JP6740211B2 - 複合圧力容器における極低温貯蔵用の蒸気冷却遮蔽ライナ - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条に基づいて、「Ｖａｐｏｒ Ｃｏｏｌｅｄ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｌｉｎｅｒ ｆｏｒ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ」という名称の、２０１４年８月４日に出願された米国特許仮出願第６２／０３３，０２８号の優先権利益を主張する。前述の出願の開示は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。

本明細書の実施形態は、流体寒剤用の貯蔵タンクの分野に関する。特に、本明細書の実施形態は、複合圧力容器に貯蔵される極低温流体水素などの寒剤の分野に関する。

水素などの極低温流体は、航空宇宙用途、海洋用途、および地上用途の望ましい乗物用燃料として知られている。多くの航空宇宙用途、および無人航空機用途において、水素の利点が問題点に勝ることから、使用動機が生じている。例えば、水素の有益な面には、従来の灯油よりも２．８倍高い化学燃料中最高の比エネルギー（Ｊ／ｋｇ）、迅速な流出分散、極めて環境に優しい燃焼、水からの生産容易性、および信頼性が高く高効率な固体燃料電池の電力システムがある。しかし、水素燃料の使用に伴う主な問題点は、貯蔵である。

水素の高比エネルギーを利用するために、関連するタンクは、軽量であって、理想的には、貯蔵された水素の重量のごく一部（かつ好ましくはシステム全体の重量の１０％−２５％程度）であることが好ましい。しかし、圧縮された気体水素を貯蔵する典型的なタンクの重量は、貯蔵された水素の重量の約１０倍から２０倍であり、高高度で長時間にわたる航空機用途として実用的ではない。さらに、液体水素で稼働する運行時間が長い乗物は、一般に、周囲の熱によって１週間から２週間未満で完全にボイルオフするのを防ぐために、十分に断熱されたタンクを必要とする。個別のタンクの予想される容量は、航空機の構成および大きさに応じて、流体水素が１ポンド未満から２０００ポンドの範囲であると考えられる。

タンクを断熱する方法は、固体を介する伝導、流体の伝導と対流、ならびに輻射の、数種の伝熱に対処する必要がある。効果的な高性能断熱方法の大半は、気体の伝熱のうちの伝導と対流とをほぼ排除するために、真空に依存している。固体伝導は、従来、伝導率に対して強度の高い構造支持体（例えば、ステンレス鋼、ガラス繊維、またはダクロン繊維）を用いて、断熱タンクを真空内で支持することによって低減される。それでもなお、このようなシステムは、熱膨張係数の不整合と、圧力変動とが誘発する膨張によるタンク断熱材の亀裂という固有の問題を有し、かつタンク壁からの過剰な水素透過による残留ガスを、真空ポンプにより継続的に除去するために構成された真空ジャケットを必要とする。さらに、タンクの外側の配管に外部の空気または水が凝結するのを防止するための燃料を加熱するために、重量の大きい熱交換器や電気ヒータが必要になることが多い。

このような問題にもかかわらず、この種の乗物に燃料を供給するために水素を使用することは、効率的かつ環境に配慮した解決策であることがわかっている。最も直接的な方法は、水素を直接圧縮して、従来の高圧容器に室温の気体を貯蔵することであるが、容量および性能の観点から、極低温水素に比べて、燃料密度に関して競争力があるとは言えない。液体水素は、通常は、球形のタンク構造に貯蔵されるが、タンク構造（例えば、球形タンク構造）の製造、および既存の無人航空機システム（ＵＡＳ）への組み込みが困難である。

よって、自動車、航空宇宙、および無人航空機システムなどの乗物に電力を供給するための水素燃料の貯蔵に関して、強固で軽量な極低温互換燃料タンクの新規な設計と、構造とに対する業界における需要があるが、これらに限定されない。本明細書の実施形態は、製造システムを水素の固有の特性と組み合わせて、燃料タンクに関連する機器を実質的に削減することによってこのような需要に対処し、最終的には、乗物にとって安全な本来の特徴を持ちながら、新規で効率的な、断熱の必要がなく、競争力があり、費用対効果の高い、極低温水素燃料タンクを提供する。

本明細書の例示的実施形態は、収容され得る流体の重量および体積に対して、極めて軽量で体積の小さい、極低温複合蒸気冷却貯蔵タンクに関することは言うまでもない。

よって、本出願の第１の側面は、極低温流体を収容するように構成された貯蔵容積と、それぞれが貯蔵容積を囲む１つ以上の流路として構成される１つ以上の通路と、を有してなり、１つ以上の流路は、結果としてここを通る極低温流体蒸気をまとめて受け、その結果、供給源から熱を吸収する複数の断熱蒸気層を提供する、流体を貯蔵する蒸気冷却極低温圧力容器ライナに関する。

よって、本出願の別の側面は、極低温流体を収容するように構成された貯蔵容積と、貯蔵容積を囲み、極低温流体の触媒蒸気を有効にするように構成される１つ以上の１次流路として構成された１次通路と、それぞれが貯蔵容積と１次通路とを囲む１つ以上の２次流路として構成される１つ以上の２次通路と、を有してなり、１つ以上の２次流路と組み合わされた１つ以上の１次流路が結果としてここを通る触媒蒸気をまとめて受け、その結果、供給源から熱を吸収する複数の断熱蒸気層を提供する、流体を貯蔵する蒸気冷却極低温圧力容器ライナに関する。

