特開 2024-57406 昇圧ポンプおよび水素供給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024057406

(43)【公開日】2024-04-24

(54)【発明の名称】昇圧ポンプおよび水素供給システム

(51)【国際特許分類】

   F04B 15/08 20060101AFI20240417BHJP

【ＦＩ】

F04B15/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022164116

(22)【出願日】2022-10-12

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】原田 基至

(72)【発明者】

【氏名】中道 憲治

(72)【発明者】

【氏名】木原 勇一

【テーマコード（参考）】

3H075

【Ｆターム（参考）】

3H075AA15

3H075BB03

3H075CC34

3H075DA09

3H075DA10

3H075DB03

(57)【要約】

【課題】昇圧ポンプおよび水素供給システムにおいて、安全弁を小型化することで装置の大型化を抑制する。
【解決手段】圧縮室を有するシリンダと、低温流体を圧縮室に吸入する吸入弁と、シリンダに移動自在に支持されて圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、圧縮室の低温流体の圧力が予め設定された第１圧力を超えると開放して低温流体を吐出する吐出弁と、圧縮室の低温流体の圧力が第１圧力より高い第２圧力を超えると開放して低温流体を排出する安全弁と、を備え、第１圧力は、吐出弁より下流側の第１低温流体圧力と吐出弁の第１付勢部材の閉止圧力との合計圧力以上の圧力であり、第２圧力は、外部から作用する第２低温流体圧力と安全弁の第２付勢部材の閉止圧力との合計圧力以上の圧力である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮室を有するシリンダと、
低温流体を前記圧縮室に吸入する吸入弁と、
前記シリンダに移動自在に支持されて前記圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、
前記圧縮室の低温流体の圧力が予め設定された第１圧力を超えると開放して低温流体を吐出する吐出弁と、
前記圧縮室の低温流体の圧力が前記第１圧力より高い第２圧力を超えると開放して低温流体を排出する安全弁と、
を備え、
前記第１圧力は、前記吐出弁より下流側の第１低温流体圧力と前記吐出弁の第１付勢部材の閉止圧力との合計圧力以上の圧力であり、
前記第２圧力は、外部から作用する第２低温流体圧力と前記安全弁の第２付勢部材の閉止圧力との合計圧力以上の圧力である、
昇圧ポンプ。

【請求項2】

前記第２低温流体圧力は、前記第１低温流体圧力であり、前記第２付勢部材の閉止圧力が前記第１付勢部材の閉止圧力より高い、
請求項１に記載の昇圧ポンプ。

【請求項3】

前記圧縮室に対して吐出経路と排出経路とが並列をなして接続され、前記吐出経路の下流側と前記排出経路の下流側が連通経路により接続され、前記吐出経路に前記吐出弁が設けられ、前記排出経路に前記安全弁が設けられる、
請求項２に記載の昇圧ポンプ。

【請求項4】

前記連通経路は、前記排出経路から前記吐出経路への低温流体の流れを抑制する抑制弁が設けられる、
請求項３に記載の昇圧ポンプ。

【請求項5】

前記抑制弁は、逆止弁または渦流防止弁である、
請求項４に記載の昇圧ポンプ。

【請求項6】

前記連通経路は、前記抑制弁より前記吐出経路側にオリフィスが設けられる、
請求項５に記載の昇圧ポンプ。

【請求項7】

前記圧縮室に対して吐出経路と排出経路とが並列をなして接続され、前記吐出経路に前記吐出弁が設けられ、前記排出経路に前記安全弁が設けられると共に、前記排出経路に前記第２低温流体圧力の圧力源が接続される、
請求項１に記載の昇圧ポンプ。

【請求項8】

前記排出経路の下流側にばね式安全弁が設けられる、
請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の昇圧ポンプ。

【請求項9】

前記排出経路の下流側に圧力計とリリーフ弁とが設けられると共に、前記圧力計の計測結果に基づいて前記リリーフ弁を開閉する制御部が設けられる、
請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の昇圧ポンプ。

【請求項10】

請求項１に記載の昇圧ポンプを有して低温流体としての液体水素を圧縮する圧縮装置と、
前記圧縮装置により圧縮された液体水素を気化する蒸発装置と、
前記蒸発装置により気化された水素ガスを供給するディスペンサと、
を備える水素供給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、液体水素などの低温流体を昇圧する昇圧ポンプ、昇圧ポンプを有する水素供給システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の昇圧ポンプとしては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された昇圧ポンプは、シリンダブロックに設けられる圧縮室と、低温流体を圧縮室に吸入する吸入弁と、圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、圧縮された低温流体を吐出する吐出弁とを備える。ピストンが上昇する吸入工程にて、吸入弁が開放されて圧縮室に低温流体が吸入され、ピストンが下降する圧縮工程にて、圧縮室の低温流体が圧縮されて高圧となり、吐出弁が開放されて高圧の低温流体が外部に吐出される。このような昇圧ポンプは、安全弁が設けられる。圧縮室の低温流体が圧縮されて高圧となったものの、吐出弁が開放されないとき、安全弁が開放されて圧縮室にある高圧の低温流体を外部に排出する。安全弁を設けた昇圧ポンプとしては、例えば、下記特許文献２に記載されたものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０３１８０７号公報

