(57)【要約】【課題】被充填タンクに許容された圧力、流量により被充填タンクに損傷を与えることなく、高速に充填すること。【解決手段】ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンク１に供給管路１１を介して接続された充填ノズル１４と、供給管路１１に接続された流量計測手段３、流量調整弁、及び供給管路１１のガス圧を測定する圧力計測手段１５を備え、被充填タンクと供給タンク１との差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、流量調整弁４の弁開度が、流量計測手段３からの信号に基づいて算出されたガス流量と圧力計測手段１５により検出されたガス圧とに基づいて制御される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンクに供給管路を介して接続された充填ノズルと、前記供給管路に接続された流量計測手段、流量調整弁、及び前記供給管路のガス圧を測定する圧力計測手段を備え、被充填タンクと前記供給タンクとの差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、
前記流量調整弁の弁開度が、前記流量計測手段からの信号に基づいて算出されたガス流量と前記圧力計測手段により検出されたガス圧とに基づいて制御されるガス充填装置。
【請求項２】
充填時の流量が前記被充填タンクに定められている許容最高流量より多い場合、または充填時の圧力が被充填タンクに定められている許容最高圧力より高い場合には、前記流量調整弁の弁開度が絞られる請求項１に記載のガス充填装置。
【請求項３】
ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンクに供給管路を介して接続された充填ノズルと、前記供給管路に接続された流量計測手段、流量調整弁、及び前記供給管路の前記流量計測手段の上流と下流のガス圧を測定する第１、第２の圧力計測手段を備え、被充填タンクと前記供給タンクとの差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、
前記流量調整弁の弁開度が、前記第２の流量計測手段からの信号に基づいて算出されたガス流量と前記圧力計測手段により検出されたガス圧とに基づいて制御し、また充填量が指定された場合には、前記充填量よりも規定量少ない量までガスの充填が進行した時点で、前記第１、及び第２の圧力計測手段により測定された圧力の差分と、充填時の流量とによりガスの流れが差圧に支配されているのか、流速に支配されているを判定して、前記流量調整弁の弁開度を追加充填に適した小流量に調整するガス充填装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素燃料電池自動車などに搭載されたガスタンクに水素ガス、または水素リッチガスを充填する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素や天然ガスなどの高圧ガスの充填装置は、通常、圧縮機により所定圧力以上に昇圧されたガスをガス供給タンクに貯留してから、この高圧ガスを自動車の被充填タンクに差圧を利用して注入する方法が採用されている。
このようなガス充填装置の充填量の制御は、特許文献１に見られるように、被充填タンクへのガス充填開始から充填目標圧力に達するまで予め設定された圧力上昇率となるように制御弁の弁開度を制御すると共に、流量計により計測された流量が予め設定された所定の微小流量以下に減少した時点、つまり被充填タンクが満タンとなった時点でガスの充填動作を停止させるように構成されている。
【特許文献１】特開平９−７９４９６号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来装置では、圧力上昇率が一定に抑えられているものの、充填時の流量には制限がないため、断熱圧縮により被充填タンクの温度が急激に上昇し、被充填タンクやこれに接続されている配管に損傷を与える危険性がある。
一方、供給元であるガス供給タンクの圧力と被充填タンクとの差圧を利用する関係上、満充填の場合は、充填終了時の被充填タンクの圧力がそのタンクに決められた一定値であるのに対して、充填量を指定した充填においては、高速充填が終了した時点での被充填タンクの圧力が不定であるから、規定量に到達する以前に高速充填を停止して流量を絞った充填を実行しようとすると、圧力差が不定となり、したがって追加充填時の流速が不定となるため、誤差が大きくなるという問題がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的とするところは、被充填タンクの損傷を防止しつつ、しかも可及的に高速でガスを充填することができるガス充填装置を提供することである。
