(57)【要約】貯蔵タンクから低温流体を供給する中圧または高圧ポンプ・システム、および排気の回数を少なくする目的で、貯蔵タンクから液体と蒸気の両方を除去するために上記システムを作動するための方法。システムは、低温液体または低温液体と蒸気の混合物を汲み上げるために動作することができるポンプを備える。上記方法によれば、ポンプを通る質量流量を、少なくとも２つの動作モードのうちの一方を選択することにより制御することができる。第１の動作モードの場合、ポンプ内の圧縮チャンバを液体でほぼ満たすために、貯蔵タンクからポンプに低温液体を供給することにより速い流速が達成される。第２の動作モードの場合、貯蔵タンクからポンプへ同時に液体と蒸気を選択的に供給することにより低い質量流量が達成される。この場合には、第２の動作モードの蒸気の割合は、第１の動作モードの蒸気の割合より多い。ポンプは、好適には、少なくとも２つのチャンバを備えるインデューサと、余分な流体を貯蔵タンクに戻す代わりに、インデューサ内の過度の流体を循環するための手段とを備えることが好ましい。往復ポンプは、好適には、流体が拡張および戻り行程中の両方で、ポンプから流体が排出されるような複動タイプであることが好ましい。
2005504927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温流体をポンプにより供給し、質量流量を制御するための、低温システムを動作するための方法であって、同システムが、低温液体または低温液体と蒸気の混合物を汲み上げるために動作することができるポンプを備え、それにより、同システムが、貯蔵タンクから前記ポンプへ低温蒸気および／または液体を供給する場合に、前記方法が、
（ａ）高い質量流量を達成する目的で、圧縮チャンバを液体でほぼ満たすために、前記ポンプへ低温液体を供給する第１の動作モードを選択する工程と、
（ｂ）前記ポンプへ同時に液体と蒸気とを選択的に供給することにより、前記第１の動作モードより低い質量流量を達成するために第２の動作モードを選択する工程とを含み、前記第２の動作モードの蒸気の割合が、前記第１の動作モードの蒸気の割合より多い方法。
【請求項２】
前記方法が、燃料をエンジンにポンプにより供給するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ｃ）前記ポンプからアキュムレータ容器に燃料を供給することにより、前記エンジンに高圧燃料を安定供給し、かつ、前記アキュムレータ容器内を所定の範囲内の圧力に維持すべく質量流量を制御するために、前記動作モードを選択する工程をさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記アキュムレータ容器内の圧力が前記所定の範囲内にある場合に、前記貯蔵タンク内の蒸気圧が所定の値よりも高い場合、前記ポンプに供給される蒸気の割合を増大するために前記システムを制御することができる請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ポンプの第１の端部と連結する入口を介して、前記ポンプ内に流体を導入し、前記第１の端部に対向している第２の端部と連結する出口を介して、前記ポンプから流体を排出する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の動作モードを選択した場合に、前記ポンプに供給される蒸気の割合が、前記タンクと前記ポンプとの間の導管を通る蒸気の流れを制限することにより、所定の最大蒸気の割合より低く維持される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記システムが、前記タンクと前記ポンプとの間の導管を通る蒸気の流量を制限するためのオリフィスを備える請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記システムが、前記タンクと前記ポンプとの間の導管を通る蒸気の流量を制御するための絞り弁を備える請求項６に記載の方法。
【請求項９】
（ｃ）測定した動作条件に応答して前記導管を通る蒸気の量を制御すべく、前記絞り弁の設定を変更するために動作することができる電子制御機をプログラムする工程をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記測定した動作条件が前記ポンプの下流の流体圧力からなる請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の動作モードが選択された場合、前記方法が、
（ｃ）蒸気が前記貯蔵タンクのアレージ空間から前記ポンプに供給されるのを防止するために弁を閉じる工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
（ｃ）線形油圧モータを使用することにより前記ポンプがほぼ一定の速度で動作する工程
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ポンプが１分間当たり５乃至３０サイクルの速度で動作することができる請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
動作のために前記ポンプを準備するための冷却手順をさらに含み、同手順が、
（ａ）前記タンクから前記ポンプ内に低温液体を導入する工程と、
（ｂ）前記ポンプ内で発生した蒸気を前記タンクに戻し、それにより前記タンク内の圧力が増大する工程と、
（ｃ）前記タンク内の増大した圧力を使用して、前記タンクから前記ポンプ内により多くの低温液体を強制的に供給する工程と、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
（ｃ）前記ポンプが、前記第１または第２の動作モードのうちの一方で、低温液体および蒸気を汲み上げるために動作することができる所定の低温動作温度に冷却された場合、前記タンクに蒸気が戻るのを防止する工程をさらに含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
低温流体をポンプで供給するための低温システムを動作するための方法であって、同システムが、低温流体を圧縮するための少なくとも３つのチャンバを有する多段ポンプを備え、第１のチャンバおよび第２のチャンバが、それぞれ、第３のチャンバよりも大きい容量を有し、前記方法が、
（ａ）低温流体が入口を介して前記第１のチャンバ内に流れるべく、前記ポンプに、低温液体または低温液体と蒸気の混合物、を選択的に供給する工程と、
（ｂ）前記第１のチャンバ内の低温蒸気を圧縮し凝縮し、低温液体を圧縮し、低温流体を前記第１のチャンバから前記第２のチャンバに移送する工程と、
（ｃ）前記第２のチャンバ内の低温流体を圧縮し、前記第３のチャンバが満たされるまで、前記低温流体を第２のチャンバから第３のチャンバに移送し、次に、第２のチャンバ内に残っている低温流体を第１のチャンバに移送する工程と、
（ｄ）前記第３のチャンバ内の低温流体を圧縮し、出口ポートを介して前記第３のチャンバから圧縮した低温流体を排出する工程と、を含む方法。
【請求項１７】
（ｅ）前記第２のチャンバから前記第１のチャンバへの低温流体の戻りを制御すべく、圧力作動安全弁を使用する工程を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
（ｅ）前記ポンプからアキュムレータに前記流体を供給し、前記アキュムレータ内の圧力が所定の値以下に下がった場合に、前記ポンプに低温液体だけを選択的に導入する工程をさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２のチャンバから前記第３のチャンバに移送された前記流体のほぼ全部が低温液体になるべく、ガスおよび蒸気のうちの少なくとも一方が前記第１および第２のチャンバ内で凝縮される請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
暖かい低温ポンプの冷却を加速するための手順をさらに含み、同手順が、
（ａ）貯蔵タンクから前記ポンプに低温液体を供給する工程と、
（ｂ）前記ポンプ内で発生した蒸気を前記貯蔵タンクの蒸気空間に導き、それにより前記貯蔵タンク内の圧力を増大する工程と、
（ｃ）前記貯蔵タンク内の前記増大した圧力を使用して、前記貯蔵タンクから前記ポンプ内により多くの低温液体を供給することにより前記ポンプを冷却する工程と、を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記ポンプを前記貯蔵タンクの外部に設置することができる請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
低温貯蔵タンクから流体をポンプで供給するために往復ポンプを動作するための方法であって、同ポンプが前記流体を圧縮するための少なくとも３つのチャンバを備え、前記チャンバが往復ピストン・アセンブリにより分割され、前記方法が、
（ａ）戻り行程中に、ピストンを引き戻し、それにより、
前記ポンプの第１のチャンバの容量を増大し、前記第１のチャンバ内に、前記貯蔵タンクから供給された低温液体または低温蒸気と液体の混合物を選択的に導入する工程と、
