CN1867799A - 用气体充装压力容器的方法 - Google Patents

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U·克勒贝
F·米歇尔
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Abstract

本发明涉及一种用一种气体或气体混合物充装例如在气囊系统中的压力容器的方法，其特征在于，用至少一种气体在一个高于该气体沸点的冷却的温度下对该压力容器进行充装、在已冷却的状态下进行封闭并且通过加热到环境温度在已充装并且封闭的压力容器中建立一个压力。

Description

用气体充装压力容器的方法
技术领域
本发明涉及一种用气体充装压力容器特别是气囊系统中的压力容器的方法。
背景技术
在汽车的气囊中，一些新的气体发生器越来越多地被采用，这些气体发生器在发生事故的情况下在几毫秒内使气囊鼓起。目前使用的气体发生器有三种类型：
·化学的发生器，其中通过一种化学固体与外界空气发生反应而产生气体；
·所谓的混合发生器，它们由固体燃料与压缩气体包的组合构成；和
·带有一个高压气体存储系统的纯净气体发生器，在15℃时一直压到700巴。
充有不同气体的气体发生器在生产过程中提出了很大的技术问题，不仅在其制造过程中而且在压力达到1000巴的充装过程中。基于压缩发热，这些压力特别是在快速充装过程中是不可缺少的，从而充装精确地预先设定的气体质量。这对于气囊的后来鼓起特性有着重大的意义。
作为气体，使用例如氩气，氧气，氮气，笑气(Distickstoffmonoxid)，不仅使用最纯净的气体，而且使用由这些组分组成的气体混合物。
在已充有气体的气体发生器中要求：
1  充气压力达到1000巴(P(T))，用于较高的存储密度或紧凑的结构尺寸。
2  在高压力下精确地测定充装量。
3  快速充装，因为这决定周期。
4  该过程必须在高质量下可再生产。
为了产生非常高的压力，需要非常昂贵的活塞式压气机或薄膜式压缩机。这导致了高的投资成本、高的运行和维护成本。另外，还需要一个用于此压力的相当昂贵的附加连接的气体供给装置。
随着压力增大，基于压缩热和压力容器中的不同的温度分布，精确的充装量测定的不精确性升高，但是该充装量测定对于发生器的随后的限定的功能是绝对需要的。
随着压力增大，快速充装在技术上难以达到并且很昂贵。充装过程期间的充装时间和加热之间有直接关系。也就是说，充装越快，气体温度升高越快。结果是，为了实现精确的气体充装量，充装压力还必须再提高15℃或再提高另一个限定的温度。
出于所述的原因，可再生产性变得更难，并且意味着昂贵的QS措施，例如已充装的容器的称量用于精确地测定充装量。同时在较高的压力下废品率大大提高。继而导致整个过程的不太经济，因此生产费用较高。
发明内容
本发明的任务是提供一种用高压气体充装压力容器特别是气囊气体发生器中的压力容器的替代的方法。
本发明的任务由一种具有权利要求1的特征的方法来完成。
在用一种气体或气体混合物高压充装压力容器的方法中，对所述压力容器进行冷却并且用至少一种气体例如两种或多种气体在一个高于该气体或上述气体的沸点的温度下进行充装、在已冷却的状态下进行封闭。通常通过加热该已充装并且封闭的压力容器来建立压力容器的充装压力。通常加热到环境温度或压力容器的使用温度。在用两种或多种气体充装时，优选将这些气体先后导入到冷却的压力容器中。以此方式，能够制造气体混合物。
为了充装，将已冷却的压力容器与一个压缩气源相连。压缩气源具有比冷却的压力容器更高的温度。通常，压缩气源不被冷却。压缩气源具有例如环境温度或一个更高的温度。压缩气源通常包括一种压缩的气体或气体混合物，优选被压缩成高压。例如在压缩气源中的气体或气体混合物具有大于或等于100巴绝对压力的压力、大于或等于200巴绝对压力的压力、大于或等于300巴绝对压力的压力，或大于或等于400巴绝对压力的压力。
在充装时，或为了充装压力容器，有利的是不使用对待充装气体进行机械压缩的机构或装置，如一个压缩机或一个气泵。也就是说，在压缩气源与压力容器之间不对引入到压力容器中的气体或气体混合物进行机械压缩。
该方法优选用于将一种气体或气体混合物充装到气囊系统中的一个压力容器。
