(57)【要約】  開放流体システムの流体を冷却するための閉鎖冷却システムであって、第１の熱交換器と閉鎖冷却システム内の冷媒の循環を容易にする圧縮機とを備え、冷媒は、開放流体システムに熱的に接続され、開放流体システムを伝わる流体を冷却する固体状態の冷却バンクの提供を容易にすることを特徴とする閉鎖冷却システム。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放流体システム１０の流体を冷却するための閉鎖冷却システム１において、
第１の熱交換器２と、前記閉鎖冷却システム１内の冷媒３の循環を容易にする圧縮機６とを備え、
前記冷媒３は、前記開放流体システムに熱的に接続される固体状態の冷却バンク３ｂ’の提供を容易にして、前記開放流体システム１０内を伝わる流体を冷却する、
ことを特徴とする閉鎖冷却システム１。
【請求項２】
前記冷却バンク３ｂ’は、前記第１の熱交換器２内の前記冷媒３の相変化によって、好ましくは液体状態３ａから固体状態３ｂへの相変化によって、提供される、請求項１に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項３】
前記冷却システム１は、冷却バンク封入容器２１を更に備え、前記冷却バンク封入容器は前記開放流体システム１０に熱的に接続された冷却材２０を備え、前記冷媒３が前記冷却バンク封入容器２１内の冷却材２０の相変化、好ましくは液体状態の冷却材から固体状態の冷却材への相変化を容易にして、前記固体状態の冷却バンク３ｂ’を提供する、請求項１又は２に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項４】
前記冷却バンク３ｂ’は、前記開放流体システム１０を流体が流れていない時間に前記第１の熱交換器２内及び／又は前記冷却バンク封入容器２１内に提供される、請求項１から３のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項５】
前記冷媒３の三重点での圧力において前記冷媒の温度が−２０℃より低い、好ましくは−４０℃より低い、請求項１から４のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項６】
前記冷媒３が二酸化炭素である、請求項１から５のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項７】
前記流体が水素である、請求項１から６のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項８】
前記閉鎖冷却システム１は、
少なくとも部分的に固体状態３ｂ及び気体状態３ｃで存在する冷媒３を内部に備えた第１の熱交換器２と、
前記冷媒３が少なくとも部分的に液体状態３ａ、固体状態３ｂ、又は気体状態３ｃのいずれか１つで確実に存在することを容易にする圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、
液面計５により制御され、前記液体状態３ａの冷媒３を前記第１の熱交換器１に入れることにより前記第１の熱交換器内の圧力制御を容易にする注入弁４と、
圧力計７により制御され、前記気体状態３ｃの冷媒３を前記第１の熱交換器２から除去することにより前記第１の熱交換器内の圧力制御を容易にする圧縮機６とを備え、
前記閉鎖冷却システム１は、さらに、
前記圧縮機６により前記第１の熱交換器２から除去された前記冷媒３の、前記気体状態３ｃから、前記注入弁４を介して前記第１の熱交換器２に注入できる前記液体状態３ａへの相変化を容易にする第３の熱交換器８を備え、
冷却対象の前記流体は、前記開放流体システム１０の一部を成すとともに前記閉鎖冷却システム１からは分離されている少なくとも１つの流体導体９に備えられて、前記第１の熱交換器２に導入される、
請求項１から７のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項９】
前記閉鎖冷却システム１は燃料供給ステーション１２の一部である、請求項１から８のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項１０】
前記冷却システム１の冷却能力は、乗り物１１への燃料補給におけるピーク時Ｔ１、Ｔ４必要量を満たすために必要な冷却能力より小さい、請求項１から９のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項１１】
前記開放流体システムを通る流体の流れは、前記第１の熱交換器２と前記開放流体システム１０の取出口１６との間の前記流体導体９を通して伝わる流体の温度があらかじめ定められた閾値を下回った場合に停止される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項１２】
前記流体導体９は、前記第１の熱交換器２内、又は前記冷却バンク封入容器２１内の管又はプレートとして、好ましくは前記第１の熱交換器２内の複数の平行管として、実装される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１。
【請求項１３】
前記閉鎖冷却システム１は前記流体を予冷する第２の熱交換器１２を更に備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項１４】
前記第３の熱交換器８は前記冷却システム１内の前記第１の熱交換器２及び前記第２の熱交換器１２より高い位置に配置される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項１５】
前記第２の熱交換器１２又は貯留器１３からの流体を、前記第１の熱交換器２又は前記冷却バンク封入容器２１からの流体と混合して、開放流体システムの取出口１６においてあらかじめ定められた流体温度を得ることを容易にする温度依存弁を更に備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項１６】
前記第１の熱交換器２の圧力は、前記閉鎖冷却システム１内での圧力測定、好ましくは前記第１の熱交換器２内での圧力測定に基づいて、前記圧縮機６により調整される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム。
【請求項１７】
乗り物１１に接続可能な開放流体システム１０に備えられる気体流体の冷却方法であって、
前記気体流体は流体導体９内を通って閉鎖冷却システム１内を伝わり、
前記閉鎖冷却システム１は前記気体流体を備える前記流体導体９の少なくとも一部を冷却するに適した冷媒を備え、
前記閉鎖冷却システム１は少なくとも第１の熱交換器２及び圧縮機６を備え、
前記方法は、
前記開放流体システム１０から前記乗り物１１への前記気体流体の流れが記録された場合、又は、
前記第１の熱交換器２内の圧力が前記冷媒３の三重点の圧力を超えた後にあらかじめ定められた時間が経過した場合、又は、
前回の圧縮サイクル後あらかじめ定められた時間が経過した場合に、
前記圧縮機６を動作開始させることにより前記閉鎖冷却システム１内に固体状態３ｂの冷媒３を生成するステップを含む方法。
【請求項１８】
前記圧縮機６は、
前記第１の熱交換器２内の圧力が前記冷媒３の三重点の圧力より低い場合、又は、
前回の圧縮サイクル後あらかじめ定められた時間が経過した場合、又は、
あらかじめ定められた量の氷が前記第１の熱交換器２内に検知された場合に
停止される、請求項１７記載の気体流体の冷却方法。
【請求項１９】
前記冷媒の三重点での圧力において前記冷媒の温度が−２０℃より低い、好ましくは−４０℃より低い、請求項１７又は１８記載の気体流体の冷却方法。
【請求項２０】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の気体流体の冷却方法。
【請求項２１】
前記圧縮機６は前記第１の熱交換器２内の圧力の圧力閾値により決定される不連続モードで運転される、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の気体流体の冷却方法。
【請求項２２】
水素燃料供給ステーションにおける水素冷却のための、固体状態の化合物を備える冷却バンクの使用。
【請求項２３】
前記固体状態の化合物は固体状態の冷媒３である、請求項２２記載の冷却バンクの使用。
