JP6692824B2 - 水素タンクに充填する方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、水素タンクに充填する方法および装置に関する。
本発明は、特に、決定された第１の温度および充填されるタンク内の圧力よりも高い決定された圧力の加圧気体水素を含む少なくとも１つの供給源貯蔵装置（ｓｏｕｒｃｅ ｓｔｏｒｅ）から加圧気体水素タンクに充填する方法であって、水素は、供給源貯蔵装置に接続される上流端およびタンクに接続される下流端を有する充填回路を介して圧力を等しくすることにより、供給源貯蔵装置からタンクへ移動され、少なくとも１つの供給源貯蔵装置は、供給源貯蔵装置に貯蔵される気体を加熱するための部材と熱交換関係にある、方法に関する。
燃料タンクへの気体水素の充填は、一般に、１つ以上の供給源貯蔵装置と充填されるタンクとの間の圧力を１回、好ましくは数回等しくすることによって行われる。周知の解決策の１つでは、供給源と充填されるタンクとの間の圧力差を最大化するために連続して使用される、並列に連結された数個の供給源貯蔵装置が使用される（これは「カスケード」充填として知られている）。
必要に応じて、充填を促進するためまたは完了にするために追加として圧縮機を設けることもできる。
特定の充填時間で移動させる気体の量を最適化するための多くの周知技術が存在する。
したがって、充填されるタンク内で生じる加熱を最小限にするために、移動する気体の流量を制御することが周知の方法である。気体移動流量を減少させることにより、タンク内での過剰な加熱の危険性は限定されるが、充填時間は長くなる。
別の周知の解決策は、タンク内の温度上昇を最小限にする／制御するために、タンクに入る前の気体を冷却することである。しかし、この解決策は、大きいエネルギー資源を必要とし得る。文献欧州特許出願公開第２１７５１８７Ａ２号明細書には、気体がタンクに入る前に気体の温度が制御される（低下される）充填システムが記載されている。
文献国際公開第２０１１／０２６５５１Ａ１号パンフレット自体には、供給源貯蔵装置の温度が決定された低レベルで維持される充填システムが記載されている。
充填効率の改善および／または本明細書で前述したような従来技術の欠点のすべてまたは一部の軽減が本発明の目的の１つである。
このために、本発明による充填方法は、上記前文に示されるそれらの一般的定義による他の点において、供給源貯蔵装置からタンクへの水素の移動の少なくとも一部の間、供給源貯蔵装置内に含まれる気体が第１の温度よりも高い決定された第２の温度まで加熱されることを本質的に特徴とする。
これは、充填中および／または充填の少なくとも一部の前に、少なくとも１つの供給源貯蔵装置が貯蔵装置内の気体の圧力を増加させるために加熱され、それにより、充填されるタンクに対する圧力差を増加させることを意味する。
好ましくは、この加熱は、供給源貯蔵装置内の圧力が決定された低閾値未満に低下する場合および／または充填の過程においてタンク内の圧力が決定された高閾値に到達する場合に行われる。
さらに、本発明のある実施形態は、以下の１つ以上の特徴を含むことができる：
− 供給源貯蔵装置内に含まれる気体の加熱は、その温度を１０℃〜６０℃、好ましくは２０℃〜４０℃に含まれる決定された量だけ上昇させる。
− 供給源貯蔵装置からタンクへの水素の移動中、一方では供給源貯蔵装置内の気体と、他方ではタンク内の気体との間の圧力差が決定された第１の差未満である場合に、供給源貯蔵装置内に含まれる気体は加熱部材によって加熱される。
− 一方では供給源貯蔵装置内の気体と、他方ではタンク内の気体との間の圧力差が前記決定された第１の差未満である場合にのみ、供給源貯蔵装置内に含まれる気体は加熱される。
− 決定された第１の差は、５０〜２５０ｂａｒに含まれ、好ましくは１００〜２００ｂａｒに含まれる。
− 供給源貯蔵装置からタンクへの水素の移動中、一方では供給源貯蔵装置内の気体と、他方ではタンク内の気体との間の圧力差が決定された第２の差を超える場合に、供給源貯蔵装置内に含まれる気体または供給源貯蔵装置から引き抜かれる気体は冷却される。
− 供給源貯蔵装置内に含まれる気体の冷却は、その温度を１０℃〜６０℃だけ、好ましくは２０℃〜４０℃だけ低下させる。
− 供給源貯蔵装置内の気体は、充填前および加熱前に、１５０〜９５０ｂａｒ、特に２５０〜８５０ｂａｒに含まれる初期圧力を有する。
本発明は、加圧気体水素タンクに充填する装置であって、決定された第１の温度および決定された圧力の加圧気体水素を含む少なくとも１つの供給源貯蔵装置と、供給源貯蔵装置に貯蔵される気体を加熱するための部材と、供給源貯蔵装置に接続される上流端および充填されるタンクに着脱可能に連結され得る下流端を有する充填回路と、回路内で供給源貯蔵装置からタンクへ循環させられる気体の圧力および／または流量を調節するための少なくとも１つの部材と、調節部材に接続され、供給源貯蔵装置に貯蔵される気体を加熱するための部材およびタンク内の圧力のセンサーにも接続される電子データ取得、記憶および処理部材とを含み、電子データ取得、記憶および処理部材は、充填回路内の気体の流量および／または圧力を制御するように構成され、電子データ取得、記憶および処理部材は、供給源貯蔵装置からタンクへの水素の移動の少なくとも一部の間、供給源貯蔵装置内に含まれる気体を第１の温度よりも高い決定された第２の温度まで加熱することを命令するように構成される、装置にも関する。
