(57)【要約】【課題】ガス放出時のガスの断熱膨張に起因したライナー温度の低下を抑制することで、ライナーを構成する樹脂の引張強度の低下を抑え、結果としてライナーの損傷を防止することができるガスタンクを備えた温度制御システムを提供する。【解決手段】ガスタンク１０を備えた温度制御システム１は、樹脂製のガスが充填されるライナー１１の外面に炭素繊維強化樹脂層１４が被覆されたガスタンク１０を備えた温度制御システムである。温度制御システム１は、炭素繊維強化樹脂層１４に電流が流れるように、炭素繊維強化樹脂層１４に配置された一対の電極部３１、３１と、一対の電極部３１、３１間に電流を通電する電源部３２と、ガスタンク内のガス温度を測定する温度測定部３３と、温度測定部３３で測定されたガス温度が、所定の温度以下になったときに、一対の電極部３１、３１間に電流を通電するように、電源部３２を制御する制御部３４と、をさらに備えている。【選択図】図１
2019044784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが充填される樹脂製のライナーの外面に、炭素繊維強化樹脂層が被覆されたガスタンクを備えた温度制御システムであって、
前記温度制御システムは、前記炭素繊維強化樹脂層に電流が流れるように、前記炭素繊維強化樹脂層に配置された一対の電極部と、
前記一対の電極部間に前記電流を通電する電源部と、
前記ガスタンク内のガス温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部で測定されたガス温度が、所定の温度以下になったときに、前記一対の電極部間に電流を通電するように前記電源部を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とするガスタンクを備えた温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタンクを備えた温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ガスが高圧で充填されるガスタンクとして、以下のガスタンクが提案されている。このガスタンクは、樹脂製のガスが充填されるライナーと、ライナーの外面に形成されている炭素繊維強化樹脂製の補強層と、補強層の表面に形成されているガラス繊維などの繊維強化樹脂製の保護層を備えている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７２２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したガスタンクでは、タンク内に充填されたガスを放出した時に、ガスの断熱膨張により、タンク内部の温度が低下する。ライナーには炭素繊維強化樹脂層（以下、「ＣＦＲＰ層」）が被覆されているので、タンク外部との熱伝導性は低く、低下したガス温度は低温状態で維持される。このような低温状態のガスにライナーが曝されることでライナーの温度は低下し、これにより、ライナーが収縮すると、ライナーとＣＦＲＰ層との間に隙間が形成される。
【０００５】
このように隙間が形成された状態で、ガスタンクにガスを充填した場合、断熱圧縮によるガスの温度上昇の前に（すなわち、ライナーが温度上昇する前に）、ライナーにガス圧力が作用してしまう。ライナーを構成する樹脂は温度が低下すると引張強度が低下する。そのため、ＣＦＲＰ層との間に隙間を生じていると、ライナーは、ガス圧力をライナーのみで受けることになり、ライナーが損傷することが想定される。
【０００６】
本発明では、ガス放出時のガスの断熱膨張に起因したライナー温度の低下を抑制することで、ライナーを構成する樹脂の引張強度の低下を抑え、結果としてライナーの損傷を防止することができるガスタンクを備えた温度制御システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るガスタンクを備えた温度制御システムは、ガスが充填される樹脂製のライナーの外面に、炭素繊維強化樹脂層が被覆されたガスタンクを備えた温度制御システムである。前記温度制御システムは、前記炭素繊維強化樹脂層に電流が流れるように、前記炭素繊維強化樹脂層に配置された一対の電極部と、前記一対の電極部間に前記電流を通電する電源部と、前記ガスタンク内のガス温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部で測定されたガス温度が、所定の温度以下になったときに、前記一対の電極部間に電流を通電するように前記電源部を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガスタンク内のガス温度が所定の温度以下になった場合に、炭素繊維強化樹脂層に配置された一対の電極部間に電流を通電することで、炭素繊維強化樹脂層を発熱させることができる。