(57)【要約】【課題】  高圧ガス貯蔵タンクに燃料ガスをさらに補給する際には、供給された燃料ガスの圧縮による圧縮熱が発生する。【解決手段】  高圧ガス貯蔵タンクの熱管理のための装置であって、タンクの補給による圧縮熱がタンクの内部から排出されるように、燃料ガスは、ポンプ駆動によってタンクの内部を循環する。高圧の補給貯蔵所から貯蔵タンクへ、ガスは移送され、循環するガスは、補給熱を吸収し、補助熱交換装置を有する冷却システムへ熱を運搬し、その後、ガスはタンクの中に導入される。装置は、逆にも動作して、源からタンクの内部に熱を移送し、より完全なタンクの排出を自動車の運転中に提供する。【選択図】図１Ａ
2014169790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧下での燃料ガス用貯蔵タンクシステムであって、
タンク入口およびタンク出口を有するタンクと、
そのタンク内に備えられたインサイチュ熱交換装置であって、そのインサイチュ熱交換装置は入口と出口とを有し、その入口は高圧下の前記燃料ガスの供給源と接合可能であるインサイチュ熱交換装置と、
前記タンクの外部に備えられる第１の熱交換器および第２の熱交換器と、
前記インサイチュ熱交換装置の前記出口から前記第１の熱交換器の入口まで、および前記第１の熱交換器の出口から前記タンク入口まで、の第１の流路と、
前記タンク出口から前記第２の熱交換器の入口まで、および前記第２の熱交換器の出口から前記タンク入口まで、の第２の流路と、
前記第１の流路および前記第２の流路のいずれかの部分に配置され、前記第１の熱交換器の出口と前記第２の熱交換器の出口から前記タンク入口まで前記燃料ガスを流す駆動力を供する前記少なくとも１つのポンプであって、前記第１の流路および前記第２の流路のいずれかまたはその両方は前記少なくとも１つのポンプの中の流路を含む前記少なくとも１つのポンプと、
を備える前記貯蔵タンクシステムであって、
前記タンク入口を通して前記タンクに前記燃料ガスを補給する際において、前記タンクへの前記燃料ガスの補給で前記燃料ガスの圧縮によって生じた熱は、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器内へ運ばれて吸収され、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器から前記タンクの外部環境に排出される貯蔵タンクシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記少なくとも１つのポンプは、前記インサイチュ熱交換装置と前記第１の熱交換器との間の前記第１の流路に配置されていることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記少なくとも１つのポンプは、ベンチュリ型エジェクタポンプであることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記少なくとも１つのポンプは、機械的ポンプであることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項５】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記貯蔵タンクシステムは補助送風器を具備し、
前記補助送風器は、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方に送風して、前記高圧燃料ガスに含まれる前記冷熱媒を冷却することを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項６】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とのそれぞれは、ラジエータ、ヒートシンク、及び自動車の冷熱媒システムのうちの少なくとも１つであることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記第１の熱交換器または前記第２の熱交換器は、ラジエータを通過する１以上の閉ループガス流れ回路を具備し、そのラジエータは、自動車の動力プラントにおいて冷熱媒を循環させるラジエータシステムと熱的に相互に結合されていることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記第１の流路と前記第２の流路とは、前記タンクの内部の熱を吸収する冷熱媒循環回路内のループ型回路を構成し、吸収された熱は、流路に相互結合された前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方に伝達されて排出され、前記冷熱媒が含まれる前記燃料ガスを前記タンクの内部へ再循環することを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項９】
請求項１に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器はラジエータであって、そのラジエータは、自動車フレーム組立体に熱排出要素の構造と、
熱排出要素に近い自動車フレーム組立体の内部に流体循環ループと、
を備えていることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項１０】
燃料ガス貯蔵のための自動車の車載用タンクシステムであって、
その車載用タンクシステムは、請求項１から９のいずれか一項に記載の貯蔵タンクシステムを複数備え、
前記タンクのそれぞれが自動車に載置されていることを特徴とする車載用タンクシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の車載用タンクシステムであって、