軽量極低温互換圧力容器の第１実施形態の概略断面図である。

図１Ａに示された軽量極低温互換圧力容器の拡大切り欠き断面図であり、本出願の新規な通路を強調している。

水素蒸気用の１次および２次流れ通路を図示するための、蒸気冷却遮蔽（Ｖａｐｏｒ Ｃｏｏｌｅｄ Ｓｈｉｅｌｄ、ＶＣＳ）タンクの例示的実施形態の概略断面図である。

水素蒸気用の別の１次および２次流れ通路を図示するための、蒸気冷却遮蔽（ＶＣＳ）タンクの実施形態の別の例の概略断面図である。

極低温における、理想気体の等圧熱容量と、平衡オルト水素留分と、を示す図である。

蒸気冷却遮蔽（ＶＣＳ）を行った場合の、２０Ｋから９０Ｋの間で測定された冷却能力の向上を示す図である。

本明細書における本発明の説明において、暗黙的もしくは明示的な了解があるか、または特に指定のない限り、単数形で記載されている語は、その複数の対応物を包含し、複数形で記載されている語は、その単数の対応物を包含するのは当然のことである。さらに、当然のことながら、本明細書に記載の任意の構成要素または実施形態、その構成要素について列挙された考えられ得る候補または代替物は、いずれも、暗黙的もしくは明示的な了解があるか、または特に指定のない限り、一般に、個別にまたは相互に組み合わせて用いられてもよい。なお、本明細書で用いられる「隣接する」という用語は、すぐ隣である必要はない。さらに、本明細書に示す図は、必ずしも正確な縮尺率ではなく、部品のいくつかは、単に本発明を明確にするために描かれているのも当然のことである。また、参照符号は、対応する要素、または類似の要素を示すために、異なる図の中で繰り返される場合がある。さらに、当然のことながら、このような候補または代替物を列挙したものは、いずれも、暗黙的もしくは明示的な了解があるか、または特に指定のない限り、単に例示的であって、限定的ではない。

また、本明細書と、特許請求の範囲とで用いられる、材料、成分、反応条件などの量を表す数は、特に指定のない限り、「約」という語で修飾されると考えるべきである。したがって、特にこれとは反対の指定がない限り、本明細書と、添付の特許請求の範囲とに記載される数値パラメータは、本明細書に提示する主題によって得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。少なくとも、かつ特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限する企図としてではなく、各数値パラメータは、少なくとも報告された有効数字の桁数と、通常の丸め手法の適用とを踏まえて解釈されるべきである。本明細書に提示される主題の広い範囲を示す数値範囲と、パラメータとは、近似値であるが、それにかかわらず、特定の例で示される数値は、可能な限り正確に報告される。しかし、いずれの数値も、それぞれの試験測定において見出される標準偏差から必然的に生じる、一定の誤差を本質的に含んでいる。

最近、極低温互換エポキシ系が、複合（タイプＩＩＩ、ＩＶ、およびＶ）貯蔵タンク用に開発されてきた。このようなエポキシ系（ジシクロペンタジエン系樹脂、Ｓｔｙｃａｓｔ、ＭａｓｔｅｒＢｏｎｄ Ｓｕｐｒｅｍｅ １０ＨＴＦ、ＨＹＳＯＬなどを含む）は、日常的な極低温熱サイクルに耐え、２Ｋもの低温での極低温貯蔵を実証している。さらに、このような樹脂は、金属またはポリマーのライナ（タイプＩＩＩおよびＩＶ）、ならびに発泡断熱材と互換性を持つように設計される。

しかし、前述の背景技術で説明したとおり、このようなシステムには、熱膨張係数の不整合、および圧力変動が誘発する膨張によるタンク断熱材の亀裂という固有の問題を有し、かつ、タンク壁を介した過剰な水素透過による残留ガスを、真空ポンプにより継続的に除去するように構成された真空ジャケットを必要とする。さらに、燃料を２０Ｋから大気温度まで加熱して、燃料配管における凝結、または構成されたナフィオン膜の凍結を防止するために、重量の大きい熱交換器と、電気ヒータとが必要になることが多い。

本明細書で開示する例示的実施形態は、発泡断熱材の亀裂と、真空ジャケットの透過と、過度な熱交換器の重量などの問題を、蒸気冷却遮蔽（ＶＣＳ）の概念の有益で新規な利用によって、前述のような悪影響を緩和して解決する、軽量圧力容器に関する。一般に、本明細書で開示する例示的実施形態は、ＶＣＳ極低温燃料ボイルオフ蒸気を有益に活用して、構成された支持構造に沿って温度勾配を最小にし、システムの熱負荷を小さくする、新規な圧力容器設計を使用する。