【特許文献2】実公昭６３－１４０６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の昇圧ポンプにて、吐出弁の開放圧力は、吐出弁より下流側の圧力と、吐出弁自体のばね荷重により設定される。一方、安全弁の開放圧力は、吐出弁の開放圧力より高い圧力に設定される。そのため、安全弁は、安全弁自体のばね荷重を過大なものに設定する必要があり、大型化してしまうという課題がある。

【0005】

本開示は、上述した課題を解決するものであり、安全弁を小型化することで装置の大型化を抑制する昇圧ポンプおよび水素供給システム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】

上記の目的を達成するための本開示の昇圧ポンプは、圧縮室を有するシリンダと、低温流体を前記圧縮室に吸入する吸入弁と、前記シリンダに移動自在に支持されて前記圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、前記圧縮室の低温流体の圧力が予め設定された第１圧力を超えると開放して低温流体を吐出する吐出弁と、前記圧縮室の低温流体の圧力が前記第１圧力より高い第２圧力を超えると開放して低温流体を排出する安全弁と、を備え、前記第１圧力は、前記吐出弁より下流側の第１低温流体圧力と前記吐出弁の第１付勢部材の閉止圧力との合計圧力以上の圧力であり、前記第２圧力は、外部から作用する第２低温流体圧力と前記安全弁の第２付勢部材の閉止圧力との合計圧力以上の圧力である。

【0007】

また、本開示の水素供給システムは、前記昇圧ポンプを有して低温流体としての液体水素を圧縮する圧縮装置と、前記圧縮装置により圧縮された液体水素を気化する蒸発装置と、前記蒸発装置により気化された水素ガスを供給するディスペンサと、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示の昇圧ポンプおよび水素供給システムによれば、シール性能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態の水素供給システムの全体構成を表す模式図である。

【図2】図２は、圧縮装置を表す概略構成図である。

【図3】図３は、第１実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。

【図4】図４は、昇圧ポンプの吸入工程を表す概略図である。

【図5】図５は、昇圧ポンプの圧縮工程を表す概略図である。

【図6】図６は、昇圧ポンプの異常の作動を表す概略図である。

【図7】図７は、第２実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。

【図8】図８は、第３実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。

【図9】図９は、第４実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。

【図10】図１０は、第５実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

【0011】

［第１実施形態］
＜水素供給システム＞
図１は、第１実施形態の水素供給システムの全体構成を表す模式図である。

【0012】

図１に示すように、水素供給システム１０は、コンテナ１１に貯留される液体水素を所定圧力の水素ガスとして車両１２の動力源に供給（補給）する。ここで、動力源は、例えば、燃料電池またはや水素エンジンなどであり、車両１２に搭載される。水素供給システム１０は、例えば、燃料である水素ガスを車両１２の動力源に供給（補給）する、いわゆる、水素スタンド施設である。但し、水素供給システム１０は、水素ガスを車両１２の動力源に供給するものに限らず、低温流体（例えば、液体水素、液体窒素、液体酸素、液化炭酸ガス、液化天然ガス、液化プロパンガス等）を圧縮して供給するものである。

【0013】

水素供給システム１０は、圧縮装置２１と、蒸発装置２２と、ディスペンサ２３とを有する。圧縮装置２１は、コンテナ１１から供給される液体水素（低温流体）を予め設定された所定の高圧（高圧状態）まで圧縮する。蒸発装置２２は、圧縮装置２１により圧縮された高圧の液体水素を気化することで水素ガスを発生させる。ディスペンサ２３は、蒸発装置２２により発生した水素ガスを車両１２の動力源に充填する。

【0014】

なお、圧縮装置２１は、コンテナ１１に貯留された液体水素を所定の高圧まで圧縮したが、この構成に限定されない。例えば、コンテナ１１が水素ガスを貯留していた場合、圧縮装置２１は、コンテナ１１に貯留された水素ガスを所定の高圧まで圧縮してもよい。

【0015】

圧縮装置２１は、駆動モータ３１と、昇圧ポンプ３２とを有する。駆動モータ３１は、外部から供給される電力によって駆動可能な電動機である。駆動モータ３１は、回転数がインバータ（図示略）により制御される。駆動モータ３１は、回転力を昇圧ポンプ３２に伝達する。昇圧ポンプ３２は、駆動モータ３１の回転力により作動する。

【0016】

＜圧縮装置＞
図２は、圧縮装置を表す概略構成図である。

【0017】

図２に示すように、駆動モータ３１は、減速機３３を介して昇圧ポンプ３２が連結される。減速機３３は、駆動モータ３１の回転力を減速して昇圧ポンプ３２に伝達する。昇圧ポンプ３２は、往復動式のポンプである。昇圧ポンプ３２は、減速機３３により減速された駆動モータ３１の回転力を往復動力に変換して作動する。昇圧ポンプ３２は、往復動力により液体水素の吸入と圧縮（昇圧）とを交互に行うことで、吸入した液体水素を所定の高圧状態に圧縮して外部に吐出する。

