JP2005127430A - ガス充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明はガス充填温度が高温にならないよう充填制御することを課題とする。
【解決手段】 ガス充填装置１０の制御部５８は、設定された充填流速に基づき、制御弁３４の弁開度を制御する制御プログラムが格納されている。設定器１９には、燃料タンク１４に供給されるガスの充填流速を任意の値に設定するための操作部１９ａが設けられている。また、制御部５８は、被ガス供給体の容量、表面積、形状に応じて設定された充填流速に基づき、制御弁３４の弁開度を制御するため、制御弁３４の弁開度を制御して充填流速を燃料タンク１４の容量に応じた流速に保ち、燃料タンク１４の温度上昇を抑えながら燃料タンク１４の温度上昇度合いに応じた流速で効率良く充填する。
【選択図】 図１

Description

本発明はガス充填装置に係り、特に流量計により計測された流量計測値に基づいて制御弁の弁開度を制御して被ガス供給体にガスを充填するガス充填装置に関する。

天然ガスを圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料にして走行する自動車（ＣＮＧ車）の開発と共に圧縮天然ガスを自動車の燃料タンクに供給するガス供給装置の実用化が進められている。この種のガス供給装置では、圧縮されたガスをガス蓄圧器に貯蔵しておき、ガス充填ホースの接続カプラをＣＮＧ車の接続カプラに接続し、ガス充填ホースの先端部に連通された三方弁を切り替え操作することによりガス蓄圧器に貯蔵されたガスをＣＮＧ車の燃料タンクに充填するように構成されている。

そして、従来のガス供給装置では、充填側カプラと被充填側カプラとを連通させた後、ガス充填ホースのホース容量以上の流量のガスを被ガス供給体（燃料タンク）に供給し、そのときの圧力値をガス充填前の初期圧力値として記憶し、この初期圧力値に基づいて被ガス供給体の容量を演算することにより、被ガス供給体の容量を推定してガス充填を行っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１０３５９５号公報

しかしながら、ガス充填装置においては、被ガス供給体へのガス充填が進むにつれて被ガス供給体の温度が上昇する。一方、被ガス供給体には、様々な容量、表面積、形状のものが存在しており、これに起因して、ガス充填速度を被ガス供給体の種類に拘らず、一定とした場合には、被ガス供給体によりその温度上昇度合いが異なる。被ガス供給体の温度が上昇すると、被ガス供給体に充填されたガスが膨張してタンク内圧力が上昇してしまい、実際に充填された充填圧力が見かけ上増大して充填誤差が生ずることになる。従って、圧縮されたガスを充填する際には、被ガス供給体の温度上昇を考慮して充填速度（流量）を設定することが望ましい。

ところが、従来のガス充填装置では、被ガス供給体への充填時間を短縮するため、温度上昇の小さい被ガス供給体に合わせて充填速度を高く設定すると、温度上昇の高い被ガス供給体の温度は、大きく上昇することになる。また、被ガス供給体の温度上昇を抑制するため、温度上昇の大きい被ガス供給体に合わせて充填速度を低く設定すると、温度上昇の低い被ガス供給体の温度上昇は、より抑えられることとなるが、その分充填時間が長くかかるという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決したガス充填装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、圧縮されたガスを供給するガス供給経路に流量計、制御弁、圧力検出器が配置され、前記流量計により計測された流量計測値及び前記圧力検出器によって検出された圧力計測値に基づいて前記制御弁の弁開度を制御して被ガス供給体にガスを充填するガス充填装置において、前記被ガス供給体に供給されるガスの充填流速を任意の値に設定するための設定手段と、前記設定手段により設定された充填流速に基づき、前記制御弁の弁開度を制御する流量制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記設定手段が、前記被ガス供給体を特定するための特定手段と、前記被ガス供給体を特定するためのデータに対応させて当該被ガス供給体への充填流速を記憶する充填流速記憶手段と、前記特定手段により特定された前記被ガス供給体への充填流速を該充填流速記憶手段より読み出し、当該充填流速に設定する充填流速設定手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、圧縮されたガスを供給するガス供給経路に流量計、制御弁、圧力検出器が配置され、前記流量計により計測された流量計測値及び前記圧力検出器によって検出された圧力計測値に基づいて前記制御弁の弁開度を制御して被ガス供給体にガスを充填するガス充填装置において、前記ガス供給経路に設けられ、前記制御弁から吐出されたガスの一部を貯留する容器と、該容器の温度変化を計測する温度検出器と、該温度検出器により計測された温度が所定の温度以上に達した場合、前記制御弁の弁開度を制御して前記被ガス供給体に供給される流量を制限する制御手段と、を備えたことを特徴とする

