(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＮＧを収容する燃料タンクと、この燃料タンクに取り付けるパルスチューブ冷凍機とを備え、上記パルスチューブ冷凍機のパルスチューブを燃料タンクの上部周壁に貫通状態で取り付け、上記パルスチューブの冷端を上記燃料タンクの上部空間内に配設するとともに、熱端を上記燃料タンクの外部に配設し、上記パルスチューブの冷端側で発生する冷熱により上記燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを液化して再利用可能にし、上記パルスチューブの冷端を開閉弁付き第１パイプを介してコンプレッサーのガス吸入口に連通するとともに、開閉弁付き第２パイプを介してコンプレッサーのガス吐出口に連通し、上記コンプレッサーの動力源を、上記燃料タンクからＬＮＧが供給されている自動車等のエンジンとは異なる内燃機関で構成し、この内燃機関の燃焼室を開閉弁付きガス吸入管を介して上記燃料タンクの上部空間に連通し、この燃料タンクに、その上部空間内が所定の圧力になるとガス吸入管の開閉弁を開弁して燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧをガス吸入管を介して内燃機関の燃焼室に供給可能にする圧力計を設け、上記燃料タンクの上部空間内が上記所定圧力になると、上記内燃機関の燃焼室に燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを送給するように構成したことを特徴とする燃料タンク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の燃料タンク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、タクシー等の自動車用の燃料として、ＬＰＧ（液化石油ガス）が用いられている。ところが、ＬＰＧを燃料とした自動車では、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯX ）による環境汚染の問題があるため、最近では、排ガス中の窒素酸化物の発生量がＬＰＧに比べて４０〜７０％も軽減されるＬＮＧ（液化天然ガス）の使用が提案されており、環境にやさしい自動車として、期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＬＮＧは、メタン：ＣＨ4 を主成分とする可燃性ガスであり、その沸点が約−１６２℃と極低温である（ＬＰＧの沸点は、−２０〜３０℃である）ため気化しやすく、また、気化すると高圧ガスになる。したがって、ＬＮＧを燃料として用いると、これを収容する燃料タンク内で多量の気化ＬＮＧが発生して燃料タンク内が異常高圧になりやすく、このため、上記気化ＬＮＧを燃料タンク外に放出する必要が生じてくる。ところが、このように多量に発生する気化ＬＮＧを燃料タンク外に放出するのでは、この放出する燃料が無駄になり、燃費が大幅にアップするとともに、発火する危険や、逆に環境汚染を招くという問題を生じる。したがって、ＬＮＧを燃料として用いた自動車の一般普及は実現されていないのが実情である。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、ＬＮＧを燃料として用いる場合にも、これを外部に放出する必要のない燃料タンク装置の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料タンク装置は、ＬＮＧを収容する燃料タンクと、この燃料タンクに取り付けるパルスチューブ冷凍機とを備え、上記パルスチューブ冷凍機のパルスチューブを燃料タンクの上部周壁に貫通状態で取り付け、上記パルスチューブの冷端を上記燃料タンクの上部空間内に配設するとともに、熱端を上記燃料タンクの外部に配設し、上記パルスチューブの冷端側で発生する冷熱により上記燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを液化して再利用可能にし、上記パルスチューブの冷端を開閉弁付き第１パイプを介してコンプレッサーのガス吸入口に連通するとともに、開閉弁付き第２パイプを介してコンプレッサーのガス吐出口に連通し、上記コンプレッサーの動力源を、上記燃料タンクからＬＮＧが供給されている自動車等のエンジンとは異なる内燃機関で構成し、この内燃機関の燃焼室を開閉弁付きガス吸入管を介して上記燃料タンクの上部空間に連通し、この燃料タンクに、その上部空間内が所定の圧力になるとガス吸入管の開閉弁を開弁して燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧをガス吸入管を介して内燃機関の燃焼室に供給可能にする圧力計を設け、上記燃料タンクの上部空間内が上記所定圧力になると、上記内燃機関の燃焼室に燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを送給するように構成したという構成をとる。
【０００６】
すなわち、本発明の燃料タンク装置は、ＬＮＧを収容する燃料タンクにパルスチューブ冷凍機を設け、このパルスチューブ冷凍機のパルスチューブを燃料タンクの上部周壁に貫通状態で取り付け、上記パルスチューブの冷端を燃料タンクの上部空間内に配設し、そこに冷熱を発生させ、この冷熱により燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを液化して再使用可能にしている。このように、本発明の燃料タンク装置では、燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを液化することにより再使用可能にしているため、この気化ＬＮＧを燃料タンクの外部に放出しなくてもよい。したがって、燃費のアップを抑制しうると同時に、発火の危険や環境汚染の問題も全く生じず、ＬＮＧを燃料として用いた自動車の一般普及を可能ならしめるものである。
【０００７】
また、本発明では、上記パルスチューブの冷端を開閉弁付き第１パイプを介してコンプレッサーのガス吸入口に連通するとともに、開閉弁付き第２パイプを介してコンプレッサーのガス吐出口に連通したため、コンプレッサーにより、パルスチューブの冷端側へのガス供給，ガス排出の切り換えが簡単に行えるという利点がある。また、上記コンプレッサーの動力源を内燃機関で構成し、この内燃機関の燃焼室に燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを送給するように構成したため、燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを内燃機関の燃料として利用することができるという利点がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【０００９】
図１は本発明の燃料タンク装置の一実施の形態を示している。図において、１は内部にＬＮＧ３が収容された燃料タンクであり、その周壁２は、内部が真空に保持された内外二重壁２ａ，２ｂで構成されている。４は燃料タンク１の上部周壁２ｃに取り付けられたパルスチューブ冷凍機である。
【００１０】
上記パルスチューブ冷凍機４は、図２に示すように、円筒状のパルスチューブ５と、高圧ガス溜め（高圧バッファタンク）６と、低圧ガス溜め（低圧バッファタンク）７とを備えており、パルスチューブ５内でガス（この実施の形態では、ガスとしてヘリウムガスを用いている）を膨張させることにより、寒冷を発生させるようにしている。このようなパルスチューブ５は、燃料タンク１の上部周壁２ｃに、これを貫通する状態で取り付けられており、その冷端５ａが燃料タンク１内の上部空間に配設されているとともに、その熱端５ｂが燃料タンク１の外部に配設され放熱されるようになっている。８，９はパルスチューブ５の冷端５ａおよび熱端５ｂに配設される円盤状の層流化部材である。１０，１１はパルスチューブ５の冷端５ａおよび熱端５ｂに取り付けられる円盤状の蓋体であり、その内面の外周部から突設された円筒状取付け部１０ａ，１１ａに層流化部材８，９が内嵌状に収容，保持されている。
