CN104220804B - 储罐填充装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于用加压气体、特别是用加压氢气填充储罐(11)的装置，该装置包括加压气体源(2)和用于将气体从该气体源(2)输送到储罐(11)的线路(3、13)，所述输送线路(3、13)包括一元件(4)，该元件(4)用于膨胀和冷却气体，从而将来自于气体源的气体的压力和温度降低至各自的为填充储罐(11)起见而确定的值。该装置的特征在于，气体膨胀和冷却元件(4)包括制冷器(14)，该制冷器(14)使用Stirling或Ericsson热动力循环来膨胀气体，该制冷器(14)被选择性地供应来自于气体源(2)的气体，并且供应至储罐(11)的冷却和膨胀后的气体的至少一部分从该制冷器抽出。

Description

储罐填充装置和方法
本发明涉及一种用于填充储罐的装置和方法。
更特别地，本发明涉及一种用于用加压气体、特别是用加压氢气填充储罐的装置，该装置包括加压气体源和用于将气体从该气体源输送到该储罐的线路，该输送线路包括一元件，该元件用于膨胀和冷却该气体，从而将来自于该气体源的气体的压力和温度降低至各自的为填充该储罐起见而确定的值。
本发明特别地应用于填充高压氢气储罐，例如填充压力在200和1000bar之间、例如在300和800bar之间的储罐。
特别地，对于用氢气作为能量来源的机动车应用，该储罐必须被比较快速地(几分钟)填充。氢气的绝热压缩导致加热，这可能与储罐的结构特点不相容。然而，限制该加热的慢速填充(几十分钟)与用户例如在服务站的要求不相容。由于这些原因，必须小心地控制对该储罐的填充。
填充总体上使用一个或多个压缩机和/或缓冲容器，以允许储罐被“级联地”填充。已知的解决方案特别地包括在高压气体进入储罐之前冷却该高压气体，以补偿该加热。
典型地，使用冷却单元或液氮贮器和冷却回路来实现冷却。
然而，该设备比较昂贵，且很难控制实现足够有效的快速填充。
本发明的一个目的是减少如上所述的现有技术的一些或所有缺点。为此，根据本发明的装置，除了与上文前序部分提供的通用定义相匹配之外，其本质上的特征在于气体膨胀和冷却元件包括制冷器，该制冷器使用Stirling或Ericsson热动力循环来保证气体膨胀，其中该制冷器选择性地被供应以来自于气体源的气体，并且其中供应至储罐的冷却和膨胀后的气体的至少一部分从该制冷器抽出。
该特征是非常有用的，特别是对于快速填充高压储罐，例如在用于机动车的氢气分配站的那些高压储罐。本发明能够实现从加压至例如1000bar的气体源、能够在少于3分钟内用高达例如850bar的氢气填充空机动车的储罐的膨胀和冷却。在该过程期间，由制冷器形成的膨胀阀通过从气体提取压力能来供应冷气体，这防止该快速填充使该储罐过热。事实上，由于使用执行传统的能量提取的膨胀阀不能实施已有的氢气分配方法，因此使用从技术和逻辑的角度而言更昂贵且更复杂的冷却系统、例如冷却单元或液氮来避免储罐的过热。本发明使得该缺点能够被部分或完全地克服。
“制冷”或“制冷器”指用于通过Stirling或Ericsson热动力循环制冷的热动力工艺，该热动力循环特别地用于低温设备。
在冷却设备中，循环气体首先被压缩，理想地在环境温度下被等温压缩。伴随着能量提取，压缩后的气体膨胀，以产生冷气体，该冷气体被用作冷却剂，以冷却热系统或预冷分级制冷器中的不同温度级。
Claude循环制冷器及其衍生物可以结合多种热动力循环，例如Brayton和JouleThomson循环。在用于产生热和电力的热电联产设备中，通常实施的一种方法包括在使气体膨胀之前将该气体压缩和加热到较高的温度。在这种情况下，在气体在被再注入到该循环或用作用于热系统——该热系统在较低的温度下(例如30℃和100℃之间)工作——的传热流体之前，伴随着能量提取的膨胀使得该气体能够被冷却到较低的温度水平。典型地，高压高温气体被用作用于在高温下工作的应用的传热流体，然后温度较低的膨胀后的气体被用作用于在中等温度下工作的应用的传热流体。