【0018】

昇圧ポンプ３２は、クランク機構３４と、クロスヘッド３５と、ピストンロッド３６と、ピストン３７と、シリンダブロック３８とを有する。

【0019】

クランク機構３４は、減速機３３から伝達された回転力を直線の往復動力に変換し、クロスヘッド３５に伝達する。クロスヘッド３５は、クランク機構３４から伝達された鉛直方向ＶＤの往復動力により鉛直方向ＶＤに往復動する。ピストンロッド３６は、上端部がクロスヘッド３５に連結され、他端部にピストン３７が連結される。シリンダブロック３８は、中空形状をなし、内部にピストン３７が鉛直方向ＶＤに沿って移動自在に支持される。

【0020】

昇圧ポンプ３２は、下部、つまり、シリンダブロック３８が容器３９の内部に配置される。容器３９は、断熱真空容器であり、昇圧ポンプ３２と共に内部が真空状態に維持される。容器３９は、内部に液体水素が供給され、大気圧状態に満たされる。

【0021】

昇圧ポンプ３２が作動すると、まず、ピストン３７が上昇する吸入工程にて、容器３９の液体水素がシリンダブロック３８の内部に吸入される。次に、ピストン３７が下降する圧縮工程にて、シリンダブロック３８の内部の液体水素が圧縮され、高圧の液体水素が容器３９の外部に吐出される。

【0022】

＜昇圧ポンプ＞
図３は、第１実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。

【0023】

図３に示すように、昇圧ポンプ３２は、ピストン３７と、シリンダブロック（シリンダ）３８と、吸入弁４１と、吐出弁４２と、安全弁４３とを備える。

【0024】

シリンダブロック３８は、シリンダとして機能し、内部に嵌合孔５１が形成される。ピストン３７は、シリンダブロック３８の嵌合孔５１に軸方向に移動自在に支持される。ピストン３７と嵌合孔５１は、軸心Ｏを中心とした円形断面をなす。シリンダブロック３８は、嵌合孔５１にピストン３７が配置されることで、圧縮室５２が区画される。ピストン３７が軸方向（軸心Ｏ）に沿って移動（下降）すると、圧縮室５２の容積が減少し、圧縮室５２の液体水素が圧縮される。

【0025】

圧縮室５２は、吸入経路５３と、吐出経路５４と、排出経路５５とが並列をなして接続される。圧縮室５２は、下部に吸入経路５３の下流側端部が接続され、一側部に吐出経路５４の上流側端部が接続され、他側部に排出経路５５の上流側端部が接続される。但し、圧縮室５２に対する吸入経路５３と吐出経路５４と排出経路５５の接続位置は、上述した構成に限定されない。吸入経路５３は、吸入弁４１が設けられる。吐出経路５４は、吐出弁４２が設けられる。排出経路５５は、安全弁４３が設けられる。そして、吐出経路５４における吐出弁４２より下流側と、排出経路５５における安全弁４３より下流側とは、連通経路５７により接続される。

【0026】

吸入弁４１は、ばね４１ａを有し、ばね４１ａの荷重（付勢力）により閉止する。吸入弁４１は、ピストン３７が一方向に移動（上昇）する吸入工程にて、圧縮室５２の容積が拡大することで発生する負圧により開放される。吸入弁４１が開放されると、吸入経路５３の液体水素が圧縮室５２に吸入される。吐出弁４２は、第１ばね（第１付勢部材）４２ａを有し、第１ばね４２ａの荷重（付勢力）により閉止する。吐出弁４２は、ピストン３７が他方向の移動（下降）する圧縮工程にて、圧縮室５２の容積が縮小することで高圧となって開放される。吐出弁４２が開放されると、圧縮室５２で圧縮された高圧の液体水素が吐出経路５４の下流側に吐出される。安全弁４３は、第２ばね（第２付勢部材）４３ａを有し、第２ばね４３ａの荷重（付勢力）により閉止する。安全弁４３は、ピストン３７が他方向の移動（下降）する圧縮工程にて、吐出弁４２が開放されないときに、圧縮室５２で発生する高圧により開放される。安全弁４３が開放されると、圧縮室５２で圧縮された高圧の液体水素が排出経路５５の下流側に排出される。

【0027】

吐出弁４２は、圧縮室５２の液体水素の圧力が予め設定された第１圧力（第１クラッキング圧力）を超えると開放されて液体水素を吐出する。安全弁４３は、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力より高い第２圧力（第２クラッキング圧力）を超えると開放されて液体水素を排出する。吐出弁４２は、第１閉止圧力として、吐出弁４２より下流側の第１流体圧力Ｐ１と、第１ばね４２ａの荷重（圧力）Ｆ１との合計圧力Ｐａが設定される。一方、安全弁４３は、第２閉止圧力として、安全弁４３より下流側の第２流体圧力Ｐ２と、第２ばね４３ａの荷重（圧力）Ｆ２との合計圧力Ｐｂが設定される。ここで、吐出経路５４の下流側と排出経路５５の下流側とは、連通経路５７により接続されていることから、第１流体圧力Ｐ１と第２流体圧力Ｐ２は同じ圧力である。

