JP2017137997A - 極低温タンク、及び極低温液体の貯蔵方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体水素を貯蔵するために使用される極低温タンクを提供する。【解決手段】極低温タンクは、更に、内側貯蔵容積内に複数のチャンバを備え、これらのチャンバは、チャンバのうちの少なくとも１つが、第１の壁の一部分によって画定されるように、第１の壁に沿って長手方向に配置されている。更に、極低温液体を貯蔵する方法に関する。前記方法は、複数のチャンバを備えた極低温タンクの内側に極低温液体を貯蔵することを含む。【選択図】なし

Description

本開示は、極低温液体の分野に含まれ、特に、燃料として使用される液体水素の貯蔵に関し、更に具体的には、前記液体水素を貯蔵するために使用される極低温タンクに関する。

本開示は、特に、タンクの内側貯蔵容積内に複数のチャンバを備えた極低温タンクであって、前記チャンバがタンクの内側表面に連結されている、極低温タンクに関する。更に、本開示は、極低温液体、特に、液体水素の貯蔵方法に関する。該方法は、複数のチャンバを備えた極低温タンクの内側に極低温液体を貯蔵することを含む。

極低温液体は、非常に低い温度で維持されるべきことが知られている。特に、液体水素は、水素の沸点である摂氏−２５２．８７度未満の温度に維持されなければならない。無人航空輸送体内で液体水素を燃料として使用するときに、熱並びに避けることができない操縦及び振動が、何らかのエネルギーを液体水素に伝達し得る。輸送体の耐久性を損なう可能性がある、水素の不必要な蒸発を避けるために、任意のエネルギーが液体水素に伝達されることは妨げられるように企図される。

無人航空輸送体内で液体水素が燃料として使用されるときに、液体水素の蒸発の速度が燃料としての水素の消費を上回るならば、燃料タンク内の過圧を避けるために、水素のこの余剰な蒸発は大気に放出されることが必要であり、したがって、放出された水素に含まれている使用可能なエネルギーを失うことになる。長い耐久飛行の間に、放出された水素の量は、無視できるものではなく、貯蔵されていた水素全体の１／３から１／２にまで達し得る。

液体水素へのエネルギーの伝達、及び、それに続く蒸発に貢献する、２つの主要な要因が存在する。すなわち、タンクそれ自体の熱の漏れによるエネルギー伝達、並びに乱流、輸送体の操縦及び振動の間におけるタンクの内側の液体の動きによるエネルギー伝達である。

熱の漏れによる蒸発は、タンクの熱の漏れを低減させるために、タンクの断熱性を改善することによって低減され得る。今日、この強力な断熱の目的は、できる限り液体水素に伝わる熱の量を少なくすること、したがって、液体から気体への相変化を避けることである。１以上の断熱バリアを有するジュワー瓶タイプ（Ｄｅｗａｒ ｔｙｐｅ ｖｅｓｓｅｌ）の構成が、概して、この目的のために使用される。通常、真空バリアが使用されるが、任意の他の高断熱材料も同様に使用され得る。

輸送体の操縦及び振動によるエネルギー伝達に関して述べると、極低温液体で満たされた極低温タンクは、任意の動きから影響を受け、全体の流体内の全体的な動き及び乱れをもたらす。このエネルギーは、液体から気体への相変化をもたらし、そのような気体が消費されないならば、極低温タンク内の過圧を避けるために、その気体を放出しなければならない。

したがって、熱の漏れ並びに操縦及び振動による、燃料としての水素の消費に関する水素の余剰な蒸発は、放出されなければならない。それは、蒸発した余剰な水素に含まれていた使用可能なエネルギーを失うことをもたらす。今日、液体水素にエネルギーを伝達する操縦及び振動による蒸発に取り組む解決策は存在しない。

本開示は、第１の壁内に内側貯蔵容積を有する極低温タンクを提供する。この極低温タンクは、複数のチャンバを備え、複数のチャンバは、内側貯蔵容積内にあり、チャンバのうちの少なくとも１つが、第１の壁の一部分によって画定されるようなやり方で、複数のチャンバが第１の壁に沿って長手方向に配置され、そのようなやり方でチャンバの水平な配置が提供される。

好適な実施形態によれば、極低温タンクのチャンバは、複数のチャンバが第１の壁に沿って周方向に配置されるようなやり方で配置される。

特定の実施形態によれば、第１の壁の一部分によって画定された極低温タンクのチャンバのうちの少なくとも１つが、第１の壁に連結される。

好適な実施形態によれば、複数のチャンバの各チャンバは、チャンバを極低温タンクの内側表面に連結させるために、チャンバの各壁に少なくとも１つの孔を備える。

好ましくは、チャンバの内側の極低温液体の動きを最小にするために、所与のタンクデザインに対して内部の圧力及び温度を操作するために、チャンバの高さが、極低温液体の液体気体インターフェーズ（ｌｉｑｕｉｄ−ｇａｓ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ）の平均厚さとほぼ等しい。極低温液体の液体気体インターフェーズは、極低温タンクの内部の圧力及び温度に応じる。

