JP7784005B2 - ブラダーを装備した車両用燃料貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、車両用燃料タンクに関する。より詳細には、本発明は、車両用燃料貯蔵システムに関する。

車両用燃料タンク内の貯蔵燃料は、主として外気温に左右される温度変化にさらされる。車両がどのような気候のもとにおかれるかによって燃料の温度は大きく変化する可能性があり、走行中にせよ、駐車中にせよ、車両が屋外にあればなおさらである。タンク内に貯蔵された燃料の温度上昇は、一定量の燃料の蒸発をもたらす。タンクは閉鎖された容積を画定するものであるため、燃料蒸気の発生は、タンク内の気相における圧力上昇をもたらす。燃料蒸気の高い圧力はタンク壁に機械的応力を生じさせ、圧力上昇がコントロールされずにいれば、それによってタンク壁を損傷させるか、そうでなくともタンク爆発のリスク要因となる可能性がある。

従来技術において、たとえば文献WO 2021/013940 A1などからは、燃料タンクの内部に膨張可能なブラダーを配置することが知られている。このブラダーは、燃料タンクから出た空気出入口管であって、ブラダーへの空気の供給とブラダーに含まれる空気の一部の排出とを交互に行うことができる空気出入口管に連結されている。そして、ブラダーは、タンク内の燃料蒸気の量の変動に応じて燃料蒸気が利用可能な容積を変化させるため、膨張することも、収縮することもできて、それによって燃料蒸気圧力の変化を抑えることができる。また、請求項1前段で車両用燃料貯蔵システムが開示されている文献DE 10 2018 203006 A1を指摘することもできる。

このブラダーシステムは、確かに燃料タンク内の圧力ピークに直面するリスクを下げることはできるものの、いくつかの問題を生じる。実際、燃料タンクの内部に広がるブラダーの体積は、燃料にとって利用することのできない容積をなすものであり、そのため、ブラダーの存在は、タンクの有効容量を制限することになる。たとえば、45リットルの燃料タンクの場合、有意な効果をもたらすためにはブラダーはおよそ20リットルの容積を有するものでなければならず、それによってタンクの有効容積はほぼ半減することになる。さらに、ブラダーの大ぶりな体積はタンク製造時の使用タンクへのブラダーの挿入作業を複雑にし、タンク製造のコストおよび時間の増大をもたらす。また、タンク内部におけるブラダーの存在は、タンク内の燃料レベルの計測を誤らせ得る偏りを生じるが、その偏りは、ブラダーがどのような形状をとるか、特にブラダーの膨張が部分的でしかないときの形状の不確定性に発する。

WO 2021/013940 A1 DE 10 2018 203006 A1

本発明は、タンク内における燃料蒸気圧力の上昇を抑え、従来技術のブラダーおよびその大きな体積によって生じている不都合を回避または緩和することによって、従来技術に認められる問題点を解決することを特に目的とする。

したがって、本発明は、
- 燃料タンクと、
- そのタンクの内部に広がる少なくとも1つの膨張可能なブラダーと、
- タンクの内部に広がる少なくとも1つの蓄熱器であって、18℃から40℃の融点をもつ相変化材料を含む蓄熱器と
を備える車両用燃料貯蔵システムを対象とする。

その少なくとも1つの蓄熱器は、特に燃料が相変化材料の融点に近い温度にあるときに熱を吸収することができる。実際、融解反応は吸熱反応であるため、融解反応では燃料の熱が消費される。そのため、その少なくとも1つの蓄熱器は、燃料の温度上昇を抑え、それによってタンク内における燃料蒸気の発生を抑えることができる。こうして燃料蒸気の発生が抑制されることにより、ブラダーを小さめの体積で設計することができ、ブラダーの体積にまつわる不都合、すなわち、タンクの有効容積の制約、燃料レベルの測定の不確かさ、およびタンク製造時のタンク内へのブラダー挿入の複雑さを減じることができる。このように、少なくとも1つの蓄熱器とブラダーによる複合的な効果は、少なくとも1つの蓄熱器とブラダーを個別に考えた場合に得られる効果を凌駕するものであることがわかる。

また、試験の結果、蓄熱器の使用は、小容積の燃料タンク内の燃料蒸気の圧力上昇を低減する場合に一段と効果を発揮し、他方、ブラダーは、大容量の燃料タンク内における燃料蒸気の圧力上昇を低減する場合に一段と効果を発揮することがわかった。この2つの技術を組み合わせることにより、タンクの容量にかかわらず、燃料蒸気の圧力上昇を低減するために一定の有効性が得られる。

