JP5373637B2 - 高圧ガス貯蔵タンクの応力補償 - Google Patents

Description

本発明は、タンクの補給中、放出中及び環境暴露中に生じる熱応力及び機械応力、並びにタンクの補給及び放出に関係する圧力変化と、タンク内の応力に影響を及ぼすタンクの周囲環境の温度の増減とによって生じる熱応力及び機械応力を補償することによって、水素及びＣＮＧガス燃料又は任意の他の工業用ガス用の高圧貯蔵タンクの性能を向上させるシステムに関する。

通常、水素、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、又は、燃料電池若しくは内燃機関に給電するために使用される他のガスを使用する自動車において、現行では、約３４．４８Ｍｐａ（水素の場合）及び２４．８２Ｍｐａ（ＣＮＧの場合）の範囲の最大圧力に維持されている搭載用タンク内に燃料を貯蔵する。水素及びＣＮＧの使用がさらに普及し、タンク及び圧縮機がより高い圧力用に開発されているため、約６８．９５ＭＰａ以上の範囲のより高い圧力が予見される。その場技術は、タンク内の高圧ガスと、タンクの周囲環境との間の熱エネルギーを管理するために開発されてきている。工業用ガスの高圧貯蔵の一般的な分野では、応力現象が、満タン状態中及び補給中の圧縮と、ガスの消費中及び空状態中の減圧と、タンクが配置される環境の周囲温度の変化との結果として生じる。

本明細書では、水素動力車両に適合しているタンクに対する言及は、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）動力車両、及び他の工業用ガス用の高圧貯蔵タンクと合わせた本発明の使用にも相関する。例示として、水素を本明細書及び実施例において言及する。しかし、「水素」は、ほとんどの場合、ＣＮＧ及び工業用ガスと互換性があることを意図されている用語であり、これら全てを「ガス」又は「高圧ガス」と称する。本発明を説明する実施例を、水素及び天然ガス動力車両タンクに使用するために展開したが、説明される技術のより広範な適用には、空気を含む、高圧下で貯蔵される任意の工業用ガスが含まれ得る。したがって、本明細書は、輸送燃料に限定されるものではない。水素燃料電池車両に加えて、高圧貯蔵タンクは、本発明が同様に適用可能である水素内燃機関分野においても必要である。

本発明は、任意の工業用ガスの高圧貯蔵に適合可能である。本明細書において説明するシステムを、水素及びＣＮＧ動力車両に対する特定の用途に関して展開したが、本発明には本質的に、任意の工業用圧力容器充填用途に本発明を使用することを妨げる限定は存在しない。高圧ガス貯蔵容器（又はタンク）に水素が充填されると、貯蔵タンク内で加圧されているガスは、ガス自体からの化学的エネルギー（車両を駆動する際に消費される）、並びにガスが補給及び貯蔵される高い圧力に関係する機械的エネルギー及び熱的エネルギー（熱力学では内部エネルギーＵと呼ばれる）といったいくつかのエネルギー形態を含むものとして特徴付けられ得る。

ガスに関係する熱エネルギーによって搭載用タンクの内部及び外部の温度変動が生じ、この温度変動は、圧力変動に加えて、タンクを構成する物理的構成要素と、補給手順におけるタンク内への高圧ガスの導入に関連する熱エネルギーを管理するタンク内に設置されたその場装置を構成する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機械応力を生じさせる。高い圧力自体が、タンク構成要素における応力誘引因子でもある。

高圧燃料補給工程中、タンク圧力の増大によるガス圧縮（すなわち、エンタルピーＨの形態から内部エネルギーＵへのエネルギー変換）及びこの補給工程に影響を及ぼす他の燃料補給パラメータの結果として、搭載用タンクの内部（すなわち、補給ガス）が加熱される。燃料補給後、熱がタンクの壁を通して周囲環境へ移動するにつれて、あるいは、車両運転中に燃料ガスが消費されるにつれて、タンク内の温度及び圧力は徐々に減少する。タンクの満タン補給圧力の実現には、一般的に、燃料補給中の温度上昇を相殺する補償が必要とされる。ある形態では、タンクに入れられて貯蔵される燃料の充填（これは圧力によって測定される）は、最初は、タンクの最適な設計圧力を上回っている。別の形態では、ガスが予備冷却されている。さらに別の形態では、緩慢な充填速度が採用される。いずれの場合も、機械的応力がタンクの構成要素に誘起されるであろう。タンク内のガスの満タン状態と空状態との間でタンク組立体に生じる温度変化及び圧力変化に関連する応力因子の結果として、その場熱交換器又は他の熱管理装置と、搭載用高圧燃料貯蔵タンクとの相対的な軸線方向変位又は回転が生じる。したがって、タンクの内部及び周囲環境に誘起される応力に対して、機械的な補償システムが望まれている。