特定の実施形態によれば、チャンバは、内側貯蔵容積内で半径方向に延在し、好ましくは、これらのチャンバがハニカム構造体である。

更に、これらの壁によって占められる極低温タンクの内側の容積は、ほぼ無視することができる。何故ならば、前記壁は十分に薄いからである。

材料に関して、チャンバの壁は、極低温を取り扱うのに適した任意の材料から作られている。特に、それらは、金属から作られ、好適な実施形態では、アルミニウムから作られている。

異なる実施形態によれば、少なくとも断熱バリアが、熱の漏れを低減させるために第１の壁の周りに配置され、好適な実施形態によれば、極低温タンクが、第１の壁と第２の壁を備えた二重壁タンクである。好ましくは、タンクが、第１の壁と第２の壁との間に少なくとも断熱バリアを備え、それは、真空バリアであり得る。

更に、本開示は、極低温液体を貯蔵する方法を提供する。該方法は、複数のチャンバを備えた極低温タンクの内側に前記極低温液体を貯蔵することを含む。

好適な実施形態によれば、該方法は、チャンバの各壁の少なくとも１つの孔によって、チャンバを連結させることを含む。

前述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において個別に実現可能であるか、又は、以下の説明及び図面を参照して更なる詳細が理解され得る、更に別の実施形態において組み合わされ得る。

次に、本開示の理解を容易にするために、一連の図面を参照する一連の実施形態が、限定的ではなくむしろ例示的なやり方で以下に示される。

極低温タンクの例示的な一実施形態の内側の構成を示す切断断面を有する極低温タンクである。 図１の極低温タンクの実施形態の断面を示す。 図１及び図２の極低温タンクの実施形態で示されたチャンバの拡大図を示す。 図１、図２、及び図３の極低温タンクの実施形態の長手方向セクションを示す。 好適な実施形態によるチャンバの拡大図である。それは、特定のタンクデザインによる、チャンバの高さと液体気体インターフェーズとの間の関係性を示している。

本開示は、内側貯蔵容積１０２を備えた極低温タンク１００に言及する。極低温タンクでは、第１の壁１０４内に極低温液体が貯蔵される。更に、極低温タンク１００は、複数のチャンバ１０８を備える。複数のチャンバ１０８は、内側貯蔵容積１０２内にあり、チャンバ１０８のうちの少なくとも１つが第１の壁１０４の一部分によって画定されるやり方で、第１の壁１０４に沿って長手方向に配置される。この構成は、極低温タンク１００の内側にチャンバ１０８の水平な配置を提供し、それは、特定の数のこれらのチャンバ１０８が、極低温液体で満たされることを意味する。

この複数のチャンバ１０８は、極低温液体の任意の潜在的な動きを最小にし、特に、航空機の操縦、及び、例えば、乱流のような概して不安定な飛行状態の間に、極低温タンク１００の内側での燃料として使用される液体水素の動きを最小にする。したがって、この極低温タンク１００は、動き又は振動による液体水素へのエネルギー伝達を最小にし、したがって、この動きによる水素の望ましくない蒸発の量を最小にし、且つ、気体の水素の余剰な体積の放出を避け、この放出された燃料気体水素に含まれる使用可能なエネルギーの損失を避ける。したがって、有用な液体水素の量が多くなり、この複数のチャンバを有する極低温タンク１００の内側に含まれた使用可能なエネルギーが、従来の極低温タンクのエネルギーよりも大きくなる。

したがって、この実施形態は、移動する輸送体、特に、無人航空輸送体内の燃料としての液体水素の適用性を増加させる解決策を提示する。

本開示は、特に、燃料として使用される液体水素を貯蔵するための極低温タンクに対して行われるが、任意の他の極低温液体も、開示された極低温タンクの内側に貯蔵され得る。

図１〜図４を参照すると、第１の壁１０４内に内側貯蔵容積１０２を含む、極低温タンク１００の好適な実施形態が示されている。これらの図面で見られ得るように、極低温タンク１００は、内側貯蔵容積１０２内に、複数のチャンバ壁（１１０）によって画定された複数のチャンバ１０８を備え、チャンバ壁（１１０）は、内側貯蔵容積（１０２）の長さに沿って延在し、チャンバ（１０８）は、第１の壁（１０４）に沿って配置され、複数のチャンバ（１０８）のうちの少なくとも１つは、複数のチャンバ壁（１１０）と第１の壁（１０４）の一部分とによって画定される。図面で見られるように、複数のチャンバ１０８は、極低温タンク１００の内側にチャンバ１０８のマトリクスを形成し、したがって、単一の内側貯蔵容積１０２を多数のチャンバを有するものに変換し、それは、避けることができない航空機の操縦及び／又は層流ではない大気状態若しくは乱流内で飛行する航空機の自然発生的な振動の間に、移動する輸送体内の極低温タンク１００の内側の液体水素の動きを最小にし且つ滑らかにする。

