JP6404169B2 - 圧縮機ユニットおよびガス供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮機ユニットおよびガス供給装置に関する。
従来、ガソリンを燃料とした車両の排気ガスに含まれる二酸化炭素や窒素酸化物に起因する地球温暖化および大気汚染が懸念されている。このため、ガソリンを燃料とした車両に代わり、二酸化炭素や窒素酸化物を排出しない車両が望まれている。そこで、近年、燃料電池において水素と空気中の酸素とを反応させることにより発電させて電動機を駆動させる車両（燃料電池自動車）の開発が進められている。
ところで、燃料電池自動車には、大別すると、水素ステーションから水素を補給するタイプと、水素以外の燃料を補給して車載改質器で水素を製造するタイプとがある。しかし、二酸化炭素の削減の効果等の観点から、水素ステーションから水素を補給するタイプのほうが優位であると考えられている。
例えば、特許文献１には、水素ステーションの構成の一例が開示されている。特許文献１の水素ステーションは、低圧段側の圧縮機と、高圧段側の圧縮機と、低圧段側の圧縮機と高圧段側の圧縮機との間に配置された中間蓄圧器とを備えている。この水素ステーションにおいては、低圧段側の圧縮機が水素の供給源から供給された水素を圧縮して中間蓄圧器に供給する。そして中間蓄圧器の水素が高圧段側の圧縮機に供給され、高圧段側の圧縮機でさらに圧縮された水素が車載水素タンクに接続された充填ノズルに供給されることにより、充填ノズルを介して燃料電池自動車の車載水素タンクに水素が充填される。
特開２０１３−１５１５５号公報
ところで、水素ステーションに用いられる圧縮機の圧縮部を駆動する電動モータには、定トルク制御により駆動される、所謂定トルクモータの利用が検討されている。定トルクモータの出力特性は、図６（ａ）に示されるように、所定の回転速度（以下、「基準速度」）以下となる標準回転領域において定格トルクが維持される。
このように、水素ステーションの圧縮機の電動モータとして上記出力特性を有する定トルクモータを用いる場合、定トルクモータが基準速度を維持して圧縮部を駆動する方法がある。例えば低圧段側の圧縮機がこの駆動方法を採用する場合、この駆動方法では、中間蓄圧器内の圧力が高くなるにつれて圧縮部から吐出する水素の圧力（吐出圧力）が高くなり、吐出圧力が高くなるにつれて定トルクモータが必要とするトルクが大きくなる。このため、図６（ｂ）に示されるように、中間蓄圧器内の圧力が高くなるにつれて定トルクモータの動力が大きくなる。なお、図６（ｂ）では、中間蓄圧器に水素が十分に貯留されたときの圧力（設定圧力）に達するときに定トルクモータの動力が上限値に達する。
しかし、図６（ｂ）の網掛け部分により示されるように、上述の駆動方法では、中間蓄圧器内の圧力が低い場合、すなわち圧縮部の吐出圧力が低い場合、定トルクモータの動力に余裕があり、定トルクモータの性能を十分に発揮していない。すなわち、圧縮部の吐出圧力に基づいて定トルクモータが必要とするトルクが定格トルクよりも小さい場合、定トルクモータの回転速度が基準速度であっても定トルクモータの動力はその上限値よりも小さい。また、定トルクモータが定格トルクで駆動していても定トルクモータの回転速度が基準速度未満の場合、定トルクモータの動力はその上限値よりも小さい。このように定トルクモータの利用方法において、なお改善の余地がある。
本発明は、電動モータの動力を効率よく利用することを主たる目的としている。
この課題を解決する圧縮機ユニットは、ガスを圧縮するとともに、圧縮されたガスを蓄圧器に貯留する圧縮部と、電動モータを駆動源とし、前記圧縮部を駆動する駆動部と、前記電動モータを制御する制御部と、を備え、前記電動モータは、定格トルクで回転可能な最高速度である基準速度以下の回転領域である標準回転領域において回転速度の変化に対して前記定格トルクを維持可能であり、前記標準回転領域と連続し、かつ前記基準速度よりも高い回転領域である過速度領域においては、前記電動モータの回転速度が高くなるにつれて出力トルクが前記定格トルクから減少する出力特性を有し、前記制御部は、前記圧縮部が前記蓄圧器内の圧力が所定圧となるまでガスを貯留する貯留過程の少なくとも一部において、前記過速度領域で前記電動モータを駆動させる過速度運転制御を実行することを特徴とする。
本圧縮機ユニットによれば、電動モータを過速度領域で駆動させるため、電動モータが駆動可能な動力の範囲内において、電動モータを基準速度で駆動させる場合よりも使用する動力範囲を広げることができる。例えば、蓄圧器内の圧力が低い状態において、電動モータを基準速度で駆動させる場合の動力と比較して、電動モータを過速度領域内の回転速度で駆動させる場合の動力が大きくなる。このように、電動モータを基準速度で駆動させる場合には使用されない大きさの動力で電動モータが駆動するため、電動モータの動力を効率よく利用することができる。
