JP4767743B2 - 圧縮天然ガス又は水素で作動する車両上の高圧燃料貯蔵タンク用のガス冷却方法 - Google Patents

Description

この出願は、米国特許法１１９条（ｅ）に基づいて２００５年４月２０日に出願された、名称「圧縮天然ガス又は水素で作動する車両上の高圧燃料貯蔵円筒タンク用のガス冷却方法」の米国特許仮出願に関し、該出願における全ての利益を有することを主張するものである。
本発明は、燃料補給所で圧縮天然ガス及び水素用の車両への搭載用の車両ガス燃料タンクへの効率的な高圧燃料補給用のシステムに関するものであり、該燃料補給所では、大容量高圧燃料貯蔵タンクが消費者（利用者、民間）用分配手段を介して車両に燃料を提供する。

水素（“Ｈ_２”）及び圧縮天然ガス（ＣＮＧ）といった高圧ガスが自動車の燃料として使用される場合には、車両の効率的な民間燃料補給用の燃料貯蔵設備も開発しなければならない。典型的には、燃料電池への水素の使用、又は、自動車の内燃機関への圧縮天然ガスの使用において、現行では高圧燃料は、水素に対して約５０００ｐｓｉの範囲の、ＣＮＧに対して約３６００ｐｓｉの範囲の最高使用圧力の範囲で保持される搭載用燃料タンク上で分配されて貯蔵されている。燃料補給後のより長い航続距離（ビークルレンジ）に対する利用者の好みの結果、及び技術の進歩につれて、約１０，０００ｐｓｉの範囲のより高い圧力が、活用され得る。燃料電池車両の例では、燃料電池スタックへの水素注入の利用は、約３０ｐｓｉで起こる。燃料貯蔵及び車両タンク及び燃料補給システム及びこれらの相互関係におけるエネルギー効率の増大が、望まれる目標である。

水素駆動車は、燃料電池スタックに動力を供給するための水素を貯蔵する目的で搭載された高圧水素貯蔵タンクを使用し得る。ここで、高圧水素駆動燃料電池車両に関して、高圧圧縮天然ガスで車両を駆動する本発明の用法にも関連がある。（時には明確性のために、明細書中で水素が言及された場合、「水素」は本明細書に記載された高圧環境下での圧縮天然ガスと代替可能であることを意図した用語である。）民間の車両において、複数の円筒形の小型燃料タンクを使用する方が、一つの大型タンクを使用するよりも、設計目的に対して好ましい。高圧水素燃料補給所に対して様々な設計が、燃料補給の効率に対応するために提案されている。水素駆動車において搭載された燃料タンクが水素で充填された場合、該タンク中で加圧して搭載されたガスは、複数のエネルギー形態を有するものとして特徴づけられ得る。エネルギー形態として、１）（車両の作動中に消費される）水素燃料自体に関する化学的エネルギー、及び、２）燃料補給所での燃料供給源からの、搭載用タンクの高圧での燃料供給の物理的過程に関する熱力学的エネルギー、つまり、力学的エネルギー及び熱的エネルギーがある。

水素及びＣＮＧ燃料車両は、搭載用の高圧燃料ガス貯蔵タンクを有している。高圧燃料補給処理中に、前記搭載用のタンクの内部は、タンク圧力が増大するため、そして、他の補給パラメータが補給に影響するため、燃料ガスを圧縮することによって加熱される。補給処理の後、タンクの内部の温度及びタンク内の圧力は、燃料ガスが車両作動中に消費されるにつれて、いずれも緩やかに減少する。従来においては、補給の過程中に圧力補正を行うことなしに十分な補給タンク圧力を得ることは不可能である。すなわち、タンク中に注入され格納される充填燃料圧力は、補給時初期にはタンクの設計圧力を超えていなければならない。圧力補正（初期の過剰充填）がなければ満充填が得られないため、車両の燃費の範囲は減少する。最適なタンク設計圧力がより高いものである場合、この状態は悪化する。過剰充填のジレンマに対する一つの対応として、補給期間中における流速をより緩やかにする手法が用いられ得る。これによって、より低い内部タンク温度及び高い圧力、及び長い間に亘る容量の増大、がもたらされる。熱の増大を避けるための緩やかな流速における望ましくない結果は、自明であって、それは燃料補給の長期化である。別の解決策として、燃料補給前に補給所の燃料ガスを冷却することが考えられる。しかしながら、冷却には実質的にエネルギーが必要であり、それ故、水素エコノミーにおける全体効率が低下してしまう。燃料ガスの予備冷却は、充填圧力が５０００ｐｓｉ又はそれ未満である場合、一般的に不要である。しかしながら、圧力が１０，０００ｐｓｉに接近又は超えるときには、冷却は燃料補給処理において重要な要素になる。同様の選択肢のように、過剰圧力には、追加的なガス圧縮が含まれて、燃料補給処理間の高圧圧縮の結果としてタンク中に発生した熱がさらに増大するという、さらなるエネルギー消費を必要とする。ともかく、タンクの充填圧力が５０００ｐｓｉ又はより低い場合に、二次的なガス補給処理は、一般的に不要である。タンク圧力が（ＣＮＧに対して）３６００ｐｓｉを超えるとともに（水素に対して）５０００ｐｓｉを超えて、そして、１０，０００ｐｓｉに接近又は超える場合には、タンク容量の完全な充填（満充填）を得るために、冷却などの二次的な処理が補給処理において重要な要素になる。満充填が達成される場合、これにより各タンクの補給毎の全体的な航続距離（ビークルレンジ）が増大し、（予備冷却又は圧力過剰充填といった）補給に必要なエネルギーが減少し、時間も節約され、全体的な顧客満足が増大する。

