DE102005004665A1 - Method and device for filling pressure vessels with non-liquefied gases or gas mixtures - Google Patents

Method and device for filling pressure vessels with non-liquefied gases or gas mixtures Download PDF

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Abstract

In order to be able to achieve high pressures, pressure vessels are filled according to the principle of "cold filling", i.e. the filler gas is filled into the pressure vessel in a cold state. Once the pressure vessel is filled and the gas is heated to ambient pressure, the pressure in the pressure vessels multiplies several times. A problem that often occurs is that during filling the filler gas or a component of the filler gas mixture freezes out, thereby resulting in a malfunction of the filling device. For this purpose, the filler gas is transported to the pressure vessel to be charged in a cold yet gaseous state. The filler gas is supplied to a heat exchanger in a liquefied state and is then evaporated. The evaporated filler gas or the gas component are returned to the heat exchanger, where it thermally contacts the still liquid filler gas and is cooled to at least approximately the temperature of the liquid filler gas. The gas treated in this manner is very cold but at the same time available in a gaseous state of matter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter bei tiefen Temperaturen im verflüssigten Zustand gelagert und einem Druckbehälter zur Befüllung zugeführt wird.The The invention relates to a method and a device for filling Pressure vessels with cold gas or gas mixture in which a filling gas or a component a filling gas mixture in a storage container at low temperatures in the liquefied Stored and fed to a pressure vessel for filling.

Um Gase mit einer hohen Speicherdichte lagern zu können, erfolgt die Speicherung entweder in flüssigem Zustand oder gasförmig unter hohen Drücken. Die Lagerung im flüssigen Zustand ermöglicht zwar eine sehr hohe Speicherdichte, sie ist jedoch nur unter Inkaufnahme mehr oder minder großer Abdampfverluste möglich, die auch bei gut wärmeisolierten Behältern unvermeidlich sind.Around Storage of gases with a high storage density is possible either in liquid Condition or gaseous under high pressure. Storage in liquid Condition allows though a very high storage density, but it is only accepted more or less big Evaporation losses possible, even when well insulated containers are inevitable.

Zur Druckspeicherung von Gasen wurden bislang überwiegend Kompressoren eingesetzt, die einen Betriebsdruck im Druckbehälter von etwa 200 bar erlauben. Die Kompressoren sind jedoch in Bau und Betrieb sehr aufwendig, zudem führen neuere Anwendungen, beispielsweise Anwendungen in der Brennstoffzellentechnik oder Gasgeneratoren für Airbags, zum Bedürfnis nach weitaus höheren Drücken von 700 bar oder mehr. Derartige Drücke sind mit konventioneller Kompressionstechnik nicht oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand zu realisieren.to Pressure storage of gases has hitherto mainly been used for compressors. which allow an operating pressure in the pressure vessel of about 200 bar. However, the compressors are very complex in construction and operation, also lead newer applications, for example applications in fuel cell technology or gas generators for Airbags, to the need after much higher Press from 700 bar or more. Such pressures are not or only with conventional compression technology unacceptably high effort to realize.

Aus der EP 0 033 386 A1 und der WO 99/05465 sind Verfahren zum Befüllen von Druckbehältern bekannt, bei dem das Füllgas vor der Zuführung an den zu befüllenden Druckbehälter verflüssigt oder auf eine Temperatur, die nur geringfügig über seiner Siedetemperatur liegt, gekühlt wird. Als bevorzugtes Kühlmittel dient dabei flüssiger Stickstoff. Aus der WO 02/066884 A1 ist ein weiter verbessertes Verfahren bekannt, bei dem auch der Druckbehälter vor und/oder während der Zuführung des kalten oder verflüssigten Füllgases gekühlt wird, beispielsweise durch Eintauchen in ein Bad in flüssigem Stickstoff. Nach Beenden des Befüllvorgangs wird der Druckbehälter druckdicht verschlossen. Da sich das Gasvolumen mit dem Abkühlen – bei gleich bleibendem Druck – ungefähr proportional zur Temperatur verhält, gelingt auf diese Weise eine Vergrößerung der effektiven Speicherkapazität um einen Faktor von ca. 2–3. Mit dem Aufwärmen des Gases steigt der Druck im Druckbehälter sehr stark an. Diese Verfahren sind beispielsweise geeignet, um Druckbehälter, die für Drücke von 700bar oder mehr zugelassen sind, kostengünstig zu befüllen. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zum Befüllen kleinvolumiger Tanks, insbesondere Gasgeneratoren für Airbags, Kraftstoffbehälter für gasbetriebene Fahrzeuge oder Brennstoffzellensysteme.From the EP 0 033 386 A1 and WO 99/05465 methods for filling pressure vessels are known in which the filling gas is liquefied before being fed to the pressure vessel to be filled or cooled to a temperature which is only slightly above its boiling temperature. The preferred coolant used here is liquid nitrogen. From WO 02/066884 A1 a further improved method is known in which the pressure vessel is also cooled before and / or during the supply of the cold or liquefied filling gas, for example by immersion in a bath in liquid nitrogen. After completion of the filling process, the pressure vessel is sealed pressure-tight. Since the gas volume with the cooling behaves - at constant pressure - approximately proportional to the temperature, succeeds in this way an increase in the effective storage capacity by a factor of about 2-3. As the gas warms up, the pressure in the pressure vessel rises sharply. For example, these methods are suitable for inexpensively filling pressure vessels permitted for pressures of 700 bar or more. In particular, this method is suitable for filling small-volume tanks, in particular gas generators for airbags, fuel tanks for gas-powered vehicles or fuel cell systems.

Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass es beim Befüllvorgang zum Kondensieren oder Ausfrieren des Füllgases bzw. einer Füllgaskomponente kommen kann. Während die Kondensation im Innern des zu befüllenden Druckbehälters in der Regel unproblematisch oder sogar gewollt ist, kann ein Ausfrieren des Gases in den Zuleitungen zum Druckbehälter zum Verschluss der Zuleitung führen.The known methods have the disadvantage that it is during the filling process for condensing or freezing the filling gas or a filling gas component can come. While the condensation in the interior of the pressure vessel to be filled in the Usually unproblematic or even wanted, can freeze lead the gas in the supply lines to the pressure vessel to close the supply line.

Um ein Ausfrieren des Füllgases zu vermeiden, kann das im flüssigen Zustand gespeicherte Füllgas vor seiner Zuführung an den Druckbehälter mittels eines Wärmetauschers verdampft und aufgeheizt werden. Der Nachteil hiervon ist, dass die Temperatur des verdampften Füllgases nur schwer zu kontrollieren ist, wodurch es zu einer Beeinträchtigung des Füllergebnisses kommt.Around a freezing of the filling gas This can be avoided in the liquid State stored filling gas before his delivery to the pressure vessel by means of a heat exchanger be evaporated and heated. The disadvantage of this is that the temperature of the vaporized filler gas It is difficult to control, which leads to impairment the filling result comes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Möglichkeit zur Befüllung von Druckbehältern mit kaltem, nicht verflüssigtem Gas anzugeben, bei dem eine Kondensation oder ein Ausfrieren des Füllgases oder einer Füllgaskomponente zuverlässig vermieden wird.task Accordingly, it is a possibility of the present invention for filling of pressure vessels with cold, not liquefied Specify gas, which is a condensation or freezing of the filling gas or a filling gas component reliable is avoided.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass das Füllgas oder die Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter vor seiner Zuführung an den Druckbehälter im verflüssigten Zustand einem Wärmetauscher zugeführt, verdampft und das verdampfte Füllgas bzw. die verdampfte Füllgaskomponente an Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers in thermischen Kontakt mit dem verflüssigten Füllgas bzw. der verflüssigten Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter gebracht wird.This is solved Task in a method of the type mentioned by, that the filling gas or the filling gas component from the reservoir before his delivery to the pressure vessel in the liquefied Condition a heat exchanger supplied evaporates and the vaporized filler gas or the vaporized filling gas component on heat exchanger surfaces of heat exchanger in thermal contact with the liquefied filling gas or the liquefied filling gas component from the reservoir is brought.

Das verdampfte Füllgas wird also durch den Wärmetausch mit dem noch flüssigen Füllgas abgekühlt und anschließend dem zu befüllenden Druckbehälter zugeleitet. Bei der Verdampfung wird dem Füllgas mindestens so viel Energie zugeführt, wie es seiner Verdampfungsenthalpie entspricht. Bei der Abkühlung durch den Wärmekontakt mit dem noch flüssigen Füllgas kann ihm diese Verdampfungsenthalpie jedoch nicht mehr entzogen werden. Die Temperatur des verdampften Füllgases nähert sich der Temperatur des noch flüssigen Füllgases an, ohne dass das verdampfte Füllgas dabei wieder kondensiert. Der Grad der Annäherung der Temperaturen des verdampften Füllgases an das noch flüssige Füllgas hängt dabei unter anderem vom Aufbau des Wärmetauschers, von der zur Erwärmung des Gases eingesetzten Heizleistung und der Durchflussmenge ab. Im – unter realistischen Bedingungen freilich nicht völlig erreichbaren – Idealfall sind die Temperaturen gleich und die Energieinhalte des verdampften bzw. noch flüssigen Füllgases unterscheiden sich nur um die Verdampfungsenthalpie. Es spielt dabei keine Rolle, auf welche Weise die der Verdampfungsenthalpie entsprechende Energiemenge dem Füllgas zugeführt wird. Ein Wärmekontakt mit einem weiteren Medium, entweder strömungstechnisch getrennt an Wärmetauscherflächen oder ohne stoffliche Trennung, etwa durch Mischung, kommt dafür ebenso in Betracht wie eine aktive Beheizung, beispielsweise durch eine elektrische oder sonstige Heizeinrichtung, oder eine Kombination verschiedener Heizeinrichtungen.The vaporized filling gas is thus cooled by the heat exchange with the still liquid filling gas and then fed to the pressure vessel to be filled. During the evaporation, at least as much energy is supplied to the filling gas as corresponds to its enthalpy of evaporation. During cooling by the thermal contact with the still liquid filling gas, however, this evaporation enthalpy can no longer be removed from it. The temperature of the vaporized filling gas approaches the temperature of the still liquid filling gas, without the vaporized filling gas condenses again. The degree of convergence of the temperatures of the vaporized filling gas to the still liquid filling gas depends inter alia on the structure of the heat exchanger, the heating power used for heating the gas and the flow rate. In ideal conditions, which are of course not fully achievable under realistic conditions, the temperatures are the same and the energy contents of the vaporized or still liquid filling gas differ only by the evaporation enthalpy. It does not matter how the amount of energy corresponding to the evaporation enthalpy is supplied to the filling gas. A thermal contact with another medium, either fluidly separated on heat exchanger surfaces or without material separation, such as by mixing, is considered as well as an active heating, for example by an electric or other heating device, or a combination of different heaters.

