(57)【要約】【課題】本発明は、圧力容器のライナーの検出温度に基づく内部温度の推定精度を、さらに高めた圧力容器の内部温度推定方法を提供する。【解決手段】演算装置５０が、ライナー温度センサ１４により検出されたライナー１１の温度を、予め設定されたライナー１１の温度と水素ガスタンク１０の内部温度との相関マップに適用して、該検出されたライナーの温度に対応する内部温度を算出する対応内部温度算出工程と、演算装置５０が、前記対応内部温度算出工程で算出された水素ガスタンク１０の内部温度を、圧力センサの検出圧力と周囲温度センサ３０の検出圧力とを用いて補正して、水素ガスタンク１０の内部温度の推定値を算出する内部温度推定値算出工程とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガスが貯留されるライナーと、該ライナーの外周を覆うシェルとを備えた圧力容器の内部温度の推定値を、演算装置を用いて算出する圧力容器の内部温度推定方法であって、
前記演算装置が、ライナー温度センサにより検出された前記ライナーの温度を、予め設定された前記ライナーの温度と前記圧力容器の内部温度との相関データに適用して、該検出された前記ライナーの温度に対応する前記圧力容器の内部温度である、対応内部温度を算出する対応内部温度算出工程と、
前記演算装置が、前記対応内部温度算出工程で算出された前記対応内部温度を、前記圧力容器の内部圧力を検出する圧力センサの検出圧力と、前記圧力容器の周囲温度を検出する周囲温度センサの検出圧力とのうちの少なくともいずれか一方を用いて補正して、前記圧力容器の内部温度の推定値を算出する内部温度推定値算出工程
とを含むことを特徴とする圧力容器の内部温度推定方法。
【請求項２】
請求項１記載の圧力容器の内部温度推定方法において、
前記内部温度推定値算出工程における前記内部圧力を用いた補正は、
前記演算装置が、所定期間の開始時点での前記圧力センサの検出圧力と、該所定期間の終了時点での前記圧力センサの検出圧力と、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度とに基づいて、該所定期間での前記圧力容器の内部圧力の変化に応じた圧力対応補正値を算出し、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度に、該圧力対応補正値を加算するものであることを特徴とする圧力容器の内部温度測定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の圧力容器の内部温度推定方法において、
前記内部温度推定値算出工程における前記周囲温度を用いた補正は、
前記演算装置が、所定期間における前記周囲温度センサの検出温度と、該所定期間の開始時点での前記ライナー温度センサの検出温度との温度差、又は、該所定期間における前記周囲温度センサの検出温度と、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度との温度差に基づいて、前記圧力容器の周囲温度と内部温度との温度差に応じた周囲温度対応補正値を算出し、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度に、該周囲温度対応補正値を加算するものであることを特徴とする圧力容器の内部温度測定方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の圧力容器の内部温度測定方法において、
前記内部温度推定値算出工程における前記内部圧力と前記周囲温度とを用いた補正は、
前記演算装置が、前記圧力センサの検出圧力を用いて算出した圧力対応補正値と、前記周囲温度センサの検出圧力を用いて算出した周囲温度対応補正値とを、所定の重み付けを行って加算した総補正値を、前記対応内部温度算出工程で算出された前記対応内部温度に加算するものであることを特徴とする圧力容器の内部温度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライナーとライナーの外周を覆うシェルを有する圧力容器の内部温度推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ガス遮蔽性を有するライナーとライナーの外周を覆う耐圧性を有するシェルとから構成され、高圧のガス（例えば、燃焼電池の燃料として使用される水素ガス）が充填される圧力容器に対して、内部温度を測定する際には、温度センサを圧力容器内に配置し、この温度センサのハーネスをライナーとシェルとを貫通する貫通孔を通して圧力タンクの外部に引き出して、貫通孔を樹脂封止する構成が採用されている。
【０００３】
