JP5197756B2 - 金属ライナーを備えた高圧ガス貯蔵タンクのための内部ガス暖気 - Google Patents

Description

本発明は、水素及びＣＮＧのガス燃料の高圧貯蔵タンクのための暖気システムに関する。（１）ガスがタンクから消費される運転中のタンクのガス圧力の低下による、及び（２）低温気候状態におけるタンクの環境への暴露による、低温によって引き起こされる熱的及び機械的な応力を最小化する。本発明は、自動車の車載熱源に由来する熱を、タンクポートからタンク内部へ伝導するために、継ぎ目無し金属ライナーと熱的に相互に結合されたタンクポートのまわりに据え付けられる暖気装置を提供する。加熱は、タンク環境の熱的状態とタンクから高圧ガスが消費されることに関連するガス温度の熱的変化とによって引き起こされる、タンク及びタンクの構成部品に働く機械的応力を改善する。

圧縮天然ガスによって駆動される自動車（ＣＮＧＶ）及び水素ガスによって駆動される自動車（ＦＣＶ）は、代表的に、車載高圧ガス燃料タンクを具備している。変形例としては、タンクは、タンクの内部に、ガス吸収材料を具備している。運転中には、タンク内のガスは冷たくなるが、というのは、ガスが自動車の動力プラントによって消費されるとき、タンク圧力は減少（減圧）するためである。タンク内において使用されるガス吸収材料は、自動車の運転中にタンクからガスが排出される間に、ガスに内在する熱を吸収する。寒冷気候においては、タンク内の内部ガス温度は、−６０℃以下にまで下回り、Ｏリング、ゴム、又は、ポリマーのシール、又はタンク組立体に関連したガス流制御装置にとって、許容可能な動作温度よりも低い温度になる。タンク内が過剰な低温になると、シール及び流れ制御装置の設計許容限界を覆し、タンクシステム組立体における温度起因応力の結果、貯蔵されたガスの漏出を引き起こす。

例としては、周辺温度が−２０℃のとき、内部タンク温度は、ガスの減圧に起因して−４０℃ほど追加されて減少し、ガスタンクの内部温度は、−６０℃以下になる。タンク及びタンクに関連したガス流システムの構成部品の膨張及び収縮は、不利益な機械的応力効果を生じさせる。明細書において、水素燃料電池の自動車への参照は、ＣＮＧＶ（圧縮天然ガス（ＣＮＧ）駆動自動車）、水素駆動燃料電池自動車（ＦＣＶ）、及びＣＮＧ又は水素のいずれかによって駆動される内燃機関自動車における本発明の使用と相関している。明細書及び実施例において、水素が代表的に参照されるけれども、“水素”は、多くの例において、ＣＮＧ及び他の燃料ガスと交換可能な用語であることが意図されている。

本発明の目的は、金属ライナーを有する車載された樹脂／繊維の複合材タンクのために、暖気システムを提供することである。本発明が提供する暖気装置は、タンクポートに近接して据え付けられ、継ぎ目無し金属ライナーと熱的に相互に結合され、タンクポートからタンクの内部へ熱を伝導する。タンク及び／又はガスの過剰な低温によって引き起こされる、寒冷気候での運転条件における燃料ガスが漏れるリスクは減少し、及び、その結果、タンクの耐久性が向上するが、というのは、タンク組立体の要素間における温度変動が最小化するためである。

以下、本発明について、添付図面に示した好ましい実施形態に関して、より完全に説明する。

タンクライナーを具備している、炭素繊維樹脂複合材料から形成された、代表的な円筒形の高圧ガス貯蔵タンクを示した破断図である。 時間軸に対してプロットしたガス及びタンクのバルブの温度を示したチャートであって、自動車が運転中及び駐車中の状態における、タンク内のガス及びタンク組立体に関連したバルブ要素の相対的温度を示している。運転後の金属要素の冷却が示されており、バルブ温度は、運転後には、低温許容限界を下回っている。 本発明によるタンク及び暖気システムを示した長手方向の側断面図であって、電気的に駆動される暖気装置が、タンク端部の金属ボス要素と熱的に相互に結合されて、タンクライナーを通るガス及びタンクのために加熱を提供する。 図３の４→←４による長手方向の横断面図であって、タンクの中央部分を通るタンクのボス端部から見ている。 図３の５→←５による側面図であって、タンクボスを取り囲む暖気要素を示しており、電気コイルの巻線が示されている。 本発明による暖気システムを示した側面図であって、ガス及びタンクに加熱を提供するために、タンクの端部にて、金属ボスの暖気要素に流体を流すべく、加熱流体がコイル導管の内部を循環する。 流体導管回路の例を示しており、ボス暖気要素を自動車の冷却システムにおける熱源に相互に結合している。 暖気コイルが相互結合された、様々な熱源を示したチャートである。 電気エネルギー入力及び／又は流体循環のための出力制御システムであって、本発明において利用され、タンク温度を監視し、調整プロトコルに従って、暖気コイルへの出力又は流体入力を制御する。