可能性のある特定の特徴の１つによると、加熱部材は、供給源タンクと熱交換関係にある熱交換器および／または冷却剤回路を含む。
本発明は、前述または後述の特徴の任意の組合せを含む任意の代替的な装置または方法にも関し得る。
他の詳細および利点は、図面を参照しながら提供される以下の説明を読むことで明らかとなるであろう。
本発明を実施できる充填装置の一例を示す概略部分図を示す。 本発明を実施して充填する場合および本発明を実施せずに充填する場合の、供給源貯蔵装置およびタンク内の圧力変化の比較曲線を示す。
図１は、加圧気体水素タンク１（例えば、車両タンク）に充填するための充填ステーションの一例を概略的かつ部分的に示す。
従来の方法のステーションは、例えば１５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒ、特に７００〜９００ｂａｒに含まれる圧力に加圧された気体水素を含む、少なくとも１つの供給源貯蔵装置２を含む。供給源貯蔵装置２は、例えば、周囲温度で存在するか、または決定された温度（例えば、１５℃または０℃）で維持される。
ステーションは、供給源貯蔵装置２に接続される上流端および充填されるタンク１に着脱可能に連結され得る下流端を有する充填回路３をさらに含む。充填回路３は、例えば、遮断弁４と、回路３内で供給源貯蔵装置２からタンク１へ循環させられる気体の圧力および／または流量を調節するための部材５とを含む。調節部材５は、例えば、制御できる場合もできない場合もある弁、圧力調整器、または充填されるタンク１内の気体の流量もしくは圧力の上昇を制御するための任意の他の適切な部材を含む。
ステーションは、タンク内の圧力のセンサー８をさらに含み、これは、例えば、タンク１の上流の充填回路３内に配置される。当然ながら、このセンサー８は、タンク１内の圧力センサー、タンク周囲の圧力センサー、および／またはこの圧力を計算するソフトウェアモデリングにより、代用または補足することができる。
概略的に示されるように、適切な場合に気体の温度を調節するために（特に気体を冷却するために）、充填回路３は、部材５の下流の気体と熱交換関係にある熱交換器９をさらに含むことができる。
ステーションは、好ましくは、電子データ取得、記憶および処理部材７、例えばプログラマブルコントローラ、プロセッサ、コンピュータ、またはマイクロプロセッサを有する任意の他の装置などをさらに含む。
電子データ取得、記憶および処理部材７は、調節部材５および供給源貯蔵装置２に貯蔵された気体を加熱するための部材６に接続されて、これらに対する命令／制御を行う。さらに、電子データ取得、記憶および処理部材７は、センサー８に接続されて、タンク１内の圧力のセンサー８からの信号を取得する。電子データ取得、記憶および処理部材７は、供給源貯蔵装置２内またはその出口の圧力および／または温度を測定するためのセンサーにも接続することができる。
ステーションは、供給源貯蔵装置２に貯蔵される気体を加熱するための部材６をさらに含む。
従来の方法では、電子データ取得、記憶および処理部材７は、充填が最適化されるように、充填回路内の気体の流量および／または圧力を制御するように構成される（例えば、タンク１の性質によって決定された規定の閾値を超えて熱を発生しない決定された時間、移動量）。
有利な特徴の１つによると、電子データ取得、記憶および処理部材７は、供給源貯蔵装置２からタンク１への水素の移動の少なくとも一部にわたり、供給源貯蔵装置２内に含まれる気体を、現在の温度よりも高い決定された温度まで加熱することを命令するようにも構成される。
好ましくは、この加熱は、供給源貯蔵装置２とタンク１との間の気体の移動の終了時に行われる。
例えば、充填中、一方では供給源貯蔵装置２内の気体と、他方ではタンク１内の気体との間の圧力差が決定された第１の差未満の値に到達する場合（またはその直前）に、供給源貯蔵装置２内に含まれる気体が加熱部材６によって加熱される。
好ましくは、この加熱は、一方では供給源貯蔵装置２内の気体と、他方ではタンク１内の気体との間の圧力差が前記決定された第１の差未満である場合にのみ行われる。
この決定された第１の差は、例えば５０〜２５０ｂａｒに含まれ、好ましくは１００〜２００ｂａｒに含まれる。
供給源貯蔵装置２内に含まれる気体の加熱は、例えば１０℃〜６０℃に含まれ、好ましくは２０℃〜４０℃に含まれ、特に３０℃である決定された量だけその温度を上昇させることを意図することができる。
この加熱により、供給源貯蔵装置２内の気体の圧力を増加させることができ、したがって供給源２と受け取るタンク１との間の圧力差を最大化することができる。
特に、供給源貯蔵装置２とタンク１との間の圧力差が減少する（供給源タンク内の圧力がタンク１に対して低下する）場合、本発明者らは、供給源貯蔵装置２内の気体を加熱することが有利であることを確認した。
したがって、圧力差は増加されるか、維持されることができ、またはそうでなければ、充填効率を改善するためにその減少をできるだけ長く最小限にすることができる。
供給源貯蔵装置２内の最終圧力は（その加熱である程度変化するとして）、従来技術の方法（加熱を用いない）で得られる圧力よりも低くなる。これは、タンク１がより十分に充填され（特定の時間でより良好な充填効率）、供給源貯蔵装置２がより十分に利用される（より十分に空になる）ことを意味する。
