JP5334983B2 - ガスを燃料とする自動車に据え付けられた車載高圧貯蔵タンクにおけるガス流のための暖気及び断熱 - Google Patents

Description

本発明は、熱管理システムに関し、水素及びＣＮＧのガス燃料又はその他の産業ガスのための高圧貯蔵タンクの性能を高め、そのために、１）タンクからガスが涸渇した間に生じる、及び２）低温周囲環境にタンクが環境的にさらされることにより生じる、熱的及び機械的な応力を補償するために選択的な暖気を使用する。本発明は、貯蔵タンクの周辺温度環境に関して、及び自動車のエンジンによって燃料が消費されてタンクが空になったとき、タンクの内部からの高圧ガスの涸渇によって生じるガスの熱的冷却に関して、ガス流温度に適合する。

私が出願した特許出願では、高圧自動車貯蔵タンクにおけるガス流の熱的効果を管理するための、その場（以下、「インシトゥー」）技術を開示している。本発明は、タンクの環境と、タンクの涸渇に関連した温度変化との熱的状態によって生じる応力を改善する。本明細書における水素燃料電池自動車で使用されるタンクへの言及は、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）で駆動される内燃機関自動車及び水素で駆動される内燃機関自動車における燃料タンクにおいても、本発明の使用とも関連がある。水素は、明細書において代表的に参照される例ではあるけれども、「水素」という用語は、ほとんどの例において、「ＣＮＧ及び他の燃料ガス」と置換可能であることを意図している。まとめて、燃料ガスは、「ガス」又は「高圧ガス」と称される。「ＨＥＸ」は、熱交換装置を称する。

加圧タンク内に貯蔵されたガスは、いずれもガスが補給され、貯蔵され、及び消費されることによる高圧と、自動車が運転される周辺環境とに関連した機械エネルギと熱エネルギとを有している。ガスが貯蔵タンクからバルブシステム及び／又は圧力調整ポートを通って流れるとき、ガスが膨張した結果、ガスは冷却される。燃料ガスが高圧タンクから流れるとき、ガスは圧縮されていた状態を失い、タンクの内側からバルブを冷却する。冷たいガス流の冷却効果によって、バルブ及び調整装置の動作及び完全性を妨げる。車載タンクの内部及び外部において生じる温度変動によるタンクの補給及び涸渇中に生じる圧力変動と併せて、タンクと任意のインシトゥー熱管理装置（熱交換器）及び／又はガス流装置（バルブ及び調整装置）であって、タンク組立体と関連するものを構成する、物理的構成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生じさせる。さらに、低温は、それ自体が、内部又は外部に漏れを引き起こす。従って、熱暖気システムを設けることが、ガス流の促進のために、及びタンクの消費中のガス冷却の効果によって、タンク内に生じる応力を緩和するために、望ましい。

本発明は、タンク組立体におけるタンクからのガス出口に関連して、高圧タンク及びガス流制御システムからのガスを暖める熱管理システムを提供する。さらに別の目的は、タンクの周辺環境のために、又はガスの消費の結果による（すなわち、タンク内の圧力低下又はガス膨張によって生じるガス又はタンクの構成要素の冷却による）、タンク組立体の温度変化のために、タンク及び流れ制御システムにおいて生じる温度低下に関連した熱冷却及び機械的応力の影響に適応することである。本発明のさらに別の目的は、温度変動が安定しないとき、熱的に生じるガス流燃料システムにおける漏れを解消することである。

本発明は、インシトゥー熱管理と加熱制御とを提供し、低温及びガス流の減少によって引き起こされる温度変動及び応力が、選択的暖気装置によって改善される。熱暖気システムは、バルブ制御システムと一体化され、タンクからのガス流を調整し、それにより、バルブ、シール、及びポートが選択的に暖気される。暖気システムは、ガスタンク自体からは熱的に断熱される。本発明のシステムでは、燃料ガスは暖められる。というのは、ガスの熱質量は小さくはないので、もしもガスが暖気されていないならば、上述した困難を引き起こすガス流の間に、貯蔵されたガスと貯蔵タンクポートとの間に温度差が生じる。

本発明では、故意に、バルブ及びポートシステムの近くのタンク領域を暖気し、それにより、ガス自体を暖気し、適度な温度差を設け、ガス流システムの全体に悪影響を生み出す温度変化を解消する。タンクから排気された燃料ガスは、タンク制御バルブにガス流が入る前に暖気される。本発明は、内部熱管理システムのための装置を提供し、ガスの暖気は、ガスの使用におけるタンク涸渇段階のために提供される。本発明は、両端に端部キャップ又はポートを有するタンク、並びに、単一の中央ポートの配置を有するタンクと共に使用するために適している。熱暖気システムは、バルブ制御システムと一体化され、タンクからのガス流を調整する。本発明は、運転中にタンクの内部のガス流を暖気し、寒冷気候での運転状態において燃料ガスが漏れるリスクを減少させる。