前記タンクのそれぞれにおける燃料の再補給は、１）すべてのタンクで同時に並行して再補給され、又は、２）すべてのタンクがほぼ一度に１つずつ別々に順番で再補給されることを特徴とする車載用タンクシステム。
【請求項１２】
請求項３に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記ベンチュリ型エジェクタポンプは、吸引入口とポンプ出口とを有し、
前記ベンチュリ型エジェクタポンプの前記吸引入口は前記第１の熱交換器の前記出口に接続され、前記ベンチュリ型エジェクタポンプの前記ポンプ出口は前記タンクの前記タンク入口と接続され、
前記ベンチュリ型エジェクタポンプは、ジェット流を形成するのど部を有し、
前記第１の熱交換器の前記出口からの前記第１の流路は、前記ベンチュリ型エジェクタポンプ内に部分的に流れ制限を作り、その流れ制限で生じる圧力降下により前記第２の熱交換器の前記出口からの前記燃料ガスの流れを喚起して、前記タンクの前記タンク入口へ導かれる前記燃料ガスで、高圧下での前記燃料ガスの還流を生じる貯蔵タンクシステム。
【請求項１３】
請求項１から９および１２のいずれか一項に記載の貯蔵タンクシステムであって、
内部に熱吸収材を有するキャビティであって、前記第１の流路と前記第２の流路とのいずれかまたは両方の少なくとも一部に、前記第１の流路と前記第２の流路とのいずれかに沿って配設されている前記キャビティを具備する貯蔵タンクシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記熱吸収部材は、自動車の動力プラントと、自動車のエアコン排気と、補助ヒータと、自動車のフレーム又はサブフレーム部材とのうち、少なくとも１つから熱を取得し、
その熱は、前記自動車の動力プラント、前記自動車のエアコン排気、前記補助ヒータ、前記自動車のフレーム又は前記サブフレーム部材のうち少なくとも１つを通る流路の結合部を通して、前記インサイチュ熱交換装置に移送されることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記結合部は、ヒートパイプから構成されていることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載の加熱システム貯蔵タンクシステムであって、
前記結合部は、熱的に伝導性をもつ、冷熱媒流体回路であって、自動車のガス流路から分離されたものであることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項１７】
請求項１３に記載の貯蔵タンクシステムであって、
動力プラント、エアコン排気、補助ヒータ、及び自動車のフレーム又はサブフレーム部材のうち少なくとも１つの機器からの熱は、前記インサイチュ熱交換装置と前記少なくとも１つの機器との間に配置される熱交換装置を介して、前記タンク内部の前記インサイチュ熱交換装置に移送されることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項１８】
請求項１から９および１２のいずれか一項に記載の貯蔵タンクシステムであって、前記タンクからの前記燃料ガスの消費に際して、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方を通しての前記第１の流路と前記第２の流路の還流において熱が吸収され、前記燃料ガスが前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方を通して流れるとき、前記タンク内の前記燃料ガスは吸収された熱によって加熱される貯蔵タンクシステム。
【請求項１９】
請求項１から９および１２のいずれか一項に記載の貯蔵タンクシステムであって、前記燃料ガスは、前記インサイチュ熱交換装置から前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方への流路の部分を流れ、
前記燃料ガスの熱は、前記タンク内の燃料ガスが再補給されているか又は消費されているかに応じて、前記インサイチュ熱交換装置と前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方との間にて交換されることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記タンク出口と動力プラントとの間を相互に結合する前記燃料ガスのための流路の部分が閉じられて、前記タンクが再補給されるとき、熱エネルギーは、前記インサイチュ熱交換装置から、前記タンクの外部にある前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方へ移送されることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項２１】
請求項１８または１９に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記タンク入口と前記燃料ガスの前記供給源との間を相互に結合する流路の部分が閉じられて、前記タンク内の前記燃料ガスが消費されるとき、熱エネルギーは前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器の少なくとも一方から前記インサイチュ熱交換装置へ移送されることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項２２】
請求項１３から１７のいずれか一項に記載の貯蔵タンクシステムであって、
前記熱吸収材は、相変化により熱を吸収する材料であることを特徴とする貯蔵タンクシステム。
【請求項２３】
請求項１３から１７のいずれか一項に記載の貯蔵タンクシステムであって、
【請求項２４】