請求項１記載の発明によれば、被ガス供給体の容量、表面積、形状に応じて設定された充填流速に基づき、制御弁の弁開度を制御するため、被ガス供給体の温度上昇を抑えながら被ガス供給体の温度上昇度合いに応じた流速で効率良く充填することができる。

請求項２記載の発明によれば、特定された被ガス供給体への充填流速を充填流速記憶手段より読み出し、当該充填流速に設定するため、被ガス供給体の温度上昇を抑えながら被ガス供給体の温度上昇度合いに応じた流速で効率良く充填することができる。

請求項３記載の発明によれば、温度検出器により計測された温度が所定の温度以上に達した場合、制御弁の弁開度を制御して被ガス供給体に供給される流量を制限するため、被ガス供給体の温度上昇を抑えながら被ガス供給体の温度上昇度合いに応じた流速で効率良く充填することができる。

以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。

図１は本発明になるガス充填装置の一実施例を示す概略構成図である。
図１に示されるように、ガス充填装置１０は、例えば自動車１２の燃料タンク（被ガス供給体）１４に都市ガスを所定圧力に圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を供給するガス供給ステーションなどに設置されている。

ガス充填装置１０は、大略、都市ガスを所定圧力に圧縮し加圧されたガスを生成する圧力発生ユニット１６と、圧力発生ユニット１６により圧縮されたガスを燃料タンク１４に供給するためのディスペンサユニット１８と、充填前に自動車１２に搭載された燃料タンク１４を設定するための設定器（設定手段）１９とよりなる。

自動車１２に搭載された燃料タンク１４は、車種によって大きさが異なり、充填容量、充填圧力も異なる。そのため、設定器１９には、充填開始前に燃料タンク１４の種別（型式）あるいは容量を選択するための操作部１９ａが設けられている。操作部１９ａは、例えば、タッチパネル式であり、表示された操作釦を押圧することにより燃料タンク１４の種別（型式）あるいは容量を設定することができる。また、自動車１２の接続カプラ４５と燃料タンク１４とを連通する連通管路１５には、脱圧操作時の逆流を防止するための逆流防止弁１７が設けられている。

圧力発生ユニット１６は、都市ガスの中圧管路（図示せず）から分岐された分岐管路２０に配設された多段式のコンプレッサ２２と、コンプレッサ２２から吐出されたガスが蓄圧されるガス蓄圧器２４とが設けられている。

また、圧力発生ユニット１６とディスペンサユニット１８との間は、ガス供給管路２８を介して接続されている。そして、ディスペンサユニット１８内に延在するガス供給管路２８には、上流側から順に、ガス供給管路２８を流れるガスの供給量を計測する流量計３０と、電磁弁よりなりガス供給管路２８を連通又は遮断する遮断弁３２と、下流側（被充填側）へ給送されるガスを制御する制御弁３４と、温度測定用タンク（容器）３５と、制御弁３４により制御された２次圧力を検出する圧力センサ（圧力検出器）３６とが配設されている。

温度測定用タンク３５は、燃料タンク１４に似せた擬似タンクであり、燃料タンク１４の圧力上昇に伴う温度上昇をシミュレーションするための容器である。この温度測定用タンク３５には、タンク内の圧力変化に応じた温度を測定するための温度センサ３７が設けられている。制御弁３４は、温度センサ３７により測定されたタンク温度に応じて弁開度が調整され、タンク温度が予め設定された設定温度に達すると、タンク温度がそれ以上高くならないように弁開度が一定に制限されガス充填速度を制限する。

上記流量計３０は、センサチューブと呼ばれる管路を振動させるコリオリ式質量流量計からなり、この振動する管路内を流れるガス流量に応じたコリオリ力による管路の流入側と流出側との位相差が流量に比例することを利用して流量計測を行うように構成されている。従って、流量計３０は、高圧に圧縮されたガスの質量流量を正確に計測することができ、ガス充填動作時は単位時間当たりの流量計測値（又は単位時間当たりの流量パルス数）を制御部５８に出力する。

