DE19643801B4

DE19643801B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Gas-Befüllen eines Behälters auf einem gewünschten Befülldruck und/oder eine gewünschte Befüllmenge

Info

Publication number: DE19643801B4
Application number: DE1996143801
Authority: DE
Inventors: Sieghard Gall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: DE19643801A1

Abstract

Verfahren zum Gas-Befüllen eines Behälters (30) auf einen gewünschten Befülldruck und/oder eine gewünschte Befüllmasse
aus einem Vorratsgasspeicher (11)
über alternierend damit verbundene Füllspeicher (20, 21), wobei
durch eine an der Gasgleichung orientierte Abstimmung der Rauminhalte der Füllspeicher (20, 21)
in Bezug auf den Rauminhalt des zu befüllenden Behälters (30)
das im jeweils aktiven Füllspeicher (20) oder (21) auf einen bestimmten Gaszustand in Bezug auf Gasdruck und Gastemperatur stabilisierte Gas
beim Überströmen in den zu befüllenden, leeren Behälter (30) dort den Gasdruck rasch ansteigen lässt und,
mit dem Erreichen einer nur mehr geringen Druckdifferenz zwischen dem jeweiligen aktiven Füllspeicher (20) oder (21) und dem zu befüllenden Behälter (30),
im zu befüllenden Behälter (30) sich eine Gasmenge nahe der unteren Grenze eines vorgegebenen Toleranzintervalls um den Sollwert des Befülldrucks aufgebaut hat,
um in Folge des Temperaturausgleichs des Gases mit seiner jeweiligen Umgebung,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gas-Befüllen eines Behälters auf einen gewünschten Befülldruck und/oder eine gewünschte Befüllmasse und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Konfektionierung, dem Gas-Befüllen und Verschließen von Behältern in hohen Stückzahlen sind kurze Taktzeiten und funktionsbedingt enge Toleranzen des Befülldrucks bzw. der Befüllmasse erforderlich.

Vergleichbare Anwendungen sind aus den Druckschriften DE 37 39 950 A1 , EP 0 653 585 B1 , EP 0 576 958 A1 , WO 96/01391 A1 und US 54 21 160 A zum Stand der Technik bekannt.

Hierzu ist in DE 37 39 950 A1 eine Abfüllvorrichtung für Gase in Flaschen beschrieben, bei welcher der Füllstutzen der Flasche mit einem Füllkopf flexibel verbindbar ist und der Befüllvorgang durch Bestimmung des Füllgewichts mittels einer Waage in einem zweistufigen Ablauf kontrolliert wird.

Die DE 37 39 950 A1 befasst sich eingehend und im Detail mit den konstruktiven Elementen und den Verfahrensschritten einer Vorrichtung zur automatischen Befüllen von Flaschen mit Gasen nach Gewichtsvorgaben. Zum Befüllvorgang in zwei Stufen werden folgende Verfahrensschritte offenbart:

• Schnellfüllung bis nahe an das Füllgewicht unter Öffnen eines ersten und eines zweiten Ventils bis ein erstes vorgegebenes Ladegewicht gemeldet wird, dann
• Schließen des ersten Ventils, wobei das Gewicht weiterhin geprüft wird bis ein zweites vorgegebenes Ladegewicht gemeldet wird, sodass dann das Schließen des zweiten Ventils erfolgt.

Nach der DE 37 39 950 A1 erfolgt die Bestimmung des Füllgewichts mittels Waage. Zudem würde beim Gasbefüllen kleiner Behälter, etwa hybrider Airbags, die erforderliche Verbindung, insbesondere eine Schlauchverbindung, zu einer nicht vertretbaren Unsicherheit der Wägung und damit der erreichten Füllmenge führen, während dies bei entsprechend großen Gasflaschen und Gasmengen kaum eine Rolle spielt.

Die EP 0 653 585 B1 betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Druckbehälters mit gasförmigem Medium unter Verwendung einer Massendurchflußmeßvorrichtung.

Die in EP 0 576 958 A1 beschriebene Befülleinrichtung von Gasflaschen ist darauf gerichtet, auch diejenigen Ablaufschritte der Befüllung, bei denen bisher eine manuelle Handhabung der Flaschen erforderlich war, vollständig zu mechanisieren und zu automatisieren. Die befüllte Gasmenge wird mittels Wägung der Gasflaschen kontrolliert.