また、留意すべきは、本明細書で開示する設計の利益を享受できる例示的システムは、自動車（乗用車、軽トラックまたは大型トラック、オートバイ、キャンピングカーなど）、フォークリフト、船、または航空宇宙、および無人航空機システムなどの輸送システム、あるいは本出願の範囲から逸脱することなく、このような圧力容器を使用できる別の燃料使用乗物を含む。また、本明細書で開示する実施形態の設計は、先に列挙したこのような乗物の動作時間を最大にするようにさらに構成されることは当然である。本明細書の実施形態はまた、このような乗物の機体の中、または燃料タンクの内部に収容された、モータと、ポンプと、電子機器と、を保護することができる。また、本明細書で開示するように液体水素（ＬＨ_２）は好ましい燃料である。水素は、極低温圧縮流体または蒸気を含む他の形態で供給され、かつ極低温貯蔵材料に吸収されてもよい。あるいは、本出願の項目全体を通して説明および開示するように、新規な複合ＶＣＳタンク設計に結合されたとき、極低温貯蔵に適する他の燃料が使用されてもよいことにも留意すべきである。

したがって、新規な通路設計を有する蒸気冷却遮蔽は、本明細書で開示する、（複数の）軽量複合極低温圧力容器を使用可能とし、このような容器は、乗物の燃料の貯蔵用途、および動力供給用途の、液体水素（ＬＨ_２）に限定されない極低温液体などの流体を貯蔵することができる。利点の一部として、本明細書における圧力容器は、燃料に応じて変化し得る極低温で、極低温流体（例えば、液体水素「ＬＨ_２」）を貯蔵し、およそ周囲温度にまで燃料を分配できるように設計される。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、一般に符号１００で参照される、本明細書で開示される軽量の蒸気冷却複合極低温圧力容器１００の第１例示的実施形態の長手方向の断面図を示す。このような円筒形の圧力容器は、中心軸線１に沿って構成されることが多いが、必ずしもそうでなくてもよい。入口８と、出口９と、上部および下部の端部キャップ３と、外壁ライナ１４と、複数の通路１８，２０と、複数の通路の間に構成された端部キャップ開口１９（例示的なスロットとして示す）とが、個別の通路間の水素の流れ連通を可能にする。これらの通路は、適切に離間され、連続層の断熱材を組み込んでもよい。一般に、通路入口１１に入るボイルオフ蒸気／流体ＬＨ_２は、第１の通路１８で受けられ、端部キャップ開口１９に通され、１つ以上の第２の通路（例えば、２０）に通されて再循環され、最終的には、出口９から外に出されることにより、後に開示するとおり、システムに動力を供給するための燃料を導く。

蒸気冷却複合極低温圧力容器１００は、中心軸線１に沿って、細長い構成（例えば、１：１から５：１以上まで変化する長さ対外径のアスペクト比）を有し、キャップされた両端部３を伴うことが多いが、必ずしもそうでなくてもよい。このような端部は、図１Ａでは平坦であるように開示されているが、本出願の範囲から逸脱することなく、圧力容器設計の典型である他の端部構造（すなわち、曲線的形状、半球形など）が使用されてもよい。さらに、極低温圧力容器１００は、図１Ａに示されるように、設計上円筒形であるように示されているが、圧力容器１００が組み込まれるように設計された乗物／装置の設計的制約に応じて、半球形、正方形、長方形、球形、曲線的形状、不規則な形状など、他の幾何学的構成が使用されてもよい。

図１Ａに示されるように、蒸気冷却複合極低温圧力容器１００は、いくつかの一体型ダクト（流路）で構成された複数の通路１８，２０を備え、このような通路１８，２０をその間に囲む外壁ライナ１４で、貯蔵容積１２を取り囲んでいる。貯蔵容積１２の中への極低温燃料のための道程は、前述の入口ポート８を経由し、ボイルオフなどの燃料の出口は、複数の通路１８，２０と、外壁ライナ１４とに直接結合している出口ポート９を介する。

外壁ライナ１４と、その間に形成された通路（断熱層）１８，２０とは、望ましい動作温度にさらされたとき、燃料貯蔵圧力と、液体水素のボイルオフから誘発される圧力とに耐えられる軽量剛体構造を備える材料で構成される。圧力容器の分野では当然のことだが、特に乗物の機構、例えば、これに限定されないが、自動車、宇宙船、そして多くの場合、無人航空機システム（ＵＡＳ）にとって、重量は非常に重要である。そのため、本出願に関しては、外壁ライナ１４と通路１８，２０とは、燃料貯蔵容積１２の中からの高圧と、１つ以上の通路１８，２０の中からのボイルオフ蒸気とに耐えるように、材料、好ましくは高い強度対重量比を有する複合材料で容器１００を構成することによって、そのような軽量剛体構造を備えるように設計される。

このことを踏まえて、本明細書で開示される容器１００は、当業者に知られている製造方法を用いて、軽量複合材料から組み立てられることが望ましい。極低温圧力容器１００は、結果として得られる高い強度対重量比で大幅な軽量化を達成するために、ポリマーなどの軽量非金属材料で形成するのが好ましい。例示的なポリマー材料として、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド（カプトン）、その他のポリマーが挙げられるが、厳密にこれに限定されない。また、構成によっては、熱可塑性、または熱硬化性プラスチックに、繊維（例えば、ポリエステル、ガラス、炭素）を導入してプラスチック複合材を生成し、軽量化し、同時に腐食、疲労、および破滅的不具合に対する耐性を備えるようにしてもよい。２種以上の異なる材料を選択して組み合わせた設計により、例えば、これに限定されないが、前述の高い強度対重量比特性などの、単独ではいかなる成分でも達成できない特性を有する材料が結果として得られる。そのため、特に、複合材料に関しては、このような材料が望ましいことがよくある。例えば、これに限定されないが、金属間化合物、セラミック、当業者に知られている他のプラスチック、またはさらに金属などの他の材料もまた、このような複合構造（例えば、ポリマーとセラミック、ポリマーと金属、金属とセラミック）を備えるために組み込むことができる。そのため、特定用途の設計的制約に応じて、本明細書で開示される極低温圧力容器１００の形成に使用するのに適した、高い剛性と強度特性が達成される。