また、遮断弁３２は、電磁弁などからなり、制御部５８からの指令により自動的に開弁または閉弁する。

また、制御弁３４は、制御部５８からの指令により弁開度を調整して充填圧力及び流量を制御して燃料タンク１４へ供給されるガス充填量（流量は圧力×時間により求まる）を制御する。すなわち、制御弁３４は、充填開始時には充填圧力が徐々に増圧するように制御弁３４の弁開度を制御して各機器が急激な圧力変化により破損することを防止し、充填終了直前には、流量制御可能領域まで流量を減少させて燃料タンク１４への充填量を満圧モードあるいはプリセットモードに対応させて正確に充填する。

三方弁４０は手動操作により切り換えられる構成であり、ガス充填前及びガス充填後は、排気ポートｂと充填ポートｃとが連通されて流入ポートａが遮断されている。また、ガス充填時は、流入ポートａと充填ポートｃとが連通するとともに排気ポートｂが遮断するように切り換え操作される。

ガス供給管路２８の下流側端部には、ガス充填ホース３８が連通されており、ガス充填ホース３８の下流側端部には、手動式の三方弁４０が接続されている。三方弁４０は、ガス充填ホース３８が接続された流入ポートａと、排気管４２が接続された排気ポートｂと、接続カプラ４４に連通された充填ポートｃとを有する。この三方弁４０は、ガス充填時流入ポートａと充填ポートｃとが連通された状態に操作され、ガス充填完了後の脱圧操作を行う際に排気ポートｂと充填ポートｃとが連通するように切替えられて接続カプラ４４内の圧力を減圧する。

接続カプラ４４は、燃料タンク１４の接続カプラ４５に接続されて結合されると、燃料タンク１４と連通される。また、接続カプラ４４,４５は、夫々結合されると開弁する逆流防止弁（図示せず）が内蔵されており、分離された状態では逆流防止弁の閉弁によりガス流出が防止される。

このように、例えばガス充填終了した後、次のガス充填まで時間がある場合に開弁されて、ガス充填ホース３８内のガスを大気中に放出してガス充填ホース３８の圧力を満タン圧力以下に減圧する。

また、ディスペンサユニット１８の側面には、接続カプラ４４を掛止するカプラ掛止部４６が取り付けられており、このカプラ掛止部４６には接続カプラ４４の有無を検出するカプラ掛けスイッチ４８が設けられている。さらに、ディスペンサユニット１８には、充填開始スイッチ釦５０、充填停止スイッチ釦５２が配設されている。

充填開始スイッチ釦５０は、接続カプラ４４が燃料タンク１４の接続カプラ４５に接続された後、遮断弁３２を開弁させるために操作されるスイッチ釦である。充填停止スイッチ釦５２は、ガス充填中に遮断弁３２及び制御弁３４を閉弁させるために操作されるスイッチ釦である。

制御ユニット５４は、ガス充填に関する情報（例えば、ガス充填量、ガス充填圧力、単価など）を表示する表示器５６と、各機器を制御する制御部５８とを有する。また、制御部５８は、後述するように、充填開始釦５０からの信号により起動し、充填停止釦５２からの信号により停止し、流量計３０及び圧力センサ３６からの信号により燃料タンク１４に充填された充填量及び充填圧力を演算する。

制御部５８のメモリ（ＲＯＭ）には、設定された充填流速に基づき、制御弁３４の弁開度を制御する制御プログラム（流量制御手段）が格納されている。そのため、制御部５８は、制御弁３４の弁開度を制御して充填流速を燃料タンク１４の容量に応じた流速に保ち、燃料タンク１４の温度上昇を抑えながら燃料タンク１４の温度上昇度合いに応じた流速で効率良く充填することができる。

図２は制御部５８のメモリに格納された最大流速データベースを模式的に示す図である。
図２に示されるように、最大流速データベース（充填流速記憶手段）６０には、車両毎の燃料タンク１４の形状、容量等の差違に応じた流量選択釦番号、ＩＤ番号、車両コード、最大流速値Ａ〜Ｄが登録されている。

従って、設定器１９の操作部１９ａで流量選択釦番号、ＩＤ番号、車両コードの何れかが入力されると、制御部５８において、最大流速データベース６０を検索して最大流速値Ａ〜Ｄのうち入力された流量選択釦番号、ＩＤ番号、車両コードの何れかに対応する最大流速値が自動的に設定される。

次に上記構成になるガス充填装置１０におけるガス充填作業について説明する。
上記自動車１２の燃料タンク１４にガスを充填する際、作業者は、先ず、ディスペンサユニット１８のカプラ掛止部４６から接続カプラ４４を外して自動車１２の接続カプラ４５に結合させる。そして、作業者は、三方弁４０の流入ポートａと充填ポートｃとが連通するように切り換え操作する。