当然ながら、充填開始時、特に圧力差が大きい（例えば、２００ｂａｒを超える）場合、気体を（例えば、調節部材５の下流の交換器９により、および／または供給源貯蔵装置２における直接的な熱交換により）冷却することができる。特に、充填開始時、水素の膨張により、圧縮の効果に加えてジュール−トムソン効果によってさらに加熱される場合、この周知の冷却により、タンク１内の加熱を最小限にすることができる。
充填終了時、タンク１は、比較的より高温の気体を許容することができる。
例えば、７００ｂａｒの圧力および１５℃の温度の気体水素を含む供給源貯蔵装置２の場合、この気体を４５℃まで加熱すると（例えば、一定密度で）、貯蔵装置２内で約７７５ｂａｒの圧力を達成することができる。
圧縮機を使用する必要性が軽減し得るため、本発明は、充填ステーションに圧縮機が使用される場合に特に有利となる。
さらに、適切であれば、供給源貯蔵装置２を加熱するために、気体を冷却する冷却剤の加熱を使用することができる。
本発明の方法は、１０分〜６０分にわたり続けられることを意味する比較的長い充填時間の場合に特に有利である。本発明の方法は、急速充填（例えば、２〜１０分にわたり続けられる）にも適用可能である。
図２は、従来技術に対する本発明の効果を概略的に示す。
連続線のかつ十字記号を有する曲線は、それぞれ本発明による加熱を用いない場合および用いた場合の供給源貯蔵装置２内の圧力変化を示す。
不連続の長い線および短い線の曲線は、それぞれ本発明による加熱を用いない場合および用いた場合の充填されたタンク内の圧力変化を示す。
したがって、充填開始時、供給源貯蔵装置の気体は冷却されるか、またはそれに対して熱的操作は行われない。例えば、−３０℃などの温度まであらかじめ冷却することができる。
充填が開始すると、供給源貯蔵装置２内の圧力が低下し、目標タンク１内の圧力が増加する。
例えば、２つの容器間の圧力差が、例えば１００〜２００ｂａｒ程度の閾値差未満である場合、供給源貯蔵装置２内の気体を加熱することができる。加熱は、初期温度に対して、さらには周囲温度に対して＋３０℃の上昇を実現することを含み得る。例えば、−２０℃〜＋４０℃に含まれる周囲温度の場合、気体は、例えば７０℃まで加熱することができる。
本発明者らは、上記の解決策がエネルギー収支に関して有利となり得ることも実証した。
特に、０．５ｍ３以上の容積の貯蔵装置の場合、加熱によって圧縮機の使用を減少させることが可能となる。設置条件に応じて、圧縮機の使用時間がある値（例えば、１２０秒）に到達すると、経済収支がプラスになる。
３０℃の温度で圧縮機出口に気体が送出され、それが下流で−４０℃の温度まで冷却される充填ステーションについて考察する。供給源貯蔵装置２内の気体が１５℃であり、４５℃の温度まで加熱される場合、これは、気体を４５℃の温度から−４０℃の温度まで冷却する必要があることを意味する。この低温ユニットのエネルギー消費は、この場合に１２６５ｋＪだけ増加する。
本発明によると、低温ユニット（交換機９）で散逸する熱エネルギーを供給源貯蔵装置２の加熱に再利用することができる。
例えば、冷却ユニット９で散逸したエネルギーの５０％〜１００％を取り戻すことが可能である。さらに、別の熱源を充填ステーションで使用することができる（圧縮機など）。
１００ｂａｒの圧力のタンクを有する車両、および８５５ｂａｒの圧力において０．７５ｍ３の体積の水素を貯蔵する供給源貯蔵装置２の特殊な状況では、供給源貯蔵装置２の気体を５５℃の温度まで加熱することで、加熱を用いない解決策とは対照的に、圧縮機を使用せずに圧力を等しくすることによってタンクを完全に満たすことが可能になる。
一般に、本発明は、加熱を使用しない従来技術の解決策と比較すると、さらに０．３ｋｇの水素を充填することが可能になる。これは、約２５〜３０秒の圧縮機の操作の削減に相当する。
圧縮機の使用の節約を向上させるために、圧縮機は（充填開始時からではなく）ずらしたタイミングで開始することができる。
例えば、特定の条件下では、最初は１．１２分である圧縮機を作動させるのに有益な時間は、例えば０．７２分まで短縮することができる。
本発明により、例えば必要な圧縮機のサイズおよび出力を減少させることが可能となる。
したがって、使用条件により、本発明のエネルギー節約は量が変動する。
当然ながら、本発明は、水素以外の任意の他の種類の気体に使用することができる。さらに、本発明は、並列して連結され、連続または同時に使用される数個の供給源貯蔵装置２を有する設備（ステーション）に使用することができる。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 加圧気体水素タンク（１）に、決定された第１の温度および充填される前記タンク（１）内の圧力よりも高い決定された圧力の加圧気体水素を含む少なくとも１つの供給源貯蔵装置（２）から充填する方法であって、水素は、前記供給源貯蔵装置（２）に接続される上流端および前記タンク（１）に接続される下流端を有する充填回路（３）を介して圧力を等しくすることにより、前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ移動され、前記少なくとも１つの供給源貯蔵装置（２）は、前記供給源貯蔵装置（２）に貯蔵される前記気体を加熱するための部材（６）と熱交換関係にあり、前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）への水素の前記移動の少なくとも一部の間、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体は、前記第１の温度よりも高い決定された第２の温度まで加熱される、方法において、前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）への水素の前記移動中、一方では前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、他方では前記タンク（１）内の前記気体との間の圧力差が決定された第１の差未満である場合に、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体は、前記加熱部材（６）によって加熱されることを特徴とする方法。