Die WO 96/01391 A1 beschreibt Verfahren und Anordnungen zum Befüllen von Kraftfahrzeugtanks mit Flüssiggas-Treibstoff, bei denen ausgehend von einem wärmeisolierten Vorratstank, gefüllt mit Flüssiggas im Vorratstank über dem Flüssigkeitsspiegel die Gasphase ansteht, das Flüssiggas über eine Pumpe und einen Wärmetauscher zum Befüllventil geführt wird, während die Gasphase mittels eines Kompressors verdichtet und an der Flüssigphase kondensiert wird.

In einer Variante ist die Anordnung erweitert um einen zwischengeschalteten Zusatztank, mit Flüssiggas unter Sättigungsbedingung.

In der US 54 21 160 A wird eine Anordnung zum Befüllen von Kraftfahrzeugtanks mit Erdgas in flüssiger Phase beschrieben, wobei die Befüllstation von einem vakuumisolierten Vorratstank mit Flüssiggas, einer darüber stehenden Gasphase, und ein oder zwei relativ kleinen Konditionierungstanks ausgeht, in denen Flüssigkeit und Gasphase unter Sättigungsbedingung gehalten werden. Mittels Verdampfer und Kompressor mit Hochdruckspeichertank, Ventilen in entsprechender Verschaltung, der Messung von Druck und Füllstand der Konditionierungstanks werden Bedingungen eines anforderungsgemäßen Treibstoffbefüllens von Kraftfahrzeugtanks, vorzugsweise als Flüssigphase, geschaffen.

Bedarfsorientiert ist das Verfahren nach der US 54 21 160 A in vier Teilvorgänge gegliedert:

• Füllen der Konditionierungstanks mit Flüssiggas aus dem Vorratstank,
• Zuführen einer Dampfphase durch die Flüssigphase in die Konditionierungstanks auf eine Sättigung flüssig/gasförmig zu,
• Druckaufbringung in die Gasphase der Konditionierungstanks bis ein Sollwert erreicht ist, und schließlich das
• Abfüllen des Flüssiggases aus einem der Konditionierungstanks in den Tank eines Fahrzeugs.

Letzteres erfolgt, bis dieser Konditionierungstank geleert ist, signalisiert durch einen unteren Füllstandsensors, dann wird auf den anderen Konditionierungstank umgeschaltet, während der erste die oben genannten Teilvorgänge Füllen, Sättigen und das Druckaufbringen durchläuft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnellen Gas-Befüllen von Behältern innerhalb enger Toleranzen aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 3.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Unteranspruch 2 genannt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt:
1 eine Vorrichtung zur Gasbebefüllung und
2 ein Beispiel eines Befüll-Ablaufs.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in 1 dargestellt, wobei zunächst nur die wichtigsten Elemente angesprochen werden sollen:
Aus einem Vorratsgasspeicher (11) hohen Drucks wird alternierend einer der Füllspeicher (20) oder (21) befüllt, während der jeweils andere einen leeren Behälter (30) befüllt, unter Zwischenschaltung entsprechender Schaltventile und Drosseln.
Dabei steht der Rauminhalt der zu befüllenden Behälter (30) in einem bestimmten Verhältnis zum Rauminhalt der Füllspeicher (20, 21), im Ablaufbeispiel der 2 beispielsweise im Verhältnis 1 : 3, bzw. mit einem Kehrwertfaktor F_fb = 3.
Anhand 2 soll zunächst das Funktionsprinzip erläutert werden:
Gegliedert in einzelne Ablaufphasen für einen Anwendungsfall wird der Druckverlauf P_f(t) und der auf Bezugstemperatur (20 grdC) korrigierte Druckverlauf Pcf(t) im Füllspeicher, sowie den Druckverlauf P_b(t) und der auf Bezugstemperatur korrigierte Druckverlauf Pcb(t) im zu befüllenden Behälter dargestellt.
Der Befüllablauf der 2 wird nun in seinen Phasen diskutiert:

A – Befüllen z. B. des Füllspeichers-B (21),
B – Stabilisierung im Füllspeicher-B (21),
C – Befüllen eines Behälters (30) aus Füllspeicher-B (21),
D – Stabilisierung im Behälter (30).

