JP4389163B2 - 高圧ガス充填装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素燃料電池自動車や圧縮天然ガス(ＣＮＧ)自動車の燃料タンクに高圧ガスを充填する装置に関する。

高圧ガスの充填装置は、通常、圧縮機により水素や天然ガスを所定圧力以上に昇圧してガス供給タンクに貯留し、自動車の燃料タンクとの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は、流量計の下流側に遮断弁を介して接続された高圧ホースの先端に充填ノズルが設けられている。そして、プリセット充填においてはプリセット設定値からのオーバランを抑えるために、プリセット設定値よりも所定量だけ少ない量まで充填した時点で、流速を低下させて所定量を小流量で充填する方法が採られている。

しかしながら、流速は、自動車の燃料タンクのガス圧との差圧に左右されるため、上記小流量での流速が一定せず、流速が小さい場合には充填時間が長大化し、また流速が高い場合にはオーバラン量が大きくなって誤差が生じ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目的とするところは、充填時間の長時間化やオーバラン量を可及的に抑えて高い精度でプリセット充填できる高圧ガス充填装置を提供することである。

このような課題を解消するため請求項１の発明は、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流量計測手段、遮断弁、流量調整弁と、高圧ホースを介して接続された充填ノズルとを備え、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、外部入力手段から入力されたプリセット量に充填する場合に、プリセット充填時における低流量での追充填のための前記流量調整弁の弁開度の絞り動作開始のタイミングを、前記流量計測手段により検出された瞬時流量に基づいて調整するスローダウン流量調整手段を備え、前記スローダウン流量調整手段により前記絞り動作開始から充填終了までの時間が一定となるように前記流量調整弁の弁開度を調整するようにした。

請求項２の発明は、前記スローダウン流量調整手段は、予め設定された一定の瞬時流量となるように前記流量調整弁の絞り動作により調整するようにした。

請求項３の発明は、前記スローダウン調整手段による制御の開始時点から前記プリセット量の充填が完了するまでの時間を計測する計時手段を備え、前記計時手段により前記流量調整手段の制御データを変更して、前記低流量での追充填の瞬時流量、または／及び前記低流量での追充填の時間を、前記追充填以前の瞬時流量にかかわりなく一定に制御する。

請求項１の発明によれば、プリセット充填終了間際の被充填タンクの圧力に関わり無くスローダウン以後の充填時間を一定とすることができ、充填終了までの時間の予測が可能となり、作業性を向上することができる。

請求項２の発明によれば、流量調整弁の動作遅れによるオーバラン量を一定とすることができ、高い精度でプリセット充填することができる。

請求項３の発明によれば、充填装置を構成する各要素の特性や、また特性の経年変化に関わり無く所定の特性を維持することができる。

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、高圧ガス充填装置１は、図示しない圧縮機により自動車燃料タンクの最高圧力よりも所定圧力以上に昇圧されたガスをガス供給タンクからの高圧管路２に、上流側から元弁３、流量計４、流量調整弁５、遮断弁６を順番に接続し、その下流にさらに圧力計７、温度計８を介装して高圧ホース９を接続し、その先端に手元三方弁１０と、充填ノズル１１を接続して構成されている。なお、図中符号１２は、充填ノズル１１の取り外しを検出するノズルスイッチを示す。

制御装置２０は、制御パネル２１、流量計４、圧力計７、温度計８、及びノズルスイッチ１２からの信号を受け、また元弁３、流量調整弁５、遮断弁６、警報手段１３、表示器１４に信号を出力するように構成されている。
設定パネル２１は、スタートスイッチ２２、停止スイッチ２３、緊急停止スイッチ２４、キーボード等により構成され、プリセット量を設定する外部入力手段２５、表示器２６とから構成されている。

制御装置２０は、流量計４からの流量パルスを計数する流量計測手段３１と、設定パネル２１により設定されたプリセット量、圧力計７からの信号に基づいて圧力を監視する圧力監視手段３２と、プリセット充填時におけるスローダウン制御（流量絞り動作）の開始時点を制御するスローダウン流量調整手段３３と、スローダウン制御の開始時点からプリセット充填が終了するまでの経過時間を計測する計時手段３４とにより構成されている。

さらに、制御装置２０は、通常の充填用の瞬時流量から低い瞬時流量にスローダウンさせるポイントを記憶したスローダウンポイントテーブル３５ａと、絞りテーブル３５ｂとを構成するスローダウン記憶手段３５、及びこれらテーブルを書き換えるテーブル書き換え手段３６とをそなえている。