高圧下での燃料ガス用貯蔵タンクシステムであって、
タンク入口およびタンク出口を有するタンクと、
前記タンクの外部に配置される一以上の熱交換器であって、前記一以上の熱交換器のそれぞれは一以上の入口および出口を備え、前記燃料ガスを前記タンクに補給をする間に、前記補給で前記燃料ガスが圧縮されることにより生じる熱を前記タンクの外部環境に輸送するように前記タンクの前記タンク出口と前記一以上の熱交換器の前記入口とを結合可能な一以上の熱交換器と、
前記タンクの前記タンク入口に接続され、前記タンクの前記タンク入口と前記タンクの中に導かれるべき燃料ガスの供給源との間に接続されるベンチュリ型エジェクタポンプであって、前記ベンチュリ型エジェクタポンプは前記タンクの前記タンク入口へと燃料ガスを導く内部流路を画定し、その内部流路は内部を流れる前記燃料ガスの圧力降下を生じるのど部を有するベンチュリ型エジェクタポンプと、
前記ベンチュリ型エジェクタポンプを介しての燃料ガスの流れの圧力降下により、前記少なくとも一つの熱交換器から前記ポンプへの流れを誘引し、これにより前記少なくとも一つの熱交換器の前記出口から流れでる燃料ガスと、前記タンクの前記入口へ流れ込む燃料ガスとを混合するように、前記一以上の熱交換器の前記出口は前記のど部と隣接して前記ベンチュリ型エジェクタポンプに接合されている貯蔵タンクシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料タンクに貯蔵された高圧ガスを冷却するためのシステムに関し、代表的に、補給ステーションにてタンクに導入される、水素ガス及び圧縮天然ガスに関する。車載高圧タンクの冷却は、ベンチュリポンプ又はその他の機械的ポンプを使用した直接的なガスの放出によって行われ、再充填ガス循環させて、内部の熱を吸収し、吸収された熱を、タンクの外部の環境に移送する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンの駆動に、水素又は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を使用する自動車においては、現在の慣習では、燃料は、車載タンクに格納され、水素に対して約３４，４７５キロパスカル（５，０００ピーエスアイ(ｐｓｉ））、ＣＮＧに対して２４，８２２キロパスカル（３，６００ピーエスアイ(ｐｓｉ)）の範囲の最大圧力に維持される。より高い圧力の範囲、約６８，９５０キロパスカル（１０，０００ピーエスアイ（ｐｓｉ））以上は、（燃料電池のための）水素の使用、及び（内燃機関のための）水素及びＣＮＧの使用がより有力になったときに予想される。本発明者は、タンク内の高圧ガスと自動車のタンクの環境との間の熱エネルギーの差を管理するその場技術(インサイチュー技術)を発展させた。これは、熱交換装置が（熱を吸収及び放射するため）タンクの内部に固定され、（集合的に、熱を放射及び吸収する）外部熱交換器と機能的に相互結合され、タンク内部の高圧ガスの再充填及び排出の順序において使用される。本願明細書において、高圧水素及び高圧ＣＮＧ（圧縮天然ガス）は、いずれも、「ガス」又は「高圧ガス」と称される。水素及びＣＮＧはいずれも高圧ガスであって、これらは、必要的ではないが、代表的には自動車の用途において、本発明において有用である。
【０００３】
水素駆動自動車に搭載される燃料タンクは、水素で充填され、タンク内の加圧搭載ガスは、複数の形態のエネルギーを有するものとして特徴付けられ、１）水素燃料自体に関連した化学的エネルギー（自動車の駆動で消費される）、及び、２）熱力学エネルギー、すなわち、高圧ガス補給貯蔵所での燃料の供給源からタンクに高圧補給される物理学に関連した、機械的、熱的、及び内部エネルギーである。
【０００４】
水素及びＣＮＧを燃料とする自動車に関わる高圧補給の工程中には、タンク圧力が高まり、その他の補給パラメータが再充填に影響するとき、搭載された貯蔵タンクの内部にあるガスは、燃料ガスの圧縮の結果、加熱される。補給後には、タンク内におけるガスの内部温度と、タンク内の圧力とは、両方とも、自動車の運転中に燃料ガスが消費されると、ゆっくりと減少する。従来、補給の間、温度又は圧力の補償なしに、タンク圧力の完全な再充填を得ることは不可能であった。タンクに入力され貯蔵される燃料圧力の充填は、（ガスの圧縮加熱のために）再充填にて、初期に、タンクの設計圧力を越えるに違いない。圧力補償（初期の過充填）がなければ、完全な充填が得られないため、自動車の航続距離は減少する。より高い、最適なタンク設計圧力に遭遇するとき、この状態は悪化する。
【０００５】
解決策として、遅い流量、圧力過充填、及び外部事前冷却が提案されているけれども、前者は、再充填の時間を不都合に延長し、後者の２つは、かなりのエネルギーを必要とし、それにより、水素／ＣＮＧの経済性の全体的な効率を低下させる。タンク圧力が（ＣＮＧに対して）２４，８２２キロパスカル（３，６００ピーエスアイ(ｐｓｉ)）及び３４，４７５キロパスカル（５，０００ピーエスアイ(ｐｓｉ））を越えると、及び（水素に対して）約６８，９５０キロパスカル（１０，０００ピーエスアイ（ｐｓｉ））に近づき又は越えると、完全なタンク容量の充填を達成するために、補給工程における冷却などの二次的処理が重要な要因となる。完全な充填が達成させるとき、１）それぞれのタンク毎の全体的な自動車の航続距離は、それにより、増加し、２）再充填に必要なエネルギー（予備冷却又は圧力過充填など）は減少し、３）時間が節約され、及び、４）全体的な顧客満足度が高まる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、タンクの加熱を最小化し、効率及び車載の燃料貯蔵タンクの補給容量を高め、高圧ガス駆動自動車における、効率及び車載の燃料貯蔵タンクの補給容量を高めることである。