CN1241253A - 压力容器的充填方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对压力容器充填一种气体的方法,它包括:将一定量的气体输入到一个中间容器(3)中;随着气体逐渐输入到中间容器中,通过与一种冷却液的热交换(10),使一定量气体进行液化;通过与一个热源(15)的热接触,使中间容器中所述一定量气体进行加热和汽化;当中间容器的压力大于压力容器的压力时,使中间容器和压力容器(2)进行流体连通。本发明还涉及实施所述方法的设备,该设备包括至少一个热压缩机,热压缩机由一个中间容器(3)形成,包括所接纳的一定量气体的液化件(10)和加热件(15)。

Description

压力容器的充填方法和设备
本发明涉及一种对一个压力容器充填一种气体的方法和设备。
在空间技术领域，如果使用一个充填有氙气的容器用于卫星的等离子体推进，那么，为安全起见，这种容器应在卫星发射前不久进行充填。这个容器的充填压力约为180巴。进行这种充填的设备有时称为“充填滑架”，因为要运送到发射装置附近的发射位置上，所以体积不应太大。
为了充填高压氙气容器，有一些已知的方法。可采用一个机械传动压缩机、最好是膜片式压缩机进行充填，以避免污染。膜片式压缩机非常笨重，只能充填少量气体，因此容器的充填时间很长。也可以采用一个液压气动增压器进行充填。但是，这种增压器存在气体污染的危险，对于某些应用来说，尤其是在空间技术领域，这是不允许的。可以通过浸入液态氮浴中对容器进行充填，以便使氙气液化。这种方法不适合于用合成材料或粗钢制成的容器，也不适合于已经安装到一个装置例如卫星上的容器。还可以对气瓶进行加热，但是，这种方法只用于待充填容器的容积比气瓶的容积小的情况。
本发明旨在提出一种对一个压力容器进行充填的方法和设备，以克服现有技术的上述缺陷，可以进行安全充填，可以在发射装置的发射位置上使用而不存在污染氙气的危险。
为此，本发明涉及一种对一个压力容器充填一种气体的方法，这种方法在于：
-将一定量的所述气体输入到一个中间容器中，
-随着所述气体逐渐输入到中间容器中，通过与一种冷却液的热交换，使所述一定量气体进行液化，
-通过与一个热源的热接触，使中间容器中所述一定量气体加热和汽化，
-当中间容器中的压力大于压力容器的压力时，使中间容器和所述压力容器进行流体连通。
借助本发明，中间容器用作热压缩机，也就是说，相对于一个气源例如一个气瓶中的压力而言，可以提高气体压力。相对于其它实施例来说，这种热压缩机轻便，性能良好，并且不具有运动件，从而确保良好的安全性能。
根据本发明的一个优点，使中间容器和压力容器进行流体连通后，对中间容器中一定量的气体进行加热。由于本发明的这个优点，当中间容器和压力容器连通时，保持加热则使中间容器中一定量的气体受热，这样，可以使所述一定量高压气体不断地朝压力容器排出。
根据另一个优点，气体从中间容器朝压力容器的输送在基本恒定不变的压力下进行。
本发明方法所使用的冷却液最好是液态氮，液态氮的工业生产可以很好地加以控制。
本发明还涉及一种实施本发明方法的设备，更准确地说，这种设备包括至少一个热压缩机，这个热压缩机由一个中间容器形成，中间容器布置在一个气源和压力容器之间，所述热压缩机包括使一定量气体在输入到中间容器的过程中通过冷却而进行液化的液化件，还包括对中间容器里所述一定量气体进行加热的加热件。
根据本发明的一个优点，液化件包括一个冷却液、例如尤其是液态氮的流通管。所述液化件本身是公知的，使用起来比较容易。
根据本发明的另一个优点，对中间容器里一定量的气体进行加热的加热件包括一个电热元件。使用一个电热元件可以迅速加热中间容器中一定量的气体，这样，相对于现有技术来说，大大缩短一次充填操作的周期时间。
根据另一个优点，流通管和电热元件布置在中间容器内。这样，只有热压缩机的一小部分壁厚随着它所装有的流体的温度而降低温度或提高温度，以便压缩机的热惯量得到减小。
中间容器最好在其下部具有一个气体入口，在其上部具有一个气体出口。这样，可以在气体温度得到最大提高的中间容器部分提取气体。
根据本发明的另一个优点，中间容器可以包括一个接纳液化气的杯形件，这个杯形件与中间容器的内壁保持一定距离。由于本发明的这个优点，压缩机的热惯量也得到减小。
本发明还涉及一种设备，这种设备包括两个适于进行相反工作的热压缩机，一个热压缩机对一定量的气体进行液化，而另一个热压缩机对其它的一定量气体进行汽化-压缩。这样，可以同时进行液化操作，从而缩短压力容器充气操作的整个时间。
参照附图和本发明对压力容器进行充填的设备和方法的非限制性实施例，本发明将得到更好地理解，本发明的其它优点将更为清楚。
附图如下：
图1是本发明一个充填设备的原理示意图；
图2是图1所示设备中使用的一个热压缩机的竖直剖视图。
如图1所示，气瓶1装有一定量压力约为60巴、温度为20℃的氙气，例如50千克。所述设备的作用是对一个用钛、钢或碳制成的压力容器2进行充填，压力容器2用于安装在一个卫星上，压力为80巴至300巴左右，例如约为180巴。
