DE69915357T2

DE69915357T2 - Behälterfüllung mit gas

Info

Publication number: DE69915357T2
Application number: DE69915357T
Authority: DE
Inventors: Michael Robert Aldershot LEE; Sydney Graham High Wycombe LAWRENCE
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: AU754025B2; DE69915357D1; GB9825763D0; ZA997145B; MY125810A; TW428074B; NZ501243A; ATE261087T1; AU5941299A; EP1141617A1; HK1043179A1; JP2000266291A; WO2000031460A1; US6135170A; EP1141617B1; ES2217818T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und auf eine Einrichtung zum Füllen von Behältern mit einem unter Druck stehenden Gas oder Gasgemisch.
Zur Vermeidung von Zweifeln gilt in dieser Beschreibung, daß der Begriff "Gas" nicht nur ein Einzelgas, sondern auch ein Gemisch von Gasen bedeuten soll.
Gase haben viele Anwendungen in Industrie und Gesundheitswesen. Wo sehr große Mengen von Gasen benötigt werden, zum Beispiel Sauerstoff bei der Herstellung von Stahl, kann der Sauerstoff direkt aus einer Lufttrenneinheit geliefert werden, die entlang einer zu einem Ofen führenden entsprechenden Rohrleitungsanlage angeordnet ist. In sehr vielen Anwendungsfällen werden Gase jedoch in Flaschen zum Endverbraucher geliefert. Beispielsweise wird medizinisches Gas oftmals in Flaschen zu Krankenhäusern, Apotheken oder dem Sitz eines Endverbrauchers geliefert.
Schweißgasgemische werden notwendigerweise in besonderen Gasflaschen zwischen einer ersten Stelle, wo die Flaschen mit den verschiedenen Bestandteilen des Gasgemisches gefüllt werden, und einer Stelle transportiert, wo der Schweißvorgang stattfinden soll.
Entsprechend der Art des Gases und seiner Anwendung variieren Flaschenmaterial und Konstruktion und Gestaltung der Flasche sowie der Druck des Gases in der Flasche entsprechend.
Bei manchen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der nadellosen Injektion von Arzneistoffen durch die Haut eines Patienten, wie dies in der veröffentlichten PCT-Anmeldung WO94/24 263 beschrieben, wird die Treibkraft durch Helium bereitgestellt, die in einer Gaskapsel unter hohen Drücken eingeschlossen ist, beispielsweise bis zu 80 barg (8MPa). Es ist bei einer solchen medizinischen Anwendung wichtig, daß der Druck des Heliums mit sehr engen Toleranzen bekannt ist. Des weiteren, wenn viele tausend wenn nicht sogar Millionen von Gaskapseln gefüllt werden, ist es in kommerzieller Hinsicht wichtig, daß der Füllvorgang zeitlich auf ein absolutes Minimum reduziert wird.
Die veröffentlichte deutsche Patentbeschreibung 2 047 363 A beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zum Füllen mindestens eines Behälters mit einem Gas wie beispielswei se Sauerstoff durch Verwenden eines Behälters mit festem Volumen zur Aufnahme des Gases in dampf- und flüssiger Form, wobei eine Dampfleitung zwischen einem Gasheizgerät von dem Behälter mit festem Volumen zu einem Puffervolumenbehälter und von dort zu mit Ventilen versehenen Fülldüsen in Batterien zum Füllen der Behälter verläuft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Gasdrucks innerhalb eines Behälters zu schaffen und außerdem den Zeitbedarf zur Vornahme des vollständigen Füllvorgangs zu reduzieren.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zum Füllen mindestens eines Behälters mit einem Gas unter einem vorgewählten Druck vorgesehen, mit einem Festvolumengefäß zum Aufnehmen des Gases unter einem Druck P₁, einer von dem Festvolumengefäß zu einem Puffervolumengefäß verlaufenden Leitung, einer Fülldüse, und einem Ventil zur Steuerung der Gasströmung aus dem Puffervolumengefäß in den oder jeden zu füllenden Gasbehälter, gekennzeichnet durch das Vorsehen eines Druckreglers zum Überwachen und Steuern des Gasdrucks in der Leitung zwischen dem Festvolumengefäß und dem Puffervolumengefäß, so daß das Gas das Puffervolumengefäß mit einem Druck P₂ erreicht, wobei P₂ kleiner als P₁ ist, und einer weiteren Leitung, die vom Puffervolumengefäß zu der Düse für den oder jeden Behälter verläuft.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Füllen mindestens eines Behälters mit einem Gas unter einem vorgewählten Druck die Schritte des anfänglichen Haltens des Gases unter einem Druck P₁ in einem Festvolumengefäß, des Leitens des Gases aus dem Festvolumengefäß in ein Puffervolumengefäß, und des Leitens des Gases unter einem zweiten Druck aus dem Puffervolumengefäß zu mindestens einer Düse zum Füllen des Behälters oder der Behälter, gekennzeichnet durch Überwachung und Steuerung des Gasdrucks in der Leitung zwischen dem Bestvolumengefäß und dem Puffervolumengefäß so, daß der Gasdruck in dem Puffervolumengefäß P₂ ist, wobei P₂ kleiner als P₁ ist.
