DE102006025721A1 - Indirekte kryogene Befüllung von Druckgasgefäßen - Google Patents

Abstract

Bei dem Verfahren zum Befüllen eines Druckbehälters, insbesondere eines Druckbehälters für ein Airbag-System, mit einem Gas oder Gasgemisch, werden mindestens ein teilweise oder vollständig kälteverflüssigtes, ein teilweise oder vollständig kälteverfestigtes oder kaltes gasförmiges Gas oder Gasgemisch in einen oder mehrere Druckbehälter eingebracht, der oder die Druckbehälter verschlossen und mit dem Inhalt auf eine höhere Temperatur gebracht und als eine Druckgasquelle für die oder bei der Befüllung mit einem gasförmigen Gas oder Gasgemisch ein oder mehrerer Druckbehälter eingesetzt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasbefüllung eines Druckbehälters und deren Verwendung zur Druckbefüllung eines weiteren Druckbehälters.
• Um für die Gasbefüllung von Druckbehältern sehr hohe Drucke zu erzeugen sind sehr teure und aufwendige Kolben- oder Membranverdichter erforderlich. Dies führt zu hohen Invest-Kosten, hohen Betriebs- und Wartungskosten. Zusätzlich wird eine für diese Drucke entsprechend aufwendige und teure nachgeschaltete Gasversorgung erforderlich.
• Bei Airbagsystemen in Fahrzeugen kommen verstärkt Hochdruck-Gasspeichersysteme als Gasgeneratoren zum Einsatz, die den Luftsack (Airbag) bei einem Unfall in wenigen Millisekunden aufblasen.
• Die Gasgeneratoren, die mit verschiedenen Gasen gefüllt sind, werfen bei der Herstellung enorme technische Probleme auf, sowohl bei deren Herstellung als auch bei der Befüllung mit Drucken bis zu 1000 Bar. Diese Drucke werden insbesondere bei schneller Befüllung auf Grund der Kompressionswärme erforderlich, um die genau vorgegebenen Gasmassen einzufüllen. Diese sind für die spätere Aufblascharakteristik des Airbags von entscheidender Bedeutung.
• Ein Verfahren der kalten Abfüllung von permanenten Gasen ist in der DE 198 17 324 A1 beschrieben. Dabei wird das in Druckbehälter einzufüllende Gas auf eine Temperatur, die nur geringfügig oberhalb seines Siedepunktes liegt, abgekühlt. Als bevorzugtes Kühlmittel dient dabei flüssiger Stickstoff. Nach der Befüllung in der Kälte wird der Druckbehälter verschlossen und auf Umgebungstemperatur gebracht, wobei sich ein Druck aufbaut. Für die kalte Abfüllung von Gasen sind je nach Gasart besondere, bei tiefer Temperatur druckstabile Druckbehälter erforderlich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren für die Befüllung von Druckgefäßen mit Gasen oder Gasgemischen zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• In dem Verfahren wird zunächst in mindestens einen Druckbehälter mindestens ein teilweise oder vollständig kälteverflüssigtes, ein teilweise oder vollständig kälteverfestigtes oder kaltes gasförmiges Gas oder Gasgemisch eingebracht und der Druckbehälter verschlossen. Alternativ wird gasförmiges Gas oder Gasgemisch in einen Druckbehälter eingebracht und dort abgekühlt oder weiter abgekühlt, wobei vorteilhaft eine teilweise oder vollständige Verflüssigung oder Verfestigung des eingeführten Gases oder Gasgemisches erzielt wird. Bei der Bezeichnung kalte oder kryogene Gasbefüllung werden beide Varianten umfaßt. Der Druckbehälter wird bei beiden Varianten vorteilhaft vor und/oder während des Einbringens gekühlt, vorzugsweise in einem Kältebad bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen unter minus 50 °C, unter minus 100 °C, unter minus 150 °C oder unter minus 200 °C. Es werden beispielsweise Kältebäder mit kälteverflüssigtem Stickstoff, kälteverflüssigtem