【請求項２４】
前記固体状態の化合物は固体状態の冷却材である、請求項２３記載の冷却バンクの使用。
【請求項２５】
前記水素燃料供給ステーションは請求項１から１６のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システム１を備え、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法により制御される、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の冷却バンクの使用。
【請求項２６】
水素貯留器１３と、
前記水素貯留器１３を水素取出口１６に接続する水素導体９であって、固体状態の冷媒３ｂにより少なくとも部分的に温度制御される水素導体９と
を備える水素燃料供給ステーション１７。
【請求項２７】
前記水素燃料供給ステーション１７は、固体冷媒３ｂを生成する固体冷媒自動産出機１を更に備え、
前記固体冷媒自動産出機は、
水素を冷却するための冷媒３を備える第１の熱交換器２と、
前記第１の熱交換器２の圧力を調整することで前記冷媒３の少なくとも一部を固体状態３ｂで提供するための圧縮機６と、
前記固体冷媒産出機の圧力を表示するための圧力計７と、
前記水素燃料供給ステーション１７から出ていく水素の流れの特性を測定するための水素供給器１８と
を備える、請求項２６記載の水素燃料供給ステーション１７。
【請求項２８】
前記固体冷媒は、水素導体９内に水素の流れがないときに少なくとも部分的に生成される、請求項２６又は２７記載の水素燃料供給ステーション１７。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開放流体システムの流体を冷却するための固体状態の冷媒を用いた冷却システムと冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却システムにおいて二酸化炭素を冷媒として用いることが長年知られている。特許文献１及び特許文献２はいずれも二酸化炭素を冷媒として用いる冷却システムの例である。いずれの文献も、開放冷却システム外の製品の冷却プロセスに用いるための二酸化炭素の半解け氷又は氷を生成することを目的とした開放冷却システムにつき記述している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第６，６８２，４２１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２６０，３６１号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、開放流体システムの流体を冷却するための閉鎖冷却システムであって、第１の熱交換器と閉鎖冷却システム内の冷媒の循環を容易にする圧縮機とを備え、冷媒は、開放流体システムに熱的に接続される固体状態の冷却バンクの提供を容易にして、開放流体システムを伝わる流体を冷却することを特徴とする閉鎖冷却システムに関する。
【０００５】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却バンクは第１の熱交換器内の冷媒の相変化により提供され、好ましくは液体状態から固体状態への相変化により提供される。
【０００６】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却システムは、冷却バンク封入容器を更に備え、冷却バンク封入容器は開放流体システムに熱的に接続された冷却材を備え、冷媒が冷却バンク封入容器内の冷却材の相変化、好ましくは液体状態の冷却材から固体状態の冷却材への相変化を容易にして、固体状態の冷却バンクを提供する。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態によれば、第１の熱交換器は開放流体システムに熱的に接続され、第１の熱交換器内に配置され冷却バンクを構成する少なくとも部分的に凝固した冷媒で、開放流体システム内を伝わる流体を冷却する。
【０００８】
これには、冷却バンク（cooling bank）（これをエネルギー貯蔵（energy storage）とも称する）が冷媒の固体状態という形で構築されるという利点がある。更に、液体状態から固体状態への相変化では体積変化が小さいため、第１の熱交換器に固体状態の冷媒の形でエネルギー貯蔵を備えることができる。
【０００９】
液体から固体への相変化は、液体から気体への相変化の場合と異なり、第１の熱交換器以外に追加的な冷媒貯蔵器を必要としないという利点がある。
【００１０】
なお、液体状態から気体状態への相変化もエネルギー貯蔵の構築に利用できる場合がある。しかし、この場合は大きさを変えられる風船状の貯蔵器のような、気体状態の冷媒の貯蔵器が必要となる。
【００１１】
更に、エネルギー貯蔵、即ち固体状態の冷却バンクを備える固体状態の冷媒は、熱せられると相変化により液体状態又は気体状態に戻る。熱は、冷却システムの周囲から、又は、第１の熱交換器に備えられた開放流体システムの一部の中の流体の流れから、固体状態の冷媒に与えられ、又は放射される。これにより固体状態の冷媒が融解して液体冷媒に変化し、固体状態の冷媒がすべて融解したところで熱が更に冷媒に加わると、冷媒は気体状態に変化する。気体状態の冷媒は圧縮機で除去され、減圧により冷媒が相変化して固体状態に戻り、これにより冷媒の再利用が可能になる。
【００１２】
固体状態の冷媒は、ピーク時の冷却能力が必要な状況（例えば、乗り物に水素を燃料供給する場合など）で特に利点があり、これは、冷媒が固体状態にある限りその温度は一定であること、即ち、ＣＯ２が冷媒として用いられ固体状態にある場合、固体状態のＣＯ２が存在する限り温度が三重点温度の約−５６℃で一定であることによる。水素の冷却過程で水素がもたらすエネルギーは、一定温度の下で固体状態の冷媒を液体状態の冷媒に変化させる。
【００１３】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却システムは、冷却バンク封入容器を更に備え、冷却バンク封入容器は開放流体システムに熱的に接続された冷却材を備え、冷媒が冷却バンク封入容器内の冷却材の相変化、好ましくは液体状態の冷却材から固体状態の冷却材への相変化を容易にする。
【００１４】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却バンク封入容器内の固体状態の冷却材はそうして冷却バンクとして機能する。閉鎖冷却システムを循環する冷媒とは別の、好ましくは冷却バンク封入容器内で動かない冷却材により提供される冷却バンクは、第１の熱交換器内に提供される冷却バンクの補助として、又は閉鎖冷却システムの主要な冷却バンクとみなすことができる。いずれにせよ、冷却システムに冷却バンク封入容器が提供されている場合には、開放流体システムの流体導体が冷却バンク封入容器を通るようにすると利点がある。
【００１５】
閉鎖冷却システムは、冷媒がそこから外に出ることなく循環するシステムとして理解されるべきであり、これにより、開放流体システムの流体は決して閉鎖冷却システムの冷媒とは混ざらない２つの別々のシステムであることが理解される。言うまでもなく、この文脈における閉鎖システムは、冷媒の循環に基づくシステムを指しており、そのため、例えば安全弁、圧力調節弁等の作動のために必要な一定量の冷媒の補充、換気、油分離を許容する。したがって、閉鎖冷却システムから少量の冷媒の漏れがあることは想定されている。
【００１６】
このようなシステムの重要な利点は、使用する冷媒が熱交換器内で所望の温度を得るために用いられると同時に、エネルギー貯蔵としても用いられることである。
【００１７】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却バンクは、開放流体システムを流体が流れていない時間に第１の熱交換器及び／又は冷却バンク封入容器に提供される。これは、冷却対象となる開放流体システムの流体が、乗り物に供給される水素であるときには特に利点がある。この状況においては、乗り物への燃料補給実施時に大きなピーク時冷却能力が必要とされる。
【００１８】