本発明は、高圧ガス貯蔵タンクのための暖気システムを提供し、該タンクは、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）によって、及び水素ガスで駆動される燃料電池及び内燃機関によって駆動される自動車を含む、高圧ガスを燃料とする自動車に利用される。運転中には、タンク内に貯蔵されたガスは、ガスが消費されるに連れて、タンク圧力の減少のために冷却される。自動車のタンクがガス吸収材料を含んでいる場合には、ガス吸収材料は、タンクからガスが排出されている間、熱を吸収し、さらに冷却効果に貢献する。

環境的には、代表的な周辺温度は、およそ２０℃である。寒冷気候においては、自動車のタンクの内部にあるガスの温度は、−６０℃以下にまで下回り、タンクに使用されているＯリング、ゴム、又はポリマーのシール、及び貯蔵タンクに出入りするガスの流入及び流出を制御する、ポートの入口及び出口の金属組立体の低温側の許容動作温度範囲を越えた温度になる。許容可能な温度範囲を下回ると、シール、バルブ、制御装置などの許容可能な変動が、タンク及び関連する組立体において熱的に引き起こされた機械的変動によって越えられたとき、貯蔵されたガスの漏れが生じる。本発明は、貯蔵タンクを暖気するために、タンクボスのまわりに据え付けられた暖気装置に熱的に相互結合された金属タンクライナーを利用する。継ぎ目無し金属ライナーは、タンクボスからタンク内部へと熱を伝導する。寒冷気候の運転状態における燃料ガス漏れのリスクは、減少して、タンクの耐久性は増加するが、というのは、貯蔵されたガスとタンク壁との間の内部温度変動が小さくなるためである。

自動車の燃料ガス用の車載高圧貯蔵タンクのために、加熱システムを提供する場合に、本発明は、炭素繊維樹脂複合材の外殻を備え、複合材の外殻の内部に配置された継ぎ目無し熱的伝導金属ライナーを有する、高圧ガスの貯蔵のために一定の体積を形成している。金属ライナーの一部分は、タンクの外部から外側に延びて、タンクボスの部分を形成する。暖気リングは、外側に延びたライナー部分の周辺のまわりに配置される。リングは、それに埋設された、コイルを具備しており、自動車に車載の熱源からの熱エネルギーが循環され、コイルによって受けられた熱エネルギーは、タンクの内部ライナーへの伝導によって伝達される。従って、タンクと、タンクのガス流組立体に連関した構成品とは暖気され、タンク及び構成品の温度は、タンク及び要素の温度公差における低温受容限度を下回ることがない。コイルは、電流を受けるのに適合した導電ワイヤの巻線から形成され、又は熱交換流体の循環流を受けるのに適合した導管から形成される。

リングの加熱に流体が採用される場合には、流体導管は、コイルの初めと終わりに入口と出口とを具備し、これらは、自動車システムに関連した熱源に機能的に相互に結合されている。リングが電気的に加熱されても、又は流体で加熱されても、温度を監視し及び調整するために、温度出力制御システムが使用される。制御システムは、温度センサを具備し、バルブ温度、タンク壁温度、ガス温度、周辺温度のうちの１以上のための温度測定値データを制御システムに提供し、及びプロセッサはシステム温度のために制御を行う。プロセッサは、検出された温度を監視し、コイルへの電流又は流体の流れを決定して、タンク及び構成品の温度が、タンク及び構成品の温度公差における低温受容限度を下回らないようにする。他の熱源としては、化学的又は物理的な反応、補給ガスの燃焼、金属水和物材料などが含まれる。