また本発明の第２の目的は、可及的に高い精度でプリセット充填が可能なガス充填装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために請求項１の発明は、ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンクに供給管路を介して接続された充填ノズルと、前記供給管路に接続された流量計測手段、流量調整弁、及び前記供給管路のガス圧を測定する圧力計測手段を備え、被充填タンクと前記供給タンクとの差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、前記流量調整弁の弁開度が、前記流量計測手段からの信号に基づいて算出されたガス流量と前記圧力計測手段により検出されたガス圧とに基づいて制御される。
これにより、被充填タンクに許容された圧力、流量により被充填タンクに損傷を与えることなく、高速に充填することができる。
また請求項３の発明は、ガスを予め所定の圧力で貯留した供給タンクに供給管路を介して接続された充填ノズルと、前記供給管路に接続された流量計測手段、流量調整弁、及び前記供給管路の前記流量計測手段の上流と下流のガス圧を測定する第１、第２の圧力計測手段を備え、被充填タンクと前記供給タンクとの差圧を利用してガスを充填するガス充填装置において、前記流量調整弁の弁開度が、前記第２の流量計測手段からの信号に基づいて算出されたガス流量と前記圧力計測手段により検出されたガス圧とに基づいて制御し、また充填量が指定された場合には、前記充填量よりも規定量少ない量までガスの充填が進行した時点で、前記第１、及び第２の圧力計測手段により測定された圧力の差分と、充填時の流量とによりガスの流れが差圧に支配されているのか、流速に支配されているを判定して、前記流量調整弁の弁開度を追加充填に適した小流量に調整するように構成されている。
これにより、被充填タンクに許容された圧力、流量により安全に充填することができ、またプリセット充填が指定された場合には、追加充填に適した流量を維持して充填でき、充填量の誤差を少なくすることができる。
【０００５】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明のガス充填装置の一実施例を示すもので、この実施例では許容充填最大圧力が異なる２種類の被充填タンクに対応できるように、高圧用充填ユニット１０と、低圧用充填ユニット２０が装備されている。
【０００６】
各ユニット１０、２０には、被充填タンクの許容充填最大圧力よりも所定圧力以上の圧力に図示しない圧縮機により昇圧されたガスをガス供給タンク１から高圧用供給元管路２によりコリオリ式ガス質量流量計等のガス流量計測手段３、流量調整弁４、遮断弁５、及び分岐管６を介して高圧ガスが供給されている。また高圧用供給元管路２には圧力計測手段７が接続されている。
【０００７】
一方、各ユニット１０（２０）は、分岐管６を介して高圧用供給元管路２に供給管路１１（２１）が接続され、遮断弁１２（２２）を介して高圧ホース１３（２３）により充填ノズル１４（２４）が接続されている。供給管路１１（２１）にはガスの圧力、及び温度をそれぞれ検出するための圧力計測手段１５（２５）、及び温度計測手段１６（２６）がそれぞれ設けられている。
【０００８】
制御装置３０は、屋外データ入出力装置４０、及びＰＯＳ５０とに接続され、屋外データ入出力装置４０の操作パネル４１によりプリセット充填が指定された場合には、流量計測手段３、圧力計測手段１５（２５）、及び圧力計測手段７からの信号を受けて流量調整弁４を制御して、表示器３１に充填量を表示するように構成されている。
【０００９】
次にこのように構成されたガス充填装置によるプリセット充填の動作を図２、図３に示したフローチャートに基づいて説明する。
屋外データ入出力装置４０の操作パネル４１によりプリセット充填を指定して（ステップ　イ）、プリセット量の入力が完了した時点で（ステップ　ロ）、ノズル１４を被充填タンクの充填口に装着する。これによりノズルスイッチ１７からオン信号が出力するため（ステップ　ハ）、制御装置３０は表示器３１を帰零する（ステップ　ニ）。なお、プリセット充填が指定されない場合には、ステップ（ハ）に移動する。
【００１０】
このようにして充填に必要な操作が完了した時点で操作パネル３２のスタートスイッチ３３を操作すると（ステップ　ホ）、制御装置３０は、遮断弁５、流量調整弁４、及び遮断弁１２を開弁し（ステップ　ヘ）、流量計測手段３、及び圧力計測手段１５からの信号に基づいて被充填タンクに流れ込むガスの流量（充填流量Ｆ）、及び被充填タンクに流れ込むガスの圧力（充填圧力Ｐ）を計測し、同時に単位時間当たりの流量変化ΔＦ、及び圧力変化ΔＰを演算する（ステップ　ト）。
【００１１】
充填流量Ｆが設定流量Ｆ０−ΔＦよりも少なく（ステップ　チ）、かつ充填圧力Ｐが設定圧力Ｐ０−ΔＰよりも低い場合（ステップ　リ）には、制御装置３０は流量調整弁４を開弁する（ステップ　ヌ）。
【００１２】