結果的に、貯蔵されたガスとタンクの構成要素との間の内部温度差が減少し、自動車動作の温度範囲が増加するので、長期的なタンクの耐久性は増加する。例えば、タンクのナット又はボスのまわりに配置された、バルブ、シール、又はポートは、選択的に暖気される。ガスそれ自体と、金属製バルブ、シール、及びポートの構成要素との間の熱質量における差異のために、選択的加熱はタンク全体を暖気するよりも、より効果的である。変形例としては、金属製バルブ、シール、及びポートの構成要素を、ガスタンク自体から熱的に断熱する。さらに別の例においては、タンクから排出される燃料ガスは、ガスが金属製バルブ及びポート／ボスの構成要素に入る前に暖気される。

例えば、タンクに貯蔵された水素の熱質量は、ＨｅａｔＭａｓｓ_ＴＡＮＫ ＝ ｍ_{Ｈｙｄｒｏｇｅｎ} × Ｃｐ ＝ １４．７キロジュール毎ケルビン（ｋＪ／Ｋ）と計算され、ここで、ｍ_{Ｈｙｄｒｏｇｅｎ} ＝ １キログラム（ｋｇ）であり、Ｃｐ_{Ｈｙｄｒｏｇｅｎ} ＝ １４．７キロジュール毎キログラム毎ケルビン（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）である。タンクポートシステムにおける金属製の構成要素の熱質量は、ＨｅａｔＭａｓｓ_ＳＵＳ ＝ ｍ_ＳＵＳ × Ｃｐ ＝ ０．５（キロジュール毎ケルビン）と計算され、ここで、ｍ_ＳＵＳ ＝ ３（キログラム）であり、Ｃｐ_ＳＵＳ ＝ １．５（キロジュール毎キログラム毎ケルビン）である。この例においては、水素の熱質量は、金属製のポート組立体のおよそ１０倍、すなわち、１４．７（キロジュール毎ケルビン）÷ １．５（キロジュール毎キログラム毎ケルビン）である。本発明において、温度変化は、選択的な暖気によって緩和される。ガス流のための効率的な暖気システムが提供され、バルブ、シール、及びポートが選択的に暖気される。タンクから排出される燃料ガスは、ガス流がタンク制御バルブに入る前に又は入る間に、暖気される。ガス流の制御箇所に据え付けられた本発明の暖気装置によれば、同一の目的のためにタンクの内部に貯蔵されたガスの嵩の全量を加熱するシステムと比較したとき、熱応力が減少し、高い効率と低コストが達成される。

代表的な高圧ガス貯蔵タンクを示した破断図であって、両端にボスを具備していると共に、タンクの長手軸線に沿って内部に据え付けられたインシトゥー熱管理装置［熱交換器（「ＨＥＸ」）］を具備している。 タンクの片端における断面図であって、ガスバルブ、入口、出口、及び流れ制御装置についてタンク内における配置を示しており、ボスは、インシトゥーＨＥＸ装置のプラグ構造と相互に結合されている。 （１）タンク及びそれに貯蔵されたガスと、（２）タンクの出口にある金属製ボス要素と、の間の熱質量の関係を示している。 時間軸に対して温度をプロットしたチャートであって、（本発明を用いない場合における）自動車の運転中及び駐車中の状態について、タンク内のガスと金属製ボス要素との相対的温度を示している。 時間軸に対して温度をプロットしたチャートであって、本発明による選択的暖気装置を利用したタンクシステムにおける自動車の運転中及び駐車中の状態について、タンク内のガスと金属製ボス要素との相対的温度を示している。 例示的なタンクシステムを詳細に示した断面図であって、内部及び外部の熱交換装置と、タンクの両端にあるボス組立体とを具備し、タンク内に据え付けられた本発明による断熱装置を備え、流れ制御バルブ及び調整装置を具備した内部ＨＥＸの片端を包被している。 タンクの内部に設けられるヒータ又は熱交換器を示しており、自動車の動力プラントへ燃料を提供するタンクのガス流出口導管のまわりに円周状に設けられている。 タンクの片端の詳細を示した断面図であって、本発明による暖気／断熱装置がタンクの内側のボスの箇所に据え付けられ、暖気装置に関連してタンク内を熱が流れる。 タンクの片端の詳細を示した側断面図であって、本発明による暖気装置は、タンクの端部にあるボスを外側から取り囲むように据え付けられている。外部暖気装置からの熱は、金属製ボス要素を通して伝えられ、ヒートパイプによって内部ＨＥＸから運ばれる。 燃料タンクの片端の詳細を示した側断面図であって、ヒートパイプが、インシトゥーＨＥＸを外部熱源と相互に結合している。 図３Ａのシステムの断面３Ｆ−３Ｆによって示される断面図である。 図３Ｄのシステムの断面３Ｇ−３Ｇによって示される断面図である。図３Ｈは、図３Ｄのシステムの断面３Ｈ−３Ｈによって示される断面図である。 本発明による金属熱質量の暖気装置を示した模式図であって、本発明において使用できる自動車の可能な熱源に相互に結合されている。 自動車の可能な熱源を示したチャートであって、システム内の金属熱質量のための本発明の選択的暖気装置が、直接的に、又は中間的熱交換器を介して、相互に結合されている。