本発明の第1の実施形態によれば、その少なくとも1つの蓄熱器は、タンクの底壁に固定される。

そのため、その少なくとも1つの蓄熱器は、タンクに燃料が含まれる限り燃料中に浸かっており、それによってその少なくとも1つの蓄熱器は、常に燃料と熱的に接触した状態を保つようにされる。

本発明の第2の実施形態によれば、その少なくとも1つの蓄熱器は、その少なくとも1つのブラダーに固定される。

すると、その少なくとも1つの蓄熱器によってブラダーの壁に荷重が加わる。それにより、ブラダーに空気が満たされたときにブラダーが容易に開くようになる。それは、車両の移動時にタンク内で燃料が動くときの燃料の波を壊すのにも役立つもので、その少なくとも1つの蓄熱器によって、いわゆる「アンチスロッシュ」、または波消しの機能がブラダーに対して与えられる。

本発明の第3の実施形態によれば、その少なくとも1つの蓄熱器は、タンク内の燃料に浮かぶように構成された浮遊体の形で製作される。

そこで、その少なくとも1つの蓄熱器は、フロートの形で製作される。そのため、蓄熱器をタンク内に固定するいかなる固定ステップも設ける必要がないことは明らかで、そのため、燃料貯蔵システムの製造が容易になる。さらに、その少なくとも1つの蓄熱器は、燃料と常に熱的に接触することになる。

有利には、燃料貯蔵システムは、複数の蓄熱器を備える。

そうすることで、蓄熱器による燃料の熱の吸収能力が高まる。また、蓄熱器はタンク内の様々な位置に配置することが可能であり、そのため、燃料と蓄熱器との間の熱交換を均質化させることができ、それによって燃料温度の均質化を得ることができる。そのことは、タンク内での燃料蒸気の発生の抑制にも寄与する。

好ましくは、蓄熱器は、タンク内の燃料に浮かぶように構成された支持プレートに固定される。好ましくは、支持プレートにはフロートが装備される。

プレートは、タンクの内部空間内に複数の蓄熱器を一定の全体構成で保つことができ、それによって、すべての蓄熱器がタンク内で局所的に集まることがないようにすることができる。つまり、プレートは、蓄熱器がタンクの容積内に適正に散らばるようにすることができる。

有利には、相変化材料は、20℃から30℃の融点をもつ。

そのため、融点は燃料が普通に到達する温度にあることになり、蓄熱器は、相変化材料の融解時に燃料の温度上昇を効果的に抑えることができる。

有利には、相変化材料は、塩化カルシウム六水和物(CaCl₂.6H₂O)、オクタデカン(C₁₈H₃₈)、シクロヘキサノール(C₆H₁₂O)、グリセリン誘導体のリストの中から選ばれる。

これらの材料は25℃に近い融点を有しており、そのために本発明に特に適したものとなる。

有利には、エネルギー貯蔵システムは複数の蓄熱器を備えており、蓄熱器は、タンクの底壁に固定され、かつ/または少なくとも1つのブラダーに固定され、かつ/またはタンク内の燃料に浮かぶように構成された浮遊体の形で製作される。

このように、3つの実施形態を組み合わせることによって蓄熱器をタンク内の様々な場所に配置することが可能で、そのため、本発明は様々な構成のタンクに適合させることができる。

本発明については、あくまでも例として添付の図面を参照しながら行う以下の説明を読むことによって、よりよい理解を得ることができよう。

本発明の第1の実施形態による車両用燃料貯蔵システムの概略図である。 本発明の第2の実施形態による車両用燃料貯蔵システムの概略図である。 本発明の第2の実施形態の変形形態による車両用燃料貯蔵システムの概略図である。 本発明の第3の実施形態による車両用燃料貯蔵システムの断面図である。 本発明の第3の実施形態の変形形態による車両用燃料貯蔵システムの断面図である。

図1に、本発明の第1の実施形態による車両用燃料貯蔵システム2を示した。

燃料貯蔵システム2は、一般にプラスチック材料で製作される燃料タンク4であって、車両によって、特にその推進のために使用される燃料を貯蔵するように構成された燃料タンク4を備える。タンク4は、タンク4内部の圧力や温度などの条件次第で変化する割合の液体または気体の形で燃料がその中に広がる内部容積を規定する。タンクは、タンクへの燃料の補給を可能にする補給管と、一定条件下での燃料蒸気の放出を可能にする通気管と、車両のエンジンへ燃料を導くことができる注入管とを一般に備える。これら3つの管路は、従来技術で広く知られているものであるため、図示しておらず、この先でこれ以上説明することもない。