为此，该设备包括一个中间容器3，中间容器3通过一个经由一个阀5的管4与气瓶1相连。同样，一个管6使中间容器3的出口3b通过一个阀7与压力容器2相连。中间容器3包括一个限定交换器3内部容积3d的腔室3c，内部容积3d约为几升、例如4升左右。在这个内容积3d中配置一个管10，来自一个液态氮源11、例如一个液态氮瓶的液态氮在管10内流通。一个阀12用于控制管10从液态氮源11供给液态氮。一个收集器13用于收集在管10中流通后的液态氮或氮气。
一个电加热器、例如一个加热电阻15也配置在内部容积3d中，与一个电源16相连，由一个开关17加以控制。
如图2所示，管10盘绕成螺旋形，具有一条完全竖直的轴线，而加热元件15也在内部容积3d中围绕同一条轴线盘绕成螺旋形。
一个杯形件20在中间容器3内围绕管10加以布置，通过间隔保持件21与腔室3c的内壁保持一定距离。杯形件20用于接收液化气，以便液化气与腔室3c保持一定距离，这样，可以减少热交换，从而减小中间容器3的热惯量。
要注意的是，氙气入口3a布置在中间容器3的下部，而出口3b布置在上部。
如图2所示，箭头LN2表示氮气流通方向，箭头Xe表示氙气流通方向，箭头Qe表示供给加热电阻15的电量。
由以上所述可了解设备的工作情况。当需要从装有氙气的气瓶1对压力容器2进行充填时，阀7关闭，开启阀5使气瓶1与中间容器3连通，以便气体从气瓶1向中间容器3排放。随着气体逐渐进入中间容器3，气体通过与管10接触而加以液化，液态氮在约为-180℃的温度下在管10中流通。管10的直径和液态氮在这个管中的流速计算成液态氮的消耗量不很大，并且氮气以接近氙气饱和温度的温度即165K在1巴的压力下由中间容器3排出。实际上，液态氮在管10中的流量为2-20克/秒。
这样，获得一定量的液化氙，收集在中间容器3内的杯形件20中。
此时，关闭阀5和开关17，以便加热电阻15内的电流流通使中间容器3中氙气的温度迅速提高。这样，首先使液化气汽化，然后，对中间容器3内的这种气体进行压缩，这种压缩可以迅速获得约为180巴的压力。因此，中间容器3构成一个“热压缩机”，可以提高气体的压力，并且不具有活动件。
当达到约为180巴的压力时，开启阀7，使中间容器3和压力容器2进行流体连通。这样，气体就排放到压力容器2中。
使开关17保持关闭，以便在中间容器3内连续加热，使中间容器3内的压力增高，气体此时逐渐排出。这样，气体从中间容器3朝压力容器2进行排放，而中间容器内的压力基本保持恒定，甚至略微增高。
试验表明，当一定量气体在中间容器3中通过加热而进行等容压缩时，氙气的温度从约210K提高到约245K。开启阀7后保持加热，可以使汽化氙气的温度从约245K提高到约310K。
一个具有强热惯量的换热器22围绕管6加以布置。这个换热器可以由铝板组成，在入口处适于接收-30℃至40℃的气体，在出口处适于排放约5℃的气体。这样，可以在大于5℃的温度下充填压力容器2，避免在压力容器2内或其外表面上出现凝结的危险。
另外，当中间容器3与压力容器2连通时保持加热，会在热压缩机内形成比较大的温度梯度，最热的气体积聚在位于上部的出口孔3b附近，这便于所述气体朝压力容器2进行输送。
热压缩机或中间容器3应能在气体液化时经得起低温，而且还根据压力容器2充填的压力情况确定尺寸大小。腔室3c的厚度根据所述标准加以确定。压缩机的热惯量应该尽可能地小，以便不影响本发明方法的特征，尤其是周期时间。
压缩机的容积应该大得足以内装管10和加热元件15，但是不应太大，以便限定热惯量。一个几升尤其是4至6升容积的压缩机可以在几十个周期充填一个几百升的压力容器。在这种情况下，热压缩机3的壁可以具有约10毫米的厚度，其总重约为30千克。
为了检测装置的良好工作情况，压缩机最好配有一个压力传感器和一个温度传感器，附图未示出这两个传感器。同样的目的，热压缩机3可以安装在一个平衡电路上。
在每个周期被加热的流体量比较少的范围内，加热元件15消耗的功率不必太大。实际上，一个额定功率约为几千瓦、例如2-4千瓦的加热元件就足够了。
另外，几个压缩机可以并联使用，以增大设备的总流量。尤其是可以使用两个进行相反工作的热压缩机，一个压缩机对一定量气体进行液化，而另一个压缩机对其它的一定量气体进行汽化-压缩。
根据本发明未示出的其它实施例，加热元件15可以用一个具有大热容量的水或其它流体式换热器加以代替。当然，入口和出口3a和3b的布置、管10的入口和出口以及加热元件15的入口和出口的布置可以进行改进。同样，一个使用一种具有接近200K汽化温度的流体的冷却系统可以用来取代装有液态氮的管10。
本发明涉及的是用氙气充填压力容器的充填设备。当然，它也适用于其它具有较高临界温度的气体，尤其是氪气。
本发明的一个应用领域是在地面用纯度大于99.995的氙气充填压力容器，这种氙气用于卫星的等离子体推进。本发明的设备可以构成一种易于在卫星发射场上移动的轻便系统。
本发明还可以用于氙气或氪气的回收设备，例如应用在灯的工业生产领域中。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1.一种对一个压力容器充填一种气体的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
-将一定量的所述气体输入到一个中间容器(3)中，
-通过与一种冷却液的热交换(10)，使所述一定量气体进行液化，
