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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6452079
(24)【登録日】2018年12月21日
(45)【発行日】2019年1月16日
(54)【発明の名称】自動車用ＬＮＧ充填装置
(51)【国際特許分類】
F17C 5/02 20060101AFI20190107BHJP
【ＦＩ】
F17C5/02 Z
【請求項の数】4
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2016-220426(P2016-220426)
(22)【出願日】2016年11月11日
(65)【公開番号】特開2018-76943(P2018-76943A)
(43)【公開日】2018年5月17日
【審査請求日】2017年8月1日
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 株式会社 ワーカム北海道 敷地内充填設備（〒０５４−００１４ 北海道勇払郡むかわ町米原４８９番地），平成２８年６月２４日
(73)【特許権者】
【識別番号】000151346
【氏名又は名称】株式会社タツノ
(74)【代理人】
【識別番号】100106563
【弁理士】
【氏名又は名称】中井 潤
(72)【発明者】
【氏名】大森 賢登
(72)【発明者】
【氏名】吉田 雄一
(72)【発明者】
【氏名】小川 恭一郎
(72)【発明者】
【氏名】木村 潔
【審査官】
宮崎 基樹
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０５３６０１３９（ＵＳ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−１３３４９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１２７８５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１０８５３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−００９９８２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ１７Ｃ １／００−１３／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＬＮＧを貯留するＬＮＧ貯留槽に連通する配管の途中に充填機構を介装し、前記ＬＮＧを自動車に搭載された燃料タンクに充填する充填装置において、
前記ＬＮＧの非充填時に前記ＬＮＧ貯留槽と前記配管との間に循環路を形成して前記ＬＮＧを循環させ、前記配管を流れる前記ＬＮＧの密度が所定値以上になった場合に該循環を終了することを特徴とする自動車用ＬＮＧ充填装置。
前記ＬＮＧの非充填時に前記ＬＮＧ貯留槽と前記配管との間に循環路を形成して前記ＬＮＧを循環させ、前記配管を流れる前記ＬＮＧの密度が所定値以上になった場合に該循環を終了することを特徴とする自動車用ＬＮＧ充填装置。
【請求項2】
前記循環路は、前記配管を流れる前記ＬＮＧの流量を計測する流量計を含むことを特徴とする請求項１に記載の自動車用ＬＮＧ充填装置。
【請求項3】
前記循環路は、前記燃料タンクに前記ＬＮＧを充填するための充填ノズルと、非充填時に前記充填ノズルと接続されるレセプタクルを含むことを特徴とする請求項１に記載の自動車用ＬＮＧ充填装置。
【請求項4】
前記充填ノズルと前記レセプタクルとの接続部にエア吹き出し口が向けられることを特徴とする請求項３に記載の自動車用ＬＮＧ充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＬＮＧ（液化天然ガス）等を自動車等の車両に搭載されたタンクに充填するガス充填装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、ＬＮＧを燃料とする車両は、ガソリンを燃料とする車両に比べて環境に及ぼす弊害が少ないため普及が進んでいる。
【0003】