乗り物への２回の燃料補給の間に、液体状態から固体状態に変化する冷媒という形でエネルギー貯蔵を構築することにより、閉鎖冷却システムの冷却能力の必要を抑制することができる。これは、流体の冷却が、少なくとも固体状態の冷媒の形のエネルギー貯蔵（即ち冷却能力貯蔵）によって行われるからである。
【００１９】
流体冷却のためのエネルギー貯蔵の使用に加え、好ましくは、圧縮機により第１の熱交換器から気体状態の冷媒の除去を開始し、これにより固体状態の冷媒からなるエネルギー貯蔵を維持するか、少なくとも液体状態の冷媒の温度をできる限り低く、即ち、できる限り冷媒の三重点近傍に維持するように努める。
【００２０】
かかる冷却システムは、開放流体システムの流体を冷却する必要がないときに、再び冷却が必要となるときの使用に備えてエネルギー貯蔵（冷却バンク又は単に貯蔵と称する）を構築できるという点で非常に利点がある。これは、流体冷却に大きなピーク時冷却能力が必要な場合には特に利点がある。これは、冷却バンクによる冷却能力を利用することで、大型で高価な圧縮機を含む高性能の冷却システムの必要性を小さくできるからである。
【００２１】
所望の（ピーク時）冷却能力を得ることを容易にするには、冷媒の体積、冷却システムの圧縮機の性能、冷媒の慣性（及び冷媒収容容器の質量といった物理的冷却システム）をバランスさせなければならない。本発明は、冷媒を固体状態で用いることで、（固体状態の冷媒を用いない）従来技術に比べ冷媒の体積と圧縮機の性能をかなり減らすことがで、冷却システムの接地面積を減らすことができるという利点がある。
【００２２】
水素を−４０℃の温度に冷却する場合には、二酸化炭素を冷媒として用いると、固体状態の二酸化炭素の温度は−５６℃に近く、熱交換器の水素排出においても良い熱交換ができるという利点がある。
【００２３】
エネルギー貯蔵の構築は、冷媒の固体状態への変化を容易にするように閉鎖冷却システムを制御することにより行う。したがって、エネルギー貯蔵は、物理的には固体状態の冷媒である。エネルギー貯蔵は、冷媒がすべて液体状態から固体状態に変化し、したがって第１の熱交換器が備える冷媒が気体状態と固体状態だけになったときに最大貯留能力に達したことになる。
【００２４】
開放流体システムは、流体がシステムの取入口、好ましくは流体貯留器の取入口からシステム内に入り、取出口、好ましくはノズル又は同種のものからシステム外に出るようにしたシステムであると理解されるべきである。
【００２５】
本発明の有利な実施形態によれば、冷媒の三重点における圧力で冷媒の温度は−２０℃より低く、好ましくは−４０℃より低い。ここで、「より低い」とは、「より冷たい」の意味で理解されるべきである。
【００２６】
開放流体システムの流体の所望の目標温度よりも低いながらもその近傍（例えば５〜１０℃又は更には２０℃の範囲）にある三重点温度を持つことは利点がある。これはエネルギー貯蔵の温度が開放流体システムの流体の所望の目標温度よりわずかばかり低く、そのためこの温度より１０〜２０℃低い温度から更に冷媒を冷却するためにエネルギーを使う必要がないからである。
【００２７】
更に、開放流体システムの流体は、好ましくは、−７０℃より上の（より暖かい）三重点を有する冷媒によって、−３０℃より低い（より冷たい）温度に冷却される。ここでも、最小限のエネルギーを使って第１の熱交換器内にエネルギー貯蔵を構築するという利点がある。
【００２８】
更に、冷媒の三重点は好ましくは−４０℃から−１００℃の間である。冷媒の三重点がこの範囲にあれば、乗り物に水素を燃料補給するときの好ましい水素温度に近いという利点がある。これには、より低い三重点を持つ冷媒と比べ、冷却バンクの構築にかかるエネルギーが少ないという効果がある。
【００２９】
本発明の有利な実施形態によれば、冷媒は二酸化炭素である。二酸化炭素（ＣＯ2）は、三重点が−５６．６℃、気圧５．１８バールであり、水素を乗り物の燃料補給に用いるときの好ましい水素温度に近いという利点がある。更に、二酸化炭素は他の冷媒よりも地球温暖化効果がはるかに小さく、そのためこれら他の冷媒より環境にやさしいという利点がある。
【００３０】
本発明の有利な実施形態によれば、流体は水素である。水素は、多くの自動車メーカーによって気候にやさしい燃料であると認識され、そのため、例えば自動車、バス、及びこれに類するものの燃料として使われているという利点がある。本明細書で説明する水素用冷却システムを実現することで水素燃料供給ステーションが最適化され、必要な物理的空間の削減、燃料補給時間の短縮、及び水素燃料供給ステーションの費用削減につながる。
【００３１】
本発明の有利な実施形態によれば、閉鎖冷却システムは、
少なくとも部分的に固体状態及び気体状態で存在する冷媒を内部に備えた第１の熱交換器と、
冷媒が少なくとも部分的に液体状態、固体状態、又は気体状態のいずれか１つで存在することを確かにするのを容易にする圧力調整手段とを備え、
圧力調整手段は、
液面計により制御され液体状態の冷媒を第１の熱交換器に入れることにより第１の熱交換器内の圧力制御を容易にする注入弁と、
圧力計により制御され、気体状態の冷媒を第１の熱交換器から除去することにより第１の熱交換器内の圧力制御を容易にする圧縮機とを備え、
閉鎖冷却システムは、さらに、
圧縮機により第１の熱交換器から除去された冷媒の、気体状態から、注入弁を介して第１の熱交換器に注入できる液体状態への相変化を容易にする第３の熱交換器を備え、
冷却対象の流体は、開放流体システムの一部を成すとともに閉鎖冷却システムからは分離されている少なくとも１つの流体導体に備えられて、第１の熱交換器に導入される。
【００３２】
好ましくは、流体貯留器を開放流体システムの取出口に接続する流体導体は閉鎖冷却システムの第１の熱交換器の中を通される。本発明に関しては、開放流体システムの取出口は乗り物に接続可能であってもよい。乗り物とは、流体により、動き、上昇し、及びこれに類することが可能なあらゆる種類の装置であって、あらゆる種類の原動機付き乗り物を含むものとして理解されるべきである。これは流体が水素で、流体貯留器に貯留され流体導体を介して伝えられる場合に特に利点がある。
【００３３】
流体システムから閉鎖冷却システムが分離されているのは、流体を備えるシステムと冷媒を備えるシステムを分離することと理解されるべきである。これは、流体と冷媒が混ざらないことを確保する２つの独立したシステムの使用により実現される。
【００３４】
本発明の有利な実施形態によれば、閉鎖冷却システムは燃料供給ステーションの一部である。これは、乗り物に水素、好ましくは気体状態の水素などの燃料を補給することが可能な燃料供給ステーション（燃料補給ステーションとも称される）又はその一部に関連して特に利点がある。例えば水素を燃料供給ステーションから乗り物に移すときは、その温度は−３３℃と−４０℃の間が好ましい。したがって、乗り物に水素で燃料補給するには、燃料供給ステーションの水素貯留器を−３３℃より低くしなければならず、冷却システムへの要求が非常に大きい。これに替わる方法においては、燃料供給にかかる合計時間の増加を避けるため、ある時点から次の時点の間に水素を貯留温度、これは典型的には水素貯留器の周囲温度と同じであるが、そこから−３３℃より低い温度である供給温度にもっていかなければならない。本発明の冷却システムにおいては、上記のように第１の熱交換器内に構築した冷却バンクによって後者の方法を取ることが可能であるので、高価で物理的に大型の冷却システム／圧縮機を避けることができる。
【００３５】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却システムの冷却能力は、乗り物への燃料補給におけるピーク時Ｔ１、Ｔ４必要量を満たすために必要な冷却能力より小さい。これには、燃料供給ステーションの冷却システムのコストを削減しながらも、上記のようにエネルギー貯蔵を提供する冷却システムを用いることで、この冷却システムは乗り物の燃料補給の間のピーク時必要量を満たすことができるという利点がある。
【００３６】
本発明の有利な実施形態によれば、開放流体システムを通る流体の流れは、第１の熱交換器と開放流体システムの取出口との間の流体導体を通して伝わる流体の温度があらかじめ定められた閾値を下回った場合には停止される。これは、開放流体システムからの流体の温度が少なくともあらかじめ定められた閾値にあることが確保されるという利点がある。流体が水素で開放流体システムから乗り物に供給される状況において、この閾値は−３２℃以下であることが好ましい。
