JP4622906B2

JP4622906B2 - 液化ガス充填方法

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Publication number: JP4622906B2
Application number: JP2006083766A
Authority: JP
Inventors: 大五郎森; 徳彦秡川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: JP2007255670A

Description

本発明は、液体水素等の液化ガスの充填に用いられる液化ガス充填ノズル、このノズルを備えた液化ガス充填装置及びこの装置を用いた液化ガス充填方法に関する。

液体水素などの液化ガスを貯蔵タンクに充填する際に、この液化ガスの通過する配管及び充填ノズルを液化ガス温度域まで冷却する必要がある。特に充填ノズルは大気中にむき出しの状態で放置されることがあり、この場合充填ノズルの温度は室温付近に達する。

この状態の充填ノズルを液化ガスが通過すると、この液化ガスが気化してボイルオフガス（以下、ＢＯＧと称することがある。）が生ずるとともに充填ノズルが液化ガス温度付近まで徐々に冷却される。このＢＯＧが充填ノズルの流路を塞ぐため、液化ガス充填開始直後の液化ガスの流量は少なく充填速度が小さくなる。また、充填ノズルの冷却のために多量の液化ガスがＢＯＧとなって排出されるため、充填効率が悪くなる。

液化ガスの充填効率向上のため、ＢＯＧである水素ガスを水素吸蔵合金で回収する水素貯蔵装置について開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１２０９００号公報

しかし、ＢＯＧ量が多いと水素貯蔵装置の大型化を招くので好ましくない。充填効率及び充填速度を向上するためには、ＢＯＧの発生量を抑制することが重要である。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ＢＯＧの発生を抑制し、急速な液化ガスの充填を可能とする液化ガス充填ノズル、このノズルを備えた液化ガス充填装置及びこの装置を用いた液化ガス充填方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の液化ガス充填ノズルは、被充填容器の充填口に挿入される円筒状のノズル本体と、前記ノズル本体の内壁に設けられ、前記ノズル本体の内径寸法を狭めて前記ノズル本体を通過する液化ガスの流束を細くする狭窄部と、を備える。

本発明の液化ガス充填ノズルでは、上述の構成をとることにより、円筒状のノズル本体の内壁にノズル本体の内径寸法を狭めてノズル本体を通過する液化ガスの流束を細くする狭窄部が位置する。狭窄部を通過する液化ガスの流束の直径は、狭窄部よりも液化ガス流れ方向下流側ではノズル本体内径よりも細くなる。そのため、狭窄部よりも液化ガス流れ方向下流側における液化ガスのノズル本体の内壁への接触が抑制される。

本発明の液化ガス充填ノズルを用いて液化ガスを充填する際に、液化ガス充填ノズルの温度が室温付近にまで上昇しても、狭窄部よりも液化ガス流れ方向下流側における液化ガスのノズル本体の内壁への接触が抑制されるため、液化ガス充填時のＢＯＧの発生量が減少する。その結果として、液化ガスの充填効率を向上することができる。また、液化ガスがノズル本体の内壁に接触して発生するＢＯＧはノズル本体の見かけの内径を狭くして流路抵抗を大きくするが、ノズル本体内で生ずるＢＯＧの発生を抑制することにより流路抵抗を小さくし、充填時間の短縮を図ることができる。

本発明の液化ガス充填ノズルは、前記ノズル本体の外周を囲み前記充填口と嵌合可能な外筒を備えてもよい。

本発明の液化ガス充填ノズルを上述のような構成とすることにより、ノズル本体の外壁と外筒の内壁との間に被充填容器と連通する空隙を形成することができる。この空隙を通じて液化ガスから生ずるＢＯＧを回収することができる。

本発明の液化ガス充填ノズルは、前記液化ガスの圧力が所定値以上となったときに開弁し所定値以下となったときに閉弁する圧力制御弁を前記狭窄部の前記液化ガス流れ方向上流に備えていてもよい。

圧力制御弁を狭窄部の液化ガス流れ方向上流に備えることにより、加圧された状態の液化ガスが圧力制御弁を通過する。そのため、ノズル本体を通過する液化ガスの通過速度を上げることができる。