Um die Temperatur des verdampften Gases so gering wie möglich zu halten, ist es zweckmäßig, die Heizleistung und/oder die Durchflussmenge des Füllgases durch den Wärmetauscher zur Erwärmung des Füllgases in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases zu regeln. Dadurch werden die Heizkosten so gering wie möglich gehalten. Die als Regelgröße eingesetzte Temperatur kann dabei im Wärmetauscher, in einer Verbindungsleitung zwischen den thermisch miteinander verbundenen Abschnitten des Wärmetauschers oder in einer Füllleitung, stromab vom Wärmetauscher, erfasst werden. Alternativ kann auch der Anteil noch flüssigen Gases am Füllgas gemessen und als Ausgangsgröße zur Einstellung der Heizleistung genommen werden. Die Messung des Flüssiganteils erfolgt dabei bevorzugt im Bereich des Ausgangs des ersten Abschnitts des Wärmetauschers.Around the temperature of the vaporized gas as low as possible hold, it is appropriate, the Heating power and / or the flow rate of the filling gas through the heat exchanger to warm up the filling gas dependent on from the temperature of the filling gas to regulate. This keeps the heating costs as low as possible. The used as a controlled variable Temperature can be in the heat exchanger, in a connecting line between the thermally interconnected Sections of the heat exchanger or in a filling line, downstream from the heat exchanger, be recorded. Alternatively, the proportion of still liquid gas on the filling gas measured and as the starting point for adjustment the heating power are taken. The measurement of the liquid content takes place preferably in the region of the exit of the first section of the heat exchanger.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Füllgas vor seiner Zuführung an den Druckbehälter entspannt wird. Aufgrund der bei der Entspannung eintretenden Siedepunktserniedrigung wird so vermieden, dass aufgrund einer plötzlichen Druckschwankung in den Leitungen eine Kondensation des Füllgases auftritt.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the filling gas before his delivery relaxed at the pressure vessel becomes. Due to the decrease in boiling point occurring during the relaxation is thus avoided due to a sudden pressure fluctuation in the lines condensation of the filling gas occurs.

Eine besonders vorteilhafte Variante zur Verdampfung des Füllgases besteht darin, das aus dem Wärmetauscher austretende, zu verdampfende Füllgas durch Beimischen eines wärmeren Zusatzgases der gleichen oder einer anderen Zusammensetzung aufzuheizen. Die zur Verdampfung erforderliche Energie erhält das Füllgas vom beigemischten Zusatzgas.A particularly advantageous variant for the evaporation of the filling gas This is the heat exchanger exiting, to be evaporated filling gas by adding a warmer To heat additional gases of the same or a different composition. The energy required for evaporation receives the filling gas from the admixed additional gas.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch bei einer Vorrichtung zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter im verflüssigten Zustand gelagert und zur Befüllung einem Druckbehälter zugeführt wird, dadurch gelöst, dass zwischen Vorratsbehälter und Druckbehälter ein Wärmetauscher mit thermisch miteinander verbundenen Abschnitten vorgesehen ist, wobei ein erster Abschnitt des Wärmetauschers über eine Füllgaszuleitung mit dem Vorratsbehälter und ein zweiter Abschnitt über eine Füllgasableitung mit der Befülleinrichtung strömungsverbunden ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt eine Verbindungsleitung besteht, und eine Einrichtung zum Erwärmen des Füllgases vorgesehen ist.The The object of the invention is also in a device for filling of pressure vessels with cold gas or gas mixture in which a filling gas or a component a filling gas mixture in a storage container in the liquefied Condition stored and for filling a pressure vessel supplied is solved by that between reservoir and pressure vessels a heat exchanger is provided with thermally interconnected sections, wherein a first portion of the heat exchanger via a Füllgaszuleitung with the reservoir and a second section about a filling gas discharge with the filling device flow-connected is and between the first and the second section a connecting line consists, and means for heating the filling gas is provided.