【００３７】
本発明の有利な実施形態によれば、流体導体は、第１の熱交換器内、又は冷却バンク封入容器内の管又はプレートとして、好ましくは第１の熱交換器内の複数の平行管として実現される。管とは、あらゆる種類の管状の流体導体で、冷却流体との接触面を増やすために螺旋形に形成した管状の流体導体が含まれると理解されるべきである。プレートとは流体を伝えるプレートと理解されるべきであり、内部に流体のためのダクトがあってもよい。
【００３８】
好ましい実施形態において、複数の流体導体を平行にして用い、平行に据え付けたこれら流体導体を、マニホールド内で、又はマニホールドを介して第１の熱交換器の外部に置いた共通の流体導体に接続してもよい。これに替わる方法において、複数の流体導体は直列に接続される。
【００３９】
本発明の有利な実施形態によれば、閉鎖冷却システムは流体を予冷する第２の熱交換器を更に備える。これは、流体が、例えば貯留温度である例えば２０℃から、−５℃から−１０℃の温度に第２の熱交換器内で冷却されるという利点がある。これにより、第２の熱交換器を用いない場合に比べ、第１の熱交換器でそれほど流体を冷却しないで済む。これは、冷媒が二酸化炭素の場合には第１の熱交換器は約−５６℃まで温度を下げるため、第１の熱交換器はしばしばエネルギー消費の点で第２の熱交換器より費用がかさむことから、利点がある。
【００４０】
本発明の有利な実施形態によれば、第３の熱交換器は冷却システム内の第１の熱交換器及び第２の熱交換器より高い位置に配置される。これは、第３の熱交換器からの液化した冷媒が重力により少なくとも第１の熱交換器又は第２の熱交換器に供給されるという利点がある。第３の熱交換器は、開放流体システムからの流体を直接冷却しない従来型の熱交換器でよく、気体状態から液体状態に凝縮させて冷媒の温度を下げる。
【００４１】
本発明の有利な実施形態によれば、冷却システムは、第２の熱交換器又は貯留器からの流体を第１の熱交換器又は冷却バンク封入容器からの流体と混合して開放流体システムの取出口においてあらかじめ定められた流体温度を得ることを容易にする温度依存弁を更に備える。第１の熱交換器の冷媒が主に固体状態（及び気体状態）のとき、流体は所望の温度より低く冷却されている場合があり、そのため第１の熱交換器で冷却した流体を、例えば第２の熱交換器からの気体の流体と混ぜて所望の温度の流体を得ることには利点がある。
【００４２】
この温度は−４０℃より高いことが好ましく、開放流体システムの取出口からの流体が、好ましくは乗り物の、受け手側貯留器の流体と混ぜられるとき、少なくともそのときには、この乗り物の流体貯留器の温度は常時８５℃と−４５℃の間、好ましくは−２０℃と−４０℃の間である。
【００４３】
これは、流体が水素で乗り物の燃料として使われる場合、この温度で水素が液体状態で存在するという点で特に利点がある。また、温度が−４０℃より上（より暖かい）のときは鉄鋼や炭素のような汎用材料の振る舞いが正常である。したがって、温度をこれより上に保てば、開放流体システムにもそれに接続するシステムにも特別な材料特性のない汎用材料を使うことができるという利点がある。材料について追加的な必要条件がないので、商業的に入手可能な弁、容器等が利用できる。
【００４４】
本発明の有利な実施形態によれば、第１の熱交換器の圧力は、閉鎖冷却システム内での圧力測定、好ましくは第１の熱交換器内での圧力測定に基づき圧縮機により調整される。
【００４５】
これは、第１の熱交換器の圧力が冷媒の三重点かそれより低いときにエネルギー貯蔵が構築されるという利点がある。これに替えて、圧縮機と第１の熱交換器の間での冷媒の圧力測定に基づき圧縮機を制御してもよい。
【００４６】
更に、本発明は、乗り物に接続可能な開放流体システムに備えられる気体流体の冷却方法であって、
気体流体は流体導体内を通って閉鎖冷却システム内を伝わり、閉鎖冷却システムは気体流体を備える流体導体の少なくとも一部を冷却するに適した冷媒を備え、閉鎖冷却システムは少なくとも第１の熱交換器及び圧縮機を備え、
前記方法は、
開放流体システムから乗り物への気体流体の流れが記録された場合、又は、第１の熱交換器内の圧力が冷媒の三重点の圧力を超えた後にあらかじめ定められた時間が経過した場合、又は、前回の圧縮サイクル後あらかじめ定められた時間が経過した場合に、圧縮機を動作開始させることにより閉鎖冷却システム内に固体状態の冷媒を生成するステップを含む方法に関する。
【００４７】
本発明の一実施形態によれば、圧縮機は、第１の熱交換器内の圧力が冷媒の三重点の圧力より低い場合、又は、前回の圧縮サイクル後あらかじめ定められた時間が経過した場合、又は、あらかじめ定められた量の氷が第１の熱交換器内に検知された場合に停止される。
【００４８】
前述の圧縮サイクルは、単純に、圧縮機が作動して第１の熱交換器内の圧力を変化させているときとして理解される。圧縮サイクルは圧力変換器、流量変換器、又は温度変換器から入力を受け取るコントローラによって制御してもよい。また、第１の熱交換器内の氷断片又は氷のレベルを検知するセンサから、圧縮機の制御のための入力を供給してもよい。また、コントローラの時間を圧縮機の運転、即ち圧縮機サイクルの開始と終了の一部としてもよい。
【００４９】
第１の熱交換器内での冷媒の固体状態を目指すことには、これにより冷却バンクが生成され、ピーク負荷時に気体流体を冷却することが容易になるという利点がある。ピーク時負荷は例えば乗り物に気体流体で燃料補給するときにかかり得る。
【００５０】
乗り物への燃料補給時には、流体導体内の冷却されていない気体流体の熱が第１の熱交換器を通して伝わり、固体状態の冷媒を融解させる。したがって、圧縮機の動作開始に適しているのは、気体流体が流体導体を流れるときである。
【００５１】
第１の熱交換器周囲の熱は時間とともに第１の熱交換器内の熱を増加させ、固体冷媒を融かす。したがって、一定時間経過後に圧縮機の動作を開始させ第１の熱交換器（冷却バンク）の冷却能力を増加させることに利点がある。この時間の長さは、閉鎖冷却システムに入り凝固冷媒を融かす熱に依存し、したがって熱交換器の断熱性に依存する。したがって、この時間の長さは、冷却システム周囲の環境にしたがって調節され、環境要因、前回の圧縮機停止からの経過時間等を計算に入れた数学的公式の結果であってもよい。そのため、この時間は数時間から３日又はそれ以上の範囲で変わり得る。
【００５２】
第１の熱交換器内の圧力が冷媒の三重点の圧力より低くなると、これは液体状態の冷媒がすべて凝固することを示している。固体状態の冷媒が多いほど第１の熱交換器（冷却バンク）に蓄えられる冷却能力が大きいが、三重点圧力より低い圧力では凝固すべき液体の冷媒がもはや存在しないので圧縮機は停止される。凝固した冷媒の温度を更に低くしたい場合には圧縮機の停止を遅らせることが意味を持つ場合もあるが、これは、所望の又は必要な第１の熱交換器（冷却バンク）の冷却能力如何による。
【００５３】
本発明の有利な実施形態によれば、冷媒の三重点における圧力で冷媒の温度は−２０℃より低く、好ましくは−４０℃より低い。ここで、「より低い」とは、「より冷たい」の意味で理解されるべきである。
【００５４】
本発明の有利な実施形態によれば、冷媒は二酸化炭素である。二酸化炭素は、三重点の温度が−５６．６℃、圧力が５．１８バールであり、乗り物への燃料補給の気体流体として水素を用いる場合の好ましい温度に適合するという利点がある。この好ましい温度は−３３℃から−４０℃の間である。
【００５５】
本発明の有利な実施形態によれば、圧縮機は第１の熱交換器内の圧力の圧力閾値により決定される不連続モードで運転される。これは、圧縮機のエネルギー消費が、（１）開放流体システム内に流体の流れがあるとき、（２）第１の熱交換器の圧力が閾値圧力を上回るとき、という２つの状況下に限られるという利点がある。
【００５６】
好ましくは、この圧力閾値は、閉鎖冷却システム内で用いられる冷媒の三重点であって、第１の熱交換器内の圧力がこの三重点圧力より低い場合に圧縮機が停止される。
【００５７】
これは、第１の熱交換器内の圧力が三重点より低いときは第１の熱交換器の冷媒が固体状態にあることから利点がある。少なくとも冷媒が二酸化炭素であるときには、これが成り立つ。
【００５８】
更に、本発明は、水素燃料供給ステーションにおける水素冷却のための、固体状態の化合物を備える冷却バンクの使用に関する。
【００５９】