［２］ 前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体の前記加熱は、その温度を１０℃〜６０℃、好ましくは２０℃〜４０℃に含まれる決定された量だけ上昇させることを特徴とする、［１］に記載の方法。
［３］ 一方では前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、他方では前記タンク（１）内の前記気体との間の前記圧力差が前記決定された第１の差未満である場合にのみ、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体は加熱されることを特徴とする、［１］または［２］に記載の方法。
［４］ 前記決定された第１の差は、５０〜２５０ｂａｒに含まれ、好ましくは１００〜２００ｂａｒに含まれることを特徴とする、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の方法。
［５］ 前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）への水素の前記移動中、一方では前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、他方では前記タンク（１）内の前記気体との間の前記圧力差が決定された第２の差を超える場合に、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体または前記供給源貯蔵装置（２）から引き抜かれる前記気体は冷却されることを特徴とする、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の方法。
［６］ 前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体の前記冷却は、その温度を１０℃〜６０℃だけ、好ましくは２０℃〜４０℃だけ低下させることを特徴とする、［５］に記載の方法。
［７］ 前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体は、充填前および加熱前に、１５０〜９５０ｂａｒ、特に２５０〜８５０ｂａｒに含まれる初期圧力を有することを特徴とする、［１］〜［６］のいずれか一項に記載の方法。
［８］ 加圧気体水素タンク（１）に充填する装置であって、決定された第１の温度および決定された圧力の加圧気体水素を含む少なくとも１つの供給源貯蔵装置（２）と、前記供給源貯蔵装置（２）に貯蔵される前記気体を加熱するための部材（６）と、前記供給源貯蔵装置（２）に接続される上流端および充填される前記タンク（１）に着脱可能に連結され得る下流端を有する充填回路（３）と、前記回路（３）内で前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ循環させられる気体の圧力および／または流量を調節するための少なくとも１つの部材（５）と、前記調節部材（５）に接続され、前記供給源貯蔵装置（２）に貯蔵される前記気体を加熱するための前記部材（６）および前記タンク（１）内の圧力のセンサー（８）にも接続される電子データ取得、記憶および処理部材（７）とを含み、前記電子データ取得、記憶および処理部材（７）は、前記充填回路内の前記気体の前記流量および／または圧力を制御するように構成される、装置において、前記電子データ取得、記憶および処理部材（７）は、前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）への水素の移動の少なくとも一部の間、一方では前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、他方では前記タンク（１）内の前記気体との間の圧力差が決定された第１の差未満である場合に、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体を前記第１の温度よりも高い決定された第２の温度まで加熱することを命令するように構成され、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体は、前記加熱部材（６）によって加熱されることを特徴とする装置。
［９］ 前記加熱部材（６）は、前記貯蔵タンク（２）と熱交換関係にある熱交換器および／または冷却剤回路を含むことを特徴とする、［８］に記載の充填装置。

Claims (9)

  1. 加圧気体水素のタンク（１）に、所定の第１の温度の加圧気体水素であって、充填される前記タンク（１）内の圧力よりも高い所定の圧力の加圧気体水素を含む少なくとも１つの供給源貯蔵装置（２）から充填する方法であって、