本発明の目的は、高圧ガス駆動車両の設備及び高圧燃料の民間分配用の燃料補給所における全体的なエネルギー効率を考慮したときに、エネルギー損失を最小化して水素補給システムの補給効率を増大させることである。典型的には、車両が水素で燃料補給される度に、機械的圧縮が熱エネルギーに変換されてタンク中に補給されたガスの加熱をもたらす。それ故、本発明の目的は、タンクの加熱を最小化して、水素駆動車両における搭載用燃料貯蔵タンクの効率及び補給容量を増大させることである。本発明の目的は、高圧ガスタンク加熱を最小化して、高圧ガス駆動車両における搭載用燃料貯蔵タンクの効率及び補給容量を増大させることである。本発明の目的は、高圧燃料補給の間に搭載用タンクへの燃料補給に起因する圧縮熱を除去し得るシステムを提供することである。二次的なガス冷却の前処理及び／又は圧力過剰充填を除去することで、燃料補給時間の迅速化、燃料補給効率の増大、及び、全体的な航続距離（ビークルレンジ）の伸張が得られる。単位体積毎のタンク容量の向上は、燃料補給の間、特に、公称の燃料補給圧力が１０，０００ｐｓｉ又はそれを超える領域で達成される。

本発明は、搭載用車両タンクにおける高圧燃料補給で生じる圧縮熱を除去できるシステムを提供する。本明細書で説明されるタンクガス冷却システムによって得られる単位体積当たりのタンク容量の向上によって、燃料補給時間は減少し、燃料補給効率及び全体の航続距離（ビークルレンジ）は増大する。本発明によれば、燃料補給処理の間において燃料タンクの受ける熱量が、熱排出用システムによって効果的に抑制される。このシステムにおいて、タンク内部の熱吸収体は、外部の熱ラジエータと相互に連結され、これにより、タンク内部の熱を吸収して（集めて）、吸収した熱を周囲の大気に放出し、又は高圧燃料補給の熱を放出若しくは吸収若しくは排出する使用に好適な他のシステムに放出する。高圧水素又は圧縮天然ガス車両燃料貯蔵所で、高圧燃料補給ガスにおける高い流速から発生する熱的エネルギー（熱）が、緩慢な充填、二次的な予備冷却、圧力過剰充填、といった燃料補給における前処理の必要性を排除して、民間の車における搭載用燃料タンクから排出される。実施例において、高圧燃料貯蔵補給ラインは、ガス流回路を有する搭載用タンクに動作可能に相互に連結される。燃料補給ガス自体は、燃料補給における圧縮熱を吸収するために搭載用タンク内を循環して、タンク内に開放される前に外部ラジエータに向かう。

本発明は、高圧燃料補給の間の搭載用タンクの燃料補給がもたらす圧縮熱を除去することができるシステムを提供する。特に、公称の燃料補給圧力が、１０，０００ｐｓｉ又はこれを超える最適設計範囲である場合に有効である。内部タンク熱吸収体が外部の熱ラジエータに相互に連結される熱排出システムによって、燃料補給処理の間における燃料タンク内の加熱が抑制される。内部吸収体は、高圧圧縮のもたらすタンクの熱を取り込み（集めて）、取り込んだ熱を周囲の空気、又は、取り込んだ熱の排出に適した他の車両システムに放出する。燃料ガス自体をヒートシンクとして用いる変形例では、燃料貯蔵所で民間ポンプによって高圧燃料補給ガスを循環させるチューブは、燃料補給処理に関連して取り込んだ熱を放出する、又は、燃料補給ガスがタンクに入り込む前に外部環境で熱を吸収する、外部のラジエータにタンク内部から環状に循環する。この方法では、１０，０００ｐｓｉ又はこれを超える高圧における高流速からの固有のエネルギーである燃料補給ガスが、熱排出システムの作動に用いられる。緩慢な充填、二次的な予備冷却、圧力過剰充填といった、時間及びエネルギーを消費する技術は、不要である。要約すると、本発明は、車両内の搭載用タンクに相互連結するように動作可能な高圧燃料貯蔵補給ラインから前記タンクへの補給に要する時間及びエネルギーを抑制するためのシステムを提供する。ここで、燃料補給ガス自体は搭載用タンク内を循環して、燃料補給における圧縮熱を吸収し、この吸収した熱を燃料補給回路から外部環境に放出した後、燃料がタンク内に到達する。これにより、タンクにおける燃料補給の最適値に接近させることができる。

本発明は、図面を考慮した好ましい実施の形態の下記の説明において、より十分に説明される。

本発明のシステムは、搭載用タンク内に導入される高圧ガスから燃料補給圧縮における熱を回収することによって、そして、緩慢な充填、圧力過剰充填、及び／又は、ガスの燃料補給所における予備冷却の必要性を除去することによって、水素駆動車両における燃料補給エネルギー効率を増大させる。燃料貯蔵所で搭載用車両タンクに完全に充填するために必要なエネルギーが低減される。本発明は、燃料補給処理において完全な最適状態に戻す目的で燃料補給所において高圧ガスで搭載用車両タンクを再充填するための必要エネルギーを低減する。その結果、全体的な設備のエネルギーの必要性は低減され、車両燃費は増大し、短期間での補給の必要性は低減され、顧客満足は増大される。高圧燃料貯蔵補給ラインから車両上の搭載用タンクを補給するために必要なエネルギー及び時間は、本発明によって低減される。冷却回路コイルは、搭載用タンク内に配置され、燃料補給の圧縮熱を吸収するために、燃料ガス自体が搭載用タンク中の冷却回路内で循環する燃料補給ガス入口に動作可能に相互接続される。それ故、高圧燃料補給の圧縮熱は、タンクの最適燃料補給への接近が緩慢な充填や予備冷却又は圧力過剰充填を用いずに達成されるように、冷却／燃料補給回路から吸収されて外部環境へ放出される。