本発明の有利な実施形態によれば、化合物は固体状態の冷媒である。
【００６０】
本発明の有利な実施形態によれば、化合物は固体状態の冷却材である。
【００６１】
本発明の有利な実施形態によれば、水素燃料供給ステーションは請求項１から１６のいずれか一項に記載の閉鎖冷却システムを備え、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法により制御される。これは、個別の場合における気体流体が、乗り物への燃料補給のために所望される温度になっているという利点がある。
【００６２】
更に、本発明は、
水素貯留器と、
水素貯留器を水素取出口に接続する水素導体であって、固体状態の冷媒により少なくとも部分的に温度制御される水素導体と
を備える水素燃料供給ステーションに関する。
これは、水素取出口で所望される水素温度と同じかそれより低い温度で固体状態になるように冷媒を選んでおいて、水素導体内の水素が固体状態の冷媒の温度に冷却されるという利点がある。好ましくは、水素取出口は水素導体を乗り物と接続するに適したノズル形状で、水素が水素貯留器から取出口に流れるにしたがって冷却される。
【００６３】
この実施形態によれば、言及される流体は水素であり、したがって本明細書において「流体」が用いられる場合、「水素」で置き換えてもよい、即ち、本明細書が「流体」について記述する場合、この実施形態及び以下の実施形態との関連では水素であると理解されるのが好ましい。
【００６４】
水素導体の温度制御のみにより、好ましくは冷却のみにより所望の水素温度を得ること、好ましくは第１の熱交換器内のみにおいてこれを行うことには利点がある。これに替わる方法として水素を水素貯留器で冷却することができるが、この場合、上記の温度制御に比べ、エネルギー消費や貯留器に対する断熱要求等がはるかに大きくなる。
【００６５】
本発明の有利な実施形態によれば、水素燃料供給ステーションは、固体冷媒を生成する固体冷媒自動産出機を更に備え、
固体冷媒自動産出機は、
水素を冷却するための冷媒を備える第１の熱交換器と、
第１の熱交換器の圧力を調整することで冷媒の少なくとも一部を固体状態で供給するための圧縮機と、
固体冷媒産出機の圧力を表示するための圧力計と、
水素燃料供給ステーションから出ていく水素の流れの特性を測定するための水素供給器とを備える。
なお、固体冷媒産出機は本明細書中に記述した閉鎖冷却システムと称されてもよく、同じ特徴を有していてもよい。
【００６６】
水素供給器が計測する特性は、水素燃料供給ステーションから燃料補給を受ける乗り物に供給される水素の量、水素の費用、水素の温度、乗り物の水素貯留器の圧力等であってもよい。
【００６７】
「自動化された」は、測定値が第１の熱交換器内に液体状態の冷媒が存在することを示すときに固体冷媒自動産出機が自動的に固体状態の冷媒の生成を開始することとして理解されるべきである。
【００６８】
固体状態の冷媒をステーションで生成することには、乗物への燃料補給に必要になったときにはいつでも固体状態の冷媒が存在しているという利点がある。これは外部の固体冷媒産出機からステーションに固体状態の冷媒を持ち込むことは逆の方法である。
【００６９】
本発明の有利な実施形態によれば、固体冷媒は、水素導体内に水素の流れがないときに少なくとも部分的に生成される。
【００７０】
好ましくは、水素燃料供給ステーションは、燃料供給ステーション内での水素生成のための電解槽を備える。
【００７１】
好ましくは、燃料供給ステーションは、水素燃料供給ステーションを制御するために追加的な計測機器及びデータ処理ユニットを備える。「計測機器」は、温度、圧力、漏出等を計測する機器として理解される。
【００７２】
「データ処理ユニット」は、例えば燃料供給ステーションからの入力によって燃料供給ステーションを制御するための出力をすることができるマイクロプロセッサ又は論理回路として理解される。これは、固体状態の冷媒の生成、圧縮機、取出口、供給器、流量、貯留器、熱交換器等の操作の制御を含む。
【００７３】
好ましくは、水素燃料供給ステーションの取出口は乗り物に接続可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
以下、２、３の好ましい実施形態を図面を用いながら説明する。
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、開放流体システムの流体を冷却するための閉鎖冷却システムを示す。
【図１Ｂ】本発明の別の実施形態による、開放流体システムの流体を冷却するための閉鎖冷却システムを示す。
【図２】乗り物への水素による燃料補給に関連するエネルギー消費を示す。
【図３】本発明の一実施形態における流体燃料供給ステーションを示す。
【図４】本発明の一実施形態における水素燃料供給ステーションを示す。
【図５】本発明の一実施形態における水素燃料供給ステーションを示す。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
図１Ａは本発明による閉鎖冷却システム１を示す。閉鎖冷却システム１は、第１の熱交換器２と、冷媒３を閉鎖冷却システム１内で循環させる圧縮機６とを備える。第１の熱交換器２内の圧力は冷媒３の三重点近傍が好ましく、冷媒３を閉鎖冷却システム１内で循環させる圧縮機６が第１の熱交換器２から気体冷媒３ｃを吸引することにより制御される。
【００７６】
三重点において、冷媒３は液体状態３ａ、固体状態３ｂ、及び気体状態３ｃの三相で存在する。本発明による好ましい冷媒３は二酸化炭素であり、その三重点は−５６．６℃（摂氏）、５．１８バールである。これは、二酸化炭素を備えた容器（本発明によれば第１の熱交換器２）の圧力を調整することで二酸化炭素の状態を変化させられることを意味する。これは冷媒３が何であれ周知の特性であり、当業者には知られているので本明細書においてこれ以上の説明は省略する。二酸化炭素に替えて適当な三重点を持つ他の冷媒を用いても良い。かかる冷媒から作られる冷却バンクによって冷却される水素等の流体は、例えば、流体貯留器１３から直接来る流体と混合することにより温度を調節してもよい。
【００７７】
上記のとおり、圧縮機６は、第１の熱交換器２から気体状態３ｃの二酸化炭素を吸引することにより第１の熱交換器２の圧力を調整する。これにより第１の熱交換器２内の圧力が減少し液体状態３ａの冷媒が固体状態３ｂの冷媒に変化する。固体状態の二酸化炭素の温度が液体状態の二酸化炭素の温度より低い（三重点圧力より低い）ことを利用して第１の熱交換器２内に固体状態の二酸化炭素３ｂの形でエネルギー貯蔵が生成される。エネルギー貯蔵が完成したときには、物理的には、このエネルギー貯蔵は第１の熱交換器２下部でドライアイス又はＣＯ2アイスとも呼ばれる二酸化炭素の氷の塊となる。図１Ａに、完成していないエネルギー貯蔵３ｂ’を冷媒氷塊として示しているが、三重点温度に近い冷媒３は、すべて固体状態になる前であってもエネルギー貯蔵と呼ぶことがある。
【００７８】
図１Ａに示すように、開放流体システム１０の流体導体９は、第１の熱交換器２の内部につながっており、エネルギー貯蔵、即ち、温度が（理想的には）−５６．６℃である凍結部分３ｂを通って延びている。したがって、温度が−５６．６℃より高い流体が流体導体９を循環しているときには、流体がエネルギー貯蔵で熱交換されて冷却される。二酸化炭素の一部が固体状態にあることは、未だ固体になっていない液体も−５６．６℃に近いことを示しているので、二酸化炭素の液体部分にも流体に対する冷却効果がある。
【００７９】
流体導体９は、熱交換器の内部でも外部でも筒状のステンレス鋼で形成されることが好ましいが、当該技術分野で周知の代替物を用いてもよい。熱交換器２内で必要とされる流体導体９の総表面積は、冷媒（例えば、約−５６℃の温度の二酸化炭素）と流体（例えば約−１０℃の温度の水素）の温度差により決まる。流体導体９を長くした場合の圧力低下の問題を避けるため、第１の熱交換器２内で流体導体９をいくつかの平行なループに分けることにより必要な表面積を得ることとしてもよい（なお、図ではループを１つだけ示している）。第１の熱交換器２内にある流体導体は、全体が液体状態３ａ又は固体状態３ｂの冷媒の液面以下にあることが好ましい。こうすれば、流体導体内の流体と冷媒との最適な熱／冷交換が得られるという利点がある。しかし、冷媒３を固体状態にすると、時間計測によって冷却システム内の冷媒の流れが止まってしまうリスクが高まる。このリスクは上記利点と比較衡量すべきであり、状況によっては利点がこのリスクを上回ることもある。