前記ポンプの第２のチャンバの容量を低減して、前記第２のチャンバ内で低温流体を圧縮し、前記第３のチャンバが満杯になるまで、低温流体を前記第２のチャンバから前記第３のチャンバへ移送し、次に、前記戻り行程が終了するまで、低温流体を前記第２のチャンバから前記第１のチャンバに戻す工程と、
前記ポンプの第３のチャンバの容量を増大して、前記第３のチャンバが満杯になるまで、前記第２のチャンバから前記第３のチャンバに低温流体を収容する工程と、
（ｂ）拡張ストローク行程中に、前記ピストンを延ばし、それにより、
前記第１のチャンバの容量を低減し、前記第１のチャンバ内で低温流体を圧縮し、前記第１のチャンバ内の低温流体を前記第２のチャンバに移送する工程と、
前記第２のチャンバの容量を増大し、流体を前記第１のチャンバから前記第２のチャンバに導入する工程と、
前記第３のチャンバの容量を低減し、前記第３のチャンバ内で流体を圧縮して、前記第３のチャンバから出口を介して低温流体を排出する工程と、を含む方法。
【請求項２３】
前記拡張行程の終わりに、前記第２のチャンバの容量が、前記ピストンが戻り行程の終わりに位置している場合に、前記第３のチャンバの容量の約４乃至１０倍になる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記戻り行程の終わりにおける前記第１のチャンバの容量が、前記拡張行程の終わりにおける前記第２のチャンバの容量にほぼ等しい請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記拡張行程の終わりにおいて、前記第３のチャンバの容量がほぼゼロになる請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
低温貯蔵タンクのサンプ（ｓｕｍｐ）から低温流体をポンプで供給するために往復ポンプを作動するための方法であって、前記ポンプが、往復ピストン・アセンブリにより分割される少なくとも２つのチャンバをからなり、前記方法が、
（ａ）戻り行程中に、
前記ポンプの第１の圧縮チャンバの容量を増大し、前記第１の圧縮チャンバ内に、前記貯蔵タンクから供給された低温流体を導入する工程と、
前記ポンプの第２の圧縮チャンバの容量を低減し、それにより前記第２の圧縮チャンバ内で流体を圧縮し、前記第２の圧縮チャンバおよび前記ポンプから圧縮流体を排出する工程と、
（ｂ）拡張行程中に、
前記第１の圧縮チャンバの容量を低減し、前記第１の圧縮チャンバ内の流体を前記第２の圧縮チャンバに移送する工程と、
前記第２の圧縮チャンバの容量を増大し、低温流体を前記第１の圧縮チャンバから前記第２の圧縮チャンバ内に導入する工程とを含み、前記拡張行程の終わりにおける前記第２の圧縮チャンバの容量が、前記戻り行程の終わりにおける前記第１の圧縮チャンバの容量よりも小さく、そのため、前記第２の圧縮チャンバの容量が、前記第１の圧縮チャンバから前記第２の圧縮チャンバ内に流入する流体により満たされた場合に、前記第１のチャンバ内に残っている流体の前記第２のチャンバ内への移送の代わりに、圧縮された低温流体が、前記第２の圧縮チャンバおよび前記ポンプから排出される方法。
【請求項２７】
前記拡張行程の終わりにおける前記第２の圧縮チャンバの容量が、前記戻り行程の終わりにおける前記第１の圧縮チャンバの容量の約半分より少ないかまたは等しい請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１および第２のチャンバの相対的サイズが、ほぼ等しい量の流体が前記戻りおよび拡張行程中に排出されるサイズである請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記低温流体を前記第１の圧縮チャンバ内に導入する前に、インデューサ段階で低温蒸気を凝縮する工程をさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
貯蔵タンクから低温流体をポンプで供給するシステムであって、
（ａ）吸込入口および排出出口を備える往復ポンプと、
（ｂ）前記貯蔵タンク内で前記吸込入口を液体のために流体接続している第１のパイプと、
（ｃ）前記貯蔵タンク内で前記吸込入口を蒸気のために流体接続している第２のパイプと、
（ｄ）液体と蒸気の混合物を前記貯蔵タンクから前記吸込入口に供給すべく、前記第２のパイプを通る流れを制限するための第２のパイプ内の絞りと、を備えるシステム。
【請求項３１】
前記ポンプが、サンプ内に位置する低温端部と、前記低温端部と対向する暖かい端部とを備え、前記吸込入口が前記低温端部と連結し、前記排出出口が前記暖かい端部に連結する請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記ポンプのピストンに接続している線形油圧ドライブをさらに備える請求項３０に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ピストンを前記線形油圧駆動で一定の速度で駆動することができる請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記ポンプが、１分間当たり５乃至３０サイクルの速度で、前記線形油圧駆動により動作することができる、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記絞りがオリフィスにより行われる請求項３０に記載のシステム。
【請求項３６】
前記絞りが絞り弁により行われる請求項３０に記載のシステム。
【請求項３７】
前記絞りの大きさが、所定の最大蒸気の割合と等しいかまたはそれより少ない前記ポンプに供給される蒸気の割合を維持するような大きさである請求項３０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯蔵タンクから低温流体を供給するための中圧および高圧ポンプ・システム、および排気を低減するために貯蔵タンクから液体および蒸気の両方を除去するための上記システムを作動するための方法に関する。上記システムおよび方法の特に有利な用途は、内燃機関への低温貯蔵燃料の供給である。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスは、５０年以上にわたってピストン・エンジン駆動の車両用の燃料として使用されてきたが、効率を改善し汚染を低減するために、使用できる技術については絶えず変更と改善が行われてきた。過去においては、天然ガス駆動の車両（ＮＧＶ）は、当然のことながら煙をまき散らしていた。すなわち、天然ガスは、吸気連結管を介してシリンダ内に導入され、取り込まれて空気と混合され、比較的低圧でシリンダ内に送られる。このようなＮＧＶ用の燃料供給システムは、比較的簡単なものである。燃料は、エンジン入口圧力より少し高い使用圧力で、液化天然ガス（ＬＮＧ）車両のタンク内に保持され、そこから供給されるか、または圧力をエンジン入口圧力に低減する減圧弁を介して、圧縮天然ガス・シリンダ（ＣＮＧ）から供給される。
【０００３】
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）は、通常、最高３６００ポンド／平方インチの圧力（２４，９２５ｋＰａ）で常温で貯蔵されていて、動作範囲が狭いことと、ＣＮＧ貯蔵タンクの重量が重いために、トラックやバスに適していない。
【０００４】
一方、液化天然ガス（ＬＮＧ）は、通常、低温タンク内に約−２４０°Ｆ〜−１７５°Ｆ（約−１５０℃〜−１１５℃）の温度で、約１５〜２００ｐｓｉｇ（ゲージ圧）（２０４〜１４７７ｋＰａ）の圧力で貯蔵されていて、ＣＮＧの約４倍のエネルギー密度を有する。
【０００５】
しかし、ピストンの圧縮行程の終わりに高圧下でシリンダ内に直接天然ガスを噴射すれば、よりよい効率および排出を達成することができる。そのためには、３０００ポンド／平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）以上の圧力で、天然ガスを供給することができる燃料供給システムが必要となる。そのため、従来のＬＮＧ車両タンクから直接燃料を供給することができなくなり、またこのような高い動作圧を有するＬＮＧタンクを製造するのは不可能であり、不経済である。同様に、従来のＣＮＧタンクから直接天然ガス燃料を供給するのは不可能である。何故なら、小量の燃料がＣＮＧタンクから引き出されるやいなや、このようなタンク内の圧力は噴射圧力より低い圧力に低下するからである。両方の場合、貯蔵圧力から噴射圧力に圧力を高めるには、ブースタ・ポンプが必要になる。
液化天然ガス（ＬＮＧ）ポンプ
高圧低温ポンプが、多年にわたって市販されているが、これらのポンプを車両ポンプのサイズおよび需要に適合させるのは難しいことが分かっている。一般的に、低温ポンプは、正の吸込圧力を持たなければならない。それ故、液体のヘッドが必要な圧力を供給すべく、普通、液体内にポンプが直接設置される。この方法についての問題は、ＬＮＧ貯蔵タンク内への大量の熱の漏洩をもたらし、そのためタンクの保持時間が短くなることである。保持時間とは、圧力が安全弁の設定圧力に達するまでにかかる時間である。
【０００６】
あるメーカーは、ポンプを貯蔵タンクの外に設置し、大型の第１段の吸込チャンバを使用して、必要な吸込圧力を低減してきた。このようなチャンバに吸い込まれ、そこを越して第２のチャンバを満たすことができる余分なＬＮＧは、ＬＮＧタンクに再び戻り、追加の熱はＬＮＧに導入される。これは望ましくないことである。
【０００７】