全体的に、本発明は、高圧下でガス燃料貯蔵用に１又は２以上の搭載用タンクを有する車両を備え、前記タンクは、１又は２以上のタンクを高圧燃料貯蔵補給ラインに動作可能に相互連結する手段、１又は２以上のタンクが動作可能に高圧燃料貯蔵補給ラインに相互連結されたときのガス膨張に起因して燃料補給の熱における吸熱膨張を有する手段を介して取り込むための、１又は２以上のタンク内における吸熱性の熱吸収手段、１又は２以上のタンクに対する外部環境に燃料補給ガスから取り込んだ熱を放出する目的で、取り込んだ熱を発熱性（放熱性）機器に移動させるため、前記吸熱性の熱吸収手段と相互連結する手段、を備える。

あるいは、本発明は、高圧下でガス燃料貯蔵用に１又は２以上の搭載用タンクを備える車両であり、前記タンクは、１）１又は２以上のタンクが動作可能に高圧燃料貯蔵補給ラインに相互連結される場合にガス圧縮に起因する燃料補給の熱を取り込む１又は２以上のタンク内における吸熱性の熱吸収手段を介して、２）１又は２以上のタンクに対する外部環境へ取り込んだ熱を放出する目的で取り込んだ熱を発熱性（放熱性）装置へ移動させるための手段へ、３）取り込んだ熱を放出するための放熱性装置を介して、循環する高圧燃料を通過させた後に１又は２以上のタンクへ、補給ラインからの高圧燃料を循環させる手段、高圧燃料貯蔵補給ラインに１又は２以上のタンクを動作可能に相互連結する手段、を備える。

図１Ａは、燃料補給される車両用タンクを有する車両と他の燃焼補給装置との関係を示す燃料補給器又は燃料補給所における代表的な線図である。図１Ａは、水素又は圧縮天然ガス駆動車用の従来技術における高圧貯蔵タンクシステムの例を示す。車２００は、前記補給所のパッド２０１上に位置し、水素１１をタンク中に流入可能なステーション補給ノズル１０に連結可能な補給ライン１３に直列な１又は２以上の搭載用タンク１を備えている。ステーション補給ノズル１０は、ステーションタンクからポンプ又はメータ２０２を介して車両のタンク１にガス２１１の流入を可能とする導管を介して、（タンク２０５ａ、２０５ｂ、…２０５ｘ）燃料貯蔵タンクファーム２０５に順に相互連結されるステーションポンプ２０２に相互連結される。燃料貯蔵タンク切換システムは、本発明の一部ではない。典型的に、補給所では、民間の車及び補給所の分配ポンプは、静電気の集積（蓄積）を防止するために接地されている。ステーション燃料補給システムそれ自体は、補給所からの燃料分配を除いて、本明細書で説明される本発明ではないが、本明細書で説明するシステムを用いた車両によって得られる効率向上によって影響を受ける。

図１Ｂにおいて、搭載用タンク１は、水素１１をタンク中に流入できるステーション補給ノズル１０に連結可能な燃料補給ライン１３に直列な燃料ラインチェック弁１２を有する吸気弁Ｖ１を備えている。タンク１４からの燃料消費ラインは、タンク排気弁Ｖ２から制御弁１５及び圧力レギュレータ１６、１８を介し、水素燃料電池スタック又はＣＮＧ駆動エンジンに燃料ライン１７、１９を介して延在している。図１Ｂにおけるシステムの急速充填試験から算出されるガス温度Ｔ［℃］とガス圧力Ｐが図１Ｃに示されている。

典型的には高圧ガス車両燃料タンクは、半球形の端部を有する円筒形状であり、（例えば、カーボンファイバの外側巻線、及び、アルミニウム合金／プラスチックの内側ライナー）強化ファイバー複合材料から形成され、水素に対して略５０００ｐｓｉで、及び、ＣＮＧに対して約３６００ｐｓｉで高圧ガスの充填を実行可能であり、確定した温度での最大定格圧力容量で１０，０００ｐｓｉ又はそれを超える程度まで、実行可能である。圧力／温度容量にもかかわらず、代替の重量充填測定による、標準的な車両に対する水素の典型的な車両タンク満充填は、略１５ポンドであり得る。燃料補給の間、タンク内部のガスは圧縮され、図１Ｂにおいて矢印→、→等で比喩的に示した熱が発生される。車両タンク内の温度は、補給の間、ガス圧力が高くなるとともに増大するが、実際問題として、搭載用タンクにおける最大許容設計温度は、温度制約を超える場合に満充填の妨げとなり得る。これに対して、本発明のシステムは、車両タンクシステム中に蓄積した熱を除去するためのガスにおける固有の燃料補給のエネルギーを用いる、後述する冷却システムを提供することによって燃料補給の圧縮における熱を排出する。その結果、充填量の増大が達成されるとともに、燃料補給時間が低減される。「吸熱」及び「放熱」の語はそれぞれ、熱を吸収又は熱を放出する化学反応を一般的に指すが、それぞれの語は、本明細書での用法から明らかであるように、本明細書において時々、反応それ自体よりもむしろ、概して熱吸収及び熱放出の現象及び材料を示すものである。加えて、「タンク」の語は、単一の貯蔵ユニットに等しく当てはまるが、場合によっては、車両設計上において好ましい複数のタンクを指す。冷却コイル循環システムは、（熱伝導ライナーに比して）軽量であり、タンク中のデッドボリュームが小さく、低コストである。本発明は、タンク外部の装置における熱放出に向けて、車両タンク内における吸収から生じる多量の冷却熱流をもたらす、補給される高圧ガスの力学的エネルギーにおける固有の既存のエネルギー源を用いる。