【００８０】
上記のとおり、圧力が低下して二酸化炭素の三重点の圧力に近づくと、第１の熱交換器２内の二酸化炭素は、徐々に、半解け氷の段階を経て液体状態３ａから固体状態３ｃに変化する。したがって本発明によるエネルギー貯蔵は、開放流体システム１０の流体よりも冷たい冷媒３として理解されるべきであり、冷媒３の状態が液体状態３ａ、固体状態３ｂ、気体状態３ｃ、又はこれらのいずれかから他の状態に変わる途中の状態のいずれであるかを問わない。
【００８１】
したがって、二酸化炭素の状態にかかわらず、三重点近傍の圧力に保たれた二酸化炭素は、開放流体システム１０に備えられ流体導体９を介して第１の熱交換器２に入る流体との熱交換が可能である（言うまでもなく、これは流体温度が二酸化炭素温度より高い場合である）。
【００８２】
本発明の好ましい実施形態によれば、冷媒３の圧力（及びこれにより温度も）は三重点近傍に保たれ、したがって冷媒３は第１の熱交換器２内で少なくとも部分的に液体状態３ａ、固体状態３ｂ及び気体状態３ｃで存在する。これは、流体導体９内にあって第１の熱交換器２を通って流れる開放流体システム１０の流体と比べて、冷媒３が暖かい場合には特にそうである。しかし、エネルギー貯蔵が完全に形成されたとき、即ち液体状態の冷媒３ａがすべて固体状態の冷媒３ｂに変化したときには、第１の熱交換器２内に存在する冷媒３は、固体状態３ｂ及び気体状態３ｃという２つの状態だけになる。
【００８３】
図１Ａは圧力調整手段を更に示し、圧縮機６については先に言及した。これに加え、圧力調整手段は注入弁４を制御する液面計５を備える。そのため液体状態３ａ又は固体状態３ｂにある冷媒３が、（単独で又は合わせて）あらかじめ定められた閾値より低いことが液面計５により計測されると注入弁４が開く。こうして、冷媒３が、好ましくは液体状態３ａで、第１の熱交換器２に加えられる。液面計５と注入弁４は好ましくは冷却システムに用いられる従来型であり、液面計は連続的な液面計測値の分かるものでもよい。
【００８４】
液面計５による計測値は、図示しないが、例えばＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ、ＰＬＣ）、又は接触器を含む単純な論理回路といったデータ処理装置に供給してもよい。圧力計７、流量計等の他のセンサの出力も図示しないデータ処理装置の入力として用いることができる。そのようなデータ処理装置はデータを処理して、圧縮機、弁、取出口１６等に出力信号を供給してもよい。これに替えて、データの送り先である弁、圧縮機、熱交換器等にセンサを直接接続してもよく、この場合これらはコントローラによってではなく自律的に制御される。
【００８５】
コントローラは、変換器又はセンサから時間、圧力、温度、流量等に関する入力を受け取り、これらのデータを処理して圧縮機、弁、圧力、温度、流量等を制御する。これにより、開放流体システム内の、例えば水素の流れを所望の目標温度、例えば、−３３℃〜−４０℃（これら数値を含む）に冷却する能力のある固体状態の冷媒のエネルギー貯蔵を確実に得ることができる。
【００８６】
コントローラによる圧縮機の制御は、所定の時間後に圧縮機サイクルを開始及び停止することを含んでいてもよい。この所定の時間は、固体状態のエネルギー貯蔵を生成するのに要する時間の（実験又は計算により得られる）知識に基づいて決定することができる。圧縮機の動作時間は圧縮機が動作していない時間と同じでないかもしれない。
【００８７】
同様に、第１交換器２の氷の所定のレベルは、例えば燃料補給頻度とそれに応じた必要冷却能力の知識に基づいて決定してもよく、又は単に所望されるエネルギー貯蔵の大きさに基づいて決定してもよい。当該エネルギー貯蔵の大きさによる構築・維持コストを検討し、燃料補給頻度などの開放流体システムの流体冷却の必要性とバランスさせなければならない。
【００８８】
コントローラは、データネットワークを介して外部のデータ処理装置と接続してもよく、これにより遠隔での冷却システムの変更、運転及び制御を容易にすることができる。冷却システムが水素補給ステーショの一部である場合、冷却システムと水素燃料供給ステーションのコントローラを同じにして遠隔制御するようにしてもよい。
【００８９】
そして、液体状態３ａの冷媒３は第３の熱交換器８から第１の熱交換器２に供給することができる。好ましい実施形態において、冷媒３は、熱交換器２、８の物理的配置によって単純に重力により第３の熱交換器８から第１の熱交換器２に流れる。
【００９０】
更に、圧力調整手段は、第１の熱交換器２内部の圧力、又は第１の熱交換器２と圧縮機６を接続する導体における圧力を計測する圧力計７を含む。この圧力が冷媒３の三重点より高い場合には、液体状態の冷媒３ａが存在するので、圧縮機６を作動させて圧力を下げ、固体状態の冷媒３ｂに戻す相変化を促すべきである。圧力計は、使用する冷媒３の三重点近傍の圧力での動作に適したものであれば、どのような従来形のマノメータ／プレッシャーゲージでもよい。
【００９１】
図１Ａは、開放流体システム１０の流体が第１の熱交換器２に入る前に予冷するための第２の熱交換器１２を更に示す。第２の熱交換器１２は、液体状態３ａの冷媒３を備え、流体導体９内にある開放流体システム１０の流体が第２の熱交換器１２に入ると、冷媒３が沸騰又は蒸発する。気体状態３ｃとなった冷媒３は第３の熱交換器８に伝わる。
【００９２】
第２の熱交換器１２は第１の熱交換器２に比して安価に運用できるので、開放流体システム１０の流体を第２の熱交換器１２で予冷することには利点がある。第３の熱交換器８で第２の冷却システム１２の予冷係数を決定することができるが、流体を−１０℃から−１５℃の温度に予冷すると冷却システム内の費用バランスがうまく図れる。そして第１の熱交換器２でこの温度から流体の所望の目的温度まで流体を冷却する。例えば、二酸化炭素を冷媒に用いた場合に想定されるように、第１の熱交換器２から出る流体の温度が約−４０℃よりも低い場合には、流体貯留器１３の流体を第２の熱交換器１２を経由させずに、第１の熱交換器２で冷却した流体と直接混ぜてもよい。
【００９３】
エネルギー貯蔵が完成している状況、即ち、第１の熱交換器２内のすべての液体冷媒３ａが固体状態３ｂに相変化した状況においては、流体導体９内の流体は約−５６．６℃にまで冷却され、これは流体の所望の目的温度よりも低い。したがって、流体の所望の目的温度を得るために、第１の熱交換器２と第２の熱交換器１２の流体出力の間に温度調節弁１４（又はパルス制御開閉弁）を挿入する。この温度調節弁を調節し、−１０℃から−１５℃の流体を−４０℃より低い温度の流体と混ぜることにより、流体の所望の目的温度を得ることができる。流体の所望の目的温度は、例えば乗り物に供給される水素の場合、−３３℃と−４０℃の間である。
【００９４】
第３の熱交換器８は、第１の熱交換器２から圧縮機６によって除去した気体状態冷媒３ｃ及び／又は第２の熱交換器１２からの気体状態冷媒３ｃを凝縮するために使われる。上記のとおり、液体状態となった冷媒３ａは注入弁４を介して第１の熱交換器２に供給することができる。また、液体状態冷媒３ａは第２の熱交換器１２に戻される。第３の熱交換器８は、従来型の冷却システムの一部としてありふれたものであり、これ以上の詳細は説明を省略する。
【００９５】
本発明の一実施形態によれば、第３の熱交換器８は（物理的に）第１の熱交換器２と第２の熱交換器１２より上に配置され、これには、重力のみにより液体状態の冷媒３ａが第３の熱交換器８から第１の熱交換器２（注入弁５が開いている場合）と第２の熱交換器１２に伝わるという利点がある。
【００９６】
図１Ａは、安全弁又は圧力調節弁として実現することのできる付加弁１５ａ及び冷媒取入口１５ｂ等の付加部品１５を更に示す。必要な場合には、冷媒３は、好ましくは、３ｃで示した線に沿う辺りで気体状態３ｃで閉鎖冷却システム１に適用される。３ｃはこれらの線が気体状態３ｃの冷媒を備えることを示す。これに替えて、冷媒３は液体形態３ａで閉鎖冷却システムに適用することもできる。
【００９７】