Das Füllgas bzw. die Füllgaskomponente durchläuft also zunächst den ersten Abschnitt eines Wärmetauschers und wird durch den thermischen Kontakt mit dem verdampften Füllgas aus dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschers zumindest teilweise verdampft. Die Einrichtung zum Erwärmen des Füllgases, die innerhalb des ersten Abschnitts des Wärmetauschers oder in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Abschnitten des Wärmetauschers angeordnet sein kann, bewirkt die Zuführung einer Energie an das Füllgas, die zumindest der Verdampfungsenthalpie entspricht. Im zweiten Abschnitt des Wärmetauschers, der mit dem ersten Abschnitt thermisch verbunden ist, wird die Temperatur des verdampften Füllgases an die Temperatur des noch flüssigen Füllgases angenähert.The filling gas or the filling gas component goes through so first the first section of a heat exchanger and is characterized by the thermal contact with the vaporized filler gas the second section of the heat exchanger at least partially evaporated. The device for heating the filling gas, within the first section of the heat exchanger or in the connecting line be arranged between the two sections of the heat exchanger can, causes the feeder an energy to the filling gas, which corresponds at least to the enthalpy of evaporation. In the second section the heat exchanger, which is thermally connected to the first section, the temperature of the vaporized filler gas to the temperature of the still liquid filling gas approximated.

Vorteilhafterweise ist als Einrichtung zum Erwärmen des Füllgases eine regelbare Heizeinrichtung vorgesehen, die mit Sensoren zum Erfassen physikalischer Parameter des Füllgases, wie Temperatur oder Druck, datenverbunden ist.advantageously, is as a device for heating of the filling gas a controllable heating device provided with sensors for Detecting physical parameters of the filling gas, such as temperature or Pressure, data is connected.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass in der Verbindungsleitung und/oder in der Füllgasableitung eine Druckstufe angeordnet ist. Die Druckstufe, bei der es sich beispielsweise um einen Druckminderer oder ein regelbares Drosselventil handelt, sichert aufgrund des infolge der Entspannung erniedrigten Siedepunkts die Aufrechterhaltung des gasförmigen Aggregatszustandes des strömungsabwärts von der Druckstufe vorliegenden Füllgases auch im Falle von Druckschwankungen in der Füllgaszuleitung zum zu befüllenden Druckbehälter. Durch den Einbau der Druckstufe kann auch die Heizleistung des Füllgases auf einen Wert eingestellt werden, der geringer als die Verdampfungsenthalpie ist, sofern die Forderung erfüllt ist, dass das Füllgas bei dem erniedrigten Druck und der ihm zugeführten Energie im gasförmigen Zustand vorliegt.A expedient embodiment the device according to the invention provides that in the connecting line and / or in the filling gas discharge a Pressure level is arranged. The pressure level, which is for example is a pressure reducer or an adjustable throttle valve, ensures due to the lowered boiling point due to the relaxation the maintenance of the gaseous state of aggregation downstream of the pressure stage present filling gas also in the case of pressure fluctuations in the Füllgaszuleitung to be filled Pressure vessel. By installing the pressure stage can also on the heating power of the filling gas be set to a value lower than the enthalpy of vaporization if the claim is met is that the filling gas at the reduced pressure and the energy supplied to it in the gaseous state is present.

Vorteilhafterweise ist die Verbindungsleitung mit einer Gaszuleitung strömungsverbunden, mittels der ein Zusatzgas in die Verbindungsleitung einspeisbar ist. Auf diese Weise können insbesondere Füllgasgemische auf einfache Weise und ohne die Gefahr der Kondensation einer Füllgaskomponente hergestellt werden. Das Zusatzgas kann dabei auch zur Erwärmung des Füllgases eingesetzt werden.advantageously, is the connecting line fluidly connected to a gas supply line, by means of an additional gas can be fed into the connection line is. That way you can in particular filling gas mixtures produced in a simple manner and without the risk of condensation of a filling gas component become. The additional gas can also be used to heat the filling gas.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.Based the drawing is an embodiment closer to the invention explained become.

Die in der Zeichnung (Fig.) schematisch dargestellte Vorrichtung 1 dient zur Befüllung von Druckbehältern 2 in einer Befülleinrichtung 3 mit einem Füllgasgemisch.The apparatus shown schematically in the drawing (Fig.) 1 serves for filling pressure vessels 2 in a filling device 3 with a filling gas mixture.

Bei der Befülleinrichtung 3 selbst handelt es sich um eine an sich bekannte Einrichtung, wie sie sie beispielsweise in der WO 02/066884 beschrieben ist. Die Komponenten des Füllgasgemisches – im Ausführungsbeispiel Argon (Ar) und Helium (He) – werden in Vorratsbehältern 4, 5 gespeichert. Während im Vorratsbehälter 5 Helium unter Druck im gasförmigen Zustand bei Temperaturen von beispielsweise 20°C gespeichert wird, liegt das Argon im Vorratsbehälter 4 im tiefkalten, verflüssigten Zustand vor. Bei den Vorratsbehältern 4, 5 handelt es sich im übrigen um handelsübliche Behälter zur Speicherung von Gasen, die in bekannter Weise mit hier nicht gezeigten Armaturen, wie Absperrventilen, Überdruckventilen, Druckminderen u. dergl. ausgerüstet sind.At the filling device 3 itself is a known device, as it is described for example in WO 02/066884. The components of the Füllgasgemisches - in the embodiment argon (Ar) and helium (He) - are in storage tanks 4 . 5 saved. While in the reservoir 5 Helium is stored under pressure in the gaseous state at temperatures of, for example, 20 ° C, the argon is in the reservoir 4 in the cryogenic, liquefied state. At the storage containers 4 . 5 Moreover, it is commercially available container for storing gases that in a known manner with valves not shown here, such as shut-off valves, pressure relief valves, pressure reducers u. are equipped dergl.

