專利名稱：用于以填充氣體或填充氣體混合物填充容器的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于以填充氣體或填充氣體混合物填充容器的方法以及裝置。
背景技術(shù)：
為了能夠存儲具有高存儲密度的氣體，在高壓下或者以液體狀態(tài)或者氣態(tài)進(jìn)行存儲。以液體狀態(tài)的存儲雖然實(shí)現(xiàn)極高的存儲密度，但是它僅在承受或多或少的大的蒸發(fā)損失的情況下才可能，這種蒸發(fā)損失即使在好的絕熱容器中也不可避免。對于氣體的壓力存儲目前主要使用空氣壓縮機(jī)，其允許在壓力容器中大約200至300bar的工作壓力。但該空氣壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)中是非常耗費(fèi)的，此外新的應(yīng)用例如在燃料電池技術(shù)或用于安全氣囊的氣體發(fā)生器中的應(yīng)用導(dǎo)致需要700bar或以上高得多壓力。這種壓力通過傳統(tǒng)的壓縮技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)或通過很高花費(fèi)才能實(shí)現(xiàn)。
從EP 0 033 386 A1和WO 99/05465中已知用于填充壓力容器的方法，在此方法中填充氣體在輸送給要填充的壓力容器之前被液化或者在氣體狀態(tài)下冷卻到稍微高于其沸點(diǎn)溫度的溫度。液氮在此用作優(yōu)選的冷卻劑。從WO 02/066884A1中已知另一種改進(jìn)的方法，在此方法中同樣是壓力容器在輸送冷的或液化的填充氣體前和/或輸送中被冷卻，例如，通過浸入到液氮池中。在填充過程結(jié)束后，壓力密封地封閉該壓力容器。由于氣體體積通過冷凝-在相同不變的壓力下-與溫度大概成比例，以此種方式有效存儲容量的增大達(dá)到大約2-3倍。隨著氣體的逐漸加熱，壓力容器中的壓力急劇升高。這種方法例如適用于低成本地填充允許700bar或以上壓力的壓力容器。這種方法特別適合填充小容量的罐，特別是用于安全氣囊的氣體發(fā)生器、用于氣體驅(qū)動的汽車或燃料電池系統(tǒng)的燃料容器。
但在填充液化氣體的過程中出現(xiàn)了以下問題，即在沸點(diǎn)狀態(tài)下的填充氣體的操作非常困難。特別是精確確定已填充的燃料量以及因此在填充氣體混合物情況下，在已填充容器中各個氣體成分的混合比例的精確標(biāo)定幾乎無法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于，提供一種用于以氣體或氣體混合物成分填充壓力容器的方案，其中已填充的氣體量盡可能精確地確定。
該目的通過具有權(quán)利要求1特征的方法以及具有權(quán)利要求6特征的裝置達(dá)到。
按本發(fā)明的方法，亦即待填充的容器與配量容器流體連接。該配量容器借助于熱交換介質(zhì)保持在一個溫度上，此溫度低于填充氣體以及填充氣體成分的沸點(diǎn)，但高于其熔點(diǎn)溫度或其凝固點(diǎn)。同時待填充的容器處于與相同或其他類型的熱交換介質(zhì)的熱交換中，并保持在一個低于配量容器中的溫度的溫度上。填充氣體或填充氣體成分在配量容器中以液態(tài)、但不在沸點(diǎn)狀態(tài)下存在并且可非常精確地確定它的量。同時在待填充容器中的低溫防止填充過程中氣體的蒸發(fā)，并且由于低溫泵效應(yīng)有利于氣體從配量容器輸送到待填充容器中。
有利地，用于配量容器和/或待填充容器中的熱交換介質(zhì)涉及一種液化氣體，其沸點(diǎn)可通過壓力調(diào)節(jié)改變。因此氣體溫度可在寬范圍內(nèi)根據(jù)需要精確地調(diào)節(jié)，并且特別地保持在一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填充氣體的凝固點(diǎn)或凝點(diǎn)的值上，因此填充過程不會被冰沉積物阻礙。