ポンプによるＬＮＧ供給に関するもう１つの問題は、ＬＮＧ貯蔵タンクから蒸気を除去するのが難しいことである。低圧ガス供給システムの場合には、蒸気は簡単に除去することができる。ＬＮＧタンク内の圧力が高い場合には、燃料は気相で供給され、そのため圧力が低下する。圧力が低ければ、燃料は液相で供給される。低圧システムのこの特性は、保持時間をかなり長くし、それはすでに説明したように非常に望ましいことである。液相だけから吸い込み、蒸気を除去することができない従来のＬＮＧポンプ・システムでは、保持時間を延ばすことはできない。
【０００８】
１９９５年５月２日付けのＧｒａｍの米国特許第５，４１１，３７４号、およびその２つの分割特許である、１９９５年１２月２６日付けの米国特許第５，４７７，６９０号および１９９６年９月３日付けの米国特許第５，５５１，４８８号に、低温流体ポンプ・システムの実施形態および低温流体をポンプで汲み上げる方法が開示されている。低温流体ピストン・ポンプは、固定分配ポンプ、移動車両燃料ポンプ等として機能し、負の供給圧でも蒸気および液体を効率的に汲み出すことができ、そのため液体コンテナの外にポンプを設置することができる。ピストンは、入口導管内の熱を吸収し、圧力を低下させることにより、その中の液体が気化するよりも速く、入口導管内の液体から蒸気を除去することにより液体を導入する。導管内の蒸気圧とタンク内の蒸気圧との間の差圧が、液体をポンプ内に押し込む。ピストンは、ほぼ定常状態の導入の流れを発生するために、導入行程全体を介してほぼ一定の速度で作動するが、その場合、入口ポートを通る流れに対する抵抗は無視することができる。行程の押しのけ容量は、行程の切替え中にシリンダ内に残っている残留容量、または無効容量と比較すると、少なくとも２桁分大きい容量であり、入力導管の容量より大きい。燃料ポンプとして、ポンプは、タンクと連絡している各導管から低温液体および蒸気を選択的に受け入れ、エンジンの比較的大きな燃料要求を満足させるために低温液体を汲み上げ、上記燃料要求が満たされた場合、場合によっては、比較的小さな燃料要求を満足させながら、タンク内の蒸気圧力を低減するために蒸気を汲み上げる。
【０００９】
従来技術の低温ポンプは、通常、渦巻ポンプであり、この渦巻ポンプは、貯蔵タンク内部の液体中に設置されるか、または貯蔵タンクの下の、タンクに接続している太い吸込ラインを備える独立チャンバ内に設置される。この場合、ポンプおよび吸込ラインの両方はしっかりと絶縁される。低温液体は、貯蔵されている場合、その温度が沸点であるので、吸込ライン内に熱が漏洩し、また圧力が低下すると蒸気が形成される。それ故、渦巻ポンプがタンクの外側に設置されると、蒸気が形成され、その蒸気によりポンプ内に空洞ができ流れが停止する。従って、従来技術の低温ポンプは、ポンプの空洞形成の傾向を防止し、低減するために正の供給圧力を必要とする。固定システムの場合には、正の供給圧力は、通常、タンク内の液体の最も低いレベルの下、例えば、５〜１０フィート（約２〜３メートル）のような数フィートのところにポンプを設置することにより達成することができる。このような設置を行うと、通常、非常にコストが高い。車両用の搭載型燃料貯蔵システムは、正の供給圧力を供給するための他のいくつかの方法を使用する。また、渦巻ポンプは、内燃機関のシリンダ内に燃料を直接正しく噴射するための高い排出圧力を容易に発生することができないが、高い排出圧力の発生は、また、燃料供給ステーション用途に対する燃料供給時間を短くするためにも望ましいことである。
【特許文献１】
米国特許第５，４１１，３７４号
【特許文献２】
米国特許第５，４７７，６９０号
【特許文献３】
米国特許第５，５５１，４８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高い排出圧力が必要な場合または望ましい場合、ＬＮＧをポンプで供給するために、ピストン式ポンプが使用されてきたが、このようなポンプも、比較的高速なピストン・ポンプの場合に起こる恐れがある効率の損失を低減するために正の供給圧力を必要とする。従来技術のＬＮＧピストン・ポンプは、約１０立方インチ（１６４立方センチメートル）の比較的小さな押しのけ量で、２００〜５００ＲＰＭの速度で駆動されるクランクシャフトである。このようなポンプは、通常、ＣＮＧシリンダを満たすべく必要な高圧を発生するために使用され、通常、１分間当たり約５ガロン（１分間当たり２０リットル）までの比較的小さな供給容量を有する。このようなポンプは単動式である。すなわち、上記ポンプは、吸入行程の後で排気行程が行われる１つのチャンバしか持たない。そのため、入口の流れは、ピストンが排気行程を行う時間の半分で停止する。さらに、ピストンが準単弦運動を発生するクランクシャフトにより駆動されると、ピストンは、そのサイクルの半分、すなわち、その行程の半分の時間内に行われるピストンの変位の７０％で、また、残りの半分のサイクル時間内に発生するピストンの変位の３０％で、その行程全体を介して一定に変化する速度を有する。ピストンの速度の変動は、１分間に２００〜５００回反復して起こり、入口導管内に対応する圧力パルスを発生し、この圧力パルスは液体を急速に気化し凝縮する。そのため、重力または液体の沸騰圧以上の入口圧力が液体をポンプ内に強制的に送り込まない限りは、入口の流れはゼロになる。さらに、これらのポンプの比較的小さな変位は、開いている場合には、弁を介しての流れを不当に制限する傾向がある入口弁を比較的小さくしなければならなくなる。それ故、このようなポンプは、入口弁が低温液体内に水没していて供給圧力を低減することができる場合を除いて、往復ポンプの供給口または入口のところに、約５〜１０ｐｓｉｇ（１３５〜１７０ｋＰａ）の正の入口圧力または供給圧力を必要とする。１分間当たり約４０ガロン（１分間当たり１５０リットル）の容量の大型の低温ピストン・ポンプは、すでに製造されているが、このようなポンプは、非常に高い圧力を供給するために設計されていて、正の供給圧力を必要とし非常にコストが高い。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
中圧または高圧ポンプ・システムは、貯蔵タンクから低温流体を供給し、このようなシステムの運転方法を提供する。上記システムは、低温液体または低温液体と蒸気の混合物をポンプで供給するために動作することができるポンプを備えていて、上記方法は、貯蔵タンクからポンプへ低温液体または低温蒸気と液体の混合物を供給することにより質量流量を制御する工程を含む。より詳細に説明すると、上記方法は、
（ａ）高い質量流量を達成すべく、圧縮チャンバを液体でほぼ満たすために、貯蔵タンクからポンプに低温液体を供給する第１の動作モードを選択する工程と、
（ｂ）貯蔵タンクからポンプへ同時に低温液体と蒸気とを選択的に供給することにより、第１の動作モードより低い質量流量を達成すべく、第２の動作モードを選択する工程とを含む。この場合には、第２の動作モードの蒸気の割合は、第１の動作モードの蒸気の割合より高い。
【００１２】
ポンプ・システムは、貯蔵タンクとポンプ圧縮チャンバとの間に位置するインデューサを備えることができる。インデューサは、流体をポンプ圧縮チャンバ内に導入する前に低温流体を予め圧縮する。ポンプ・システムが、第１の動作モードを選択して最大容量で動作している場合には、インデューサの段階は、低温液体だけがポンプ圧縮チャンバに供給されるように、低温蒸気のほぼ全部が凝縮される段階であると定義することができる。従って、ポンプ・システムがインデューサを備えている場合には、第１の動作モードを選択した場合でも蒸気の一部はシステムに供給される。第２の動作モードを選択した場合には、蒸気の一部は圧縮チャンバに供給され、ここで圧縮サイクル中に上記蒸気が凝縮される。しかし、その後で、ポンプ・システムを通る流量は低減する。
【００１３】
ポンプ・システムがインデューサを備えていない場合で、第１の動作モードを選択した場合には、液体だけが貯蔵タンクから供給され、その結果、高い質量流量を達成するためにポンプ圧縮チャンバは液体でほぼ満たされる。第２の動作モードを選択した場合には、低温蒸気および液体が同時にポンプ圧縮チャンバに供給され、その場合、蒸気は圧縮サイクル中、ポンプ圧縮チャンバ内で凝縮されるが、ポンプを通る流れの量は、第１の動作モードを選択した場合にポンプを通る流れの量より少なくなる。
【００１４】
ある種の気体燃料を低温状態で貯蔵すると有利なので、上記方法は、内燃機関に低温状態で貯蔵した燃料をポンプ供給するために使用することができる。エンジンに高圧燃料を安定供給するために、上記方法は、ポンプからアキュムレータ容器に燃料を供給する工程と、アキュムレータ容器内を所定の範囲内の圧力で維持すべく、質量流量を制御するために動作モードを選択する工程とを含むことができる。ポンプとエンジン間の燃料導管および連結管の容量は、これらの導管および連結管自身が、アキュムレータとして機能するようなある容量を有するような大きさにすることができ、それにより実際の「容器」が必要なくなる。圧力は、ポンプの下流の燃料導管または連結管内で、またはアキュムレータを使用する場合には、アキュムレータ容器内で監視することができる。ポンプ・システムが供給する質量流量は、内燃機関のような所望する用途に燃料を供給するための十分な圧力を確保する目的で、所定の範囲内に監視圧力を維持すべく制御することができる。上記方法は、さらに、貯蔵タンク内の蒸気圧力が所定の値よりも高い場合、またはポンプの下流の監視圧力が所定の設定点より高い場合に、ポンプに供給される蒸気の割合を増大する工程を含むことができる。すなわち、排気をなるべく必要としないように、または排気を全然必要としないように、またはポンプの下流の圧力が所定の設定点より高い場合に、もっと低い質量流量でポンプ・システムの運転を継続すべく、貯蔵タンク内の蒸気圧力を低減するために蒸気の割合を増大することができる。