次に、作業者が設定器１９の操作部１９ａにより流量選択釦番号、ＩＤ番号、車両コードの何れかを入力すると、対応する最大流速値が自動的に設定される。そして、充填開始スイッチ釦５０をオンに操作すると、制御部５８は遮断弁３２を開弁させるとともに、制御弁３４を開弁させる。これにより、ガス蓄圧器２４に蓄圧された高圧ガスは、ガス供給管路２８、流量計２０、遮断弁３２、制御弁３４、ガス充填ホース３８、三方弁４０、接続カプラ４４，４５を介して燃料タンク１４に充填される。

充填開始されると、制御部５８は、設定された最大流速値を維持するように制御弁３４の弁開度を制御する。そして、燃料タンク１４にガスが充填されて満タン状態になると、燃料タンク１４の圧力はほぼ２００kgf/cm^２となる。

ガス供給管路２８を通過したガス充填量は、流量計３０により計測され、ガス充填量に応じた電圧値（流入側と流出側との位相差）が流量計測信号として制御部５８に出力される。制御部５８は、圧力センサ３６により検出された充填圧力と、流量計３０からの流量パルスを積算して、燃料タンク１４に充填されたガス充填量を表示器５６に表示する。

また、燃料タンク１４へのガス充填が完了すると、作業者は、三方弁４０の排気ポートｂと充填ポートｃとを連通させるとともに流入ポートａを遮断させるように切り換え操作する。三方弁４０と自動車１２に設けられた逆流防止弁１７との間に残留するガスは、排気ポートｂから排気管４２へ排出され、接続カプラ４４，４５内の圧力が大気圧に減圧される。これにより、作業者は、軽い力で接続カプラ４４，４５を分離させることが可能になる。

その後、作業者は、ディスペンサユニット１８の接続カプラ４４を自動車１２の接続カプラ４５から分離させ、カプラ掛止部４６に掛止させる。そして、充填停止スイッチ釦５２がオンに操作されると、一連のガス充填作業が完了する。

ここで、制御部５８が実行する充填処理について図２を参照して説明する。
図３は制御部５８が実行する充填処理を説明するためのフローチャートである。

図３に示されるように、制御部５８は、Ｓ１１において、作業者が接続カプラ４４，４５を接続した後、自動車１２に搭載された燃料タンク１４の形状、容量等の差違に応じた流量選択釦番号、ＩＤ番号、車両コードの何れかを設定器１９の操作部１９ａより入力すると、図２に示す最大流速データベース６０より入力データに対応する最大流速値Ａ〜Ｄの何れかが選択される。

次のＳ１２では、充填開始スイッチ釦５０をオンに操作されたかどうかを確認する。Ｓ１２において、充填開始スイッチ釦５０をオンに操作されると、Ｓ１３に進み、遮断弁３２及び制御弁３４を開弁させる。これにより、ガス蓄圧器２４に蓄圧された高圧ガスは、ガス供給管路２８、流量計２０、遮断弁３２、制御弁３４、温度測定用タンク３５、ガス充填ホース３８に充填される。そして、作業者が三方弁４０の流入ポートａと充填ポートｃとが連通するように切り換え操作することで、ガス蓄圧器２４に蓄圧された高圧ガスは、燃料タンク１４に充填される。

次のＳ１４では、温度センサ３７により測定されたタンク温度Ｔを読み込む。続いて、Ｓ１５では、タンク温度Ｔと予め設定された上限温度Ｔａとを比較し、タンク温度Ｔが上限温度Ｔａ以下かどうかを確認する。Ｓ１５において、タンク温度Ｔが上限温度Ｔａ以下であれば、Ｓ１６に進み、流量計３０により計測された流量値とＳ１１で選択された設定値（最大流量Ａ〜Ｄの何れか）とを比較する。また、Ｓ１５において、タンク温度Ｔが上限温度Ｔａ以上であれば、Ｓ１６〜Ｓ１８の流量制御を省略してＳ１９に進む。従って、タンク温度Ｔが上限温度Ｔａを超えた場合には、制御弁３４の弁開度が一定に維持され、燃料タンク１４の温度上昇が防止される。

Ｓ１６において、流量値がＳ１１で選択された設定値よりも小さい場合は、Ｓ１７に進み、制御弁３４の弁開度を開方向に所定値（例えば、弁開度を＋５％開放）だけずらす。これにより、燃料タンク１４へ充填されるガスの流量が増大する。