天然ガスを圧縮したＣＮＧは体積が約１／２００となり、天然ガスを液化したＬＮＧは体積が約１／６００になる。そのため、ＬＮＧを車両に搭載した場合、同容量の燃料タンクであれば、ＣＮＧの場合に比較して数倍の燃料を搭載できることとなり、車両の走行可能距離を延ばすことができる。そこで、本出願人は、特願２０１６−５１１９３１号において、貯槽内でＬＮＧを常圧で約−１６２℃の低温に保持し、車両へ供給する充填装置を提案している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記充填装置は効果的に機能するが、現時点ではＬＮＧに対応可能な自動車が少ないため、充填装置を利用する自動車が少なく、充填間隔が比較的長くなっている。充填間隔が長く、一定時間充填が行われないと、外部からの自然入熱等によって配管や流量計の温度が次第に上昇する。このような状態で自動車にＬＮＧの充填を行うと、ＬＮＧが大量に蒸発して流量計内に気体が混入して計量精度が低下したり、車載タンク内に気体が混入して圧力が上昇し、規定量の充填ができなくなるという問題があった。さらに、急激な温度変化によって配管等が変形したり破損するおそれもあった。
【0005】
そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであって、充填間隔が長くても、ＬＮＧの計量精度を高く維持しながら安全に充填することが可能な自動車用ＬＮＧ充填装置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】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の自動車用ＬＮＧ充填装置は、ＬＮＧを貯留するＬＮＧ貯留槽に連通する配管の途中に充填機構を介装し、前記ＬＮＧを自動車に搭載された燃料タンクに充填する充填装置において、前記ＬＮＧの非充填時に前記ＬＮＧ貯留槽と前記配管との間に循環路を形成して前記ＬＮＧを循環させ、前記配管を流れる前記ＬＮＧの密度が所定値以上になった場合に該循環を終了することを特徴とする。
【0007】
本発明によれば、非充填時にＬＮＧ貯留槽内のＬＮＧを循環路内で循環させることで、自動車用ＬＮＧ充填装置内の配管や充填機構を予冷することができるため、充填間隔が長くても、上述のような配管等の温度上昇に起因する障害を回避することができ、安全に充填することができる。また、前記循環路を介した予冷動作の制御に密度を用い、密度は配管内のＬＮＧの状態、すなわち液体か気体かを瞬時に反映するため、迅速かつ正確な制御に寄与することができる。
【0008】
上記自動車用ＬＮＧ充填装置において、前記循環路を、前記配管を流れる前記ＬＮＧの流量を計測する流量計を含むように構成することができる。これにより、流量計を含む配管をＬＮＧによって予冷し、流量計の計量精度を高く維持することができる。
【0009】
一方、前記循環路を、前記燃料タンクに前記ＬＮＧを充填するための充填ノズルと、非充填時に前記充填ノズルと接続されるレセプタクルを含むように構成することもできる。これにより、充填時に利用する配管のすべてをＬＮＧによって予冷することができるため、充填時において、蒸発したＬＮＧが流量計内に混入して計量精度が低下したり、車載タンク内に気体が混入することを防止することができる。
【0010】
前記充填ノズルと前記レセプタクルとの接続部にエア吹き出し口を向けることができる。充填ノズルとレセプタクルとの接続部は、予冷によって低温に保たれるために凍結し易いが、エア吹き出し口からエアを吹き付けることで接続部の温度を上昇させ、充填ノズルを取り外し易くすることができる。
【発明の効果】
【0012】
以上のように、本発明によれば、充填間隔が長くても、ＬＮＧの計量精度を高く維持しながら安全にＬＮＧを自動車に充填することができる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0015】
図１は、本発明に係る自動車用ＬＮＧ充填装置の一実施の形態を示し、このＬＮＧ充填装置１は、一端がＬＮＧ貯留槽（不図示）に接続され、他端が充填ノズル３が接続された充填ホース４に安全接手５を介して接続される供給管２と、一端に充填ノズル３が接続されるレセプタクル７を有し、他端がＬＮＧ貯留槽に接続される回収管６等を備える。
【0016】
供給管２には、供給管２の内部の圧力を計測する圧力計１０と、供給管２を流れるＬＮＧの流量を計測する流量計１１と、ＬＮＧの充填を行っていない非充填時に閉となってＬＮＧを遮断する遮断弁１２とが設けられる。流量計１１としては、密度と温度の両方を計測することが可能なコリオリ流量計を用いることが好ましい。
【0017】
回収管６には、他の部分よりも小径に形成され、回収管６内の圧力を維持してＬＮＧの液化状態を維持するための絞り部（抵抗部）１３と、回収管６の温度を測定する温度計１４とが設けられる。
【0018】
循環管２０は、供給管２と回収管６とを繋ぐために設けられ、非充填時に開となる循環弁２１が設けられる。
【0019】