Der Vorratsbehälter 4 ist über eine thermisch isolierte Füllgaszuleitung 6 mit einem Wärmetauscher 7 strömungsverbunden. Der Wärmetauscher 7 umfasst zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Abschnitte, hier als Primärabschnitt 8 bzw. Sekundärabschnitt 9 bezeichnet, die über eine Wärmetauscherfläche 10 miteinander thermisch verbunden sind. Während der Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7 mit der Füllgaszuleitung 6 strömungsverbunden ist, ist der Sekundärabschnitt 9 über eine ebenfalls thermisch isolierte Füllgasableitung 12 mit der Befülleinrichtung 3 und damit den zu befüllenden Druckbehältern 2 verbunden. Der Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7 weist einen Ausgang auf, der über eine Verbindungsleitung 13 mit einem Eingang des Sekundärabschnitts 9 strömungsverbunden ist. An bzw. in der Verbindungsleitung 13 sind die im Folgenden beschriebenen Einrichtungen vorgesehen.The storage tank 4 is via a thermally insulated filling gas supply line 6 with a heat exchanger 7 flow-connected. The heat exchanger 7 comprises two fluidically separated sections, here as the primary section 8th or secondary section 9 referred to, which has a heat exchanger surface 10 thermally connected to each other. While the primary section 8th of the heat exchanger 7 with the filling gas supply line 6 fluidly connected, is the secondary section 9 via a likewise thermally insulated filling gas discharge 12 with the filling device 3 and thus the pressure vessels to be filled 2 connected. The primary section 8th of the heat exchanger 7 has an output via a connection line 13 with an input of the secondary section 9 fluidly connected. On or in the connecting line 13 the facilities described below are provided.

In der Nähe des Ausgangs von Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7, beispielsweise unmittelbar am Ausgang des Primärabschnitts 8, ist in der Verbindungsleitung 13 eine elektrische Heizeinrichtung 15 zur Beheizung des Füllgases angeordnet. Die Heizeineinrichtung 15 ist mit einer Mess- und Regeleinrichtung 14 versehen, mittels der die an das Füllgas abgegebene Heizleistung in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases geregelt wird. Die als Regelgröße eingesetzte Temperatur des Füllgases wird dabei mittels eines Sensors 16 in einem von der Heizeinrichtung 15 stromabwärts gelegenen Abschnitt der Verbindungsleitung 13 gemessen. Stromabwärts von der Heizeinrichtung 15 ist im Ausführungsbeispiel eine Anordnung 17 zur Druckreduzierung vorgesehen, mittels der der Druck des Füllgases um einen vorbestimmten Wert erniedrigt werden kann. Bei der Anordnung 17 kann es sich beispielsweise um einen Druckminderer oder ein regelbares Drosselventil handeln. Stromabwärts von der Anordnung 17 mündet in die Verbindungsleitung 13 an einer Verbindungsstelle 18 eine Gaszuleitung 19 ein, die mit dem Vorratsbehälter 5 für eine weitere Füllgaskomponente, im Ausführungsbeispiel Helium, strömungsverbunden ist. In der Gaszuleitung 19 ist gleichfalls eine Anordnung 20 zur Druckreduzierung vorgesehen. Weiterhin sind in der Verbindungsleitung 13 und der Gaszuleitung 16 Absperrventile 22, 23 angeordnet.Near the output of primary section 8th of the heat exchanger 7 , for example, directly at the output of the primary section 8th , is in the connection line 13 an electric heater 15 arranged to heat the filling gas. The heating device 15 is with a measuring and control device 14 provided by means of which the output to the filling gas heating power is regulated in dependence on the temperature of the filling gas. The temperature used as a controlled variable of the filling gas is thereby by means of a sensor 16 in one of the heater 15 downstream section of the connecting line 13 measured. Downstream of the heater 15 is an arrangement in the embodiment 17 provided for reducing the pressure, by means of which the pressure of the filling gas can be lowered by a predetermined value. In the arrangement 17 it may, for example, be a pressure reducer or a controllable throttle valve. Downstream of the arrangement 17 flows into the connection line 13 at a junction 18 a gas supply line 19 one with the reservoir 5 for a further filling gas component, helium in the exemplary embodiment, flow-connected. In the gas supply 19 is also an arrangement 20 provided for pressure reduction. Furthermore, in the connecting line 13 and the gas supply 16 Shut-off valves 22 . 23 arranged.

Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird als Füllgas vorgesehenes verflüssigtes Argon aus dem Vorratsbehälter 4 über die Füllgaszuleitung 6 dem Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7 zugeführt. Dort erfolgt aufgrund des thermischen Kontakts mit dem Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7 eine zumindest teilweise Verdampfung des Füllgases. Im Anschluss daran wird das Füllgas der Heizeinrichtung 15 zugeführt, die dem Füllgas eine Energie zuführt, die zumindest der Verdampfungsenthalpie entspricht, d.h. spätestens stromab von der Heizeinrichtung 15 ist das Füllgas vollständig verdampft. Über die Verbindungsleitung 13 wird das verdampfte Füllgas in den Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7 geleitet und gelangt dort an der Wärmetauscherfläche 10 in thermischen Kontakt mit dem noch flüssigen Füllgas im Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7. Aufgrund des thermischen Kontakts kühlt sich das gasförmige Füllgas ab, im Idealfall bis auf die Temperatur des noch flüssigen Füllgases ab, kann jedoch aufgrund der Temperatur- und Druckverhältnisse selbst nicht kondensieren. Das Füllgas befindet sich also in einem sehr kalten, jedoch gasförmigen Zustand. In diesem Zustand wird das Füllgas den Druckbehältern 2 über die isolierte Füllgasableitung 12 zur Befüllung zugeführt. Ein in der Füllgasableitung 12 vorgesehener Druckpuffer 22 dient dabei dazu, mögliche Druckschwankungen in der Füllgasableitung 12, die bei der Befüllung der Druckbehälter 2 entstehen können, zu dämpfen und den Befüllvorgang insgesamt zu vergleichmäßigen. Nach Beendigung des Befüllvorgangs und dem Verschließen der Druckbehälter 2 erwärmt sich das Füllgas in den Druckbehältern 2 allmählich bis auf Umgebungstemperatur und erhöht seinen Druck erheblich. Werden beispielsweise die zu befüllenden Druckbehälter 2 ihrerseits – etwa mit Flüssigstickstoff – gekühlt und kondensiert somit das Gas im Innern der Druckbehälter 2 während der Befüllung, können nach Verschließen der Druckbehälter 2 und ihrer anschließenden Erwärmung auf Umgebungstemperatur Drücke erzielt werden, die den Eingangsdruck um das Mehrhundertfache übersteigen. Selbst für Höchstdrücke ausgelegte Druckbehälter können so mit Gas befällt werden, dessen Druck bei der Befüllung im Bereich des Atmosphärendrucks oder nur wenige bar (105 Pa) beträgt.When operating the device 1 is provided as a filling gas liquefied argon from the reservoir 4 via the filling gas supply line 6 the primary section 8th of the heat exchanger 7 fed. There is due to the thermal contact with the secondary section 9 of the heat exchanger 7 an at least partial evaporation of the filling gas. Following this, the filling gas of the heater 15 supplied, which supplies the filling gas with an energy which corresponds at least to the enthalpy of vaporization, ie, at the latest downstream of the heater 15 the filling gas is completely evaporated. About the connection line 13 the vaporized filling gas is in the secondary section 9 of the heat exchanger 7 passed and reaches there on the heat exchanger surface 10 in thermal contact with the still liquid filling gas in the primary section 8th of the heat exchanger 7 , Due to the thermal contact, the gaseous filling gas cools down, ideally up to the temperature of the still liquid filling gas, but can not condense itself due to the temperature and pressure conditions. The filling gas is thus in a very cold, but gaseous state. In this state, the filling gas is the pressure vessels 2 via the isolated filling gas discharge 12 supplied for filling. One in the filling gas discharge 12 provided print buffer 22 serves for possible pressure fluctuations in the filling gas discharge 12 when filling the pressure vessel 2 can emerge, damp and overall to complete the filling process. After completion of the filling process and closing the pressure vessel 2 the filling gas heats up in the pressure vessels 2 gradually to ambient temperature and increases its pressure significantly. For example, the pressure vessel to be filled 2 in turn - cooled with liquid nitrogen - and thus condenses the gas inside the pressure vessel 2 during filling, after closing the pressure vessel 2 and their subsequent heating to ambient temperature pressures exceeding the input pressure by a factor of several hundreds. Even for maximum pressures designed pressure vessel can be so filled with gas, its pressure in the filling in the area the atmospheric pressure or only a few bar (10 5 Pa).