図２Ａは、典型的にＣＮＧ又は水素駆動車両で用いられる種類の車両高圧燃料貯蔵タンクシステムにおける実施例を示す。代表的な燃料タンクは、カーボンファイバ又はそれらのプラスチック組成物で形成され、熱を除去するために、矢印→、→で示された燃料補給における圧縮熱を取り込む高伝導のアルミニウム又は銅、又はいずれかの合金、又は他の吸熱性材料又はヒートシンク２０で形成される内部ライナーを備え得る。タンク内部の吸熱性材料又はヒートシンクは、タンク外部の放熱装置と同様に構成されてもよく、前者の例では装置が熱を吸収し、後者の例では装置が熱を放出する。取り込んだ熱は、高伝熱パイプ又は導管２１を介して、複数の放熱フィン２２ｆｒ又は他の熱放出機構を有する外部ラジエータ２２に順に移動される。放熱ラジエータは、（熱吸収体と同様に、）フィン、ピン、プレート、波板状のラジエータ、メッシュ、波形エレメント、又は、熱吸収及び熱放出に関して最大の熱効率を可能とするために、高熱伝導性、及び、単位体積又は単位重量毎の大表面積を有する他の装置、を有する。伝熱導管２１は、高伝導のアルミニウム若しくは銅、又はいずれかの合金、又は他の熱伝導体で構成されてもよく、これらの例において、エネルギーのエントロピー流は、高温部（タンク内のライナー）から低温部（外部のラジエータ）に向かう。あるいは、導管２１は、任意的に加圧下で、封止された中空管中の毛細管構造内の凝集材料を備えるものとして通常規定される、ヒートパイプを備えていてもよい。ヒートパイプ中では、凝集材料は、吸熱によって蒸気相に変わり、その後、熱がタンクからラジエータへの「熱流サイクル」において放出されたとき等に、放熱相において固相又は液相に凝集する。ヒートパイプの芯での毛管作用により、冷却された凝縮物が、加熱されたガスを含む燃料タンク内部に復帰して、熱パイプサイクルが繰り返される。車両の作動用に典型的な環境において、ヒートパイプにおいて使用される凝集材料には、典型的には、フレオン（登録商標）、水、アセトン、メタノール、エタノール、トルエンといった有機液体と蒸留水との混合物、及びこれらの類似物、又は、これらの均等物、がある。典型的には、ヒートパイプの中空管は、Ａｌ、Ｃｕ、ＳＵＳ等といった熱伝導材料から形成される。燃料補給圧力が５０００ｐｓｉの場合、燃料貯蔵所での車両に注入される燃料の予備冷却は不要となる。何故なら、本実施例におけるタンクライナーは、余剰の熱を吸収するからである。しかしながら、金属ライナータンクは、高価かつ大重量であり、１０，０００ｐｓｉでの燃料補給に関する熱負荷を操作するには不適切である。図２Ａにおいて示された実施の形態のライナー／ラジエータに適応した補助冷却システムは、ファン又はブロワを用い、図２Ｂに概略的に示しているように、ファン２２fanを任意的に配置してラジエータ２２を介して周囲の空気を循環させ、そこから熱を除去する。２２fanの表記で示されたブロワ又はファンが追加されたことを除き、図２Ａにおいて用いた符号及び図面仕様と同一のものが、図２Ｂにおいても使用されている。この実施例において、ファン又はブロワの動作は、ラジエータの容量、ラジエータへの熱移動率、移動する熱の温度、ファン又はブロワにおけるラジエータで有効な容量（立方フィート毎分（ｃｆｍ））、周囲の外部環境の温度、及びそれらの類似物、といった要因に明らかに依存する。ファン用の制御システムは、前述の要因を相互に関連づけて、適切なファン速度、オンオフタイミング、及びそれらの類似物を決定するように構成されてもよい。

図３Ａは、ガスがタンク内で膨張するときに燃料補給高圧ガスによって燃料補給の圧縮熱２１ｆａを吸収するために、そして、吸収した熱を回路ライン２２ｅｘ、２３ｆｒを介して外部ラジエータに移動させて、吸収した熱を回路を介して外部環境に放出するために、回路ライン１３、２０ｔを介して燃料補給ライン内の高圧燃料補給ガスにおける力学的、熱的エネルギーを用いる燃料補給コイル回路としてタンク内部に形成された熱吸収チューブを有する本発明における車両高圧貯蔵タンクシステムを示す。燃料貯蔵所からの高圧ガスは、タンク内の閉鎖型吸熱性熱捕捉（取込）システム内部で循環した後、熱放出回路中の放熱性熱放出導管に移動して、冷却される。