スローダウンポイントテーブル３５ａには、プリセット充填時に充填量を正確に制御するために瞬時流量を下げた時点からプリセット量の充填が完了時点までに要した時間を、スローダウン開始直前の瞬時流量に対応して設定したデータが格納されている。

すなわち、瞬時流量が大きい場合には流量調整弁５の弁開度が大きく、追充填に適した瞬時流速となるまで絞り込むのに要する時間が長くなり、また瞬時流量が小さい場合には短時間で所定の低い瞬時流量に絞り込むことができるから、各瞬時流量ごとのスローダウン開始からプリセット充填完了までの時間が、実験などで得られたデータを元にして格納されている。

また、絞りテーブル３５ｂには、スローダウン制御に費やす時間、つまり絞り動作の開始時点からプリセット充填が終了するまでの時間、例えば１０秒となるようにするための、追充填のための瞬時流量を実現するための流量調整弁５の弁開度を、スローダウン開始直前の通常充填の瞬時流量に対応して設定した弁開度を格納して構成されている。

すなわち、瞬時流速と流量調整弁５の弁開度とは比例関係にあるから、
ＭＶ２＝ＭＶ１×Ａ×Ｖａ／Ｖｂ
ただし、
ＭＶ１は、スローダウン制御以後の流量調整弁の弁開度
ＭＶ２は、流量調整弁の初期値
Ｖａは、スローダウン開始直前の流速
Ｖｂは、スローダウン制御当初の目標流量
Ａは、係数
をそれぞれ表す。
なる関係となり、この関係を利用してスローダウン時の弁開度ＭＶ１を検出する。

この実施例において、充填ノズル１１を外すとノズルスイッチ１２がオンとなる（ステップ イ）。自動車の燃料タンクにプリセット充填を実行する場合には制御パネル２１の外部入力手段２５によりプリセット充填モードを選択してプリセット量を入力すると(図３ ステップ ロ)、流量計測手段３１がリセットされて表示器１４が帰零し、流量調整弁５と遮断弁６とが開弁される(図３ ステップ ハ)。

この状態では、表示器１４には、ゼロが表示されるが、流量計測手段には後述するオーバランによる過分量である補正量Ｑ３が加算される。

この状態で、充填ノズル１１を自動車の燃料タンクの充填口に装着し、手元三方弁１０を開弁すると、充填が開始されてガスの流入量に対応して流量計４から流量パルスが出力し（ステップ ニ）、流量計測手段３１により充填量としてカウントされて表示器１４に充填量が表示される(図３ ステップ ホ)。

このようにして、自動車の燃料タンクが満タンになる以前に(ステップ ヘ)プリセット量よりも所定量手前、この実施例では１．５Ｎｍ3だけ少ない充填量に到達すると(ステップ リ)、流量パルスに基づいて現時点の瞬間流量を検出し、絞り操作をすべきポイント、つまり既充填量を演算する（ステップ チ）。

このようにして流量を絞るべきポイントまで充填が進行した時点で（ステップ リ）、流量パルスに基づいて現時点の瞬時流量を検出して、絞りテーブル３５ｂのデータに基づいて流量調整弁５の弁開度を決定し、絞り動作を実行するとともに、計時開始信号を出力する（ステップ ヌ）。

そして、瞬時流量が所定値、例えば１ｋｇ／ｍｉｎとなるように流量調整弁５の弁開度を維持し（ステップ ル）、この状態でさらに充填を実行して少ない流量でプリセット量となるまで充填を継続する。

このようにして補正量Ｑ３を見込んだプリセット値に一致した時点で（ステップ オ）、計時終了信号を出力し（ステップ ワ）、流量調整弁５、及び遮断弁６を閉弁する（ステップ カ）。もとより流量調整弁５、及び遮断弁６に閉弁信号を出力しても応答遅れが存在するが、本発明においてはプリセット量に調整するために適した一定の瞬時流量、例えば１ｋｇ／ｍｉｎが維持されているため、応答遅れにより流れ出るガス量が補正量Ｑ３として予め加算されているから、充填が終了した時点では、可及的に高い精度でプリセット量が充填されることになる。（すなわち、最後の充填期間においては瞬時流量が予め定められた値に調整されており、また瞬時流量はノズル側と被充填タンクとの差圧が一定値に維持されるから、遮断弁６を閉弁した後に被充填タンクに流れ込む量が一定Ｑ３となる）