本発明の液化ガス充填ノズルは、前記液化ガスを加圧する加圧ポンプを前記狭窄部の前記液化ガス流れ方向上流に備えていてもよい。

加圧ポンプを狭窄部の液化ガス流れ上流に備えることにより、ノズル本体を通過する液化ガスの通過速度を上げることができる。

本発明の液化ガス充填ノズルにおいては、ノズル本体の内壁の表面粗さＲａを０．１μｍ以下としてもよい。

ノズル本体の内壁の表面粗さＲａを０．１μｍ以下とすることにより、ノズル本体の内壁と液化ガスとの間にスフェロイダル・ステート現象（ライデンフロスト現象）が起こりやすくなり、液化ガスの蒸発を抑制することができる。その結果として、液化ガスの充填効率及び充填速度を向上することができる。

なお、本発明においてノズル本体内壁の表面粗さＲａはＪＩＳＢ０６３３により測定された値をいう。

本発明の液化ガス充填装置は、上述した本発明の液化ガス充填ノズルと、液化ガスを貯留する液化ガス貯留タンクと、前記液化ガス貯留タンクと前記液化ガス充填ノズルのノズル本体とを連結する液化ガス供給配管と、前記液化ガス供給配管に設けた開閉弁と、を備える。

本発明の液化ガス充填装置は充填ノズルとして本発明の液化ガス充填ノズルを備えるため、液化ガスの充填効率及び充填速度が高い。

本発明の液化ガス充填方法は、鉛直方向上向きに充填口の配置された被充填容器の前記充填口に、本発明の液化ガス供給装置における液化ガス充填ノズル（本発明の液化ガス充填ノズル）のノズル本体を前記ノズル本体が鉛直方向下向きとなるように挿入した状態で液化ガスを充填するものである。

本発明の液化ガス充填方法では、上述の構成をとることによりノズル本体を通過する液化ガスの流束の流れ方向を鉛直方向下向きとすることができる。鉛直方向下向きに流れる液化ガスの流束とノズル本体の内壁との接触が抑制されるため、本発明の液化ガス充填方法によれば液化ガスの充填効率及び充填速度を向上することができる。

本発明によれば、ＢＯＧの発生を抑制し、急速な液化ガスの充填を可能とする液化ガス充填ノズル、このノズルを備えた液化ガス充填装置及びこの装置を用いた液化ガス充填方法が提供される。

以下、本発明の液化ガス充填ノズル、液化ガス充填装置及び液化ガス充填方法を図面に基づき詳細に説明する。なお、同様の機能を有する部材には、全図面を通じて同じ符合を付与し、その説明を省略することがある。

図１は、本発明の液化ガス充填装置の第一実施形態を示す概略構成図である。なお、第一実施形態は液体水素充填装置に本発明の液化ガス充填装置を適用したものである。

第一実施形態に係る液化ガス充填装置は、液化ガスの一種である液体水素を貯留する液体水素貯留タンク１０と液体水素充填ノズル１２とを備え、液体水素貯留タンク１０と液体水素充填ノズル１２のノズル本体とは液体水素供給配管１４で連結されている。液体水素供給配管１４の途中には開閉弁１６が設けられている。液体水素充填ノズル１２は、被充填容器である液体水素充填容器１８の充填口２０に連結されている。

液体水素供給配管１４の外周の一部は水素ガス回収管２２で覆われており二重管構造を形成している。水素ガス回収管２２の一端は閉塞してその近傍に水素ガス回収装置２４と水素ガス回収管２２とを連通する配管２６が接続されている。また、水素ガス回収管２２の他端は後述する外筒３４と一体とされている。

水素ガス回収装置２４は、内部に水素吸蔵合金を備えており水素ガスを回収可能なようになっている。

図２は、液体水素充填ノズル１２が充填口２０に連結した状態を示す要部拡大断面図である。液体水素充填ノズル１２は、充填口２０に挿入される円筒状のノズル本体２８と、ノズル本体２８の内壁に設けられノズル本体２８の内径寸法を狭めてノズル本体２８を通過する液体水素３０の流束を細くする狭窄部３２と、狭窄部３２の液体水素３０流れ方向上流に設けられた液体水素３０を加圧する加圧ポンプＰと、ノズル本体２８の外周を囲み充填口２０と嵌合する外筒３４と、で構成されている。