図１を参照すると、高圧タンクは、代表的に、円筒形であって、半球形状のドーム状の端部を備えており、炭素繊維樹脂複合材の外殻から形成されている。図１は、代表的な高圧ガス貯蔵タンク１０を示しており、ガスを貯蔵するために、内部体積１２を有している。タンクは、側壁１４を具備し、第１のボス１１と第２のボス１３とを両端に具備している。ガス入口とガス出口とは、ボス１１に入口１１及び出口１１として示している。樹脂複合材の外殻は、符号１４ａにて示される。本発明において利用される金属ライナーは、符号１４ｂにて示される。図２のチャートには、自動車のタンクシステムにおける運転中及び駐車中の温度状態を示している。前述したように、運転中には、ガス温度は、符号２５にて示す温度差だけ、タンク及び金属要素の低温受容限度を越えている。代表的な駐車中の状態においては、図２に時間と共に示すように、バルブシステムの温度２０は、温度差２６にまで冷却され、駐車後の短時間２１には、バルブ温度が温度公差における低温受容限度を下回って冷やされる。

図３は、例示的な加熱システムにおける要素部品を示しており、それらは、タンク１４、樹脂複合材の外殻１４ａ及び金属ライナー１４ｂ、ガス貯蔵のための内部体積１２、ボス３０、及びガス流導管を含み、同導管は、外部入口導管３０の入口と、運転中にガスを消費するための外部出口導管３０の出口とを含んでいる。ガス流導管は、ボス内に埋設され、ボスはまた、内部に埋設させて（図示せず）、チェックバルブ、圧力調整装置、及び制御バルブをそれぞれの入口３０及び出口３０に有している。ボス３０の１つの要素は、雄ねじ２０ｂに螺着され、対応して雌ねじ２０ａに係合し、ボス要素を受け入れるタンクの外側に延在している金属ライナー１４ｂの部分に又は部分と共に、固有に形成されている。図３の例においては、電気暖気システムは、ボス３０の外部部分３５が延びるまわりに、円周状に配置されている。ボス３０は、ライナーの開口部２０の中に取り付けられる。暖気システムは、電気コイルを備え、リングのまわりに円周状に巻かれ、ボスの外側のまわりの円周に合致するサイズになっている。コイル端部のワイヤ４０ａは、端子４１及び４２に結合され、これは、暖気電流の流れを暖気コイルへ提供する、電源４５に結合されている。図４は、本発明における暖気システムを示した上面図であって、コイル巻線４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｎが、リング４０に埋設され、延在するボス部分３５を取り囲んでいる。ボス電極４１及び４３は、端子４２及び４４に接続され、これらは、電源３０に結合されており、同電源は、暖気電流の流れを導電外殻へ提供する。図５は、暖気コイルの側面図であって、コイル巻線４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｎがリングに埋設されている様子が示される。

図６は、本発明による暖気システムを示した側面図であって、ライナー１４ｂの外側部分を取り囲むリング６０を、流体が循環するシステムが含まれる。流体入口６０ａ及び流体出口６０ｂの導管は、本質的には、図３、図４、及び図５に示したワイヤ巻線と対応するように、リングの内部に配置されている。図７には、自動車の動力プラント又は空調システムからの熱源に相互結合する流体導管６０ａ及び６０ｂが示されている。図８のチャートには、暖気コイルが相互に結合され得る、自動車システムの内部の様々な熱源を示している。

図９は、本発明で利用される、電気エネルギー入力及び／又は流体循環のための出力制御システムを示しており、タンク温度を監視し、及び調整プロトコルに従って、暖気コイルへの電力又は流体の入力を制御するものである。温度制御システムは、全体的な温度監視と、タンク及びガス流要素の調整のために利用される。図９に示した例においては、センサ測定値Ｔ１はボス温度、Ｔ２はガス温度、Ｔ３は周辺温度、及びＴ４は表面付近温度である。検出された温度は、制御システム２００への入力になって、全体的なガス及びタンクの温度を調整し、暖気システムによって発生する制御温度は、流体流及び／又は電力入力として制御プロセッサ２００によって調整され、Ｔ１，Ｔ２＞タンク及びバルブ要素の低温受容限度の関係にされる。制御プロセッサ２００は、制御システムの回路９５に入力される暖気出力源９０からのエネルギー流を調整し、これは、電気的システム又は流体システムのいずれかであって、入力コネクタ９１及び９２を介して、暖気リングに相互結合される。図２を参照すると、様々な動作モードにおける温度が示され、制御システム２００は、符号２５及び２６にて示されるような温度差が解消されるようにシステムを暖気して、システムの低温受容限度を越えることがなくなる。