また、Ｓ１６において、流量値がＳ１１で選択された設定値よりも大きい場合は、Ｓ１８に進み、制御弁３４の弁開度を閉方向に所定値（例えば、弁開度を−５％絞る）だけずらす。これにより、燃料タンク１４へ充填されるガスの流量が減少する。

このように、制御弁３４の弁開度を制御して流量値がＳ１１で選択された設定値になるように流量制御するため、当該燃料タンク１４の形状、容量等の差違に応じた最大流速で燃料タンク１４へのガス充填を効率良く短時間で行えると共に、燃料タンク１４の温度上昇を抑制して熱膨張による誤差もできるだけ小さくして充填精度を確保することが可能になる。

また、Ｓ１６において、流量値がＳ１１で選択された設定値と等しい場合は、Ｓ１９に進む。Ｓ１９では、圧力センサ３６により検出された圧力値が目標圧力に達したかどうかを確認する。

Ｓ１９において、圧力センサ３６により検出された圧力値が目標圧力に達していないときは、上記Ｓ１４に戻り、Ｓ１４以降の処理を繰り返す。また、Ｓ１９において、圧力センサ３６により検出された圧力値が目標圧力に達したときは、燃料タンク１４へのガス充填圧力が目標圧力に達したため、Ｓ２０に進み、制御弁３４を全閉にしてガス充填を終了する。続いて、Ｓ２１では、遮断弁３２を閉弁させる。これで、燃料タンク１４のガス充填制御が終了する。

尚、上記実施例では、都市ガスを圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を供給する場合を一例として挙げたが、これに限らず、例えばブタン、プロパン等のガス、あるいは燃料電池車で消費される水素ガスを供給するのにも適用できるのは勿論である。

また、上記実施例では、自動車の燃料タンク１４に圧縮されたガスを充填する場合を一例として挙げたが、これに限らず、他の容器等に圧縮されたガスを供給する装置にも適用でき、あるいは単に圧縮されたガスを他の場所に給送するための管路途中に設置する構成の装置にも適用できるのは勿論である。

本発明になるガス充填装置の一実施例を示す概略構成図である。 制御部５８のメモリに格納された最大流速データベースを模式的に示す図である。 制御部５８が実行する充填処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ ガス充填装置
１４ 燃料タンク
１６ 圧力発生ユニット
１８ ディスペンサユニット
２４ ガス蓄圧器
２８ ガス供給管路
３０ 流量計
３２ 遮断弁
３４ 制御弁
３５ 温度測定用タンク
３６ 圧力センサ
３７ 温度センサ
４０ 三方弁
４４,４５ 接続カプラ
４８ カプラ掛けスイッチ
５０ 充填開始スイッチ釦
５２ 充填停止スイッチ釦
５６ 表示器
５８ 制御部
６０ 最大流速データベース

Claims (3)

1. 圧縮されたガスを供給するガス供給経路に流量計、制御弁、圧力検出器が配置され、前記流量計により計測された流量計測値及び前記圧力検出器によって検出された圧力計測値に基づいて前記制御弁の弁開度を制御して被ガス供給体にガスを充填するガス充填装置において、
   前記被ガス供給体に供給されるガスの充填流速を任意の値に設定するための設定手段と、
   前記設定手段により設定された充填流速に基づき、前記制御弁の弁開度を制御する流量制御手段と、
   を備えたことを特徴とするガス充填装置。
2. 前記設定手段は、
   前記被ガス供給体を特定するための特定手段と、
   前記被ガス供給体を特定するためのデータに対応させて当該被ガス供給体への充填流速を記憶する充填流速記憶手段と、
   前記特定手段により特定された前記被ガス供給体への充填流速を該充填流速記憶手段より読み出し、当該充填流速に設定する充填流速設定手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載のガス充填装置。
3. 圧縮されたガスを供給するガス供給経路に流量計、制御弁、圧力検出器が配置され、前記流量計により計測された流量計測値及び前記圧力検出器によって検出された圧力計測値に基づいて前記制御弁の弁開度を制御して被ガス供給体にガスを充填するガス充填装置において、
   前記ガス供給経路に設けられ、前記制御弁から吐出されたガスの一部を貯留する容器と、
   該容器の温度変化を計測する温度検出器と、
   該温度検出器により計測された温度が所定の温度以上に達した場合、前記制御弁の弁開度を制御して前記被ガス供給体に供給される流量を制限する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするガス充填装置。
   
   
   

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