(57)【要約】  加圧されたガス、具体的には加圧された水素で、タンク（１１）を充填するためのデバイスにおいて、加圧ガスの供給源（２）と供給源（２）からタンク（１１）へとガスを移送するための回路（３、１３）とを備え、移送回路（３、１３）が、供給源からのガスの圧力と温度とを、タンク（１１）を充填する目的のために決定されたそれぞれの値まで低くするために、ガスを膨張および冷却するための要素（４）を備えるデバイスは、ガス膨張冷却要素（４）が、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いてガスを膨張する冷凍機（１４）を備え、冷凍機（１４）には供給源（２）からのガスが選択的に供給されることと、タンク（１１）に供給される冷却および膨張されたガスの少なくとも一部が、冷凍機から抽出されることとを特徴とする。
2015511695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧されたガス、具体的には加圧された水素で、タンク（１１）を充填するためのデバイスにおいて、加圧ガスの供給源（２）と前記供給源（２）から前記タンク（１１）へとガスを移送するための回路（３、１３）とを備え、前記移送回路（３、１３）が、前記供給源からの前記ガスの圧力と温度とを、前記タンク（１１）を充填する目的のために決定されたそれぞれの値まで低くするために、前記ガスを膨張および冷却するための要素（４）を備えるデバイスであって、
前記ガス膨張冷却要素（４）は、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いて前記ガスを膨張する冷凍機（１４）を備え、前記冷凍機（１４）には前記供給源（２）からのガスが選択的に供給されることと、前記タンク（１１）に供給される冷却および膨張された前記ガスの少なくとも一部は、前記冷凍機（１４）から抽出されることとを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記冷凍機（１４）は熱音響膨張弁であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記冷凍機（１４）は「パルス管」膨張弁であることを特徴とする、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ガス膨張冷却要素（４）は、低温端部（１４４）を備える少なくとも１つの冷凍機（１４）を備えることと、前記タンク（１１）に供給される前記ガスの少なくとも一部は、前記低温端部（１４４）にあるガス出口から抜き取られることとを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ガス膨張冷却要素（４）は、低温端部（１４４）を備える少なくとも１つの冷凍機（１４）を備えることと、前記タンク（１１）に供給される前記ガスの少なくとも一部は、前記低温端部（１４４）以外の前記冷凍機（１４）の領域から抜き取られ、抜き取られた前記ガスは前記低温端部（１４４）との熱交換によって冷却されることとを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ガス膨張冷却要素（４）は、各々がスターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いて前記ガスを膨張および冷却する第１の冷凍機（１４）と第２の冷凍機（２４）とを備え、前記第１の冷凍機（１４）および前記第２の冷凍機（２４）の各々はそれぞれの低温端部（１４４、２４４）を備え、前記タンク（１１）に供給される前記ガスの少なくとも一部は、前記第１の冷凍機（１４）の前記低温端部（１４４）以外の領域から抜き取られ、ガスを前記第２の冷凍機（２４）へと供給し、前記タンク（１１）に供給される前記ガスの少なくとも一部は、前記第２の冷凍機（２４）の前記低温端部（２４４）から抜き取られることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の冷凍機（１４）の前記低温端部（１４４）は、前記第２の冷凍機（２４）の前記低温端部（２４１）以外の領域で、前記第２の冷凍機（２４）と熱交換関係にあることを特徴とする、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ガス膨張冷却要素（４）は、前記供給源からのガスが選択的に供給される再生機（１４１）と、前記再生機（１４１）に連結されたパルス管（１４２）と、前記パルス管（１４２）に連結された位相変化機構（１４６、１４５）とを備える少なくとも１つのパルス管冷凍機（１４）を備え、前記パルス管冷凍機（１４）は低温端部（１４４）と高温端部（１４３）とを備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
加圧されたガス、特に加圧された水素で、タンク（１１）を充填するための方法において、加圧されたガスの供給源（２）からの前記加圧されたガスは、ガス移送回路（３、１３）を介して前記タンク（１１）へと移送され、前記供給源（２）からの前記加圧されたガスは、充填される前記タンク（１１）に入る前に、膨張および冷却される方法であって、