また、圧縮機ユニットにおいては、前記制御部は、前記過速度運転制御が実行される少なくとも一部の期間において、前記蓄圧器内の圧力が増大するに従って前記電動モータの回転速度を低下させる速度変更制御を実行することが好ましい。
蓄圧器内の圧力が増大するに従って電動モータが必要とするトルクが大きくなる。この点、本圧縮機ユニットによれば、過速度運転制御が実行される少なくとも一部の期間において、蓄圧器内の圧力が増大するに従って電動モータの回転速度を低くするため、蓄圧器内の圧力が増大しても、電動モータが駆動可能な動力の範囲内において電動モータを過速度領域で駆動させることができる。したがって、電動モータを過速度領域で駆動させる頻度が高くなる。
また、圧縮機ユニットにおいては、前記制御部は、前記速度変更制御を実行する前に、前記過速度領域における最高速度で前記電動モータを駆動する制御を実行することが好ましい。
本圧縮機ユニットによれば、電動モータの過速度領域における最高速度が維持できる環境では電動モータをその最高速度で駆動させるため、電動モータを過速度領域における最高速度未満で駆動させる場合よりも電動モータの動力が大きくなるとともに、貯留過程の時間を短縮することができる。
また、圧縮機ユニットにおいては、前記制御部は、前記蓄圧器内の圧力が閾値以上となると、前記過速度運転制御から前記基準速度よりも低速にて前記電動モータを駆動させる低速運転制御に切り替えることが好ましい。
本圧縮機ユニットによれば、電動モータとして動力の小さいモータを使用した場合であっても、動力の大きいモータと同等の処理量を確保することができる。また、動力の小さいモータを使用することにより、圧縮機ユニットの小型化および低コスト化を図ることができる。なお、圧縮部を駆動する電動モータの駆動に必要なトルクは蓄圧器内の圧力の増大にともない増大する。ここでの閾値は、電動モータの駆動に必要なトルクが電動モータの定格トルクに達するときの蓄圧器内の圧力をいう。
また、圧縮機ユニットにおいては、前記制御部は、前記貯留過程の全期間において前記過速度運転制御を実行することが好ましい。
本圧縮機ユニットによれば、電動モータを基準速度で駆動させる場合と比較して、電動モータの回転速度が高くなるため、蓄圧器内の圧力が同じであれば、電動モータを基準速度で駆動させる場合よりも動力が大きくなるとともに、貯留過程の時間を短縮することができる。
この課題を解決するガス供給装置は、タンク搭載装置へガスを充填する充填設備に前記ガスの供給を行い、上記圧縮機ユニットと、前記圧縮機ユニットから吐出されたガスを貯留する前記蓄圧器と、を備えることを特徴とする。
本ガス供給装置によれば、上記圧縮機ユニットの効果と同様の効果を得ることができる。
また、ガス供給装置においては、前記蓄圧器から前記充填設備に流入する直前、または、流入した後のガスを冷却するプレクールシステムを備えることが好ましい。
上記発明によれば、電動モータの動力を効率よく利用することができる。
第１実施形態の圧縮機ユニットを備えた水素ステーションの構成を示す模式図。 圧縮機ユニットの電動モータについて、トルクと回転速度との関係を示すグラフ。 圧縮機ユニットの電動モータについて、回転速度と蓄圧器内の圧力と動力との関係を示すグラフ。 圧縮機ユニットが実行する運転制御の処理手順を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮機ユニットの電動モータについて、回転速度と蓄圧器内の圧力と動力との関係を示すグラフ。 従来の圧縮機の圧縮部を駆動させる電動モータについて、（ａ）トルクと回転速度との関係を示すグラフ、（ｂ）中間蓄圧器内の圧力と動力との関係を示すグラフ。
（第１実施形態）
圧縮機ユニットを備えるガス供給装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ガス供給装置１０を備える水素ステーション１の構成を示している。なお、以下の図２〜図４を用いた説明において、符号が付された水素ステーション１の各構成要素は、図１の水素ステーション１の各構成要素を示す。
図１に示すように、水素ステーション１は、タンク搭載装置として例えば燃料電池自動車である車両１００に水素ガスを充填する設備である。水素ステーション１は、車両１００に水素ガスを充填するための充填設備の一例であるディスペンサ２と、ディスペンサ２に水素ガスを供給するためのガス供給装置１０とを備える。
ガス供給装置１０は、圧縮機ユニット３０、ガス冷却部１１、および蓄圧器ユニット４０がガス流路２０により接続されて、各機器に水素ガスが流通可能なように構成されている。また、ガス供給装置１０は、ディスペンサ２に流入した水素ガスを冷却するプレクールシステム５０を備える。ガス流路２０は、圧縮機ユニット３０が蓄圧器ユニット４０に水素ガスを供給する第１流路２１と、蓄圧器ユニット４０からディスペンサ２に水素ガスを供給する第２流路２２とを有する。