伴随着热量提取，气体从给定的压力点到更低的压力点的膨胀在当前通过两种技术实施。第一种技术包括旋转机器(具有旋转机构的涡轮机)，第二种技术包括机械膨胀阀(具有轴向平移机构的活塞)。移动该通过气体的体积膨胀工作的旋转机构(涡轮机)或平移机构(活塞)，能够将压力能转换成机械能。使用具有交换器的压缩系统、具有交流发电机的电力系统或在适当的情况下直接作为原动力，可以以热量的形式回收产生的机械能。压力能的转换产生机械能和压力和温度水平较低的冷气体。由于产生的机械能被从气体中提取出，因此该气体以较低的能量水平从膨胀阀排出。
上述已知的膨胀阀的主要缺点在于移动部件和机构能够承受的压力下降的限制(通常高达约100巴)。该限制使得设备更复杂，需要该设备通过多个串联布置的膨胀阀来分阶段地实现压力下降。本发明使得该缺点被完全克服。
因此，本发明提出一种使用Stirling或Ericsson循环来转换气体的压力能，从而提取能量的技术。该装置使用伴随着能量提取的膨胀，例如根据至少一条下述标准：
–原料气体以给定的压力和温度被供应，并例如全部膨胀到较低的压力和温度水平，
–转换后的压力能以热量、电力或在适当的情况下原动力的形式被提取，
–膨胀后的气体可以用作制冷设备中的冷却剂或用作废热发电设备中的传热流体，
–使用Stirling或Ericsson循环执行的膨胀可以与其它常规使用的热动力循环结合，例如Claude循环及其衍生物、Brayton、JouleThomson、GayIussac、Rankine和Lenoir循环，或执行一个或多个伴随着能量提取的膨胀的任何其它热动力循环。
通过限制使用可移动的机械部分，根据本发明的装置使得能够实现不超过1000bar的压力下降。
本发明还可以涉及一种用于联合产生制冷、热量和电力的冷却或废热发电/热电联产方法和设备。更特别地，本发明可以涉及一种用于制冷或热电联产设备的方法，该方法使气体从给定的压力水平膨胀到较低的压力水平，并以热量或电力的形式提取机械能。伴随着热量或电力形式的能量提取的气体膨胀导致膨胀后的气体被冷却到较低的温度水平。
另外，本发明的实施例可以具有一个或多个以下特征：
–制冷器是热声膨胀阀，
–制冷器是“脉冲管”膨胀阀，
–气体膨胀和冷却元件包括至少一个制冷器，该制冷器包括冷端，供应至储罐的气体的至少一部分从该冷端处的气体出口得到，
–气体膨胀和冷却元件包括至少一个制冷器，该制冷器包括冷端，其中供应至储罐的气体的至少一部分从该制冷器的除了该冷端之外的区域得到，得到的气体通过与所述冷端进行热交换而冷却，
–气体膨胀和冷却元件包括第一制冷器和第二制冷器，每个制冷器都使用Stirling或Ericsson热动力循环来膨胀和冷却气体，每个制冷器都具有各自的冷端，其中供应至储罐的气体的至少一部分从第一制冷器的除了其冷端之外的区域得到，并将气体供应至第二制冷器，供应至储罐的气体的至少一部分从第二制冷器的冷端得到，
–第一制冷器的冷端与第二制冷器在该第二制冷器的除了其冷端之外的区域处于热交换关系，
–气体膨胀和冷却元件包括至少一个脉冲管制冷器，该脉冲管制冷器包括再生器、连接至该再生器的脉冲管、连接至该脉冲管的相移机构，该再生器被选择性地供应来自于气体源的气体，该脉冲管制冷器具有冷端和热端，
–加压气体源包括以下元件中的至少一者：
–至少一个加压气体罐，
–连接至气体供应源的气体压缩元件，在气体被输送至所要填充的储罐的阶段之前应用该气体压缩元件，
–加压气体源包括气体压缩系统，在气体被输送至所要填充的储罐的阶段期间应用该气体压缩系统，
–气体输送线路在气体源与膨胀和冷却元件之间包括至少一个用于选择性地控制气流的阀，特别是旋转阀，
–气体输送线路在膨胀和冷却元件与储罐之间包括至少一个用于选择性地控制气流的阀，特别是旋转阀，
–气体输送线路在膨胀和冷却元件与储罐之间包括至少一个用于调节被输送至储罐的气体的压力的阀，特别是用于将压力降低到固定的或可调整的水平的阀，
–气体输送线路在气体源与膨胀和冷却元件之间包括至少一个诸如减压阀的调压阀，该调压阀被设计成将从储罐输出的气体的压力降低到固定的或可调整的水平，优选地比气源中的压力值小50bar，
–气体膨胀和冷却元件包括输送阀，特别是位于串联布置的第一和第二制冷器之间的旋转阀，以选择性地控制从第一制冷器得到并打算供应第二制冷器的气体，