【００１１】
１２は一端１２ａが冷端側蓋体１０の中央貫通穴１０ｂに内嵌状に取り付けられた冷端側本管であり、その他端が給気弁１３ａを設けた給気管１３と排気弁１４ａを設けた排気管１４に分岐している。そして、給気管１３の先端部がコンプレッサー２０のシリンダ室２０ａの一側壁（図面では、左側壁）から室内に突入し、その先端開口がシリンダ室２０ａのガス吐出口１３ｂになっている。一方、排気管１４の先端部もシリンダ室２０ａの一側壁から室内に突入し、その先端開口がシリンダ室２０ａのガス吸入口１４ｂになっている。１５は一端１５ａが熱端側蓋体１１の中央貫通穴１１ｂに内嵌状に取り付けられた熱端側本管であり、その他端が第１弁１６ａを設けた第１分岐管１６と第２弁１７ａを設けた第２分岐管１７に分岐している。そして、第１分岐管１６の先端が高圧ガス溜め６に連通し、第２分岐管１７が低圧ガス溜め７に連通している。図２において、１８ａは給気管１３の先端開口（ガス吐出口）１３ｂを開閉する吐出弁であり、１８ｂは排気管１４の先端開口（ガス吸入口）１４ｂを開閉する吸入弁である。
【００１２】
図１に戻って、２０はパルスチューブ５の冷端５ａ側に対するガス給気およびガス排気を行う往復式コンプレッサーであり、２１はコンプレッサー２０のシリンダ室２０ａ内のピストン２０ｂを往復運動させる内燃機関（この実施の形態では、模型飛行機用のエンジンが用いられている）である。２２は内燃機関２１の燃焼室であり、その吸気口が開閉弁２４ａ付きガス吸入管２４を介して燃料タンク１の上部空間に連通している。これにより、燃料タンク１の上部空間に溜まるメタンガスを内燃機関２１の燃料として利用できる。一方、燃焼室２２の排気口が排気管３０，マフラー（図示せず）等を介して大気中に連通している。２３はシリンダ室２０ａ内のピストン２０ｂと燃焼室２２内のピストン２２ａを連結する連接棒２３であり、燃焼室２２内のピストン２２ａの往復運動をそのままシリンダ室２０ａ内のピストン２０ｂに伝達している。３１は燃焼室２２内に設けた戻しばねであり、燃焼室２２の燃焼，爆発により下死点に到達したピストン２２ａを上死点に戻す作用をする。３２は燃焼室２２に設けた点火プラグである。図において、２１ａは内燃機関２１のスタータである。
【００１３】
また、２５は圧力計であり、燃料タンク１の上部空間が所定圧力になると、開閉弁２４ａを開弁し、燃料タンク１の上部空間に溜まったメタンガスをガス吸入管２４を介して内燃機関２１の燃料室２２に供給可能にするとともに、コンプレッサー２０，内燃機関２１およびパルスチューブ冷凍機４をＯＮ作動させる作用をする。２６は安全弁２６ａ付きガス抜き管であり、その先端に触媒筒２７が取り付けられている。上記安全弁２６ａは、燃料タンク１の上部空間が所定圧力になると開弁し、燃料タンク１内のメタンガスをガス抜き管２６を介して触媒筒２７に送り、この触媒筒２７で燃焼させてから大気中に放出する。２８は燃料タンク１内のＬＮＧを自動車等のエンジンに供給する供給管であり、２９は上記供給管２８に設けられたＬＮＧ気化用の蒸発器である。
【００１４】
上記構成において、燃料タンク１の上部空間が所定圧力になると、これを圧力計２５が検出し、開閉弁２４ａが開弁するとともに、コンプレッサー２０，内燃機関２１およびパルスチューブ冷凍機４がＯＮ作動する。この場合に、自動車等の運転中には、電源としてバッテリーを利用する。また、エンジン停止時には、自動車等が屋外にある場合に、自動車等の屋根に取り付けた太陽電池によりバッテリーを充電することができる。また、自動車等が屋内（屋根付き駐車場等）にある場合に、屋内用電源から引き出した電源を利用する。
【００１５】