圧縮機ユニット３０には、図示しない水素タンクから低圧（例えば、０．６ＭＰａ）の水素ガスが供給される。圧縮機ユニット３０は、シリンダおよびピストン（ともに図示略）を有する圧縮部３１と、圧縮部３１のピストンの駆動源となる電動モータ３３および電動モータ３３の回転を減速させてピストンに伝達する減速機であるプーリ機構を有する駆動部３２とを備える。圧縮機ユニット３０は、電動モータ３３の回転によりピストンがシリンダ内を往復駆動することにより、シリンダ内の水素ガスを圧縮し、第１流路２１を通じてガス冷却部１１に吐出する。なお、本実施形態では、圧縮部３１は５段圧縮作用を行う。
ガス冷却部１１は、圧縮機ユニット３０により圧縮されて高温となった水素ガスを冷却する。ガス冷却部１１は、例えば冷却水が流通するマイクロチャンネル式熱交換器に水素ガスを流通させることにより水素ガスと冷却水との間で熱交換を行う。
蓄圧器ユニット４０には、ガス冷却部１１により冷却された水素ガスが第１流路２１を通じて供給される。蓄圧器ユニット４０は、水素ガスを貯留する４個の蓄圧器４１〜４４を備える。蓄圧器４１には、第１流路２１が分岐して接続されている。分岐した第１流路２１には、水素ガスの流通方向の上流側から下流側に向けて逆止弁４５、流入側開閉弁４１Ａ、および圧力センサ４１Ｃが設けられている。
また蓄圧器ユニット４０は、各蓄圧器４１〜４４に貯留された水素ガスを第２流路２２を通じてディスペンサ２に供給可能である。分岐した第１流路２１における圧力センサ４１Ｃと流入側開閉弁４１Ａとの間には、第２流路２２が分岐して接続されている。分岐した第２流路２２には、水素ガスの流通方向の上流側から下流側に向けて流出側開閉弁４１Ｂおよび逆止弁４５が設けられている。なお、蓄圧器４２〜４４についても同様に、分岐した第１流路２１のそれぞれに逆止弁４５、流入側開閉弁４２Ａ，４３Ａ，４４Ａ、および圧力センサ４２Ｃ，４３Ｃ，４４Ｃが設けられ、分岐した第２流路２２のそれぞれに流出側開閉弁４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂ、および逆止弁４５が設けられている。
プレクールシステム５０は、蓄圧器ユニット４０から第２流路２２を通じてディスペンサ２に供給された水素ガスを冷却する装置である。プレクールシステム５０は、ディスペンサ２に供給された水素ガスとブラインとの間で熱交換を行うためのブライン回路５１と、ブライン回路５１を流通するブラインと冷媒との間で熱交換を行う冷凍機５５とを備える。ブライン回路５１は、ブライン流路５２内のブラインを循環させるためのブラインポンプ５３によりプレクール熱交換器５４にブラインを流通させることにより、そのブラインと水素ガスとの間で熱交換を行う。そして水素ガスとの熱交換により加熱されたブラインは、冷凍機５５の冷媒により冷却される。冷凍機５５は、ブラインと熱交換することにより蒸発した冷媒が圧縮機により圧縮されてファンにより空冷されて凝縮された後、膨張弁により膨張されて再びブラインと熱交換される、いわゆるヒートポンプサイクルにより構成される。
このような構成の水素ステーション１においては、まず、圧縮機ユニット３０により圧縮された水素ガスがガス冷却部１１により冷却された状態で蓄圧器４１〜４４に貯留される。
そして、車両１００が水素ステーション１に搬入されて車両１００に水素ガスが充填される際には、所定の制御プログラムに基づいて蓄圧器４１〜４４のいずれかからディスペンサ２に水素ガスが供給されるとともに、ディスペンサ２が所定の充填プロトコルにしたがって車両１００に水素ガスを充填する。
またガス供給装置１０は、水素ガスの流通を制御する制御部６０を備える。制御部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成され、ＲＯＭまたはＲＡＭに記憶された制御プログラムに基づいて圧縮機ユニット３０の電動モータ３３、蓄圧器ユニット４０の流入側開閉弁４１Ａ〜４４Ａ、流出側開閉弁４１Ｂ〜４４Ｂ、プレクールシステム５０のブラインポンプ５３、および冷凍機５５の動作を制御する。また制御部６０には、圧力センサ４１Ｃ〜４４Ｃが検出した分岐した第１流路２１内の水素ガスの検出圧力が圧力信号として入力される。分岐した第１流路２１内の水素ガスの圧力は、その分岐した第１流路２１に接続された蓄圧器４１〜４４内の水素ガスの圧力と概ね等しい。このため、制御部６０は、圧力センサ４１Ｃ〜４４Ｃが検出した分岐した第１流路２１内の水素ガスの検出圧力を蓄圧器４１〜４４内の水素ガスの検出圧力として取り扱う。
制御部６０は、圧縮機ユニット３０から蓄圧器ユニット４０への水素ガスの供給および蓄圧器ユニット４０からディスペンサ２への水素ガスの供給を制御するガス供給制御を実行する。ガス供給制御は、ディスペンサ２の充填プロトコル、および圧力センサ４１Ｃ〜４４Ｃの検出圧力に基づいて、蓄圧器ユニット４０の流入側開閉弁４１Ａ〜４４Ａおよび流出側開閉弁４１Ｂ〜４４Ｂの動作を制御する流通制御と、圧力センサ４１Ｃ〜４４Ｃの検出圧力に基づいて電動モータ３３の駆動を制御する運転制御とを含む。