しかし、上記構成では、貫通孔の封止部分の耐圧性が低くなることが避けられず、高圧のガスを充填したときに封止部分と貫通孔との隙間から、ガス漏れが生じるおそれがある。
【０００４】
そこで、温度センサを、圧力容器の内部ではなくシェル内にライナー外表面と接触させて配置し、予め測定された圧力容器内の温度とライナー外表面の温度との関係に基づいて、この温度センサによる検出温度から、圧力容器の内部温度を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記特許文献１に記載された方法によれば、圧力容器に温度センサ用の貫通孔を設けることなく、圧力容器の内部温度を精度良く検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７００５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、圧力容器のライナーの検出温度に基づく内部温度の推定精度を、さらに高めた圧力容器の内部温度推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、内部にガスが貯留されるライナーと、該ライナーの外周を覆うシェルとを備えた圧力容器の内部温度の推定値を、演算装置を用いて算出する圧力容器の内部温度推定方法に関する。
【０００９】
そして、前記演算装置が、ライナー温度センサにより検出された前記ライナーの温度を、予め設定された前記ライナーの温度と前記圧力容器の内部温度との相関データに適用して、該検出された前記ライナーの温度に対応する前記圧力容器の内部温度である、対応内部温度を算出する対応内部温度算出工程と、前記演算装置が、前記対応内部温度算出工程で算出された前記対応内部温度を、前記圧力容器の内部圧力を検出する圧力センサの検出圧力と、前記圧力容器の周囲温度を検出する周囲温度センサの検出圧力とのうちの少なくともいずれか一方を用いて補正して、前記圧力容器の内部温度の推定値を算出する内部温度推定値算出工程とを含むことを特徴とする（第１発明）。
【００１０】
第１発明によれば、前記対応内部温度算出工程において、前記演算装置が、前記ライナーの検出温度に対応する前記圧力容器の内部温度を算出する。そして、前記圧力容器の内部圧力が変化すると、この変化に応じて前記圧力容器の内部温度も変化する。また、前記圧力容器の内部温度と周囲温度との差があると、前記圧力容器の内部と外部との間の熱交換により、前記圧力容器の内部温度が変化する。
【００１１】
そこで、前記内部温度推定値算出工程において、前記演算装置は、前記圧力容器の内部圧力を検出する圧力センサの検出圧力と、前記圧力容器の周囲温度を検出する周囲温度センサの検出圧力とのうちの少なくともいずれか一方を用いて補正して、前記圧力容器の内部温度の推定値を算出する。これにより、前記圧力容器の内部温度の推定値を前記ライナー温度センサの検出温度に基づいて算出するときの推定精度を高めることができる。
【００１２】
また、第１発明において、前記内部温度推定値算出工程における前記内部圧力を用いた補正は、前記演算装置が、所定期間の開始時点での前記圧力センサの検出圧力と、該所定期間の終了時点での前記圧力センサの検出圧力と、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度とに基づいて、該所定期間での前記圧力容器の内部圧力の変化に応じた圧力対応補正値を算出し、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度に、該圧力対応補正値を加算するものであることを特徴とする（第２発明）。
【００１３】
第２発明によれば、前記所定期間における前記圧力容器の内部圧力の変化に応じた前記圧力対応補正値を用いることにより、内部圧力の変化に伴う前記圧力容器の内部温度の上昇／下降分を補正して、前記圧力容器の内部温度の推定精度を高めることができる。
【００１４】
また、第１発明又は第２発明において、前記内部温度推定値算出工程における前記周囲温度を用いた補正は、前記演算装置が、所定期間における前記周囲温度センサの検出温度と、該所定期間の開始時点での前記ライナー温度センサの検出温度との温度差、又は、該所定期間における前記周囲温度センサの検出温度と、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度との温度差に基づいて、前記圧力容器の周囲温度と内部温度との温度差に応じた周囲温度対応補正値を算出し、該所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度に、該周囲温度対応補正値を加算するものであることを特徴とする（第３発明）。