これにより、炭素繊維強化樹脂層に外面が被覆されたライナーを加熱することができるため、ガス放出時のガスの断熱膨張によるガス温度の低下に起因したライナー温度の低下を抑制することができる。このためライナーを構成する樹脂の引張強度の低下が抑えられることにより、ライナーとＣＦＲＰ層との間に隙間が形成されたとしても、ガスタンクにガスを充填する際の、ライナーの損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係るガスタンクを備えた温度制御システムの模式的な構成を説明する図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すガスタンクの第１の口金近傍の模式的な拡大断面図である。（ｂ）は、図１に示すガスタンクの第２の口金近傍の模式的な拡大断面図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態および従来のガスタンクに係るガス放出時のガス圧力の変化を示すグラフである。（ｂ）は、本実施形態に係る温度制御を行う場合のガスタンクのガス温度の変化と、温度制御を行わない従来のガスタンクのガス温度の変化と、を示すグラフである。
【図４】本実施形態のガスタンクを備えた温度制御システムに係る温度制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図１〜４を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
【００１１】
１．ガスタンク１０を備えた温度制御システム１の構成について
図１は、本実施形態に係るガスタンク１０を備えた温度制御システム１の模式的な構成を説明する図である。なお、図中、ガスタンク１０は、ガスタンク１０を長手方向の中心軸ＣＸを含む面で切断した側方断面構造を示しており、第１の口金１２の開口部に嵌合しているバルブ２０の部分を断面で表している。また、図２の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ第１の口金１２および第２の口金１３近傍付近の模式的な拡大断面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る温度制御システム１は、ガスタンク１０を少なくとも備えている。このような温度制御システム１は、ガスタンク１０を備えた燃料電池システムや、その燃料電池システムを搭載した車両等に利用することができる。
【００１３】
１−１．ガスタンク１０について
ガスタンク１０は、中心軸ＣＸを中心とする中空の容器であり、水素ガス、及び、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他の各種加圧物質を充填するための圧力容器である。
【００１４】
ガスタンク１０は、ライナー１１の外面にＣＦＲＰ層（炭素繊維強化樹脂層）１４が被覆されて構成され、その両端に第１の口金１２および第２の口金１３が設けられている。ライナー１１は、適宜なガスバリア性を有する樹脂で構成されている。樹脂の材料として、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができる。ライナー１１は、円筒状の筒部１１ｂと、その中心軸ＣＸに沿った方向の両側に球面形状のドーム部１１ａ、１１ａと、を備え、ガスを貯蔵するための内部空間１５を備えている。
【００１５】
図１および図２に示すように、ＣＦＲＰ層１４は、ライナー１１の外面および第１の口金１２の内部空間１５側付近の外面を被覆するフープ層１４ａと、フープ層１４ａの外面を被覆するヘリカル層１４ｂと、で構成されている。フープ層１４ａはライナー１１の周回りに巻かれている層であり、一方、ヘリカル層１４ｂは、中心軸ＣＸに沿って、フープ層１４ａの上に、一方のドーム部１１ａ側から他方のドーム部１１ａ側にわたって巻かれている層である。なお、フープ層１４ａとヘリカル層１４ｂとは、炭素繊維が強化繊維として配向され、炭素繊維を結合するマトリクス樹脂として、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が含浸された層である。
【００１６】