–至少一个制冷器的热端与选择性冷却器(特别是冷却回路，该冷却回路安装有散热器和/或诸如负大卡/冷量贮器的冷却单元)具有热交换关系，
–至少一个制冷器是执行Stirling或Ericsson工作循环的可移动的机械活塞制冷器，
–至少一个制冷器包括脉冲管，该脉冲管具有与共振的柔性支承件配合的自由活塞移相器，
–至少一个制冷器包括脉冲管制冷器，该脉冲管制冷器包括缓冲罐移相器，该缓冲罐移相器经由孔口或惯性管件(conduited’inertance)连接至脉冲管，
–至少一个制冷器包括具有同轴结构的脉冲管制冷器，即其中脉冲管被布置在再生器周围，
–从第一制冷器的除了其冷端之外的区域得到并供应第二制冷器的气体的至少一部分在该气体进入第二制冷器之前通过与第一制冷器的冷端进行热交换而被冷却，供应至储罐的气体从第二制冷器的除了其冷端之外的位置得到，从第二制冷器得到的所述气体在其进入储罐之前通过与第二制冷器的冷端进行热交换而被冷却，
–气源具有至少一个气体储罐，其压力在200bar和1200bar之间，优选地在400bar和1000bar之间。
本发明还涉及一种用于用加压气体、特别是用加压氢气填充储罐的方法，其中来自于加压气体源的加压气体经由气体输送线路被输送至储罐，并且其中来自于该气体源的加压气体在其进入所要填充的储罐之前膨胀和冷却，来自于该气体源的高压气体经由至少一个制冷器膨胀和冷却，该制冷器使用Stirling或Ericsson热动力循环使气体膨胀。
根据其它可能的特征：
–至少一个制冷器被选择性地供应来自于气体源的气体，供应至储罐的膨胀和冷却后的气体已经经过该至少一个制冷器，
–加压气体源包括容纳压力在200和1200bar之间的气体的接收器和/或包括供应压力在200和1200bar之间的气体的压缩机，
–在供应制冷器之前，来自于气体源的气体的压力被调节至低于该气体源的压力的第一特定压力，例如比该气体源的压力小20至100bar，
–制冷器使气体膨胀至100bar和300bar之间的第二特定压力，
–供应至储罐的气体的流率和/或温度通过调节第一和第二压力值得到控制，
–来自于气体源的高压气体(P0)通过至少一个制冷器被冷却至-50℃和-30℃之间的温度，
–加压气体源输送加压气体，其压力随着气体被输送至所要填充的储罐而逐渐增加。
本发明还可以涉及包括上文或下文所述的特征的任何组合的任何可选择的装置或方法。其它特征和益处在下文参考附图提供的描述中阐述，其中：
–图1是示出根据本发明的填充装置的第一示例的结构和操作的局部示意图，
–图2至4是图1中的装置的制冷器的三个可能的变型的结构的示意图，
–图5是示出一种可能的热动力循环的示意图，图1中的填充装置中的气体可以经历该热动力循环，
–图6是示出根据本发明的填充装置的第二示例的结构和操作的局部示意图，
–图7是示出根据本发明的填充装置的第三示例的结构和操作的局部示意图，
–图8示出在使用图7中的装置进行填充操作期间，填充气体的流率和温度曲线的示例，
–图9示出在使用图7中的装置进行填充操作期间，所要填充的储罐中的气体的压力和温度曲线的示例，
–图10示出图7中的装置的细节，其示出一个操作示例，
–图11是示出一种可能的热动力循环的示意图，图7和9中的填充装置中的气体可以经历该热动力循环。
图1中所示的用于用加压气体填充储罐11的装置包括加压气体的气源2和线路3、13，该气源2例如是一个或多个储存氢气的储罐，该氢气的压力在200和1200bar之间，该线路3、13用于将气体从气源2输送到至少一个要填充的储罐11。所要填充的储罐11例如是机动车的一部分。
自然地，作为该储罐的替代或附加，气源2可以包括一个或多个压缩机或用于供应加压气体的任何其它合适的元件。
输送线路3、13包括气体膨胀和冷却元件4，该气体膨胀和冷却元件4被设计成用于将来自于气源的气体的压力和温度降低到各自的为填充储罐11起见而确定的值。气体膨胀和冷却元件4包括制冷器14，该制冷器14使用Stirling或Ericsson热动力循环膨胀该气体。在所示示例中，膨胀和冷却元件4是脉冲管制冷器14。该脉冲管制冷器14通常包括再生器141，该再生器141的一个末端被选择性地供应来自于气源2的气体。再生器141的第二末端连接至脉冲管142。缓冲罐146通过孔口连接至脉冲管142，该孔口由阀145控制。