本発明のさらに別の目的は、高圧補給中における車載タンクの補給による圧縮熱を除去できるシステムを提供することである。二次的ガス冷却予備処理、及び／又は、圧力過充填を回避することで、迅速な補給時間、補給効率の向上、及び、全体的な自動車の航続距離の延長がもたらされる。単位体積あたりの改良されたタンク容量は、特に、公称再充填圧力が、水素に対して約６８，９５０キロパスカル（１０，０００ピーエスアイ（ｐｓｉ））以上、ＣＮＧに対して２４，８２２キロパスカル（３，６００ピーエスアイ(ｐｓｉ)）の範囲にあるとき、再充填中に達成される。また、本発明の目的は、冷却システムを逆に利用して、運転中に、タンクの圧力が下がると、タンクの内部のガスに熱を提供することである。タンクのガスが加熱されると、タンクから追加的なガスが排出され、自動車運転の航続距離をさらに高めるという利益が得られる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、補給工程中に、タンクの内部から高温ガスを吸い出して、ガスが冷却される熱交換器に高温ガスを導入する回路に、ベンチュリ（又はエジェクタ）ポンプシステムで補給ガスを導入することで、燃料タンクの加熱を効果的に減少できる。冷却されたガスと補給されたガスとは、エジェクタ内にて混合され、両方のガス流れは、自動車の貯蔵タンクの中に導かれる。変形例としては、機械的な循環システムを利用して、補給に関連した余分な熱を、吸収及び排出する回路にガスを流してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
このシステムは、自動車に搭載された構成で冷却を提供するので、その結果、補給ステーションの設備を変更する必要がない。自動車に搭載される冷却機器のコスト及び重量は、高圧燃料自動車に適応させるための重要な要因であるが、それらは低く抑えられる。冷却容量は改善され、連続的な冷却が提供される。熱交換の効率は、１００パーセントに近い。内部熱交換器が存在するとき、熱交換器におけるガス温度は、完全にはタンクのガス温度とは等しくならず、従って、内部熱交換器の効率を１００パーセントより低く低下させる。本願に開示されるガスエジェクタシステムにおいては、ガス流れ冷却回路は、その場装置（インサイチュー装置）又はベンチュリポンプを通り、外部熱ラジエター又はエアコンなどの自動車のサブ冷却システムに相互結合され、それにより、タンク内の熱を集めて、吸収した熱を放射して、大気雰囲気へ又はその他の使用、放射、吸収、又は高圧補給で集めた熱の廃棄に適した系に放射する。逆に利用されると、冷却装置は、自動車の運転中にタンクのガスを加熱し、再充填されたガスの利用を増加させる。
【０００９】
本発明は、図面から見た、好ましい実施形態の以下の説明において、より完全に説明される。特定の図面の文脈から明白なように、図面は、一般的に断面図において示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】燃料貯蔵タンクの片端にポンプを備えた、エジェクタ（ベンチュリ）ポンプ冷却システムであって、ガスが外部ラジエターを通って流れる例を示している。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムにおいて利用される、埋設バルブガス流れシステムを示している。
【図２Ａ】本発明の実施形態であって、エジェクタポンプガス流れシステムが、再充填貯蔵所からのガス流れのための回路に相互結合され、（１）その場（インサイチュー）熱交換装置（ＨＥＸ）と、（２）第１の外部ＨＥＸと、（３）第２のＨＥＸとを利用している。
【図２Ｂ】その場（インサイチュー）装置と外部ＨＥＸとを利用した、追加的なベンチュリポンプ循環システムを示している。
【図２Ｃ】本発明の実施形態であって、図２Ａに示した実施形態と比較して、自己駆動のエジェクタポンプに代えて、駆動ポンプが利用されている。
【図３Ａ】本発明のシステムであって、ガス流れ回路は、メイン又はサブの自動車冷却システムに、又は循環ガスによって吸収される熱の排出のためのＨＥＸに、熱的に相互結合されている。
【図３Ｂ】自動車サブシステムの冷却ＨＥＸ、又はメイン自動車動力プラント冷却システムＨＥＸをループする、ガス冷却回路の相互結合をさらに詳しく示している。
【図３Ｃ】自動車の制御システムであって、自動車の運転中に、ガス流れ要素における温度及び圧力を監視し及び調整する制御システムを示している。
【図３Ｄ】変形例の構成によるＨＥＸ装置であって、自動車の冷却システム又はサブシステムに相互結合されている。
【図４Ａ】エジェクタポンプの循環装置を利用した本発明の実施形態を図示しており、（１）熱移送のためのその場（インサイチュー）タンクＨＥＸと、（２）第１のＨＥＸと、（３）第２のＨＥＸ装置とを備え、特に、ガス流れ回路におけるタンクバルブと圧力調整装置の構成を示し、タンクが再充填される状態を示している。
【図４Ｂ】エジェクタポンプの循環装置を利用した本発明の実施形態を図示しており、（１）熱移送のためのその場（インサイチュー）タンクＨＥＸと、（２）第１のＨＥＸと、（３）第２のＨＥＸ装置とを備え、特に、ガス流れ回路におけるタンクバルブと圧力調整装置の構成を示し、運転中を示している。
【図４Ｃ】エジェクタポンプの循環装置を利用した本発明の実施形態を図示しており、（１）熱移送のためのその場（インサイチュー）タンクＨＥＸと、（２）第１のＨＥＸと、（３）第２のＨＥＸ装置とを備え、特に、ガス流れ回路におけるタンクバルブと圧力調整装置の構成を示し、自動車が駐車中を示している。
【図５Ａ】自動車のフレーム要素を利用する熱移送システムを示す。
【図５Ｂ】図５Ａに示したフレーム要素における５Ｂ―５Ｂを通る断面図を示している。
【図５Ｃ】フレーム要素に適応させた変形例による流れ導管を示した側面図を示している。