狭窄部３２はノズル本体２８の内径寸法を狭めることのできるものであれば特に限定されないが、例えば、ノズル本体２８と別に形成されたノズルをノズル本体２８内に配置してもよいし、ノズル本体２８の中空部を狭窄するように押し潰して形成することもできる。第一実施形態では、ノズルをノズル本体２８内に配置した。

ノズル本体２８の外壁と外筒３４の内壁との間には、液体水素充填容器１８内部と連通する空隙が形成される。この空隙は水素ガス回収管２２を介して水素ガス回収装置２４と連通されている。そのため、液体水素充填時に発生するＢＯＧ（水素ガス）を水素ガス回収装置２４で回収することができる。

液体水素供給配管１４及び水素ガス回収管２２の外周は断熱材３６（図１では不図示）で覆われており、外部からの熱の侵入による液体水素の気化を防ぐようにされている。断熱材３６としては、例えば、アルミ又はアルミ蒸着フィルムとグラスファイバースペーサとを交互に３０〜６０層積層させたものが用いられるがこれに限定されるものではない。

液体水素充填容器１８は、液体水素を貯留可能な内槽３８と、内槽３８の外側周囲を覆う外槽４０と、内槽３８と外槽４０との間に設けられた断熱層４２と、を有する。

液体水素充填容器１８における断熱層４２としては、多層インシュレーション（ＭＬＩ）を用いることができる。ＭＬＩは、反射率の高い薄膜状の放射シールド材とシールド材間の熱伝導を防ぐスペーサ材とを交互に積層することにより構成される。シールド材としては片面あるいは両面アルミ蒸着されたポリエステルフィルム等が、スペーサ材としてはガラス繊維の布や紙、ナイロンネット等が用いられる。ＭＬＩは、シールド材をＮ枚挿入すると輻射による進入熱量を１／（Ｎ＋１）に減少させることができる。

断熱層４２として、ＭＬＩ以外にもグラスウール等を用いることができる。

また、内槽３８と外槽４０との間は真空ポンプにより真空引きされることで真空とされる。これにより更なる断熱効果が得られる。

外槽４０及び内槽３８としては、ＳＵＳ又はステンレス製のタンク等を用いることができるがこれに限定されるものではない。内槽３８には、超低温状態で強度があるステンレス鋼が一般に用いられる。

液体水素充填ノズル１２を液体水素充填容器１８の充填口２０に連結後、開閉弁１６を開放することにより液体水素貯留タンク１０に貯留された液体水素が液体水素充填容器１８に注入される。このとき、液体水素は狭窄部３２の上流に設けられた加圧ポンプＰで加圧されて注入される。

液体水素充填ノズル１２の鉛直方向Ｚ（図２参照。）に対する角度θ（以下、連結角度θと称することがある。）が大きい場合、液体水素の流束は放物線を描きノズル本体２８の内壁に接触する可能性が高くなる。加圧ポンプＰにより液体水素を加圧してその通過速度を上げることで、連結角度θが大きい場合でも液体水素がノズル本体２８の内壁に接触する確率を下げることができる。その結果として充填時間の短縮及び充填効率の向上を図ることができる。また、連結角度θの制限が減少するため液体水素充填容器１８の設計の自由度が向上する。

図３は、第一実施形態の変形例に係る液体水素充填ノズル１２が充填口２０に連結した状態を示す要部拡大断面図である。当該変形例に係る液体水素充填ノズル１２では、狭窄部３２の液体水素３０流れ方向上流に液体水素の圧力が所定値以上となったときに開弁し所定値以下となったときに閉弁する圧力制御弁Ｖが設けられている。