【００１５】
ポンプの好適な配置の場合には、入口はポンプの第１の端部と連結し、出口は第１の端部に向き合っている第２の端部と連結する。圧縮プロセス中に低温流体に移動した圧縮熱は排出流体によりポンプから放散する。この好適なポンプ配置により、ポンプ内の流体の通路は、好適には、低温流体が第１の端部から第２の端部にポンプを介して進行的に流れるように配置することが好ましい。この配置の場合には、圧縮プロセスからの熱は、出口近くに入口を有する、または導入導管またはチャンバ近くに排出導管を有する従来技術のポンプの場合のように、排出流体からポンプ内に導入される流体に移動しない。
【００１６】
第２の動作モードを選択した場合には、ポンプに供給される蒸気の割合は、好適には、タンクとポンプとの間の導管を通る蒸気の流れを制限することにより所定の最大蒸気の割合より低く維持することが好ましい。蒸気の割合が非常に高い場合には、往復ポンプは、実質的に全部の低温蒸気を凝縮することはできず、ポンプの効率はよくない。特定の動作条件の場合には、「最大」蒸気の割合、すなわち、通常の動作中、ポンプに供給されるほぼすべての蒸気をポンプ内で確実に凝縮することができる状態でポンプに供給することができる蒸気の量を最大にする蒸気の割合として指定するために、最大蒸気の割合を経験的に決定または計算することができる。
【００１７】
例えば、あるシステムの場合には、タンクとポンプとの間の導管を通る蒸気の流量を制限するためにオリフィスを使用することができる。他の実施形態の場合には、システムは、タンクとポンプとの間の蒸気導管を通る流量を制御するために、絞り弁を備えることができる。このようなシステムの場合には、ポンプの下流で測定した圧力、または貯蔵タンク内で測定した蒸気圧のような測定した動作条件に応じて、導管を流れる蒸気の量を制御する目的で、絞り弁の設定を変更するように電子制御機をプログラムすることができる。
【００１８】
第１の動作モードを選択した場合には、上記方法は、さらに、蒸気が貯蔵タンクのアレージ空間（ｕｌｌａｇｅ  ｓｐａｃｅ）からポンプへ供給されるのを防止するために、弁を閉める工程を含むことができる。本明細書においては、「アレージ空間」は、貯蔵タンク内の蒸気空間を意味する。弁は、好適には、ソレノイド、機械的、空気圧式、または油圧作動機構のようなアクチュエータを備えている電子制御弁であることが好ましい。
【００１９】
ポンプを運転するための好適な方法の場合には、ポンプは、線形油圧モータによりほぼ一定の速度で駆動される。例えば、ポンプを１分間当たり５〜３０サイクルの範囲内の一定の速度で動作するように設定することができる。
【００２０】
ある期間の間ポンプを停止した場合には、正しく機能をスタートすることができるようになる前に、ポンプを冷却することが望ましい。すなわち、ポンプの温度が非常に暖かい場合には、ポンプ内に導入される低温流体は、直ちに沸騰し、気化し、ポンプは、低温流体をもっと高い圧力に押し上げることができなくなる。運転するためにポンプを準備するための好適な冷却手順は、下記の工程、すなわち、
（ａ）タンクからポンプ内に低温液体を導入する工程と、
（ｂ）ポンプ内で発生した蒸気をタンクに戻し、それによりタンク内の圧力が増大する工程と、
（ｃ）タンク内の増大した圧力を使用して、タンクからポンプ内にもっと多くの低温液体を強制的に供給する工程と、を含む。
【００２１】
ポンプが通常の動作温度に冷却された場合には、ポンプから貯蔵タンクに戻る低温流体の流れを制御する弁が閉じられる。すなわち、ポンプが、第１または第２の動作モードのうちの一方で低温液体および蒸気を供給するために動作することができる所定の温度に冷却された場合、蒸気はタンクに戻ることはできない。
【００２２】
第２の好ましい実施形態の場合には、システムは、低温流体を圧縮するために、少なくとも３つのチャンバを有する多段ポンプを備える。第１のチャンバおよび第２のチャンバは、それぞれ、第３のチャンバよりも大きい容量を有する。この第２の実施形態の場合には、第１および第２のチャンバはインデューサ段階として機能し、第３のチャンバは圧縮チャンバとして機能する。この第２の実施形態の場合には、本発明の方法は、下記の工程、すなわち、
（ａ）低温流体が入口を介して第１のチャンバに流れるべく、ポンプに低温液体または低温液体と蒸気の混合物を選択的に供給する工程と、
（ｂ）低温蒸気を圧縮し凝縮し、第１のチャンバ内の低温液体を圧縮し、低温流体を第１のチャンバから第２のチャンバに移送する工程と、
（ｃ）第２のチャンバ内の低温流体を圧縮し、第３のチャンバが満たされるまで、低温流体を第２のチャンバから第３のチャンバに移送し、次に、第２のチャンバ内に残っている低温流体を第１のチャンバに移送する工程と、
（ｄ）第３のチャンバ内の低温流体を圧縮し、出口ポートを介して第３のチャンバから圧縮した低温流体を排出する工程とを含む。
【００２３】
本発明の方法のこの第２の実施形態の場合には、第１の動作モードを選択し、ポンプを通る流量が最大になった場合には、低温流体は、第２のチャンバ内で圧縮行程の終わりまで圧縮され、第３のチャンバに移送するほぼすべての流体が低温液体になるように、圧縮行程の始めに第２のチャンバ内に存在していたほぼすべてのガスまたは蒸気が凝縮される。第２の動作モードが選択され、ポンプがより遅い流量で動作した場合には、蒸気の一部は、第２のチャンバから第３のチャンバに移送することができ、その場合、ポンプは低減した流れの容量で動作する。
【００２４】
この第２の実施形態の場合には、ポンプ内に導入された過度の低温流体は、第２のチャンバから第１のチャンバに有利に循環し、その結果、通常の動作中、蒸気はポンプから貯蔵タンクに全然戻らない。この点、本発明は、貯蔵タンクに過度の低温流体を戻す従来のシステムより優れている。何故なら、このようなシステムは、過度の流体の戻りにより、貯蔵タンクに熱を導入するからである。
【００２５】
本発明の方法は、さらに、第２のチャンバから第１のチャンバへの低温流体の戻りを制御するための圧力作動安全弁を使用する工程を含むことができる。
本発明の方法は、さらに、流体をポンプからアキュムレータに供給する工程と、アキュムレータ内の圧力が所定の値より下がった場合に、低温液体だけをポンプに選択的に導入する工程と、を含む。アキュムレータは、全体でアキュムレータの容量になる、実際の圧力容器または流体導管および連結管自身であってもよい。
【００２６】
ポンプが、低温流体を圧縮するための少なくとも３つのチャンバと、３つのチャンバを分割する往復ピストン・アセンブリを備えている場合には、好適な方法の場合、ポンプは下記のように動作する。
【００２７】
（ａ）戻り行程中に、ピストンを引き戻し、それにより、
ポンプの第１のチャンバの容量を増大し、第１のチャンバ内に貯蔵タンクから供給された低温液体または低温蒸気と液体の混合物を選択的に導入し、
ポンプの第２のチャンバの容量を低減し、第２のチャンバ内で低温流体を圧縮し、第３のチャンバが満たされるまで、低温流体を第２のチャンバから第３のチャンバへ移送し、次に、戻り行程が終了するまで、低温流体を第２のチャンバから第１のチャンバに戻し、
ポンプの第３のチャンバの容量を増大し、第３のチャンバが満杯になるまで、第２のチャンバから第３のチャンバに低温流体を戻し、
（ｂ）拡張行程中に、ピストンを延ばし、それにより、
第１のチャンバの容量を低減し、第１のチャンバ内で低温流体を圧縮し、第１のチャンバ内の低温流体を第２のチャンバに移送し、
第２のチャンバの容量を増大し、流体を第１のチャンバから第２のチャンバに導入し、
第３のチャンバの容量を低減し、第３のチャンバ内で流体を圧縮し、第３のチャンバから出口を介して低温流体を排出する。
【００２８】
拡張行程の終わりに、第２のチャンバの容量は、好適には、ピストンが戻り行程の終わりに位置している場合に、第３のチャンバの容量の約４〜１０倍になることが好ましい。さらに、戻り行程の終わりにおける第１のチャンバの容量は、好適には、拡張行程の終わりにおける第２のチャンバの容量より大きいか、またはほぼ同じになることが好ましい。このような配置の場合には、第１のチャンバは、第２のチャンバから第１のチャンバへ循環することができる過度の低温流体のほぼ全体を収容するのに十分な容量を有する。ポンプの好適な構成の場合には、拡張行程の終わりに、第３のチャンバの容量はほぼゼロになる。
【００２９】
低温貯蔵タンクのサンプ（ｓｕｍｐ）から低温流体を汲み出すために、往復ポンプを作動するための第３の好適な方法の場合には、ポンプは往復ピストン・アセンブリにより分割された少なくとも２つのチャンバを備える。この方法は下記の工程、すなわち、
（ａ）戻り行程中に、
ポンプの第１の圧縮チャンバの容量を増大し、第１の圧縮チャンバ内に、貯蔵タンクから供給された低温流体を導入する工程と、
ポンプの第２の圧縮チャンバの容量を低減し、それにより第２の圧縮チャンバ内で流体を圧縮し、第２の圧縮チャンバおよびポンプから圧縮した流体を排出する工程と、
（ｂ）拡張行程中に、
第１の圧縮チャンバの容量を低減し、第１の圧縮チャンバ内の流体を第２の圧縮チャンバ内に移送する工程と、