本発明は、自動車の高圧タンクからのガス流を熱的に管理する、選択的な暖気を提供するものである。熱源は、自動車タンク（代表的にはタンクのボス）のガス流制御システムに近接及び同軸で整列するように配置され、自動車の運転状態又は自動車が運転される周辺環境に依存して、ガス流システムにおける金属の熱質量は暖気される。好ましくは、熱源は、ガス流制御システムに直接接触して配置されるか、又はヒートパイプによって該システムに相互に結合される。１つの実施形態においては、断熱装置が、内部ＨＥＸを取り囲むか、又は内部に据え付けられた流れ制御システムをタンクボスの箇所にて、取り囲む。本発明は、タンクのガス流制御システムを、少なくともガス流制御システム及びタンクそれ自体の温度許容範囲によって許容される最低低温制限温度に対応する温度まで暖気する。本発明において、選択的に動作する断熱装置又は熱源は、自動車タンクのシステムの近くに及び同軸で整列するように配置され、例えば、システム制御装置を含むタンクボスに、又はタンク内に据え付けられた内部ＨＥＸに配置される。熱源は、タンク内のガスを、少なくともタンクのガス流システム及びタンクそれ自体の温度許容範囲によれば許容される最低低温制限温度に対応する温度にまで暖気する。本発明は、自動車の高圧タンクからのガス流のための選択的な暖気熱管理を提供し、これは、自動車のタンクのガス出口流制御システムに近接し及び同軸で整列するように配置されたヒータと、タンクのガス出口流制御システムの外径に内径が対応している熱源とを備え、熱源から発散した熱は、タンクのガス出口流制御システムを、少なくともタンクのガス出口流制御システムの温度許容範囲によって許容される最低低温制限温度に対応する温度にまで暖気する。

ヒータは、タンクの内部に、又はタンクの外部に据え付けられる。ほとんどの例において、ヒータは好ましくは、自動車が運転中モードにある時間期間中に動作できる。特定の実施形態においては、タンクが据え付けられた自動車が周辺環境温度にさらされる時間期間中にヒータは動作し、さもなくば、タンクの流れ制御システムの温度が、タンクのガス出口流制御システムの温度許容範囲によって許容される低温制限温度を越える事態が引き起こされる。様々な形態において、ヒータは熱的に自動車のラジエタシステムと相互に結合され、ラジエタシステムは、排熱を捕らえる循環流体を含み、又はヒータが熱源によって暖気され、熱源は、動力プラント、燃料電池、バッテリ、モータ、ラジエタ、エアコン、又はその他の自動車のシステムからの排熱、自動車のフレーム又はサブフレームからの熱、又は電気的、化学的、又は熱交換器のヒータにおいて発生する熱、のうち少なくとも１つを備えている。

自動車の貯蔵タンクは、代表的に、内部インシトゥー熱管理熱交換器を具備し、ヒータは、熱交換器の端部部分の少なくとも一部分と、タンクのガス出口流制御システムの内部部分とを包含している。ヒータを暖気する熱エネルギは、任意的には、自動車の熱発生システムと相互に結合された熱交換器からの伝熱媒体の流体流れを介して、又は自動車の熱発生システムに相互に結合されたヒートパイプによって、ヒータに運ばれる。また、選択的な加熱は、ガスが流れるタンクの端部にて自動車のタンクのガス出口流制御システムの近くに及び同軸で整列するように配置された断熱シュラウドを利用した、タンクからのガス流の選択的な断熱を具備している。断熱シュラウドは、タンクのガス出口流制御システムの外径に比べて大きな内径を有しており、タンクのガス出口流制御システムを通るガス流は、タンクボスに隣接したシュラウドの端部部分とは反対側の、シュラウドの開いた端部部分を通して通り抜ける。

シュラウド内のガスは、タンクからのガスの消費によって生じるガス膨張の冷却効果から断熱され、タンクの構成要素の温度は、タンク構成要素組立体の温度許容範囲によって許容される最低低温制限温度を下回る温度にはならない。別の例においては、自動車の高圧タンクからのガス流のための選択的暖気熱管理システムは、自動車のタンクのガス出口流制御システムに近接して同軸的に整列して配置されたヒータと、ガスが流れるタンクの端部にて、自動車のタンクのガス出口流制御システムに近接して同軸的に整列して配置された断熱シュラウドとの両方を備えている。サーモスタットは、制御システムと関連して使用され、タンクの構成要素の温度と熱入力とを調整し、所定の許容値を下回って温度が低下するのを防止する。