図１Ａに示される、例示的蒸気冷却複合極低温圧力容器１００を、様々な材料を同時に印刷できる、３Ｄプリンタ（例えば、ＣｏｎｎｅｘまたはｕＰｒｉｎｔ３Ｄプリンタ）で製造することができることがわかっている。３Ｄプリンタにコンピュータインターフェースを用いて、望みの物体（すなわち、複合圧力容器１００）の最終的な形状がコンピュータまたはオペレータによって指定できる。そのため、３Ｄプリンタは本明細書の容器１００にとって有益である。このような３Ｄプリンタを用いることのさらなる利点は、その結果組み立てられた複合圧力容器１００の物体が一貫性を持つことである。その物体は、組み込まれたプリンタが使用する出力材料、例えば、ポリマー、プラスチック、複合材などで構成されるからである。場合によっては、２つ以上の複合材が使用されてもよい。

図１Ａに示される例示的蒸気冷却複合極低温圧力容器１００の作成には、３Ｄプリンタが用いられているが、本出願の開示されている構造の作成に、他の技術をさらに用いてもよいことは当然である。例えば、他の技術は、ブロック共重合体化学と、高速試作と、レーザ焼結と、干渉リソグラフィと、フォトリソグラフィと、光造形法と、自己伝播ポリマー導波路と、を含んでもよい。また、本明細書で開示する極低温圧力容器１００を作成するための他の製造処理技術は、やはりこれに限定されないが、射出成形、熱成形、その他の当業者に知られている適切な工程を含む。

当業者に知られているように、ＬＨ_２の極低温貯蔵は、望ましくない量のボイルオフなどの悪影響を防止しながら、全体的な極低温貯蔵機構を提供する断熱技術／断熱構成を必要とする。特に、図１Ａに示される容器１００の新規な設計に関しては、熱の進入（すなわち、伝導、対流、または輻射の伝熱）は、それぞれが所定の数の一体型ダクト（流路）を有する、２個から約４０個まで、大抵は２個から約８個までの望ましい最適な数に構成された通路１８，２０を介して、予め設計した方法で最小化される。各通路は、結果的に断熱層（断熱容積）となる。ダクトは、ダクト間またはダクトと貯蔵容積１２との間に連続した断熱層を形成するために、適切に離間または積層されてもよい。本明細書に詳述するように、一体型ダクトの設計に関しては、各規定のダクトは約０．０２ｃｍと約１ｃｍ超の壁の厚さで組み立て、ＬＨ_２の蒸気を流し、あるいは／または所定の既知の方法で一形態のＬＨ_２と反応する触媒材料を保持する。

なお当然のことだが、層の数は、用途に応じて（例えば、容器１００が、都市部の乗用車に使用されるのとは対照的に、砂漠の太陽にさらされる無人航空機システムに使用される場合）、変更して設計される。この実施形態では、容器１００の通路１８，２０からの伝導熱損失の方が、より多くの数の断熱層（すなわち、通路１８，２０）による輻射熱流束の減少よりも大きい。また、外壁ライナ１４（例えば、ポリマー）の約０．０６ｃｍから約０．６ｃｍまでの厚さと、約０．０２ｃｍから約１ｃｍまでの（複数の）通路１８，２０のダクトの厚さとは、必要に応じて貯蔵容積を最大にするように薄くするような関係で構成されるだけでなく、相互に関連する所定の厚さで構成される。特に、このような相互に関連する所定の厚さは、得られる断熱構成が最大の内圧と曲げ力とに耐えるような、望ましい機械的支持を持つことを可能とし、その一方でまた、容器１００の外側部分の周囲から燃料貯蔵容積１２への設計された伝熱をもたらす。この構造内では、全ての層は、必ずしも均一の厚さや、同一の材料でなくてもよいことも当然のことである。

図１Ｂは、蒸気冷却複合極低温圧力容器１００の一部の断面図（図１Ａに二重矢印で表示されている）を示し、通路１８，２０の新規な構造的特徴に対する三次元的洞察を提供する。図１Ｂは、特に、外壁ライナ１４内に取り囲まれて配置された燃料貯蔵容積１２を示し、図１Ａに示される通路１８，２０は、図２Ａにも詳しく示されるように、その結果形成された複数のダクト３２，３３，３５を構成している。前述のように、組み立てられた壁支持部２７に加えて、ダクト３２，３３，３５は、所与の用途において、容器１００の設計的制約に応じて、約０．０２ｃｍから約１ｃｍまでの設計厚みを有する。このような壁支持部２７と、関連するダクトとは、燃料貯蔵容積１２の所定の加熱を可能にするように、周囲または所定の熱源からの伝熱経路を提供する。形成された例示的ダクト３２，３３，３５はこのような形状で示されているが、当然のことながら、この形状は、圧力容器１００の全体的な設計の全体的な形状（例えば、円筒形などでなく長方形の場合）に応じて、または、形成されたダクトの範囲内にある通路１８，２０が、水素蒸気／ガスの移送用の複数の繊維状の導管などに制限されるが、代わりに異なる構造を備えている場合、この形状を変えることができる。よって、他の形状は、球形、長方形、正方形、丸みを帯びた形状、半球形などを含む。