前記供給源（２）からの前記高圧のガスは、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いて前記ガスを膨張する少なくとも１つの冷凍機（１４）を介して膨張および冷却されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの冷凍機（１４）には前記供給源（２）からのガスが選択的に供給されることと、前記タンク（１１）に供給される膨張および冷却された前記ガスは前記少なくとも１つの冷凍機（１４）を通過していることとを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
加圧されたガスの前記供給源（２）は、２００から１２００ｂａｒの間の圧力（Ｐ０）で前記ガスを収容する受容器を備えるか、および／または、２００から１２００ｂａｒの間の圧力で前記ガスを供給する圧縮機を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
１つまたは複数の前記冷凍機（１４）を満たす前に、前記供給源（２）から来る前記ガスの圧力は、前記供給源の前記圧力（Ｐ０）より低い例えば２０から１００ｂａｒといった、前記供給源（２）の前記圧力（Ｐ０）未満の第１の特定圧力（Ｐ１）に調節されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記冷凍機（１４）は、１００ｂａｒから３００ｂａｒの間の第２の特定圧力（Ｐ２）に前記ガスを膨張することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記タンク（１１）に供給される前記ガスの流量および／または温度は、前記第１の圧力の値（Ｐ１）と前記第２の圧力の値（Ｐ２）とを調節することで制御されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記供給源からの高圧（Ｐ０）の前記ガスは、前記少なくとも１つの冷凍機（１４）によって、−５０℃から−３０℃の間の温度まで冷却されることを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンクを充填するためのデバイスおよび方法に関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、加圧されたガス、具体的には加圧された水素で、タンクを充填するためのデバイスであって、加圧ガスの供給源とガスを供給源からタンクへと移送するための回路とを備え、移送回路が、供給源からのガスの圧力と温度とを、タンクを充填する目的のために決定されたそれぞれの値まで低くするために、ガスを膨張および冷却するための要素を備えるデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、具体的には、例えば３００から８００ｂａｒの間、例えば２００から１０００ｂａｒの間の圧力でタンクを充填するといった、高圧の水素ガスのタンクを充填することに適用する。
【０００４】
水素をエネルギー源として用いる自動車用途では特に、このようなタンクは比較的素早く（数分間で）充填される必要がある。水素の断熱圧縮は、タンクの構造的な特徴と両立し得ない加熱を引き起こす。しかしながら、このような加熱を制限するゆっくりとした（数十分間の）充填は、例えば、サービスステーションでの使用者の要求と両立しない。これらの理由のため、このようなタンクの充填は、慎重に制御される必要がある。
【０００５】
充填は、通常、タンクが「直列」で充填されることを可能にする１つまたは複数の圧縮機および／または緩衝容積を用いる。知られている解決策は、特に、高圧ガスがタンクに入って加熱を補償する前に、高圧ガスを冷却することを含んでいる。
【０００６】
冷却は、典型的には、冷却装置または液体窒素の貯蔵と冷却ループとを用いて実現される。
【０００７】
しかしながら、この機器は、比較的高価であり、十分に効率的な素早い充填を実現するように制御するのが難しい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一目的は、前述のような先行技術の欠点の一部または全部を軽減することである。この目的のために、本発明によるデバイスは、前述の技術分野で記載した包括的な定義に一致することに加えて、ガス膨張冷却要素は、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いてガスを膨張する冷凍機を備え、その冷凍機には供給源からのガスが選択的に供給されることと、タンクに供給される冷却および膨張されたガスの少なくとも一部は、冷凍機から抽出されることとを本質的に特徴とする。
【０００９】
この特徴は、特に、自動車用の水素配給ステーションで用いられるものなど、高圧タンクを素早く充填する場合に、非常に有益である。提案される本発明は、例えば１０００ｂａｒに加圧された供給源から例えば８５０ｂａｒまで、３分間未満で、空の自動車のタンクを水素で充填できる膨張および冷却を実現することを可能にする。この過程の間、冷凍機によって形成された膨張弁は、圧力エネルギーをガスから抽出することで低温ガスを供給し、それによって素早い充填によってタンクが加熱されるのを防止する。実際、既存の水素配給方法は、従来のエネルギー抽出を実施する膨張弁を用いて実施することはできないため、タンクの加熱は、冷却装置または液体窒素など、技術的および物流上の観点においてより高価でより複雑な冷却システムを用いて回避されている。提案される本発明は、この欠点を一部または完全に克服することができる。
【００１０】
「冷凍」または「冷凍機」は、特に極低温施設で用いられる、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いて、低温を生成するための熱力学過程を表している。
