DE102005019413A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllgas oder Füllgasgemisch - Google Patents

Abstract

Zur Befüllung von Gasgeneratoren für Airbags werden Behälter in tiefkaltem Zustand mit verflüssigten Gasen oder Gasgemischen bei mäßigem Druck befüllt. Nach dem Verschließen des Behälters und Erwärmung auf Umgebungstemperatur erhöht sich der Fülldruck im Behälter aufgrund der Erwärmung des Füllgases um ein Vielfaches. Nachteilig ist, dass eine genaue Dosierung des siedenden Flüssiggases nur schwer möglich ist. DOLLAR A Um möglichst genau definierte Gasmengen einzufüllen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Füllgas oder zumindest eine Füllgaskomponente in einem Dosierbehälter durch thermischen Kontakt mit einem Wärmeaustauschmittel auf eine Temperatur zu bringen, die niedriger als der Siedepunkt, jedoch höher als der Gefrierpunkt des Füllgases bzw. der Füllgaskomponente ist, und gleichzeitig die Temperatur im Innern des zu befüllenden Behälters niedriger als die im Dosierbehälter zu halten. DOLLAR A Das Füllgas kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit großer Zuverlässigkeit dosiert und so die in den Behälter einzufüllende Gasmenge und/oder die Zusammensetzung des einzufüllenden Gasgemisches zuverlässig voreingestellt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllgas oder Füllgasgemisch.
• 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. Zur Druckspeicherung von Gasen wurden bislang überwiegend Kompressoren eingesetzt, die einen Betriebsdruck im Druckbehälter von etwa 200 bis 300 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.
• 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 im gasförmigen Zustand auf eine Temperatur, die nur geringfügig über seiner Siedetemperatur liegt, gekühlt wird. Als bevorzugtes Kühlmittel dient dabei flüssiger Stickstoff. Aus der WO 02/066884 Al 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 aus 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. Dieses Verfahren ist 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.
• Bei der Befüllung mit verflüssigtem Gas tritt jedoch das Problem auf, dass die Handhabung des im siedenden Zustand vorliegenden Füllgases mit großen Schwierigkeiten verbunden ist. Insbesondere ist eine exakte Bestimmung der eingefüllten Stoffmenge und somit – im Falle eines Gasgemisches – eine genaue Angabe des Mischungsverhältnisses der einzelnen Gaskomponenten im befüllten Behälter kaum zu bewerkstelligen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Möglichkeit zur Befüllung von Druckbehältern mit Gasen oder Komponenten von Gasgemischen anzugeben, bei der die eingefüllte Gasmenge möglichst genau festgelegt ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
• Nach den erfindungsgemäßen Verfahren ist also der zu befüllende Behälter mit einem Dosierbehälter strömungsverbunden. Der Dosierbehälter wird mittels eines Wärmeaustauschmittels auf eine Temperatur gehalten, die unterhalb der Siedetemperatur des Füllgases bzw. der Füllgaskomponente, jedoch oberhalb seiner Schmelztemperatur bzw. seines Stockpunktes liegt. Gleichzeitig befindet sich auch der zu befüllende Behälter in Wärmeaustausch mit einem Wärmeaustauschmittel der gleichen oder einer anderen Art und wird auf eine Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur im Dosierbehälter, gehalten. Das Füllgas oder die Füllgaskomponente liegt im Dosierbehälter also im flüssigen, jedoch nicht im siedenden Zustand vor und kann in seiner Menge sehr genau bestimmt werden. Zugleich verhindert die niedrigere Temperatur im zu füllenden Behälter eine Verdampfung des Gases beim Befüllen und begünstigt aufgrund des Kryopumpeneffekts die Förderung des Gases aus dem Dosierbehälter in den zu befüllenden Behälter.
• Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Wärmeaustauschmittel für den Dosierbehälter und oder für den zu befüllenden Behälter um ein verflüssigtes Gas, dessen Siedetemperatur durch Einstellung des Drucks variiert wird. Dadurch kann die Temperatur des Gases in einem weiten Bereich entsprechend den Erfordernissen genau eingestellt und insbesondere auf einen Wert gehalten werden, der hinreichend weit oberhalb des Gefrierpunktes bzw. des Stockpunktes des Füllgases liegt, damit der Füllprozess nicht durch Eisablagerungen gestört wird.
• In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zu befüllende Behälter mit dem gleichen Wärmeaustauschmittel temperiert wird, das auch zur Temperierung des Dosierbehälters vorgesehen ist, wobei die Temperaturdifferenz zwischen den Behältern durch unterschiedliche Drücke des Wärmeaustauschmittels realisiert wird.