図１Ａから始まる図に戻る。以降の考察は、本明細書で開示される蒸気冷却複合極低温圧力容器１００のより詳細な作動方法の一例を説明するために行われるが、限定を意図するものではない。動作時に、圧力容器１００は、燃料貯蔵容積１２（すなわちタンク）として構成され、乗用車、軽トラックまたは大型トラック、オートバイ、キャンピングカー、船、航空宇宙、および／または、無人航空乗物システムなどの乗物に連結されるがこれに限定されない。極低温圧力容器１００から取り出された燃料は、燃料電池に動力を供給することが多い。燃料電池は、酸化剤である空気と反応し、空気が大気である場合、連続的な動作が可能になる。さらに、ＬＨ_２を流体として燃料貯蔵容積１２に貯蔵することで、ＬＨ_２貯蔵容積は、気体貯蔵容積に対して小さくなり、よって、極低温圧力容器１００を十分に小さくすることができるが、必要であれば、先に列挙した乗物システムのいずれかに電力を供給するように連結されるとき、妥当な構成に適合するように十分に大きくすることもできる。

例えば、システム全体（不図示）の燃料電池にＬＨ_２を供給するため、熱は、圧力容器１００内で生成されるが、熱源から圧力容器１００に供給されることのほうが多い。多くの場合、熱源は、本明細書で開示される作動実施形態で緩和できる任意の周囲熱源や、当業者によって使用されている、例えば、電気発熱体などの知られている熱源であるが、必ずしもそうとは限らない。よって、この特定の熱源は、燃料貯蔵容積１２に収容されたＬＨ_２の沸騰速度を、流束の動作速度で圧力容器１００に気体水素（Ｈ_２）を供給するのに適した１つ以上の所望の沸騰速度まで有益に増加させるように、構成または所望される。特に、圧力容器１００は、発電仕様に適した沸騰速度に関する速度、および／またはこれによって決定される速度で、連結された燃料電池にＨ_２を供給するように構成される。本明細書で開示される圧力容器１００は、新規な構造を提供する。開示されている蒸気冷却に連結されたとき、本明細書で開示される態様は、圧力容器１００に貯蔵されているＬＨ_２への所望の熱輸送によって、そのような発電仕様をもたらすことができるように、所望の断熱と、得られる圧力容器１００の伝導特性と、を確保することができる。

本明細書の実施形態の一般的な概念を示すために、図１Ａに示されるように、ＬＨ_２は、当業者には一般的な方法で入口８から供給され、本明細書に一般的に記載するように貯蔵容積１２に保持される。周囲（例えば、ヒータ）から、圧力容器１００と壁１４と通路１８，２０とを通ってタンクの極低温の内部に至る伝導を介して、ＬＨ_２が熱を受けると、いくらか温度が上昇した状態でタンクの極低温の内部に収容された液体水素ＬＨ_２は、蒸発すなわち「ボイルオフ」を引き起こし、容器の圧力が上昇する。すなわち、収容されたＬＨ_２は、圧力容器１００を備えたシステムの設計によって、所与の乗物用途に、流束の動作速度で気体水素を生成するのに望ましい、設計された沸騰速度で沸騰する。より詳細には、圧力は、所定の水準まで増加するように設計され、水素蒸気は、システム全体（不図示）に一体化された燃料電池で受けられるように、出口９を介して排気することができる。

しかし、問題は、典型的には、極低温貯蔵燃料システムが過剰な熱の進入を受けてＬＨ_２が層状化し、その結果、圧力が望ましくない水準まで上昇して、有害なボイルオフ率が生じることである。図１Ａに一般的に示される例示的実施形態は、得られた水素蒸気の冷却能力を高めるために、蒸気冷却遮蔽（Ｖａｐｏｒ Ｃｏｏｌｅｄ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ、ＶＣＳ）と呼ばれる工程を利用して、圧力容器１００を新規な方法で組み立てることによって、この問題を解決する。特に、オルト水素およびパラ水素と呼ばれる水素の核スピンアイソトポマーの操作を介して、水素蒸気の冷却能力を高め、これを蒸気遮蔽として用いることが可能である。しかし、量子力学により、パラ水素は、偶数の回転エネルギーレベルに留まり、触媒なしでは、オルト水素の奇数の回転エネルギーレベルにアクセスできない。