一方、充填流量Ｆが設定流量Ｆ０−ΔＦよりも高い場合には（ステップ　チ）、充填流量と許容最高流量とを比較し、充填流量が許容最高流量より低い場合には（ステップ　ル）、流量調整弁４を操作することなく、現在の状態を維持する。
同様に充填圧力Ｐが設定圧力Ｐ０−ΔＰよりも高い場合には（ステップ　リ）、充填圧力と許容最高圧力とを比較し、充填圧力が低い場合には（ステップ　オ）、流量調整弁４を操作することなく、現在の状態を維持する。なお、充填動作中に温度計測手段１６により基準値以上の温度が検出された場合には、制御装置３０は、遮断弁１２を閉弁させて被充填タンクの損傷を未然に防止する。
【００１３】
他方、充填流量が被充填タンクに定められている許容最高流量より多い場合（ステップ　ル）、または充填圧力が被充填タンクに定められている許容最高圧力より高い場合には（ステップ　オ）、制御装置３０は、流量調整弁４の弁開度を絞る（ステップ　ワ）。
【００１４】
ついで、充填圧力と設定圧とを比較して（ステップ　カ）、プリセット量に到達する以前に設定圧に到達する、つまり満タンとなった場合には、制御装置３０は遮断弁１２、流量調整弁４、及び遮断弁５を閉弁して、充填動作を終了する（ステップ　ヨ）。
【００１５】
一方、充填圧力と設定圧との比較の結果（ステップ　カ）、依然として設定圧に到達していない場合には、制御装置３０は、充填量がプリセット量から予め定められ一定分量だけ手前まで進んだか、否かを判断する（ステップ　タ）。
【００１６】
このようにしてプリセット量から一定分量だけ少ない量まで充填が進行すると、制御装置３０は、圧力計測手段７と圧力計測手段１５とで測定された圧力の差分、つまり差圧Ｐｄと、流量計測手段３の検出信号に基づいて充填流量Ｆを検出する（ステップ　レ）。これら差圧Ｐｄ、及び充填流量Ｆとに、無次元化定数Ａ（１／ＭＰａ）、Ｂ（ｍｉｎ／Ｋｇ）を乗算して、これらの差分Ｐｄ＊Ａ−Ｆ＊Ｂを算出して判定定数Ｃを求める（ステップ　ソ）。
【００１７】
判定定数Ｃは、プリセット充填のために流量を絞る際の状態、現在のガスの流れが差圧に支配されているのか、流速に支配されているのかの指標を示す定数となる。したがって、Ｃを所定値、この実施例では「０」と比較し（ステップ　ツ）、Ｃ≧０の場合、つまり差圧の影響が大きい場合にはＤ／Ｐｄ＊Ａとなるように流量調整弁４の弁開度を設定し（ステップ　ネ）、またＣ＜０の場合、つまり流量の影響が大きい場合にはＤ／Ｆ＊Ｂとなるように流量調整弁４の弁開度を設定する（ステップ　ナ）。
【００１８】
これにより、制御装置３０は、変動要因が大きい方のパラメータ（流量、差圧）を優先させて流量調整弁４の弁開度を設定し、被充填タンク側の配管などによる損失に左右されて、差圧が大きくても流量が小さい場合、また差圧が小さくても流量が大きい場合にも、プリセット量までの残りの追加充填に適した小流量で充填が可能となる。
【００１９】
この状態で制御装置３０は、流量計測手段３の検出信号に基づいて充填時の流速Ｆを、プリセット量までの追加充填に適した基準流量値Ｅと比較し（ステップラ）、充填流量Ｆが基準流量値Ｅより小さい場合には流量調整弁４の弁開度を一定量だけ大きくし（ステップ　ム）、また大きい場合には流量調整弁４の弁開度を一定量だけ小さくする（ステップ　ウ）という操作を繰り返して追加充填に適した一定の小流量での充填を実行する。これにより、追加充填時のガス量の誤差を可及的に少なくすることができる。
【００２０】
このようにしてプリセット量に到達する（ステップ　ヰ）と、制御装置は遮断弁１２、流量調整弁４、及び遮断弁５を閉弁して、充填動作を終了する（ステップ
タ）。
【００２１】
なお、上述の実施例においては、流量調整弁を高圧用供給元管路２に接続しているが、各ユニット１０（２０）のそれぞれの供給管路１１（２１）に接続しても同様の作用を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高圧ガス充填装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】同上装置の動作のうち、大流量での充填動作を示すフローチャートである。
【図３】同上装置の動作のうち、プリセット充填の際の小流量での充填動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　ガス供給タンク
２　高圧用供給元管路
３　ガス流量計測手段
４　流量調整弁
５　遮断弁
７　圧力計測手段
１０、２０　充填ユニット
１１（２１）　供給管路
１２（２２）　遮断弁
１３（２３）　高圧ホース
１４（２４）　充填ノズル
１５（２５）　圧力計測手段
１６（２６）　温度計測手段
１７（２７）　ノズルスイッチ
３０　制御装置
３１　表示器
３２　操作パネル
３３　スタートスイッチ
４０　屋外データ入出力装置
４１　操作パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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