该压力容器相应于例如通常用于气囊系统的气体发生器中的压力容器。
压力容器优选是一种气囊系统的气体发生器的一部分。该压力容器例如也是一个独立的部分如一个发气筒、一个最小型压缩气体容器或较小的压缩气体容器。该压力容器优选是一个低温适用的(kryotaugliches)压力气体容器，其承受通过低温冷冻充装在环境温度与比如达到-200℃的充装温度之间被触发的断断续续的局部的温度改变，并且被充入的气体在温度提高以后在产生的储气压力下安全地包封。用于压力容器的适合的材料是例如标准的亚稳定的(metastabilen)奥氏体CrNi钢，特别是1.4301、1.4307、1.4306、1.4541型。
在该方法中，压力容器例如一个在气囊系统的气体发生器中的待充装室与一个用于充装气体的压缩气源相连。通常这由一条气体管路实现。压缩气源是例如一个压缩气体容器，特别是一个压缩气瓶，或是一个高压气体供给站。当充装室与压缩气源相连以后，通常压力容器的待充装室的壁被冷却到充装温度。充装温度通常在0℃以下，优选是零下50℃以下，并且特别优选是零下100℃以下，特别是零下150℃以下。有利的是，充装是在冷冻液化氢气(-253℃)、冷冻液化氮气(-196℃)、冷冻液化氧气(-183℃)、冷冻液化氩气(-186℃)或其他的冷冻剂或盐溶液的沸点温度，以及在例如干冰的升华温度(-78.5℃)，要根据充装的气体种类和所希望的要产生的充装压力而定。压力容器的冷却优选在恒定的温度下进行。冷却例如借助于一个冷浴或浸浴进行，其中具有一种冷却液(例如低温冷冻液化气体)、一种冷却块(例如被冷却的金属块)、一种冷气(例如使用一种气体隧道)、冷固体颗粒(例如冷却的金属球、干冰微粒)，一种冷固体(例如干冰)或一种可热静止的(thermostatisierbaren)冷却装置。例如冷却是在具有一种冷冻剂的浸浴中进行，如冷冻液化氮气(LN2)。一种具有低温冷冻液化气体或干冰的冷浴提供良好的热转变度和因此突出的温度恒定性。
特别有利的是，在冷浴中使用一种低温冷冻液化气体(例如LN2)作为冷冻剂：
-在沸点，温度只与压力有关，因此例如在恒定的环境压力下温度被精确地限定。
-由于在沸腾的液体中有良好的热转变度，容器和其内容物快速降到同样精确的沸点温度。
-实现所需充装量的充装压力比传统的充装方法大致降低例如20-25％，也就是说四分之一到五分之一。
有利的是，要存储的气体或气体混合物以低温冷冻的气体状态(例如通过在该压力容器中的冷却或通过该压力容器之前的冷却)到达压力容器中。有利的是，在充装之前被排除该压力容器中的空气。为了充装，在已冷却的压力容器与通常不被冷却的压缩气源建立连接，并且调整成规定的压力。通常，压缩气源(例如一种气体或气体混合物的压缩气源)的温度是0℃到100℃。压缩气源具有例如环境温度，特别是室温(15℃到30℃)。在充装压力容器时，压力容器与压缩气源的温度不同，优选温度差为至少50℃，特别是优选为至少100℃，特别是至少150℃。压力容器和压缩气源中的气体或气体混合物的温度在充装时优选是不同的，至少差50℃，特别是优选为至少100℃，特别是至少150℃。
在已冷却的压力容器中调定的或具有的压力(原始的充装压力)一般在超过1巴到400巴绝对压力的范围内，优选在10巴到300巴绝对压力的范围内，特别优选在50巴到150巴绝对压力的范围内，特别在70巴到100巴绝对压力的范围内。
压力容器的充装温度(冷却温度)优选这样地选择，即充装温度超过充入气体的沸点或超过充入的气体混合物中该最高沸点的气体组分的沸点，从而不发生气体在压力容器中的冷凝。
这允许用压力计测量方式控制充装以及用压力计测量方式测定充装量。
在已冷却的压力容器充装之后将其封闭，并且对充入了气体的压力容器进行加热。通常加热到将来的使用温度(环境温度或室温)。例如通过离开冷源(例如将已充装的压力容器从一个冷浴中取出)来进行加热。也就是例如通过与环境的热交换来实现加热到环境温度。该加热还可以通过主动(aktive)加热进行。最终充装压力或二次充装压力(相同重量的压力)根据加热到所希望的温度而调定，通常是环境温度。最终充装压力由充入的气体量而定。