最終的には、循環して冷却されたガスは、符号２４１のような分離式のオリフィス又は弁を介してタンクに導入される。図３Ａにおいて、燃料補給ガスが吸気弁Ｖ１を介して通過した後、１又は２以上の回路中のタンク内における熱吸収燃料補給パイプ型内部コイル２０ｔを燃料補給ガスが循環する。前記コイルは、（上述の実施例で述べたような、）銅又はアルミニウム又はこれらの合金で好ましくは形成された、複数の熱伝導型の熱吸収フィン２１ｆａ、ピン、メッシュ、波形部材及び同様の構造物を備えている。（熱吸収を伴う）循環する燃料補給ガスは、外部冷却導管又はパイプ２２ｅｘを介してタンクの外に出て、この循環するガスは、外部のヒートシンク又はラジエータ又は２３ｆｒで示したようなフィン部材、メッシュラジエータ、ウォータチャンバ、波形部材、波板、車両フレーム又はボディに上述の部材等とともに配置された補助空気冷却ファン、又は、吸収した熱を放出可能な機構を有する他の部材、に向かう。全体的に、本明細書での任意の実施形態において記載される、内部タンク熱吸収体、ラジエータへの熱導管チューブ、ラジエータ構造、ファン及びブロワシステム、といった冷却システムエレメントは、設計要素及び他の製造基準に基づいて任意の他の実施の形態で類似の使用を行うために交換可能なユニット又は装置である。それ故、高圧燃料補給ガスが内部タンクコイル中に導入されて、内部冷却回路コイルを通過する間に燃料補給の圧縮熱を吸収する。加熱されたガスは、外部ラジエータに向かい、回路内を循環して、最終的に搭載用タンク内に冷却された温度で導入される。温度が低下すると、単位圧力当たりでより多量のガスをタンク内に導入することができる。

図３Ｂ、３Ｃ、及び３Ｄは、図３Ａに示した循環燃料補給コイルと、３Ｄで示した円筒で規定されるタンクの内部体積内における前記コイルを囲む複数の熱吸収フィン（図３Ｂでは図示せず）を有する内部タンク冷却システムを示す。補給燃料入口から、燃料補給ガスチューブ回路２０ｔ１、２０ｔ２、２０ｔ３、２０ｔ４が続き、上述したようにラジエータに向けて導管を介してタンク内部から外部出口２２ｅｘに出る。物理的には、注入ポンプから高圧ガスが放出されると、該ガスは冷却される。しかしながら、タンク内のガス圧力が増大するため、ガスは加熱される。それ故、（ラジエータを通過する）循環（膨張）ガスは、熱が低温から高温に変わって冷却し、及び／又は、タンク容量の最適値に接近するようにタンク中のガス圧力を増大させるために圧縮熱を吸収する。内部のフィンアセンブリ３Ｄは、図３Ｃに示す直径ｄと、図３Ｄに示す長さｌを有している。２１ｆａ、２１ｆｂ、２１ｆ…、といった番号の付与されたフィンは、１）既知の直径、２）既知の熱吸収及び／又は熱放出係数、３）フィンの質量及び／又は表面積によって規定される所定の容積を有する高圧タンク内のフィンアセンブリの熱吸収、冷却容量、といった計算可能な他の熱的要素、を有している。本明細書で述べているように、フィンは総称的に熱吸収体又は本明細書で記載のラジエータとして（機能に基づいて）言及され、ピン、波形部材、及び類似物を含み得る。

図３Ｅは、一方の端部が符号３０、３１のようなネジ式キャップを備える本発明におけるタンク１に対する構造を示す。吸気弁側端部に対向するタンクの端部に位置するキャップ３１は、冷却エレメントアセンブリ上の外側ネジ部３３と螺合する前記キャップ内の内側ネジ部３２と、タンク内の固定位置に循環パイプを保持する目的でタンクの端部キャップ上のロックナット３４を備え、前記コイルがキャップ３０から受け部３５内に延在するようにしている。タンク内部で取り込まれた熱は、手段２３ｆｒ又は他のラジエータシステムで放射され、ファン又はブロワ２２fan又は他の類似手段によって放熱を促進してもよい。

前記システムは、複数のタンク及び車両制御システムにも適用可能である。例えば、図４に示したように、各タンク１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ上における、選択可能又は制御可能な吸気弁１２１、１２３、１２５、及び、選択可能又は制御可能な排気弁１２２、１２４、１２６は、制御手段、論理回路、又はＣＰＵ１５０、及び車両制御システム１００、並びに、圧力及び／若しくは温度、又はタンク若しくはその吸気及び排気ラインに付随する他の検知手段に、動作可能に相互連結し得る。代替的又は補助的な制御システムとして、タンク及び補給ラインと、水素燃料電池又はエンジンとの間に、それぞれ配置されたマニホールド１４０、１４１は、複数の制御弁を有し得る。補給ラインから導入される吸気マニホールド１４０において、制御弁は、各タンク入口に付属する弁１４０Ｖａ、１４０Ｖｂ、１４０Ｖｃを備えている。車両タンク排気マニホールド１４１は、制御弁１４１Ｖａ、１４１Ｖｂ、１４１Ｖｃを備え、それぞれの弁は、装着されたタンクの出口に連結されている。マニホールド弁は、選択されたタンクに補給ライン若しくは該タンクから燃料電池若しくはエンジンへの水素の流通を中断されるまで、又は特定の状況で適切となる閾値圧力若しくは温度若しくは他の可能なパラメータが選択されたタンク若しくはラインにおいて達するまで、手段１５０によって制御され得る。図示されているような、出口マニホールド１４１は、手段１５０に相互連結された個々のマニホールド弁切換手段１５５によって制御されて車両タンク１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃにおける出口１２２、１２４、１２６に相互連結された、複数の選択可能な又は制御可能な弁１４１Ｖａ、１４１Ｖｂ、１４１Ｖｃを備えていてもよい。本発明の原理による特定の制御構造及びパラメータ、弁の配置及びシステムは、全体の車両設計を考慮したものであることが好ましい。マニホールド１４３上の弁は、図示されているような、遮断弁１４３ｓ、ラジエータ用弁１４３ｒ、システムにおいて所望された機能に基づき制御される弁１４３ｅを用いて、下記の操作モードで制御されるようにしてもよい。１）一つのモードにおいては、エンジン弁は閉弁し、全てのタンクに対する共通のラジエータへの対象ガスへのラジエータ弁は開弁して、燃料補給の間、燃料補給ガスの循環を可能にする。２）他のモードにおいて、操作の間、エンジン弁は開弁し、燃料電池スタック又はエンジンへのラジエータ弁は閉弁する。車両制御手段１５０に相互連結されている個々の弁切換手段１５６が、示されている。弁切換手段１５５、１５６は、主車両制御システム１５０と一体化させてもよい。上述のいずれのモードも望まれていないときは、遮断弁を閉弁して燃料システムを閉じる（シールする）。