• Eine weiter ausgestaltende Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der mit einer oder mehreren Füllgaskomponente/n teilweise befüllte Behälter anschließend mit einer im gasförmigen Zustand gehaltenen Füllgaskomponente befüllt wird. Das Mischungsverhältnis der gasförmigen Füllgaskomponente zu den übrigen Füllgaskomponenten kann vorteilhaft durch Variation des Gasdrucks der gasförmigen Komponente eingestellt werden. Im erwärmten Zustand ist der befüllte Behälter dann mit einem Gasgemisch befüllt, dessen Zusammensetzung mit großer Genauigkeit bekannt ist.
• Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllgas oder einem Füllgasgemisch gelöst, die mit einem Dosierbehälter versehen ist, der an Wärmetauscherflächen mit einem Wärmeaustauschmittel in thermischen Kontakt steht und mit einer Füllgaszuführung zur Zuführung des Füllgases oder einer Füllgaskomponente im flüssigen oder gasförmigen Zustand und mit einer Füllleitung zum Anschließen des zu befüllenden Behälters ausgerüstet ist. Der temperierte Dosierbehälter ermöglicht die Zuführung eines verflüssigten Füllgases oder einer Füllgaskomponente bei einer Temperatur unterhalb seines Siedepunktes und somit ohne die störenden Einflüsse, die beim Sieden des Füllgases auftreten würden.
• Bei einer besonders zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Dosierbehälter in einem zur Aufnahme des Wärmeaustauschmittels vorgesehenen Druckbehälter angeordnet. Innerhalb des Druckbehälters ist der Dosierbehälter in einem Bad aus Wärmeaustauschmittel aufgenommen, dessen Temperatur durch Variation des Drucks im Druckbehälter zielgerichtet eingestellt werden kann. Die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeaustauschmittel und dem Füllgas erfolgt über die Wände des Dosierbehälters.
• Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auch der zu befüllende Behälter während seiner Befüllung in einem mit einem Wärmeaustauschmittel befüllbaren Bad aufgenommen ist.
• Um die Zugabe des Füllgases bzw. der Füllgaskomponente möglichst zuverlässig steuern zu können, ist der Dosierbehälter vorteilhafterweise mit einer Kontrolleinrichtung zur Festlegung des Flüssigkeitspegels im Dosierbehälter ausgerüstet. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Überlauf handeln, oder um eine Mess- und Steuereinrichtung, die die Zugabe von Füllgas ab einer bestimmten Füllhöhe unterbindet.
• Anhand der Zeichnung (1 ) soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
• Die Vorrichtung 1 zum Befüllen eines Behälters 2 mit einem Füllgas oder Füllgasgemisch umfasst einen Dosierbehälter 3, der im Innern eines Druckbehälters 4 aufgenommen ist. In den Dosierbehälter 3 mündet in seinem oberen Bereich eine Gaszuleitung 6 zum Zuführen von Füllgas im gasförmigen Zustand ein. Die Gaszuleitung 6 ist mit einer Entlüftungsleitung 7 verbunden. Gaszuleitung 6 und Entlüftungsleitung 7 können mit Armaturen 8, 9 geschlossen oder geöffnet werden. In einen mittleren Bereich des Dosierbehälters 3 mündet eine Flüssiggaszuleitung 11 zum Zuführen eines verflüssigten Füllgases ein. Die Flüssiggaszuleitung 11 ist mit einer Armatur 12 versehen, die mittels einer Steuereinrichtung 13 in Abhängigkeit von einem gemessenen Flüssigkeitspegel 14 im Innern des Dosierbehälters 3 ansteuerbar ist. Ferner ist der Dosierbehälter 3 mit einer Füllleitung 15 ausgerüstet, die im Betriebszustand der Vorrichtung 1 über eine lösbare Verbindungseinrichtung 10 die Strömungsverbindung zum zu befüllenden Behälter 2 herstellt. Die Füllleitung 15 ist mit einer Absperrarmatur 16 ausgerüstet.
• Der mit einer – hier nur teilweise dargestellten – Isolierung 17 versehene Druckbehälter 4 ist mit einer Zuleitung 18 für ein Wärmeaustauschmedium ausgerüstet. In der Zuleitung 18 ist eine Armatur 19 angeordnet, die mittels einer Steuerung 20 in Abhängigkeit von einem gemessenen Flüssigkeitspegel 21 im Innern des Druckbehälters 4 gesteuert werden kann. In einem oberen Bereich des Druckbehälters 4 mündet eine Gasableitung 22 ein. Eine Einrichtung 23 zur Druckkontrolle gewährleistet die Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks im Druckbehälter 4.
• Die Funktionsweise der Vorrichtung 1 soll anhand eines Beispiels nun näher erläutert werden. Im Beispiel soll der Behälter 2 mit möglichst exakt dosierten Mengen von Argon und Helium befüllt werden. Hierzu wird zunächst der Dosierbehälter 3 über die Flüssiggaszuleitung 11 mit flüssigem Argon befüllt, das aus einem hier nicht gezeigten Vorratsbehälter in flüssiger Form entnommen wurde. Um zu gewährleisten, dass das Argon im Dosierbehälter 3 im flüssigen Zustand vorliegt, ist der Dosierbehälter 3 im Druckbehälter 4 in einem Bad aus einem Kühlmittel, im Beispiel flüssiger Stickstoff, aufgenommen. Der flüssige Stickstoff wird dem Druckbehälter über die Zuleitung 18 zugeführt. Der Austausch von Wärme zwischen Dosierbehälter 