よって、オルト水素の奇数の回転エネルギーレベルの利用に関するさらなる洞察を後述において提供する。具体的には、本明細書の圧力容器１００は、２個から約４０個まで、大抵は２個から約８個までのいくつかの通路１８，２０からなり、前述のように、これらは本質的には、その間にいくつかのダクトを形成する。したがって、いくつかの規定のダクト（流路）、例えば３２，３３は、最初は触媒材料、例えば、これに限定されないが、常磁性材料（例えば、Ｆｅ（ＯＨ）_３、またはＣｒＯ_３）で構成され、これは例えば、必ずしも必要ではないが、通路１８，２０の内壁の表面の被覆として構成されてもよく、または別の限定を意図しない例として、特定の通路１８，２０内に配置された発泡性材料で具体化される、例えば、前述の粒状常磁性材料（例えば、酸化鉄）などの、パラからオルトに転換する触媒（例えば、細粒化されたパラからオルトに転換する触媒）の混合物として提供されてもよい。本明細書で開示される通路１８，２０内において、同様に本明細書で使用できる他の触媒材料は、活性炭、白金石綿、希土類金属、ウラン化合物、所定のニッケル化合物、または軽量エアロゲルで実現されたパラからオルトに転換する触媒を含む。

この構成をより詳細に示すために、全体が符号２００で示される図２Ａ（図１Ａと図１Ｂとから取った断面図）と、全体が符号２００´で示される図２Ｂとが、例示的な可能性として示されるが、それだけではなく、圧力容器１００の通路設計の実施形態が示される。これらの図は、図１Ａと組み合わせてまとめて使用され、例示的な蒸気冷却の概念の働きと、本出願の実施形態とを説明する。特に、図２Ａと図２Ｂとは、液体水素および／または気体水素（泡状の球を伴う破線で示されている）を移送できる流路を提供する、複数の形成されたダクト（例えば、図２Ａでは３２，３３，３５、および図２Ｂでは４２，４３，４５，４７）を詳細に示している。

したがって、約２０ケルビン温度からおおよそ大気温度までの範囲の、周囲の外部環境からの熱、または、設けられた従来の部品から生成された熱は、外壁１４（図１Ａ参照）に入る。熱は、外壁１４と固形材料とを経て壁支持部２７に沿って伝導する（図１Ｂと図２Ｂとに、例として実線の矢印で示された経路３９）だけでなく、全ての材料を経て（すなわち、これも図１Ｂと図２Ｂとに、破線矢印３９´で示されるように、固体の容器１００の材料に加えて、ダクトを含む材料を経て）、最も温かい領域から、最も冷たい領域へと伝導し、最終的には、貯蔵された液体水素（ＬＨ_２）２９の加熱を開始する。特定の所望の熱レベルで、貯蔵容積１２では、（前述した）タンクの極低温内部で、液体水素（ＬＨ_２）２９のボイルオフが始まる。温度の進入による所定の圧力における、蒸発すなわち「ボイルオフ」により結果として得られた液体／流体／気体水素は、通路入口１１から導かれ、その後、図２Ａに示される形成されたダクト３２，３３の第１通路１８（図１Ａの実線矢印１８´を参照）、および図２Ｂに示される４２（流体、気体、および／または液体水素を示す、ダクト内の破線と泡状の球）に沿った経路に沿って流れる。

前述のとおり、形成されたダクト３２，３３，４２は、本明細書では単に理解を簡単にするために、しばしば１次通路とみなされるが、先に列挙したパラからオルトに転換する触媒（不図示）に組み込まれるように使用されることが多い。よって、主にパラ水素からなる流体／気体／液体水素は、形成されたダクト３２，３３，４２の１次通路に入ると、パラ水素からオルト水素に転換する触媒材料に接触して、パラ水素から気体オルト水素に転換される。このパラからオルトに転換された気体水素は、次に、図１Ａに示される、圧力容器１の下部の端部キャップ３の領域に導かれ、１次通路１８によって、結合領域２１の中に入って拡張することが可能になり、その結果、下部の端部キャップ３の領域に構成された端部キャップ開口１９を通って導かれる。その後、転換された気体オルト水素は、図１Ａに破線矢印２０´で示されるように（また、図２Ａに参照符号３５で、また図２Ｂに参照符号４３，４５，４７で示されるように）、１つ以上の２次通路とみなされる通路に沿って導かれる。これらの通路は、頻度は高くないが、触媒材料（不図示）で構成されてもよい。前述のとおり、このような追加された２次通路は、本明細書の圧力容器１００の設計に対して、さらなる断熱、強度などを与える。その後、気体水素燃料は、図１Ａに示される出口９に導かれ、例えば、本明細書で開示されている例示的なシステム／装置のうちの１つで受けられる。

いずれにせよ、それぞれの通路１８，２０と組み合わせられ、かつ一体化された、例えば、図２Ａの３２，３３，３５，ならびに図２Ｂの４２，４３，４５，４７などの、複数の一体形成されたダクトは、本質的に、多層断熱構造を提供する。層すなわち通路１８，２０の数が増加すると、断熱性能も向上する。よって、貯蔵容積１２内のＬＨ_２への熱負荷は、所望の形成されたダクト３２，３３，４２，４３，４５，４７に埋め込まれた、パラ水素からオルト水素に転換する触媒粒子によって誘発されるパラ水素からオルト水素への転換による吸熱反応によって保護される。パラ水素からオルト水素へのこの転換と、水素の核スピンアイソトポマーの操作とは、ダクト内に遮蔽蒸気を生じさせ、断熱層、すなわち本明細書で開示する、蒸気冷却遮蔽（ＶＣＳ）とみなされる層を提供する。具体的には、所望の数の通路１８，２０と、ダクトの厚さと数とによって提供される所与の厚さのＶＣＳと、を設けることによって、図２Ａと図２Ｂとに示されるように、経路３９に沿って貯蔵容積１２に所望の熱流を供給するために、圧力容器の伝熱率の整合性が維持される。さらに、このような構成は、本質的に、水素蒸気の冷却能力を高めて、断熱性能を全体的に向上させる。なお、触媒材料をここに組み入れて蒸気冷却遮蔽を提供することができるが、本発明は、貯蔵容積１２内で極低温流体を用いるとき、触媒材料なしで利用することができる。このような状況では、熱の進入による貯蔵容積内のボイルオフ蒸気は、通路に具体化された複数のダクトの中で再循環され、結果として一体型ダクト内に入った蒸気が、タンクの断熱を提供する。