【００１５】
第３発明によれば、前記所定期間における前記周囲温度センサの検出温度と、前記所定期間の開始時点での前記ライナー温度センサの検出温度との温度差、又は、前記所定期間における前記周囲温度センサの検出温度と前記所定期間の開始時点で前記対応内部温度算出工程により算出した前記対応内部温度との温度差に基づく、前記周期温度対応補正値を用いることにより、前記圧力容器の内部と外部間の熱交換に伴う前記圧力容器の内部温度の上昇／下降分を補正して、前記圧力容器の内部温度の推定精度を高めることができる。
【００１６】
また、第１発明から第３発明のいずれかにおいて、前記内部温度推定値算出工程における前記内部圧力と前記周囲温度とを用いた補正は、前記演算装置が、前記圧力センサの検出圧力を用いて算出した圧力対応補正値と、前記周囲温度センサの検出圧力を用いて算出した周囲温度対応補正値とを、所定の重み付けを行って加算した総補正値を、前記対応内部温度算出工程で算出された前記対応内部温度に加算するものであることを特徴とする（第４発明）。
【００１７】
第４発明によれば、前記圧力容器の構造や形状、前記圧力容器内のガスの熱容量、前記圧力容器周囲の空気の流れ等に応じて、前記重み付けを行うことにより、前記圧力容器の内部温度の推定精度をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の圧力容器の内部温度推定方法の実施構成の説明図。
【図２】水素ガスタンクのライナー温度から内部温度を推定するための補正温度の説明図。
【図３】水素ガスタンクで生じる外部との熱交換の説明図。
【図４】水素ガスタンクで生じるポリトロープ変化による内部温度の低下の説明図。
【図５】水素ガスタンクの内部圧力の変化とポリトロープ指数との相関マップの説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態の一例について、図１〜図５を参照して説明する。図１を参照して、水素ガスタンク１０（本発明の圧力容器に相当する）は、例えば燃料電池車両に搭載されて、燃料電池に燃料ガスとして水素ガスを供給するものである。
【００２０】
水素ガスタンク１０は、ガス遮蔽性を有するライナー１１の外側を、耐圧性を有するシェル１２で覆って構成されている。ライナー１１は、高圧の水素ガスを密封状態で保持するために、例えば、厚さ１０mm程度の高密度ポリエチレン等の樹脂材で形成されている。シェル１２は、水素ガスタンク１０の耐圧性及び機械的強度を確保している。
【００２１】
水素ガスタンク１０には、水素ガスタンク１０への水素ガスの充填と水素ガスタンク１０からの水素ガスの供給を行うためのインタンク電磁弁１３と、ライナー１１の外表面の温度を検出するライナー温度センサ１４とが設けられている。
【００２２】
インタンク電磁弁１３はガス供給管２０と接続され、水素ガスタンク１０とガス供給管２０間の連通と遮断とを切替える。ガス供給管２０には、水素ガスタンク１０からの水素ガスの供給圧を減少させる減圧弁２１と、ガス供給管２０内の圧力を検出する圧力センサ２２とが設けられている。なお、インタンク電磁弁１３の開弁時には、ガス供給管２０内の圧力は、水素タンク１０の内部圧力と等しくなる。
【００２３】
ライナー温度センサ１４は、サーミスタ等を用いて構成され、シェル１２内に、ライナー１１の外表面に接触するように埋設されている。また、水素ガスタンク１０の近傍に、水素ガスタンク１０の周囲温度を検出する周囲温度センサ３０が配置されている。
【００２４】
演算装置５０は、ＣＰＵ，メモリ，入出力インターフェース回路等、或いはこれらを集約したマイクロコンピュータ等により構成された電子ユニットであり、メモリに保持された水素ガスタンク１０の内部温度推定用のプログラムを、ＣＰＵで実行することにより、水素ガスタンク１０の内部温度の推定値を算出する。
【００２５】
ライナー温度センサ１４、圧力センサ２２、及び周囲温度センサ３０は、演算装置５０に接続されている。演算装置５０は、所定の制御周期（本発明の所定期間に相当する）毎に、圧力センサ２２の圧力検出信号Ｐs、ライナー温度センサ１４の温度検出信号ＴLs、及び、周囲温度センサ３０の温度検出信号ＴCsを入力する。そして、演算装置５０は、各制御周期毎に、これらの検出信号に基づいて水素ガスタンク１０の内部温度の推定値を算出する。
【００２６】
演算装置５０は、「対応内部温度算出工程」と、「内部温度推定値算出工程」とを実行して、水素ガスタンク１０の内部温度の推定値を算出する。以下、演算装置５０による水素タンク１０の内部温度の推定値の算出方法について説明する。
【００２７】
［対応内部温度算出工程］