それ故、図４の一実施例において、回路切換システムは、車両の単数又は複数のタンク中における同形の異なる排気弁を介して、ガス導管中で運ばれる燃料供給の熱が全てのタンク用の共通のラジエータに燃料補給の間向かうようにするとともに、タンク中に貯蔵されたガスが燃料電池スタック又はエンジンに作動中に向かうようにすることができる。例えば、マニホールド弁システムが十分満たされている範囲ではタンク弁は用いなくてもよく、または、設計上の考慮によって望まれる場合には、タンク弁及びマニホールド弁を含む（兼ねる）ようにしてもよい。他の実施例においては、圧力センサ、温度センサ又は他のセンサ１６０は、タンク及び／又はラインの圧力、温度、又は他のパラメータを監視するために設けられてもよく、検知された圧力及び温度又は他のパラメータにおける測定値は、車両作動の過程で加圧水素燃料の補給又は消費のために、タンク又はマニホールド弁システムの作動プロトコルに関する決定要因として適切な制御手段に入力され得る（本願と同一の出願人に譲渡され、２００４年１２月２日に出願された、「水素車両ガスの用法及び燃料補給システム」である、本願と同時係属の米国特許出願番号１１／００１、８８１号明細書を参照）。

図５は、本発明による構成された共通部材に連結された２つの車両タンクを示し、共通のヒートラジエータを用いて、両タンクを並行して同時に充填し、又は、個々に直列に充填することが可能な切換弁を有するマニホールドシステムを示す。図５において、タンク７１、８１は、同一の車両に配置されている。それぞれのタンクは、上述した実施例で説明したように、熱吸収フィンアセンブリ及びガス循環チューブ回路を備える。切換弁又は制御弁を有する一連のマニホールドは、タンク７１に関連する各タンク７３、７４、７５に取り付けられ、タンク８１に関連する各タンク８３、８４、８５に取り付けられている。これらの弁は、両方のタンクに対して同一のラジエータ９０を用いて両タンクを並行して同時に充填を可能とするように切り換えることができ、又は、タンク７１、８１を個々に直列に充填を可能とするように択一的に制御することもできる。弁の制御及びタンクの数は、ここでの教示による付与された設計選択における事柄、及び、他の所望の車両作動パラメータにおける対象（事柄）である。マニホールド７０は、燃料貯蔵所からの高圧ガスを受けて、上述する作動プロトコルに合致する切換弁を有する。複数の車両タンク構造では、複数の選択可能吸気弁及び選択可能排気弁を備えて構成されてもよく、この場合、共通の冷媒循環パイプが各タンクから共通のラジエータ及び／又は循環ポンプへ媒体を導入する。冷却システム吸気弁及び排気弁は、タンクが並行して同時に充填されるときにはいずれのタンクも同時に冷却され、又は、各タンクが個々に直列に充填されるときには充填された単一のタンクだけが冷却されるような制御手段によって選択的に切り換えてもよい。複数のタンクの実施の形態において、材料及びシステムの重複が避けられ、重量及びコストの低減が達成される。本実施例で説明した全ての例において、燃料補給の状態の間、各タンク用の吸気弁が閉弁され、燃料消費の状態の間、各タンク用の吸気弁が閉弁される。

図６Ａは、タンクにおける冷却媒体を循環させるための、タンク６０１を囲繞する車両フレーム部材６０２内に配置される循環流体冷却ライン回路６０３を示す。空気又は他の流体であり得る冷却媒体は、入口６１５内に供給されて出口６２５を介して排出され、冷却媒体から熱を除去するためのファン６３５又は他の作動手段を備えていてもよい。前記冷却媒体回路は、冷却媒体として上述の、空気、水、フレオン（登録商標）等の流体が熱の吸収及び排出用の連続回路内を流れる閉鎖型のものであってもよく、又は、開放型のシステムの場合は、入口で供給空気を受け入れて、他の端部は加熱空気を排出するために開口している。図６Ｂは、高圧タンク６１０を囲繞するアルミニウム又はこの合金といった熱吸収材料から形成された車両フレーム部材６０２内に配置された循環冷却ライン回路６０３を示し、車両循環ガスは、本発明の実施の形態によって、タンクに導入される前に回路を通じて循環する。この実施例では、図６Ａにおいて示される冷却システムは、ラジエータ手段又は上述の実施例において述べた他の手段の代替である。図６Ａのシステムは、燃料補給回路に対する循環手段に並行して作動しうる。図６Ｃは、図６Ａ及び図６Ｂにおいて示した部分６Ｃ→←６Ｃでの車両フレーム６０２の断面図であり、フレーム６０２内に形成された燃料補給ガス循環チューブ６０３と、内部フレームフィン６５０とを示す。図６Ｄは、チューブ６０３が外部フィン６６０によって囲まれている外部チューブ回路における実施例を示す。循環チャネルは、押出製造又は成形された内部回路として形成されてもよいが、循環チューブは、銅、アルミニウム、又はステンレス鋼合金といった高熱伝導性高強度材料で形成された別々の挿入チューブであることが好ましい。内部の別々のチューブ、又はフレームによって支持されたサブアセンブリ構造として、ガス循環システムは、循環回路の完全性に悪影響を与える虞のあるフレーム圧力から有効に隔離されうる。