高圧ＣＮＧ又は水素ガスを燃料とする自動車であって、エンジン又は燃料電池によって駆動されるものは、長い航続距離を必要とし、それは、車載タンクに貯蔵された燃料の量を増加させることで達成される。貯蔵される燃料の量が増えると、タンク内のガス圧力も同様に高まる。車載タンクの内外にて生じる温度変動は、タンクの再充填及び消費中に生じる圧力変動と併せて、タンク及びあらゆるインシトゥー熱管理装置（熱交換器）及び／又はこれに据え付けられるガス流装置（バルブ及び調整装置）から構成される、物理的要素の膨張及び収縮の結果、タンクシステムに機械的応力を引き起こす。タンクのガスが消費されたときのガスの減圧は、温度を下げて、応力を発生させる。加えて、低温は、それ自体、内部又は外部の漏れを引き起こし得る。本願に開示され、特許請求の範囲に記載された、熱暖気及び温度制御システムは、ガス流を促進すると共に、再充填中のガス加熱、タンク消費中のガス冷却、及び環境的温度変動の影響によって、タンク内に引き起こされる応力を緩和するので有用である。本発明は、タンクシステム組立体及びタンク組立体に関連したガス流制御システムの完全性及び耐久性を向上させる。

Claims (9)

1. 乗物燃料ガスの車載高圧貯蔵タンクのための加熱システムであって、
   高圧ガスを貯蔵する一定の体積を画定している炭素繊維樹脂複合材の外殻と、
   前記複合材の外殻の内部に配置された継ぎ目無し熱伝導性金属ライナーと、
   前記タンクの外部から外方へ延在し、前記タンクのボス部分を形成する金属ライナーの部分と、
   前記外方は暖気リングまわりに配置されるライナーに延在し、
   前記リングは、乗物に搭載された源から加熱エネルギーを受けるためのコイルを前記リング内に具備し、
   前記加熱エネルギーは、前記タンクの内部ライナーに伝導によって伝えられ、
   前記タンクおよび前記タンクのガス流組立体に連関する構成品は、前記タンク及び前記構成品の温度が該タンク及び前記構成品の温度公差における低温受容限度を下回ることがないように暖気されることを特徴とする加熱システム。
2. 請求項１に記載の加熱システムであって、
   前記コイルは、電流を受けるような導電ワイヤの巻線から形成されていることを特徴とする加熱システム。
3. 請求項１に記載の加熱システムであって、
   前記コイルは、熱交換流体の循環流を受け入れるような導管であることを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
4. 請求項３に記載の加熱システムであって、
   前記流体導管は、前記コイルの初めと終わりに入口と出口とを具備し、前記入口と前記出口とは乗物システムに関連した熱源に、機能的に相互に結合されていることを特徴とする加熱システム。
5. 請求項２に記載の加熱システムであって、
   前記システムは温度出力制御システムを具備し、該システムは、ａ）バルブ温度、タンク壁温度、ガス温度、及び周辺温度のうちの１以上の温度測定値のデータ入力を制御システムに提供する温度センサ、及びｂ）システム温度のためのプロセッサ制御であって、プロセッサは検出された温度を監視し、コイルへの電流の流れを決定し、該タンク及び構成品の温度が、該タンク及び該構成品のための温度公差における低温受容限度を下回ることがないようなプロセッサを備えていることを特徴とする加熱システム。
6. 請求項４に記載の加熱システムであって、
   前記システムは温度出力制御システムを具備し、これが、ａ）バルブ温度、タンク壁温度、ガス温度、及び周辺温度のうちの１以上の温度測定値のデータ入力を制御システムに提供する温度センサ、及びｂ）システム温度のためのプロセッサ制御であって、プロセッサは検出された温度を監視し、コイルへの熱交換流体の流れを決定し、タンク及び構成品の温度が、タンク及び構成品のための温度公差における低温受容限度を下回ることがないようにする該プロセッサを備えていることを特徴とする加熱システム。
7. 請求項４に記載の加熱システムであって、
   該金属ライナーは、アルミニウム、銅、ニッケル、銀、ステンレス鋼、及びチタンまたはこれらの合金から形成されていることを特徴とする加熱システム。
8. 請求項４に記載の加熱システムであって、乗物システムに関連した熱源は、乗物の動力プラント、燃料電池、バッテリー、モータ、ラジエター、又は乗物の空調システム、乗物の排気、乗物フレーム又は乗物サブフレーム組立体からの熱、及び電気的、化学的、又は熱交換器熱源のうちの１以上の熱源を具備していることを特徴とする加熱システム。
9. 請求項１に記載の加熱システムであって、暖気コイルのための熱源は、化学的又は物理的な反応、補給ガスの燃焼、金属水和物などのうちの少なくとも１つを具備することを特徴とする加熱システム。

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