【0028】

そして、安全弁４３は、吐出弁４２が何らかの原因により開放されないときに開放され、圧縮室５２の液体水素を排出することで、昇圧ポンプ３２の破損を防止する。そのため、安全弁４３の第２閉止圧力（合計圧力Ｐｂ）は、吐出弁４２の第１閉止圧力（合計圧力Ｐａ）より高く設定される。すなわち、第１流体圧力Ｐ１と第２流体圧力Ｐ２とが同じ圧力であることから、第２ばね４３ａの荷重Ｆ２が第１ばね４２ａの荷重Ｆ１より高く設定される。

【0029】

ここで、安全弁４３を開放する第２圧力（第２クラッキング圧力）は、吐出弁４２を開放する第１圧力（第１クラッキング圧力）の５倍から３０倍の範囲に設定されることが好ましい。つまり、吐出弁４２の第１閉止圧力は、第１流体圧力Ｐ１（例えば、９０ＭＰａ）と、第１ばね４２ａの荷重Ｆ１（例えば、１ＭＰａ）との合計圧力Ｐａ（例えば、９１ＭＰａ）である。そして、昇圧ポンプ３２を安全に作動させるため、吐出弁４２の第１圧力である第１クラッキング圧力は、合計圧力Ｐａ（例えば、９１ＭＰａ）に対して余裕度を加味して、例えば、設計圧力１００ＭＰａに設定される。すると、安全弁４３の第２圧力である第２クラッキング圧力は、吐出弁４２の設計圧力１００ＭＰａに対して、５倍から３０倍の範囲であることから、１０５ＭＰａから１３０ＭＰａとなる。

【0030】

そのため、吐出弁４２の第１ばね４２ａの荷重Ｆ１を１ＭＰａとすると、安全弁４３の第２ばね４３ａの荷重Ｆ２は、５ＭＰａから３０ＭＰａに設定される。第１ばね４２ａと第２ばね４３ａは、このような関係が成り立つように、それぞれのばね定数が設定される。

【0031】

＜昇圧ポンプの作動＞
図４は、昇圧ポンプの吸入工程を表す概略図、図５は、昇圧ポンプの圧縮工程を表す概略図、図６は、昇圧ポンプの異常の作動を表す概略図である。

【0032】

図４に示すように、ピストン３７が軸心Ｏに沿って上昇（Ｏ１）すると、昇圧ポンプ３２が吸入工程となる。吸入工程にて、圧縮室５２の容積が拡大することで負圧が発生し、圧縮室５２の負圧が吸入弁４１に作用することで、吸入弁４１が開放される。吸入弁４１が開放されると、吸入経路５３を通して液体水素が圧縮室５２に吸入される。

【0033】

ピストン３７が上死点まで移動して吸入工程が終了すると、図５に示すように、ピストン３７が軸心Ｏに沿って下降（Ｏ２）し、昇圧ポンプ３２が圧縮工程となる。圧縮工程にて、圧縮室５２の容積が縮小することで高圧となり、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力を超えると、吐出弁４２が開放される。吐出弁４２が開放されると、圧縮室５２で圧縮された高圧の液体水素が吐出経路５４の下流側に吐出される。高圧の液体水素は、吐出経路５４により所定の位置に供給される。

【0034】

吐出弁４２は、正常状態にあるとき、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力を超えると開放される。しかし、吐出弁４２は、故障などにより異常状態にあるとき、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力を超えても開放されない。図６に示すように、吐出弁４２が開放されず、ピストン３７がさらに下降（Ｏ２）すると、圧縮室５２の容積がさらに縮小することで、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力を超えて高くなる。そして、圧縮室５２の液体水素の圧力が第２圧力を超えると、安全弁４３が開放される。安全弁４３が開放されると、圧縮室５２で圧縮された高圧の液体水素が排出経路５５に排出され、連通経路５７を通して吐出経路５４の下流側に排出される。そのため、圧縮室５２を含めたシリンダブロック３８の破損が防止される。

【0035】

第１実施形態の昇圧ポンプ３２は、吐出弁４２が故障したときに、圧縮室５２の高圧の液体水素を外部に排出可能な安全弁４３を設けており、シリンダブロック３８の破損を防止することができる。そして、吐出弁４２を有する吐出経路５４と安全弁４３を有する排出経路５５とを圧縮室５２に対して並列に接続し、吐出経路５４の下流側と排出経路５５の下流側を連通経路５７により連通している。そのため、吐出弁４２および安全弁４３は、閉止圧力として、吐出された液体水素の吐出圧力が作用することなり、安全弁４３は、吐出弁４２の第１ばね４２ａの荷重より高い荷重の第２ばね４３ａを設ければよく、構造を簡素化することができる。