熱源は、タンクの内部に又はタンクの外部に据え付けられる。自動車の動作モードにおいて、熱源は、タンクが据え付けられた自動車が運転中か駐車中かである時間期間中に、ガス出口装置を暖気する。また、ガス出口を暖気することは、タンクが据え付けられた自動車が周辺環境温度にさらされる時間期間中にヒータは動作すると有効であり、さもなくば、タンクの流れ制御システムの温度が、タンクのガス出口流制御システムの温度許容範囲によって許容される低温制限温度を越える事態が引き起こされる。内部ＨＥＸの端部部分に据え付けられた断熱シュラウドは、排出ガスの冷却効果が、タンクの片端にある端部部分に近接したガス流制御バルブに悪影響を及ぼすのを防止する。

例えば、熱源は、排出された熱を確保するための循環流体を含む自動車のラジエタシステムと熱的に相互結合される。自動車の貯蔵タンクが内部インシトゥー熱管理熱交換器を具備しているとき、熱源は、熱交換器の端部部分の少なくとも一部分と、タンクのガス出口流制御システムの内部部分とを包含している。

従って、本発明は、自動車のガス貯蔵タンクのガス出口流制御システムを暖気するための選択的な加熱システムを提供する。本発明において利用可能な熱源には、動力プラント、燃料電池、バッテリ、モータ、ラジエタ、エアコン、又はその他の自動車システムからの排熱、自動車のフレーム又はサブフレームからの熱、又は電気的又は化学的媒体から発生する熱、又は熱交換器を通過する熱、又はヒートパイプによって伝えられる熱がある。熱源を暖気する熱エネルギは、任意的には、自動車の熱発生システムに相互結合された熱交換器を介して熱源へ運ばれる。

本発明が提供する内部ガス暖気方法は、高圧ガスを燃料とする自動車における高圧ガス貯蔵シリンダのための選択的断熱管理を備え、圧縮天然ガスＣＮＧによって駆動される自動車、燃料電池を含む水素、及び高圧燃料ガスで駆動される内燃機関によって駆動される自動車を含む。多くの例において、燃料電池及びＣＮＧで駆動される自動車は、ガス燃料タンクを具備し、タンクの内部にガス吸収材料を備えている。運転中には、タンクの内部のガスは、タンク圧力の減少によって、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とき、ガス吸収材料は、タンクからガスが排出されている間に、熱を吸収する。環境的に、自動車の構成要素に関する代表的な周辺設計温度は、およそ２０℃である。寒冷気候においては、自動車のタンク内における内部ガス温度は−６０℃まで降下することがあり、こうした温度は、Ｏリング及び／又はその他のゴム又はポリマーシールであって、タンク及びポートの入口及び出口の金属製ポート組立体に使用され、貯蔵タンクへの及びからの流入及び流出を制御する部材についての許容可能な動作温度範囲を下回る。システムにおける物理的応力は、温度変動によって生じるタンクシステム要素の膨張及び収縮によって引き起こされる。温度変動が、タンク、シール、バルブ、制御装置及びその他について、許容可能な許容範囲を下回るとき、タンク及び関連するガス流組立体において熱的に発生する機械的変動が、貯蔵ガスの漏れにつながる。

本発明が提供する解決策は、効率的にガス温度を制御し、運転中及び駐車中のガス流制御における温度差を安定化させて、寒冷気候の運転中状態における燃料ガスの漏出のリスクが結果的に減少する。本発明は、貯蔵ガスとタンクの制御要素（及び出口）との間の内部温度差が小さくなるために、タンクの耐久性を高める。従って、自動車が動作する温度範囲は拡大する。

例えば、バルブ、シール、又はポートは、選択的に暖気され、又は熱変動から断熱される。内部ＨＥＸ、バルブ、シール、又はポートは、ガスタンクそれ自体から断熱され、タンクから排出される燃料ガスは、バルブに行く前に暖気される。上述したように、熱暖気システムは、タンクからのガスの流れを調整するためのバルブ制御システムと一体化してもよい。本願における発明の要旨の段落にて説明した例においては、タンク内の水素の熱質量は、ガスが貯蔵されるタンクの金属製のポート組立体の熱質量に対して、およそ１０倍であると計算される。本発明においては、ガス流のための効率的な暖気システムが提供され、それにおいては、バルブ、シール、及びポートが選択的に暖気され、暖気システムはガスタンクそれ自体から断熱され、タンクから排出された燃料ガスは、ガス流がタンクの制御バルブに入る前と、又はガスがバルブを通って流れる間とのいずれか又は両方において暖気される。選択的暖気装置をタンクからのガス流の制御箇所に据え付け、又は断熱シュラウドを使用することによって、同様な結果を達成するためにタンク内に貯蔵されたガスの全量の嵩を加熱するシステムと比較したとき、より高い効率とコスト低下とが達成される。