【図５Ｄ】タンクの支持フレームとタンクのその場（インサイチュー）装置とに相互結合されたヒートパイプを示している。
【図５Ｅ】フレーム部材に埋設されたガス流れ導管を示した側面図を示している。
【図５Ｆ】図５Ｅに示した部材の断面図を示している。
【図５Ｇ】フレーム部材に埋設されたガス流れ導管であって、ナフタリンなどの溶融／固化熱移送媒体を有するものを示している。
【図５Ｈ】ガス流れ及び冷媒流れ導管を埋設されて有する、自動車のフレーム部材を示した断面図を示している。
【図６Ａ】ガス流れ熱交換器とガス流れループ及びシステム及びサブシステムＨＥＸ装置との相互結合を示している。
【図６Ｂ】温度及び圧力モニタ並びにバルブ及びポンプシステムと相互結合された、自動車制御システムを示している。
【図７Ａ】ヒータ／クーラ及びガス流れＨＥＸシステムに相互結合された、メイン及びサブの自動車冷却システムを示した模式図である。
【図７Ｂ】図７Ａのシステムにおける、ガス流れ熱交換器と、ガス流れループ及びシステム及びサブシステムＨＥＸ装置との相互結合を示している。
【図７Ｃ】図７Ａのシステムと相互結合される、自動車制御システムを示している。
【図８Ａ】自動車の“暖かい”装置から、逆に熱を運ぶために利用される、タンクのその場（インサイチュー）ＨＥＸであって、タンクの内部のその場（インサイチュー）ＨＥＸへ直接移送において、ガスタンクに熱を提供する。
【図８Ｂ】タンクの内部のその場（インサイチュー）ＨＥＸで熱が吸収されるならば、自動車の冷却システム、又はヒートシンクに移送され、熱が放射される結合を示している。
【図８Ｃ】自動車の“暖かい”装置から、逆に熱を運ぶために利用される、タンクのその場（インサイチュー）ＨＥＸであって、タンクのガスを間接的に移送し、熱源に関連したＨＥＸが、その場ＨＥＸと、熱源との間に介装されている。
【図８Ｄ】自動車の冷却源、又はヒートシンクであって、補助ＨＥＸを介してその場（インサイチュー）装置に間接的に結合されている。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、高圧ガス（水素及びＣＮＧ）で駆動される自動車の補給エネルギー効率を増加させるもので、そのために、自動車に搭載されたタンクに導入される高圧ガスから再充填されるタンクによる圧縮熱を回収し、及び、遅い充填、圧力過充填、及び／又は、補給ステーションでのガスの予備冷却の必要性を解消する。自動車のための全体的な高圧ガスインフラのエネルギー要求条件は減少し、タンクの容量が拡張されたとき、自動車の航続距離の範囲は増加し、短い間隔で再充填する必要は減少し、自動車の重量及びコストが減少し、顧客の満足度が高まる。
【００１２】
図１Ａを参照すると、例示的な冷却システムは、エジェクタポンプを使用しており、これを片方の端部キャップ又はポート組立体１１に固定させ、内部ガス貯蔵体積１２を有する燃料貯蔵タンク１０における合致する要素１１ａ及び１１ｂから構成されている。エジェクタポンプ３は、キャップ組立体に据え付けられ、再充填貯蔵所のレセプタクル１から、システムの内部に、ガス流れ回路１００を提供している。燃料貯蔵所のレセプタクル１は、再充填中に、自動車のタンクにガス流れを入れる制御に相互結合され、システムがすべての別の時に、別の具合に閉じられるのを保証する。自動車におけるマスターガス流れ導管システムは、符号１００にて示すように、補給入口からエジェクタポンプを通り、熱交換器を通り、タンクに至る。再充填では、矢印「→」で示された、再充填貯蔵所からのガス流れが、入口４を通して、タンク体積１２に入る。ガスは、エジェクタポンプ３の中に導入され、タンクガス流れ出口５を通して、タンクの内部から導入された、高温ガスを吸い出す。エジェクタポンプ３は、入口３ａからガス流れを提供するように構成され、これにより、ジェットチャンバ３ｄは、入口３ａにつながった、ノズル３ｃに続く。ポンプののど部３ｅは、ポンプからガスを導入し、タンク内のガス流れ導管４を通してタンクの内部に導くように配置されている。ポンプへのガス流れの吸引入口は、符号３ｂにて示している。ガス流れは、外部ラジエター又は熱交換器（ＨＥＸ）７の入口６に相互結合され、ＨＥＸの出口８を通過して、エジェクタポンプの吸引入口３ｂに戻り、タンク入口４を通して、タンクの内部１２へ流れる。ガス流れを動力プラントに導くガス出口は、自動車の運転中には、バルブＶ１にて示され、これは、圧力調整装置ＰＲ１を通って、動力プラントへつながる。熱交換器からの熱の排出は、矢印「→」によって示される。高圧再充填によって生じる圧縮熱は、それにより、ガス自体によって吸収され、ループ１００の内部を循環し、冷却／補給回路から外部環境へ、ＨＥＸ７を介して放射され、最適に近いタンクの再充填が達成され、遅い充填、予備冷却、又は圧力過充填は必要ない。図１Ｂにおいて、図１Ａの実施形態における端部キャップに埋設された、制御バルブ及び調整装置は、組立体ＥＶ１及びＥＶ２にて示される。ＥＶ１は、さらに詳しく示され、チェックバルブ又は一方弁を具備し、タンク内部のガス流れ入口ＧＦ１につながっている。バルブ及び調整装置組立体ＥＶ２は、２方向切替バルブＶ２２と、圧力調整装置ＰＲ３０とを具備し、タンク内部にあるガス流れ開口部ＧＦ２及びＧＦ３と、タンク外部にある開口部ＧＦ４とにつながる。熱交換器７は、ガス流れ回路内に示され、ＧＦ４を通して、タンクからガスを受けて、開口部ＧＦ５を通して、冷却されたガスを、エジェクタポンプの吸引入口３ｂの中に導入する。
【００１３】