圧力制御弁Ｖは液体水素の圧力が所定値以上となったときに開弁し所定値以下となったときに閉弁するため、液体水素を加圧してその通過速度を上げることができる。そのため、液体水素充填ノズル１２の連結角度θが大きい場合でも液体水素がノズル本体２８の内壁に接触する確率を下げることができる。その結果として充填時間の短縮及び充填効率の向上を図ることができる。また、連結角度θの制限が減少するため液体水素充填容器１８の設計の自由度が向上する。圧力制御弁Ｖが開閉するため、本実施形態においては液体水素は断続的に圧力制御弁Ｖを通過する。

第一実施形態においては、ノズル本体２８の内壁の表面粗さＲａを０．１μｍ以下とすることでノズル本体２８を通過する液体水素の蒸発をさらに抑制することができる。特に、狭窄部３２よりも液体水素流れ方向下流側の内壁の表面粗さＲａを０．１μｍ以下とすることが効果的である。

上述した第一実施形態では液体水素加圧手段として加圧ポンプ及び圧力制御弁を挙げたが、これら以外の液体水素加圧手段として、例えば、インジェクタ等を用いてもよい。なお、第一実施形態において液体水素が放物線を描いてノズル本体２８の内壁に接触しない程度に加圧された状態で供給される場合には、液体水素充填ノズルは加圧ポンプ及び圧力制御弁等の液体水素加圧手段を備えていなくともよい。

図４は、第二実施形態に係る本発明の液化ガス充填装置のノズル本体が充填口に挿入された状態を示す要部拡大断面図である。第二実施形態においては、鉛直方向上向きに配置された充填口２０に、ノズル本体２８が鉛直方向下向きとなるように挿入されている。

ノズル本体２８と充填口２０とを図４に示す構成とすることにより、液体水素の圧力が低くてもノズル本体２８を通過する液体水素の流束の流れ方向を鉛直方向下向きとすることができる。そのため、液化ガス充填ノズルに上述した液体水素加圧手段を設ける必要がない。

上述した実施形態では液化ガスとして液体水素を例に説明したが、本発明は液体ヘリウム、液体窒素、液化石油ガス等に適応できる。

本発明の液化ガス充填装置の第一実施形態を示す概略構成図である。第一実施形態における液体水素充填ノズルが充填口に連結した状態を示す要部拡大断面図である。第一実施形態の変形例に係る液体水素充填ノズルが充填口に連結した状態を示す要部拡大断面図である。第二実施形態に係る液化ガス充填装置のノズル本体が充填口に挿入された状態を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１０液体水素貯留タンク
１２液体水素充填ノズル
１４液体水素供給配管
１６開閉弁
１８液体水素充填容器
２０充填口
２２水素ガス回収管
２４水素ガス回収装置
２６配管
２８ノズル本体
３０液体水素
３２狭窄部
３４外筒
３６断熱材
Ｐ加圧ポンプ
Ｖ圧力制御弁
θ 連結角度

Claims

被充填容器の充填口に挿入される円筒状のノズル本体と、
前記ノズル本体の内壁に設けられ、前記ノズル本体の内径寸法を狭めて前記ノズル本体を通過する液化ガスの流束を細くする狭窄部と、
を備えた液化ガス充填ノズルを用い、充填される前記液化ガスが前記狭窄部よりも下流側の前記ノズル本体の内壁に接触せずに供給される、液化ガス充填方法。
前記液化ガス充填ノズルが、前記ノズル本体の外周を囲み前記充填口と嵌合可能な外筒を備えた請求項１に記載の液化ガス充填方法。
前記液化ガス充填ノズルが、前記液化ガスの圧力が所定値以上となったときに開弁し所定値以下となったときに閉弁する圧力制御弁を前記狭窄部の前記液化ガス流れ方向上流に備えた請求項１又は２に記載の液化ガス充填方法。
前記液化ガス充填ノズルが、前記液化ガスを加圧する加圧ポンプを前記狭窄部の前記液化ガス流れ方向上流に備えた請求項１又は２に記載の液化ガス充填方法。
前記ノズル本体の内壁の表面粗さＲａが０．１μｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液化ガス充填方法。
鉛直方向上向きに前記充填口の配置された前記被充填容器の前記充填口に、前記液化ガス充填ノズルの前記ノズル本体を前記ノズル本体が鉛直方向下向きとなるように挿入した状態で前記液化ガスを充填する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液化ガス充填方法。