通常、充填圧力は３４．４８Ｍｐａ以下である。圧力が２４．８２Ｍｐａ及び３４．４８Ｍｐａを超え、６８．９５ＭＰａに近づくか又はこれを超えると、燃料補給工程において短時間でタンクの満タン燃料補給を行うに当たり、その場装置によるガス冷却が重要な因子となる。また、圧力が高くなるにつれ、熱及び圧力により誘発される応力の補償がより重要なものとされる。よって、搭載用タンクの高圧満タン状態及び空状態によって誘起される物理的応力を管理することがシステムにとって必要となる。

本発明は、高圧燃料タンク又は他の工業用ガス補給システムにおいて熱的差異及び機械的差異によって生じる応力効果を改善するシステムを提供する。タンク内のガスの満タン状態と空状態との間にタンク及び熱交換器組立体に生じる温度変化及び圧力変化に関連する応力因子の結果として、その場熱交換器又は他の熱管理装置と、搭載用高圧燃料貯蔵タンクとの間の相対的な軸線方向変位又は回転の影響に対処することが目的である。

したがって、本発明は、タンクの補給中、放出中及び環境暴露中に生じる熱応力及び機械応力、並びにタンクの補給及び放出に関連する圧力変化と、タンク中の応力に影響を及ぼすタンクの周囲環境の温度の増減とによって生じる熱応力及び機械応力を補償することによって、水素及びＣＮＧガス燃料又は任意の他の工業用ガスのための高圧貯蔵タンクの性能を向上させることが意図されている。

本発明は、熱交換器等のその場熱管理機器を高圧燃料ガス貯蔵タンクの内部において該タンクに固定するが、その場機器の軸線方向位置をタンクの両端部で制限しないように、その場機器をタンクに取り付け、それによって、熱交換器とタンクとの間の若干量の長手方向変位及び／又は軸線回転を可能にする。タンクの軸線に沿う或る程度の長手方向移動及び或る程度の回転は、その場装置の一方の端部又は両端部において可能である。

本発明は、熱交換器内及び／又はタンク内の圧力変化、熱交換器及び／又はタンクの温度変化、運転中又は部品取り付け中にタンクに印加される力、運転中に受ける振動、熱交換器及び／又はタンクの製造のばらつき、取り付け中又は取り付け後のタンクのいずれかの端部にあるタンク栓に印加されるトルク、及び熱交換器内又はタンク内のクリープ又は経時的な応力緩和、といった因子（しかし、因子はこれらに限定されるものではない。）によって生じるような、熱交換器とタンクとの相対的な軸線方向変位又は回転の原因を改善することを意図されている。タンクの軸線に沿うその場熱管理機器の線形変位と、タンクの中心軸線を中心としたその場熱管理機器の角度変位とは、熱応力、機械応力、及び圧力による応力の影響を補償するための制御方法において可能である。以下に、図面と照らし合わせて検討する好ましい実施例において、本発明をより十分に説明する。

代表的な高圧ガス貯蔵タンクが晒されている環境の相対的な温度変化及び圧力変化を示す水素タンクの高速充填高圧テスト補給から導出された、ガス温度Ｔ（摂氏度）及びガス相対圧力Ｐを時間に対してプロットしたグラフである。 搭載用高圧ガス燃料貯蔵タンクから熱を排出するために使用される、熱吸収フィンを有する中央ヒートパイプが設けられたその場ヒートパイプ装置の一例を示す。ヒートパイプシステムの一端部のみがタンクに固定されている。 熱の排出のために冷却システムと接続するように搭載用タンク内部に配置されているその場熱管理用のコイル及びフィンシステムの一例を示す。システムの両端部がタンクに固定されている。 代表的な高圧ガス貯蔵タンクを示す。 本発明において使用される端部キャップ構成の一例を示す。 その場熱管理装置において軸線に沿うその場装置に許されている線形変位を示す。 その場熱管理装置において軸線に沿うその場装置に許されている角度変位を示す。 図４Ｂに示す軸線５−５に沿う直線断面図である。 本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。 本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。 本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。 本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。 本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。 本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。 タンクの一端部において、ねじ接続部材による、又は熱システムをタンクの一端部にしっかりと固定する均等物による熱システムのタンクへの固定を示す。 タンク２０の一端部において、接続部材が熱管理装置４４の一端部の全ての軸線方向の移動を強固に制限していることを示す。 タンク２０の一端部において、接続部材が熱管理装置４４の一端部の全ての軸線方向の移動を強固に制限していることを示す。

