者の相対回転を形状係合によって軸心周りの双方向に関して確実に阻止することができる。これはプラグ側回転リング３の切欠部がソケット側回転リング４の切欠部と係合することによって達成される。

いまや顧客や操作員による手動操作で、或いはロボットによる自動操作で、プラグ側回転リング３がその軸心周りに回転される。その際に、既に付与されている軸心方向の限定的な操作力を維持しておくことが好ましい。このようなプラグ側回転リング３の軸心方向のスライド移動操作及び／又は軸心周りの回転操作は、手動操作に限らず、液圧、空気圧又は電気式の駆動装置によって行うこともできるのは述べるまでもない。

両回転リング３、４が互いの対向端面で既に係合していれば、プラグ側回転リング３の回転によってソケット側回転リング４も切欠部の摩擦／形状結合により直ちに一緒に回転する。例えば切欠部の凸部同士が互いに突き合わさっていることから両回転リング３、４の間にまだ係合が成立していない場合は、プラグ側回転リングが先ず切欠部の凸部の幅だけスリップ回動し、その間はソケット側回転リングが一緒に回されることはない。但し、プラグ側回転リング３に限定的な軸方向操作力が維持されていれば、このスリップ回動に続いてプラグ側リングの切欠部の凸部がソケット側回転リング４の切欠部の底部内に確実に落ち込んで係合する。このようなスリップ回動によって生じる相対角度差は、両回転リング３、４が即時的に係合した場合と比較して極めて僅かな値であるので許容できる。

各回転リング３、４はそれぞれリングギヤ５、１１と結合されており、これらのリングギヤは互いの接続部の汚れから保護されるように外側から見ることのできない内部領域に収納配置されている。各リングギヤ５、１１は、それぞれピニオン６、１２を介して対応するボール弁１、２の駆動軸７、１３を駆動する。

互いに相対回転不能に係合された回転リング３、４を或る角度だけ回転させると、両方のボール弁１、２のボールは、リングギヤ及びかさ歯車の歯車比で決定されている９０°の回転角度だけ、それらの駆動軸周りに回転する。

図示の実施形態による本発明のカップリング装置では、両方のボール弁１、２が同時に開放又は閉鎖動作するようになっているが、プラグ側ボール弁１を上述の駆動系以外の別の駆動装置によって駆動するようにして、ソケット側ボール弁２とは時間をずらして開放又は閉鎖動作するようにしてもよい。

両ボール弁１、２が開放されると、プラグ側の軸心上に軸方向駆動可能に配置されている接続配管としての真空断熱充填管１４が図示しない駆動手段によって直ちに突き出されてボール弁１、２の貫通穴に通され、充填過程を開始することができる。充填過程の終了後、充填管１４が引き戻され、ボール弁１、２が逆の手順で再び閉鎖位置となる。次いでプラグ側回転リング３が後退操作され、係止部８が解放操作されてフランジ９、１０間の係合が解かれ、このようにして連結プラグと連結ソケットが分離される。

尚、前記切欠部の代りに、回転リング３、４の対向端面に連続的又は断続的な配置で摩擦パッド又はシューを取り付けても良い。また、回転リング３、４の対向端部を突き合わせ構造とする代わりに円錐状の嵌合構造にして摩擦面積を大きくすることも可能である。この場合、両ボール弁１、２のボールを回動させるのに必要なトルクは摩擦によって伝達される。このために不可欠な軸方向の押し付け力（圧縮力）はプラグ側回転リング３の係合操作に関して先に説明し軸方向の限定的な操作力に基づいて得ることができる。

本発明に係るカップリング装置の実施形態を示す部分断面斜視図である。

Claims (5)

1. それぞれ単心又は多心の貫通孔を有する連結プラグと連結ソケットとを備え、これらプラグとソケットが連結状態の時にプラグ内に軸心方向に相対移動可能に配置された接続配管がプラグとソケットとの間の分離境界面を越えてソケット内に進入及びそこから後退可能であり、更にそれぞれ開放状態で前記接続配管の挿通を許容するプラグ側遮断ボール弁及びソケット側遮断ボール弁と、これらボール弁を開閉するための開閉手段とを有する極低温流体及び液化天然ガス用カップリング装置において、
   各ボール弁（１、２）を開閉するための開閉手段が、連結プラグに付設されて連結プラグの軸心方向にスライド可能なプラグ側回転リング（３）と、連結ソケットに付設されてソケット側遮断ボール弁（２）に作用結合されたソケット側回転リング（４）とを有し、
   両回転リング（３、４）が連結プラグ及び連結ソケットの軸心周りに回転可能であり、
   両回転リング（３、４）が互いに摩擦結合及び／又は形状結合するための手段を有し、
   プラグ側回転リング（３）がプラグ側ボール弁（１）に作用結合されているか、或いはまたプラグ側ボール弁（１）に開閉駆動装置が付設されていることを特徴とする極低温流体用カップリング装置。
2. プラグ側回転リング（３）が部分リング又は環状部分体からなることを特徴とする請求項１に記載の極低温流体用カップリング装置。
3. プラグ側回転リング（３）及び／又はソケット側回転リング（４）がリングギヤ及び／又はピニオンを介してそれぞれのボール弁（１、２）の駆動軸と作用結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温流体用カップリング装置。
4. プラグ側回転リング（３）に対してソケット側回転リング（４）の方向へ向かう力を印加可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の極低温流体用カップリング装置。
5. 液化水素及び／又は液化天然ガスを燃料とする自動車用の燃料補給用カップリング装置としての請求項１〜１４のいずれか１項に記載の極低温流体用カップリング装置の使用。

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