脉冲管的工作原理如下：再生器141被供应有流率和压力变化的气体，确定该流率和压力，例如以使该气体经受连续的压缩/膨胀。再生器141在循环期间从气体吸收卡路里/热量(例如通过位于该再生器的一个末端处的高温热交换器(échangeurchaud))，并在循环的另一部分期间向该气体供应卡路里(例如通过位于该再生器或脉冲管的另一末端处的低温热交换器(échangeurfroid))。缓冲罐146向脉冲管142供应气体或从该脉冲管142接收气体，这取决于脉冲管142端部的压力振荡。阀145构成孔口，该孔口保证了在缓冲罐146和脉冲管142之间的压力振荡的发展中的相移。脉冲管142与外部热绝缘，从而其中的气体的温度随着压力变化。气体在脉冲管142的冷端144处达到较低的温度(例如-50℃和-30℃之间)，并在脉冲管142的热端143处达到较高的温度(例如30℃和60℃之间)。
制冷器14经由上游阀5(例如旋转阀)被选择性地供应有来自于气源2的气体，以在制冷器14中产生压力振荡(例如正弦波)。
如图所示，制冷器14在冷端144处具有孔口，该孔口供应下游管件13，该管件13选择性地向待填充的储罐11供应冷的膨胀后的气体，即经制冷器14膨胀和冷却后的气体从脉冲管142被抽出，该气体意在填充储罐11。下游管件13选择性地将制冷器14连接至待填充的储罐，该下游管件13优选地包括下游控制阀6，例如旋转阀，即，制冷器14作为开放的线路工作，因为制冷器14必须由气源2被再供应气体，以补偿供应至储罐11的气体。
该结构使得能够将来自于气源2的气体(例如处于初始环境温度，以及500bar和1000bar之间的初始压力)膨胀和冷却到较冷的温度和较低的压力(例如-50℃和-40℃之间的温度，以及100bar和300bar之间的压力)。
这使得能够实现与储罐11的快速填充相容的有效的膨胀和冷却。
图5示出能够由填充装置的制冷器14实施的示例热动力循环(压力P作为体积V的函数)。例如，气体以45℃进入该制冷器(附图标记A，图5)，然后被压缩。该气体然后经历等体积膨胀(到B点)。该气体然后经历膨胀(从B到C，图5)，其中功W(卡路里或机械功)被供应到该制冷器的外部。膨胀和冷却后的气体(例如至-40℃，参见D，图5)被抽出，以填充储罐11。该循环中的剩余气体被等体积压缩，来自于气源2的气体被注入该循环中，重新开始(A)。
自然地，脉冲气体制冷器14可以由执行Stirling或Ericsson热动力循环的任何其它类型的制冷器代替。
图2通过示例示出一种制冷器14，该制冷器14不是脉冲管制冷器，而是具有机构15的制冷器，该机构15具有可移动的机械活塞151，即气体与滑动的活塞151接触，活塞151的杆联接至支承件152，支承件152连接至意在产生电流的发电电路。如前所述，制冷器14对气体应用Stirling或Ericsson循环。气体例如经由上游阀5注入，并在冷端处经由下游阀6在下游被抽出。
图3示出另一脉冲管制冷器14，其与图1中的脉冲管制冷器14的区别仅在于具有缓冲罐146和连接孔口(阀145)的相移机构已经被另一相移机构16代替，该相移机构16包括由弹簧216保持的自由活塞116，该自由活塞116电气地联接至支承件316，该支承件316连接至电路115。
最后，图4示出另一脉冲管制冷器14，其与图1中的脉冲管制冷器14的区别仅在于连接孔口(阀145)已经被惯性管件(即长形的管件)代替，即具有较小的直径和较长的长度(直径/长度比在100和10,000之间)的管件。