在本發(fā)明的合乎目的的構(gòu)造中規(guī)定，用同樣的熱交換介質(zhì)給待填充的容器調(diào)溫，所述熱交換介質(zhì)也用于給配量容器調(diào)溫，其中各容器之間的溫差通過熱交換介質(zhì)不同的壓力實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施方式中規(guī)定，用一種或多種填充氣體成分部分地填充的容器緊接著用保持氣體狀態(tài)的填充氣體成分填充。氣態(tài)的填充氣體成分相對于其它的填充氣體成分的混合比例可有利地通過氣態(tài)成分的氣體壓力變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在加熱狀態(tài)下已填充的容器而后用氣體混合物填充，該氣體混合物的組成可非常精確地已知。
本發(fā)明的目的還通過一種用于以填充氣體或者填充氣體混合物填充容器的裝置實(shí)現(xiàn)，此裝置設(shè)有一個配量容器，該配量容器在熱交換面上與熱交換介質(zhì)進(jìn)行熱接觸，并且配備用于以液體或者氣體狀態(tài)輸入填充氣體或一種填充氣體成分的填充氣體輸入管道和一個用于與待填充容器相連接的填充管道。調(diào)溫的配量容器使液化的填充氣體或填充氣體成分在低于其沸點(diǎn)溫度下的輸送成為可能并且因此沒有在填充氣體蒸發(fā)時出現(xiàn)的干擾的影響。
在按本發(fā)明裝置特別合乎目的的構(gòu)造上，配量容器設(shè)置在一個設(shè)置用于容納熱交換介質(zhì)的壓力容器內(nèi)。在壓力容器內(nèi)部，配量容器容納在由熱交換介質(zhì)組成的池內(nèi)，該池的溫度通過在壓力容器內(nèi)壓力的變化可以有目的地調(diào)節(jié)。在熱交換介質(zhì)和填充氣體之間的熱傳遞通過配量容器的壁實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明另一種有利的構(gòu)造規(guī)定，待填充的容器在其填充期間容納在一個可用熱交換介質(zhì)填充的池中。
為了能夠盡可能可靠地控制填充氣體以及填充氣體成分的輸入，配量容器有利地配備一個用于確定在配量容器中的液位的控制裝置。在此其例如可以涉及一個溢流口(berlauf)或涉及從一個規(guī)定的填充高度開始阻止填充氣體輸入的測量和控制裝置。


借助于附圖(圖1)將更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
用于以填充氣體或填充氣體混合物填充容器2的裝置1包括一個配量容器3，該配量容器容納在一個壓力容器4的內(nèi)部。在該配量容器的上部區(qū)域一用于輸入氣態(tài)填充氣體的氣體輸入管道6通入到配量容器3中。該氣體輸入管道6與排氣管道7相連接。氣體輸入管道6與排氣管道7可以通過閥8、9關(guān)閉或開啟。在配量容器3的中部區(qū)域通入一用于輸入液態(tài)填充氣體的液態(tài)氣體輸入管道11。該液態(tài)氣體輸入管道11設(shè)有一個閥12，該閥可借助于一控制裝置13根據(jù)在配量容器3內(nèi)部的、測量出的液位14控制。此外，所述配量容器3配備一填充管道15，該填充管道在裝置1的運(yùn)行狀態(tài)下通過一可拆卸的連接裝置10生成用于填充容器2的流體連接。填充管道15配備一個截止閥16。
設(shè)有一個-這里僅部分示出的-絕熱體17的壓力容器4配備一個用于熱交換介質(zhì)的輸入管道18。在該輸入管道18中設(shè)置一個閥19，該閥可借助于一控制裝置20根據(jù)在壓力容器4內(nèi)部的、測量出的液位14控制。在所述壓力容器4的上部區(qū)域通入一個氣體排出管道22。用于壓力控制的裝置23保證在壓力容器4內(nèi)保持一定的壓力。