优选的是，一种具有最高零下100℃的沸点的永久气体或一种具有最高零下100℃的沸点的气体组分的气体混合物，例如是气体或气体组分氦气(He)、氢气(H2)、氮气(N2)、氧气(O2)或氩气(Ar)。特别是，压力容器或气体发生器充装一种纯净氦气是有吸引力的。氦气具有一个正的焦耳汤母逊系数(Joule Thomson Koeffizienten)。这意味着此气体在快速膨胀时不变冷。
在表1中举例地举出了用于各种充装气体的合适的充装温度。
表1：气体和充装温度的举例(fl.＝液化的)
 气体或气体混合物   充装温度/℃；冷冻剂(冷冻液化气体)
 氦气   -253℃；fl.H2   -196℃；fl.N2   -186℃；fl.Ar   -183℃；fl.O2
 氢气   -196℃；fl.N2   -186℃；fl.Ar   -183℃；fl.O2
 氮气   -186℃；fl.Ar   -183℃；fl.O2
 氩气   -183℃；fl.O2
 氧气   高于-183℃，例如-78.5℃(干冰冷却)
 Ar/He/O2，77∶3∶20体积％   高于-183℃，例如-78.5℃(干冰冷却)
 N2/He/O2，77∶3∶20体积％   高于-183℃，例如-78.5℃(干冰冷却)
 N2/He/，97∶3体积％   -186℃；fl.Ar或-183℃；fl.O2
根据被供给的气体量的大小能够不用较大的技术和能量成本而实现非常高的储存压力，特别是超过300巴，特别是超过400巴。
特别是在表1中的充装温度相应于环境压力下的冷冻剂的沸点温度。在使用冷冻剂的情况下，较高的充装温度能够通过将压力提高到最大临界压力而调定。在此方法的变化形式中，例如浸浴被气密地封闭。因此本发明的目标是还提供一种方法，即使用在压力下的冷冻剂。有利的是，冷浴的温度或带有一种冷冻剂的相应的冷源的温度通过改变作用于冷冻剂上的压力而改变、控制和/或调节。
本方法的优点：
·充装能够在基本上较低的工作压力下进行。
·不需超高压力压缩机，可以使用标准组件。
·相应地经济的、较小的维护和运行成本。
·可再生产并且精确。
·废品少。
·高效率例如在氦气的情况下低损失。
·相应地更经济。
·质量控制费用低，甚至于可以完全略去。
·该过程快速并且可高度自动化。
本发明另外的目标是使用一种装置，包括至少一个压缩气源、至少一个具有冷却装置的压力容器、一个在压缩气源和压力容器之间的连接管路和至少一个阀，用于对气囊系统中的压力容器充装至少一种气体或气体混合物而不用进行机械压缩。
附图说明
下面借助于附图对本发明进行描述。
图1表示一个用于压力容器的充装装置的非常简化的示意图。
图2示意地并且作为例子表示用于压力容器的充装过程的不同的阶段。
具体实施方式
图1中的充装装置具有一个待充装压力容器1、一个压缩气源2例如一个充有氦气或氢气带有单向阀和减压器的压缩气瓶(充装压力例如300巴)、一条气体连接管路3和一个带有一种低温冷冻液化气体如作为冷冻剂的液氮的冷浴4。压力容器1例如是一个气囊系统的气体发生器的一部分或是一个发气筒。
将压力容器1浸入到冷浴4中之后，通过调节一个希望的压力(例如90巴绝对压力；在压缩气瓶的减压器上调节)，将来自压缩气源2的待充装气体充装到压力容器1中。所述气体例如氦气或氢气在这种情况下很快达到表面的温度并因此达到冷冻剂的沸点。此气体在压力容器1中被冷却到冷浴的温度。该气体的沸点低于冷浴的温度，使得在压力容器1中不发生气体冷凝。调节一个与温度相应的密度，该密度基本上高于室温下的密度。所需的该气体的充装质量能够在冷浴温度的恒定温度下简单地通过充装压力精确地并且可再生产地进行调节。接下来，对在压力下充有适合介质的压力容器1进行封闭。压力容器1的封闭例如在充装管(气体输入管路3)上进行，该充装管在温度平衡以后在充装温度下被压紧或被焊接。接下来，将容器从冷浴中取出并且加热。
通过温度提高(加热)产生一种压力提高(对于温度从77上升到288K，氦气大约3.7倍，氢气大约5倍)。当气体出自一个压缩气体容器，特别是出自传统的压缩气瓶时，能够产生例如充装压力700巴或1000巴(在室温时)。在此方法中，优选在压力容器1和压缩气源2之间不置入用于产生压力的装置(例如压缩机或气泵)。
在图2中示出在用气体充装压力容器1过程中的步骤。压力容器在充装期间与压缩气源2(未示出)相连。该连接通过一个将充装导管连接在单向阀5上的接头来实现。此方法优选不置入压缩机或气泵。