本実施形態の流通制御においては、ディスペンサ２を通じて車両１００に水素ガスを供給し始めるとき、ディスペンサ２の充填プロトコルに基づいて、制御部６０は、蓄圧器４１〜４４のうちの２つの蓄圧器４１，４２に対応する流出側開閉弁４１Ｂ，４２Ｂを開弁して水素ガスをディスペンサ２に供給する。このとき、蓄圧器４１〜４４の流入側開閉弁４１Ａ〜４４Ａは閉弁している。一方、制御部６０は、蓄圧器４１，４２から水素ガスが供給されることにともない蓄圧器４１，４２内の圧力が低下して、その圧力が所定値以下となったときに流出側開閉弁４１Ｂ，４２Ｂを閉弁し、蓄圧器４３の流出側開閉弁４３Ｂを開弁させる。これにより、蓄圧器４１，４２からの水素ガスのディスペンサ２への供給が停止するとともに、蓄圧器４３に貯留された水素ガスのディスペンサ２への供給が開始される。そして制御部６０は、蓄圧器４３から水素ガスが供給されることにともない蓄圧器４３内の圧力が低下して、その圧力が所定値以下となったときに流出側開閉弁４３Ｂを閉弁し、蓄圧器４４の流出側開閉弁４４Ｂを開弁させる。これにより、蓄圧器４３からの水素ガスのディスペンサ２への供給が停止するとともに、蓄圧器４４に貯留された水素ガスのディスペンサ２への供給が開始される。
一方、流通制御において、ディスペンサ２から車両１００への水素ガスの供給が終了した後、制御部６０は、蓄圧器４１〜４４内の圧力（検出圧力）が所定値以下となった場合、流入側開閉弁４１Ａ〜４４Ａを開弁するとともに、圧縮機ユニット３０を駆動させて圧縮した水素ガスを蓄圧器４１〜４４に供給する。運転制御は、この蓄圧器４１〜４４への水素ガスの供給の際の圧縮機ユニット３０の電動モータ３３の駆動を制御する。以下、運転制御の詳細について説明する。
電動モータ３３は、定トルク制御により制御される、所謂定トルクモータが用いられる。また本実施形態の電動モータ３３は、図６に示す従来の動力の大きい電動モータと比較して動力の小さいモータが用いられる。
図２の実線のグラフに示すように、電動モータ３３は、出力特性として、定格トルクで回転可能な最高速度である基準速度ＢＮ以下の回転領域である標準回転領域ＳＲにおいて、回転速度の変化に対して定格トルクが維持可能である。また電動モータ３３は、出力特性として、標準回転領域ＳＲと連続し、基準速度ＢＮよりも高い回転領域である過速度領域ＰＲにおいて、回転速度が高くなるにつれて出力トルク（電動モータ３３の動力が上限となるような値である第１上限値である状態において電動モータ３３が出力可能な最大トルク）が低下する。
また、電動モータ３３の定格トルクは、従来の電動モータの定格トルク（図２の二点鎖線）よりも小さい。また電動モータ３３の過速度領域ＰＲにおけるトルクは、従来の電動モータの過速度領域におけるトルク（図２の二点鎖線）よりも小さい。一方、電動モータ３３の標準回転領域ＳＲ、基準速度ＢＮ、過速度領域ＰＲは、従来の電動モータの標準回転領域、基準速度、過速度領域と同じである。
このような出力特性の電動モータ３３において、制御部６０は、運転制御において、動力を有効に用いるために電動モータ３３の動力が第１上限値に維持される頻度が高くなるように電動モータ３３を制御する。
次に、上述の電動モータ３３の制御について、図３のグラフを用いて説明する。
なお、以下の説明では、圧縮機ユニット３０が蓄圧器４１に水素ガスが貯留されていない状態から蓄圧器４１が貯留上限となる状態まで水素ガスを供給する場合について説明する。また、蓄圧器４１が貯留上限となる蓄圧器４１内の圧力（所定圧）を設定圧力ＰＣと称する。
蓄圧器４１内の圧力が低いとき、電動モータ３３が必要とするトルクが小さい。このため、制御部６０は、電動モータ３３の動力が第１上限値未満の範囲内において、電動モータ３３の回転速度を過速度領域ＰＲで駆動する過速度運転制御を実行する。図３のグラフでは、制御部６０は、圧縮部３１が蓄圧器４１内の圧力が設定圧力ＰＣとなるまでの水素ガスを貯留する貯留過程において、その貯留過程の一部である蓄圧器４１内の圧力が閾値である第２圧力Ｐ２未満の範囲で過速度運転制御を実行可能である。ただし、閾値は、電動モータ３３の駆動に必要なトルクが電動モータ３３の定格トルクに達するときの蓄圧器４１内の圧力をいう。
特に、制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２未満の範囲内のうちのさらに低圧の領域において、電動モータ３３の動力が第１上限値以下の範囲内において、最も高い回転速度で電動モータ３３を駆動させることができる。すなわち制御部６０は、過速度領域ＰＲのうちの最高速度Ｎｍａｘで電動モータ３３を駆動させる最高速度維持制御を実行する。図３のグラフでは、制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１（Ｐ１＜Ｐ２）以下の範囲において最高速度維持制御を実行可能である。