Zur Herstellung eines Füllgasgemisches, im Ausführungsbeispiel eines Argon-Helium- Gemisches, wird eine zusätzliche Füllgaskomponente – im Beispiel Helium – aus dem Vorratsbehälter 5 über die Gaszuleitung 19 in die Verbindungsleitung 13 eingespeist und vermischt sich dort mit dem verdampften Füllgas – im Beispiel Argon. Durch eine geeignete Einstellung bzw. Auswahl der Anordnungen 17, 20 zur Druckreduzierung wird ein gewünschtes Mischungsverhältnis zwischen den Komponenten eingestellt. Mittels der Absperrventile 22, 23 kann die Zufuhr einer Füllgaskomponente zeitweise auch vollständig unterbunden werden. Weist die über die Gaszuleitung 19 zugeführte zusätzliche Füllgaskomponente eine höhere Temperatur als die Siedetemperatur des Füllgases im Vorratsbehälter 4, kann auf den Einsatz der Heizeinrichtung 15 ganz oder teilweise verzichtet werden. Die zur Verdampfung notwendige Energie wird dem Füllgas dann ganz oder teilweise von der zusätzlichen Füllgaskomponente übertragen. Das Füllgasgemisch gelangt anschließend in den Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7, wird dort wie zuvor beschrieben abgekühlt und zur Befülleinrichtung 3 geleitet. Bei der zuvor beschriebenen Anordnung sollte der Siedepunkt der im Vorratsbehälter 5 gespeicherten zusätzlichen Füllgaskomponente niedriger sein als der des im Vorratsbehälter 4 gespeicherten Füllgases. Ist dies nicht der Fall, muss gewährleistet werden, dass es bei der Abkühlung des Füllgasgemisches im Wärmetauscher 7 nicht zur Kondensation der zusätzlichen Füllgaskomponente kommt. Dies wird dadurch erreicht, dass in diesem Fall dem System, beispielsweise mittels der Heizeinrichtung 15, eine entsprechend höhere Energie zugeführt wird, die die Kondensation der zusätzlichen Füllgaskomponente verhindert.For the preparation of a filling gas mixture, in the embodiment of an argon-helium mixture, an additional filling gas component - in the example helium - from the reservoir 5 via the gas supply line 19 in the connection line 13 fed there and mixes there with the vaporized filler gas - in the example argon. By a suitable setting or selection of the arrangements 17 . 20 To reduce the pressure, a desired mixing ratio between the components is set. By means of the shut-off valves 22 . 23 the supply of a filling gas component can be temporarily stopped completely. Indicates the over the gas supply line 19 supplied additional filling gas component has a higher temperature than the boiling temperature of the filling gas in the reservoir 4 , may be on the use of the heater 15 be waived in whole or in part. The energy necessary for the evaporation is then transferred to the filling gas in whole or in part from the additional filling gas component. The filling gas mixture then passes into the secondary section 9 of the heat exchanger 7 , where it is cooled as described above and the filling 3 directed. In the arrangement described above, the boiling point of the in the reservoir 5 stored additional Füllgaskomponente be lower than that of the reservoir 4 stored filling gas. If this is not the case, it must be ensured that it is during the cooling of the filling gas mixture in the heat exchanger 7 does not come to the condensation of the additional filling gas component. This is achieved in that case in this case the system, for example by means of the heater 15 , A correspondingly higher energy is supplied, which prevents the condensation of the additional filling gas component.

Die zusätzliche Füllgaskomponente oder weitere Füllgaskomponenten, können im Rahmen der Erfindung dem Füllgas auch an anderer – hier nicht gezeigter – Stelle hinzugeführt werden, insbesondere stromabwärts vom Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7.In the context of the invention, the additional filling gas component or further filling gas components can also be added to the filling gas at another point (not shown here), in particular downstream of the secondary section 9 of the heat exchanger 7 ,

Im Ausführungsbeispiel wird der Druck des Füllgases in der Verbindungsleitung an der Anordnung 17 reduziert. Aufgrund der mit dem Druckabfall verbundenen Siedepunktserniedrigung wird gewährleistet, dass auch im Falle von Druckschwankungen in der Füllgasableitung 12 eine Kondensation stets zuverlässig verhindert wird.In the exemplary embodiment, the pressure of the filling gas in the connecting line to the arrangement 17 reduced. Due to the boiling point reduction associated with the pressure drop, it is ensured that even in the case of pressure fluctuations in the filling gas discharge 12 Condensation is always reliably prevented.

Durch die Befüllung der Druckbehälter 2 mit sehr kaltem gasförmigem Füllgas oder Füllgasgemisch können nach Abschluss des Befüllvorgangs, dem Verschließen der Druckbehälter und der anschließenden Erwärmung der Druckbehälter 2 auf Umgebungstemperatur ohne großen apparativen Aufwand in den Druckbehältern 2 Drücke von 700bar und mehr erzielt werden. Die Vorrichtung 1 ist damit besonders geeignet zum Befüllen von Gasgeneratoren für Airbags geeignet.By filling the pressure vessel 2 with very cold gaseous filling gas or filling gas mixture can after completion of the filling process, the closing of the pressure vessel and the subsequent heating of the pressure vessel 2 at ambient temperature without much equipment in the pressure vessels 2 Pressures of 700bar and more can be achieved. The device 1 is therefore particularly suitable for filling gas generators for airbags.