好ましくは、図１〜図４で見られ得るように、第１の壁１０４の一部分によって画定された複数のチャンバ１０８のうちの少なくとも１つが、第１の壁１０４に沿って周方向に配置されている。

特定の実施形態によれば、第１の壁１０４の一部分によって画定された極低温タンク１００のチャンバ１０８のうちの少なくとも１つが、第１の壁１０４に連結されている。

例示的な一実施形態によれば、複数のチャンバ１０８の各チャンバ１０８は、チャンバ１０８の各チャンバ壁１１０に少なくとも１つの孔１１２を備え、したがって、液相（ＬＰ）と気相（ＧＰ）の水素が、全体の極低温タンク１００に流れ、したがって、この多数のチャンバを有する極低温タンク１００は、水素ガス消費及びタンクの燃料補給に関する実際的な目的のために、単一のチャンバタンクとして働く。図３は、実施形態の拡大図であり、それは、チャンバ１０８のチャンバ壁１１０の孔１１２を示している。

図５で示されるような本発明の好適な実施形態によれば、チャンバ１０８の内側の液体の動きを最小にするために、所与のタンクデザインに対して内部の圧力及び温度を操作するために、これらのチャンバ１０８の高さは、極低温タンク１００内に貯蔵された極低温液体の液体気体インターフェーズ（ＬＧ）の平均厚さとほぼ等しい。チャンバ１０８の高さは、極低温タンクの長さに垂直な距離として規定される。液体気体インターフェーズ（ＬＧ）は、液相（ＬＰ）の水素の一部分と気相（ＧＰ）の水素の一部分を備えた厚さを指す。極低温液体の液体気体インターフェーズ（ＬＧ）は、極低温タンクの内部の圧力及び温度に応じる。図５は、チャンバの高さが、極低温液体の液体気体インターフェーズ（ＬＧ）の平均厚さとほぼ等しい本実施形態を示している。

チャンバ１０８の各チャンバ壁１１０に少なくとも１つの孔１１２を備えた複数のチャンバ１０８は、したがって、例えば、２、３のチャンバ１０８のみの間の相互連通を可能にし、極低温液体の液体気体インターフェーズ（ＬＧ）を含むそれらのチャンバ１０８は、それらの内側での液体の重要な動きを可能にする。液相（ＬＰ）の水素で満たされているチャンバ１０８は、それらの内側の液体の動きをほとんど有さない。

液体水素へのエネルギー伝達を低減させること、したがって、使用されることなしに気相（ＧＰ）から大気中へ放出される水素を低減させることは、飛行に対して必要とされる、より軽いタンク及びより少ない液体水素をもたらし、望まれるならば、より長い飛行が可能になる。

この極低温タンクの別の１つの利点は、航空機のタンクの内側での液体、この場合は燃料の動きを妨げることが、配置されている流体の質量による質量不均衡を避けるために、常に望ましいということである。

好ましくは、孔１１２の直径が、１から２ｍｍであり、遅い液相（ＬＰ）循環及び自由な気相（ＧＰ）循環を可能にするが、チャンバ１０８間の大量の液体水素循環を可能にしないように十分小さい。更に、上述したように、極低温タンク１００の内側のチャンバ１０８の水平な配置は、チャンバ１０８の幾つかが液相（ＬＰ）の液体水素で満たされていることを可能にする。孔１１２の直径は、航空機の操縦、乱流、及び振動の間に、液相（ＬＰ）のみのチャンバ１０８の内側の水素が、チャンバ内で比較的動きがないようにされている。

図１〜図３で示されているように、特定の実施形態によれば、複数のチャンバ１０８が、内側貯蔵容積１０２内で半径方向に延在する。好ましくは、図３で見られ得るように、複数のチャンバ１０８が、ハニカムタイプの構造を形成するが、チャンバ１０８は、種々のパターンタイプ、例えば、四角形、矩形、三角形、又は菱形を有し得る。

好適な実施形態によれば、チャンバ１０８の長さは、図４で示されているように、内側貯蔵容積１０２の長さとほぼ等しいが、他の実施形態、例えば、内側貯蔵容積１０２の全ての長さをカバーするために、長手方向に共に接合されたチャンバ１０８の２つ又は３つの群を用いることが、可能である。

材料に関して、例示的な一実施形態を参照すると、チャンバ１０８のチャンバ壁１１０が、軽い金属、好ましくは、アルミニウムから作られた薄い層から作られており、それは、極低温に非常に適している。

