JP6557494B2 - 流体移送用連結装置および流体移送方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、流体移送用連結装置に関し、より詳細には、環境に由来する流体の潜在的な汚染に連結装置が曝され得る環境において使用するための流体移送用連結装置に関する。

迅速接続／取外し連結装置などの接続可能な流体移送用連結装置は、乗物の燃料補給、または貯蔵タンクを充填することおよび空にすることなどの様々な用途で用いられている。多くの用途では、周囲の環境にある物質による、移送される流体の汚染は、重大な問題ではない。このような場合、普通、様々なタイプのポペット弁およびチャックまたはその他のコネクタが用いられ、その場合の主要な要件は、接続部の容易さおよび信頼性であり、また移送される流体の周囲の環境への漏れを回避することである。

しかしながら、一部の状況では、周囲の環境にある汚染物質に由来する流体の汚染は、重大な問題になることもある。一部の場合では、例えば、周囲の環境は、酸、腐食性の液体、有機溶剤、または海水などの強過ぎる汚染物質を含んでいる場合がある。一部の場合では、無害のようにみえる大気の環境でさえ、例えば、流体が酸素に敏感なプロセスで用いられる場合、流体の汚染は問題になり得る。連結装置を通して移送される流体が環境による汚染の危険性を伴う場合の一例は、水中の乗物または据え置き型の電化システムとの間でやりとりする、低温流体（例えば、燃料電池において酸化剤および燃料として用いられる低温酸素および水素）などの流体の水中移送である。そのような環境では氷の結晶が形成されることもあり、周囲の水に溶解している物質または水自体が、燃料電池などの繊細な部品の性能を低下させることもある。

連結装置を通して移送される流体の汚染が問題となるケースでは、いわゆる「ゼロボリューム」の迅速接続／取外しなどの低容積型の連結装置が提案されている。このような連結装置は、一般的に、周囲の環境に由来する汚染物質が溜まり得る連結装置部材間にほとんど空所のない密接な面連結を提供する、接続可能な連結装置部材上の合わせ面を利用する。しかしながら、「ゼロボリューム」の名に反して、このような連結装置は、環境の汚染物質が溜まり得るわずかな容積が依然として残されている。一部の低容積型の迅速接続は、プランジャーまたは類似の機械的部品を利用して、あらゆる残留汚染を除去しようとしている。しかしながら、界面活性効果などの現象が汚染物質を合わせ面に密着させ得ることから、そのような対処法でさえ、汚染物質を連結装置領域から完全に除去することはできない。

上記およびその他の検討を考慮すれば、流体移送のための代替的な連結装置を開発する必要性がある。

本発明の一部の態様によれば、流体移送用連結装置は、第１および第２の接続可能な連結装置部材を含み、これらは、接続された場合に、合わせて密閉内部空間を内包する。気体または蒸気パージ入口およびパージ出口は、潜在的な汚染物質を内部空間の外にパージするために、密閉内部空間と流体連通状態で配置される。連結装置はまた、密閉内部空間を真空引きするために、密閉内部空間と流体連通状態にある真空ポートを含む。第１の連結装置部材は、第１の流体移送導管を含み、また第２の連結装置部材は、第２の流体移送導管を含む。第１および第２の流体移送導管は、第１および第２の連結装置部材が接続された時に、密閉内部空間内で接続され得るように配置される。

一部の態様では、連結装置は、密閉内部空間と流体連通状態にある気体パージ入口を含む。

一部の態様では、連結装置は、密閉内部空間と流体連通状態にある蒸気パージ入口を含む。

一部の態様では、連結装置は、密閉内部空間と流体連通状態にある気体および蒸気パージ入口を含む。

一部の態様では、第１および第２の連結装置部材のそれぞれは、酸素および水素用の別個の流体流れ移送導管を含み、これらは連結されて、第１および第２の連結装置部材が接続された時に、別個の酸素および水素の流体流れ移送導管を形成し得る。一部の態様では、第１および第２の連結装置部材のそれぞれは、液体酸素、気体酸素、液体水素、および気体水素の別個の流体流れ移送導管を含み、これは連結されて、第１および第２の連結装置部材が接続された時に、別個の液体酸素、気体酸素、液体水素、および気体水素の流体流れ移送導管を形成し得る。一部の態様では、連結装置は、密閉内部空間内の酸素および水素の流体流れ移送導管の間に気体バリアを含む。この分離は、密閉内部空間内におけるあらゆる意図しない反応性の水素および酸素の混合を防ぐのを助け得る。