ここで図３Ａと図３Ｂとを参照すると、これらの図は、パラ水素とオルト水素との混合物の等圧熱容量を示すために用いられる。具体的には、図３Ａは、理想気体の等圧熱容量と、極低温における平衡オルト水素留分と、を示し、図２Ｂは、蒸気冷却遮蔽（ＶＣＳ）を行った場合の、２０Ｋから９０Ｋまでの間で測定された冷却能力の向上を示す。よって、これらの図は、パラ水素とオルト水素との混合物の等圧熱容量を示し、各組成の冷却能力は、各曲線の下の面積の積分値である。パラ水素からオルト水素への転換のエンタルピーは、７００ｋＪ／ｋｇであり、実質的に、通常の沸点における蒸発の潜熱４２０ｋＪ／ｋｇよりも高い。水素が加熱中に触媒にさらされると、吸熱反応が有効になり、「平衡」熱容量曲線をたどって、２０Ｋから９０Ｋまでの間での冷却能力が理論的に５０％向上する。

本明細書の設計に含まれる他の例示的実施形態には、発泡断熱材と、１つ以上のスロッシュバッフルと、圧力容器全体の上包、しばしば強化布被覆とを備える。よって、発泡断熱材に関しては、ここで用いられる発泡体は、この材料が真空を必要としないため有益である。さらに、発泡体を使用は、通常は、その低密度により、伝熱に対する障壁として機能する。よって、図２Ａと図２Ｂとに戻ると、発泡断熱材は、例えば、本明細書で用いられる３Ｄ印刷法によって提供され、例えば、１ｃｍから約７．５ｃｍまでの厚さを有する、図２Ａの貯蔵容積の壁の内側（不図示）に結合されるか、または図２Ｂに示されるように、構成されたダクト４０，４１（斜め破線と実線とで示される）内に埋め込まれてもよい。例示的発泡断熱材は、発泡スチロール、ポリウレタン発泡体、ポリアミド発泡体、および発泡ガラスを含む。

図２Ａと図２Ｂとに示される１つ以上のスロッシュバッフル５０に関しては、ボイルオフ、この場合は望ましくないボイルオフの別の原因は、スロッシング、すなわち液体の運動エネルギーと衝撃エネルギーとの一部を変化させる、加速と減速とによって生じる容器内の液体の動きであることが知られている。本用途に関しては、スロッシングは、例えば、都市部の運転環境にある乗物に対して、および無人航空機システム（ＵＡＳ）での大量の液状流体の輸送に対して、問題となる場合がある。特に、無人航空機システムに関しては、図１Ａに示される容器１００内における運行中のスロッシングの動きが、乗物の安定性と制御とに影響を及ぼすため、スロッシングはさらに問題となる。したがって、本明細書の圧力容器は、スロッシングから生じる渦を低減し、供給されたＬＨ_２内の気体が閉じ込められるのを防止するために、スロッシング抑制発泡体（不図示）、または図２Ａと図２Ｂとに示される、１つ以上のスロッシュバッフル５０から構成されてもよい。１つ以上のバッフル５０は、本用途で使用可能な任意の形状（例えば、円錐形）にすることができ、例えば、少なくとも１つの側壁に隣接して取り付けられ、配置された液状極低温流体を収容している内部の空洞内に延びている。

図２Ａと図２Ｂとに示される、上包、例えば、炭素／ガラスその他の繊維の上包３８に関しては、当業者に知られているように、上包３８は、安全機能であることが多いが、同時に、本明細書に開示されているように、内部容器１００の完全性を提供する。上包は、図２Ａと図２Ｂとに示されるように、外壁１４に接触して、これを取り囲む。なお、上包は、全体を取り囲むことができるが、設計的制約に基づいて、上包は部分的であってもよく、あるいは全く必要とされない場合もあることは当然のことである。一例として、上包３８などの上包の構成材料は、冷却されると収縮するように、ガラスなどの非炭素繊維を含むことによって、正の熱膨張係数を有する複合材料であることが多いが、必ずしもそうである必要はない。このような上包３８は、負の熱膨張係数を有する炭素繊維を含むことによって、負の熱膨張係数を有する複合材で構成された、内部部材を有してもよいことが多く、その結果、内部部材は望ましい高強度対重量比を有する。また、炭素繊維以外の他の材料が用いられてもよい。