図１Ａを参照すると、代表的な円筒形の高圧ガス貯蔵タンク１０は、ガスの貯蔵のために内部体積１２を有して示され、外部側壁１４を備え、第１の端部ボス１１と、タンクの反対側端部に設けられる（任意的要素である）第２の端部ボス１３と、タンクの内部に据え付けられたインシトゥーＨＥＸ１５とを具備している。タンクからのガス流の入口及び出口は、ボス１１の入口１１及び出口１１にて示される。図１Ｂは、タンクの片端にあるボス１３の要素を示している。外部ガス流入口／出口導管ＧＦ１は、ボス組立体の中で、ガス流出口導管ＧＦ２とガス流入口導管ＧＦ３とに結合しており、また、入口及び出口導管のチェックバルブ及び圧力調整装置及び出口導管における制御バルブ（図３Ａ参照）など、ガス流制御機構を具備している。図１Ｂに示した例においては、ボス組立体１３は、互いに結合されたねじ付きの内部要素１６ａ及び外部要素１６ｂを具備している。通常は、運転中に流れ導管ＧＦ２を通って排出される冷たい燃料ガスは、ボス１３内のバルブ組立体と、要素１６ａ及び１６ｂとを、タンクの内側から直接冷却する。内部ＨＥＸ１５は、タンクの端部ボス１３にプラグインとして据え付けられる（プラグは符号１６にて示される。）。また、要素１３、１６ａ及び１６ｂは、一緒になって、ナット組立体と称される。ＨＥＸのプラグは、符号１６で示される。

図１Ｃは、タンク及びその中に貯蔵されたガスと金属製ボス要素との間の熱質量の関係を示している。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、本発明を用いない場合と用いる場合とについて、図２Ａ及び図２Ｂにそれぞれチャートにて示している。代表的な駐車中状態においては、図２Ａに示すように、時間と共にタンク温度が冷えて、バルブシステムの温度２０は、続いて、駐車中２１の短時間後に、バルブ温度がバルブに許される許容温度制限の低温を下回る。バルブ組立体の温度のメンテナンスは、運転中には、ガスを暖気することで、符号２５にて示される温度差が維持されて達成される。駐車後には暖気されないので、バルブ組立体は、タンクから流れるガスであるＨ_２の熱質量によって、低温制限２６を下回って冷却される。本発明による選択的暖気断熱システムが使用される場合には、図２Ｂの温度チャートに示すように、選択的加熱の効果によって、金属製ボス要素が低温制限より高い許容温度に維持される。バルブ組立体の温度のメンテナンスは、ガス暖気２５によって、運転中に達成される。選択的な断熱（遮熱）を利用する本発明においては、駐車後に、バルブ組立体の温度は、温度２７に維持され、システムの低温制限よりも高温になる。

タンクシステムの詳細断面図において、図３Ａは、タンクシステム及び構成部品を完全に示しており、それらには、タンク１４、ボス１３、及び以下のガス流調整導管から構成されるボス要素が含まれ、それらは、１）外部入口／出口導管ＧＦ１、２）チェックバルブＶ１と圧力調整装置ＰＲ２と制御バルブＶ２とを備えた内部出口導管ＧＦ２、及び３）タンクの内部から及び内部へつながる、チェックバルブＶ１１を備えた内部入口導管ＧＦ３、である。プラグインの内部タンクＨＥＸは、符号３１にて示される。ガス流のための外部熱交換器３２は、導管３３を介して、タンクの内部に相互に結合されている。内部ＨＥＸ３２の反対側端部は、導管３４によって内部ＨＥＸ３１に相互に結合され、これを通してガスは流れ排出され（運転中モードにおいて）、動力プラントへ導入される。（タンクが再充填されるとき、ガスは、ステーションのレセプタクルから流れて、導管３５を通って内部ＨＥＸ３１に至り、内部ＨＥＸ３１から導管３４を通り外部ＨＥＸ３２を通って導管３３を通り、ＧＦ１に入り、最終的には、チェックバルブＶ１１及びタンク入口ＧＦ３を通ってタンクに入る。）

本発明における断熱装置４０は、図３Ａに示すように、金属製ボス１３とボス制御バルブ組立体とインシトゥーＨＥＸ３１のためのプラグインとを具備したタンク端部にて、タンクの内部に据え付けられる。断熱装置４０は、タンクの内部にてボス組立体を取り囲み、シュラウドとして、ボスと、ボス１３に面した内部ＨＥＸ３１の端部部分とのまわりに延在する。運転中モードにおいては、ガスがタンクから消費されているとき、断熱装置４０は、タンクからのガス流によって及びガス中に生じる低圧によって引き起こされる、ガス膨張の不都合な冷却効果に対して、導管ＧＦ２に流入するガスを断熱する。インシトゥーＨＥＸは、導管４１及び４２によって自動車の熱源に結合された外部ＨＥＸへの相互結合３３及び３４によって暖気される。図３Ｂに示した実施形態においては、導管ＧＦ２及びボス／バルブ組立体を通って流れる冷たい燃料ガスは、バルブに行く前に暖気される。バルブの温度は上昇して、温度は低温許容制限よりも高く維持される。図３Ｂに示すように、ヒータ又は熱交換器１９は、タンクの内部１２からのガス入口箇所１９ａと、ボス及びバルブ組立体１３、１６ａ及び１６ｂとの間のＧＦ２の円周まわりに提供される。ヒータ１９は、相互結合導管１９ａ及び１９ｂを介して、自動車の熱源に相互に結合される。