燃料貯蔵システム2は、タンク4内部に広がる膨張可能なブラダー6を備える。ブラダー6は、塑性変形することなしに膨張および収縮が可能である弾性変形可能な壁を有する。そのため、燃料貯蔵システム2は、ブラダー6に連結される一方で、タンク4外に置かれた給気システム(図示せず)に連結された給気管8を備える。この給気管8があることにより、ブラダー6に空気を補給してブラダーがタンク4内で大きな体積を占めるようにすること、およびブラダー6内に含まれる空気の一部を放出してタンク4内でブラダー6が占める体積を小さくすることが交互に行える。

燃料貯蔵システム2は、タンク4内部に広がる少なくとも1つの蓄熱器10であって、燃料と熱交換を行うように構成された少なくとも1つの蓄熱器10を備える。図1では、燃料貯蔵システム2は蓄熱器10を1つ備えているが、システムには、複数の蓄熱器、たとえば2つまたはそれ以上の蓄熱器を装備することができる。

蓄熱器10は、相変化材料12を、その材料自体も燃料も透過できないコンテナの中に収容した状態で含み、そのコンテナによって燃料と蓄熱器10との間の物質交換が行われないようにされる。他方、蓄熱器10のコンテナは熱伝導性であり、燃料と相変化材料12との間の熱交換は行われるようにされる。相変化材料12は、18℃から40℃の融点をもつ。実施例として、相変化材料は、塩化カルシウム六水和物(CaCl₂.6H₂O)、オクタデカン(C₁₈H₃₈)、シクロヘキサノール(C₆H₁₂O)、グリセリン誘導体のリストの中から選ばれる。より好ましくは、相変化材料は20℃から30℃までの間、すなわち燃料温度の変動範囲に近い融点を有する。

この実施形態によれば、蓄熱器10は、タンク4の底壁14のタンク内側に固定される。

外気温が燃料の温度を上回るなどして燃料温度が上がると、燃料の一部が蒸発してタンク4内に燃料蒸気が発生する。タンク4はある閉鎖された容積を画定するものであり、燃料蒸気の発生はタンク内の気相における圧力上昇をもたらす。以下では、本発明による燃料貯蔵システム2がどのようにその圧力上昇を抑制することができるのかについて説明する。

一方で、ブラダー6は、タンク4内部の気相中の圧力の作用によって圧縮されている。ブラダー6の壁は変形可能であるため、その壁にかかる応力の平衡が確立され、その平衡状態によって、ブラダー6に含まれる空気の一部が給気管8を通して放出されることになる。すると、タンク4内に広がるブラダー6の体積が減り、燃料蒸気が占める体積が増えることによって、燃料蒸気の圧力が低下する。外気温が燃料の温度を下回るなどして燃料温度が下がると、燃料蒸気の一部が凝縮する。すると、タンク内の燃料蒸気の量が減り、燃料蒸気の圧力も下がる。ブラダーの壁にかかる応力の新たな平衡が確立され、その平衡状態が給気管8によるブラダー6への補給と、タンク4内に広がるブラダー6の体積の増大とをもたらす。

他方、蓄熱器10は、燃料の熱の一部を吸収することのできる熱容量を有している。蓄熱器10の温度が相変化材料12の融点に達すると、その材料12は融解を始める。融解反応は吸熱反応であるため、相変化材料12は、燃料の熱を吸収することによってその反応に熱を供給し、その結果として燃料の温度上昇を抑制することができる。別の言い方をすれば、燃料の温度上昇が抑制されることによって、タンク内の燃料蒸気の圧力上昇が抑制される。

図2に、本発明の第2の実施形態による車両用燃料貯蔵システム2を示した。この図では、先の図のものと同様の要素には同じ符号が与えられている。

図2の車両用燃料貯蔵システム2は、複数の蓄熱器10を備え、それらがすべてブラダー6の壁に固定されているところが図1のものとは異なっている。その構成は、ブラダーが空気で満たされる際のブラダーの展開を容易にするのに寄与するとともに、車両の移動時に燃料がタンク内で動くときの燃料の波を壊すのにも寄与するものであり、蓄熱器10によって、いわゆる「アンチスロッシュ」、または波消しの役割がブラダー6に与えられる形になる。