Claims (21)

1.用一种气体或气体混合物高压充装压力容器的方法，其中，对所述压力容器进行冷却并且用至少一种气体在一个高于该气体的沸点的温度下进行充装、在已冷却的状态下进行封闭，并且通过加热在已充装并封闭的压力容器中建立一个压力。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，通过加热气体或气体混合物，在已充装的压力容器中产生一个大于100巴或大于200巴或大于300巴的压力。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，气体的加热通过主动加热或通过温度平衡到室温、环境温度、一个高于0℃的温度或一个另外的温度进行。
4.如权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，采用一种具有低于零下50℃的沸点的纯净气体或一种其最高沸点的气体组分具有低于零下50℃的沸点的气体混合物进行充装。
5.如权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于，压力容器的充装在至少为零下50℃或更低的温度下进行。
6.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，压力容器的充装在恒定的或基本上恒定的温度下进行。
7.如权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于，在充装压力容器时，使用一个已冷却的压力容器，其中，冷却借助于一个冷浴、一个冷却块、一种冷气、冷固体颗粒或其他的冷冻剂或一种可热静止的冷却装置进行。
8.如权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于，在充装时，用压力计测量方式测定和控制充装量。
9.如权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于，在充装压力容器时，压力容器与一个压缩气源相连，其中压缩气源的温度超过压力容器的温度。
10.如权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于，在充装压力容器时，压力容器与一个压缩气源相连，并且压力容器和压缩气源的温度差为至少50℃和/或压力容器和压缩气源中的气体或气体混合物的温度差为至少50℃。
11.如权利要求1至10中任一项的方法，其特征在于，通过充装一种预制的气体混合物或通过相互先后地充装要制造的气体混合物的气体组分的方式，对压力容器充装一种气体混合物。
12.如权利要求1至11中任一项的方法，其特征在于，在压力下，对压力容器充装一种气体或气体混合物。
13.如权利要求1至12中任一项的方法，其特征在于，压力容器的充装绝对在至少10巴的压力下进行。
14.如权利要求1至13中任一项的方法，其特征在于，压力容器的充装绝对在50至400巴范围的压力下进行。
15.如权利要求1至14中任一项的方法，其特征在于，用一种预先冷却的气体或气体混合物充装压力容器。
16.如权利要求1至15中任一项的方法，其特征在于，将气体或气体混合物预先冷却到充装温度。
17.如权利要求1至16中任一项的方法，其特征在于，为了冷却，采用一种在压力下的冷冻剂，或在冷却时通过压力作用来调整、控制或调节温度。
18.如权利要求1至17中任一项的方法，其特征在于，用于充装气囊气体发生器。
19.一种具有一个沸点的气体或气体混合物在低于零下200℃的标准压力下对已冷却的气囊系统的压力容器进行充装的应用。
20.如权利要求19的应用，其特征在于，采用一种具有至少50％体积百分比的氢气或氦气的气体或气体混合物。
21.一种装置的应用，该装置具有至少一个压缩气源、至少一个具有冷却装置的压力容器、一个在压缩气源和压力容器之间的连接管路和至少一个阀，用于对气囊系统中的压力容器充装至少一种气体或气体混合物而不用进行机械压缩。
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