【0036】

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0037】

図７に示すように、昇圧ポンプ３２Ａは、第１実施形態と同様に、ピストン３７と、シリンダブロック３８と、吸入弁４１と、吐出弁４２と、安全弁４３とを備える。また、昇圧ポンプ３２Ａは、逆止弁（抑制弁）６１と、ばね式安全弁６２とをさらに備える。

【0038】

圧縮室５２は、吸入経路５３と、吐出経路５４と、排出経路５５とが並列をなして接続される。吐出経路５４は、吐出弁４２が設けられ、排出経路５５は、安全弁４３が設けられる。吐出経路５４における吐出弁４２より下流側と、排出経路５５における安全弁４３より下流側とは、連通経路５７により接続される。

【0039】

連通経路５７は、逆止弁６１が設けられる。逆止弁６１は、排出経路５５から吐出経路５４への液体水素の流れを抑制する抑制弁として機能する。逆止弁６１は、ばね６１ａを有し、ばね６１ａの荷重（付勢力）により閉止する。逆止弁６１の閉止圧力は、吐出弁４２の第１閉止圧力より小さい。すなわち、逆止弁６１のばね６１ａの荷重は、吐出弁４２の第１ばね４２ａの荷重より小さい。そのため、第１実施形態と同様に、安全弁４３は、第２閉止圧力として、吐出経路５４に吐出された液体水素の吐出圧力が逆止弁６１を通して作用する。しかし、安全弁４３が開放されたとき、排出経路５５に排出された液体水素は、逆止弁６１に止められ、吐出経路５４に流れない。

【0040】

また、排出経路５５は、連通経路５７との接続部より下流側にばね式安全弁６２が設けられる。そのため、安全弁４３が開放され、圧縮室５２の高圧の液体水素が排出経路５５に排出されたとき、ばね式安全弁６２は、高圧の液体水素により開放され、高圧の液体水素を外部に排出することができる。

【0041】

また、ばね式安全弁６２の閉止圧力は、吐出弁４２の第１閉止圧力より大きい。そのため、吐出弁４２が開放され、圧縮室５２の高圧の液体水素が吐出経路５４に吐出され、連通経路５７および逆止弁６１を通して排出経路５５に流れたとき、ばね式安全弁６２は、閉止され、吐出経路５４に吐出された高圧の液体水素が外部に排出されることはない。

【0042】

吐出弁４２は、異常状態にあるとき、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力を超えても開放されない。このとき、圧縮室５２の液体水素の圧力が第２圧力を超えると、安全弁４３が開放される。安全弁４３が開放されると、圧縮室５２で圧縮された高圧の液体水素が排出経路５５の下流側に排出される。このとき、排出経路５５の高圧の液体水素は、逆止弁６１により吐出経路５４には流れず、ばね式安全弁６２を開放して外部排出される。そのため、圧縮室５２を含めたシリンダブロック３８の破損が防止される。また、必要以上に高圧の液体水素が吐出経路５４により供給先の機器に供給されることがなく、供給先の機器の破損も防止される。

【0043】

第２実施形態の昇圧ポンプ３２Ａは、吐出弁４２を有する吐出経路５４の下流側と安全弁４３を有する排出経路５５の下流側を連通経路５７により連通し、連通経路５７に逆止弁６１を設けている。そのため、安全弁４３が開放されることで、排出経路５５に排出された高圧の液体水素が吐出経路５４に流れることはなく、供給先の機器の破損が防止される。また、排出経路５５の下流側にばね式安全弁６２を設けている。昇圧ポンプ３２Ａは、停止時に、吐出経路５４、排出経路５５、連通経路５７などに極低温の流体水素が残留しているとき、液体水素の気化によって圧力が上昇すると、ばね式安全弁６２が開放され、高圧の流体水素が外部に排出される。そのため、吐出経路５４と排出経路５５と連通経路５７の圧力を規定値以下に維持することができ、機器の損傷が防止される。

【0044】

なお、抑制弁として、逆止弁６１の代わりに渦流防止弁を設けてもよい。渦流防止弁は、連通経路５７に所定流量未満の流体が流れると開放され、液体水素を流通させる一方、所定流量以上の液体水素が流れると閉止され、液体水素の流通を遮断する。さらに、抑制弁として、逆止弁６１や渦流防止弁に加えてオリフィスを設けてもよい。この場合、連通経路５７に設けられた逆止弁６１に対して、吐出経路５４側にオリフィスを設ける。

【0045】

連通経路５７に渦流防止弁や逆止弁６１およびオリフィスを設けることで、吐出経路５４や排出経路５５における液体水素の圧力脈動が抑制される。

【0046】

［第３実施形態］
図８は、第３実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。なお、上述した第２実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0047】

図８に示すように、昇圧ポンプ３２Ｂは、第１実施形態と同様に、ピストン３７と、シリンダブロック３８と、吸入弁４１と、吐出弁４２と、安全弁４３とを備える。また、昇圧ポンプ３２Ｂは、圧力計７１と、リリーフ弁７２と、制御部７３とをさらに備える。