图6示出本发明的另一实施例，其中气体膨胀和冷却元件4包括两个串联布置的脉冲管制冷器14、24。通过上游管件13从气源2向第一制冷器14供应高压气体，该上游管件13安装有阀5。该第一制冷器例如具有带冷端144和热端143的已知的同轴结构，即脉冲管142被同轴地布置在再生器141周围。如前所述，第一制冷器14包括相移系统，该相移系统包括例如缓冲罐146和孔口，该孔口例如由阀145控制。通过出口管件41将经过第一制冷器14的气体从该制冷器14的入口抽出，该出口管件41安装有第一阀141。出口管件41连接至第二制冷器24的入口，例如通过第二阀142。另外，在将气体供应至第二制冷器24之前，出口管件41与第一制冷器14的冷端144交换热量。第二制冷器24例如也具有同轴结构，即脉冲管242同轴地布置在再生器241周围。另外，第二制冷器24包括相移系统，该相移系统包括例如缓冲罐246和孔口，该孔口例如由阀245控制。第二制冷器24具有冷端244和热端243。通过下游管件13将气体从第二制冷器24的入口端抽出，该下游管件13安装有下游阀6。下游管件13选择性地供应储罐11，以填充该储罐11。在供应储罐11之前，下游管件13与第二制冷器24的冷端244进行热交换。
换句话说，经由两个串联布置的脉冲管制冷器14、24，来自于气源2的气体通过两个膨胀/冷却级被膨胀和冷却。与图1中的实施例不同，气体不是从制冷器14、24的冷端144、244抽出，而是与这些冷端进行热交换。这使得来自于气源的气体能够膨胀和冷却，以便填充储罐11。
自然地，作为一种变型，从第一制冷器14和/或第二制冷器得到的气体可以从相应的制冷器的冷端144、244得到，而不是图6中所示的热交换。
另外，图6中的结构可以包括单个制冷器(而不是串联的两个)。
图7示出另一可能的可选择的实施例。
在图7中的实施例中，气体膨胀和冷却元件4包括两个制冷器14、24。第一制冷器是脉冲管制冷器，通过上游管件3向该第一制冷器供应来自于加压气体(例如800bar和1000bar之间)的气源2的气体，该上游管件3安装有阀5，例如旋转阀。上游管件3优选地包括设置在气源2和阀5之间的调压阀7，例如膨胀阀。该调压阀7选择性地将供应至第一制冷器14的气体的压力调节到特定的值P1(例如800bar和900bar之间)。第一制冷器14包括再生器141和脉冲管142，且具有冷端144和热端143。脉冲管142通过阀145连接至相移系统，该相移系统设有储罐146，该阀145形成孔口。
第二制冷器24也是脉冲管制冷器。第二制冷器24包括再生器241和脉冲管242，且具有冷端244和热端243。脉冲管242通过阀245连接至相移系统，该相移系统设有储罐246，该阀245形成孔口。
第一制冷器14和第二制冷器24的热端143、243可以连接至单个冷却系统，例如冷却剂回路9，该冷却剂回路9配设有散热器19和/或诸如负大卡贮器的冷却单元。回路中的冷却流体例如通过泵29与热端143、243进行热交换。
经由出口管件41向第二制冷器24供应来自于第一制冷器14的气体，该出口管件41安装有输送阀8，例如旋转阀。更特别地，第二制冷器24被供应有来自于第一制冷器14的入口端的气体，即气体流经第一制冷器的再生器141内部的开路，用图7中的箭头表示。另外，在第一制冷器14的脉冲管142中，气体产生闭合的循环，用图7中的箭头回路表示。
冷却和膨胀后的气体从第二制冷器24的冷端241被抽出。该冷却和膨胀后的气体经由下游管件13供应储罐11，该下游管件13安装有阀6，例如旋转阀。如图所示，下游管件13还优选地包括调压阀18，例如减压阀，以将供应至储罐11的气体的压力P3控制或稳定在特定的值(例如100bar和200bar之间)。
该结构也使得能够实现用于快速的高压填充的冷却的高压气体的供应。
图10示出图7中装置的细部，其示出一个可能的操作示例。
机动车的储罐11可以在少于3分钟内充满氢气。例如，储罐11在初始状态下是空的(初始压力是10bar)，且其压力需要被增加到700bar。该操作包括压缩储罐11中的氢气。这导致显著地加热储罐11。为补偿该温度的上升，一种解决方案包括用冷却的气体(例如-40℃)填充该储罐。在这种情况下，例如，储罐11中气体的温度将不超过80℃。
该填充方法可以包括将氢气从压力非常高的储存设备输送至储罐11，该压力可以例如达到1000bar。
如图7和10中所示，该装置产生特定的压力差P1-P2(膨胀和冷却元件4的入口处的压力P1与其出口处的压力P2的差)。由膨胀和冷却元件4供应的质量流率取决于上游阀、输送阀和下游阀5、8、6的打开/关闭(旋转)速度。