更に、チャンバ壁１１０は、極低温タンク内のチャンバ壁によって占められる容積が、無視できるように薄くなっている。

更に、これらの軽い金属チャンバ壁１１０は、極低温液体と極低温液体によって占められていない極低温タンク１００内の空間との熱交換を行い、極低温タンク１００内のより均一な温度を可能にする。

異なる実施形態によれば、少なくとも断熱バリアが第１の壁１０４の周りに提供される。

例示的な一実施形態によれば、極低温タンク１００が、第１の壁１０４と前記第１の壁１０４を取り囲む第２の壁１０６とを備えた、二重壁タンクである。

特に、この二重壁極低温タンク１００は、ジュワー瓶タイプのタンクであり、それは、第１の壁１０４と第２の壁１０６との間に少なくとも断熱バリアを備え、それは、好ましくは、真空バリアであり得る。

更に、これらの実施形態は、何らのエネルギーも消費しない又は何らの制御策（ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ）も必要としない、受動的な（ｐａｓｓｉｖｅ）解決策である。

更に、本開示は、極低温液体を貯蔵する方法に関する。該方法は、複数のチャンバ１０８を備えた極低温タンク１００の内側に前記極低温液体を貯蔵することを含む。

本開示は、特に、燃料として使用される液体水素を貯蔵するための方法に対して行われたが、任意の他の極低温液体も、開示された方法によって貯蔵され得る。

好適な実施形態によれば、該方法は、複数のチャンバ１０８の各チャンバ壁１１０の少なくとも１つの孔によって、複数のチャンバ１０８のうちの幾つかのチャンバ１０８を連結させることを含む。

Claims (14)

1. 極低温タンクであって、
   前記極低温タンク内の内側貯蔵容積（１０２）、
   第１の壁（１０４）、及び
   前記内側貯蔵容積（１０２）内で複数のチャンバ壁（１１０）によって画定された複数のチャンバ（１０８）を備え、前記チャンバ壁（１１０）が、前記内側貯蔵容積（１０２）の長さに沿って延在し、前記チャンバ（１０８）が前記第１の壁（１０４）に沿って配置され、前記複数のチャンバ（１０８）のうちの少なくとも１つが、前記複数のチャンバ壁（１１０）と前記第１の壁（１０４）の一部分とによって画定される、極低温タンク。
2. 前記第１の壁（１０４）の一部分によって画定された前記複数のチャンバ（１０８）のうちの前記少なくとも１つが、前記第１の壁（１０４）に沿って周方向に配置されている、請求項１に記載の極低温タンク。
3. 前記複数のチャンバ（１０８）の各チャンバ（１０８）が、前記チャンバ（１０８）の各チャンバ壁（１１０）に、少なくとも１つの孔（１１２）を備える、請求項１又は２に記載の極低温タンク。
4. 前記第１の壁（１０４）の一部分によって画定された前記複数のチャンバ（１０８）のうちの前記少なくとも１つが、前記第１の壁（１０４）に連結されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の極低温タンク。
5. 前記チャンバ（１０８）の高さが、前記極低温タンク（１００）内に貯蔵されている極低温液体の液体気体インターフェーズ（ＬＧ）の平均厚さとほぼ等しい、請求項１から４のいずれか一項に記載の極低温タンク。
6. 前記複数のチャンバ（１０８）が、ハニカムタイプの構造体である、請求項１から５のいずれか一項に記載の極低温タンク。
7. 前記複数のチャンバ（１０８）が、四角形、矩形、三角形、又は菱形から選択された形状パターンを有するチャンバ（１０８）である、請求項１から５のいずれか一項に記載の極低温タンク。
8. 前記チャンバ（１０８）の前記チャンバ壁（１１０）が、金属から作られている、請求項１から７のいずれか一項に記載の極低温タンク。
9. 前記金属がアルミニウムである、請求項８に記載の極低温タンク。
10. 前記極低温タンク（１００）が、二重壁タンクであり、前記二重壁タンクが、
    前記第１の壁（１０４）、及び
    前記第１の壁（１０４）を取り囲む第２の壁（１０６）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の極低温タンク。
11. 前記極低温タンク（１００）が、前記第１の壁（１０４）と前記第２の壁（１０６）との間に、少なくとも断熱バリアを備える、請求項１０に記載の極低温タンク。
12. 前記第１の壁（１０４）と前記第２の壁（１０６）との間の前記断熱バリアが、真空バリアである、請求項１１に記載の極低温タンク。
13. 請求項１に記載の極低温タンクの内側に極低温液体を貯蔵することを含む、方法。
14. 前記複数のチャンバ（１０８）のうちの前記チャンバ（１０８）を、前記チャンバ（１０８）の各チャンバ壁（１１０）の少なくとも１つの孔（１１２）によって連結させることを含む、請求項１３に記載の方法。
    

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