Die Druckaufbereitungseinheit (10) und der Vorratsgasspeicher (11) werden so bemessen, dass innerhalb kurzer Zeit in Phase A im Füllspeicher (21) ein korrigierter Druck Pcf0 erreicht wird, der hinreicht, im nachfolgenden Befüllvorgang eines Behälters (30) in Phase C wieder in kurzer Zeit den Druck-Sollwert Pcb0 – abhängig vom bereits angeführten Rauminhaltsfaktor F_fb – zu erreichen, was mittels Vorversuchen in Phase D als asymptotischer Wert P_b0 verifiziert wird.
Eine Stabilisierungsphase B im Füllspeicher (30) wird ggf. zum Ausgleich einer Zeitdifferenz zwischen den Phasen A und C herangezogen. Eine Stabilisierungsphase D im zu befüllenden Behälter wird nur zur Verifizierung dieses Verfahrens und der verwendeten Gasgleichungen durchlaufen, sie entfällt i. a. in der Serien-Befüllung.
Die entscheidende Phase C des Befüllens der Behälter (30) ist nach 2 in zwei Teilphasen gegliedert:
In der Teilphase C_1 steigt der Druck P_b(t) im zu befüllenden Behälter (30) bis zur Zeitmarke x auf einen Wert P_fx an, wobei der Anstieg durch den Strömungswiderstand zwischen Füllspeicher (21) und zu befüllendem Behälter (30) bestimmt wird, während der Druck P_f(t) im zu befüllenden Behälter (30) auf den Wert P_fx = P_bx absinkt, wobei die Temperatur T_f(t) im Füllspeicher (21) aufgrund der Expansion gefallen und die Temperatur T_b(t) im zu befüllenden Behälter (30) angestiegen ist.
In der darauf folgenden Teilphase C_2 steigt die Temperatur T_f(t) im Füllspeicher (21) wieder an, während die Temperatur T_b(t) im zu befüllenden Behälter (30) fällt, beides abhängig vom jeweiligen Wärmedurchgangswiderstand zur Umgebung.
Wie 2 für ein Anwendungsbeispiel zeigt, werden in der Teil-Phase C_1 bereits etwa 92% des korrigierten Druck-Sollwerts Pcb0 erreicht, so dass in der Teilphase C_2 die Befüllung des verbleibenden Anteils in einem sehr engen Toleranzbereich erreicht wird.
Im Anwendungsbeispiel nach 2 sinkt die Temperatur T_f zum Ende der Phase C_1 auf etwa 6 grdC ab, entsprechend etwa 279 K, während die Temperatur T_b auf etwa 65 grdC ansteigt, entsprechend etwa 338 K. Bezogen auf 20 grdC folgt daraus für Phase C_2 eine maximale Spanne von etwa 15% des Drucks P_b, d. h., mit P_bx = 92% von Pcb0 an der Zeitmarke x am Ende der Phase C_1 und einem daraus folgenden asymptotischen Wert P_bz = 107% von P_b0 ist ein breiter gegenüber ggf. Störeinflüssen stabiler Bereich gegeben.
Grundsätzlich sind bei diesem Verfahren folgende Parameter aufeinander abzustimmen:
Druck-Sollwert im zu befüllenden Behälter (30), Rauminhaltsfaktor F_fb, einzustellender korrigierter Druck Pcf0 im Füllspeicher (21) bei der Zeitmarke a am Ende der Phase A. Dann kann, wie oben anhand des Anwendungsbeispiels der 2 gezeigt, der Befüllablauf der Teilphase C_2 abgeschlossen werden.
Kennzeichnend für das mit der Anordnung nach 1 und dem Ablauf nach 2 beschriebene Verfahren ist der im korrigierten Druckverlauf Pcb(t) der Teil-Phase C_1 gegebene Verlauf nahe an den Sollwert P_b0 heran und das zielgenaue Erreichen innerhalb enger Toleranzgrenzen in der Teil-Phase C_2, bei einem kurzem Zeitintervall für die Befüll-Phase C.
Im Folgenden soll die Anordnung zur Gasbefüllung nach 1 nochmals, detailliert angesprochen werden:
Nach den bereits benannten Elementen der Druckaufbereitung (10), des auf entsprechendem Druck gehaltenen Vorratsgasspeichers (11) folgt ein Drossel-Ventil (12) und ein Umschalt-Ventil (22), das ggf. eine zusätzliche Schaltfunktion realisiert und abwechselnd Füllspeicher (20) und Füllspeicher (21) auf oben genannten Druck Pcf0 bringt, wobei bei über ein weiteres Umschaltventil (23) der jeweils andere Füllspeicher (21) oder (20) über ein Drossel-Ventil (24) und ein Schalt-Ventil (25) mit einem zu befüllenden Behälter (30) verbunden ist.
Im Vorratsgasspeicher (11), im Füllspeicher (20), im Füllspeicher (21) und im zu befüllendem Behälter (30) sind Sensoren zur Messung der aktuellen Gas-Temperatur (Pt-100-Widerstände) (111), (201), (211), (301) und zur Messung des Gasdrucks (Manometer), (112), (202), (212), (302), integriert, wobei die entspr. Messwerte von einem Prozessrechner (40) laufend erfasst werden, um die aktuellen P_V_T-Gaszustände zu errechnen.
Der Prozessrechner (40) steuert aufgrund dieser Daten anwendungsentsprechend für die Ablauf-Phasen A, B, C_1, C_2 die Schalt-Ventile (22), (23), (25) und erforderlichenfalls (z. B. abhängig von der Druckbelastbarkeit der Dichtelemente zu befüllender Behälter) die Drossel-Ventile (12), (24), mittels derer für Phase A der Druckverlauf P_f(t) bzw. für Teil-Phase C_2 der Druckverlauf P_f(t) und P_b(t) beeinflusst werden kann. Der Prozessrechner (40) wird zweckmäßig auch der vorgeschalteten Druckaufbereitungsanlage (10) den im Vorrats-Gasspeicher (11) zu haltenden Druck-Sollwert vorgeben, übermittelt z. B. über eine serielle Schnittstelle.
Für das Drossel-Ventil (24) sollen verschiedene Ausführungsformen benannt werden:
Dreh-Ventil, z. B. mit 3 Umdrehungen, das über einen Motor mit Getriebe und Positionspotentiometer angesteuert wird und durch Endlagenschalter gesichert ist, selbstregulierendes Ventil, das abhängig von der anliegenden Druckdifferenz die lichte Weite zwischen einer durch eine Schraubenfeder gegen einen konisch zulaufenden Kanal gehaltene Kugel verändert und so bei hohem Druck einen hohen Strömungswiderstand, bei geringem Druck einen geringen Strömungswiderstand darstellt.
Register-Kombination mehrerer Ventile mit gestaffeltem Strömungswiderstands, die elektrisch bzw. elektrisch/pneumatisch angesteuert werden können.
Das beschriebene Verfahren kann eine vorteilhafte Anwendung finden bei all den Gasbefüllvorgängen, bei denen in kurzer Zeit möglichst genau befüllt werden muss.