遮断弁１２、循環弁２１及びエア吹き出し口９には、エア源からこれらに対するエアの供給を制御するために電磁弁２３Ａ〜２３Ｃが付設される。遮断弁１２（常時閉弁）は、電磁弁２３Ａが開いてエアが供給されると開き、循環弁２１（常時開弁）は、電磁弁２３Ｂが開いてエアが供給されると閉じるように構成される。また、電磁弁２３Ｃは、充填ノズル３とレセプタクル７の接続部８の外周にエアを吹き付けるためのエア吹き出し口９へのエアの供給停止を切り換える。
【0020】
ガスセンサ２５は、ＬＮＧ充填装置１の内部におけるＬＮＧの漏洩を検知するために設けられる。モード切換スイッチ（以下「スイッチ」を「ＳＷ」と略記する。）２６は、後述する予冷動作をガス充填所の作業員が切り換えるためのダイアル式のＳＷである。充填開始／停止ＳＷ２７、２８は、ユーザが充填開始／停止時に押圧することでＬＮＧ充填装置１の充填機構の作動／停止を制御するために設けられ、緊急停止ＳＷ２９は、異常時にユーザが押圧することでＬＮＧ充填装置１の動作を緊急停止させるために設けられる。
【0021】
制御装置３０は、圧力計１０等から計測値を取得してＬＮＧ充填装置１全体を制御したり、エアを遮断弁１２及び循環弁２１に供給したり、充填ノズル３とレセプタクル７の接続部８に吹き付けたりするか否かを電磁弁２３の開閉制御によって制御するためなどに設けられる。制御盤３１は、ＬＮＧ充填装置１の構成要素ではなく、ＬＮＧ充填装置１が設置される充填所に設けられ、外部からＬＮＧ充填装置１を制御するものである。
【0023】
ステップＳ１において、充填ノズル３が自動車の充填口（不図示）に接続された後、ユーザによって充填開始ＳＷ２７が押圧されると（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、制御装置３０には、充填開始ＳＷ２７からＬＮＧ圧送開始を指示する信号が入力される（ステップＳ２）。
【0024】
制御装置３０は、ＬＮＧ圧送開始を指示する信号に基づいて、電磁弁２３Ｂを開くと共に、電磁弁２３Ａを開くことで、循環弁２１を閉じると共に、遮断弁１２を開き、ＬＮＧの充填を開始する（ステップＳ３）。
【0025】
ＬＮＧを満充填する際には、ステップＳ４において、圧力計１０の指示値Ｐを監視し、指示値Ｐが所定の圧力Ｐ１（例えば、１〜１．５ＭＰａ程度）に達した場合には（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、電磁弁２３Ａを閉じて遮断弁１２を閉じた後（ステップＳ５）、表示部（不図示）を介してユーザに充填終了を報知して（ステップＳ６）充填動作を終了する。
【0026】
ＬＮＧをユーザが所望する量だけ充填するフリー充填を行う際には、ステップＳ３からステップＳ４を経てステップＳ７へと進み、ステップＳ７において充填停止ＳＷ２８が押圧されるまで待機し、ユーザによって充填停止ＳＷ２８が押圧されると（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、電磁弁２３Ａを閉じて遮断弁１２を閉じた後（ステップＳ５）、表示部（不図示）を介してユーザに充填終了を報知して（ステップＳ６）充填動作を終了する。
【0027】
上記ステップＳ４における満充填又はステップＳ７におけるフリー充填の最中に、ユーザが異常を感じて緊急停止ＳＷ２９を押圧した場合には（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、電磁弁２３Ａを閉じて遮断弁１２を閉じた後（ステップＳ９）、表示部を介してガス充填所の作業員に異常を報知して（ステップＳ１０）充填動作を終了する。
【0028】
次に、上記充填動作を行う前、及び自動車に上記充填動作を行ってから次の自動車に充填動作を行うまでの間隔が長い場合に行う予冷動作について説明する。この予冷動作は、上述のように、外部からの自然入熱等によって配管や流量計の温度が上昇してＬＮＧの計量精度が低下することを防止したり、安全性を確保するために行うものであり、供給管２等の配管や供給管２に付設される流量計１１等を予冷する。この予冷動作は、ＬＮＧ貯留槽と配管の間で循環路を形成し、ＬＮＧを循環させて行う。
【0029】
循環路は２種類存在し、第１循環路は、次の充填動作をいつ行うか未定の場合の予冷（待機予冷）時に用いられるものであって、第２循環路は、充填動作を行う直前の予冷（充填準備）時に用いられるものである。以下、この２種類の循環路について図１を参照しながら説明する。
【0030】
第１循環路は、供給管２の遮断弁１２を閉じ、循環管２０の循環弁２１を開くことで形成され、ＬＮＧ貯留槽、供給管２、循環管２０、回収管６及びＬＮＧ貯留槽を連通させるものである。この第１循環路では、供給管２から循環管２０へ分岐する分岐点４０と遮断弁１２との間のＬＮＧ、及び循環管２０から回収管６に合流する合流点４１と流量計１１を含むＬＮＧ充填装置１の配管の一部を低温に保つことが可能になる。