裝置1的工作原理將借助于一個示例更詳細(xì)地解釋。在該示例中，容器2以盡可能精確計量過的氬和氦的量填充。在此配量容器3首先通過液態(tài)氣體輸入管道11填充入液態(tài)的氬，所述氬以液體狀態(tài)從一個在此未示出的存儲容器中取出。為了保證所述氬在配量容器中以液體狀態(tài)存在，在壓力容器4中的配量容器3容納在由冷卻劑例如液態(tài)氮組成的池中。所述液態(tài)氮通過輸入管道18供給壓力容器。在配量容器3和液態(tài)氮池之間的熱交換通過配量容器3的壁實(shí)現(xiàn)。在熱傳遞時壓力容器4內(nèi)的氮部分地蒸發(fā)并且因此增大在壓力容器4中的壓力。借助用于壓力調(diào)節(jié)的裝置23在壓力容器中的壓力保持為一個規(guī)定的、例如大約3bar的值。在所述壓力下壓力容器4中的液態(tài)氮在溫度大約是零下187℃，所述溫度位于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下或者更高的壓力下氬的沸點(diǎn)(零下186℃)以下，但位于氬的熔點(diǎn)以上(零下189℃)。因此配量容器3內(nèi)的、在例如大約1.1bar小的過壓之下的氬以液態(tài)但不以蒸發(fā)的狀態(tài)存在。在所述狀態(tài)下液態(tài)氬容易操作并且特別使配量容器4的精確的填充直到預(yù)定的液位14成為可能。
如果以這種方式用規(guī)定的液態(tài)氬的量填充配量容器3，閥12完全關(guān)閉并且閥16開啟。氬流入容器2中。該容器2容納在一個絕熱的浸池容器25中并且同樣地用液態(tài)氮進(jìn)行冷卻。但氮在浸池容器25中具有一個比在壓力容器4中更低的壓力，例如大氣壓力，并且因此在較低溫度下存在。因此在容器1中的氬蒸氣壓力總是低于配量容器2中的壓力，這樣填充過程就不因?yàn)檎舭l(fā)的氬受阻礙。如果在浸池容器25中的液態(tài)氮在大氣壓力下存在，其溫度為零下196℃，并且充入容器2中的氬凝固。由此產(chǎn)生的吸入效應(yīng)(低溫泵效應(yīng))支持并加速填充過程。
此外，如果連接裝置10不是氣密地而是按一種注射形式構(gòu)成，用液態(tài)氬填充容器也是可能的。此外，代替前面所述的用液態(tài)氬填充配量容器3，氬可以以氣體狀態(tài)通過氣體輸入管道6輸入，所述氬在配量容器3內(nèi)通過熱輸出經(jīng)過配量容器3的容器壁液化。代替容納配量容器3的壓力容器4或者對所述壓力容器進(jìn)行補(bǔ)充，配量容器3內(nèi)的溫度也可以通過其它技術(shù)例如通過熱交換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在液態(tài)氬填充入容器2內(nèi)以后，進(jìn)行另一種氣體的計量，所述氣體可以以液體或氣體狀態(tài)輸入。在示例中氣態(tài)的氦通過氣體輸入管道6進(jìn)入到配量容器3中。對輸入氣體量的控制在這里通過氣體輸入管道6或配量容器3內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)進(jìn)行。氦在配量容器3中以氣體狀態(tài)保持。在配量容器3中中間存儲的氬完全填充到容器內(nèi)以后，可以進(jìn)行氦的計量，但也可能的是，即在氬-填充容器2期間已經(jīng)通過氣體輸入管道6進(jìn)行氦的輸入，并且因此由于氣體壓力總體上加速容器2的填充。
在氦填充結(jié)束以后，截止閥16關(guān)閉，封閉容器2并與連接裝置10分離。配量容器3通過開啟閥9釋放壓力，并且裝置1可用于另一個容器的填充。
容器1可以以另外一種操作方式在填充氬之后與裝置1分離并且被運(yùn)送到另外一個填充裝置處，然后在所述填充裝置中進(jìn)行氦的填充。由于在容器1內(nèi)低的氬蒸氣壓力在運(yùn)送過程中幾乎沒有氬從容器2中泄露，即使用于運(yùn)送過程的容器沒有關(guān)閉。這種操作方式具有的優(yōu)點(diǎn)是，為此可以使用已經(jīng)存在的氦填充裝置。裝置1也適合于用由兩種以上成分組成的氣體混合物填充容器。在這種情況下各個成分逐漸地以上述的方式計量。裝置1以低的填充壓力和可精確地預(yù)先計算出的最終壓力實(shí)現(xiàn)容器2精確而快速的填充。