-通过向中间容器供热，使中间容器中所述一定量气体进行加热和汽化，
-当所述中间容器中的压力大于所述压力容器的压力时，使所述中间容器和所述压力容器(2)进行流体连通。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在中间容器(3)和压力容器(2)进行流体连通后，暂时继续向所述中间容器供热。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，气体从中间容器(3)朝压力容器(2)的输送在基本恒定的压力下进行。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，热交换是与在中间容器(3)中流通的液态氮进行的。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述气体是氙气。
6.一种用气体对一个压力容器进行充填的设备，其特征在于，这种设备包括至少一个热压缩机，这个热压缩机由一个中间容器(3)形成，这个中间容器可以有选择地与一个所述气体的气源(1)和压力容器(2)相连接，所述热压缩机在一个腔室(3c)中包括使输入到中间容器中的一定量所述气体通过冷却而进行液化的液化件(10)，还包括对所述中间容器里的一定量气体进行加热的加热件(15)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述液化件包括一个冷却液流通管路(10)。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述加热件包括一个电热元件(15)。
9.根据权利要求7和8所述的设备，其特征在于，所述流通管路(10)和电热元件(15)同心地布置在中间容器内。
10.根据权利要求6至9之一所述的设备，其特征在于，所述中间容器(3)在其下部具有一个连接到气源(1)的入口(3a)，在其上部具有一个连接到压力容器的通道(3b)。
11.根据权利要求6至10之一所述的设备，其特征在于，所述中间容器包括一个接纳液化气的杯形件(20)，所述杯形件与所述中间容器(3)的腔室(3c)的内壁保持一定距离。
12.根据权利要求6至10之一所述的设备，其特征在于，这种设备包括两个适于进行相反工作的热压缩机，一个热压缩机对一定量气体进行液化，而另一个热压缩机对其它的一定量气体进行汽化-压缩。

Claims (11)

1.一种对一个压力容器充填一种气体的方法，其特征在于，这种方法在于：
-将一定量的所述气体输入到一个中间容器(3)中，
-随着所述气体逐渐输入到所述中间容器中，通过与一种冷却液的热交换(10)，使所述一定量气体进行液化，
-通过与一个热源(15)的热接触，使所述中间容器中所述一定量气体进行加热和汽化，
-当所述中间容器中的压力大于所述压力容器的压力时，使所述中间容器和所述压力容器(2)进行流体连通。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，这种方法还包括，使所述中间容器(3)和所述压力容器(2)进行流体连通后，对所述中间容器中所述一定量气体进行加热(15)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，气体从所述中间容器(3)朝所述压力容器(2)的输送在基本恒定的压力下进行。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述冷却液是液态氮。
5.一种用气体对一个压力容器进行充填的设备，其特征在于，这种设备包括至少一个热压缩机，这个热压缩机由一个中间容器(3)形成，这个中间容器布置在一个所述气体的气源(1)和所述压力容器(2)之间，所述热压缩机包括使一定量的所述气体在输入到中间容器的过程中通过冷却而进行液化的液化件(10)，还包括对所述中间容器里所述一定量气体进行加热的加热件(15)。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述一定量气体的所述液化件包括一个冷却液例如尤其是液态氮的流通管(10)。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述一定量气体的所述加热件包括一个电热元件(15)。
8.根据权利要求6和7所述的设备，其特征在于，所述流通管(10)和所述电热元件(15)布置在所述中间容器内。
9.根据权利要求5至8之一所述的设备，其特征在于，所述中间容器(3)在其下部具有一个气体入口(3a)，在其上部具有一个气体出口(3b)。
10.根据权利要求5至9之一所述的设备，其特征在于，所述中间容器包括一个接纳液化气的杯形件(20)，所述杯形件与所述中间容器(3)的内壁保持一定距离。
11.根据权利要求5至8之一所述的设备，其特征在于，这种设备包括两个适于进行相反工作的热压缩机，一个热压缩机对一定量气体进行液化，而另一个热压缩机对其它的一定量气体进行汽化-压缩。
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