第２の圧縮チャンバの容量を増大し、低温流体を第１の圧縮チャンバから第２の圧縮チャンバ内に導入する工程と、を含み、拡張行程の終わりにおける第２の圧縮チャンバの容量は、戻り行程の終わりにおける第１の圧縮チャンバの容量よりも小さく、そのため、第２の圧縮チャンバの容量が第１の圧縮チャンバから第２の圧縮チャンバに流入する流体により満たされた場合に、残りの流体は第２の圧縮チャンバおよびポンプから排出される。
【００３０】
この実施形態の場合には、拡張行程の終わりにおける第２の圧縮チャンバの容量は、戻り行程の終わりにおける第１の圧縮チャンバの容量のほぼ半分か、半分より少ない量である。好適には、第１および第２の圧縮チャンバの相対的なサイズは、ほぼ等しい量の流体が戻りおよび拡張行程中に排出されるようなものであることが好ましい。
【００３１】
上記方法は、さらに、第１の圧縮チャンバ内に低温流体を導入する前に、インデューサ段階で低温蒸気を凝縮する工程を含む。
貯蔵タンクから低温流体を汲み出すための好適なシステムは、下記のもの、すなわち、
（ａ）吸込入口および排出出口を備える往復ポンプと、
（ｂ）貯蔵タンク内で吸込入口を液体に流体により接続している第１のパイプと、
（ｃ）貯蔵タンク内で吸込入口を蒸気に流体により接続している第２のパイプと、
（ｄ）液体と蒸気の混合物を、貯蔵タンクから吸込入口に供給することができるように、第２のパイプを通る流れを制限するための第２のパイプ内の絞りとを備える。
【００３２】
絞りは、例えば、オリフィス、第２のパイプの狭い部分、または絞り弁により形成することができる。絞りのサイズは、好適には、所定の最大蒸気の割合と等しいかまたはそれより少ないポンプに供給される蒸気の割合を維持するようなサイズであることが好ましい。
【００３３】
ポンプのある実施形態の利点は、ポンプがサンプ内に位置する冷たい端部と、冷たい端部と向き合っている暖かい端部を備えていることである。この場合、吸込入口は冷たい端部と連結していて、排出出口は暖かい端部に連結する。この配置により、圧縮プロセスで発生する熱が、排出低温流体から、サンプからポンプ内に導入される低温流体に移動するのが防止される。
【００３４】
システムは、好適には、さらに、ポンプのピストンに接続している線形油圧駆動を備えることが好ましい。線形油圧駆動により、一定の速度でピストンを駆動することができ、それにより排出パイプ内での圧縮パルスの発生を容易に低減することができる。他の実施形態の場合には、ポンプ速度は、もっと広い範囲の選択可能な流量を供給するために、システムを通る質量流量に影響を与える追加の手段を供給するように変更することができる。しかし、そうするには、油圧ドライブおよびポンプの速度を変えるための追加の制御装置および装置が必要になる。ポンプは、好適には、一定の速度または１分間当たり５〜３０サイクルの範囲内の可変速度で、線形油圧ドライブにより動作することができることが好ましい。
【００３５】
図面は、本発明の特定の実施形態を示すが、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
天然ガス燃焼エンジンは、大きく２つのクラス、すなわち、低圧燃料システムを有するエンジンと、高圧燃料システムを有するエンジンとに分類することができる。低圧燃料システムは、タンクの最低動作圧力よりも低い燃料圧力で動作するエンジンの燃料システムと定義される。このタイプの低圧システムの場合には、燃料ポンプを必要としないで、タンクは、タンクから蒸気を除去する蒸気導管と、タンクから液体を除去する液体導管とを備える。各導管は、各弁により制御され、各弁は少なくとも１つの圧力センサにより制御される。エンジンは、通常、タンク圧力が、例えば、約６０ｐｓｉｇ（５１６ｋＰａ）のような指定圧力を超えた場合以外は、液体導管を介して燃料の供給を受ける。この場合、エンジンに蒸気の一部を逃がすために、蒸気導管は開いている。そのため、タンク内の圧力は低下し、それにより保持時間を長くすることができる。これは、タンク内の圧力が指定の圧力レベルを超えた場合には何時でも、タンクから気相で燃料を取り出すことにより、タンク圧力を確実に低く維持する簡単なシステムである。
【００３７】
対照的に、高圧燃料システムは、燃料システムのパラメータにより、約３，０００ｐｓｉｇ（２０，７７１ｋＰａ）の圧力で燃料を供給する、燃料ポンプを必要とする。このような燃料の供給は、通常、正の供給圧力を確保するために、水没入口と一緒に、車両タンク内に位置する小型変位ピストン・ポンプにより行われる。このような設置の場合には、設置およびサービスが難しくなり、そのため燃料タンクおよびポンプ・アセンブリが比較的大型になる。ポンプは液体しか汲み出すことができないので、熱漏洩およびポンプの作動により発生した蒸気は、かなりタンクの保持時間を短くし、それにより燃料ロスが大きくなる。何故なら、タンクに燃料を補充する前に蒸気を排出しなければならないからである。蒸気をこのように排出すると、車両タンクの実効容量がさらに小さくなり、車両タンク内でのＬＮＧの使用がさらに難しくなる。１台のポンプでは、液体および蒸気または両方の混合物を効率的に汲み出すことはできないと考えられていて、それ故、エンジン内で蒸気を除去し、燃焼させるシステムは、高圧燃料システム用には使用することができない。また、従来のピストン・ポンプは、入口ポートのところに正味の正圧を必要とし、それによりこのポンプの設置が厳しく制限され、特に、このようなポンプは、従来の「頂部上」液体出口を有する車両タンクと一緒に使用することはできない。車両タンクの外側に車両ポンプを設置することができ、車両内で使用できるどのような場所の空間でも設置することができる、負の吸込圧力で動作することができる車両ポンプを開発することができれば、多くの問題を解決することができる。
【００３８】
図１および図２を参照すると、これらの図は、それぞれ、本発明のシステムの好ましい実施形態によるＬＮＧポンプ・アセンブリの断面図であり、本発明のシステムの好ましい実施形態によるエンジンへのＬＮＧ供給システムの簡単な流れ図である。この場合、ＬＮＧポンプは、ＬＮＧタンクの外部に位置する。図１は、外部駆動力に接続しているシリンダ状シャフト８により駆動される、シリンダ４内に往復ピストン６を保持するシリンダ状ポンプ２を示す。シリンダの端部にはヘッド１０および１１およびボルト１２が位置する。テフロン（登録商標）またはＵＨＭＷ（周知の、しかし、テフロン（登録商標）と比較すると安価な低温絶縁）のような類似の断熱材１４は、シャフト８を含み、熱損失を低減する。ピストン６の端部、対向シャフト８は、スリーブ１８内を往復する中空シリンダ状ロッド１６を有し、このロッドも、テフロン（登録商標）または類似の材料のような断熱材２０により絶縁されている。この構成は、チャンバ２１、２３および２５を形成する。逆止め弁２４および２７はピストン６内に位置していて、逆止め弁２６はシャフト１６内に位置していて、逆止め弁２８は好適にはヘッド１０内に位置することが好ましい。一方向逆止め弁７も、入口５に関連して位置する。図１には示していないが、ポンプ２の外部もポンプへの熱の移動を防止するために絶縁されている。ポンプへのまたポンプからのラインも従来技術のように絶縁されている。
【００３９】
ピストン６により分離している第１および第２のチャンバ２１および２３を備える第１の主チャンバは、第３のチャンバ２５より約４〜１０倍大きい。ある実施形態の場合には、第１および第２のチャンバ２１および２３は、好適には、第３のチャンバ２５の約５倍であることが好ましい。ピストン６が左に移動すると、天然ガスの液体および蒸気が、入口５およびシリンダ４の外側に位置する逆止め弁７を介してシリンダ４の第１のチャンバ２１に導入される。ピストン６が右に移動すると、第１のチャンバ２１内の液体と蒸気の混合物は、逆止め弁２４を介して第２のチャンバ２３内に移動する。ピストン６を再び左に移動すると、第２のチャンバ２３内の液体と蒸気の混合物は圧縮され、中空ピストン６内の通路および逆止め弁２６を介して第３のチャンバ２５内に強制的に送られる。
【００４０】
第１のチャンバ２１内の液体と蒸気の混合物は、ピストン６が左に移動すると、戻り吸込行程中、飽和圧力および温度状態になる。第２の戻り行程で第２のチャンバ２３内でこの混合物が圧縮されると、蒸気が凝縮し、全量が低減し、次に、液体は中空ロッド１６内の通路および逆止め弁２６を介して第３のチャンバ２５内に押し込まれる。第２のチャンバ２３内にあまりに多くの液体が最初に導入されると、安全弁２７が所与の圧力で開き、過度の流体が第１のチャンバ２１内に戻り、それにより通常の動作状態のもとでは、ＬＮＧ貯蔵タンク・アセンブリ３０内には液体は戻らない。
【００４１】
図２は、ＬＮＧポンプがＬＮＧタンク・アセンブリ３０の外部に位置する、本発明のシステムの好ましい実施形態によるエンジンへのＬＮＧ供給システムの簡単な流れ図である。図２は、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０、ＬＮＧポンプ２を駆動する油圧ポンプ３２、気化装置３４、アキュムレータ３６およびエンジン３８を示す。ポンプ２とエンジン３８との間の燃料導管内の容量は、燃料導管自身がアキュムレータ３６として機能し、実際のアキュムレータ容器を必要としないようなサイズにすることができる。ＬＮＧタンク・アセンブリ３０は、内部タンク４２と、外部タンクと内部タンク４２との間を絶縁のための真空を有する。図１のポンプ２について説明すると、逆止め弁２６を介して第３のチャンバ２５に入る液体は、ピストン６が右に移動すると、必要な高圧に圧縮される。上記液体は、次に、逆止め弁２８を介して第３のチャンバ２５から排出され、気化装置３４を通って流れる。この場合、液体はガスに変換され、圧縮天然ガスとしてアキュムレータ３６に入る。アキュムレータ３６内に保持されている圧縮天然ガスは、注入弁を介してエンジン３８の燃焼チャンバに直接天然ガスを注入するために十分な圧力を維持する。