附圖標(biāo)記清單1.裝置2.容器3.配量容器4.壓力容器6.氣體輸入管道7.排氣管道8.閥9.閥10.連接裝置11.液態(tài)氣體輸入管道12.閥13.控制裝置14.液位15.填充管道16.閥17.絕熱體18.輸入管道19.閥20.控制裝置21.液位22.氣體排出管道23.用于壓力控制的裝置25.浸池容器
權(quán)利要求
1.一種用于以填充氣體或者填充氣體混合物填充容器(2)的方法，其中使在一配量容器(3)內(nèi)的填充氣體或者填充氣體成分與一熱交換介質(zhì)熱接觸并且保持在一個低于其沸點(diǎn)且高于其凝固點(diǎn)的溫度上，借助于熱交換介質(zhì)將待填充的容器(2)置于一個低于配量容器(3)內(nèi)溫度的溫度上，并且接著用來自于配量容器(3)中的填充氣體或者填充氣體成分填充待填充的容器(2)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用于配量容器(3)和/或待填充容器的熱交換介質(zhì)是一種液化的氣體，并且通過調(diào)節(jié)其壓力設(shè)定熱交換介質(zhì)的一個預(yù)先設(shè)定的溫度。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，配量容器(3)和待填充容器(3)之間的溫度差通過相應(yīng)熱交換介質(zhì)的不同的壓力實(shí)現(xiàn)。
4.按以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，以一種或多種填充氣體成分部分填充的容器(2)接著以保持氣體狀態(tài)的填充氣體填充。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)的填充氣體成分與其它填充氣體成分的混合比例通過輸送到容器(2)的、氣態(tài)的填充氣體成分的壓力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。
6.一種用于以填充氣體或者填充氣體混合物填充容器(2)的裝置，包括一個在熱交換面上與熱交換介質(zhì)處于熱接觸的配量容器(3)，并且該配量容器配備用于以液體或者氣體狀態(tài)輸入填充氣體或一種填充氣體成分的氣體輸入管道(6、11)和一個用于與待填充容器(2)相連接的填充管道(15)。
7.按權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述配量容器(3)容納在一個設(shè)置用于容納熱交換介質(zhì)的壓力容器(4)中。
8.按權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，待填充的容器(2)在其填充時容納在一個可用熱交換介質(zhì)填充的池(30)中。
9.按權(quán)利要求6至8所述的裝置，其特征在于，所述配量容器(3)配備一個用于確定配量容器中液位(14)的控制裝置(13)。
全文摘要
為了填充用于安全氣囊的氣體生成器，容器在極冷狀態(tài)下在適當(dāng)?shù)膲毫ο乱砸夯臍怏w或者氣體混合物填充。在容器關(guān)閉和對環(huán)境溫度加熱之后，由于填充氣體的加熱，容器內(nèi)的填充壓力成倍地升高。缺點(diǎn)是，蒸發(fā)的液態(tài)氣體的精確計量可能是難的。為了盡可能地填充入精確規(guī)定的氣體量，按本發(fā)明建議，將在配量容器中的填充氣體或者至少一種填充氣體成分通過與熱交換介質(zhì)的熱接觸置于一個溫度上，該溫度低于填充氣體或者填充氣體的沸點(diǎn)但高于凝固點(diǎn)，同時該溫度在待填充的容器內(nèi)部保持低于配量容器內(nèi)的溫度。填充氣體可以通過按本發(fā)明的裝置以高可靠性計量并且待填充到容器中的氣體量和/或待填充氣體混合物的組成被可靠地預(yù)先設(shè)定。
文檔編號F17C5/04GK1854596SQ200610075130
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月25日
發(fā)明者H·格拉布霍恩, F·赫爾佐克 申請人:梅塞爾集團(tuán)有限公司