由膨胀和冷却元件4供应的质量流率还取决于上游的压力P1。
制冷功率，即供应冷气体的能力，取决于入口和出口之间的压力比P1/P2。
为了控制供应至储罐11的气体的流率和温度，可以使用上游和下游的调压阀7、18调整输入和输出压力设定值P1、P2。
如果压力设定值P1/P2不足，则还可以调整上游阀、输送阀和下游阀5、8、6的旋转速度，以控制流率。
下文参考图7描述一个填充示例。在填充之前，调压阀(膨胀阀)7和18是关闭的。气源2中的压力例如最大，典型地是1000bar。
在第一阶段中，上游调压阀7在特定的压力设定值P1(例如800bar)打开，而下游调压阀18保持关闭。在这种情况下，元件4在压力设定值P1下被填充。
上游阀、输送阀和下游阀5、8、6然后以特定的频率(例如50Hz的旋转频率)打开/关闭。
当下游调压阀18关闭时，输入P1和输出P2之间没有压力差(即P1-P2＝0)。结果，没有气体流入储罐11中，即上游阀、输送阀和下游阀5、8、6在不输出气体的情况下转变。
下游调压阀18然后在特定的压力设定值P2(例如400bar)下打开。产生膨胀和冷却元件4的上游和下游之间的压力差P1-P2，即膨胀和冷却元件4然后向储罐11供应加压气体流。
所要填充的储罐11的压力P3增加。所要填充的储罐11内部的压力P3可能超过下游调压阀18的下游的压力设定值P2。从此刻起，尽管下游调压阀18完全打开，但是从膨胀和冷却元件4输出的压力P2增加。这降低了膨胀和冷却元件4的制冷功率和流动能力。另外，气源2中的气体的压力下降。因此，气源2中的压力可能下降到上游调压阀7的压力设定值P1以下。如果发生这种情况，则尽管上游调压阀7完全打开，但是上游压力P1下降。这也降低了膨胀和冷却元件4的冷却和流动能力。
为了补偿膨胀和冷却元件4的下降的流量和冷却能力，可以增加阀5、8、6的转速。事实上，增加压缩/膨胀序列的频率使得增加从膨胀和冷却元件4输出的气体流率成为可能。
相反地，制冷功率的损失不能通过以这种方式管理阀5、8、6得到补偿，即膨胀和冷却元件4然后为储罐11供应越来越冷的气体。
图8中示出了这些现象，图8示出通过膨胀和冷却元件4供应至储罐的气体的流率D(克/秒)和温度T3(℃)随待填充的储罐11的压力P变化的示例曲线。因此，如果储罐11的压力P3达到大约400bar，则填充气体的流率D下降，而其温度T3上升。
图9示出了在填充期间储罐11内气体的压力P3(bar)和温度T3(℃)的变化。图7示出膨胀和冷却元件4如何使储罐11内的压力能够在少于3分钟内达到高压(800bar)，而不因此达到过高的温度(该温度在填充结束时不超过80℃)。
图10是图7中的膨胀和冷却元件4的一个操作示例的示意图。该膨胀和冷却元件4包括两个制冷器14、24，该制冷器14、24形成两个气体制冷和膨胀阶段。第一制冷器14是通常操作的脉冲管制冷器，而第二制冷器24，其也是脉冲管制冷器，实际上是气体膨胀元件。
第一制冷器14被用于冷却第二制冷器24的预冷交换器的低温热交换器，即第一制冷器14的冷端144与刚性连接至第二制冷器24的再生器241的高温热交换器处于热交换的关系。
来自于气源的气体在压力P1(例如1000bar)和环境温度(例如30℃)下到达上游3。上游阀5允许气体进入第一制冷器14。该气体的一部分在相同的温度(30℃)和较低的压力(例如600bar)下经由输出管件41离开第一制冷器14，该输出管件41安装有输送阀8。
第一脉冲管制冷器14的内部然后经受从600bar到1000bar变化的压力波。
当气体进入和离开第一脉冲管制冷器14时，其损失的压力能被转化成热能，该热能从热端143的高温热交换器被提取。该能量提取冷却了冷端交换器144。如图10中所示，第一制冷器的冷端144与第二制冷器24的再生器241处于热交换关系，并因此从进入第二制冷器24的气体中吸收卡路里。尽管制冷器141周围的热的部分是打开的，但是第一制冷器的脉冲管142的冷的部分是关闭的，即冷气体从不离开脉冲管142。因此，从第一制冷器14的顶端出来、供应第二制冷器24的气体与从再生器141进入的气体的温度相同。脉冲管142的这一阶段因此不供应冷气体。