Argon, kälteverflüssigtem Helium oder Trockeneis eingesetzt. Nach der kryogenen Gasbefüllung wird der befüllte und verschlossene Druckbehälter auf eine höhere Temperatur (als die Befüll-Temperatur oder die Temperatur des gekühlten Druckbehälters), z.B. Raumtemperatur oder Temperaturen im Bereich von 0 bis 30 °C, gebracht. Beispielsweise läßt man den befüllten Druckbehälter auf Umgebungstemperatur, in der Regel Raumtemperatur, erwärmen oder man erwärmt aktiv. Mit Hilfe der kryogenen Gasbefüllung und nachfolgender Erwärmung oder Erhitzung eines Druckbehälters lassen sich sehr hohe Gasdrucke in einem Druckbehälter erzeugen, z.B. Gasdrucke über 500, 700 oder sogar 1000 bar absolut. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise kryogen gasbefüllte Druckbehälter als Druckgasquelle bei der Abfüllung eines Gases oder Gasgemisches in einen oder mehrere Druckbehälter eingesetzt. Als Druckgasquelle dienen bei dem Verfahren allgemein gasbefüllte Druckbehälter, das sind Druckbehälter mit einem komprimierten Gas oder Gasgemisch, die eine um mindestens 50 °C, vorzugsweise eine um mindestens 100 °C, besonders bevorzugt eine um mindestens 150 °C, insbesondere eine um mindestens 200 °C höhere Temperatur als die Befülltemperatur aufweisen.
• Geeignete Druckbehälter für eine kryogene Gasbefüllung werden in der EP 0 033 386 A1 und eine kryogene Gasbefüllung eines Druckbehälters wird in der DE 198 17 324 A1 (Befüllung mit einem kalten Gas) beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.
• Gemäß dem Verfahren werden eine oder mehrere Druckgasquellen (primäre Druckbehälter), insbesondere kryogen gasbefüllte Druckbehälter, zu gleicher Zeit oder nacheinander, mit einem Druckbehälter (sekundärer Druckbehälter) verbunden. Der Druckbehälter ist in der Regel evakuiert, drucklos oder enthält bereits ein Gas oder Gasgemisch mit einem Druck, der unter dem Druck der Druckgasquelle liegt. Der Druckbehälter hat in der Regel Umgebungstemperatur. Die Druckgasquelle hat beispielsweise Umgebungstemperatur oder wird vorteilhaft erwärmt oder erhitzt, während oder kurz bevor der Druckbehälter angeschlossen und geöffnet ist. Zwischen Druckgasquelle und Druckbehälter wird vorzugsweise kein Kompressor oder keine Pumpe zwischengeschaltet. Zwischen Druckgasquelle und Druckbehälter wird der Gasweg über die Verbindungsleitung geöffnet und ein Druckausgleich bewirkt. Dabei gelangt Gas oder Gasgemisch von der Druckgasquelle in den Druckbehälter ("warme" Gasbefüllung). Der Druckbehälter wird mit Gas oder Gasgemisch befüllt. Danach wird der Druckbehälter verschlossen. Der befüllte Druckbehälter kann nachfolgend mit einem oder mehreren anderen Druckgasquellen, die jeweils einen höheren Druck aufweisen, verbunden werden, wobei Gas oder Gasgemisch dem Druckbehälter zusätzlich zugeführt wird. Das heißt zusätzliches Gas oder Gasgemisch wird aufgedrückt. Auf diese Weise können Gasgemische im Druckbehälter hergestellt werden.
• Vorteilhaft dient der kryogen befüllte Druckbehälter (primärer Druckbehälter), die bevorzugte Druckgasquelle, als Vorratsbehälter für die nachfolgende Gasbefüllung von mehreren Druckbehältern (sekundäre Druckbehälter). Vorzugsweise hat der als Druckgasquelle dienende Vorratsbehälter ein größeres Volumen als die aus der Druckgasquelle zu befüllenden Druckbehälter (sekundäre Druckbehälter). Beispielsweise beträgt das Verhältnis der Volumen (geometrisches Behältervolumen) von Druckgasquelle zu einem aus der Druckgasquelle zu befüllenden Druckbehälter z.B. mindestens 5:1, 10:1, 50:1 oder 100:1.