本発明による閉鎖冷却システム１は、少なくとも第１の熱交換器２、圧縮機６及び第３の熱交換器８を備える。更に、閉鎖冷却システム１は、圧力計７、液面計５、付加弁１５ａ、取入口１５ｂ、注入弁４、第２の熱交換器１２、及び温度調節弁１４、及び冷却システムの通常動作に必要な他の部品を備えていてもよい。更に、閉鎖冷却システム１は、第１の熱交換器２と第２の熱交換器１２の間の圧力を制御する弁２２を含んでいてもよい。この圧力調節弁２２は、閉鎖冷却システム１の安定化を容易にする、例えば、第２の熱交換器１２の負荷が高いときには第１の熱交換器２の固体状態の冷却バンク３ｂ’が第２の熱交換器１２の過負荷防止の役割を果たすことができ、これにより閉鎖冷却システムそのものの保護機構として働く。これには、閉鎖冷却システム１に動力供給がない状況においても、冷却システムはこのように開放流体システム１０の流体の冷却を実際に継続できるという利点がある。
【００９８】
閉鎖冷却システム１の各部品に加え、図１Ａは、全体として開放流体システム１０と称することのできる各部品を示す。開放流体システム１０は、流体貯留器１３、流体導体９及び開放流体システムの取出口１６を備える。
【００９９】
流体貯留器１３は、好ましくは気体状態の水素である一定量の流体を備えるが、理論的には、気体又は液体状態にあるいかなる流体でもよい。かかる流体は、その流体の用途によって決定される。
【０１００】
上記のとおり、流体貯留器１３から出た流体は第２の熱交換器１２で予冷された後に第１の熱交換器で更に冷却され、必要な場合には第１の熱交換器２と第２の熱交換器１２の出力と混合されて開放流体システム１０の取出口１６で所望される温度となる。取出口１６での好ましい温度は、従来の部品／材料を用いるためには−３３℃と−４０℃の間（これら数値を含む）である。−４０℃より低いと、従来の部品／材料の振る舞いや特性に変化が生じるリスクがある。
【０１０１】
より具体的な出力温度帯としては−３０℃と−４０℃の間があり得、流体が水素であって乗り物１１に供給される場合、好ましい温度は−３７℃であり得る。本発明の一実施形態によれば、流体貯留器１３内の水素などの流体の温度は流体貯留器１３の周囲温度と同じである。流体貯留器１３が隔離されている場合には、内部の流体を外周温度より低い温度で貯留できることもある。しかし、いくら断熱性を高めても流体からの放射は不可避であるため、乗り物１１への燃料補給と次の燃料補給の間、貯留する流体を低温に保つためのエネルギーが必要となるので、これは好ましくない。したがって、取出口１６で所望される温度で流体を貯留するよりも、冷媒３のエネルギー貯蔵を提供する方が好ましい。
【０１０２】
図１Ｂは、冷却バンク封入容器２１を示し、冷却バンク封入容器２１は、閉鎖冷却システム１の冷媒３が冷却バンク封入容器２１の中を伝わるように図１Ａの冷却システム１に接続されている。そのためには、冷却バンク封入容器２１を熱交換器２、８、１２のうちの１つと接続すればよい。これにより、冷却バンク封入容器２１に備えられた冷却材２０が冷媒３によって冷却され、好ましくは固体状態になる。こうして、冷媒３により固体状態の冷却バンク３ｂ’が冷却バンク封入容器２１内に提供され、流体導体９を介して開放流体システム１０の流体の冷却を容易にする。
【０１０３】
冷却材は、開放流体システム１０の流体の冷却に適した化合物であればどのようなものでもよく、冷媒３と同じ化合物でもよい、即ち、冷媒をこの化合物と称することもできる。したがって水と食塩、又は水と単糖類の溶媒を冷却材２０として用いてもよい。しかし、凝固して固体状態の冷却バンク３ｂ’になり、冷却材として所望される温度を得るのに適当な化学結合であれば何を利用してもよい。
【０１０４】
水を含む溶媒を用いる場合、冷却材を液体状態から固体状態に変化させると体積が変化する。そのため、冷却バンク封入容器２１を冷却材で完全に満たさずに、この体積変化のための空間を残しておく方がよい。状況によっては、この欠点は、厳密に決定された液体から固体への相変化温度と、それによる固体状態の冷却バンク３ｂ’の温度に基づいて冷却材を設計することにより克服される場合がある。
【０１０５】
なお、冷却バンク封入容器２１の固体状態の冷却バンク３ｂ’は単純な熱交換器、即ち、図１Ａの冷却システムとは異なる冷却システムによって提供されてもよい。
【０１０６】
しかしながら、冷媒３自体が固体状態に変化することで固体状態の冷却システム３ｂ’が提供される場合には、多くの場合、図１Ａに示す冷却システム１が好ましい。その理由の１つは、液体状態から固体状態に変化するときの冷媒３の体積変化が最小限であること、また他の理由は、必要とされるシステムが比較的複雑でないことである。上記のいずれの実施形態においても固体状態の冷却バンクの温度を決定するのは冷媒又は冷却材の三重点である。
【０１０７】
図２は、本発明による水素燃料供給ステーション１７から水素を乗り物に燃料補給するときに水素の冷却に必要な冷却能力（Ｐ）と時間（Ｔ）の関係を示す燃料補給曲線である。図に示すように、曲線は２回の燃料補給を示しており、曲線から、必要な冷却能力が時間Ｔ１とＴ４でピークに達することが分かる。これらのピークは乗り物への燃料補給に必要な温度、即ち−３４℃かそれよりさらに低い温度まで水素を冷却するのに必要なエネルギー量を示す。これらのピークにおいて必要な冷却能力は、水素の初期温度によるが、往々にして６０ｋＷから７０ｋＷの間にまでなり得る。このような冷却能力は、第１の熱交換器２の前に例えば第２の熱交換器１２で水素を約−１０℃に予冷した状況に当てはまる。ピーク後には必要な冷却能力は減少し、燃料補給プロセスが時間Ｔ２、Ｔ５で終了する。したがって、燃料補給プロセスに関して冷却能力の必要はここで終了する。
【０１０８】
したがって、図２は、時間Ｔ０−Ｔ２及びＴ３−Ｔ５において、乗り物の燃料補給時に必要な温度条件を充足するための、いわば水素の観点から必要な冷却能力を示す。図示のとおり、ピーク時必要量はＴ１とＴ４でピークに達する。燃料補給と次の燃料補給の間の時間Ｔ６の少なくとも一部が、冷媒の液体状態３ａから固体状態３ｂへの相変化によってエネルギー貯蔵３ｂを提供するために必要である。状況によっては、エネルギー貯蔵は、圧縮機６を含め冷却システムの他の部分に頼らずに、水素を所望の目的温度まで冷却する能力がある。いかなる状況においても、エネルギー貯蔵が提供されている場合には、水素を冷却しているのは、いわば冷却システム自体と言うより冷却システム１のエネルギー貯蔵である。したがって、状況によっては、冷却システム１に動力供給がない場合や、例えば圧縮機６が不調のとき、例えばフル稼働していないときでも、流体（水素）の冷却は容易になる。これは、エネルギー貯蔵が提供される場合、又は、燃料補給と次の燃料補給の間隔がエネルギー貯蔵の再構築、即ち、冷媒３の液体から固体への相変化に充分となるようなレベルで圧縮機（又は冷却システム自体）が動作しているときに当てはまる。この冷却システム又は燃料供給ステーションの特徴は、第１の熱交換器２に断熱を施すことで強化することができ、断熱が多いほど効率は向上する。
【０１０９】
したがって、図２は時間Ｔ６を挟んで２台の乗り物に燃料補給するために必要な冷却必要量を示す。図示しないが、追加の乗り物への燃料補給は実質的に同様の冷却必要量が必要となるが、ピーク値と長さは例えば乗り物に供給される水素の量、周囲温度、第１の熱交換器２に入る水素の温度によって異なる。開始時点Ｔ０からピーク能力が必要なＴ１までの時間は典型的には２０秒と６０秒の間である。Ｔ０からＴ２までの燃料補給の合計時間は周囲温度に依存し、これが２０℃と３０℃の間の場合はＴ０からＴ２までの時間は典型的には３分と５分の間である。なお、乗り物の燃料補給に要する時間は水素の温度に依存することもある。
【０１１０】
燃料補給と次の燃料補給の間の時間Ｔ６は、次の燃料供給のために第１の熱交換器２内のエネルギー貯蔵を準備することに使われるのが好ましい。これは、好ましくは、第１の熱交換器２内の圧力を調節して液体冷媒３ａから固体冷媒３ｃへの相変化を促し、第１の熱交換器２内に冷却能力のエネルギー貯蔵を提供又は構築することにより行われる。これは、好ましくは、第１の燃料補給が終了したとき（流体導体９内の流れが停止したことが計測されたとき）又は第１の熱交換器２内の圧力上昇、又は温度低下が計測されたときに圧縮機６を動作開始させることにより行われる。後者の圧力変化と温度変化は第１の熱交換器２の冷媒３がすべて液体状態３ａに戻っており（エネルギー貯蔵３ｂ’がもはや存在しない、即ち、エネルギー貯蔵に保存されていた冷却能力がすべて第１の熱交換器２内の流体導体９内の水素の流れに放射された）、したがって、固体冷媒３ｂのエネルギー貯蔵を再構築する時期であることを示している。なお、例えば、第２の熱交換器が大量の気体状態冷媒を供給する場合は、第３の熱交換器８の負荷も圧縮機の動作開始時期に影響を与えることがある。