一部の態様では、連結装置は、パージシュラウドを含む。配置されると、パージシュラウドは、パージ空間を流体移送導管の周囲に形成する。このパージ空間は、パージ入口およびパージ出口と流体連通状態にあり、連結された第１および第２の連結装置部材の内部空間をパージするための、それ以外では密閉されている領域を提供し得る。

一部の態様では、連結装置は、真空シュラウドを含む。配置されると、真空シュラウドは、真空空間を流体移送導管の周囲に形成する。この真空空間は、真空ポートと流体連通状態にあり、連結された第１および第２の連結装置部材の内部空間において真空引きするための、それ以外では密閉されている領域を提供し得る。

一部の態様では、連結装置は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池、低温酸素および水素貯蔵タンクを備えるシステムで利用され、流体移送用連結装置は、低温酸素および水素貯蔵タンクと流体連通状態にある。

一部の態様では、接続可能な連結装置を通して流体を移送する方法は、第１の流体移送導管を備える第１の連結装置部材を第２の流体移送導管を備える第２の連結装置部材に接続することを含む。接続された連結装置部材は、第１および第２の流体移送導管が内部空間に配置された状態で、接続された連結装置部材の内側に内部空間を合わせて形成する。密閉されたパージ空間は、流体移送導管の周囲の内部空間に形成され、パージ空間は、蒸気または気体でパージされる。密閉された真空空間は、流体移送導管の周囲の内部空間に形成され、密閉された真空空間が真空引きされる。パージおよび真空引きの後、第１および第２の流体移送導管は、密閉された真空空間内で接続されて、移送される流体が、接続された流体移送導管を通して流される。

一部の態様では、水中で、連結装置が使用され、方法が実行される。

一部の態様では、パージは蒸気で行われ、密閉内部空間はパージ後に冷却されて、部分真空を形成する。

一部の態様では、連結装置は、間に気体バリアを有する別個の酸素および水素の流体移送導管を備え、気体バリアは、密閉された真空空間内において、酸素の流体移送導管と水素の流体移送導管との周囲に別個の空間を形成する。このような態様では、酸素の流体移送導管の周囲の空間から、そして水素の流体移送導管の周囲の空間から、真空を別々に引くことができる。

一部の態様では、真空空間（複数可）の圧力（または真空）は、真空引きの後、監視されてもよい。真空が性能仕様を満たさない場合、密閉不良から回復するように、先のステップのどれかまたはすべてを繰り返すこともできる。一部の態様では、パージが繰り返される。別個の水素および酸素の空間が密閉された真空空間内に形成される態様では、これらの空間の真空は別個に監視され得、このことは、所望の真空を維持する能力における、あらゆる問題の場所の特定に役立ち得る。

本発明とみなされる主題は、本明細書の末尾にある特許請求の範囲において、特定して指摘され、かつ明確に請求されている。本発明の上述およびその他の特徴、ならびに利点は、添付の図面と併せて読めば、以下の詳細な説明から明らかである。

本明細書に説明される例示的な連結装置を、その未接続状態で示す概略図である。 連結装置部材が接続された状態で、本明細書に説明される例示的な連結装置を示す概略図である。 連結装置部材が接続され、かつパージのために構成された状態で、本明細書に説明される例示的な連結装置を示す概略図である。 連結装置部材が接続され、かつ真空引きのために構成された状態で、本明細書に説明される例示的な連結装置を示す概略図である。 連結装置部材が接続され、かつ流体移送導管が接続された状態で、本明細書に説明される例示的な連結装置を示す概略図である。 本明細書に説明される連結装置を有する例示的な流体貯蔵システムを示す概略図である。