通常、搭載用車両タンクは、半球形状端部を有する円筒形であり、約３４．４８Ｍｐａ〜６８．９５ＭＰａ以上の高圧ガス量、すなわち、所定の温度での最大定格容量を貯蔵することが可能に設計されている。燃料電池動力車両一台当たりの水素の通常の重量は、約１．６ｋｇ〜約１０ｋｇの範囲である。しかし、本発明が関与する応力効果は、タンク内の燃料質量には左右されない。燃料補給中、入ってくるガスのエンタルピーがタンク内の内部エネルギーへ変化する結果として、タンク内のガスが加熱される。これは、貫通熱として感知される。これはまた、矢印によって（記号→、→、→等によって）図面に比喩的に示されている。車両用高圧貯蔵タンクは通常、強化カーボンファイバから形成され、一方又は両方の端部にプラスチック製又は他の材料製のライナー及びボスを含む。

入ってくるガスの圧縮及び入ってくるガスの温度が高いと、タンク温度が上昇する。実際的な事項として、搭載用タンク内の最大許容設計温度又は圧力を定めることによって、過剰充填が行われようとした際に搭載用タンク設計温度又は圧力を超える満タン補給を防止するようにしてもよい。図１は、水素タンクの高速充填高圧テスト補給から導出された、ガス温度Ｔ（摂氏度）、１、及びガス相対圧力Ｐ、２を時間に対してプロットしたグラフである。図には、代表的な高圧ガス貯蔵タンクが晒されている環境の相対的な温度変化及び圧力変化が示されている。このように、充填すなわち補給ガスの熱管理に対する必要性が存在する。本発明のシステムは、高圧タンクと、設置されるその場熱管理システムとを備える物理的応力を管理するシステムを提供する。

図２の例では、搭載用高圧ガス燃料貯蔵タンク２０から熱を排出するために、熱吸収フィンを有する中央ヒートパイプが設けられたその場ヒートパイプ装置２３が使用される。弁Ｖ１に関係付けられるガス入口２１と、弁Ｖ２に関係付けられるガス出口弁２２とは、一端部のみがタンクのボスに固定されているラジエータ２５と繋がっているヒートパイプ出口２４を有するシステムに示されている。図３は、タンクから熱を排出するために冷却システムと接続するように搭載用タンク２０の内部に配置されているその場熱管理用のコイル及びフィンシステム３０の一例を示す。ガス入口弁Ｖ１及びガス出口弁Ｖ２は、一端部にあるタンクボス３１において制御弁ＣＶ１及びＣＶ２に関係付けられて示されている。システムは、両端でタンクに固定されている。ボス３１の入口／出口側と反対の側にあるタンクの他端部に、熱管理配管システムの端部３４を受け入れる凹型内部３３を有する端部キャップ、すなわち対向ボス３２が示されている。端部キャップの雌ねじ部３５は、固定部３７のねじの雄ねじ部３６及び係止ナット３４と協働してタンク２０内の固定位置に組立体３０を維持する。

本発明において、その場熱管理機器は、搭載用高圧燃料ガス貯蔵タンク又は他の工業用ガスタンク内に配置され、その場熱管理機器は、タンクの中心軸線に沿ってタンクの内部に設置されている。熱管理装置は、その場装置の端部でタンクボスの内部に面する側に形成された受容部と、軸部とを備える。軸部は、その場機器とタンクとの長手方向変位及び軸線回転が可能になるように受容部に挿入される。一変形形態では、その場装置の長手方向移動は、タンクの軸線に沿って可能になり、その場装置の或る程度の回転は、タンクの一端部において可能になる。その場装置は、軸部と受容部とを含む端部の反対側のタンクの端部で固定式に取り付けられる。また、軸部及び受容部をタンクのそれぞれの端部に配置して、タンクの軸線に沿ったその場装置の長手方向移動を可能にし、且つタンクの両端部においてその場装置の或る程度の回転を可能にしてもよい。