上記ＯＮ作動により、内燃機関２１は、通常の模型飛行機用のエンジンと同様に作動する。その作動を概略的に説明すると、まず、燃焼室２２の吸気弁（図示せず）が開弁し、ガス吸入管２４から燃料タンク１の上部空間に溜まるメタンガスが燃焼室２２に流入する。ついで、所定時期に点火プラグ３２が点火し燃焼室２２で燃焼，爆発が起こり、この爆発力によりピストン２２ａが下死点側に（図面では、左側に）移動し、下死点に到達したのち、戻しばね３１のスプリング力で上死点側に（図面では、右側に）移動する。そして、ピストン２２ａが上死点に到達したときに、再度点火プラグ３２が点火し、燃焼室２２で燃焼，爆発が起こり、ピストン２２ａが下死点側に移動する。このような移動を繰り返すことにより、燃焼室２２内でピストン２２ａが左右方向に往復運動を行う。このようなサイクルにおいて、吸気弁，排気弁（図示せず）の開閉が適正に行われ、燃焼室２２に燃料タンク１の上部空間に溜まるメタンガスがガス吸入管２４を介して送り込まれ、燃焼室２２で生成した燃焼ガスが排気管３０，マフラー等を介して大気中に排気される。そして、この往復運動は、連接棒２３によりコンプレッサー２０のシリンダ室２０ａのピストン２０ｂに伝達される。
【００１６】
コンプレッサー２０では、燃焼室２２のピストン２２ａが左側に移動するときに、シリンダ室２０ａのピストン２０ｂも左側に移動する。このとき、給気弁１３ａ，吐出弁１３ｂは開弁状態にあり、排気弁１４ａ，吸入弁１４ｂは閉弁状態にある。これにより、ピストン２０ｂの移動でシリンダ室２０ａ内のガスは圧縮されながら、高圧ガスとなってシリンダ室２０ａのガス吐出口１３ｂから吐出され、給気管１３，冷端側本管１２を通りパルスチューブ５内に流入する。一方、燃焼室２２のピストン２２ａが右側に移動するときに、シリンダ室２０ａのピストン２０ｂも右側に移動する。このとき、給気弁１３ａ，吐出弁１３ｂは閉弁状態にあり、排気弁１４ａ，吸入弁１４ｂは開弁状態にある。これにより、ピストン２０ｂの移動でシリンダ室２０ａ内が負圧になって吸引力が発生し、パルスチューブ５内のガスが冷端側本管１２，排気管１４を通りシリンダ室２０ａのガス吸入口１３ａから吸入される。このようにして、シリンダ室２０ａのピストン２０ｂの往復運動により、パルスチューブ５の冷端５ａ側に対するガス給気およびガス排気が行われる。
【００１７】
このようなコンプレッサー２０に対するガス給気およびガス排気により、パルスチューブ冷凍機４がつぎのサイクルを繰り返す。まず、図３に示すように、給気弁１３ａ，排気弁１４ａおよび第２弁１７ａを閉弁する。一方、コンプレッサー２０では、吐出弁１８ａを閉弁し、吸入弁１８ｂを開弁している（図６に示す状態になっている）。ついで、第１弁１６ａを開弁すると、高圧ガス溜め６内の高圧気体がパルスチューブ５の熱端５ｂに流れ込み、パルスチューブ５内のガス圧は高圧ガス溜め６の圧力近くまで上昇する。この過程Ｐのパルスチューブ５内の気体分布が図３に示されている。図３において、Ｄは高圧ガス溜め６から導入された高圧ガスで、Ｂ，Ｃは低圧から高圧になったパルスチューブ５内のガスである。
【００１８】
つぎに、図４に示すように、第１弁１６ａを開弁した状態で給気弁１３ａおよび吐出弁１８ａを開弁し、吸入弁１８ｂを閉弁する（その他の弁１４ａ，１７ａは元のまま）。このとき、コンプレッサー２０のシリンダ室２０ａ内では、ピストン２０ｂが左側に移動しており、シリンダ室２０ａからパルスチューブ５の冷端５ａに高圧ガスが供給される。この高圧ガスの給気圧力が高圧ガス溜め６の圧力よりやや高く設定されており、上記過程Ｐでパルスチューブ５の熱端５ｂに流れ込んだ高圧ガス溜め６の高圧ガスＤ（図３参照）はただちに高圧ガス溜め６内に戻される。この過程Ｑは基本的には等圧給気過程であり、パルスチューブ５内の気体分布が図４に示されている。図４において、Ａはコンプレッサー２０からパルスチューブ５内に導入された高圧ガスである。
【００１９】
つぎに、図５に示すように、第１弁１６ａおよび給気弁１３ａを閉弁し、第２弁１７ａを開弁すると（その他の弁１４ａ，１８ａ，１８ｂは元のまま）、パルスチューブ５の熱端５ｂのガスＣ（図４参照）が低圧ガス溜め７に流入する（戻る）ため、パルスチューブ５内の圧力が低圧ガス溜め７の圧力まで低下する。すなわち、上記過程Ｑにおいてパルスチューブ５の冷端５ａに入った高圧ガスＡはガスＢとともに低圧ガス溜め７の圧力まで膨脹し、−２００℃程度まで温度降下してパルスチューブ５の冷端５ａ側を冷却する。この過程Ｒのパルスチューブ５内の気体分布が図５に示されている。