因此，气体在输入压力P1和输出压力P2之间的中级压力(例如600bar)下进入第二制冷器24。该气体在降低的低温(例如-40℃)和降低的输出压力P2(例如400bar)下离开第二制冷器24。该第二制冷器24然后经受从400bar到600bar的可变的压力波。
返回第二制冷器24的气体首先被一交换器冷却到中间温度(-20℃)，该交换器被第一制冷器14的冷端冷却。然后在第二制冷器24的脉冲管241中从该气体提取压力能。该气体然后在较冷的温度(-40℃)下输出。与第一制冷器14不同，第二制冷器24的冷的部分然后完全打开。
在两个制冷器的高温热交换器中作为热量而提取的能量可以例如使用水循环回路9和散热器19或冷却单元排出(例如将水从30℃加热到70℃)。
可以使用阀5、8、6使制冷器14、24中的压力波同步。上游阀和下游阀5、6同时打开，而输送阀8关闭，反之亦然。当阀5、6、8打开时，通过将机器的体积连接在一起而产生气流。这导致压力平衡和质量传递。阀5、6、8以给定的频率旋转，该旋转产生压力波，该压力波在低频接近正方形，在高频接近正弦形。
图11是图7中的装置可以实施的热动力循环的示意图(压力P是体积V的函数)。
例如，气体在45℃下进入第一制冷器14(附图标记A，图11)，然后被压缩。该气体然后经受等体积膨胀(到B点)。该气体然后经受膨胀(从B至C，图11)，其中功W(卡路里或机械功)被供应到该制冷器的外部。来自于第一制冷器14的气体供应第二制冷器24(见D和E)。冷量从第一制冷器供应至第二制冷器24(附图标记44)。该气体也在第二制冷器24中执行工作循环(从E压缩至C，然后等体积膨胀，然后在最终在低温下抽出(G，-40℃)之前膨胀F，伴随有提取能量W)。
根据本发明的装置有利地使用压缩/膨胀波，该压缩/膨胀波由旋转阀或分配器控制，且可以用通常在普通的Stirling机器中使用的内部部件实施。
根据本发明的装置能够在冷的部分中产生适度的、非零的气流，例如产生流到制冷器外部的冷气流，这导致制冷器中的压力下降。
在Stirling和Ericsson循环中所需的压缩/膨胀循环通过气体的不同部分实施，该部分随着气体的流动进入制冷器中。这提供了膨胀功能。尽管它描述了与Gifford-McMahon和Solvay制冷器相似的结构，但是本发明提出在冷的部分中使用吹扫(膨胀)和填充(压缩)循环——而不是闭合回路中的压力和流率振荡——来产生压缩/膨胀波，这代表了不同的工作原理。

Claims (18)

1.一种用于用加压气体填充储罐(11)的装置，所述装置包括加压气体源(2)和用于将气体从气体源(2)输送到储罐(11)的线路(3、13)，所述输送线路(3、13)包括一气体膨胀和冷却元件(4)，所述气体膨胀和冷却元件(4)用于膨胀和冷却气体，以便将来自于所述气体源的气体的压力和温度降低至各自的为填充储罐(11)起见而确定的值，其特征在于，所述气体膨胀和冷却元件(4)包括制冷器(14)，所述制冷器(14)借助于Stirling或Ericsson热动力循环来膨胀气体，所述制冷器(14)被选择性地供应来自于气体源(2)的气体，并且供应至储罐(11)的冷却和膨胀后的气体的至少一部分从所述制冷器(14)抽取。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述制冷器(14)是热声膨胀阀。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述制冷器(14)是脉冲管膨胀阀。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体膨胀和冷却元件(4)包括至少一个制冷器(14)，所述制冷器(14)包括冷端(144)，并且供应至储罐(11)的气体的至少一部分从所述冷端(144)处的气体出口获取。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体膨胀和冷却元件(4)包括至少一个制冷器(14)，所述制冷器(14)包括冷端(144)，并且供应至储罐(11)的气体的至少一部分从所述制冷器(14)的除了该冷端(144)之外的区域获取，所获取的气体通过与所述冷端(144)进行热交换而冷却。