図２Ａにおいて、端部キャップ、タンクポート、又はボス組立体は、タンクにおけるそれぞれの反対側の端部２０及び２１に適応するように構成され、再充填貯蔵所１から導入されたガスは、ループ内を循環し、タンクの内部に据え付けられたその場（インサイチュー）装置２００を通り、第１の熱交換器２０１を通り、エジェクタポンプの入口３ａに入り、タンクを通してエジェクタ出力３ｅからタンクを通して循環し、次に、第２の外部熱交換器２０２を通り、その後に、エジェクタポンプの吸引入口３ｂに導入され、タンクの中に送られる。エジェクタポンプは、符号３にて示される。図２Ｂにおいて、ポート組立体は、タンクにおけるそれぞれの反対側端部２０及び２１に同様に適応するように構成され、再充填貯蔵所１から導入されるガスは、ループ内を循環し、その場（インサイチュー）装置２００と、第１の熱交換器２０１と、第２の外部熱交換器２０２を通り、その後に、循環ループの端部にて、タンクの中に導入される。この例においては、ガス流れ２１０は、ガスポンプに相互結合された高圧ガスのタービン流れによって機械的に駆動され、それは、電気的に駆動されるポンプ、又は、別の方法で自動車の動力プラントに機械的に相互結合されるポンプによる、図２Ａ及び図２Ｂの両方において、ガス流れは、矢印「→」によって示される。
【００１４】
図３Ａは、ＨＥＸループ１及びＨＥＸループ２を通るその場（インサイチュー）装置を通過する、ガス流れ熱交換器ループの配置を示しており、タンクを通過するガスのための補助冷却システムと、熱が所定位置で消散する外部熱交換器又はラジエター３５において、ガス流れ導管に入れる循環ポンプとが設けられる。ラジエター３５は、ＨＥＸ回路結合部３６及び３７を通る、メイン又はサブの自動車冷却システムに熱的に相互結合されることで、さらに冷却される。図３Ｂは、ラジエター３５を通過する、ＨＥＸループ１及びＨＥＸループ２の相互結合を示しており、これは、さらに、ＨＥＸループ３と、自動車の動力プラントのメイン又はサブシステムの冷却ループとに熱的に相互結合される。ラジエター３５は、冷却ファン３６と熱的に相互結合される。バルブ／調整装置Ｖ３１と、バルブ／調整装置Ｖ３２と、ポンプＰ３３とは、ラジエター３７及びファン３８を含む、メイン自動車熱システムを制御する。図３Ｂのシステムの動作は、図３に示すように、設計パラメータに従って、メイン自動車制御システムと相互結合され又は一体化された、様々なループ及びシステムの温度及び圧力を監視することで制御される。図３Ｄに示した例では、再充填ノズル１からのガスの流入は、直接、タンク体積１２の中に入り、ポンプ４０によって、タンクの内部の端部キャップ２０及び２１の箇所にある、ＧＦ１及びＧＦ４を通して、ガスＨＥＸループ１１を循環する。第２のＨＥＸループ１２は、冷媒媒体を運び、その場（インサイチュー）装置３８及び外部ラジエター３９に通して、追加的な熱交換を提供する。ＨＥＸループ１１及びＨＥＸループ１２は、ラジエター３５を通して循環し、入口／出口３６及び３７を介して、メイン又はサブの自動車熱管理システムに相互結合される。上述したように、それぞれのＨＥＸループには、別々のＨＥＸ装置が利用される。
【００１５】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、自動車の用途における、それぞれのモード、すなわち、再充填中、運転中、及び駐車中を示している。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのそれぞれにおいて、バルブ／ガス流れ切替及び圧力調整システムは、ＥＶ２０及びＥＶ２１にて示すように、それぞれの端部ポート組立体２０及び２１に埋設されている。その場（インサイチュー）熱交換器２００と、エジェクタポンプ３とその構成要素、ノズル、のど部、及び出口については、図１Ａから明らかである。再充填入口システム１は、図１Ａに示した同様な要素と同様な参照符号を付されている。別々の外部熱交換器ＨＥＸ１及びＨＥＸ２は、符号２０１及び２０２にて示され、それぞれのガス流れ回路における入口／出口は、図面から自明である。
【００１６】
上述した図面においては、従来のラジエター要素として図示しているけれども、上述の例において利用される熱交換器は、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅ、及び図５Ｆに示した、自動車のサブフレーム冷却システムで補助し又は置き換えてもよい。図５Ａは、循環ガス流れ冷却ライン回路６０３であって、タンクサブフレームのまわりでガスを循環させるための、タンク６０１を取り囲む、自動車フレーム要素６０２の内部に配置されている。フレーム冷却媒体は、代表的には空気であり、フレーム入口６１５に受けられ、出口を通って排出され、これは、ファン６３５又はその他のアクティブな手段を具備し、ライン６０３のガスから熱を除去する。閉ループの冷却回路では、連続的な回路内における燃料タンク循環システムから入口及び出口を通るガス流れにおいて、“ガス流れ入力”６１０は、熱交換器入口結合部６（図１Ａ）と合致しており、フレームラジエター６２０からの“ガス流れ出力”は、熱交換器結合部８（図１Ｂ）と合致しており、ガスはタンクのガス循環回路に戻る。（流れがいずれの方向であるのかを指示することを除き、“入力”及び“出力”は、ガス流れがＨＥＸに結合される、回路の端部結合部を指示している。流れの方向は重要でない。）導管ライン６０３からの熱は、オプションとして、ファン６３５によって駆動されるフレーム内の空気循環によって外部へ放射される。空気流れシステムがないときには、フレーム本体自体が、熱を放射又は吸収するためのヒートシンクとして利用される。循環ガス流れ回路管６０３は、押出成形又はモールド成形された内部導管として形成されるけれども、好ましくは、管が、サブフレーム組立体の内部の、上部の、又は別な具合の構成要素であるのかにかかわらず、ガス循環管は、分離した管であって、フレーム組立体の内部に挿入され、フレーム組立体は、ステンレス鋼合金ＳＵＳ、銅、又はアルミニウムなどの高熱伝導率で高強度の材料から形成される。図５Ｂ及び図５Ｃはそれぞれ、フレーム６０２におけるガス流れ管６０３の変形例による構成を示した、横断面図と、側面図である。