図２におけるラジエータ２２として説明された実施例における要素に関連して、図３Ａ及び図３Ｅにおけるラジエータ２３ｆｒとして、及び、図４におけるラジエータ９０として、要素２２、２３ｆｒ、９０において示された熱放出手段は、チューブ状（矩形状又は曲線状又は均等な形状の）車両フレームアセンブリ６０２上に配置された構造の図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄに示された車両フレーム冷却システムによって補強され、又は置換され得る。図６Ｅ及び図６Ｆは、フレーム内部の構造キャビティ６０３ｃにおける車両チューブアセンブリ内に配置された冷却チューブ６０３の同様の実施例を示す。図６Ｅにおいて、冷却フィン、プレート、又は類似物６９０は、チューブ側面に沿って（構造ビームの長さ方向に垂直に）配置される。図６Ｆにおいて、冷却フィン６８０は、チューブ状車両フレームアセンブリ６０２上に配置された構造で、チューブフレームの長さ方向に並行して配置されている。断面正方形状のチューブ状フレームが示されているが、円形、楕円形、又は他の曲線形状、及び、複数の側方中空部又は固体断面のビームを除外する意図ではない。

燃料補給ガスが冷却回路から車両タンクに流れる前記冷却システムは、活性燃料補給ガスの冷却に必ずしも限定されない。前記システムは、１）ラジエータに相互に連結されたライナーによって用いられるような、又は、２）燃料循環処理から分離した冷媒循環コイル回路がタンク内の吸熱性媒体内で、車両制御システムによって調整されるような本明細書で示したシステム中の放熱性ラジエータに向かって循環するときに、タンク中の吸熱性内部吸収媒体によって熱を取り込むのに有用である。

本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、付与された説明によって、本明細書で説明された発明概念の趣旨から逸脱することなく本発明に対する変形が可能であることが理解されるであろう。それ故、図示され及び記載された特定の好ましい実施の形態に本発明の範囲が限定されることを意図したものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によって決定されることを意図しているのである。

燃料貯蔵装置のスタンドに対して、相互接続された民間用ポンプ又は計器を介して、燃料補給される車両用タンクを有する車両の関係を示す燃料補給器又は燃料補給所における代表的な線図である。 車両において使用される従来技術における加圧水素又はＣＮＧ燃料補給システムの車両燃料タンクの熱集積及び熱放出を示す概略的な線図である。 急速充填試験から算出される、ガス温度Ｔ（℃）及びガス圧力Ｐのグラフを示す。 一実施例において、熱質量の吸収によって燃料補給の圧縮熱を吸収するために用いられる、少なくともタンク内部表面領域の部分を覆う金属内部ライナーを示す。前記ライナーによって吸収された熱は、取り込んだ熱を放出するタンク外部に伝導によって移動し得る。 熱の除去を促進するために、ラジエータに隣接する補助装置のブロワ又はファンを有するシステムを示す。 補給ガスがタンクを介してコイルにおける吸熱性回路を最初に循環し、ついで、外部ラジエータの放熱性回路に移動して、今や冷却された補給用ガスが、分離されたノズル中のタンク内に再導入される前に、吸収された熱が排出される、搭載用タンクの内部に配置された熱吸収コイル回路の一つのタンクの実施例を示す。 燃料補給チューブ状回路の概略図であり、該回路はタンク内に配置され、該回路内には燃料補給ガスが循環し、その中の３Ｃ→←３Ｃは、詳細を図３Ｃに示すように管の端部構造を区分する。 チューブの端部構造を区分する詳細図である。 熱吸収のために用いられる一連のフィンに対する内部熱容量を計算するために体積（ｄ＝直径、ｌ＝長さ）を規定する。 タンク内のチューブ回路循環システムを固定するために用いられる、タンクに対する端部キャップ構造と、ラジエータを補助するブロワとをとりわけ示す実施例である。 本発明の一部を構成するものではないが、本発明の冷却システムと使用するために適用し得る車両燃料補給及び燃料利用システムにおいて使用される、複数のタンクに対する車両制御システムにおける例を示す。 本発明によって配置された共通のラジエータに連結された２つのタンクを示し、充填回路中の共通のヒートラジエータを用いて、各タンクを並行して同時に充填し、又は、連続して独立に充填することを可能にする切換弁を有するマニホールドシステムを示す。 冷却媒体を循環させるために車両のフレーム部材内に配置された冷却流体循環ライン回路を示す。 本発明の実施の形態によって、タンク内に導入する前に燃料補給ガスを循環させるために車両フレームタンク保持部材内に配置された冷却流体循環ライン回路を示す。 車両フレームアセンブリ上又は内部に配置される冷却フィン構造の実施例を示す。 車両フレームアセンブリ上又は内部に配置される冷却フィン構造の実施例を示す。 冷却流体循環ラインを備える冷却チューブが車両フレーム部材の内部にある実施例を示す。 冷却流体循環ラインを備える冷却チューブが車両フレーム部材の内部にある実施例を示す。