【００４２】
通常の動作中、ポンプ２は、蒸気と液体の混合物をＬＮＧタンク・アセンブリ３０から引き出す。吸込ライン３１は、ライン３１の端部がその中の液体のレベルより下のところに開いている内部タンク４２の底部ばかりでなく、内部タンク４２内の液体のレベルより上のところに開いているライン３３を介して蒸気を吸い出すために、内部タンク４２の上部にも接続している。吸込ライン３１を通る蒸気の流れは、ソレノイド弁３９および絞り弁４０により制御される。通常の動作中、ソレノイド弁３９は開いていて、ライン３１に吸い込まれる蒸気の量は、絞り弁４０の設定により異なる。
【００４３】
低温液体と蒸気の混合物の蒸気の割合は、低温ポンプに供給される蒸気の量を低温ポンプに供給される低温流体の全量で割ったものと定義される。実験により、特定の動作条件によりほぼすべての蒸気を確実に凝縮するために、ポンプに供給すべき液体の最少量を決定した。従って、ポンプを効率的に動作するためには、ポンプ内で蒸気を凝縮するために、最少量の液体を供給することによって最大の蒸気の割合を達成することができる。蒸気の割合がこの最大蒸気の割合より多い場合には、ポンプの効率は低くなる。
【００４４】
図２の装置の場合には、絞り弁４０は、大部分の動作条件に対して決定した最大蒸気の割合と等しいかまたはそれより少ない蒸気の割合を維持するように設定される手動弁であってもよい。絞り弁４０は、また現在の動作条件に対して、蒸気の割合を何時でも最大蒸気の割合と等しいかまたはそれより少なくなるように、異なる動作条件に応じて蒸気の割合を変更することができるように電子的に制御することができる。
【００４５】
ＬＮＧタンク・アセンブリ３０から除去される飽和蒸気は、図１のところですでに説明したように、第２のチャンバ２３内で圧縮され凝縮され、ＬＮＧポンプ２の第３のチャンバ２５内でさらに圧縮され、アキュムレータ３６内で所望するガス圧になる。
【００４６】
ソレノイド弁３９が開いている場合には、ポンプ２の容量は低減する。しかし、ポンプ２の下流の圧力が低くなり過ぎると、すなわち、エンジン注入圧力に非常に近くなると、エンジン３８がもっと燃料を必要とするために、コントローラ４３のプログラムされたコンピュータ制御がソレノイド弁３９を閉じ、タンク・アセンブリ３０の底部からのＬＮＧだけがポンプ２内に流入し、それにより確実にＬＮＧポンプ２の最大燃料容量が達成される。
【００４７】
図２は、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０の外部に位置するポンプ２を示す。ポンプ２がタンク・アセンブリ３０の外部に位置する場合には、ポンプの外部は、従来の絶縁材料でしっかりと絶縁され、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０への熱の漏洩は防止される。何故なら、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０内へ燃料が流入できないからである。また、ポンプ２の内部も絶縁体１４および２０によりしっかりと絶縁される。しかし、このように絶縁されていても、車両が停止している場合のように、車両エンジン３８が長時間運転されなかった場合に、ポンプ２が、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０の温度に向かって温度上昇する場合がある。ポンプ２内のこの残留熱は、ポンプ２内に吸い込まれたＬＮＧを沸騰させ、それによりポンプ２の容量が非常に低減する。
【００４８】
ポンプ２の冷却時間を短縮するためにポンプが動作を再開した場合、プログラムされた制御装置は、第２のソレノイド弁４１を開くことができる。弁４１を開くと、暖かいポンプ２が発生した蒸気をガス・ライン４５およびライン３３を介して、第２のチャンバ２３から内部タンク４２の上部蒸気空間内に送ることができ、それにより内部タンク４２内の圧力を増大し、それによりもっと多くの液体を内部タンク４２の底部からポンプ２に強制的に送ることができ、ポンプ２は、次に、ソレノイド４１が開いていない場合と比較すると、より急速に冷却される。
【００４９】
図３〜図６に示すような他の実施形態の場合には、ＬＮＧポンプは、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０の外部タンクと内部タンク４２の間の真空空間内のサンプ空間４４内に設置することができる。図３の実施形態の場合には、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０の真空空間内にポンプ４８の冷たい端部を設置することにより、効率を高め、熱漏洩を少なくすることができる。しかし、そうするためには、この目的のために設計されたポンプ内にいくつかの独特の機能を内蔵させなければならない。また、サンプ空間４４を外部タンク内に形成しなければならない。
【００５０】
すでに説明したように、外部タンクと内部タンク４２との間の真空は、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０を絶縁する。保守の目的で、タンク・アセンブリ３０を熱的に絶縁している高度の真空に悪影響を与えないで、サンプ空間４４からポンプ４８を取り外すことができなければならない。この取り外しは、内部タンク４２から、タンク・アセンブリ３０の外部タンク内の拡大サンプ空間４４内に位置する小さなサンプ４６に、恒久的に液体吸込ライン３１を接続し、サンプ４６内のポンプ４８の一部だけがＬＮＧで囲まれるように、サンプ４６内のポンプ４８の低温端部に圧力シール４７設置することにより行うことができる。ポンプ４８は、内部タンク４２にＬＮＧが入っていない空の場合だけ取り外すことができる。そうでない場合には、ＬＮＧがライン３１を介して流出する。内蔵ポンプの構成は、始動中にポンプを冷却する手順を必要としないという他の利点を有する。ＬＮＧは、ポンプが動作し始めるとすぐにライン３１を介してサンプ４６内に自由に流れ、長い時間ポンプが動作を停止すると、ライン３１およびサンプ４６内のＬＮＧは、蒸気圧により内部タンク４２内に押し戻され、それにより熱損失が少なくなる。
【００５１】
通常、複動ポンプを使用することは効率を高めるために非常に望ましいことである。何故なら、複動ポンプを使用すると、ポンプが両方向に動作するからである。しかし、従来の複動ポンプは、通常、いずれかの端部に入口および出口弁を有していて、そのためこのような設計は内蔵ポンプとしては適していない。サンプ４６が非常に大きなものでない限り、ポンプ４８を取り外すのは難しい。図３〜図５の排気弁が外端部にパイプで接続しているポンプの独特な機能を使用すれば、このような取り外しを容易に行うことができる。
【００５２】
図３および図４の構成のもう１つの利点は、この構成の場合、同じ端部に連結入口および出口を有する周知の往復ポンプと比較した場合、逆止め弁６３を大きくすることができることである。図３および図４に示すような構成を使用すれば、ポンプ４８の低温端部は、出口用の空間を収容する必要もなくなる。そのため、本質的に、ポンプ４８の低温端部の全面積を逆止め弁６３を収容するために使用することができる。ポンプの入口のところに、より大きな逆止め弁を使用することにより、入口のところの損失が少なくなり、ポンプ４８はもっと低い有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨ）で動作できるようになる。低温ポンプ用のＮＰＳＨの本明細書における定義は、所与の流体温度に対する、沸騰圧力と実際の圧力との間の差である。図５のポンプ１４９の構成の場合にも同じ利点を得ることができる。
【００５３】
図３〜図５のポンプ構成のさらにもう１つの利点は、ポンプの出口が、入口が位置する低温端部に対向しているポンプの端部に連結していることである。圧縮された後、低温流体は高温になるので、熱移動によりポンプの入口を介して導入中の流体をさらに気化させる恐れがある入口から排出導管を離しておくことが望ましい。
【００５４】
図４は、ＬＮＧポンプ４８がＬＮＧタンク・アセンブリ３０に内蔵されている、本発明のシステムの第２の実施形態の詳細な拡大断面図である。図４は、低温およびＬＮＧ技術においては通常行われるガス・トラップを形成するループ構成の吸込ライン３１である。ポンプ４８は、ボルトまたはいくつかの類似の保持機構により、サンプ４６の端部内に形成されたシール４７に対して正しい位置に保持される。ポンプ４８はシール４７から分離することができ、固定ボルトを取り外すことにより引き出すことができる。内部タンク４２（図３参照）からのＬＮＧは、吸込ライン３１を介して、サンプ４６とポンプ４８の外部シェルとの間の空間４９内に流入する。サンプ空間４４（図３参照）内の真空は、サンプ４６の外部およびスリーブ５０により密封されているサンプ空間４４により維持される。ポンプ４８は、空間４４（図６参照）内の真空に悪影響を与えないで、スリーブ５０の内部から引き出すことができる。サンプ４６は、接合部５２のところでスリーブ５０に密封されている。