ここで図面を参照すると、図１Ａ〜図１Ｆは、接続の様々な段階にある例示的な連結装置１０を示している。図１Ａでは、ハウジング、乗物、またはその間を流体が移送されるモジュールなどのより大きな構造体１６および１８上の部品として、連結装置部材１２および１４が示されている。典型的には、構造体１６または１８のうちの少なくとも一方は、乗物などの移動する構造体であろう。位置合わせバンパー２０および位置合わせチャック２２は、連結装置部材１２、１４が接続される際に、それらの適切な位置合わせのために、視覚的および／または触覚的な手掛かりを提供する。構造体１６上にある引っ込むカバープレート２４は、その引込み位置で示されている。図１Ｂでは、連結装置部材１２および１４は、それらの接続位置で示されている。

連結装置部材１２は、本明細書に詳述されるように、様々なその部品の展開（ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ）のために、それに関連する関節式アーム２３を有する。連結装置部材１２の配置可能な部品は、真空ジャケット付き流体マニホールド２５と、液体酸素導管２６と、気体酸素導管２８と、液体水素導管３０と、気体水素導管３２とを備える流体移送導管モジュールを含む。対応する流体移送導管、すなわち、液体酸素導管２６’と、気体酸素導管２８’と、液体水素導管３０’と、気体水素導管３２’とが、連結装置部材１４に配置されている。

ここで図１Ｃを参照すると、流体移送導管モジュールは、パージシュラウド３４がパージシュラウド相手部品３６と係合するように配置されている。パージシール３８、４０は、パージシュラウド３４およびパージシュラウド相手部品３６の間に封止を形成して、密閉されたパージ空間３７を囲む。蒸気または加圧気体のパージ流は、パージノズル４０を通して密閉されたパージ空間３７に導入され、パージ後の汚染物質の流入を阻止するために一方向チェック弁を装備され得るパージ排出ポート４２を通して放出される。窒素などの加圧気体がパージに用いられ得る。過熱蒸気などの蒸気もまた、パージ用に用いることができ、パージ空間３７からの氷の粒子または着氷の融解および除去などの利益を提供し得る。これはまた、密閉されたパージ空間３７における表面に対してスクラブ作用を提供し、海水に由来する析出物を除去し、および冷却中に部分真空の形成を提供することができる。加圧気体または蒸気パージの圧力は、連結および流体移送が行われる環境の圧力などの環境パラメータに応じて変わり得る。パージ圧力は、２０ｐｓｉａから１０００ｐｓｉａの範囲であり得、より具体的には、３００ｐｓｉａから７００ｐｓｉａの範囲であり得る。一部の実施形態では、連結装置１０は、蒸気パージおよび圧縮気体パージの両方を備え得る。このような構成は、例えば、圧縮気体パージが上甲板で用いられ、蒸気パージが水中で用いられる、水中における流体移送接続および上甲板における流体移送接続の両方を含む船舶用途（例えば、燃料および酸素を上甲板に積載して、これを水中の受け手に届ける、燃料および酸素の運搬用乗物用）に用いられ得る。

本明細書に示されるように、連結装置部材１２は、能動的連結装置部材として説明され得、他方、関節式アームを持たない連結装置部材１４は、受動的連結装置部材として説明され得る。しかしながら、他の実施形態では、特定の設計特徴に応じて、連結装置部材の両方とも能動的に配置され得る部品を有し得る。例えば、パージシュラウド３４は、図示のように連結装置部材１２からではなく、（この実施形態では、図示されていない、それ自体の連結装置アームを有する）連結装置部材１４側から展開されてもよい。

ここで図１Ｄを見れば、真空シュラウド４４の関節式アーム２３（図１Ａ）によってもたらされる、さらなる展開が実行されている。真空封止部４６、４８は、真空シュラウド４４の内側に密閉された真空空間を包囲する封止を形成する。流体移送導管がジャケット内に配置されている、真空ジャケット付きの柔軟なライン５０を通して、密閉された真空空間が真空引きされる。密閉された真空空間に真空が形成された後、これが仕様を順守しているか試験されてもよい。十分な真空が得られない、または維持できない場合、プロセスコントローラ（または手動制御）は、大型構造体（例えば、乗物）のドッキング、連結装置部材の接続、パージ空間３７の封止、パージ、および真空空間の封止を含む、先の段階のどれかを再度行った後、真空を再度確立して再度試験し得る。