【００１１】
冷却設備では、サイクルガスが、最初に、理想的には大気温度で、等温で圧縮される。圧縮されたガスは、エネルギー抽出で膨張されて低温ガスを生成し、その低温ガスは、熱システムを冷却するために、または、段階的な冷凍機内の異なる温度段階に予冷却するために、冷却剤として用いられる。
【００１２】
クロードサイクル冷凍機およびその派生機は、ブライトンサイクルおよびジュールトムソンサイクルなどのいくつかの熱力学サイクルを組み合わせることができる。熱と電力とを生成するためのコジェネレーション設備では、通常実施されるこれらの方法のうちの１つは、ガスを膨張させる前に、ガスをより高い温度へと圧縮および加熱することを含んでいる。この場合、エネルギー抽出を伴う膨張は、ガスが、サイクル中に再噴射されるか、または、低温（例えば、３０℃から１００℃の間）で運転する熱システムのための熱伝達流体として用いられる前に、ガスをより低い温度レベルまで冷却させることができる。典型的には、高圧高温のガスは、高温で運転する用途のための熱伝達流体として用いられ、低温の膨張されたガスは、中程度の温度で運転する用途のための熱伝達流体として用いられる。
【００１３】
所与の圧力点からより低い圧力点へのエネルギー抽出を伴う膨張は、現在、２つの技術で実施されている。第１のものは回転機械（回転機構を備えるタービン）を含んでおり、第２のものは機械的な膨張弁（軸線方向の移動機構を備えるピストン）を含んでいる。ガスの体積膨張によって稼働される回転機構（タービン）または移動機構（ピストン）を移動することは、圧力エネルギーを力学的エネルギーへと変換することを可能にする。生成されたこの力学的エネルギーは、交換機を備えた圧縮システム、交流発電機を備えた電力システムを用いて熱の形態で再生できるか、または、適切な場合には、原動力として直接的に再生できる。圧力エネルギーのこの変換は、より低い圧力および温度のレベルで力学的エネルギーと低温ガスとを生成する。生成される力学的エネルギーがガスから抽出されるため、ガスは、より低いエネルギーレベルで膨張弁から出ていく。
【００１４】
前述の知られている膨張弁の主な欠点は、移動する部品および機構によって持ちこたえられ得る圧力低下の限界（通常は約１００ｂａｒまで）にある。この限界は、設備をより複雑にし、直列に配置されたいくつかの膨張弁にわたって圧力低下を段階的にすることを設備に要求する。提案される本発明は、この欠点を完全に克服することができる。
【００１５】
したがって、本発明は、スターリングサイクルまたはエリクソンサイクルを用いてガスの圧力エネルギーを変換することによって、エネルギーを抽出する技術を提案する。デバイスは、例えば以下の基準のうちの少なくとも１つにより、エネルギー抽出を伴う膨張を利用する。
【００１６】
−  供給ガスが、所与の圧力および温度で供給され、例えば完全に、より低い圧力および温度レベルへと膨張される。
【００１７】
−  変換された圧力エネルギーが、熱、電力、または、適切な場合には、原動力の形態で抽出される。
【００１８】
−  膨張されたガスは、冷凍設備における冷却剤として、または、コジェネレーション設備における熱伝達流体として使用できる。
【００１９】
−  このようにスターリングサイクルまたはエリクソンサイクルを用いて実施される膨張は、クロードサイクルおよびその派生サイクル、ブライトンサイクルおよびジュールトムソンサイクル、ゲイリュサックサイクル、ランキンサイクル、およびルノアールサイクルなどの従来から用いられる他の熱力学サイクル、または、エネルギーの抽出を伴う１つまたは複数の膨張を実施する任意の他の熱力学サイクルと組み合わせられてもよい。
【００２０】
本発明によるデバイスは、移動可能な機械部品の使用を制限することで１０００ｂａｒを超えない圧力低下を可能にする。
【００２１】
本発明はまた、冷凍、熱、および電力の組み合わされた生成のための冷却またはコジェネレーションの方法および設備にも関する。より具体的には、本発明は、ガスを所与の圧力レベルからより低い圧力レベルまで膨張し、熱または電力の形態で力学的エネルギーを抽出する冷凍またはコジェネレーション設備のための方法に関係し得る。熱または電力の形態でのエネルギーの抽出を伴うガスの膨張は、膨張したガスをより低い温度レベルまで冷却させる。
【００２２】
さらに、本発明の実施形態は、１つまたは複数の以下の特徴を有し得る。
【００２３】
−  冷凍機は熱音響膨張弁である。
【００２４】
−  冷凍機は「パルス管」膨張弁である。
【００２５】
−  ガス膨張冷却要素は、低温端部を備える少なくとも１つの冷凍機を備え、タンクに供給されるガスの少なくとも一部は、低温端部にあるガス出口から抜き取られる。
【００２６】
−  ガス膨張冷却要素は、低温端部を備える少なくとも１つの冷凍機を備え、タンクに供給されるガスの少なくとも一部は、低温端部以外の冷凍機の領域から抜き取られ、抜き取られたガスは前記低温端部との熱交換によって冷却される。
【００２７】
−  ガス膨張冷却要素は、各々がスターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いてガスを膨張および冷却する第１の冷凍機と第２の冷凍機とを備え、第１の冷凍機および第２の冷凍機の各々はそれぞれの低温端部を備え、タンクに供給されるガスの少なくとも一部は、第１の冷凍機の低温端部以外の領域から抜き取られ、ガスを第２の冷凍機へと供給し、タンクに供給されるガスの少なくとも一部は、第２の冷凍機の低温端部から抜き取られる。
【００２８】