図３Ｃは、タンク１４の流れ制御端部の長手方向の側断面図である。断熱装置４０は、自動車の運転中モードにおけるタンクからのガス消費によるタンクの減圧によって引き起こされる冷却の不都合な効果から、ガス流を断熱させる。図３Ｃにおいて、システム内の熱流は、矢印によって示している。流体導管５０及び５１は、自動車の冷却システムなどの自動車の熱源から、熱交換のための暖気流体を運ぶ。暖気流体は、閉じた回路内を循環し、熱源から内部ＨＥＸ３１を通り、タンクの内部に貯蔵されたガスに、熱を放散する。暖気流体が金属製ボス５２を通過すると、ボスそれ自体が流体流によって暖気される。ガスがタンクから出ると、ガスは、ボス内とＨＥＸ３１との熱交換によって暖気される。冷たいガスは、断熱シュラウド４０によって囲まれた体積に入る。断熱シュラウドは、それに囲まれて、シュラウドによって断熱された体積内にあるガスの温度を暖かく維持し、従って、自動車へ流れる燃料ガスは、ボス組立体５２におけるバルブを流れる前に、暖気される。

図３Ｄは、断面図において、ボスの外部部分を包囲している暖気要素６１によって外周を取り囲まれた、タンク１４の端部部分について、制御ボス及びバルブシステム６０を示している。暖気要素６１は、ボスと同軸的である電気的又は流体流のコイル７３によって加熱される。電気的な又は流体のパワー端子は、適用可能ならば、７１及び７２にてコイルに結合される。仮に、コイルが熱交換流体流れのための管状コイルであるならば、流体入口及び流体出口は、コイルの端子端部７１及び７２に対応することになる。暖気要素は、次に、循環する熱交換流体を用いた自動車の熱源によって、電気的暖気要素又は均等物たる熱源によって、暖気される。図３Ｄの実施形態においては、ヒートパイプ８０は、暖気されるボス６０から内部ＨＥＸ６５へと延在し、これを通して、タンクから消費されている燃料ガスへ熱が運ばれる。構成要素８１は、ボス６１における止めねじを用いて、ねじによって相互に結合される。図３Ｃのシステムにおける熱流は、矢印によって示される。

上述したように、選択的な暖気及び断熱システムは、タンクの内部にあるガスと、ガスが流れる金属製構成要素のボスとの間の熱質量吸収差に基づいて提供される。断熱シュラウドは、低温で高圧であるタンクを断熱するのに適した、公知の材料から形成でき、別々に採用されるか、又は熱暖気構成要素と組み合せて採用される。例えば、図３Ｃに示すように、ガスがタンクから引き出されると、ガスは膨張し、タンク内のガスは冷えて、より冷たいガスがシュラウドによって提供されたキャビティの内部を流れると、流れるガスはインシトゥーＨＥＸ３１によって暖気され、導管５０及び５１を介して熱源に相互結合された暖気金属製ボス５２を通って流れる。従って、シュラウドは、より高温のガスを囲み、暖かいガスがタンクの全体体積と混合することがないように隔離する。選択的な暖気という理由から、必ずしもタンク内部のガスの全体積を加熱する必要が無く、それにより、自動車の運転状態中のガス流のために、エネルギ効率的な暖気システムが得られる。図３Ｄにおいて、ヒートパイプ８０は、内部ＨＥＸ６５を、合致タンク端部要素８１に螺入された外側ボス６０を取り囲む、加熱されたシュラウド６１に相互に結合させる。加熱されたシュラウド６１は、自動車の熱源、例えば、電気システム、ラジエタ、水チャンバ、又はその他の自動車の熱源、例えば、自動車のフレーム又はボディに結合される。図３Ｅにおいて、ヒートパイプ８５は、図３Ｄに示した装置と同様に、自動車の熱源と共に、外部ボス６０から断熱されたシュラウド７３を介して、ＨＥＸ６５に相互に結合されている。