軽量の蒸気冷却複合極低温圧力容器１００の利点についての考察に戻ると、極低温燃料と周囲との間の全体的な温度差は、ＶＣＳと同一のままである。伝熱率が、極低温状態において温度と深く関連するため、熱伝導抵抗は、実質的に異なる場合があるのも当然のことである。例えば、多くのポリマー、特にナイロンの伝熱率は、１０Ｋから１００Ｋまでの間で、ほぼ１桁分減少する。よって、全体の伝熱は、ＶＣＳを介したタンク壁の温度によって直接低減されるので、本明細書のタンク設計に使用されるポリマーは、動作温度における伝導率の範囲について、戦略的に選択することができる。

したがって、本明細書の構成および機構を使用するこの実施形態は、タンク壁温度を低下させ、壁材料（例えば、ポリマー）の伝導率を維持するように設計される。前述の繰り返しになるが、本明細書で使用される構成と機構とは、（一体型ダクト（流路）を含むように）所望の数の通路と所与の厚さのＶＣＳとを提供すること、ＶＣＳ材料の伝熱率を小さくすること、水素蒸気の冷却能力を高めること、を含む。後者の２つの機構は、質量を最小にすることに集中し、最低限の数の通路と、ＶＣＳに必要な厚さと、を制御する。

本明細書の様々な実施形態に関して述べた特徴は、本発明の趣旨と範囲とから逸脱することなく、任意の組合せで組み合わされてもよいことは当然のことである。様々な選択された実施形態が、詳細に図示され説明されているが、これらは例示的であって、本発明の趣旨と範囲とから逸脱することなく、様々な置換えと代替とが可能なのも当然のことである。

Claims (19)

1. 極低温流体を収容するように構成された貯蔵容積と、
   前記貯蔵容積を囲む複数層の外壁と、
   前記外壁に形成された１つ以上の通路と、
   を有してなり、
   前記外壁は、前記外壁の内側に配置される内周面と、前記外壁の外側に配置される外周面と、を備え、
   前記１つ以上の通路は、外側に位置する外壁の前記内周面と、内側に位置する外壁の前記外周面と、の間に配置されて、前記貯蔵容積を囲む１つ以上の流路として構成され、
   前記１つ以上の流路は、前記貯蔵容積に収容された前記極低温流体が熱を受けて生成される極低温流体蒸気をまとめて受けて、供給源から熱を吸収する複数の断熱蒸気層を提供する、
   ことを特徴とする流体を貯蔵する蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
2. 所定の数の前記１つ以上の流路は、前記極低温流体の触媒蒸気を供給するように構成される、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
3. 前記圧力容器ライナは、半球形、円筒形、および球形を含む形状を有する、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
4. 前記圧力容器ライナは、中心軸を備える円筒形で、前記圧力容器ライナの前記中心軸方向の長さ対前記圧力容器ライナの外径のアスペクト比が１：１から５：１まで変化する細長い構成を有する、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
5. 前記外壁は、０．０６ｃｍから０．６ｃｍまでの厚さを有する、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
6. 前記１つ以上の流路の断面は、球形、長方形、正方形、円筒形、または半球形を含む形状で構成される、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
7. 前記１つ以上の流路は、２層から４０層までの複数の断熱層を提供する、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
8. 前記１つ以上の流路は、０．０２ｃｍから１ｃｍまでの厚さで構成される、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
9. 前記圧力容器ライナは、ポリマー材料で構成される、
   請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
10. 前記ポリマー材料は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリアミド、およびポリイミドから選択された少なくとも１つの材料である、
    請求項９記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
11. 前記圧力容器ライナは、ポリマー／セラミック、ポリマー／金属、および金属／セラミックから選択された少なくとも１つの複合材料で構成される、
    請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
12. 前記圧力容器ライナは、金属、金属間化合物、セラミック、およびプラスチックから選択された少なくとも１つの材料で構成される、
    請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
13. 前記所定の数の前記１つ以上の流路は、前記触媒蒸気を有効にするために、パラからオルトに転換する触媒で構成される、
    請求項２記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
14. 前記パラからオルトに転換する触媒は、常磁性材料、細粒化されたパラからオルトに転換する触媒、活性炭、白金石綿、希土類金属、ウラン化合物、ニッケル化合物、または軽量エアロゲルで実現されたパラからオルトに転換する触媒で構成される、
    請求項１３記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
15. 前記圧力容器ライナは、ポリスチレン発泡体、ポリウレタン発泡体、ポリアミド発泡体、および発泡ガラスから選択された少なくとも１つの発泡断熱材でさらに構成される、
    請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
16. 前記圧力容器ライナは、乗用車、トラック、フォークリフト、オートバイ、キャンピングカー、船、航空宇宙機、または無人航空機システムを含む乗物に燃料を供給するように構成される、
    請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
17. 前記１つ以上の通路は、
    前記貯蔵容積内の前記極低温流体蒸気が導かれる通路入口と連通する１次通路と、
    前記極低温流体蒸気を前記外壁の外に導く出口と連通する２次通路と、
    を含む、
    請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
18. 前記２次通路は、前記１次通路より前記外壁の外側に配置される、
    請求項１７記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。
19. 前記外壁に形成された前記１つ以上の通路は、前記外壁の厚さ方向の異なる位置に形成された複数の通路を含む、
    請求項１記載の蒸気冷却極低温圧力容器ライナ。

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