−  第１の冷凍機の低温端部は、第２の冷凍機の低温端部以外の領域で、第２の冷凍機と熱交換関係にある。
【００２９】
−  ガス膨張冷却要素は、供給源からのガスが選択的に供給される再生機と、再生機に連結されたパルス管と、パルス管に連結された位相変化機構とを備える少なくとも１つのパルス管冷凍機を備え、パルス管冷凍機は低温端部と高温端部とを備える。
【００３０】
−  加圧ガスの供給源は、以下のもののうちの少なくとも１つを備える。
【００３１】
−  少なくとも１つの加圧ガスタンク。
【００３２】
−  充填されるタンクにガスが移送される相の前に実施される、ガス供給に連結されたガス圧縮要素。
【００３３】
−  加圧ガス供給源は、充填されるタンクにガスが移送される相の間に実施されるガス圧縮システムを備える。
【００３４】
−  ガス移送回路は、供給源と膨張冷却要素との間に、ガスの流れを選択的に制御するための少なくとも１つの弁、具体的には回転弁を備える。
【００３５】
−  ガス移送回路は、膨張冷却要素とタンクとの間に、ガスの流れを選択的に制御するための少なくとも１つの弁、具体的には回転弁を備える。
【００３６】
−  ガス移送回路は、膨張冷却要素とタンクとの間に、タンクに送られるガスの圧力を調整するための少なくとも１つの弁、具体的には、圧力を固定されたレベルまたは調節可能なレベルまで下げるための弁を備える。
【００３７】
−  ガス移送回路は、供給源と膨張冷却要素との間に、タンクから出力されたガスの圧力を、好ましくは供給源内の圧力レベルより低い５０ｂａｒといった、固定されたレベルまたは調節可能なレベルまで下げるように設計された減圧弁など、少なくとも１つの圧力調整弁を備える。
【００３８】
−  ガス膨張冷却要素は、具体的には、第１の冷凍機から抜き取られたガスを選択的に制御するために、直列に配置された第１の冷凍機と第２の冷凍機との間に配置され、第２の冷凍機にガスを供給するように意図された回転弁といった、移送弁を備える。
【００３９】
−  少なくとも１つの冷凍機の高温端部は、具体的には、放熱器および／またはフリゴリー（ｆｒｉｇｏｒｉｅｓ）貯蔵などの冷却装置が取り付けられた冷却ループといった、選択的な冷却器と熱交換関係にある。
【００４０】
−  少なくとも１つの冷凍機は、スターリング仕事サイクルまたはエリクソン仕事サイクルを実施する移動可能な機械的ピストン冷凍機である。
【００４１】
−  少なくとも１つの冷凍機は、共鳴する撓み軸受と協働する自由ピストン位相変化装置を備えたパルス管を備える。
【００４２】
−  少なくとも１つの冷凍機は、オリフィスまたはイナータンス管を介してパルス管に連結された緩衝タンク位相変化装置を備えるパルス管冷凍機を備える。
【００４３】
−  少なくとも１つの冷凍機は、同心構造を有するパルス管冷凍機、つまり、パルス管が再生機の周りに配置されたパルス管冷凍機を備える。
【００４４】
−  第１の冷凍機の低温端部以外の領域から抜き取られ、ガスを第２の冷凍機へと供給するガスの少なくとも一部は、第２の冷凍機に入る前に、第１の冷凍機の低温端部と熱交換されることで冷却され、タンクに供給されるガスは、第２の冷凍機の低温端部以外の位置から抜き取られ、第２の冷凍機から抜き取られたガスは、タンクに入る前に、第２の冷凍機の低温端部との熱交換を介して冷却される。
【００４５】
−  供給源は、２００ｂａｒから１２００ｂａｒの間、好ましくは４００ｂａｒから１０００ｂａｒの間の圧力で、少なくとも１つのガス貯蔵タンクを有する。
【００４６】
本発明は、加圧されたガス、特に加圧された水素で、タンクを充填するための方法において、加圧されたガスの供給源からの加圧されたガスは、ガス移送回路を介してタンクへと移送され、供給源からの加圧されたガスは、充填されるタンクに入る前に、膨張および冷却される方法であって、供給源からの高圧のガスは、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いてガスを膨張する少なくとも１つの冷凍機を介して膨張および冷却される方法にも関する。
【００４７】
他の可能な特徴には以下のようなものがある。
【００４８】
−  少なくとも１つの冷凍機には供給源からのガスが選択的に供給され、タンクに供給される膨張および冷却されたガスは少なくとも１つの冷凍機を通過している。
【００４９】
−  加圧されたガスの供給源は、２００から１２００ｂａｒの間の圧力でガスを収容する受容器を備えるか、および／または、２００から１２００ｂａｒの間の圧力でガスを供給する圧縮機を備える。
【００５０】
−  １つまたは複数の冷凍機に供給する前に、供給源から来るガスの圧力は、供給源の圧力より低い例えば２０から１００ｂａｒといった、供給源の圧力未満の第１の特定圧力に調節される。
【００５１】
−  冷凍機は、１００から３００ｂａｒの間の第２の特定圧力にガスを膨張する。
【００５２】
−  タンクに供給されるガスの流量および／または温度は、第１の圧力の値と第２の圧力の値とを調節することで制御される。
【００５３】
−  供給源からの高圧のガス（Ｐ０）は、少なくとも１つの冷凍機によって、−５０℃から−３０℃の間の温度まで冷却される。
【００５４】
−  加圧されたガスの供給源は加圧されたガスを送り、加圧されたガスの圧力は、ガスが充填されるタンクに移送されるにつれて徐々に増加する。
【００５５】
本発明は、上記または下記の特徴の任意の組み合わせを含む代替のデバイスまたは方法にも関し得る。他の特徴および利点が、図を参照しつつ、以下の説明で提示される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明による充填デバイスの第１の例の構造および運転を示す部分的な概略図。