3 und dem Flüssigstickstoffbad erfolgt über die Wände des Dosierbehälters 3. Beim Wärmeübergang verdampft der Stickstoff im Druckbehälter 4 teilweise und erhöht damit den Druck im Druckbehälter 4. Mittels der Einrichtung 23 zur Druckregelung, wird der Druck im Druckbehälter auf einen vorgegebenen Wert von beispielsweise etwa 3 bar aufrechterhalten. Bei diesem Druck liegt der Flüssigstickstoff im Druckbehälter 4 bei einer Temperatur von ca. minus 187°C vor, also bei einer Temperatur, die unterhalb des Siedepunktes von Argon unter Normaldruckbedingungen (minus 186°C) oder bei höheren Drücken, jedoch oberhalb des Schmelzpunktes von Argon (minus 189°C) liegt. Das im Dosierbehälter 3 bei einem geringen Überdruck von beispielsweise ca. 1,1 bar vorliegende Argon liegt damit im flüssigen, jedoch nicht im siedenden Zustand vor. In diesem Zustand ist das flüssige Argon leicht zu handhaben und ermöglicht insbesondere die exakte Befüllung des Dosierbehälters 4 bis zu einem vorgegebenen Flüssigkeitspegel 14.
• Wenn der Dosierbehälter 3 auf diese Weise mit einer definierten Flüssigargonmenge befüllt ist, wird die Armatur 12 vollständig geschlossen und die Armatur 16 geöffnet. Das Argon fließt in den Behälter 2. Der Behälter 2 ist in einem isolierten Tauchbadbehälter 25 aufgenommen und wird ebenfalls mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Der Stickstoff hat im Tauchbadbehälter 25 jedoch einen geringeren Druck als im Druckbehälter 4, beispielsweise Atmosphärendruck, und liegt demzufolge bei einer niedrigeren Temperatur vor. Dadurch ist der Argondampfdruck im Behälter 1 stets niedriger als im Dosierbehälter 2, sodass der Befüllvorgang nicht durch verdampfendes Argon behindert wird. Liegt der Flüssigstickstoff im Tauchbadbehälter 25 bei atmosphärischem Druck vor, beträgt seine Temperatur minus 196°C und das eingefüllte Argon im Behälter 2 friert aus. Die hierdurch erzeugte Sogwirkung (Kryopumpeneffekt) unterstützt und beschleunigt den Befüllvorgang.
• Die Befüllung des Behälters 1 mit flüssigem Argon ist im übrigen auch dann möglich, wenn die Verbindungseinrichtung 10 nicht gasdicht, sondern nach Art einer Spritze ausgebildet ist. Weiterhin kann anstelle der zuvor beschriebenen Befüllung des Dosierbehälters 3 mit flüssigem Argon auch Argon im gasförmigen Zustand über die Gaszuleitung 6 herangeführt werden, welches sich dann im Dosierbehälter 3 durch die Wärmeabfuhr über die Behälterwand des Dosierbehälters 3 verflüssigt. Anstelle des den Dosierbehälter 3 aufnehmenden Druckbehälters 4 oder ergänzend zu diesem kann die Temperatur im Dosierbehälter 4 auch durch eine andere Technik, etwa durch eine Wärmetauscher, eingestellt werden.
• Nachdem das flüssige Argon in den Behälter 2 eingefüllt wurde, erfolgt die Zudosierung eines weiteren Gases, das im flüssigen oder gasförmigen Zustand zugeführt werden kann. Im Beispiel wird gasförmiges Helium über die Gaszuleitung 6 in den Dosierbehälter 3 eingebracht. Die Kontrolle über die zugeführte Gasmenge erfolgt dabei durch Regelung des Drucks in der Gaszuleitung 6 oder im Dosierbehälter 3. Das Helium bleibt im Dosierbehälter 3 im gasförmigen Zustand. Die Zudosierung des Heliums kann erfolgen, nachdem das im Dosierbehälter 3 zwischengespeicherte Argon vollständig in den Behälter eingefüllt worden ist; es ist jedoch auch möglich, die Zuführung des Heliums über die Gaszuleitung 6 bereits während der Argon-Befüllung des Behälters 2 vorzunehmen und damit infolge des Gasdrucks die Befüllung des Behälters 2 insgesamt zu beschleunigen.
• Nach Abschluss der Heliumbefüllung wird die Absperrarmatur 16 geschlossen, der Behälter 2 verschlossen und von der Verbindungseinrichtung 10 getrennt. Der Dosierbehälter 3 wird durch Öffnen des Armatur 9 druckentlastet, und die Vorrichtung 1 steht zur Befüllung eines weiteren Behälters zur Verfügung.
• Der Behälter 1 kann in einer anderen Vorgehensweise auch nach der Befüllung mit Argon von der Vorrichtung 1 abgekoppelt und zu einer weiteren Abfüllvorrichtung transportiert werden, in der dann die Heliumbefüllung erfolgt. Wegen des niedrigen Argon-Dampfdrucks im Behälter 1 entweicht beim Transport nahezu kein Argon aus dem Behälter 2, auch wenn dieser für den Transportvorgang nicht verschlossen wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bereits vorhandene Helium-Füllanlagen hierfür genutzt werden könnten. Die Vorrichtung 1 eignet sich auch zur Befüllung von Behältern mit Gasgemischen, die aus mehr als zwei Komponenten bestehen. In diesem Falle werden die einzelnen Komponenten sukzessive in der zuvor beschriebenen Weise zudosiert. Die Vorrichtung 1 ermöglicht eine genaue und schnelle Befüllung von Behältern 2 mit niedrigem Befülldruck und einem genau vorausberechenbaren Enddruck.