図２は、制御周期間における、水素タンク１０のライナー１１の温度変化量（ΔＴa）と、ライナー１１の温度に対する水素タンク１０の内部温度の補正量（ＡL）との相関マップを示したものであり、横軸がライナー１０の温度の変化量（ΔＴa）に設定され、縦軸が水素タンク１０の内部温度の補正量（ＡL）に設定されている。
【００２８】
図２の相関マップ関係は、実験或いはコンピュータシミュレーション等により決定されたものであり、図２の相関マップのデータ（本発明の相関データに相当する）は、演算装置５０のメモリに保持されている。なお、相関マップに変えて、水素タンク１０のライナー１１の温度変化量（ΔＴa）と、ライナー１１の温度に対する水素タンク１０の内部温度の補正量（ＡL）との相関式を用いてもよい。
【００２９】
演算装置５０は、各制御周期毎に、ライナー温度変化量ΔＴaを算出して、対応する内部温度の補正量ＡLを求め、以下の式（１）により対応内部温度Ｔin_rを算出する。
Ｔin_r＝ＴL0＋ＡL  ・・・・・（１）
但し、Ｔin_r：対応内部温度、ＴL0：制御周期の開始時点でのライナー１１の検出温度、ＡL：ライナー温度変化に基づく内部温度の補正量。
【００３０】
次に、演算装置５０は、以下の［内部温度推定値算出工程］を実行する。
［内部温度推定値算出工程］
図３（ａ）は、水素ガスタンク１０の内部と周囲との熱交換がない（完全理想断熱）場合の、水素ガスタンク１０の内部温度の変化を示したものであり、この場合は、今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度Ｔ2は、以下の式（２）で求めることができる。
Ｔ2＝Ｔ1・［Ｐ2／Ｐ1］(κ-1)/κ  ・・・・・（２）
但し、Ｔ2：今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度、Ｔ1：前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度、Ｐ2：今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部圧力、Ｐ1：前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部圧力、κ：断熱指数（Ｈ2の断熱指数は１．４０９）。
【００３１】
また、図３（ｂ）は、水素ガスタンク１０の内部と周囲との熱交換が十分に行われる場合を示している。この場合は、熱交換により水素ガスタンク１０の内部温度は、水素ガスタンク１０の周囲温度に等しくなるので、Ｔ2＝Ｔ1となる。
【００３２】
また、図４は、水素ガスタンク１０の内部と周囲との熱交換により、水素ガスタンク１０の内部温度がポリトロープ変化する場合を示している。この場合は、圧力比Ｐ2／Ｐ1毎に異なるポリトロープ指数を用いて、今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度を、以下の式（３）により算出することができる。
Ｔ2＝Ｔ1＋ΔＴb＝Ｔ1・［Ｐ2／Ｐ1］(n-1)/n  ・・・・・（３）
但し、Ｔ2：今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度、Ｔ1：前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度、ΔＴb：前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度と今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度との温度差、Ｐ2：今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部圧力、Ｐ1：前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部圧力、ｎ：ポリトロープ指数（１＜ｎ＜κ(断熱指数））。
【００３３】
そのため、ポリトロープ変化による水素ガスタンク１０の内部温度の変化は、上記式（３）を変形した以下の式（４）となる。
ΔＴb＝Ｔ1｛［Ｐ2／Ｐ1］(n-1)n−１｝＝Ａp  ・・・・・（４）
そこで、演算装置５０は、上記式（４）で算出したΔＴbを、圧力対応補正値Ａpとする。図５は、ポリトロープ指数（ｎ）と圧力比（Ｐ2／Ｐ1）との相関マップであり、縦軸がポリトロープ指数（ｎ）に設定され、横軸が圧力比（Ｐ2／Ｐ1）に設定されている。演算装置５０は、今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部圧力Ｐ2と、前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部圧力Ｐ1との比Ｐ2／Ｐ1を、図５の相関マップに適用して、対応するポリトロープ指数ｎを求める。