図４Ａは、本発明による金属製熱質量暖気装置４５を示しており、内部にあるいは外部に据え付けられ、自動車の熱源、例えば、自動車の動力プラント冷却システムに、又は別個の加熱ユニット５０に、相互に結合される。冷媒流体の循環システムの導管は、符号６１及び６２にて示される。選択的暖気装置４５は、熱源に直接に相互結合され、又は中間的な任意的要素である熱交換器５１を介して結合される。図４Ｂのチャートは、自動車における可能な熱源を示しており、これらに対して、本発明の金属製熱質量暖気装置が、直接的に、又は中間的な熱交換器を介して、相互に結合される。

図４Ｂの実施形態においては、サーモスタット制御装置Ｔを採用しており、温度制御システムを用いてタンクボス組立体への熱移動を調整し、温度制御システムは、金属製要素の温度と、熱流とを、タンクの構成要素の許容可能な低温許容制限に基づいてを監視する。従って、タンクボス及びナットの組立体のまわりに配置された、バルブ、シール、又はポートが選択的に暖気されると、タンク全体を暖気するのに比べて、より効率的であるシステムが提供され、というのは、タンク及びその中のガスの全体としての熱質量から見ると、金属製部品の熱質量が比較的小さいためである。冷たい燃料ガスが、制御バルブの部位にて直接暖気されると、バルブの温度は高まり、許容制限より高く維持される。

熱源には、エアコン、モータ、バッテリ、又は動力プラントからの排出熱が含まれる。ヒートパイプは、自動車のヒートシンク、例えば、ラジエタ、水チャンバ、自動車フレーム、又はボディの構成要素から、熱を伝達する。また、選択的暖気装置に対する液体又はガスの流体の熱伝達システムを採用してもよい。他の熱源としては、電気ヒータ及び化学的又は物理的な反応であって、補給ガスの燃焼及び／又は金属含水材料媒体から得られるものを含む。

高圧ＣＮＧ又は水素の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、延長された航続距離を必要とし、これは、車載タンクに貯蔵される燃料の量の増加によって達成される。貯蔵された燃料の量が増加すると、タンク内のガスの圧力も同様に上昇する。車載タンクの内側及び外側にて温度変動が生じ、これに伴い、タンクの再充填及び消費中に圧力変動が生じると、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／又はその中に据え付けられるガス流装置（バルブ及び調整装置）から構成された、物理的構成要素の膨張及び収縮の結果として、タンクシステム内において機械的応力を引き起こす。タンクの涸渇によるガスの減圧は、温度を低下させ、応力を生み出す。加えて、低温は、それ自体が、内部的な又は外部的な漏れを引き起こす。開示されクレームされた熱暖気及び制御システムは、ガス流を促進しタンク内部に生じる応力を緩和するために有効であり、それは、再充填中のガス加熱、タンク涸渇中のガス冷却、及び環境温度の変動の効果による。本発明は、タンクシステム組立体と、タンク組立体に関連したガス流制御システムとの完全性及び耐久性を高める。

Claims (15)