第１の口金１２および第２の口金１３は、アルミニウムまたはその合金等の金属で形成され、それぞれ、ライナー１１のドーム部１１ａ、１１ａに設けられている。第１の口金１２の開口部は、ガスタンク１０の内部空間１５と連通しており、この開口部に、ガスの放出および流入を行うバルブ２０が取り付けられている。一方、第２の口金１３の開口部は内部空間１５と遮蔽されており、第２の口金１３は内部空間１５を密閉する。
【００１７】
バルブ２０は、ガスの放出および流入を行う電磁弁(図示せず)を備えている。また、バルブ２０には、バルブ２０から内部空間１５の方向に延びるノズル２２が設けられている。ノズル２２は、バルブ２０内の配管を介してガス放出口２１に接続されており、内部空間１５に貯蔵されているガスを外部に排出する。なお、ガス放出口２１は、ガス放出後にガスを内部空間１５に充填するためのガス充填口として使用してよく、あるいはバルブ２０にガスを充填するためのガス充填系流路を別途設けても良い。
【００１８】
ここで、図３（ａ）および（ｂ）を参照して、まず、ガス放出時における従来のガスタンク１０のガス圧力および温度変化について説明する。
図３（ａ）は、本実施形態および従来のガスタンク１０に係るガス放出時のガス圧力の変化を示すグラフである。このグラフにおいて、Ｘ軸およびＹ軸は、それぞれ内部空間１５に充填されているガスの放出時間およびその圧力を示す。
【００１９】
図３（ｂ）は、本実施形態に係る温度制御を行う場合のガスタンク１０のガス温度の変化と、温度制御を行わない従来のガスタンク１０のガス温度の変化と、を示すグラフである。このグラフにおいて、Ｘ軸およびＹ軸は、それぞれ内部空間１５に充填されているガスの放出時間およびその圧力を示す。また、実線Ｌ１および破線Ｌ２は、それぞれ温度制御を行う場合および温度制御を行わない場合のガス温度のグラフであり、図３（ｂ）に示す時刻０〜時刻Ｔ１までは、実線Ｌ１と破線Ｌ２とは重なっている。
【００２０】
ガスタンク１０からノズル２２、バルブ２０、およびガス放出口２１を介して外部へガスが放出されると、図３（ａ）に示すように、ガスの放出開始時間（時刻０）からガス放出完了時間（時刻Ｔ２）まで、徐々にガス圧力が低下する。
【００２１】
このようなガス圧力の減少に起因した、ガスタンク１０内のガスの断熱膨張により、図３（ｂ）に破線Ｌ２で示されるように、従来のガスタンクでは、ガス放出開始時間（時刻０）からガス温度も低下し始める。ガス温度の低下に伴い、ライナー１１を構成する樹脂の引張強度が低下するとともに、ライナー１１が収縮して、ライナー１１とＣＦＲＰ層１４との間に、隙間が形成されてしまう。これにより、放出完了後再度、ガスタンク１０にガスを短時間で充填する際には、断熱膨張によるガスの温度上昇前に、ライナー１１がガス圧力を直接受けてしまい、ライナー１１が損傷してしまう。
【００２２】
特に、ガス温度がライナー１１を構成する樹脂の温度が、ガラス転移温度（Ｔｇ）より低くなった場合、ライナー１１が脆化し易く、ライナー１１が破損する可能性がさらに高まる。
【００２３】
そこで、このようなライナー１１の損傷を回避すべく、後述する温度制御を行うために、本実施形態の温度制御システム１は、一対の電極部３１、３１と、電源部３２と、温度測定部３３と、制御部３４と、をさらに備えている。以下に、各部の詳細を説明する。
【００２４】
１−２．一対の電極部３１、３１について
本実施形態では、ＣＦＲＰ層１４に電流が流れるように、ＣＦＲＰ層１４には一対の電極部３１、３１が配置されている。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、一対の電極部３１、３１はヘリカル層１４ｂの内部に配置されていることが好ましい。ヘリカル層１４ｂでは、ライナー１１の両側に炭素強化繊維をわたすように、炭素強化繊維が巻かれているため、ヘリカル層１４ｂに各電極部３１を設けることにより、後述する電源部３２による通電時にライナー１１の全体をより均一に加熱することができる。
【００２５】
本実施形態では、一対の電極部３１、３１のうち一方の電極部３１は、第１の口金１２近傍のヘリカル層１４ｂに設置され、第１の口金１２に沿わせてガスタンク１０の外表面に露出している（図２（ａ）を参照）。一方、他方の電極部３１は第２の口金１３近傍のヘリカル層１４ｂに設置され、第２の口金１３に沿わせてガスタンク１０の外表面に露出している（図２（ｂ）を参照）。
【００２６】
図には示していないが、第１の口金１２の表面にはアルマイト処理をして形成された絶縁層を有する。このように、第１の口金１２の表面に絶縁層を設けることにより、第１の口金１２からバルブ２０内の配管を介して、バルブ２０の電磁弁等に電流が流れることを抑え、電磁弁の動作不良等を回避することができる。
【００２７】