【００３４】
例えば、制御周期が１０秒であって、水素ガスタンク１０からの水素ガスの放出により、水素ガスタンク１０の内部温度と内部圧力が、（２０℃，３５ＭＰａ）から（１９．５℃，３４ＭＰａ）に変化したときには、圧力比Ｐ2／Ｐ1が約０．９７、ポリトロープ指数ｎは約１．０６となる。
【００３５】
なお、図５の相関マップは、実験やコンピュータシミュレーション等により決定され、この相関マップのデータは演算装置５０のメモリに保持されている。また、相関マップではなく、ポリトロープ指数（ｎ）と圧力比（Ｐ2／Ｐ1）間の相関式を用いてもよい。
【００３６】
次に、演算装置５０は、今回の制御周期における周囲温度センサ３０の検出温度ＴC2と、前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度（推定値Ｔin_e1）との温度差ΔＴc、又は今回の制御周期における周囲温度センサ３０の検出温度ＴCs2と、今回の制御周期の開始時点におけるライナー１１の検出温度ＴLs1との温度差ΔＴdに基づいて、以下の式（５）又は式（６）により周囲温度対応補正値Ａtを算出する。
【００３７】
Ａt＝（ＴCs2−Ｔin_e1）×α＝ΔＴc×α  ・・・・・（５）
Ａt＝（ＴCs2−ＴLs1）×β＝ΔＴd×β  ・・・・・（６）
但し、Ａt：周囲温度対応補正値Ａt、ＴＣs2：今回の制御周期における周囲温度センサ３０の検出温度、Ｔin_e1：前回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度（対応内部温度算出工程により算出された対応内部温度）、ＴＬs1：今回の制御周期の開始時点におけるライナー温度センサ１４の検出温度、α，β：係数。
【００３８】
なお、α，βは、水素ガスタンク１０の構造や形状により異なるため、予め実験やコンピュータシミュレーション等を行って決定する。また、水素ガスタンク１０内の水素ガスの熱容量や、水素ガスタンク１０の周辺の空気の流れによっても、ΔＴb，ΔＴcは変化する。そこで、水素ガスタンク１０内の水素ガスの量や、水素ガスタンク１０が搭載された車両の走行速度（水素ガスタンク１０の周辺の空気の流速に比例）に応じて、α，βを決定するマップ（テーブル）を用意して、α，βを適宜変更するようにしてもよい。
【００３９】
演算装置５０は、上記式（４）により算出した圧力対応補正値Ａpと、上記式（５）又は上記式（６）により算出した周囲温度対応補正値Ａtとを用いて、以下の式（７）により、総補正値Ａalを算出する。そして、演算装置５０は、以下の式（８）により、今回の制御周期における水素ガスタンク１０の内部温度の推定値Ｔin_eを算出する。
【００４０】
Ａal＝Ａp×γ＋Ａc×θ  ・・・・・（７）
但し、Ａal：総補正値、Ａp：圧力対応補正値、Ａc：周囲温度対応補正値、γ，θ：係数。
【００４１】
Ｔin_e＝Ｔin_r＋Ａal  ・・・・・（８）
但し、Ｔin_e：水素ガスタンク１０の内部温度の推定値、Ｔin_r：上記式（１）により算出された対応内部温度、Ａal：総補正値。
【００４２】
γとθを、実験やコンピュータシミュレーションにより設定することによって、ライナー１１の検出温度に基づく水素ガスタンク１０の内部温度の推定精度を高めることができる。なお、上記式（７）におけるγ，θの設定は、本発明の圧力対応補正値と周囲温度設定補正値の重み付けに相当する。
【００４３】
なお、本実施の形態では、「内部温度推定値算出工程」において、水素ガスタンク１０の制御周期における内部圧力比Ｐ2／Ｐ1の基づく圧力対応補正値Ａpと、水素ガスタンク１０の周囲温度ＴCsに基づく温度対応補正値Ａcとを用いて、上記式（７）により、総補正値Ａalを算出した。
【００４４】
しかし、圧力対応補正値Ａp又は温度対応補正値Ａtのいずれか一方のみを用いて、対応内部温度Ｔin_eの補正値を算出し、この補正値を対応内部温度Ｔin_eに加算して、水素ガスタンク５０の内部圧力の推定値を算出する場合にも、本発明の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…水素ガスタンク（圧力容器）、１１…ライナー、１２…シェル、１３…インタンク電磁弁、１４…ライナー温度センサ、２０…ガス供給管、２１…減圧弁、２２…圧力センサ、３０…周囲温度センサ、５０…演算装置。
【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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