また、図３のグラフに示すとおり、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１よりも大きくかつ第２圧力Ｐ２未満の範囲において、制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力の上昇にともない電動モータ３３の回転速度を低下させて、動力を第１上限値に維持させる速度変更制御を実行する。このように、過速度運転制御は、最高速度維持制御および速度変更制御を含む。
また、図３のグラフに示すように、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２のとき、制御部６０は、図６に示す動力の大きい従来の電動モータと同様の制御である、電動モータ３３の回転速度が基準速度ＢＮとなるように電動モータ３３を制御する通常運転制御を実行する。
そして、図３のグラフに示すように、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きくなるとき、制御部６０は、電動モータ３３を基準速度ＢＮよりも低い回転速度で駆動させる低速運転制御を実行する。本実施形態の低速運転制御は、電動モータ３３の動力を第１上限値に維持しつつ、蓄圧器４１内の圧力が増大するに従って電動モータ３３の回転速度を低下させる。この低速運転制御は、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２から設定圧力ＰＣまでの範囲において実行される。なお、上述のような電動モータ３３の制御は、蓄圧器４２〜４４に水素ガスを供給する際も同様である。
そして、制御部６０は、上述のような運転制御の切り替えを図４に示す運転制御のフローチャートに従って実行する。なお、運転制御は、蓄圧器４１〜４４に水素ガスを供給する期間にわたり繰り返し実行される。以下の説明において、蓄圧器４１に水素ガスを供給する態様について説明するが、蓄圧器４２〜４４についても同様の処理手順により運転制御が実行される。
まず制御部６０は、ステップＳ１１において電動モータ３３が過速度領域ＰＲで駆動可能か否かを判定する。すなわちステップＳ１１は、制御部６０が過速度運転制御を実行可能か否かを判定する。この判定は、例えば蓄圧器４１内の圧力（検出圧力）が第２圧力Ｐ２未満か否かに基づいて行われる。詳細には、制御部６０は、検出圧力が第２圧力Ｐ２以上のとき、電動モータ３３が過速度領域ＰＲで駆動不能と判定し、検出圧力が第２圧力Ｐ２未満のとき、電動モータ３３が過速度領域ＰＲで駆動可能と判定する。
ここで、制御部６０は、電動モータ３３が過速度領域ＰＲで駆動可能と判定したとき（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、すなわち過速度運転制御が実行可能と判定したとき、ステップＳ１２において電動モータ３３が過速度領域ＰＲのうちの最高速度Ｎｍａｘで駆動可能か否かを判定する。この判定は、例えば蓄圧器４１内の圧力（検出圧力）が第１圧力Ｐ１以下か否かに基づいて行われる。詳細には、制御部６０は、検出圧力が第１圧力Ｐ１よりも大きいとき、電動モータ３３が最高速度Ｎｍａｘで駆動不能と判定し、検出圧力が第１圧力Ｐ１以下のとき、電動モータ３３が最高速度Ｎｍａｘで駆動可能と判定する。
そして制御部６０は、電動モータ３３が最高速度Ｎｍａｘで駆動可能と判定したとき（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、ステップＳ２２において最高速度維持制御を実行する。一方、制御部６０は、電動モータ３３が最高速度Ｎｍａｘで駆動不能と判定したとき（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ２１において速度変更制御を実行する。
また、制御部６０は、ステップＳ１１において電動モータ３３が過速度領域ＰＲで駆動不能と判定したとき（ステップＳ１１：ＮＯ）、すなわち過速度運転制御が実行不能と判定したとき、ステップＳ１３において電動モータ３３が基準速度ＢＮを維持可能か否かを判定する。
ここで、制御部６０は、電動モータ３３が基準速度ＢＮを維持可能と判定したとき（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、ステップＳ２３において通常運転制御を実行する。一方、制御部６０は、電動モータ３３が基準速度ＢＮを維持不能と判定したとき（ステップＳ１３：ＮＯ）、ステップＳ２４において低速運転制御を実行する。
次に、本実施形態のガス供給装置１０の作用効果について図３を用いて説明する。
圧縮機ユニット３０が水素ガスを圧縮し、蓄圧器４１に吐出する処理量は、電動モータ３３の回転速度に比例する。すなわち電動モータ３３の回転速度が高くなるにつれて圧縮機ユニット３０の水素ガスの処理量が増加する。
蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２未満において、すなわち蓄圧器４１内の圧力が低い状態において、制御部６０は過速度運転制御を実行するため、電動モータ３３が基準速度ＢＮよりも高い回転速度で駆動する。このため、圧縮機ユニット３０の水素ガスの処理量は、電動モータ３３が基準速度ＢＮのときの処理量よりも多くなる。このため、図３の左側の網掛け部分により示すように、蓄圧器４１内の圧力が低い状態では、従来の電動モータのように基準速度で一定回転させる場合と比較して、水素ガスの処理量が多くなる。
特に、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１以下においては、制御部６０が最高速度維持制御を実行することにより、電動モータ３３が過速度領域ＰＲのうちの最高速度Ｎｍａｘで駆動し続けるため、圧縮機ユニット３０の水素ガスの処理量がより多くなる。
そして、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１よりも大きくかつ第２圧力Ｐ２未満の範囲においては、制御部６０が速度変更制御を実行するため、動力が第１上限値に維持可能な範囲において電動モータ３３の回転速度が最も高くなるように電動モータ３３が駆動する。このため、電動モータ３３の動力の範囲内において、圧縮機ユニット３０の水素ガスの処理量が上限値となる。
また、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２の場合、制御部６０は通常運転制御を実行するため、電動モータ３３が基準速度ＢＮで駆動する。
一方、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きい場合、電動モータ３３の動力が定格トルクを維持可能な回転速度として基準速度ＢＮよりも低い範囲となるため、制御部６０は低速運転制御を実行する。このため、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きい場合では、圧縮機ユニット３０の水素ガスの処理量は、従来の動力の大きい電動モータを用いた場合よりも少なくなる。
しかし、本実施形態では、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２未満における水素ガスの処理量の増加分（図３の左側の網掛け部分の面積）と、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きい範囲における水素ガスの処理量の減少分（図３の右側の網掛け部分の面積）とが概ね等しくなるように設定される。このため、圧縮機ユニット３０により蓄圧器４１内の圧力が設定圧力ＰＣとなるように水素ガスが貯留されるまでの時間は、従来の動力の大きい電動モータを用いた場合と概ね等しくなる。なお、以上では、蓄圧器４１についての作用効果を説明したが、蓄圧器４２〜４４についても同様の作用効果を奏する。
このように、電動モータ３３の動力が従来の電動モータの動力よりも小さくても、水素ガスの処理量が少なくなることが抑制される。したがって、電動モータ３３が従来の電動モータよりも小型化することができるため、ガス供給装置１０の小型化を図ることができる。加えて、電動モータ３３の小型化により材料費が低減するため、電動モータ３３を従来の電動モータよりも安価に製造することができる。したがって、ガス供給装置１０のコスト低減を図ることができる。
本実施形態のガス供給装置１０によれば、以下に示す効果が得られる。
（１）制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２未満の範囲において、過速度運転制御を実行する。これにより、電動モータ３３を基準速度ＢＮで一定駆動させる場合と比較して、電動モータ３３を過速度領域ＰＲで駆動させるため、電動モータ３３の動力が大きくなる。すなわち、電動モータ３３を基準速度ＢＮで一定駆動させて蓄圧器４１内の圧力が設定圧力ＰＣになるまで水素ガスを供給する場合と比較して、電動モータ３３が駆動可能な動力の範囲内において、電動モータ３３が使用する動力範囲を広げることができる。このため、電動モータ３３の動力を効率よく利用することができる。なお、圧縮機ユニット３０が蓄圧器４２〜４４に水素ガスを供給するときも同様の効果が得られる。
（２）蓄圧器４１の圧力が増大するに従って電動モータ３３が必要とするトルクが大きくなる。そこで、制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１よりも大きくかつ第２圧力Ｐ２未満の範囲において、速度変更制御を実行する。これにより、過速度運転制御が実行可能な期間において、蓄圧器４１内の圧力が増大するに従って電動モータ３３の回転速度を低くするため、蓄圧器４１内の圧力が増大しても、電動モータ３３が駆動可能な動力の範囲内において電動モータ３３を過速度領域ＰＲで駆動させることができる。したがって、電動モータ３３を過速度領域ＰＲで駆動させる頻度が高くなる。なお、圧縮機ユニット３０が蓄圧器４２〜４４に水素ガスを供給するときも同様の効果が得られる。