【0031】
第２循環路は、供給管２の遮断弁１２を開き、循環管２０の循環弁２１を閉じ、充填ノズル３をレセプタクル７に接続することで形成され、ＬＮＧ貯留槽、供給管２、安全接手５、充填ホース４、充填ノズル３、レセプタクル７、回収管６及びＬＮＧ貯留槽を連通させるものである。この第２循環路では、充填時に使用する供給管２及びこれに設けられる充填機構のすべてを予冷することができる。
【0032】
次に、上記第１又は第２循環路を用いた予冷動作について、図１及び図３〜図８のフローチャートを参照しながら説明する。以下の説明においては、予冷動作の４つの例について述べるが、まず、上記第１循環路を用いた待機中の予冷動作（待機予冷）である第１参考例及び第１実施例について説明する。
【0033】
予冷動作の第１参考例について図３及び図４を参照しながら説明する。この第１参考例は、図３に示すように、ステップＳ１１において、第１参考例の予冷動作を行うようにモード切換ＳＷ２６が切り換えられると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、制御装置３０にモード切換ＳＷ２６からＬＮＧ圧送開始を指示する信号が入力され、制御装置３０が電磁弁２３Ａを閉じると共に電磁弁２３Ｂを閉じることで、遮断弁１２を閉じると共に循環弁２１を開き、ＬＮＧの圧送を開始する（ステップＳ１２）。
【0034】
ＬＮＧの圧送により第１循環路内が冷却されることで、ステップＳ１３において、流量計１１の温度の指示値Ｔが、ＬＮＧ充填装置１の内部の配管内においてＬＮＧが液化する温度Ｘ１（例えば−１００℃（配管内に１ＭＰａ程度に加圧されているため液化温度が上昇する））以下になるまで待機し、流量計１１の温度の指示値Ｔが温度Ｘ１以下になった場合には（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、制御装置３０に流量計１１からＬＮＧ圧送終了を知らせる信号が入力され、制御装置３０が電磁弁２３Ｂを開くことで、循環弁２１を閉じてＬＮＧの圧送を終了し（ステップＳ１４）、表示部（不図示）等を介して待機予冷の終了を報知する（ステップＳ１５）。
【0035】
予冷動作が終了した後すぐに充填動作が行われないと、ＬＮＧ充填装置１の内部の配管内の温度が時間の経過に伴って上昇してしまうため、図４に示すように、ステップＳ１６において、予冷動作が終了した後のＬＮＧ充填装置１の内部の配管内の温度を監視し、流量計１１の温度の指示値Ｔが所定の温度Ｘ２（例えば−３０℃）以上となった場合には（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、制御装置３０に流量計１１からＬＮＧ圧送開始を指示する信号が入力され、制御装置３０が電磁弁２３Ｂを閉じることで、循環弁２１を開いてＬＮＧの圧送を繰り返し行う（ステップＳ１７）。ステップＳ１７の後は、図３のステップＳ１３へと進み（図４のＡから図３のＡへ）、上述のようにステップＳ１３〜Ｓ１５の動作を行って、ＬＮＧの圧送を終了する。
【0036】
上記第１参考例によれば、流量計１１を含むＬＮＧ充填装置１の配管の一部を低温に保つことができるため、流量計１１の計量精度を高く維持することができる。特に、流量計１１にコリオリ流量計を用い、流量計１１内のＬＮＧが上記予冷によって液で満たされた場合には、計量精度がさらに向上する。
【0037】
次に、予冷動作の第１実施例について図５及び図６を参照しながら説明する。この第１実施例は、主に、流量計１１の密度の指示値Ｄを予冷動作の終了及び開始の判断に用いる点で、図３及び図４に示した第１参考例と相違する。本実施例において、第１参考例と同一のステップについては同一の参照番号を付して説明を省略する。
【0038】
図５に示すステップＳ１８において、第１実施例の予冷動作を行うようにモード切換ＳＷ２６が切り換えられると（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、上記ステップＳ１２と同様に、第１循環路においてＬＮＧの圧送を開始する。
【0039】
ステップＳ１９において予冷動作を終了するのは、流量計１１の密度の指示値Ｄが、ＬＮＧ充填装置１の内部の配管内においてＬＮＧが液化する密度Ｙ１（例えば３００ｋｇ/ｍ3）以上になった場合であり（ステップＳ１９；Ｙｅｓ）、予冷動作終了後に再度予冷動作を開始するのは、図６に示すステップＳ２０において、流量計１１の密度の指示値Ｄが、所定の密度Ｙ２（例えば１０ｋｇ/ｍ3）以下になった場合である（ステップＳ２０；Ｙｅｓ）。尚、ステップＳ１７において予冷動作を再開した後は、図５のステップＳ１９へと進み（図６のＢから図５のＢへ）、ステップＳ１４、Ｓ１５を行って予冷動作を終了する。