一部の実施形態では、また図１Ａ〜図１Ｅに示されているように、酸素収容流体移送導管２６、２８と、水素収容流体移送導管３０、３２との間に気体バリア５２が配置される。気体バリア５２は、気体バリア相手部材５４に対して封止されて、酸素収容および水素収容の流体移送導管の周囲に別個の退避空間を提供し、このことは、真空試験中、あらゆる漏出源の特定を助け得るだけでなく、あらゆる漏出した反応性気体のあらゆる意図しない混合を回避するのを助け得る。

接続、パージ、および真空確立の後、流体移送導管は、液体酸素導管２６および２６’の接続、気体酸素導管２８および２８’の接続、液体水素導管３０および３０’の接続、ならびに気体水素導管３２および３２’の接続により、図１Ｅに示されるように接続される。導管は、通常は閉じているが、導管を接続する動作によって開く、ポペット弁を装備したバヨネット式コネクタなどの自動接続式の相補的コネクタを装備され得る。接続後、流体の流れは、真空で包囲された流体移送導管を通して開始される。真空は、漏れが存在しないことを確認するように流体移送の間ずっと監視され得る。

流体移送の完了に続いて、連結装置１０は、基本的に上記段階を逆に辿ることによって取り外され得る。流体の流れが停止された後、導管２６、２８、３０、および３２は、対応する導管、すなわち、２６’、２８’、３０’、および３２’から取り外されて、引き戻され、このことにより、ポペット弁が閉じ、導管が密閉される。この段階の間、バッフル５６がその休止位置になるまで保護するように真空が維持されて、確実に導管を保護し得る。その結果、真空を停止して、真空シュラウド４４を引き戻すことができる。次いで、真空が停止され、周囲の流体環境（例えば、海水、空気）が、フィルタを備え得る均圧ポート（図示せず）を通って連結装置の内部空間内に流れて戻ることができるようになる。内部空間が満たされて、外側の環境と均圧化された後、引込み可能なカバー２４が閉鎖され得、連結装置部材１２および１４が分離され得る。

本明細書に説明される連結装置は、多種多様のシステム、それどころか、事実上、流体移送に連結装置が必要とされるあらゆるシステムと関係して用いられ得る。図２に概略的に示される例示的な実施形態では、連結装置は、水中用の乗物などの乗物または据え置き型の構造体に搭載されたＰＥＭ燃料電池などの低温酸素および低温水素を貯蔵システムに移送するためのシステムで利用される。図２に示されるように、連結装置部材１２および１４ならびに関節式アーム２２は、酸素／水素移送および貯蔵システム６０に配置される。図２に示される例示的な実施形態では、構造体１６は、搭載されたＰＥＭ燃料電池スタック（図示せず）ならびに関連する酸素および水素貯蔵システムを有する、水中の乗物またはステーションであり得、また構造体１８は、ＰＥＭ燃料電池スタック用に貯蔵されている酸素および水素を補充する燃料補給用の乗物であり得る。このシステムでは、酸素および水素は、酸素供給タンク６２および水素供給タンク６４から、連結装置部材１４および１２を通して、液体酸素導管２６”、気体酸素導管２８”、液体水素導管３０”、および気体水素導管３２”内に、液体酸素貯蔵タンク６６、気体酸素貯蔵タンク６８、液体水素貯蔵タンク７０、および気体水素（および水蒸気）貯蔵タンク７２まで送達される。液体酸素貯蔵タンク６６および液体水素貯蔵タンク７０は、構造体１６の低温部７４に配置され、また気体酸素貯蔵タンク６８および気体水素（および水蒸気）貯蔵タンク７２を含むその他の構成要素は、構造体１６の非低温部７６に配置される。酸素ポンプ７８および水素ポンプ８０は、液体酸素および水素が出す気体部分の貯蔵タンク６８および７２への移送を助ける。連結装置の密閉内部空間をパージするために、パージ貯蔵タンク８２からの純水が、ポンプ８４によって蒸気発生器８６内に汲み上げられ、蒸気発生器８６から連結装置部材１２に向けられる。真空ポンプ８８（例えば、粗引きポンプに加えてイオンまたは静電ポンプ）は、蒸気パージ用の純水を収容する密閉内部空間の真空引きを行うために利用される。ＥＣＵ（電子制御装置）９０などの制御システムは、非低温部７６にプロセス制御および電力管理のために配置される。電力は、搭載されたＰＥＭ燃料電池スタック（図示せず）またはその他の供給源から供給され得る。