【００５５】
内蔵ポンプ４８は、下記の方法で動作する。ピストン５４が左に移動すると、ＬＮＧは、ライン３１を介してまた逆止め弁６３を介して第１のチャンバ５１内に吸い込まれる。ピストン５４が右に移動すると、ＬＮＧは、ピストン５４内に位置する逆止め弁５３を介して、シリンダ５８とピストン・ロッド５６との間のチャンバ空間５５内に押し込まれる。ピストン・ロッド５６の直径は、チャンバ空間５５の容量が、第１のチャンバ５１の容量のほぼ半分になる大きさである。それ故、チャンバ５１内の液体の容量の半分はチャンバ５５に流入し、残りの半分が出口ライン６４および一方向逆止め弁６６（図３参照）を介して左に押し出される。チャンバ５１および５５内の圧力は、ピストン５４が右に移動し始めるとすぐに排出圧力に等しくなる。
【００５６】
ピストン５４が再び左に移動すると、もっと多くのＬＮＧがライン３１を介してチャンバ５１内に吸い込まれる。一方、同時にチャンバ５５内の前に移動したＬＮＧは、出口ライン６４を介して排出される。すなわち、ピストンの両方向の各ピストン行程の度に、ほぼ等しい量のＬＮＧが排出される。これはスムーズなポンプ動作の利点である。また、アクセスすることができ、容易に保守を行うことができる出口ライン６４上のポンプ４８の外部に、一方向逆止め弁（図３の逆止め弁６６参照）を設置することができることがこのポンプ設計の重要な利点である。図４は、また、シャフト・シール７６を通って流れ出た液体がサンプ４６戻ることができる通路７４を示す。
【００５７】
図４のポンプは、貯蔵タンク・アセンブリ３０内に熱を移動しないで、ＬＮＧを高圧側に送る。しかし、長い保持時間を必要とする動作条件の場合には、図１および図２に示すものに類似のインデューサ機能を追加することができる。図５は、インデューサと連結ＬＮＧタンク内に内蔵されているＬＮＧポンプを特徴とする、本発明のシステムの第３の実施形態の詳細な拡大断面図である。図５は単に例示としてのものであって、正確に図に示す通りのものではないことを理解することができるだろう。サンプ４６の狭い左の端部は、ポンプ１４８のインデューサが引っ込むことができるように層状にしなければならない。
【００５８】
図５の実施形態の場合には、導入チャンバ６８は、ポンプ１４８の入口端部に取り付けられていて、それにより、ポンプ２およびポンプ４８の新規な機能の中のいくつかを結合している。導入チャンバ６８の容量は、チャンバ５１のほぼ４倍である。すなわち、チャンバ６８の直径はチャンバ５１の直径の２倍である。もっと小さなピストン・ロッド５９が、底部プラグ６０を貫介して延びていて、もう１つのピストン６１はロッド５９の端部に取り付けられている。このピストン６１は、図１および図２のポンプ２内の逆止め弁２４および２７と同じ方法で動作するペアの対向逆止め弁７０および７２を有する。チューブ６９は、タンク４２の蒸気空間を主吸込ライン３１に接続している。蒸気は絞りオリフィス６２を介して送られる。この絞りオリフィス６２は、図２のポンプ２上で絞り弁４１が動作するのと同じ方法で動作する。すでに説明したように、図５の実施形態は、内部タンク４２から蒸気および液体を引き出すことにより、沸騰排気が起こる前の保持時間を非常に長くすることができる。絞り６２の絞りの最適な大きさは、調整することができるオリフィスを使用することにより決定することができる。すでに説明したように、好適には、ポンプ内でほぼすべての蒸気を凝縮することができる最大蒸気の割合と等しいかまたはそれより少ない蒸気の割合を維持することが好ましい。システムの規模により、絞り６２の大きさを、通常の動作状況中、最大蒸気の割合と等しいかまたはそれより少ない蒸気の割合を維持する大きさにすることができる。
【００５９】
他の実施形態としては、第１のチャンバ５１と第２のチャンバ５５の間の比率を２：１より大きくすれば、図５の導入チャンバ６８を使用しないですむ。その場合、主吸込ライン３１およびチューブ６９は、絞り６２により、サンプ４６から直接第１のチャンバ５１に低温流体を導入するためにサンプ４６に接続することができる。
【００６０】
図６は、ＬＮＧポンプ４８をＬＮＧタンクから切り離した場合の、サンプ４６とスリーブ５０の詳細図である。ポンプ４８を引っ込めた後で、ループ状の入口３１を含むサンプ４６およびスリーブ５０は、ＬＮＧタンク・アセンブリ３０の外部タンクと内部タンク４２との間に真空を維持するために、サンプ空間４４内の正しい位置に依然として位置している。サンプ４６に対向するスリーブ５０の端部は、シール７３のところの外部タンク（図示せず、図３参照）に密封されている。図６は、また、スリーブ５０およびサンプ４６内に設置された場合の、ポンプ４８が接している圧力シール４７を示す。
【００６１】
図１〜図６のＬＮＧポンプ２、４８および１４８は、小型ポンプで、主としてエンジンに燃料を供給するために車両上で使用されるものである。しかし、これらの構成のポンプは、水素のような他の燃料を含むＬＮＧ以外の低温流体用にも使用することができることを理解することができるだろう。また、ポンプを大型にし、圧縮ガス燃料ステーション（多くの場合、ＬＣＮＧ燃料ステーションと呼ばれる）への液体のような他の低温用途にも使用することができることを理解することができるだろう。
【００６２】
図２の場合には、ポンプ２は線形油圧モータにより駆動される。通常２００〜５００ＲＰＭの速度でクランクシャフトにより駆動される、従来の機械的に駆動される往復ポンプと比較すると、油圧ドライブはもっと遅い速度でポンプを駆動することができる。しかし、通常、単動式である従来のＬＮＧポンプが、ＮＰＳＨが低い用途用に低速で有効であるという報告は今までない。
【００６３】
本出願人の実験では、図４のポンプ４８は、１分間当たり５〜３０サイクルの動作速度で貯蔵タンクからほぼ全部の液体を汲み出すことができた。これらの結果は、ポンプ４８は、ゼロまたは非常にゼロに近いＮＰＳＨで動作することができることを示している。試験動作条件の下では、ポンプ４８は、６５〜８５％の容量効率で動作した。従って、従来の単動ポンプは、通常高い動作速度の場合で、ＮＰＳＨがゼロよりかなり高い場合に最も効率がよいが、ポンプ４８は、遥かに遅い速度で、またＮＰＳＨがゼロかゼロに非常に近い場合に、往復ＬＮＧポンプを動作することができることを証明している。
【００６４】
クランクシャフト駆動ポンプと比較した場合の、油圧駆動往復ポンプのもう１つの利点は、ピストン行程の間ほぼ一定の速度で移動するように、ピストン行程を制御することができることである。これにより、ポンプ排出に接続しているパイプ内での圧力パルスの発生が低減する。
【００６５】
上記説明を読めば当業者であれば理解することができるように、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、本発明の実行の際に多くの変更および修正を行うことができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲に定義する内容により解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の方法の好ましい実施形態により動作することができる、低温流体を圧縮するための３つのチャンバを備える、ＬＮＧポンプ・アセンブリの断面図。
【図２】好適な方法によりエンジンに燃料を供給するための、ＬＮＧポンプがＬＮＧタンクの外部に設置されている、ＬＮＧ供給システムの簡単な流れ図。
【図３】本発明の方法の好ましい実施形態により動作することができる、ＬＮＧポンプが低温流体用の貯蔵タンク内のサンプで組み立てられるシステムのもう１つの好ましい実施形態の断面図。
【図４】低温流体を圧縮するための２つのチャンバと、サンプ内に挿入される冷たい端部と連結入口と、ＬＮＧポンプの対向端部に連結する出口とを備える、ＬＮＧポンプが、低温流体用の貯蔵タンク内のサンプ内で組立てられた場合の、図３の実施形態の詳細な拡大断面図。
【図５】本発明の方法の好ましい実施形態により動作することができる、インデューサと関連してＬＮＧタンク内に組み立てられたＬＮＧポンプを含む、システムのさらにもう１つの実施形態の詳細な拡大断面図。
【図６】ＬＮＧポンプを引っ込めた場合のサンプの断面図。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月9日(2003.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温流体をポンプで供給するために低温システムを動作するための方法であって、同システムが、低温流体を低温貯蔵タンクのサンプ（ｓｕｍｐ）からポンプで供給するポンプを備え、同ポンプは、ピストン・アセンブリによって分割された、少なくとも２つのチャンバを備え、前記方法が、
（ａ）戻りストロ−ク行程中に、該ピストン・アセンブリを引き戻し、それにより、
前記ポンプの第１圧縮チャンバの容積を増大させ、チェックバルブを介して該貯蔵タンクから供給された低温流体を、第１の圧縮チャンバに導入する工程と、
前記ポンプの第２の圧縮チャンバの容積を低減することによって、該第２の圧縮チャンバ内の流体を圧縮し、圧縮された流体を、該第２の圧縮チャンバから該ポンプの外へ排出する工程と、
（ｂ）拡張ストローク行程中に、前記ピストン・アセンブリを拡張することにより、