符号の説明

１ タンク
１３、２０ｔ 回路ライン
２０ ヒートシンク
２１ 導管
２２ ラジエータ
３０、３１ キャップ
３２ 内側ネジ部
３３ 外側ネジ部
３４ ロックナット
３５ 受け部（レシーバー）
７１、８１ タンク
９０ ラジエータ
１００ 車両制御システム
１４０、１４１、１４３ マニホールド
１５０ ＣＰＵ（主車両制御システム）
１５５、１５６ 弁切換手段
１６０ センサ

Claims (12)

1. 高圧下において圧縮天然ガス又は水素燃料ガスであるガス燃料を貯蔵するための１又は２以上の搭載用タンクを有している車両において、
   前記１又は２以上の搭載用タンクを高圧燃料貯蔵補給ラインに相互接続するための車両用燃料ラインと、
   前記高圧燃料貯蔵補給ラインから、前記１又は２以上の搭載用タンクが前記高圧燃料貯蔵補給ラインに動作可能に相互接続されている場合に燃料補給に伴うガス圧縮に起因する熱を取り込むと共に、前記１又は２以上の搭載用タンク内に設けられている吸熱性の熱吸収手段を介して、取り込まれた熱を前記１又は２以上の搭載用タンクの外部環境に放出するための放熱性装置に向かって、さらには導管内の燃料が前記放熱性装置を通過した後に前記１又は２以上の搭載用タンク内部に向かうように、高圧ガス燃料を方向付けるための前記導管と、
   を備えていることを特徴とする車両。
2. 前記導管が、ヒートシンクを通じて燃料を循環させることを特徴とする請求項１に記載の車両。
3. 前記ヒートシンクが、フィン、ピン、プレート、波形メッシュ、波形エレメント、及び単位体積又は単位重量当たりの熱伝導性及び表面積が大きい他の装置のうち１又は２以上の部材から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の車両。
4. 前記搭載用タンクの外部に設けられている前記放熱性装置が、前記放熱性装置に移送された前記取り込まれた熱の除去を促進するために、前記放熱性装置と協働して空気流を発生させるファン又はブロワを備えていることを特徴とする請求項１に記載の車両。
5. 前記ヒートシンクが、フィン、ピン、プレート、波形メッシュ、波形板、及び他の形状の装置のうち１又は２以上の部材と協働して熱吸収するコイル状の燃料導管回路を備えていることを特徴とする請求項３に記載の車両。
6. 前記搭載用タンクそれぞれが個別に燃料補給されるように動作可能に相互接続されている複数の前記搭載用タンクを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の車両。
7. １又は２以上の前記搭載用タンクが他の前記搭載用タンクと直列に配置された状態において燃料補給されるように動作可能に相互接続されている複数の前記搭載用タンクを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の車両。
8. ２又は３以上の前記搭載用タンクが並列に配置された状態において燃料補給されるように動作可能に相互接続されている複数の前記搭載用タンクを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の車両。
9. 前記車両が、フレーム構造体を含んでおり、
   前記放熱性装置が、前記車両の前記フレーム構造体内に、前記取り込まれた熱を取り除くための手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の車両。
10. 前記車両の前記フレーム構造体が、前記フレーム構造体内の循環チューブが前記放熱性装置を備えているように、燃料補給ガスのための前記循環チューブを内蔵していることを特徴とする請求項９に記載の車両。
11. 前記車両は、フレーム構造体を含んでおり、
    高圧燃料貯蔵補給ラインからの高圧燃料が、前記高圧燃料が前記１又は２以上の搭載用タンク内に格納される前に、ガス導管を通じて前記車両の前記フレーム構造体内部で循環していることを特徴とする請求項６に記載の車両。
12. 高圧下において圧縮天然ガス又は水素燃料ガスであるガス燃料を貯蔵するための１又は２以上の搭載用タンクを有している車両であって、
    高圧燃料貯蔵補給ラインから前記１又は２以上の搭載用タンク内部にガス流を方向付けるためのコネクタであって、前記１又は２以上の搭載用タンクに設けられている前記コネクタと、
    ガスが前記１又は２以上の搭載用タンク内に導入された場合に該ガスが圧縮されるにつれて加熱される、高圧の燃料補給ガスからの熱を吸収すると共に、前記１又は２以上の搭載用タンクに設けられている熱吸収性装置であって、前記燃料補給ガスが前記搭載用タンク内に導入された場合における前記燃料補給ガスの温度よりも低い温度に前記燃料補給ガスの温度を低減させる前記熱吸収性装置と、
    前記熱吸収性装置と相互接続されている循環システムであって、前記搭載用タンク内の前記熱吸収性装置を通じて、前記燃料補給ガスから取り込まれた熱を前記１又は２以上の搭載用タンクの外部環境に放出するための放熱性装置に、前記燃料補給ガスを循環させる前記循環システムと、
    を備えている前記車両において、
    前記燃料補給ガスが前記放熱性装置を通じて循環した後に、前記燃料補給ガスが前記１又は２以上の搭載用タンク内部に再導入されることを特徴とする車両。