限られた数の実施形態だけに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、前述されていないけれども本発明の趣旨および範囲と同等である変形、変更、置き換えまたは等価な構成をいくらでも組み込むように修正され得る。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部のみを含むこともあることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (13)

1. 流体移送用連結装置であって、
   互いに接続された時に密閉内部空間を画定する接続可能な第１の連結装置部材および第２の連結装置部材と、
   前記密閉内部空間と流体連通状態にある気体または蒸気用のパージ入口およびパージ出口と、
   前記密閉内部空間と流体連通状態にある真空ポートと
   を備え、
   前記第１の連結装置部材が、第１の流体移送導管を含み、前記第２の連結装置部材が、第２の流体移送導管を含み、前記接続可能な第１の連結装置部材および第２の連結装置部材が接続される時に、前記第１の流体移送導管および第２の流体移送導管が、前記密閉内部空間内において互いに接続可能である、
   流体移送用連結装置。
2. 前記パージ入口は、前記密閉内部空間と流体連通状態にある気体入口である、請求項１に記載の流体移送用連結装置。
3. 前記パージ入口は、前記密閉内部空間と流体連通状態にある蒸気入口である、請求項１または２に記載の流体移送用連結装置。
4. 第１の流体移送導管と第２の流体移送導管とは、酸素用の流体流れ移送導管と、水素またはその他の流体用の流体流れ移送導管と、をそれぞれ含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体移送用連結装置。
5. 前記密閉内部空間において前記酸素用の流体流れ移送導管および水素用の流体流れ移送導管の間に気体バリアをさらに備える、請求項４に記載の流体移送用連結装置。
6. 前記流体移送導管の周囲にパージ空間を形成するパージシュラウドをさらに備え、前記パージ空間が、前記パージ入口および前記パージ出口と流体連通状態にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体移送用連結装置。
7. 前記流体移送導管の周囲に真空空間を形成する真空シュラウドをさらに備え、前記真空空間が、前記真空ポートと流体連通状態にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体移送用連結装置。
8. ＰＥＭ燃料電池と、低温酸素および低温水素の貯蔵タンクと、前記低温酸素および低温水素の貯蔵タンクまたはその他の流体を要求するシステムと流体連通状態にある請求項１〜７のいずれか１項に記載の流体移送用連結装置とを備える、システム。
9. 接続可能な連結装置を通して流体を移送する流体移送方法であって、
   第１の流体移送導管を備える第１の連結装置部材を、第２の流体移送導管を備える第２の連結装置部材に接続して、前記接続された連結装置部材の内部に内部空間を形成し、前記第１の流体移送導管および第２の流体移送導管は、前記内部空間に配置され、
   前記流体移送導管の周囲の前記内部空間に、密閉されたパージ空間を形成し、
   前記密閉されたパージ空間を蒸気または気体でパージし、
   前記流体移送導管の周囲の前記内部空間に、密閉された真空空間を形成し、
   前記密閉された真空空間を真空引きし、
   前記真空を漏れに関して試験し、充分な密閉を確実にするために前記プロセスを繰り返し、
   前記第１の流体移送導管および第２の流体移送導管を前記密閉された真空空間内で接続し、前記接続された流体移送導管を通って移送されるように流体を流すこと
   を含む、流体移送方法。
10. 水中で実行される、請求項９に記載の方法。
11. 前記パージが蒸気で行われ、前記方法が、部分真空を形成するために前記内部空間をパージ後に冷却することをさらに含む、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記連結装置が、間に気体バリアを有する別個の酸素用の流体移送導管および水素用の流体移送導管を備え、前記気体バリアは、前記密閉された真空空間内において、前記酸素用の流体移送導管と前記水素用の流体移送導管との周囲に別個の空間を形成する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 真空引きされた前記密閉された真空空間の真空を監視することをさらに含む、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。

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