• Die kryogene Gasbefüllung von Druckbehältern dient in der Regel zur Herstellung von mit Gas unter Hochdruck gefüllten Druckbehältern (primäre Druckbehälter). Die befüllten primären Druckbehälter weisen im allgemeinen bei Umgebungstemperatur (z.B. Raumtemperatur oder Temperaturen im Bereich von 0 bis 40 °C) einen Gasdruck von mindestens 100 bar absolut, vorzugsweise von mindestens 200 bar, besonders bevorzugt von mindestens 300 bar, insbesondere von mindestens 400 bar, auf. Mit dem Verfahren lassen sich gasbefüllte primäre Druckbehälter mit einem Gasdruck von beispielsweise 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 bar absolut oder mehr (bezogen auf eine Temperatur von 25 °C) herstellen. Der Gasdruck läßt sich durch Erhöhung der Temperatur, z.B. durch Erwärmen oder Erhitzen der Druckgasquelle (primärer Druckbehälter) weiter vergrößern.
• Druckbehälter sind in der Regel Druckgasbehälter wie Druckgasflaschen, Tanks, Druckdosen oder Druckpatronen. Primäre Druckbehälter sind beispielsweise Druckgasflaschen oder Tanks. Sekundäre Druckbehälter sind beispielsweise Klein- oder Kleinstdruckgasflaschen, Druckpatronen oder als sogenannte Gasgeneratoren dienende Druckbehälter für Airbag-Systeme.
• Tiefkalt verfestigte oder kälteverfestigte Gase sind in der Kälte verfestigte Gase wie kälteverfestigter Stickstoff, kälteverfestigter Sauerstoff, kälteverfestigtes Argon oder kälteverfestigtes Kohlendioxid.
• Tiefkalt verflüssigte oder kälteverflüssigte Gase sind in der Kälte verflüssigte Gase wie kälteverflüssigter Stickstoff, kälteverflüssigter Sauerstoff, kälteverflüssigtes Argon oder kälteverflüssigtes Helium.
• Der End-Fülldruck des kryogen gasbefüllten Druckbehälters (primärer Druckbehälter) stellt sich nach der Erwärmung auf die gewünschte Temperatur, in der Regel die Umgebungstemperatur, ein. Der End-Fülldruck ist durch die eingefüllte Gasmenge bestimmt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Befüllen eines Druckbehälters, insbesondere eines Druckbehälters für ein Airbag-System, mit einem Gas oder Gasgemisch, wobei mindestens ein teilweise oder vollständig kälteverflüssigtes, ein teilweise oder vollständig kälteverfestigtes oder kaltes gasförmiges Gas oder Gasgemisch in einen oder mehrere Druckbehälter eingebracht, der oder die Druckbehälter verschlossen und mit dem Inhalt auf eine höhere Temperatur gebracht und als eine Druckgasquelle für die oder bei der Befüllung mit einem gasförmigen Gas oder Gasgemisch ein oder mehrerer Druckbehälter eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Druckgasquellen während oder vor Befüllung ein oder mehrerer Druckbehälter zumindest zeitweise erwärmt oder erhitzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere als Druckgasquelle dienende Druckbehälter ein größeres geometrisches Volumen als der oder die zu befüllenden Druckbehälter aufweisen.
4. Verwendung eines mit einem komprimierten Gas oder Gasgemisch gefüllten Druckbehälters, in dem durch Einbringen von mindestens einem teilweise oder vollständig kälteverflüssigten, einem teilweise oder vollständig kälteverfestigten oder kaltem gasförmigen Gas oder Gasgemisch und Temperaturänderung ein Druck erzeugt wurde, oder eines erwärmten oder erhitzten, mit einem komprimierten Gas oder Gasgemisch gefüllten Druckbehälters zur Druckbefüllung eines Druckbehälters mit einem Gas oder Gasgemisch.
5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Druckbefüllung vorgesehene Druckbehälter als Gasgenerator in einem Airbag-System eingesetzt wird.