図４Ａは、両端部に入口栓４１及び４２を有する代表的な高圧ガス貯蔵タンク２０を示す。タンクライナー４３及び熱管理システム４４も示されている。図４Ｂは、端部キャップ４１において使用される端部キャップ構成の一例を示す。図４Ｃ及び図４Ｄはそれぞれ、タンク内の中央に位置するその場熱管理装置の線形軸線に沿うその場装置４４に許されている次元的な線形変位及び次元的な角度変位を示す。あり得る３本の物理軸線のうち、端部キャップ４１における装置４４の移動は、一つの軸線方向に直線的に可能であり、且つ、一つの軸線に角度的に可能である。図４Ｂに示されている５−５によって画定されている軸線に沿う長手方向断面図の場合の端部キャップを図５に断面で示す。図５では、ボス要素５０ｂと協働するねじ山５２付き端部キャップ５０ａ（端部キャップ５０ａとボス要素５０ｂとを一緒にして参照符号５０とする）は、代表的な熱管理装置の端部キャップ５１の雄型拡張部５４を受け入れる雌型端部受容開口５３を含み、管端部すなわち配管端部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ及び５５ｎが装置用の配管マニホルド内で結合されている。

図６Ａは、タンクの中心軸線上に設置される代表的なその場システムを示しており、ここでは、４４が熱管理システムであり、６０が、システムをタンクの一端部に動かないように固定する端部接合部材である（システムの構成要素５１及び５４は、図５を参照して示し且つ上記で説明した同じ参照符号の拡張部及びキャップに相当する）。図６Ｃは、その場装置の配管システムの反対端部用の固定された端部受容部の詳細を示す。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｅ及び図６Ｆは、本発明の熱管理装置取付システムと共に使用される要素を示す。図７Ａは、タンク２０の一端部で、ねじ接続部材による、又はタンクの一端部にシステムをしっかりと固定する均等物による、熱システム４４の端部構成要素６０のタンクへの固定を示している。接続部材は、タンクの一端部に設置された熱管理装置が図７Ｂ及び図７Ｃに示されている全ての自由度へ移動することを強固に制限する。

したがって、本発明による代表的なガス貯蔵タンク及びその場熱管理システムは、図において参照符号によってそれぞれ示されている以下の部品から成る。図４Ａにおける高圧ガス貯蔵タンク２０、図２及び図３においてそれぞれ２３及び３０で示されているような熱システム設計に従う複数の部品から成る組立体を備える図４Ａにおけるその場熱管理システム４４、タンクの両端部の入口栓４１及び４２（図４Ａに示されているように固定されている）、５０（図４Ｂ及び図５に示されているように相補的な端部キャップ５０ａ、及びボス要素５０ｂ）、図６Ｆに示されているようなガス循環用の戻りマニホルド５１、図６Ｅにおいて前後を示されている熱交換器キャップ５５、図６Ｄにおいて前後を示されている、入口又は入口−出口マニホルド６０、及び図５に示されている戻りキャップ組立体の軸部５４。このようにして、その場熱管理機器を取り付けるシステムが提供され、そのシステムは、その場機器をタンクの内部において該タンクに固定するがその場機器の軸線方向位置を拘束しないので、熱交換器とタンクとの若干量の長手方向変位又は軸線回転が可能になる。タンクの軸線に沿う或る程度の長手方向移動及び或る程度の回転は、タンク内に位置するその場装置のいずれか一方の端部で、又は両端部で実行される。

本発明の産業上の利用可能性は、タンクの補給中、放出中及び環境暴露中に生じる熱応力及び機械応力、並びにタンクの補給及び放出に関連する圧力変化と、タンク内の応力に影響を及ぼす、タンクの周囲環境の温度の増減とによって生じる熱応力及び機械応力を補償することによる、水素及びＣＮＧガス燃料又は任意の他の工業用ガスのための高圧貯蔵タンクの性能の向上に関する。応力現象は、満タン状態中及び補給中の圧縮と、ガスの消費中及び空状態中の減圧と、タンクが配置された環境の周囲温度の変化との結果として生じる。上記に関係する原因によって誘起される物理的応力を管理することが、システムにとって必要である。本発明は、熱交換器内及び／又はタンク内の圧力変化、熱交換器及び／又はタンクの温度変化、運転中又は部品取り付け中にタンクに印加される力、運転中に受ける振動、熱交換器及び／又はタンクの製造のばらつき、取り付け中又は取り付け後のタンクのいずれかの端部にあるタンク栓に印加されるトルク、熱交換器内又はタンク内のクリープ又は経時的な応力緩和、及び高い圧力それ自体、といった因子（しかし、因子はこれらに限定されるものではない。）によって生じるような、熱交換器とタンクとの相対的な軸線方向変位又は回転の原因を改善することを意図されている。本発明は、このような応力に対して機械的な補償システムを提供することによって、耐久性、回復力及び効率を向上させる。