    水素が、前記供給源貯蔵装置（２）に接続される上流端および前記タンク（１）に接続される下流端を有する充填回路（３）を介して圧力を等しくすることにより、前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ移動され、
    前記少なくとも１つの供給源貯蔵装置（２）は、前記供給源貯蔵装置（２）に貯蔵される気体を加熱するための加熱部材（６）と熱交換関係にあり、
    前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ水素が移動する少なくとも一部の間、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる気体が、前記第１の温度よりも高い所定の第２の温度まで加熱される、方法において、
    前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ水素が移動する間、前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、前記タンク（１）内の気体との間の圧力差が所定の第１の差未満である場合に、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体が、前記加熱部材（６）によって加熱されることを特徴とする方法。
  2. 前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体の加熱は、その温度を１０℃〜６０℃に含まれる決定された量だけ上昇させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、前記タンク（１）内の前記気体との間の前記圧力差が前記所定の第１の差未満である場合にのみ、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体は加熱されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記所定の第１の差は、５０〜２５０ｂａｒに含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ水素が移動する間、前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体と、前記タンク（１）内の前記気体との間の前記圧力差が所定の第２の差を超える場合に、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体または前記供給源貯蔵装置（２）から引き抜かれる前記気体は冷却されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体の冷却は、その温度を１０℃〜６０℃だけ低下させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 前記供給源貯蔵装置（２）内の前記気体は、充填前および加熱前に、１５０〜９５０ｂａｒに含まれる初期圧力を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 加圧気体水素のタンク（１）に充填する充填装置であって、
    所定の第１の温度および所定の圧力の加圧気体水素を含む少なくとも１つの供給源貯蔵装置（２）と、
    前記供給源貯蔵装置（２）に貯蔵される気体を加熱するための加熱部材（６）と、
    前記供給源貯蔵装置（２）に接続される上流端および充填される前記タンク（１）に着脱可能に連結される下流端を有する充填回路（３）と、
    前記充填回路（３）内で前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ循環させられる気体の圧力および／または流量を調節するための少なくとも１つの調節部材（５）と、
    前記調節部材（５）に接続されるとともに、前記供給源貯蔵装置（２）に貯蔵される前記気体を加熱するための前記加熱部材（６）と前記タンク（１）内の圧力のセンサー（８）にも接続される電子データ取得、記憶および処理部材（７）とを含み、
    前記電子データ取得、記憶および処理部材（７）は、前記充填回路内の気体の流量および／または圧力を制御するように構成される、充填装置において、
    前記電子データ取得、記憶および処理部材（７）は、前記供給源貯蔵装置（２）から前記タンク（１）へ水素が移動する少なくとも一部の間、前記供給源貯蔵装置（２）内の気体と、前記タンク（１）内の気体との間の圧力差が所定の第１の差未満である場合に、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体を前記第１の温度よりも高い所定の第２の温度まで加熱することを命令するように構成され、前記供給源貯蔵装置（２）内に含まれる前記気体は、前記加熱部材（６）によって加熱されることを特徴とする充填装置。
  9. 前記加熱部材（６）は、前記供給源貯蔵タンク（２）と熱交換関係にある熱交換器および／または冷却剤回路を含むことを特徴とする、請求項８に記載の充填装置。
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