なお、タンク１０に配置される一対の電極部３１、３１の位置は、ＣＦＲＰ層１４を発熱させてライナー１１を充分加熱できる位置であればよく、上述した図２（ａ）および（ｂ）の位置に限定されない。
【００２８】
１−３．電源部３２について
本実施形態では、電源部３２は、制御部３４の制御信号を受けて、一対の電極部３１、３１間に対して電流の通電または非通電を行うものである。電源部３２がこの通電を行う場合、ＣＦＲＰ層１４の炭素繊維に電流が流れるとともに炭素繊維が発熱して、結果としてＣＦＲＰ層１４が発熱する。これにより、ライナー１１を加熱することができる。なお、電源部３２は、ＣＦＲＰ層１４を発熱させることができるのであれば、直流電源または交流電源のいずれであってもよい。
【００２９】
通電する電流の大きさは、ＣＦＲＰ層１４の外部へ放熱されるエネルギーと、ＣＦＲＰ層１４を加熱するためのエネルギーと、ライナー１１を加熱するためのエネルギーと、を加味して決定することが好ましい。ここで、過度の大きさの電流を通電しないように、ライナー１１を加熱するためのエネルギーは、断熱膨張によるガス温度低下により、ライナー１１の温度低下を補うエネルギーであることが好ましい。
【００３０】
１―４．温度測定部３３について
温度測定部３３は、ガスタンク１０内のガス温度を検出するセンサーであり、その検出した温度の信号を制御部３４に送信する。本実施形態では、温度測定部３３として、温度センサーがバルブ２０の内部空間１５側に配置されている。これにより、放出されるガスに応じて変化する温度を常時検出することができる。なお、温度測定部３３を配置する位置は、内部空間１５のガスの温度を常時検出できる位置であれば、特に限定されない。
【００３１】
１−５．制御部３４について
制御部３４は温度測定部３３から取得したガス温度に基づいて、電源部３２に対して通電制御または非通電制御を行う。本実施形態では、制御部３４は、ガス温度が所定の温度（予め設定された設定温度）以下であると判定した場合、電源部３２に制御信号を出力することにより、電源部３２が一対の電極部３１、３１間に電流を通電するように電源部３２を制御する。
【００３２】
一方、制御部３４は、ガス温度が所定の温度を超えていると判定した場合には、電源部３２に制御信号を出力することにより、電源部３２が一対の電極部３１、３１間に電流を通電しないように電源部３２を制御する。
【００３３】
ここで、設定温度は、ライナー１１を構成する樹脂のＴｇ以上の温度であることが好ましい。これにより、後述する制御部３４で、ライナー１１の温度が、Ｔｇ以上の温度で通電を開始することができる。この結果、ライナー１１の温度がＴｇを下回る前に加熱し、これを維持することができるため、ライナー１１を構成する樹脂の引張強度に起因したライナー１１の損傷をより好適に回避できる。
【００３４】
制御部３４は、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶装置（図示せず）と、ＣＰＵなどの演算装置（図示せず）を、ハードウェアとして備えている。たとえば、記憶装置は、キーボード等の入力装置を介して、上述した設定温度を入力することにより、この設定温度を記憶する。演算装置は、たとえば、ソフトウェアとして、記憶装置で記憶された設定温度と、温度測定部３３で測定したガス温度との大きさを比較し、測定したガス温度等に基づいて電源部３２により通電する電流の大きさなどを演算し、これを制御信号として、電源部３２に出力する。
【００３５】
２．本実施形態に係る温度制御処理について
以上説明した本実施形態の構成を踏まえて、図４を参照して本実施形態のガスタンク１０を備えた温度制御システム１に係る温度制御処理のフローを説明する。図４は、本実施形態のガスタンク１０を備えた温度制御システム１に係る温度制御処理を示すフローチャートである。以下、図４の各ステップに沿って説明する。
【００３６】
図４に示すステップＳ１では、内部空間１５に充填されたガスがノズル２２、バルブ２０の配管、ガス放出口２１を通って外部へ排出される。次にステップＳ２に進む。
【００３７】
ステップＳ２では、制御部３４は、常時ガス温度を検出している温度測定部３３からガス温度を取得し、取得したガス温度が設定温度（所定の温度）以下か否かを判定する。制御部３４が、設定温度を超えていると判定した場合にはステップＳ３へ進み、設定温度以下と判定した場合にはステップＳ４へ進む。
【００３８】
ステップＳ３では、制御部３４は、一対の電極部３１、３１への非通電の制御信号を電源部３２に出力する。具体的には、一対の電極部３１、３１に対して、電源部３２による通電制御をすでに行っている場合には、ステップＳ３で、その通電を停止（終了）する制御信号を電源部３２に出力する。電源部３２がその通電をすでに停止している場合には、非通電を継続するように制御信号を電源部３２に出力する。制御信号が入力された電源部３２は、一対の電極部３１、３１に対して通電を行わない。ステップＳ３が終了するとステップＳ２へ戻る。