（３）制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１以下の範囲において、最高速度維持制御を実行する。これにより、電動モータ３３の過速度領域ＰＲにおける最高速度Ｎｍａｘが維持できる環境では電動モータ３３をその最高速度Ｎｍａｘで駆動させるため、電動モータ３３を過速度領域ＰＲにおける最高速度Ｎｍａｘ未満で駆動させる場合よりも蓄圧器４１内に水素ガスを速やかに供給することができる。したがって、貯留過程の時間を短縮することができる。なお、圧縮機ユニット３０が蓄圧器４２〜４４に水素ガスを供給するときも同様の効果が得られる。
（４）制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きい場合、低速運転制御を実行する。これにより、電動モータ３３として動力の小さいモータを使用した場合であっても、動力の大きいモータと同等の処理量を確保することができる。また、動力の小さいモータを使用することにより、圧縮機ユニット３０の小型化および低コスト化を図ることができる。なお、圧縮機ユニット３０が蓄圧器４２〜４４に水素ガスを供給するときも同様の効果が得られる。
（第２実施形態）
図５を参照して、第２実施形態のガス供給装置１０の構成について説明する。本実施形態のガス供給装置１０は、従来の同様の動力の大きい電動モータを使用する場合であって、この電動モータを過速度領域ＰＲで駆動させることにより、蓄圧器４１〜４４内に水素ガスを貯留させる貯留過程の時間を短縮するようにしたものである。
なお、第２実施形態のガス供給装置１０において第１実施形態のガス供給装置１０の構成と共通する構成要素には、共通の符号を用い、その説明の一部または全部を省略する。また、図５を用いた説明において、符号が付されたガス供給装置１０の各構成要素は、図１のガス供給装置１０の各構成要素を示す。
本実施形態のガス供給装置１０の電動モータ３３の動力の上限値である第２上限値は、第１実施形態の電動モータ３３の動力の上限値である第１上限値よりも大きく、従来の電動モータの動力の上限値と等しい。このため、本実施形態の電動モータ３３の過速度領域ＰＲにおけるトルクは、第１実施形態の電動モータ３３の過速度領域ＰＲにおけるトルクよりも大きい。一方、本実施形態の電動モータ３３の標準回転領域ＳＲ、基準速度ＢＮ、過速度領域ＰＲは、第１実施形態の電動モータ３３の標準回転領域ＳＲ、基準速度ＢＮ、過速度領域ＰＲと同じである。
図５に示すように、本実施形態の電動モータ３３の動力の第２上限値が従来の電動モータの動力の上限値と等しいため、制御部６０は、圧縮部３１が蓄圧器４１内の圧力が設定圧力ＰＣとなるまで水素ガスを貯留する貯留過程の全期間において、過速度運転制御を実行する。なお、制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が設定圧力ＰＣに到達したとき、電動モータ３３の駆動を停止する。
電動モータ３３は、蓄圧器４１内の圧力が第１圧力Ｐ１よりも大きく、かつ第２圧力Ｐ２未満である第３圧力Ｐ３において動力が第２上限値となる。このため、制御部６０は、蓄圧器４１内の圧力が第３圧力Ｐ３以下の範囲において最高速度維持制御を実行する。
そして蓄圧器４１内の圧力が第３圧力Ｐ３よりも大きくなったとき、制御部６０は速度変更制御を実行する。このため、電動モータ３３の動力が第２上限値に維持可能な範囲において電動モータ３３の回転速度が最も高くなるように電動モータ３３が駆動する。このため、電動モータ３３の動力の許容範囲内において、圧縮機ユニット３０の水素ガスの処理量が上限値となる。
このように、圧縮機ユニット３０が駆動する全期間において、電動モータ３３の回転速度が基準速度ＢＮよりも高い状態が維持されるため、圧縮機ユニット３０による水素ガスの処理量が従来と同一の動力の電動モータを用いた場合よりも多くなる。したがって、蓄圧器４１内の圧力が設定圧力ＰＣに到達するまでの時間を短縮することができる。
本実施形態のガス供給装置１０によれば、第１実施形態の（１）〜（４）の効果に加え、以下の効果が得られる。
（５）制御部６０は、圧縮機ユニット３０が駆動する全期間において、過速度運転制御を実行する。これにより、圧縮機ユニット３０が駆動する全期間において電動モータ３３を基準速度ＢＮで駆動させると仮定した場合と比較して、電動モータ３３の回転速度が高くなるため、蓄圧器４１内の圧力が同じであれば、電動モータ３３を基準速度ＢＮで駆動させる場合よりも動力が大きくなるとともに、貯留過程の時間を短縮することができる。なお、圧縮機ユニット３０が蓄圧器４２〜４４に水素ガスを供給するときも同様の効果が得られる。
上記各実施形態は、以下に示す別の実施形態に変更することもできる。
・上記各実施形態において、制御部６０は最高速度維持制御を実行しなくてもよい。すなわち制御部６０が最高速度維持制御を実行可能な蓄圧器４１〜４４内の圧力の範囲内において、電動モータ３３は過速度領域ＰＲにおける最高速度Ｎｍａｘ未満の回転速度で駆動してもよい。なお、この場合、電動モータ３３の回転速度は、基準速度ＢＮ以上であることが好ましい。