すなわち、流量制御弁５や、遮断弁６の応答遅れによる流量の変化は、図４に示したように過渡的な変化をするが、次式によりは把握が可能である。
このスローダウン制御開始から充填終了までの瞬時流量は、図５に示したごとく過渡的に変化する。この過渡状態における充填量は、
Ｑ１＝（Ｖ１×Ｔ１）＋（Ｖ１−Ｖ２）×Ｔ２／２＋（Ｖ２×Ｔ２）＋（Ｖ２×Ｔ３）＋Ｑ３
ただし
Ｖ１は、スローダウンポイントでの瞬時流速
Ｖ２は、流量制御のために予め設定された瞬時流量
Ｔ１は、伝達遅れ時間で、流体系特有の固有値
Ｔ２は、動作遅れ時間で、流体系特有の固有値
Ｔ３は、スローダウンに要する時間で、予め設定された値
Ｑ３は、補正値
を表す。
により表すことができる。
なお、補正値Ｑ３は、閉弁動作の遅れによるオーバラン量で、Ｑ−Ｑ１で表されるが、充填量全体に占める割合は極めて少なく無視が可能である。

そしてプリセット量の充填が終了したことを報知し（ステップ ヨ）、充填ノズル１１が元に戻されてノズルスイッチ１２がオフとなった時点で（ステップ タ）、伝票を発行する（ステップ レ）。

ところで、上述の計時開始信号（ステップ ヌ）と計時終了信号（ステップ ワ）とにより計時された時間により、スローダウン開始時点からプリセット充填が終了するまでの時間が規定値、例えば１０秒となるようにスローダウン開始直前の瞬時流量ごとにスローダウンポイントテーブル３５ａのスローダウン開始時点のデータ、つまりプリセット量の充填が完了する手前の充填量のデータを更新し、また絞りテーブル３５ｂの弁開度のデータを更新する。

このように、計時時間に基づいてスローダウンポイント、及び追充填における弁開度を更新するため、各弁などの経年変化にかかわりなく常に一定の状態でプリセット充填することができる。

なお、通常充填が選択され、充填ノズル１１が外された時点で、流量計測手段３１がリセットされて表示器１４が帰零し、流量調整弁５と遮断弁６とが開弁される(ステップ ツ)。

この状態で、充填ノズル１１を自動車の燃料タンクの充填口に装着して充填が行われると、ガスの流入量に対応して流量計４から流量パルスが出力し（ステップ ネ）、流量計測手段３１により充填量としてカウントされて表示器１４に充填量として表示される(ステップ ナ)。

このようにして、自動車の燃料タンクが満タンになると（ステップ ラ）、流量調整弁５、及び遮断弁６を閉弁する（ステップ カ）。そして満充填になったことを報知し（ステップ ヨ）、充填ノズル１１が元に戻されてノズルスイッチ１２がオフとなった時点で（ステップ タ）、伝票を発行する（ステップ レ）。

なお、上述の実施例においてはプリセット量をガス量で設定する場合について説明したが、金額により充填量が指定された場合にあっても同様に適用することができる。すなわち金額に対応するガス量を演算し、これをプリセット量として充填すれば同様の作用を奏する。

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。 同上高圧ガス充填装置の制御手段の一実施例を示す構成図である。 同上装置の動作を示すフローチャートである。 同上装置のプリセット充填時におけるスローダウン制御での弁開度と瞬時流量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 高圧ガス充填装置
２ 高圧管路
３ 元弁
４ 流量計
５ 流量調整弁
６ 遮断弁
９ 高圧ホース
１１ 充填ノズル
１２ ノズルスイッチ
２０ 制御装置
２１ 制御パネル
２５ 外部入力手段

Claims (3)

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流量計測手段、遮断弁、流量調整弁と、高圧ホースを介して接続された充填ノズルとを備え、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、
   外部入力手段から入力されたプリセット量に充填する場合に、プリセット充填時における低流量での追充填のための前記流量調整弁の弁開度の絞り動作開始のタイミングを、前記流量計測手段により検出された瞬時流量に基づいて調整するスローダウン流量調整手段を備え、
   前記スローダウン流量調整手段により前記絞り動作開始から充填終了までの時間が一定となるように前記流量調整弁の弁開度を調整する高圧ガス充填装置。
2. 前記スローダウン流量調整手段は、予め設定された一定の瞬時流量となるように前記流量調整弁の絞り動作により調整する請求項１に記載の高圧ガス充填装置。
3. 前記スローダウン調整手段による制御の開始時点から前記プリセット量の充填が完了するまでの時間を計測する計時手段を備え、前記計時手段により前記流量調整手段の制御データを変更して、前記低流量での追充填の瞬時流量、または／及び前記低流量での追充填の時間を、前記追充填以前の瞬時流量にかかわりなく一定に制御する請求項１に記載の高圧ガス充填装置。

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