前記第１の圧縮チャンバの容積を低減し、チェックバルブを介して、前記第１の圧縮チャンバ内の流体を、前記第２の圧縮チャンバに移送する工程と、
前記第２圧縮のチャンバの容積を増大させて、低温流体を前記第１の圧縮チャンバから前記第２の圧縮チャンバに導入する工程であって、拡張ストロークの最後における前記第２の圧縮チャンバの容積は、戻りストロークの最後における前記第１の圧縮チャンバの容積よりも小さく、従って、前記第２の圧縮チャンバの容積が、前記第１の圧縮チャンバから前記第２の圧縮チャンバに流入した流体によって満たされた場合、前記第１のチャンバ内に残留する流体は前記第２のチャンバへ移送された後、圧縮された低温流体は、第２の圧縮チャンバから前記ポンプの外へ排出されることと、
（ｃ）ポンプを、毎分５乃至３０サイクルの速度で動作する工程と、
からなる方法。
【請求項２】
前記低温システムが、前記貯蔵タンクと前記ポンプとの間に配置されたインデューサを更に備え、前記方法が、低温液体と蒸気との混合物を該インデューサに供給し、該インデューサ段階で殆どすべての蒸気を濃縮することによって、低温液体のみが前記第１の圧縮チャンバに供給される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記低温流体が、低温液体または低温液体と蒸気との混合物からなり、前記低温システムが、前記サンプ内に配置された、第１のインデューサ・チャンバと第２のインデューサ・チャンバを更に備え、前記方法が、
（ａ）  前記低温流体を前記ポンプに選択的に供給し、それによって、該低温流体が、入口を介して、該第１のインデューサ・チャンバ内に流れ込む工程と、
（ｂ）  該第１のインデューサ・チャンバ内で、前記低温蒸気を圧縮、濃縮し、前記低温液体を圧縮して、低温流体を該第１のインデューサ・チャンバから該第２のインデューサ・チャンバへ移送する工程と、
（ｃ）  該第２のインデューサ・チャンバ内の低温流体を圧縮して、該低温流体を、該第２のインデューサ・チャンバから前記第１の圧縮チャンバに、該第１の圧縮チャンバが満杯になるまで移送し、次に、該第２のインデューサ・チャンバ内に残留している低温流体を該第１のインデューサ・チャンバに移送する工程と、から更になる方法。
【請求項４】
高質量流速を達成するために第１の動作モードを選択して、殆ど液体のみの低温流体を、前記低温貯蔵タンクから前記サンプに供給する工程と、
前記第１の動作モードよりも低い質量流速を得るために第２の動作モードを選択して、液体と蒸気との混合物からなる低温流体を、前記貯蔵タンクから前記サンプに選択的に供給する工程であって、
第２の動作モードにおける蒸気の割合が、第１の動作モードにおける蒸気の割合よりも高いこと、
から更になる請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記方法が燃料をエンジンに供給するために使用される請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
更に、前記ポンプからアキュムレータ容器に燃料を供給し、同アキュムレータ容器内で所定の範囲内に圧力を維持するために質量流速を制御すべく前記動作モードを選択することによって、高圧燃料を前記エンジンに安定供給する請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記アキュムレータ容器内の圧力が前記所定の範囲内にある場合、前記システムは、前記貯蔵タンク内の蒸気圧が所定の値よりも高い場合に、前記ポンプに供給される蒸気の割合を上げるべく制御可能な請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ポンプの第１の端部と連結する入口を介して、前記ポンプ内に流体を誘導し、前記第１の端部に対向している第２の端部と連結する出口を介して、前記ポンプから流体を排出する工程を更に含む請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記第２の動作モードを選択した場合に、前記ポンプに供給される蒸気の割合が、前記タンクと前記ポンプとの間の導管を通る蒸気の流れを制限することにより、所定の最大蒸気の割合より低く維持される請求項２乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記システムが、前記タンクと前記ポンプとの間の導管を通る蒸気の流量を制限するためのオリフィスを備える請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記システムが、前記タンクと前記ポンプとの間の導管を通る蒸気の流量を制御するための絞り弁を備える請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
測定された動作状況に応答して、前記導管を介して流れる蒸気の量を制御すべく、前記絞り弁の設定を変化させ得る電子コントローラをプログラミングする工程から更になる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記測定された動作状況は、前記ポンプより下流の流体圧からなる請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の動作モードが選択された場合、前記方法は、蒸気が前記貯蔵タンクのアレッジ（ｕｌｌａｇｅ）空間から前記ポンプに供給されるのを防止するために、バルブを閉鎖する工程から更になる請求項２乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
線形油圧モータを使用して、殆ど一定速度で前記ポンプを動作することから更になる請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記低温システムを実現するための冷却工程から更になる方法であって、該工程は
前記タンクから前記ポンプ内に低温液体を導入する工程と、
前記ポンプ内で発生した蒸気を前記タンクに戻し、それにより前記タンク内の圧力が増
大する工程と、
前記タンク内の増大した圧力を使用して、前記タンクから前記ポンプ内により多くの低温液体を強制的に供給する工程と、
を更に含む請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記ポンプが、前記第１または第２の動作モードのうちの一方で、低温液体および蒸気を汲み上げるために動作することができる所定の低温動作温度に冷却された場合、前記タンクに蒸気が戻るのを防止する工程をさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記拡張ストロークの最後における前記第２の圧縮チャンバの容積が、前記戻りストロークの最後における前記第１の圧縮チャンバの容積の半分以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記第１と第２のチャンバの相対サイズが、戻しストロークと拡張ストロークとの間、等量の流体が排出されるようなサイズである請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
貯蔵タンクから低温流体をポンプで供給するシステムであって、
（ａ）サンプ内に配置されている冷端と結合する吸込入口、および、前記冷端に対向する温端と連結する排出出口、を備える往復ポンプであって、前記ポンプは毎分５乃至３０サイクルの速度で動作し得ることと、
（ｂ）前記貯蔵タンク内で前記吸込入口を液体のために流体接続している第１のパイプと、
（ｃ）前記貯蔵タンク内で前記吸込入口を蒸気のために流体接続している第２のパイプと、
（ｄ）液体と蒸気の混合物を、前記貯蔵タンクから前記吸込入口に供給すべく前記第２のパイプを通る流れを、制限するための第２のパイプ内の絞りと、を備えるシステム。
【請求項２１】
前記ポンプのピストンに接続している線形油圧駆動をさらに備える請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記ピストンを前記線形油圧駆動で一定の速度で駆動することができる請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記絞りがオリフィスにより行われる請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記絞りが絞り弁により行われる請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
前記絞りの大きさが、所定の最大蒸気の割合以下の、前記ポンプに供給される蒸気の割合を維持するような大きさである請求項２０に記載のシステム。  
【請求項２６】
前記ポンプが、前記貯蔵タンクの外部タンクと内部タンクとの間の真空空間内にあるサンプ中に配置されている請求項２０に記載のシステム。  
【請求項２７】
前記第２のパイプが、前記貯蔵タンクの真空空間を前記第１のパイプに接続するチューブを備える請求項２６に記載のシステム。  
【請求項２８】
前記第１と第２のパイプが前記真空空間内に配置される請求項２６に記載のシステム。  
【国際調査報告】
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