Claims

Verfahren zum Gas-Befüllen eines Behälters (30) auf einen gewünschten Befülldruck und/oder eine gewünschte Befüllmasse aus einem Vorratsgasspeicher (11) über alternierend damit verbundene Füllspeicher (20, 21), wobei durch eine an der Gasgleichung orientierte Abstimmung der Rauminhalte der Füllspeicher (20, 21) in Bezug auf den Rauminhalt des zu befüllenden Behälters (30) das im jeweils aktiven Füllspeicher (20) oder (21) auf einen bestimmten Gaszustand in Bezug auf Gasdruck und Gastemperatur stabilisierte Gas beim Überströmen in den zu befüllenden, leeren Behälter (30) dort den Gasdruck rasch ansteigen lässt und, mit dem Erreichen einer nur mehr geringen Druckdifferenz zwischen dem jeweiligen aktiven Füllspeicher (20) oder (21) und dem zu befüllenden Behälter (30), im zu befüllenden Behälter (30) sich eine Gasmenge nahe der unteren Grenze eines vorgegebenen Toleranzintervalls um den Sollwert des Befülldrucks aufgebaut hat, um in Folge des Temperaturausgleichs des Gases mit seiner jeweiligen Umgebung, unter Anstieg der im jeweils aktiven Füllspeicher (20) oder (21) durch Expansion gesunkenen Temperatur und unter Absinken der im zu befüllenden Behälter (30) durch Kompression angestiegenen Temperatur und des damit einhergehenden Überdrucks vom jeweils aktiven Füllspeicher (20) oder (21) zum zu befüllenden Behälter (30) ein weiteres, nunmehr langsameres Überströmen, abhängig vom Wärmedurchgangswiderstand des Gases zu jeweiligen Umgebung, zu bewirken und unter Kontrolle des Gaszustandes im zu befüllenden Behälter (30) den Sollwert zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Befüllung des Behälter (30) aus dem jeweils aktiven Füllspeicher (20) oder (21) durch ein oder mehrere Drosselventile beeinflusst wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Vorrichtung mindestens aus einem Vorratsgasspeicher (11), zwei alternierend schaltbaren Füllspeichern (20, 21) und dem zu befüllenden Behälter (30) sowie mehreren dazwischen angeordneten Schalt- und Drosselventilen (12, 22, 23, 24, 25) und mehreren, dem Vorratsspeicher (11), den Füllspeichern (20, 21) und dem zu befüllenden Behälter (30) zugeordneten Sensoren (111, 112, 211, 212, 201, 202, 301, 302) zur Messung der Gaszustände in Bezug auf Gastemperatur und Gasdruck besteht.