【0048】

吐出経路５４は、吐出弁４２より下流側が連通経路５７により排出経路５５における安全弁４３より下流側に接続される。連通経路５７は、逆止弁６１が設けられる。

【0049】

排出経路５５は、連通経路５７との接続部より下流側に圧力計７１とリリーフ弁７２が設けられる。リリーフ弁７２は、排出経路５５を開閉可能である。圧力計７１は、排出経路５５におけるリリーフ弁７２より上流側に位置し、排出経路５５の液体水素の圧力を計測する。制御部７３は、圧力計７１とリリーフ弁７２が接続される。制御部７３は、圧力計７１の計測結果（排出経路５５の液体水素の圧力）が入力され、計測結果に基づいてリリーフ弁７２を開閉制御する。リリーフ弁７２は、第２実施形態で説明したばね式安全弁６２とほぼ同様の機能を有する。

【0050】

第３実施形態の昇圧ポンプ３２Ｂは、排出経路５５の下流側に圧力計７１とリリーフ弁７２を設けると共に、圧力計７１の計測結果に基づいてリリーフ弁７２を開閉する制御部７３を設けている。昇圧ポンプ３２Ｂは、停止時に、吐出経路５４、排出経路５５、連通経路５７などに極低温の流体水素が残留しており、液体水素の気化によって圧力が上昇する。制御部７３は、圧力計７１が計測した液体水素の圧力が予め設定された規定圧力を超えると、リリーフ弁７２を開放する。ここで、規定圧力は、吐出弁４２、安全弁４３、逆止弁６１などの開放圧に応じて適宜設定される。すると、排出経路５５の高圧の流体水素がリリーフ弁７２を通って外部に排出され、排出経路５５の圧力が低下する。そのため、吐出経路５４と排出経路５５と連通経路５７の圧力を規定値以下に維持することができ、機器の損傷が防止される。

【0051】

［第４実施形態］
図９は、第４実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。なお、上述した第２実施形態および第３実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0052】

図９に示すように、昇圧ポンプ３２Ｃは、第１実施形態と同様に、ピストン３７と、シリンダブロック３８と、吸入弁４１と、吐出弁４２と、安全弁４３とを備える。また、昇圧ポンプ３２Ｃは、逆止弁６１と、ばね式安全弁６２と、圧力計７１と、リリーフ弁７２と、制御部７３とをさらに備える。すなわち、昇圧ポンプ３２Ｃは、昇圧ポンプ３２Ａと昇圧ポンプ３２Ｃとを組み合わせた構成である。

【0053】

連通経路５７は、逆止弁６１が設けられる。排出経路５５は、連通経路５７との接続部より下流側にばね式安全弁６２が設けられる。また、排出経路５５は、下流側に圧力計７１とリリーフ弁７２が設けられると共に、圧力計７１の計測結果に基づいてリリーフ弁７２を開閉する制御部７３が設けられる。すなわち、排出経路５５は、連通経路５７との接続部より下流側で、２つの分岐経路５５ａ，５５ｂが設けられる。分岐経路５５ａは、ばね式安全弁６２が設けられ、分岐経路５５ｂは、圧力計７１とリリーフ弁７２が設けられる。

【0054】

制御部７３は、圧力計７１が計測した液体水素の圧力が規定圧力を超えると、リリーフ弁７２を開放する。リリーフ弁７２を開放する規定圧力は、吐出弁４２、安全弁４３、逆止弁６１などの開放圧に応じて適宜設定されるものであり、必要に応じて可変である。一方、ばね式安全弁６２は、開放圧が固定である。リリーフ弁７２の開放圧は、ばね式安全弁６２の開放圧より低く設定することが好ましい。

【0055】

第４実施形態の昇圧ポンプ３２Ｃは、逆止弁６１と、ばね式安全弁６２と、圧力計７１と、リリーフ弁７２と、制御部７３とを備える。そのため、昇圧ポンプ３２Ｃの安全性をさらに高めることができる。

【0056】

［第５実施形態］
図１０は、第５実施形態の昇圧ポンプを表す概略図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0057】

図１０に示すように、昇圧ポンプ３２Ｄは、第１実施形態と同様に、ピストン３７と、シリンダブロック３８と、吸入弁４１と、吐出弁４２と、安全弁４３とを備える。また、昇圧ポンプ３２Ｄは、ばね式安全弁６２と、ボンベ（加圧源）８１と、圧縮機（加圧源）８２とをさらに備える。

【0058】

排出経路５５は、安全弁４３より下流側にばね式安全弁６２が設けられる。また、排出経路５５は、安全弁４３とばね式安全弁６２との間の第１加圧経路８３の一端部が接続される。第１加圧経路８３は、他端部にボンベ８１が接続され、中途部に遮断弁８４と減圧弁８５が設けられる。この場合、遮断弁８４に対して減圧弁８５がボンベ８１側に位置する。第１加圧経路８３は、遮断弁８４と減圧弁８５との間に第２加圧経路８６の一端部が接続される。第２加圧経路８６は、他端部に圧縮機８２が接続される。