【図２】図１の設備の冷凍機の３つの可能な変形形態の構造の概略図。
【図３】図１の設備の冷凍機の３つの可能な変形形態の構造の概略図。
【図４】図１の設備の冷凍機の３つの可能な変形形態の構造の概略図。
【図５】図１の充填設備内でガスによって被られ得る可能な熱力学サイクルを示す概略図。
【図６】本発明による第２の例の充填デバイスの構造および運転を示す部分的な概略図。
【図７】本発明による第３の例の充填デバイスの構造および運転を示す部分的な概略図。
【図８】図７の設備を用いる充填運転の間の充填ガスの流量および温度の曲線の例を示す図。
【図９】図７の設備を用いる充填運転の間に充填されるタンクのガスの圧力および温度の曲線の例を示す図。
【図１０】運転の例を示す図７の設備の詳細を示す図。
【図１１】図７および図９の充填デバイス内でガスによって被られ得る可能な熱力学サイクルを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図１に示される加圧されたガスで容器１１を満たすためのデバイスは、例えば２００から１２００ｂａｒの間の圧力で水素ガスを貯蔵する１つまたは複数のタンクといった、加圧されたガスの供給源２と、ガスを供給源２から充填される少なくとも１つのタンク１１へと移送するための回路３、１３とを備えている。充填されるタンク１１は、例えば、自動車の一部である。
【００５８】
必然的に、代替として、あるいは、１つまたは複数のタンクに加えて、供給源２は、１つまたは複数の圧縮機、あるいは、加圧されたガスを供給するための任意適切な他の要素を含んでもよい。
【００５９】
移送回路３、１３は、供給源からのガスの圧力および温度を、タンク１１を充填する目的のために設定されたそれぞれの値まで低くするように設計されたガス膨張冷却要素４を備えている。ガス膨張冷却要素４は、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを用いてガスを膨張する冷凍機１４を備えている。示した例では、膨張冷却要素４は、パルス管冷凍機１４である。このようなパルス管冷凍機１４は、従来から、一方の先端に供給源２からのガスが選択的に供給される再生機１４１を備えている。再生機１４１の第２の先端はパルス管１４２に連結されている。緩衝タンク１４６は、弁１４５を介して制御されるオリフィスを介してパルス管１４２に連結されている。
【００６０】
パルス管の動作原理は次のとおりである。再生機１４１には、ガスを圧縮／膨張の連続に曝すように決定される流量および圧力での変化を伴うガスが供給される。再生機１４１は、サイクル間にガスから熱量を吸収する（例えば、再生機の一方の先端に配置された高温熱交換器を用いて吸収する）、サイクルの別の部分の間に熱量をガスに供給する（例えば、再生機またはパルス管の他方の先端に配置された低温熱交換機を用いて供給する）。緩衝タンク１４６は、パルス管１４２の端部における圧力振動に応じて、ガスをパルス管１４２へと供給するか、または、ガスをパルス管１４２から受け入れる。弁１４５は、緩衝タンク１４６とパルス管１４２との間で、圧力振動の進行における位相変化を確実にするオリフィスを形成する。パルス管１４２は、内部のガスの温度が圧力と共に変化するように、外部から熱的に遮断されている。ガスは、パルス管１４２の低温端部１４４で比較的低温（例えば、−５０℃から−３０℃の間）に達し、パルス管１４２の高温端部１４３において比較的高温（例えば、３０℃から６０℃の間）に達する。
【００６１】
冷凍機１４には、供給源２からのガスが、例えば回転弁といった上流弁５を介して、選択的に供給されて、冷凍機１４内に圧力振動（例えば、正弦波）を生成する。
【００６２】
図示されるように、冷凍機１４は、低温の膨張されたガスを充填されるタンク１１に選択的に供給する下流管１３を満たすオリフィスを低温端部１４４に有している。つまり、タンク１１を充填するように意図された冷凍機１４によって膨張および冷却されたガスが、パルス管１４２から抽出される。冷凍機１４を充填される１つまたは複数のタンクへと選択的に連結する下流管１３は、好ましくは、例えば回転弁といった、下流制御弁６を備えている。つまり、冷凍機１４は、タンク１１に供給されたガスを埋め合わせるために供給源２によってガスが再供給されなければならないため、開回路として作用する。
【００６３】
この構造は、供給源２から来るガス（例えば、初期周囲温度、および、５００ｂａｒから１０００ｂａｒの間の初期圧力）を、より冷たい温度でより低い圧力（例えば、−５０℃から−４０℃の温度、および、１００ｂａｒから３００ｂａｒの間の圧力）へと膨張および冷却することを可能にする。
【００６４】
これは、１つまたは複数のタンク１１の素早い充填と両立する効率的な膨張および冷却を可能にする。
【００６５】
図５は、充填デバイスの冷凍機１４によって実施され得る例の熱力学サイクル（容積Ｖの関数としての圧力Ｐ）を示している。例えば、ガスは４５℃において（図５の参照符号Ａ）冷凍機に入り、そして圧縮される。次に、ガスは等積膨張を被る（点Ｂへと向かう）。さらに、ガスは、仕事Ｗ（熱量または機械的）が冷凍機の外部に供給される膨張（図５の符号Ｂから符号Ｃへと向かう）を被る。膨張された冷却ガス（例えば−４０℃、図５の符号Ｄを参照）は抽出されてタンク１１を充填する。サイクルの残りのガスは等積で圧縮され、供給源２からのガスがサイクル中に噴射され、（Ａ）を再開する。
【００６６】