図3に、本発明の第2の実施形態の変形形態による車両用燃料貯蔵システム2を示した。この図では、先の各図のものと同様の要素には同じ符号が与えられている。

図3の車両用燃料貯蔵システム2は、ブラダー6の壁に固定されたものに加えて、タンクの底壁14に固定された少なくとも1つの蓄熱器10をさらに備えるところが図2のものとは異なっている。そのため、上に説明した蓄熱器が2つの位置にあることよってもたらされるテクニカルな効果を得る。

図4に、本発明の第3の実施形態による車両用燃料貯蔵システム2を示した。この図では、前述の図のものと同様の要素には同じ符号が与えられている。

図4の車両用燃料貯蔵システム2は、タンク4内の燃料に浮かぶように構成された浮遊体の形で製作された複数の蓄熱器10を備えるところが、前掲の各図のものとは異なる。蓄熱器10は、燃料と常に接するように、したがって効果的に燃料と熱交換を行えるようにすることができる。図面の見やすさに配慮して図4にはブラダーおよび給気管を示さなかったが、車両用燃料貯蔵システム2がブラダーおよび給気管を備えているのは上に説明したとおりである。

図5に、本発明の第3の実施形態の変形形態による車両用燃料貯蔵システム2を示した。この図では、前述の図のものと同様の要素には同じ符号が与えられている。

図5の車両用燃料貯蔵システム2は、蓄熱器がタンク4内の燃料に浮かぶように構成された支持プレート16に固定されるところが、図4のものとは異なる。支持プレート16は、蓄熱器10と燃料との間の良好な熱的接触を確保するだけでなく、蓄熱器10がタンク4内の一か所に集中せずにタンク4の容積内に適正に分散するようにすることができる。そうすることで、蓄熱器10から離れた部分の燃料がそれ以外の燃料部分よりも高温になって燃料蒸気の発生を招きかねない事態を防ぐことができる。図面の見やすさに配慮して図5にはブラダーおよび給気管を示さなかったが、車両用燃料貯蔵システム2がブラダーおよび給気管を備えているのは上に説明したとおりである。

本発明は、説明した実施形態だけに限定されるものではなく、当業者にはそれ以外の実施形態も明らかなものとして現れてこよう。とりわけ、上に示した実施形態および変形形態のそれぞれを組み合わせること、特に蓄熱器の様々な配置や構成を組み合わせることが可能である。

2 燃料貯蔵システム
4 タンク
6 ブラダー
8 給気管
10 蓄熱器
12 相変化材料
14 底壁
16 支持プレート

Claims (7)

1. - 燃料タンク(4)と、
   - 前記タンク(4)の内部に広がる少なくとも1つの膨張可能なブラダー(6)と
   を備える車両用燃料貯蔵システム(2)であって、
   前記タンク(4)の内部に広がる少なくとも1つの蓄熱器(10)であって、18℃から40℃の融点をもつ相変化材料(12)を含む蓄熱器(10)をさらに備え、
   前記少なくとも1つの蓄熱器(10)が、前記少なくとも1つのブラダー(6)に固定されていることを特徴とする、車両用燃料貯蔵システム(2)。
2. 前記タンク(4)の底壁(14)に固定された少なくとも1つの蓄熱器(10)をさらに備える、請求項1に記載の燃料貯蔵システム(2)。
3. 前記タンク(4)内の燃料に浮かぶように構成された浮遊体の形で製作された少なくとも1つの蓄熱器(10)をさらに備える、請求項1に記載の燃料貯蔵システム(2)。
4. 複数の蓄熱器(10)を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料貯蔵システム(2)。
5. 前記蓄熱器(10)が、前記タンク(4)内の燃料に浮かぶように構成された支持プレート(16)に固定されている、請求項3に記載の燃料貯蔵システム(2)。
6. 前記相変化材料(12)が20℃から30℃の融点をもつ、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料貯蔵システム(2)。
7. 前記相変化材料(12)が、塩化カルシウム六水和物(CaCl₂.6H₂O)、オクタデカン(C₁₈H₃₈)、シクロヘキサノール(C₆H₁₂O)、グリセリン誘導体のリストの中から選ばれる、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料貯蔵システム(2)。