【０１１１】
図２に示す曲線から、従来型冷却システムでピーク時冷却能力を充足できるものは、サイズとエネルギー消費が大きく、したがって非常に高価であることが明白である。これらの条件は、燃料供給ステーションに必要な条件、即ち、サイズがより小さく、エネルギー消費と価格が最小で、向上した能力と高い信頼性を有するという要請にうまく合致しない。これらの要請は本明細書記載の発明の冷却システムを開発する上での推進力となったものであり、この冷却システムの冷却能力は、Ｔ１とＴ４の燃料補給ピーク時に必要な冷却能力より小さい。
【０１１２】
一実施形態において、本発明の冷却用圧縮機の能力は、エネルギー貯蔵がない状態では、例えば乗り物への燃料補給のための水素の流れの冷却に関するＳＡＥｊ２６０１の基準を満たさない場合がある。そのため、エネルギー貯蔵が充分に構築されていない状態で水素が第１の熱交換器内を流れる場合、冷却システムの能力は、ピーク時Ｔ１及びＴ４において−３３℃より低い温度まで水素を冷却するには不充分となり得る。
【０１１３】
本発明の冷却システムは、実際の燃料補給（開放流体システム内の水素の流れ）の直前直後の時間を利用して、次の燃料供給に備えて固体状態のエネルギー貯蔵を構築する。
【０１１４】
図３は、本発明の一実施形態にかかる燃料供給ステーション１７を示す。燃料供給ステーション１７は、例えばディーゼルやガソリンといった化石燃料に加えて水素も補給できる既存の燃料供給ステーションであってもよく、また、好ましくは独立の水素燃料供給ステーション１７でもよい、
【０１１５】
燃料供給ステーションは、上記のとおり水素導体９を介して開放流体システム１０の取出口１６と流体接続された水素貯留器１３を備える開放流体システム１０を備える。開放流体システム１０は、冷媒を外部に出すことが許されない閉鎖冷却システム１と異なり、流体を開放流体システム１０の外部に出すことが許されるという意味において開放されている。水素導体９は、水素貯留器１３から取出口１６までの間で、第１の熱交換器２及び／又は第２の熱交換器１２並びに流体／水素供給器１８を通るようにしてもよい。
【０１１６】
水素供給器１８の目的は、水素使用量と、例えば使用した水素の費用とを計測すること、又は少なくとも乗り物１１に燃料補給する人にこれらを表示することを含んでいてもよい。
【０１１７】
取出口１６は、好ましくは、乗り物１１の水素貯留器の開口に適合するノズル形状で、これにより燃料供給ステーション１７から乗り物１１への水素の流れを容易にする。このノズルや水素燃料供給ステーション１７の他の部品は、ＳＡＥ−Ｊ２６００基準に適合することが好ましい。
【０１１８】
図３から、燃料供給ステーション１７が上記の閉鎖冷却システム１を更に含んでいることが明らかになることが更に開示される。したがって、閉鎖冷却システム１は少なくとも熱交換器２、８、１２、圧縮機６及び目的の異なる弁４、１４を含む。更に、燃料供給ステーション１７は、ステーション内での水素生成を可能にする電解槽１９を備えていてもよい。閉鎖冷却システム（及び開放流体システム１０）は、図示した部品に加えて、図示しないが、例えば安全上の理由による圧力調節弁、例えば冷媒を交換するための取入口及び取出口等を備えていてもよい。
【０１１９】
更に、これまで乗り物の原動機を駆動するための流体の冷却との関連において冷却システム１に言及してきたが、冷却システム１は他の応用も可能である。
【０１２０】
図４と図５は、本発明の冷却システム１の水素燃料供給ステーション１７への好ましい適用例を示す。かかる水素燃料供給ステーション１７は、水素貯留器１３から水素取出口１６に流れる水素を流体導体９を介して冷却する固体状態の冷媒を少なくとも備える。
【０１２１】
好ましくは、水素燃料供給ステーション１７は、本明細書で説明した閉鎖冷却システム１及び開放流体システム１０を備える。
【０１２２】
概して閉鎖冷却システムに関しては、固体状態の冷媒を生成することの効果が認識されておらず、圧縮機は、熱交換器内の圧力を固体冷媒が生成される圧力より高く維持するように運転される。典型的な冷却システムは、冷却対象となる媒体の冷却の必要性に合わせて設計されるため、その媒体の流れが冷媒と熱交換する度合いは、圧縮機の継続運転が必要となるほどのものとなる。
【０１２３】
例えば、夜間は燃料補給の間隔が長く空く場合があり、冷却能力が継続的に必要とされるわけではないという点において、かかる冷却システムは、乗り物に流体を燃料供給するシステムとしてはあまり適当ではない。実際、上記のとおり、１回の燃料供給には大きなピーク時冷却能力が必要となるが、そのような冷却能力は、ほとんどの時間、即ち燃料補給している乗り物がない間は活用されていない。
【０１２４】
固体状態の冷媒を生成することを避ける更なる理由として、この固体状態の冷媒が熱交換器から圧縮機に吸い出されるリスクがある。これが起きた場合には、圧縮機を損傷する結果となる可能性がある。このリスクは固体状態の冷媒によるエネルギー貯蔵を有する冷却システムを利用することの欠点であるが、状況によっては、かかるシステムの利点がこのリスクを凌駕する可能性があるので、両者を比較衡量すべきである。少なくとも、本明細書において説明した冷却システム１の利点は、例えば乗り物１１への水素による燃料補給に関して、システムの冷却能力を上回るピーク時の高い冷却能力の必要を満たすことができる（そのためサイズと費用を減らすことができる）こと、圧縮機６を断続的に運転できるので、エネルギー料金の違いを利用してエネルギー料金が低いときに圧縮機６を運転することができること、この冷却システムの物理的サイズとエネルギー消費は、同じ冷却能力を有する公知の冷却システムに比べ小さいこと、公知の冷却システムの圧縮機のように頻繁に動作と停止を行う必要がなく、圧縮機６等の寿命が延ばせることにある。
【０１２５】
なお、冷却システムと開放流体システムの最適な動作のためにはデータ処理ユニットが必要である。データ処理ユニットとしては、例えば燃料供給ステーションからの入力によって燃料供給ステーションを制御するための出力をすることができるマイクロプロセッサ又は論理回路がある。これには、固体状態の冷媒の生成、圧縮機の運転、取出口、供給器、流量、貯留器、熱交換器等の制御が含まれる。データ処理装置が図示されていないことは、燃料供給ステーション、冷却システム及び／又は開放流体システムの動作にデータ処理装置が必要でないことを意味しない。
【０１２６】
また、例えば、温度、圧力、漏れを測定するために種々の測定機器が必要な場合がある。
【０１２７】
そして、冷媒３の圧力、温度といった三重点の特性は、実際の燃料供給ステーション１７においては理論値からいくらか外れる場合がある。これは主に導体、熱交換器等に蓄えられた熱慣性によるものであるが、その場合でも本発明の全体的な原理は適用可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
１  閉鎖冷却システム
２  第１の熱交換器
３  冷媒
３ａ  液体状態の冷媒
３ｂ  固体状態の冷媒  （３ｂ’  固体状態の冷却バンク）
３ｃ  気体状態の冷媒
４  注入弁
５  液面計
６  圧縮機
７  圧力計
８  第３の熱交換器
９  流体導体
１０  開放流体システム
１１  乗り物
１２  第２の熱交換器
１３  流体貯留器
１４  温度調節弁
１５  付加部品
１５ａ  付加弁
１５ｂ  冷媒取入口
１６  開放流体システムの取出口
１７  流体ステーション
１８  流体供給器
１９  電解槽
２０  冷却材
２１  冷却バンク封入容器
２２  圧力調節弁
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月14日(2017.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２，５３９，６５０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２６０，３６１号明細書
【国際調査報告】
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