必然的に、パルスガスの冷凍機１４は、スターリング熱力学サイクルまたはエリクソン熱力学サイクルを実施する任意の他の種類の冷凍機によって置き換えられ得る。
【００６７】
図２は、例を用いて、パルス管冷凍機ではなく、移動可能な機械的なピストン１５１を備えた機構１５を有する冷凍機である冷凍機１４を示している。つまり、ガスは、摺動するピストン１５１と接触しており、ピストン１５１のロッドは、電力を発生するように意図された電力発生電気回路に接続された軸受１５２とつなげられている。上記のように、冷凍機１４は、ガスにスターリングサイクルまたはエリクソンサイクルを適用する。ガスは、例えば、上流弁５を介して導入され、下流弁６を介して低温端部において下流に抽出される。
【００６８】
図３は、緩衝タンク１４６と、連結するオリフィス（弁１４５）とを備えた位相変化機構が、バネ２１６によって保持された自由ピストン１１６を備える別の位相変化機構１６によって置き換えられていることにおいてのみ、図１のものとは異なる別のパルス管冷凍機１４を示しており、その自由ピストン１１６は、電気回路１１５に連結された軸受３１６に電気的につなげられている。
【００６９】
最後に、図４は、連結するオリフィス（弁１４５）が、インタータンス、つまり長尺の管、すなわち直径が小さく長さが長くなっている管（直径／長さの比が１００から１０，０００の間）によって置き換えられていることにおいてのみ、図１のものとは異なる別のパルス管冷凍機１４を示している。
【００７０】
図６は、ガス膨張冷却要素４が、直列に配置された２つのパルス管冷凍機１４、２４を備えている本発明の別の実施形態を示している。第１の冷凍機１４には、弁５が取り付けられた上流管３を介して、供給源２から高圧のガスが供給される。第１の冷凍機は、例えば、低温端部１４４と高温端部１４３とを備えた知られている同心構造を備えている。つまり、パルス管１４２は、再生機１４１の周りに同心で配置されている。前述のように、第１の冷凍機１４は、例えば、緩衝タンク１４６と、例えば弁１４５によって制御されるオリフィスとを備える位相変化システムを備えている。第１の冷凍機１４を通過したガスは、第１の弁１４１に取り付けられた出口管４１を介して、冷凍機１４の入口から抽出される。出口管４１は、例えば第２の弁１４２を介して、第２の冷凍機２４の入口に連結される。さらに、出口管４１は、ガスを第２の冷凍機２４に供給する前に、第１の冷凍機１４の低温端部１４４と熱を交換する。第２の冷凍機２４は、例えば、同心構造も有している。つまり、パルス管２４２が再生機２４１の周りに同心で配置されている。さらに、第２の冷凍機２４は、例えば、緩衝タンク２４６と、例えば弁２４５によって制御されるオリフィスとを備える位相変化システムを備えている。第２の冷凍機２４は、低温端部２４４と高温端部２４３とを備えている。ガスは、下流弁６が取り付けられた下流管１３を介して、第２の冷凍機２４の入口先端から抽出される。下流管１３は、タンク１１を充填するために、タンク１１を選択的に満たす。下流管１３は、１つまたは複数のタンク１１に供給する前に、第２の冷凍機２４の低温端部２４４との熱交換を被る。
【００７１】
言い換えれば、供給源２からのガスは、直列に配置された２つのパルス管冷凍機１４、２４を介して２段階の膨張／冷却を用いて膨張および冷却される。図１の実施形態と異なり、ガスは、冷凍機１４、２４の低温端部１４４、２４４から抽出されず、これらの低温端部で熱交換を被る。これは、タンク１１を充填するために、供給源から来るガスを膨張および冷却することを可能にする。
【００７２】
必然的に、変形形態として、図６に示されるような熱交換の代わりに、第１の冷凍機１４および／または第２の冷凍機から抜き取られたガスが、対応する冷凍機の低温端部１４４、２４４から抜き取られ得る。
【００７３】
さらに、図６の構造は、単一の冷凍機を（直列の２つに代えて）備え得る。
【００７４】
図７は、別の可能な代替の実施形態を示している。
【００７５】
図７の実施形態では、ガス膨張冷却要素４は、２つの冷凍機１４、２４を備えている。第１の冷凍機は、パルス管冷凍機であり、例えば回転弁といった弁５が取り付けられた上流管３を介して、加圧されたガス（例えば、８００ｂａｒから１０００ｂａｒの間）の供給源２からガスが供給される。上流管３は、好ましくは、供給源２と弁５との間に位置付けられた膨張弁などの圧力調整弁７を備える。この圧力調整弁７は、特定圧力Ｐ１（例えば、８００ｂａｒから９００ｂａｒの間）で第１の冷凍機１４に供給されたガスの圧力を選択的に調整する。第１の冷凍機１４は、再生機１４１とパルス管１４２とを備え、また、低温端部１４４と高温端部１４３とを有する。パルス管１４２は、オリフィスを形成する弁１４５を介して、タンク１４６が設けられた位相変化システムに連結されている。
【００７６】
第２の冷凍機２４もパルス管冷凍機である。第２の冷凍機２４は、再生機２４１とパルス管２４２とを備え、また、低温端部２４４と高温端部２４３とを有する。パルス管２４２は、オリフィスを形成する弁２４５を介して、タンク２４６が設けられた位相変化システムに連結されている。
【００７７】
第１の冷凍機１４および第２の冷凍機２４の高温端部１４３、２４３は、例えば、放熱器１９および／またはフリゴリー貯蔵などの冷却装置が取り付けられた冷却剤ループ９といった、単一の冷却システムに連結され得る。ループの冷却流体は、例えばポンプ２９を介して、高温端部１４３、２４３との熱交換を被る。
【００７８】