・上記各実施形態の速度変更制御において、電動モータ３３を上限値（第１上限値または第２上限値）未満の動力で駆動してもよい。この場合、電動モータ３３の回転速度は、電動モータ３３の動力が上限値のときの回転速度よりも低くなる。なお、この場合、電動モータ３３の回転速度は、基準速度ＢＮ以上であることが好ましい。
・上記第１実施形態において、通常運転制御を省略し、蓄圧器４１〜４４内の圧力が第２圧力Ｐ２以上となるときに低速運転制御を実行してもよい。
・上記第１実施形態の低速運転制御において、電動モータ３３を第１上限値未満の動力で駆動してもよい。この場合、電動モータ３３の回転速度は、電動モータ３３の動力が第１上限値のときの回転速度よりも低くなる。なお、電動モータ３３の回転速度は、蓄圧器４１〜４４内の圧力が第２圧力Ｐ２未満における水素ガスの処理量の増加分（図３の左側の網掛け部分）に対して、蓄圧器４１〜４４内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きい範囲における水素ガスの処理量の減少分（図３の右側の網掛け部分）が過度に大きくならないような回転速度であることが好ましい。
・上記第２実施形態において、制御部６０は、蓄圧器４１〜４４内の圧力が高い範囲においてのみ、または蓄圧器４１〜４４内の圧力が低い範囲においてのみ、過速度運転制御を実行してもよい。要するに、制御部６０は、蓄圧器４１〜４４内の圧力範囲における一部の範囲のみで過速度運転制御を実行してもよい。
・上記各実施形態の圧縮機ユニット３０において、圧縮部３１は２〜４段圧縮または６段圧縮以上であってもよい。
・上記各実施形態のガス供給装置１０において、蓄圧器の個数は１個〜３個または５個以上であってもよい。
・上記各実施形態のガス供給装置１０において、制御部６０に代えて、圧縮機ユニット３０の電動モータ３３を制御する専用の制御部を圧縮機ユニット３０が備えた構成としてもよい。
・上記各実施形態のガス供給装置１０において、プレクールシステム５０がディスペンサ２に流入する直前の水素ガスを冷却する構成としてもよい。
・上記各実施形態のガス供給装置１０は、車両１００以外のタンク搭載装置への水素ガスの充填に利用されてもよい。またガス供給装置１０は、水素ガス以外のガスの供給に用いられてもよい。
２ …ディスペンサ（充填設備）
１０ …ガス供給装置
３０ …圧縮機ユニット
３１ …圧縮部
３２ …駆動部
３３ …電動モータ
４１〜４４…蓄圧器
５０ …プレクールシステム
６０ …制御部
１００ …車両（タンク搭載装置）
ＢＮ …基準速度
ＳＲ …標準回転領域
ＰＲ …過速度領域
Ｎｍａｘ …最高速度
ＣＰ …設定圧力（所定圧）

Claims (3)

  1. ガスを圧縮するとともに、圧縮されたガスを蓄圧器に貯留する圧縮部と、
    電動モータを駆動源とし、前記圧縮部を駆動する駆動部と、
    前記電動モータを制御する制御部と、
    を備え、
    前記電動モータは、定格トルクで回転可能な最高速度である基準速度以下の回転領域である標準回転領域において回転速度の変化に対して前記定格トルクを維持可能であり、前記標準回転領域と連続し、かつ前記基準速度よりも高い回転領域である過速度領域においては、前記電動モータの回転速度が高くなるにつれて出力トルクが前記定格トルクから減少する出力特性を有し、
    前記制御部は、前記圧縮部が前記蓄圧器内の圧力が所定圧となるまでガスを貯留する貯留過程の一部において、前記過速度領域で前記電動モータを駆動させる過速度運転制御を実行し、
    前記過速度運転制御は、最高速度維持制御および速度変更制御を含んでおり、
    前記最高速度維持制御は、前記蓄圧器内の圧力が第１圧力Ｐ１以下の範囲において前記過速度領域における最高速度で前記電動モータを駆動する制御であり、
    前記速度変更制御は、前記蓄圧器内の圧力が第１圧力Ｐ１よりも大きくかつ第２圧力Ｐ２未満の範囲において、前記電動モータの回転速度を低下させつつ動力を上限値に維持させる制御であり、
    前記制御部は、前記蓄圧器内の圧力が第２圧力Ｐ２よりも大きくなるとき、前記過速度運転制御から前記基準速度よりも低速にて前記電動モータを駆動させつつ動力を前記上限値に維持させる低速運転制御に切り替える
    圧縮機ユニット。
  2. タンク搭載装置へガスを充填する充填設備に前記ガスの供給を行うガス供給装置において、
    請求項１に記載の圧縮機ユニットと、
    前記圧縮機ユニットから吐出されたガスを貯留する前記蓄圧器と、
    を備える
    ガス供給装置。
  3. 前記蓄圧器から前記充填設備に流入する直前、または、流入した後のガスを冷却するプレクールシステムをさらに備える
    請求項２に記載のガス供給装置。
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