Claims (10)

1. 高圧ガス貯蔵タンクであって、
   筒状円筒形タンク（２０）と、
   前記タンク（２０）の内部に、前記タンク（２０）の中心軸線（５−５）に沿って延在して設置されたその場熱管理装置（２３）と、
   前記タンク（２０）の一端部において前記タンク（２０）の外部から前記タンク（２０）を通って前記タンク（２０）の前記内部へ延在して、前記その場装置（２３）を前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）に沿って所定位置に確保するボス（５０）と、
   前記ボス（５０）と前記その場装置（２３）との間に配置されて、協働する軸部（５４）及び受容部（５３）とを備え、
   前記軸部（５４）と前記受容部（５３）とのうちの一方は、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの一方の一端部に配置され、前記軸部（５４）と前記受容部（５３）とのうちの他方は、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの他方の一端部に配置され、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの前記一方の前記一端部に配置された前記軸部（５４）は、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの前記他方の前記一端部に配置された前記受容部（５３）に挿入されて、それによって、ａ）前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）との間の線形変位、及びｂ）前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）を中心とした前記その場装置（２３）の或る程度の軸線回転を可能にすることを特徴とする高圧ガス貯蔵タンク。
2. 前記軸部（５４）及び前記受容部（５３）は、円筒形状であり、前記軸部（５４）の外径は、前記受容部（５３）の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のタンク。
3. 前記軸部（５４）は、前記受容部（５３）の深さよりも短い長さ分だけ前記受容部（５３）内に延在していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタンク。
4. 前記その場装置（２３）の前記線形変位は、前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）に沿ってのみ可能であり、且つ、前記その場装置（２３）の回転移動は、前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）に沿ってのみ可能であることを特徴とする請求項１に記載のタンク。
5. 前記その場装置（２３）の一端部は、前記軸部（５４）と前記受容部（５３）とのうちの前記一方を有する前記タンク（２０）の前記一端と反対側の前記タンク（２０）の端部にあるボスに固定して取り付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４に記載のタンク。
6. 高圧ガス貯蔵タンクであって、
   筒状円筒形タンク（２０）と、
   該タンク（２０）の内部に、前記タンク（２０）の中心軸線（５−５）に沿って延在して設置されたその場熱管理装置（２３）と、
   前記タンク（２０）の両端部のそれぞれにおいて前記タンク（２０）の外部から前記タンク（２０）を通って前記タンク（２０）の前記内部へ延在して、それぞれが前記その場装置（２３）の一端部を前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）に沿って所定位置に確保するボス（５０）と、
   前記タンク（２０）の前記両端部のそれぞれにおいて前記その場装置（２３）のそれぞれの端部と前記ボス（５０）との間に配置されて、協働する軸部（５４）及び受容部（５３）とを備え、
   前記軸部（５４）と前記受容部（５３）とのうちの一方は、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの一方の一端部に配置され、前記軸部（５４）と前記受容部（５３）とのうちの他方は、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの他方の一端部に配置され、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの前記一方の前記一端部に配置された前記軸部（５４）は、前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）の前記内部に面する側部とのうちの前記他方の前記一端部に配置された前記受容部（５３）に挿入されて、それによって、ａ）前記その場装置（２３）と前記ボス（５０）との間の線形変位、及びｂ）前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）を中心とした前記その場装置（２３）の或る程度の軸線回転を可能にすることを特徴とする高圧ガス貯蔵タンク。
7. 前記軸部（５４）及び前記受容部（５３）は、円筒形状であり、該軸部（５４）の外径は、該受容部（５３）の内径よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のタンク。
8. 前記軸部（５４）は、該受容部（５３）の深さよりも短い長さ分だけ前記受容部（５３）内に延在していることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のタンク。
9. 前記その場装置（２３）の前記線形変位及び前記その場装置（２３）の回転移動は、それぞれ、前記タンク（２０）の前記中心軸線（５−５）に沿ってのみ可能であることを特徴とする請求項６に記載のタンク。
10. 前記その場装置（２３）の１）前記線形変位及び２）前記回転移動のそれぞれは、前記タンク（２０）の幾何学形状の３つの次元に対して２つの次元において制限されていることを特徴とする請求項１又は請求項４又は請求項６又は請求項９に記載のタンク。

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