第２の冷凍機２４には、例えば回転弁といった移送弁８が取り付けられた出口管４１を介して、第１の冷凍機１４からガスが供給される。より具体的には、第２の冷凍機２４には、第１の冷凍機１４の入口先端からガスが供給される。つまり、ガスは、図７において矢印で表される、第１の冷凍機の再生機１４１の内部の開回路を通って流れる。さらに、第１の冷凍機１４のパルス管１４１では、ガスは、図７において矢印のループで表される閉サイクルをもたらす。
【００７９】
冷却されて膨張されたガスは、第２の冷凍機２４の低温端部２４１から抽出される。この冷却されて膨張されたガスは、例えば回転弁といった弁６が取り付けられた下流管１３を介して、１つまたは複数のタンク１１を満たす。図示されるように、下流管１３は、好ましくは、特定圧力（例えば、１００ｂａｒから２００ｂａｒの間）でタンク１１に供給されるガスの圧力Ｐ３を制御または安定させるために、減圧弁などの圧力調整弁１８も備えている。
【００８０】
この構造は、素早い高圧の充填のために意図された冷却された高圧ガスの供給をも可能にする。
【００８１】
図１０は、可能な運転の例を示す図７のデバイスの詳細を示している。
【００８２】
車両のタンク１１は、３分間未満で、水素ガスで充填され得る。例えば、タンク１０は初期状態においては空であり（初期圧力１０ｂａｒ）、その圧力は７００ｂａｒまで増加される必要がある。この運転は、水素をタンク１１で圧縮することを含む。これは、タンク１１のかなりの加熱を引き起こす。この温度上昇を補償するために、１つの解決策は、例えば−４０℃といった冷却ガスでタンクを満たすことを含んでいる。この場合、例えば、タンク１１のガスの温度は８０℃を超えることはない。
【００８３】
充填方法は、例えば１０００ｂａｒに達し得る、非常に高圧の貯蔵施設からタンク１１へと水素ガスを移送することを含み得る。
【００８４】
図７および図１０に示されるように、デバイスは、特定圧力差Ｐ１−Ｐ２（膨張冷却要素４の入口での圧力Ｐ１と、膨張冷却要素４の出口での圧力Ｐ２との間の差）を作り出す。膨張冷却要素４によって供給される質量流量は、上流弁５、移送弁８、および下流弁６の開／閉速度（回転）に依存する。
【００８５】
膨張冷却要素４によって供給されるこの質量流量は、上流圧力Ｐ１にも依存する。
【００８６】
冷凍出力、つまり、低温ガスを供給する能力は、入口と出口との間の圧力比Ｐ１／Ｐ２に依存する。
【００８７】
タンク１１へのガス供給の流量および温度を制御するために、入力圧力設定値Ｐ１および出力圧力設定値Ｐ２は、上流調整弁７および下流調整弁１８を用いて調整され得る。
【００８８】
上流弁５、移送弁８、および下流弁６の回転速度も、圧力設置値Ｐ１／Ｐ２が不十分である場合、流量を制御するために調整され得る。
【００８９】
充填する例は、図７を参照しつつ以下に説明される。充填する前、調整弁（膨張弁）７および１８は閉じられている。供給源２の圧力は、例えば最大であり、典型的には１０００ｂａｒである。
【００９０】
第１の位相で、上流調整弁７は、例えば８００ｂａｒといった特定圧力設定値Ｐ１で開けられ、一方、下流調整弁１８は閉じられたままである。この場合、要素４は設定値圧力Ｐ１で充填されている。
【００９１】
そして、上流弁５、移送弁８、および下流弁６は、特定の周波数（例えば、５０Ｈｚの回転周波数）で開／閉される。
【００９２】
下流調整弁１８が閉じられるとき、入力Ｐ１と出力Ｐ２との間で圧力差はない（つまり、Ｐ１−Ｐ２＝０）。結果として、ガスはタンク１１へと流れない。つまり、上流弁５、移送弁８、および下流弁６は、ガスを出力することなく回転する。
【００９３】
そして、下流調整弁１８が、特定圧力設定値Ｐ２（例えば４００ｂａｒ）で開けられる。膨張冷却要素４の上流と下流との間の圧力差Ｐ１−Ｐ２が確立される。つまり、膨張冷却要素４は、次に、加圧されたガスの流れをタンク１１に供給している。
【００９４】
充填されるタンク１１の圧力Ｐ３は増加する。充填されるタンク１１内の圧力Ｐ３は、下流調整弁１８の下流で、圧力設定値Ｐ２を超える可能性がある。この瞬間から、下流調整弁１８が完全に開いているとしても、膨張冷却要素４から出力された圧力Ｐ２は増加する。これは、膨張冷却要素４の冷凍出力と流量とを減少させる。さらに、供給源２におけるガスの圧力が低下する。したがって、供給源２における圧力は、上流調整弁７の圧力設定値Ｐ１未満に低下し得る。これが起こる場合、上流調整弁７が完全に開いていたとしても、上流圧力Ｐ１は低下する。これは、膨張冷却要素４の冷却能力と流量とをも減少させる。
【００９５】
膨張冷却要素４の冷却能力および流量の低下を補償するために、弁５、８、６の回転速度が増加され得る。実際、圧縮／膨張の連続の頻度の増加は、膨張冷却要素４から出力されるガス流量を増加させることを可能にする。
【００９６】
反対に、冷凍出力の低下は、弁５、８、６をこの方法で対応することでは補償されない。つまり、膨張冷却要素４は、より低温なガスをタンク１１に供給していく。
【００９７】
この現象は図８に示されており、図８は、膨張冷却要素４によってタンクへと供給されるガスの流量Ｄ（グラム／秒）および温度Ｔ３（℃）の例示の曲線を、充填されるタンク１１の圧力Ｐの関数として示している。したがって、タンク１１の圧力Ｐ３がおおよそ４００ｂａｒに達する場合、充填ガスの流量Ｄが低下し、充填ガスの温度Ｔ３が上昇する。
【００９８】
図９は、充填の間のタンク１１内部のガスの圧力Ｐ３（ｂａｒ）の変化と温度Ｔ３（℃）の変化とを示している。図７は、膨張冷却要素４が、３分間未満でタンク１１の高圧（８００ｂａｒ）を、それによって過度な高温（温度が充填の完了時に８０℃を超えない）に達することなく達成することをどのように可能にしているかを示している。