1

Vorrichtung

2

Behälter

3

Dosierbehälter

4

Druckbehälter

5

–

6

Gaszuleitung

7

Entlüftungsleitung

8

Armatur

9

Armatur

10

Verbindungseinrichtung

11

Flüssiggaszuleitung

12

Armatur

13

Steuereinrichtung

14

Flüssigkeitspegel

15

Füllleitung

16

Armatur

17

Isolierung

18

Zuleitung

19

Ventil

20

Steuerung

21

Flüssigkeitspegel

22

Gasableitung

23

Einrichtung zur Druckkontrolle

24

–

25

Tauchbadbehälter

Claims (9)

1. Verfahren zum Befüllen eines Behälters (2) mit einem Füllgas oder Füllgasgemisch, bei dem – das Füllgas oder eine Füllgaskomponente in einem Dosierbehälter (3) mit einem Wärmeaustauschmittel in thermischen Kontakt gebracht und auf einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb seines/ihres Siedepunktes und oberhalb seines/ihres Gefrierpunktes liegt, – der zu befüllende Behälter (2) mittels eines Wärmeaustauschmittels auf eine Temperatur gebracht wird, die niedriger als die Temperatur im Dosierbehälter (3) ist, und – der zu befüllende Behälter (2) anschließend mit dem Füllgas oder der Füllgaskomponente aus dem Dosierbehälter (3) befüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmittel für den Dosierbehälter (3) und/oder den zu befüllenden Behälter ein verflüssigtes Gas ist und durch Einstellung seines Drucks eine vorgegebene Temperatur des Wärmeaustauschmittels eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Dosierbehälter (3) und dem zu befüllenden Behälter (3) durch unterschiedliche Drücke des jeweiligen Wärmeaustauschmittels realisiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einer oder mehreren Füllgaskomponente/n teilweise befüllte Behälter (2) anschließend mit einer im gasförmigen Zustand gehaltenen Füllgaskomponente befüllt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis der gasförmigen Füllgaskomponente zu den übrigen Füllgaskomponenten durch Variation des Gasdrucks der dem Behälter (2) zugeführten gasförmigen Füllgaskomponente eingestellt wird.
6. Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters (2) mit einem Füllgas oder einem Füllgasgemisch, mit einem Dosierbehälter (3), der an Wärmetauscherflächen mit einem Wärmeaustauschmittel in thermischen Kontakt steht und der mit einer Füllgaszuführung (6, 11) zur Zuführung des Füllgases oder einer Füllgaskomponente im flüssigen oder gasförmigen Zustand und mit einer Füllleitung (15) zum Anschließen an den zu befüllenden Behälters (2) ausgerüstet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierbehälter (3) in einem zur Aufnahme des Wärmeaustauschmittels vorgesehenen Druckbehälter (4) aufgenommen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zu befüllende Behälter (2) während seiner Befüllung in einem mit einem Wärmeaustauschmittel befüllbaren Bad (30) aufgenommen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierbehälter (3) mit einer Kontrolleinrichtung (13) zur Festlegung des Flüssigkeitspegels (14) im Dosierbehälter ausgerüstet ist.