【0059】

ボンベ８１は、水素ガスが充填され、第１加圧経路８３に水素ガスを供給する。減圧弁８５は、ボンベ８１から第１加圧経路８３に供給された水素ガスを減圧可能である。遮断弁８４は、第１加圧経路８３を開閉可能である。遮断弁８４は、第１加圧経路８３を開放することで、水素ガスを排出経路５５に供給可能である。圧縮機８２は、水素ガスを圧縮し、第２加圧経路８６および第１加圧経路８３を介して排出経路５５に供給可能である。なお、遮断弁８４は、制御部（図示略）により開閉制御される。例えば、制御部は、安全弁４３が閉止されていたり、排出経路５５の圧力が第２流体圧力Ｐ２以下であったりするときに遮断弁８４を開放し、安全弁４３が開放されていたり、排出経路５５の圧力が第２流体圧力Ｐ２より高くなったりしたときに遮断弁８４を閉止する。

【0060】

吐出弁４２は、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力（第１クラッキング圧力）を超えると開放されて液体水素を吐出する。安全弁４３は、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力より高い第２圧力（第２クラッキング圧力）を超えると開放されて液体水素を排出する。吐出弁４２は、第１閉止圧力として、吐出弁４２より下流側の吐出経路５４の第１流体圧力Ｐ１と、第１ばね４２ａの荷重（圧力）Ｆ１との合計圧力Ｐａが設定される。一方、安全弁４３は、第２閉止圧力として、安全弁４３より下流側の排出経路５５の第２流体圧力Ｐ２と、第２ばね４３ａの荷重（圧力）Ｆ２との合計圧力Ｐｂが設定される。

【0061】

安全弁４３は、吐出弁４２が何らかの原因により開放されないときに開放され、圧縮室５２の液体水素を排出することで、昇圧ポンプ３２の破損を防止する。そのため、安全弁４３の第２閉止圧力（合計圧力Ｐｂ）は、吐出弁４２の第１閉止圧力（合計圧力Ｐａ）より高く設定される。すなわち、安全弁４３の第２閉止圧力は、ボンベ８１や圧縮機８２から供給される水素ガスにより加圧される排出経路５５における第２流体圧力Ｐ２と、第２ばね４３ａの荷重Ｆ２との合計圧力Ｐｂが設定される。この場合、第１流体圧力Ｐ１と第２流体圧力Ｐ２とをほぼ同じ圧力に調整し、第２ばね４３ａの荷重Ｆ２を第１ばね４２ａの荷重Ｆ１より高く設定することが好ましい。また、安全弁４３の第２閉止圧力を第２流体圧力Ｐ２とし、第２ばね４３ａの荷重Ｆ２を０または極小としてもよい。

【0062】

なお、排出経路５５の加圧源として、ボンベ８１と圧縮機８２を設けたが、この構成に限定されない。ボンベ８１に対して圧縮機８２を補助用として用いてもよくまた、ボンベ８１と圧縮機８２のいずれか一方だけを設けてもよい。

【0063】

第５実施形態の昇圧ポンプ３２Ｄは、排出経路５５に安全弁４３の閉止圧力を確保する圧力源としてボンベ８１や圧縮機８２を設けている。そのため、安全弁４３の開閉を、吐出経路５４の高圧の液体水素の吐出圧に依存する必要がなく、安全弁の開放圧を自由に設定することができる。

【0064】

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る昇圧ポンプは、圧縮室５２を有するシリンダブロック（シリンダ）３８と、液体水素（低温流体）を圧縮室５２に吸入する吸入弁４１と、シリンダブロック３８に移動自在に支持されて圧縮室５２の液体水素を圧縮するピストン３７と、圧縮室５２の液体水素の圧力が予め設定された第１圧力を超えると開放して液体水素を吐出する吐出弁４２と、圧縮室５２の液体水素の圧力が第１圧力より高い第２圧力を超えると開放して液体水素を排出する安全弁４３とを備え、第１圧力は、吐出弁４２より下流側の第１流体圧力と吐出弁４２の第１ばね（第１付勢部材）４２ａの閉止圧力との合計圧力以上の圧力であり、第２圧力は、外部から作用する第２流体圧力と安全弁４３の第２ばね（第２付勢部材）４３ａの閉止圧力との合計圧力以上の圧力である。

【0065】

第１の態様に係る昇圧ポンプによれば、吐出弁４２を開放する第１圧力を第１流体圧力と吐出弁４２の第１ばね４２ａの閉止圧力との合計圧力以上の圧力とし、安全弁４３を開放する第２圧力を外部から作用する第２流体圧力と安全弁４３の第２ばね４３ａの閉止圧力との合計圧力以上の圧力としている。そのため、安全弁４３における第２ばね４３ａの閉止圧力を低く設定することができ、安全弁４３を小型化することで装置の大型化を抑制することができる。