図５Ｄに示した例では、タンク６０１内に組み立てられた内部ＨＥＸ装置と相互結合されたヒートパイプ６９０を示しており、自動車のフレーム要素６０２に熱を伝達し、それにより、ヒートシンクとして利用される。図５Ｅ及び図５Ｆは、それぞれ、長手断面図及び正面断面図において、例を示しており、ガス循環管６０３は、自動車フレーム６０２内のキャビティ６０３ａの内部に据え付けられ、ラジエターフィン６９０（図５Ｅ）及び６８０（図５Ｆ）はそれぞれ、フレーム部分を横断し、フレーム部分と共に長手方向に延びている。図５Ｇは、ガス流れ導管６０３を備えたサブフレーム組立体７００を示した断面図であって、ナフタリンなど、温度及び熱吸収に依存して、物理相を変化させる、溶融／固化媒体７１０を具備し、本発明に関連して使用される全体的な熱交換システムの要素として、フレーム部分の内部に詰め込まれている。図５Ｈにおいて、補助的な冷却導管７１１及び７１２は、補助冷却器からフレーム要素６０２のサブシステムに冷却流体を運び、導管６０３が据え付けられる。
【００１７】
図６Ａを参照すると、冷却管理システムは、７０メガパスカルのタンク用で、熱移送の別々の要素、すなわち、１）ガスが再充填ノズルからタンクを通して第１の冷却ＨＥＸループ６３を循環して、ガスがその場（インサイチュー）熱吸収媒体６１を通過するときのガス中の熱の吸収、及び、２）ガスがポンプ又はその他の装置６２によって、タンクを通って第２の冷却ＨＥＸループ６４を循環するときの、ガス自体の熱吸収体としての特性の利用、を備えている。第１のＨＥＸループ６３と第２のＨＥＸループ６４とは、別々に又は連結して、自動車６５、システムＨＥＸ１における、ラジエター又はその他の熱吸収システムに相互結合され、これは、さらに、メイン自動車動力プラントシステム６６、システムＨＥＸ２に相互結合されている。様々な順列及び組合せによる、ガスＨＥＸループ及びシステムＨＥＸループの上述した熱の相互結合が可能である。図６Ｂにおいて、温度及び圧力であって、（１）タンク内の、圧力（タンク）、及び温度（タンク）、（２）第１のＨＥＸループ内の、圧力（ループ１）、及び温度（ループ１）、（３）第２のＨＥＸループ内の、圧力（ループ２）、及び温度（ループ２）、（４）サブシステム内の、圧力（サブシステム）、温度（サブシステム）、及び、メイン冷却システム内の、圧力（メイン）、及び温度（メイン）が、監視され、様々な制御ポンプＰ（１−Ｎ）及びバルブＶ（１−Ｎ）が、検出された様々なパラメータに応じて、及び、所望に、例えば、自動車のモード、再充填、減圧、運転、及び駐車、大気温度、タンク圧力、ガスの体積流れなどに応じて、自動車制御システム６７によって制御される。
【００１８】
さらに別の例においては、冷却サブシステムとして、自動車のエアコンが利用され、例えば、図３Ａを参照すると、エアコンの冷却ループは、ＨＥＸ３５における導管３６及び３７と熱的に相互結合され、これは、その場（インサイチュー）装置及びガス循環ポンプシステムから熱を受け取る。同様に、エアコンによって既に冷却された熱質量、例えば、水リザーバ、冷媒、又は、フレーム要素をヒートシンクとして利用して、図５Ａ乃至図５Ｈに示した方法で、相互結合されたガスの間接的な冷却のために用いる。図３Ｄのシステムに適応した別の例においては、エアコンの冷却器を利用し、冷却された空気の調質流体自体が、その場（インサイチュー）装置４１の内部を循環し、例えば、入口／出口４４及び４５からエアコンの流体循環によって冷却された、別々のＨＥＸ（図示）によって、直接的に又は間接的に、冷却される。また、ハイブリッドの周辺空気とエアコンシステムとを加えて使用し、周辺空気の熱交換器４２は、循環する流体を予備冷却し、その後に、流体は、Ａ／Ｃサブシステムに入る。同様に、自動車のボディー又はサブフレームは、冷却質量として利用でき、上述したＡ／Ｃシステムと同様に、タンクの冷却回路に相互結合される（図５Ａ乃至図５Ｈ参照）。
【００１９】
熱交換器は、ラジエターの形態であり、フィン、ピン、プレート、波形ラジエター、メッシュ、ひだ状要素、又はその他の類似の装置を具備し、高い伝熱率と、単位体積又は単位重量あたり大きな表面積とを有し、熱吸収及び熱放射に関して、最大の熱効率が得られるものである。ヒートシンク及びラジエターは、それぞれ、捕らえた熱を移送するための流体導管システムに関連して、機能的に配置されている。エネルギーのエントロピーの流れは、高温（タンク内）から低温（ラジエター外部）に向かう。例において、ヒートシンク又はラジエターで取り囲まれた、導管システム内の流体流れは、連続的な流体ループにおいて、ガスが熱を捕らえる高温タンクの内部から、導管流体が冷却されるラジエターへ向かい、熱吸収／熱放射サイクルを新規に始めるために、タンクの内部へ戻る。
【００２０】
ファン又は送風器は、熱交換器に関して機能的に配置され、ラジエターの容量、ヒートシンク及びラジエターへの熱移動速度、移送される熱の温度、ラジエターで有効なファン又は送風器の容量（立方フィート／分（ｃｆｍ））、外部環境の温度などの要因に依存する。ファン及び又はポンプのための制御システムは、前述した要因を相互に関連付けて、適当なファン及び又はポンプ速度、オンオフタイミングなどを決定するように構成されている。
【００２１】