1. 自動車に搭載された車載高圧ガス貯蔵タンクを通るガス流のための温度制御システムであって、該システムは、
   （１）該タンクを通したガス流を調整するポリマーと金属製構成要素とを有するガス流制御システムを具備する高圧ガス貯蔵タンクと、
   （２）車載タンクのガス流制御システムにおける１以上の金属製構成要素の近くに配置されたヒータと機能的に相互に結合され、車載された熱源と、
   （３）ヒータへの熱流を調整するサーモスタットであって、サーモスタットが１以上の金属製構成要素の温度を調整して、タンクの流れ制御システムの金属製及びポリマー製の構成要素の温度許容範囲によって許容される、少なくとも最小低温限界温度に対応する温度にする該サーモスタットと、
   を備えていることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、
   該ヒータは、該タンクの出口流制御システムにおける該金属製構成要素と同軸で整列していることを特徴とするシステム。
3. 請求項２に記載のシステムであって、
   該ヒータは、該タンクの内部に据え付けられていることを特徴とするシステム。
4. 請求項２に記載のシステムであって、
   該ヒータは、該タンクの外部に据え付けられていることを特徴とするシステム。
5. 請求項３または４に記載のシステムであって、
   該ヒータは、自動車が運転中モードである時間期間中に動作することを特徴とするシステム。
6. 請求項３または４に記載のシステムであって、
   該ヒータは、自動車が運転中及び／又は駐車中のモードである時間期間中に動作し、
   該タンクは周囲の環境温度に曝され、さもなくば該タンクの流れ制御システムの構成要素の温度を低下させて、該タンクのガス流制御システムにおける構成要素部品の温度許容範囲によって許容される最小低温限界温度を下回らせることを特徴とするシステム。
7. 請求項１に記載のシステムであって、該ヒータは自動車の熱源に熱的に相互に結合され、該熱源は、
   （１）自動車の動力プラント、燃料電池、バッテリ、モータ、ラジエタ、空調装置などからの排熱、又はその他の自動車のシステムであって排熱を発生するものから発生する排熱と、
   （２）自動車のフレーム又はサブフレームからの熱と、
   （３）電気的又は化学的なヒータにおいて発生する熱とのうちの少なくとも１つから構成されていることを特徴とするシステム。
8. 請求項２に記載のシステムであって、
   該車載貯蔵タンクは、インシトゥー熱交換器（ＨＥＸ）と、ＨＥＸの端部部分の一部と、タンクの出口流制御システムにおける金属製の構成要素の内部部分とを包被する円筒形の断熱管を具備していることを特徴とするシステム。
9. 請求項８に記載のシステムであって、
   内部ＨＥＸは、タンクの外部にあるＨＥＸと熱的に相互に結合され、これは、次に、車載の自動車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システム。
10. 請求項２に記載のシステムであって、
    該タンクはガス流を導くボスを有し、該ヒータは該タンクの内部に同軸で配置され、
    該タンクからガスを排出するために該ボスに通じているガス流導管を取り囲んでいることを特徴とするシステム。
11. 請求項４に記載のシステムであって、
    該タンクは内部熱交換器（ＨＥＸ）を有し、
    該タンクはガス流を通して導くボスを有し、
    該ヒータは、該ボスを取り囲んで同軸で配置され、
    該ボスは該タンクからガスを排出するためのガス流導管を有し、該ボスをＨＥＸに相互に結合するヒートパイプと、
    を有することを特徴とするシステム。
12. 請求項３に記載のシステムであって、
    該タンクはガス流を導くボスを有し、該ＨＥＸは該タンクの内部に据え付けられ、該ＨＥＸは該ボスを延通しているヒートパイプに相互に結合され、
    該ボスは該タンクからのガスをタンクの外部にあるＨＥＸへ排出するためのガス流導管を具備し、内部ＨＥＸへの熱流が、該タンクの外部にある該ＨＥＸと相互に結合された車載熱源との熱交換によって提供されることを特徴とするシステム。
13. 請求項１に記載のシステムであって、
    該断熱シュラウドは該タンクからのガス流が始まるタンクの内側端部にて自動車のタンクのガス出口流制御システムの近くに、同軸で整列されて配置され、
    該断熱シュラウドは、該タンクのガス出口流制御システムの外径に比べて大きい内径を有し、
    該冷却ガスは該タンクから該タンクのガス出口流制御システムを通り、該シュラウドの内側体積を通過し、該タンクから出るガスの温度は、該タンクの出口流制御システムの構成要素の温度が該タンクの出口流制御システムを構成する構成要素の温度許容範囲によって許容される最低低温制限温度に少なくとも一致するように調整されることを特徴とするシステム。
14. 自動車に搭載される車載用の高圧タンク内のガスのガス流の温度制御システムであって、
    前記高圧タンクに取り付けられるガス出口流制御システムの外周に配置され、そのガス出口流制御システムに近接して取り囲むように、整列して配置されたヒータと、
    前記高圧タンク内の前記ガス出口流制御システムの内径に適合する寸法を有し、前記高圧タンク内部に配置され前記タンク内の前記ガスとの間で熱交換をする熱交換器により暖められて熱を発散する熱源と、
    前記熱源から発散する前記熱の收支を調整して、少なくとも前記ガス出口流制御システムの温度許容範囲によって許容される最低低温制限温度に対応する温度となるように調整する温度制御と、
    前記高圧タンクの端部に、前記高圧タンクの前記ガス出口流制御システムと前記熱源との近くに整列されて取り囲むように配置された断熱シュラウドとを備えていることを特徴とする温度制御システム。
15. ガスを燃料とする自動車に据え付けられた車載高圧貯蔵タンクにおけるガス流のための暖気及び断熱システムであって、該システムは、
    （１）車載タンクのガス出口の近くに配置されたヒータに機能的に相互に結合された車載熱源と、
    （２）該ガス出口の近くに、取り囲むように配置された断熱シュラウドであって、タンクのガス出口流制御システムの外径に比べて大きい内径を有する断熱シュラウドと、
    （３）該タンクの出口流制御システムにおける構成要素の温度がタンクの出口流制御システムの構成要素の温度許容範囲によって許容される少なくとも最低低温制限温度に対応するように、タンクからガス出口を通って流れるガスの温度を維持するためのサーモスタットと、
    （４）ヒータと熱源との熱的な相互結合であって、（ａ）自動車の動力プラント、燃料電池、バッテリ、モータ、ラジエタ、空調装置などからの排熱、又はその他の自動車のシステムであって排熱を発生するものから発生する排熱と、（ｂ）自動車のフレーム又はサブフレームからの熱と、（ｃ）電気的又は化学的なヒータにおいて発生する熱と、のうち少なくとも１つを備えている熱的結合とを備え、
    ガス出口流制御システムとシュラウドとは、ガスがシュラウドの内側体積を通過し、ガスが気体としてタンクから排出されるような関係になっている、
    ことを特徴とするシステム。

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