【００２０】
つぎに、排気弁１４ａおよび吸入弁１８ｂを開弁し、吐出弁１８ａを閉弁する（その他の弁１３ａ，１６ａ，１７ａは元のまま）。このとき、シリンダ室２０ａ内では、ピストン２０ｂが右側に移動しており、上記過程Ｒにおいてパルスチューブ５内で膨脹したガスＡがシリンダ室２０ａ内に吸入され、低圧ガス溜め７の低圧ガスがパルスチューブ５内に流入する。
【００２１】
こうして１サイクルが終わり、ついで新たに上記過程Ｐが始まる。そして、上記１サイクルが終わると、結局、ガスＡがコンプレッサー２０からパルスチューブ５内に入り、このパルスチューブ５内で断熱膨脹し寒冷を発生したのち、コンプレッサー２０に戻ることになる。また、ガスＢは常にパルスチューブ５内でガスピストンの役割を演じ、Ｃ，Ｄはそれぞれ各ガス溜め６，７から出入りしているだけである。
【００２２】
上記のように、この実施の形態では、燃料タンク１の上部周壁２ｃにパルスチューブ冷凍機４を設け、燃料タンク１の上部空間の圧力が所定値になると、パルスチューブ５の冷端５ａ側に冷熱を発生させ、この冷熱で燃料タンク１の上部空間に溜まるメタンガスを液化しているため、燃料タンク１内に所定量以上のメタンガスが溜まることがなく、異常高圧になることがない。このため、燃料タンク１の上部空間に溜まるメタンガスを燃料タンク１の外部に放出する必要がなく、燃費のアップが防止できる。しかも、パルスチューブ５内へのガスの出入りは全て可逆的にロス無く行われた状態で、ガスＡの膨脹が行われたことになるので、この理論効率は１００％となる（実際には、各弁等を通過するガスの弁前後の圧力差が零であることはありえないので、厳密に１００％とはならないが、原理的にロスが無い）。さらに、コンプレッサー２０の動力源として内燃機関２１を用い、この内燃機関２１の燃料として燃料タンク１の上部空間に溜まるメタンガスを有効利用している。
【００２３】
なお、上記実施の形態において、各弁１３ａ，１４ａ，１６ａ，１７ａのタイプとして電動弁、電磁弁、気動弁または回転弁などが用いられる。
【００２４】
また、上記実施の形態では、パルスチューブ冷凍機４用のガスとして、ヘリウムガスを用いているが、これに限定するものではなく、窒素ガス等を用いてもよい。また、上記実施の形態では、連接棒２３により両ピストン２０ｂ，ピストン２２ａを連結しているが、クランクシャフト等により連結してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料タンク装置によれば、燃料タンクの上部空間に溜まる気化ＬＮＧを液化することで、燃料タンクの上部空間に気化ＬＮＧが溜まることを防いでいるため、この気化ＬＮＧを燃料タンクの外部に放出しなくてもよい。したがって、燃費のアップを抑えることができ、ＬＮＧを燃料として用いた自動車等の一般普及が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料タンク装置の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】パルスチューブ冷凍機の説明図である。
【図３】パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図４】パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図５】パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【図６】パルスチューブ冷凍機の作用を示す説明図である。
【符号の説明】
１  燃料タンク
２ｃ  上部周壁
３  ＬＮＧ
４  パルスチューブ冷凍機
５  パルスチューブ
５ａ  冷端
５ｂ  熱端
【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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