システムは、複数のタンクに適応可能であり、適切に相互機能するように自動車の制御システムと相互結合され、選択可能又は制御可能な入口バルブと、選択可能又は制御可能な出口バルブとをタンクと、冷媒システムとのために、制御手段、論理回路、又は自動車のＣＰＵを提供する。また、自動車の制御システムは、圧力及び／又は温度、又はその他の検出手段であって、タンク又はタンクの入口及び出口のライン、冷却流体循環ライン、及び流体ポンプに関連したものを監視し、それに従って、自動車制御ＣＰＵと連絡するように適合している。特定の自動車制御構造及びパラメータ、及び、センサ、バルブ位置、及びシステムは、本発明の原理に従って、好ましくは、自動車全体の設計事項である。例えば、圧力、温度、及びその他のセンサ及び制御は、タンクを監視し、及び／又は、ライン圧力及び温度を監視するために設けられ、流体流れ、ファン速度及び持続時間、及びその他のパラメータであって、エジェクタポンプ及び自動車タンク又はバルブシステムの適切な動作プロトコルに関連したものを、自動車の運転における加圧燃料の再充填及び消費のために、スタートさせ、ストップさせ、及び調整する。追加的な利益として、利用されるＨＥＸ装置は、逆に動作でき、例えば、運転中に、格納されたガスの減圧が、タンクのガス温度を下げるときに使用される。図７Ａに示すように、ヒータ／クーラ７５は、ＨＥＸシステム及び／又は動力プラントの要素であり、エアコンの熱排出は、直接的又は間接的な加熱ループにおいて利用され、自動車の運転中にガスを暖め、残留ガスが冷えて暖められない状況と比べて、タンク内のガスがより完全に蒸発するので、追加的な自動車の航続距離の延長を提供する。
【００２２】
図８Ａは、動力プラントからの熱、エアコン排気からの熱、補助ヒータからの熱、及びフレーム又はサブフレーム部材からの熱を示しており、例えば、ヒートパイプ（図５Ｄ）、又はこの図面に示したような、熱的に伝導性の流体回路などの直接結合を介して、タンク１０の内部にあるその場（インサイチュー）装置７１に移送される。図８Ｂにおいては、冷媒システムは、その場（インサイチュー）装置７１と相互結合されている。図８Ｃに示した構成においては、熱は、動力プラント、エアコン排出、補助ヒータ、又はフレーム又はサブフレーム部材及びタンク１０の内部のその場（インサイチュー）装置７１との間に介装された、補助ＨＥＸ３０を通して、間接的にタンク内のガスに移送され、また、図８Ｄは、逆の構成を示しており、その場（インサイチュー）装置が、中間的ＨＥＸ装置８０を通して、自動車の冷却源へ熱的に結合されている。従って、熱移送のためのシステムは、冷却のためにタンク内の熱を吸収するか、暖めるためにタンク内に熱を放射するか、ガスを暖めるためにタンクに外部源から熱を吸収するか、又は、ガスの冷却のためにタンクに外部源から熱を放射するかは、本質的に機能が交換可能で、設計限界内で構造的な目的において同様である。熱的な吸収体、ナフタリンなどは、ヒータ及び冷却装置の両方において、加熱冷却媒体になる。熱移送は、ヒートパイプのガス又は流体流れ導管回路によって達成される。その他の熱移送システム及び装置も、同様に、本発明で使用するために適応できる。
【００２３】
例として上述した実施形態を参照すると、高圧貯蔵タンクの補給による圧縮熱が、タンクの内部から排出され、タンクの内部を循環するガスが、エジェクタポンプを通過し、エジェクタポンプは、ガスが高圧補給貯蔵所から貯蔵タンクへ移動するときに、補給ガスの機械的エネルギーによって駆動され、循環するガスは、補給熱を吸収し、熱を冷却システムに運び、その後で、ガスは貯蔵のためにタンクに導入される、反対の熱管理が生じて、ガスが加熱されて運転中に良好なタンクの蒸発が得られる装置が提供される。
【００２４】
本願で開示したすべての例において、補給の状態中には、それぞれのタンクの出口バルブは閉じられると仮定され、消費の瞬間中には、それぞれのタンクの入口バルブは閉じられ、冷却流体は対応して循環され、自動車の動作システムによって、代表的な方法で監視されて制御される。自動車に搭載されたタンクシステムは、複数の搭載タンクを具備し、充填の順番を有し、すべてのタンクが並列的に同時に充填され、又はすべてのタンクが別々に直列に本質的に１つずつの順番で充填される。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
自動車のエンジンを駆動する燃料として、水素又は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を使用する自動車は、燃料ガスのために、高圧貯蔵タンクを要求されることが予測され、ＣＮＧに対して２４，８２２キロパスカル（３，６００ピーエスアイ(ｐｓｉ)）を越え、水素については、６８，９５０キロパスカル（１０，０００ピーエスアイ（ｐｓｉ））以上の範囲が用いられる。再充填中の圧縮段階における高圧ガスのエネルギー特性のために、及び消費中の減圧（タンクの排出）のために、補給中に温度又は圧力を補償せずに、完全な再充填タンク圧力を得ることは、従来は不可能であった。様々な二次的な処理が提案された。
【００２６】
本発明は、タンクの加熱を最小化し、搭載された燃料貯蔵タンクの効率及び補給容量を増加させ、高圧補給中に搭載タンクの補給から生じる圧縮熱を除去できるシステムを提供する。その場（インサイチュー）熱交換器と外部熱交換器とを利用することで、本発明によれば、二次的なガス冷却予備処理、及び／又は、圧力過充填を解消し、補給時間をより速くし、補給効率を高め、全体的な自動車の航続距離を延長する。熱交換システムが逆に利用されるとき、さらなる利益が実現され、タンクの内部のガスは、自動車の運転中に、さもなくば、タンクが冷却されてタンクの圧力を下げるところ、加熱される。タンクのガスが加熱されると、タンクから追加的なガスが排出されて、自動車の運転の航続距離をさらに増やし、短い間隔で再充填する必要性を低くする。
【００２７】
車載システムを提供するには、本発明では、補給ステーションの設備を変更する必要がない。車載のガス冷却機器におけるコスト及び重量は減少し、冷却容量は改善され、連続的な冷却が提供され、及び、熱交換効率は１００パーセントに近づく。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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