11
Vorrichtungcontraption
22
Druckbehälterpressure vessel
33
Befülleinrichtungfilling
44
Vorratsbehälterreservoir
55
Vorratsbehälterreservoir
66
Füllgasleitungfill gas
77
Wärmetauscherheat exchangers
88th
Primärabschnitt (des Wärmetauschers)primary section (of the heat exchanger)
99
Sekundärabschnitt (des Wärmetauschers)secondary section (of the heat exchanger)
1010
WärmetauscherflächeHeat exchanger surface
1111
1212
FüllgasableitungFüllgasableitung
1313
Verbindungsleitungconnecting line
1414
Mess- und Regeleinrichtungmeasurement and control device
1515
Heizeinrichtungheating
1616
Temperatursensortemperature sensor
1717
Anordnung zur Druckreduzierungarrangement for pressure reduction
1818
Verbindungsstellejunction
1919
Gaszuleitunggas supply
2020
Anordnung zur Druckreduzierungarrangement for pressure reduction
2121
2222
Druckpufferprint buffer
2323
Absperrventilshut-off valve
2424
Absperrventilshut-off valve

Claims (8)

Verfahren zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter (4) bei tiefen Temperaturen im verflüssigten Zustand gelagert und einem Druckbehälter (2) zur Befüllung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas oder die Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter (4) vor seiner Zuführung an den Druckbehälter (2) im verflüssigten Zustand einem Wärmetauscher (7) zugeführt, verdampft und das verdampfte Füllgas bzw. die verdampfte Füllgaskomponente an Wärmetauscherflächen (10) des Wärmetauschers (7) in thermischen Kontakt mit dem verflüssigten Füllgas bzw. der verflüssigten Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter (4) gebracht wird.Method for filling pressurized containers with cold gas or gas mixture, in which a filling gas or a component of a filling gas mixture in a storage container ( 4 ) stored at low temperatures in the liquefied state and a pressure vessel ( 2 ) is supplied to the filling, characterized in that the filling gas or the filling gas component from the reservoir ( 4 ) before it is fed to the pressure vessel ( 2 ) in the liquefied state a heat exchanger ( 7 ), evaporated and the vaporized filling gas or the vaporized filling gas component at heat exchanger surfaces ( 10 ) of the heat exchanger ( 7 ) in thermal contact with the liquefied filling gas or the liquefied filling gas component from the reservoir ( 4 ) is brought. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Füllgases und/oder der Mengendurchfluss des Füllgases durch den Wärmetauscher (7) in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases geregelt wird.A method according to claim 1, characterized in that the heating of the filling gas and / or the mass flow of the filling gas through the heat exchanger ( 7 ) is regulated as a function of the temperature of the filling gas. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas vor seiner Zuführung an den Druckbehälter (2) entspannt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the filling gas before Zufüh tion to the pressure vessel ( 2 ) is relaxed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Füllgases durch die Beimischung eines Zusatzgases erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the heating of the filling gas done by the admixture of an additional gas. Vorrichtung zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter (4) im verflüssigten Zustand gelagert und zur Befüllung einem Druckbehälter (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorratsbehälter (4) und Druckbehälter (2) ein Wärmetauscher (7) mit thermisch miteinander verbundenen Abschnitten (8, 9) vorgesehen ist, wobei ein erster Abschnitt (8) des Wärmetauschers über eine Füllgaszuleitung (6) mit dem Vorratsbehälter (4) und ein zweiter Abschnitt (9) über eine Füllgasableitung (12) mit der Befülleinrichtung (3) strömungsverbunden ist und zwischen dem ersten Abschnitt (8) und dem zweiten Abschnitt (9) eine Verbindungsleitung (13) besteht, und eine Einrichtung (15) zum Erwärmen des Füllgases vorgesehen ist.Device for filling pressure vessels with cold gas or gas mixture, in which a filling gas or a component of a filling gas mixture in a reservoir ( 4 ) stored in the liquefied state and for filling a pressure vessel ( 2 ), characterized in that between reservoir ( 4 ) and pressure vessels ( 2 ) a heat exchanger ( 7 ) with thermally interconnected sections ( 8th . 9 ), a first section ( 8th ) of the heat exchanger via a filling gas supply line ( 6 ) with the reservoir ( 4 ) and a second section ( 9 ) via a filling gas discharge ( 12 ) with the filling device ( 3 ) is fluidly connected and between the first section ( 8th ) and the second section ( 9 ) a connection line ( 13 ), and a facility ( 15 ) is provided for heating the filling gas. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (15) zum Erwärmen des Füllgases eine regelbare Heizeinrichtung vorgesehen ist, die mit Sensoren (16) zum Erfassen physikalischer Parameter des Füllgases, wie Temperatur oder Druck, datenverbunden ist.Device according to claim 5, characterized in that as device ( 15 ) is provided for heating the filling gas, a controllable heating device with sensors ( 16 ) for detecting physical parameters of the filling gas, such as temperature or pressure, is data-connected. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (13) und/oder in der Füllgasableitung eine Druckstufe (17) angeordnet ist.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that in the connecting line ( 13 ) and / or in the filling gas discharge a pressure stage ( 17 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (13) mit einer Gaszuleitung (20) strömungsverbunden ist, mittels der ein Zusatzgas in die Verbindungsleitung (13) einspeisbar ist.Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the connecting line ( 13 ) with a gas supply line ( 20 ) is fluidly connected, by means of an additional gas in the connecting line ( 13 ) can be fed.
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