【0066】

第２の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、第２低温流体圧力は、第１低温流体圧力であり、第２ばね４３ａの閉止圧力が第１ばね４２ａの閉止圧力より高い。これにより、第２低温流体圧力を第１低温流体圧力と同じ圧力とすることで、第２ばね４３ａの閉止圧力を第１ばね４２ａの閉止圧力より高くすればよく、安全弁４３の簡素化を図ることができる。

【0067】

第３の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、圧縮室５２に対して吐出経路５４と排出経路５５とが並列をなして接続され、吐出経路５４の下流側と排出経路５５の下流側が連通経路５７により接続され、吐出経路５４に吐出弁４２が設けられ、排出経路５５に安全弁４３が設けられる。これにより、吐出弁４２および安全弁４３は、閉止圧力として、吐出された液体水素の吐出圧力が作用することなり、安全弁４３は、吐出弁４２の第１ばね４２ａの荷重より高い荷重の第２ばね４３ａを設ければよく、構造を簡素化することができる。

【0068】

第４の態様に係る昇圧ポンプは、第３の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、連通経路５７は、排出経路５５から吐出経路５４への液体水素体の流れを抑制する抑制弁が設けられる。これにより、安全弁４３が開放されたとき、超高圧の液体水素が排出経路５５から吐出経路５４に流れることが抑制され、吐出経路５４の下流側に接続される各種機器の破損を防止することができる。

【0069】

第５の態様に係る昇圧ポンプは、第４の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、抑制弁として、逆止弁６１または渦流防止弁が設けられる。これにより、抑制弁を逆止弁６１や渦流防止弁とすることで、構造の簡素化を図ることができる。

【0070】

第６の態様に係る昇圧ポンプは、第５の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、連通経路５７は、抑制弁より吐出経路５４側にオリフィスが設けられる。これにより、吐出経路５４や排出経路５５における液体水素の圧力脈動を抑制することができる。

【0071】

第７の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、圧縮室５２に対して吐出経路５４と排出経路５５とが並列をなして接続され、吐出経路５４に吐出弁４２が設けられ、排出経路５５に安全弁４３が設けられると共に、排出経路５５に第２低温流体圧力の圧力源としてのボンベ８１と圧縮機８２が接続される。これにより、安全弁４３の閉止圧力として、別途、圧力源としてのボンベ８１と圧縮機８２を設けることで、吐出経路５４における液体水素の吐出圧力に依存することなく、安全弁４３を適切に作動させることができる。

【0072】

第８の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様から第７の態様のいずれか一つに係る昇圧ポンプであって、さらに、排出経路５５の下流側にばね式安全弁６２が設けられる。これにより、吐出経路５４、排出経路５５、連通経路５７に残留している流体水素が気化して圧力が上昇したとき、ばね式安全弁６２が開放されることで、高圧の流体水素が外部に排出されることとなり、機器の損傷を防止することができる。

【0073】

第９の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様から第８の態様のいずれか一つに係る昇圧ポンプであって、さらに、排出経路５５の下流側に圧力計７１とリリーフ弁７２とが設けられると共に、圧力計７１の計測結果に基づいてリリーフ弁７２を開閉する制御部７３が設けられる。これにより、吐出経路５４、排出経路５５、連通経路５７に残留している流体水素が気化して圧力が上昇したとき、リリーフ弁７２が開放されることで、高圧の流体水素が外部に排出されることとなり、機器の損傷を防止することができる。

【0074】

第１０の態様に係る水素供給システムは、第１の態様から第９の態様のいずれか一つに係る昇圧ポンプ３２を有して低温流体としての液体水素を圧縮する圧縮装置２１と、圧縮装置２１により圧縮された液体水素を気化する蒸発装置２２と、蒸発装置２２により気化された水素ガスを供給するディスペンサ２３とを備える。これにより、昇圧ポンプ３２を小型化することで装置の大型化を抑制することができる。

【0075】

なお、上述した実施形態では、昇圧ポンプ３２を水素供給システム１０の圧縮装置２１に適用して説明したが、この分野に限定されるものではなく、低温流体を適用する装置であれば適用することができる。

【符号の説明】

【0076】

１０ 水素供給システム
１１ コンテナ
１２ 車両
２１ 圧縮装置
２２ 蒸発装置
２３ ディスペンサ
３１ 駆動モータ
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ 昇圧ポンプ
３４ クランク機構
３５ クロスヘッド
３６ ピストンロッド
３７ ピストン
３８ シリンダブロック（シリンダ）
３９ 容器
４１ 吸入弁
４２ 吐出弁
４２ａ 第１ばね（第１付勢部材）
４３ 安全弁
４３ａ 第２ばね（第２付勢部材）
５１ 嵌合孔
５２ 圧縮室
５３ 吸入経路
５４ 吐出経路
５５ 排出経路
５５ａ，５５ｂ 分岐経路
５７ 連通経路
６１ 逆止弁
６１ａ ばね
６２ ばね式安全弁
７１ 圧力計
７２ リリーフ弁
７３ 制御部
８１ ボンベ（加圧源）
８２ 圧縮機（加圧源）
８３ 第１加圧経路
８４ 遮断弁
８５ 減圧弁
８６ 第２加圧経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】