【００９９】
図１０は、図７における膨張冷却要素４の運転の例の概略図である。この膨張冷却要素４は、２つのガスの冷凍段階と膨張段階とを形成する２つの冷凍機１４、２４を備えている。第１の冷凍機１４は、従来のように運転するパルス管冷凍機である一方で、第２の冷凍機２４は、パルス管冷凍機でもあり、事実上はガス膨張要素である。
【０１００】
第１の冷凍機１４は、第２の冷凍機２４の予冷却交換器の低温熱交換器を冷却するために用いられる。つまり、第１の冷凍機１４の低温端部１４４は、第２の冷凍機２４の再生機２４１に強固に接続された高温熱交換器と熱交換関係にある。
【０１０１】
供給源から来るガスは、例えば１０００ｂａｒといった圧力Ｐ１および周囲温度（例えば３０℃）で、上流３に到達する。上流弁５は、ガスが第１の冷凍機１４に入るのを許容する。ガスの一部は、移送弁８に取り付けられた出口管４１を介して、同じ温度（３０℃）であってより低い圧力（例えば６００ｂａｒ）で、第１の冷凍機１４を出ていく。
【０１０２】
そのため、第１のパルス管冷凍機１４の内部は、６００ｂａｒから１０００ｂａｒへと変化する圧力波に曝される。
【０１０３】
ガスがパルス管冷凍機１４に入るとき、および、パルス管冷凍機１４から出るとき、パルス管冷凍機１４の失われた圧力エネルギーは熱エネルギーへと変換され、高温端部１４３の高温熱交換器から抜き取られる。このエネルギーの抽出は、低温端部交換器１４４を冷却する。図１０に示されるように、第１の冷凍機の低温端部１４４は、第２の冷凍機２４の再生機２４１と熱交換関係にあり、それによって、第２の冷凍機２４に入るガスから熱量を吸収する。冷凍機１４１の周囲の高温部が開放されているが、第１の冷凍機のパルス管１４２の低温部は閉塞されている。つまり、低温ガスはパルス管１４２から出ていくことはない。そのため、第２の冷凍機２４らを満たすために第１の冷凍機１４の上部から出ていくガスは、再生機１４１のため、入ってくるガスと同じ温度である。そのため、パルス管１４２の段階は低温ガスを提供しない。
【０１０４】
そのため、ガスは、入力圧力Ｐ１と出力圧力Ｐ２との間の中間圧力（例えば６００ｂａｒ）で第２の冷凍機２４に入る。このガスは、より低い温度（例えば−４０℃）で、かつ、より低い出力圧力Ｐ２（例えば４００ｂａｒ）で第２の冷凍機２４を出ていく。そして、第２の冷凍機２４は、４００ｂａｒから６００ｂａｒへと変化する圧力波に曝される。
【０１０５】
第２の冷凍機２４へと戻るガスは、第１の冷凍機１４の低温端部によって冷却された交換器によって、最初に中間温度（−２０℃）へと冷却される。そして、圧力エネルギーが、第２の冷凍機２４のパルス管２４１でこのガスから抽出される。そして、ガスはより低い温度（−４０℃）で出力される。そして、第２の冷凍機２４の低温部は、第１の冷凍機１４と異なり、完全に開かれる。
【０１０６】
２つの冷凍機の高温熱交換器において熱として抽出されたエネルギーは、例えば、水循環ループ９と放熱器１９または冷却装置とを用いて、抽出され得る（例えば、水を３０℃から７０℃へと加熱する）。
【０１０７】
圧力波は、弁５、８、６を用いて、冷凍機１４、２４で同期され得る。上流弁５および下流弁６は同時に開けられる一方で、移送弁８は閉じられる。また、逆も同様である。弁５、６、８が開けられるとき、共に接続される機械の容量によって、ガス流が発生される。これは、圧力の均衡と質量の移動とをもたらす。所与の周波数での弁５、６、８の回転は、低周波数ではほぼ方形で、高周波数ではほぼ正弦の圧力波を生成する。
【０１０８】
図１１は、図７のデバイスによって実施され得る熱力学サイクル（容積Ｖの関数としての圧力Ｐ）の概略図である。
【０１０９】
例えば、ガスは４５℃において（図１１の参照符号Ａ）第１の冷凍機１４に入り、そして圧縮される。次に、ガスは等積膨張を被る（点Ｂへと向かう）。さらに、ガスは、仕事Ｗ（熱量または機械的）が冷凍機の外部に供給される膨張（図１１の符号Ｂから符号Ｃへと向かう）を被る。第１の冷凍機１４からのガスは、第２の冷凍機２４を満たす（符号Ｄおよび符号Ｅを参照）。フリゴリーが第１の冷凍機から第２の冷凍機２４へと供給される（参照符号４４）。ガスは、第２の冷凍機２４において仕事サイクルを実施する（符号Ｅから符号Ｃに圧縮し、次に等積膨張が起こり、そして、最後に低温（符号Ｇ、−４０℃）で抽出される前にエネルギー抽出Ｗを伴う膨張Ｆ）。
【０１１０】
本発明によるデバイスは、回転弁または分配器によって制御されるとともに、通常のスターリング機械によって従来から用いられる内部分で実施され得る圧縮／膨張波を、有利に使用する。
【０１１１】
本発明によるデバイスは、冷凍機の外部への低温ガスの流れを作り出すことなど、低温部でゼロでない適度なガス流を作り出すことを可能にし、これが冷凍機での圧力を低下させる。
【０１１２】
スターリングサイクルおよびエリクソンサイクルで必要とされる圧縮／膨張サイクルは、ガスが流れるにつれて冷凍機に導入される、ガスの異なる部分によって実施される。これは膨張機能を提供する。ギフォードマクマホンサイクルおよびソルベイクライオクーラーと同様の設計構造を試みたが、提案された本発明は、閉回路における圧力振動および流量振動の代わりに、パージ（膨張）サイクルと充填（圧縮）サイクルとを低温部で用いる圧縮／膨張波を生成し、これが異なる動作原理を象徴している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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