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体膨胀和冷却元件(4)包括第一制冷器(14)和第二制冷器(24)，所述第一制冷器(14)和第二制冷器(24)中的每一个都利用Stirling或Ericsson热动力循环来膨胀和冷却气体，每个制冷器(14、24)都具有各自的冷端(144、244)，其中供应至储罐(11)的气体的至少一部分从第一制冷器(14)的除了其冷端(144)之外的区域获取，并将气体供应至第二制冷器(24)，供应至储罐(11)的气体的至少一部分从第二制冷器(24)的冷端(244)获取。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，第一制冷器(14)的冷端(144)与第二制冷器(24)在第二制冷器(24)的除了其冷端(241)之外的区域中处于热交换关系。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体膨胀和冷却元件(4)包括至少一个脉冲管制冷器(14)，所述脉冲管制冷器(14)包括再生器(141)、连接至再生器(141)的脉冲管(142)、连接至脉冲管(142)的相移机构(146、145)，所述再生器(141)被选择性地供应来自于气体源的气体，所述脉冲管制冷器(14)具有冷端(144)和热端(143)。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是用加压氢气填充储罐(11)。
10.一种用于用加压气体填充储罐(11)的方法，其中，来自于加压气体源(2)的加压气体经由气体输送线路(3、13)被输送至储罐(11)，并且其中，来自于所述气体源(2)的加压气体在其进入所要填充的储罐(11)之前被膨胀和冷却，其特征在于，来自于所述气体源(2)的高压气体经由至少一个制冷器(14)被膨胀和冷却，所述制冷器使用Stirling或Ericsson热动力循环膨胀气体。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个制冷器(14)被选择性地供应来自于气体源(2)的气体，并且供应至储罐(11)的膨胀和冷却后的气体已经经过所述至少一个制冷器(14)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，加压气体源(2)包括容纳压力在200bar和1200bar之间的气体的接收器，和/或包括供应压力在200bar和1200bar之间的气体的压缩机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在供应所述制冷器(14)之前，来自于气体源(2)的气体的压力被调节至低于气体源(2)的压力的第一特定压力(P1)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述制冷器(14)将气体膨胀至100bar和300bar之间的第二特定压力(P2)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，通过调节第一特定压力(P1)和第二特定压力(P2)控制供应至储罐(11)的气体的流率和/或温度。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，来自于气体源的高压气体通过所述至少一个制冷器(14)被冷却至-50℃和-30℃之间的温度。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法是用加压氢气填充储罐(11)。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一特定压力(P1)比气体源的压力小20bar至100bar。
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