【００３９】
ステップＳ４では、制御部３４は、一対の電極部３１、３１への通電の制御信号を電源部３２に出力する。具体的には、一対の電極部３１、３１に対して、電源部３２による通電が行われていない場合には、ステップＳ３で、その通電を実行（開始）する制御信号を電源部３２に出力する。電源部３２がその通電をすでに実行（開始）している場合には、通電を継続するように制御信号を電源部３２に出力する。制御信号が入力された電源部３２は、一対の電極部３１、３１に対して電流を通電する。ステップＳ４が終了するとステップＳ２へ戻る。なお、上述したフローはガス放出完了後に終了してもよい。
【００４０】
３．本実施形態の動作および効果について
図３（ａ）および（ｂ）を参照して本実施形態の動作および効果について説明する。ここでは、ライナー１１の樹脂のＴｇ以上の温度を制御部３４が判定する設定温度として説明する。
【００４１】
図３（ａ）に示すように、ガスタンク１０からノズル２２、バルブ２０、およびガス放出口２１を介して外部へガスが放出されると（ステップＳ１を参照）、ガスの放出開始（時刻０）からガス放出完了時間（時刻Ｔ２）まで、ガス圧力が徐々に低下する。
【００４２】
図３（ｂ）において、温度制御を行う本実施形態のグラフである実線Ｌ１で示すように、ガス圧力低下に起因したガスの断熱膨張により、ガス温度も徐々に低下し始める。制御部３４は、設定温度に到達する前（時刻Ｔ１前）では、温度測定部３３から取得したガス温度が設定温度を超えていると判定し、電源部３２に対して非通電制御を行う。これにより、電源部３２は、一対の電極部３１、３１へ通電を行わない（図４のステップＳ２およびステップＳ３を参照）。そのため、時刻Ｔ１前までは、ガス温度の低下にともない、ライナー１１の温度も低下し続ける。
【００４３】
ガス温度が設定温度になる時刻Ｔ１では、制御部３４は、温度測定部３３で検出したガス温度を設定温度以下であると判定し、電源部３２に対して通電制御を行う。これにより、電源部３２は、一対の電極部３１、３１へ所定の大きさの電流の通電を実行する（図４のステップＳ２およびステップＳ４参照）。本実施形態では、Ｔｇ以上の温度で通電を開始することにより、ライナー１１の温度がＴｇ未満になる前に、ＣＦＲＰ層１４が加熱され始め、次いでライナー１１が加熱され始める。
【００４４】
時刻Ｔ１以降、ガス放出完了時間（時刻Ｔ２）まで、設定温度より低いガス温度が続くため、制御部３４は、電源部３２による通電制御を継続させ、電源部３２から一対の電極部３１、３１へ所定の大きさの電流の通電が継続される。
【００４５】
このような結果、ガスタンク１０内のガス温度が設定温度以下になった場合に、ＣＦＲＰ層１４に配置された一対の電極部３１、３１間に電流を通電することで、炭素繊維に電流が流れ、ＣＦＲＰ層１４を発熱させることができる。
【００４６】
これにより、ＣＦＲＰ層１４の発熱により、ライナー１１を加熱することができるため、ガス放出時のガスの断熱膨張によるガス温度の低下に起因したライナー１１の温度の低下を抑制することができる。このため、ライナー１１を構成する樹脂の引張強度の低下が抑えられることにより、ライナー１１の熱収縮時に起因して、ライナー１１とＣＦＲＰ層１４との間に隙間が形成されたとしても、ガス放出完了後、再度ガスタンク１０にガスを充填する際に、ガス圧力によるライナー１１の損傷を防止できる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００４８】
例えば、温度測定部３３は、温度センサーのような温度検出するものに限定されず、温度を推定するものでよい。具体的には、温度測定部３３は、ガス流量計でガスの放出量を検出して、ガスタンク１０内のガス温度を推定してもよく、ガス圧測定器でガスタンク１０内のガス圧を測定して、図３（ａ）に示すようなガスタンク１０内の圧力から、ガス温度を推定してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１：温度制御システム、１０：ガスタンク、１１：ライナー、１４：ＣＦＲＰ層（炭素繊維強化樹脂層）、３１：電極部、３２：電源部、３３：温度測定部、３４：制御部
【図１】
2019044784.tif 000003
【図２】
2019044784.tif 000004
【図３】
2019044784.tif 000005
【図４】
2019044784.tif 000006