【0040】
このように、参考例１では、予冷動作の制御に温度を用いているが、実施例１では予冷動作の制御に密度を用いている。
【0041】
上記ＬＮＧ充填装置では、配管の熱容量が大きいため、配管内のＬＮＧがガス化しているにも関わらず温度変化が小さい。また、ＬＮＧは圧力条件によりガス化する温度が異なる。例えば、大気圧下では−１６２℃程度であるが、１．０ＭＰａ加圧下では−１２０℃程度である。さらに、ＬＮＧの組成が異なると上記ガス化温度も異なる。そのため、ガス化しない温度を制御パラメータに使用することは容易ではない。同様に、液密度もＬＮＧの組成等により変化するが、液密度とガス密度には大きな差があり、配管内のＬＮＧの状態、すなわち液体か気体かを瞬時に反映し、迅速かつ正確な制御に寄与するため、予冷動作の制御には密度を用いることが好ましい。
【0042】
次に、上記第２循環路を用いた充填動作の直前に行われる予冷動作（充填準備）として、第２参考例及び第２実施例について説明する。
【0043】
図７は、予冷動作の第２参考例を示し、この第２参考例は、充填ノズル３がレセプタクル７に接続された状態で、ステップＳ２１において、第２参考例の予冷動作を行うようにモード切換ＳＷ２６が切り換えられると（ステップＳ２１；Ｙｅｓ）、制御装置３０にモード切換ＳＷ２６からＬＮＧ圧送開始を指示する信号が入力され、制御装置３０が電磁弁２３Ｂを閉じると共に電磁弁２３Ａ、２３Ｃを開くことで、循環弁２１を閉じると共に遮断弁１２を開き、充填ノズル３とレセプタクル７の接続部８に電磁弁２３Ｃからエアを吹き付けながらＬＮＧの圧送を開始する（ステップＳ２２）。
【0044】
ＬＮＧの圧送により第２循環路内が冷却されることで、ステップＳ２３において、温度計１４の温度の指示値ｔが、ＬＮＧ充填装置１の内部の配管内においてＬＮＧが液化する温度Ｘ１（例えば−１００℃）以下になるまで待機し、温度計１４の温度の指示値ｔが温度Ｘ１以下になった場合には（ステップＳ２３；Ｙｅｓ）、制御装置３０に温度計１４からＬＮＧ圧送終了を指示する信号が入力され、制御装置３０が電磁弁２３Ａを閉じることで、遮断弁１２を閉じてＬＮＧの圧送を終了する（ステップＳ２４）。
【0045】
そして、ステップＳ２５において、充填ノズル３をレセプタクル７から安全に取り外せるようにするため、ＬＮＧの圧送が終了してから経過した時間Ｔ１が、所定時間ｔ１（例えば６０ｓｅｃ）に達するまで待機し、時間Ｔ１が時間ｔ１に達した場合には（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）、電磁弁２３Ｃを閉じてエアの吹き付けを終了し、表示部（不図示）等を介して充填準備終了を報知する（ステップＳ２６）。
【0046】
上記第２参考例によれば、充填時に利用する供給管２全体にＬＮＧを循環させることができるため、充填時に流量計１１の内部に気体が混入することによって計量精度が低下したり、車載タンク内に気体が混入することを防止することができる。
【0047】
予冷動作の第２実施例を図８に示すが、この第２実施例は、第１実施例と同様に、主に、流量計１１の密度の指示値ｄを予冷動作を終了する判断材料にする点で、図７に示した第２参考例と相違する。第２参考例と同一のステップについては同一の参照番号を付して説明を省略する。
【0048】
図８に示すステップＳ２７において、第２実施例の予冷動作を行うようにモード切換ＳＷ２６が切り換えられると（ステップＳ２７；Ｙｅｓ）、上記ステップＳ２２と同様にＬＮＧの圧送を開始する。
【0049】
予冷動作を終了するのは、ステップＳ２８において、流量計１１の密度の指示値ｄが、ＬＮＧ充填装置１の内部の配管内においてＬＮＧが液化する密度Ｙ１（例えば３００ｋｇ/ｍ3）以上になった場合である（ステップＳ２８；Ｙｅｓ）。この第２実施例によれば、第２参考例の効果に加え、第１実施例と同様に、配管内のＬＮＧが液化しているか否か、すなわち、配管が十分に冷えているか否かを瞬時に判断することができる。
【0050】
前記の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。例えば、第２参考例での温度計１４の温度の代わりに、流量計１１の温度を用いることも可能である。
【符号の説明】
【0051】
１ ＬＮＧ充填装置２ 供給管
３ 充填ノズル
４ 充填ホース
５ 安全接手
６ 回収管
７ レセプタクル
８ 接続部
９ エア吹き出し口
１０ 圧力計
１１ 流量計
１２ 遮断弁
１３ 絞り部
１４ 温度計
２０ 循環管
２１ 循環弁
２３（２３Ａ〜２３Ｃ） 電磁弁
２５ ガスセンサ
２６ モード切換ＳＷ
２７ 充填開始ＳＷ
２８ 充填停止ＳＷ
２９ 緊急停止ＳＷ
３０ 制御装置
３１ 制御盤
４０ 分岐点
４１ 合流点