Im Betrieb hat das Puffervolumengefäß eine Kapazität, die größer als das Volumen oder die Summe der Volumen der zu füllenden Behälter ist.
Im Betrieb sollte das Puffervolumengefäß ein Fassungsvermögen haben, das größer als das Volumen oder die Summe der Volumen der zu füllenden Behälter ist.
In einer Ausführungsform ist der Behälter eine Gaskapsel mit 5ml Fassungsvermögen, und das Gas ist Helium.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Massenströmungsregler stromab des Druckreglers vorgesehen, um ein konstantes Leck zu bewirken, welches der minimalen Einstellung des Druckreglers entspricht. Dies stellt sicher, daß der Druckregler niemals vollständig schließt oder in seinen Totbandbereich eintritt.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr beispielshalber beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Figur der anliegenden schematischen Zeichnung, die eine Blockdarstellung einer Einrichtung zum Füllen mindestens eines Behälters mit einem unter Druck stehenden Gas zeigt.
Wie dargestellt, weist eine Einrichtung 1 zum Füllen eines oder mehrerer Behälter 2 mit einem Gasunterdruck eine Gasquelle in Form eines Druckgefäßes 4 auf, wobei das Gas in dem Gefäß 4 unter einem Druck P₀ hält. Eine Leitung 6 verläuft vom Druckgefäß 4 zu einem Festvolumengefäß 8. Ein Druckregler 10 ist in der Leitung 6 zwischen dem Druckgefäß 4 und dem Festvolumengefäß 8 angeordnet.
Zwischen dem Festvolumengefäß 8 und einem Puffervolumengefäß 12 verläuft eine zweite Leitung 14, und in der zweiten Leitung 14 ist ein Druckregler 16 angeordnet.
Eine dritte Leitung 18 verläuft vom Puffervolumengefäß 12 zu einer oder mehreren Fülldüsen 20. In der dritten Leitung 18 ist ein Ventil 22 angeordnet.
Eine vierte Leitung 24 verläuft von der dritten Leitung 18 an einer Stelle zwischen dem Puffervolumengefäß 12 und dem Ventil 22, und in dieser vierten Leitung 24 ist ein thermischer Massenströmungsregler 26 angeordnet.
Im Betrieb ist der Druckregler 10 so eingestellt, daß Gas entlang der Leitung 6 aus dem Druckgefäß 4 zum Festvolumengefäß 8 so zugeführt wird, daß das das Festvolumengefäß 8 erreichende Gas sich auf einem Druck P₁ befindet, wobei P₁ kleiner als P₀ ist.
Der Druckregler 16 überwacht den Gasdruck in der zweiten Leitung 14, und die Verwendung eines Reglers stellt den Druck des entlang der Leitung 14 und in das Puffervolumengefäß 12 strömenden Gases ein. Tatsächlich regelt der Druckregler 16 umso mehr herunter, je näher er an seinen Einstelldruckwert gelangt. Dies resultiert in einem Enddruck im Puffervolumengefäß 12, der genau auf einem Druck P₂ gehalten wird, wobei P₂ kleiner als P₁ ist.
Wenn der oder jeder Behälter 2 im Bezug auf eine jeweilige Düse 20 ausgerichtet ist, wird das Ventil 22 geöffnet und im Puffervolumengefäß 12 gehaltenes Gas gelangt fast augenblicklich durch die Leitung 18 zum Füllen des oder der Behälters) 2.
Im Betrieb sollte das Puffervolumengefäß 12 ein größeres Fassungsvermögen als die Summe der Volumen der zu füllenden Behälter 2 haben.
Die Genauigkeit des Druckreglers 16 wird dadurch aufrecht erhalten, daß sichergestellt wird, daß er niemals vollständig schließt. Dies wird dadurch erreicht, daß man ein kleines Leck aus dem Puffervolumengefäß 12 durch den thermischen Massenströmungsregler 26 zuläßt, das an die Minimaleinstellung des Druckreglers 16 angepaßt ist. Diese Anordnung stellt sicher, daß der Druckregler 16 niemals seinen Totbandbereich erreicht.
Wenn es beispielsweise notwendig ist, Behälter 2 in Form von Gaskapseln zur Verwendung bei medizinischen Anwendungsfällen zu Edlen, beispielsweise für die nadellose Injektion von Arzneistoffen durch die Haut eines Patienten, werden Gaskapseln mit einem Volumen von 5ml mit Heliumgas auf einen Druck von 40 barg (4MPa) gefüllt.
Das Druckgefäß 4 wird mit Heliumgas unter einem Druck von etwa 100 barg (10MPa) bereit gestellt. Der Druckregler 10 wird so eingestellt, daß er ein Füllen des Festvolumengefäßes 8 mit 1 Liter Fassungsvermögen mit dem Helium bei einem Druck von 80 barg (8MPa) ermöglicht. Der Druckregler 16 führt dann das Helium zum Puffervolumengefäß 12 mit einem Druck von 45 barg (4,5 MPa) zu, und der Massenströmungsregler 26 wird so eingestellt, daß er einen konstanten Leckstrom von 50 cm³ pro Minute ergibt. Bei dieser Einstellung kann eine Gaskapsel in 0,15 Sekunden mit Helium auf einen Druck von 40 barg (4MPa) plus oder minus 0,35% gefüllt werden.
Bei einer Modifikation braucht das Festvolumengefäß 8 kein Gefäß als solches zu sein, sondern könnte ein vergrößerter Rohrabschnitt sein, der sich zwischen den Leitungen 6 und 14 befindet. Es ist klar, daß bei der oben beschriebenen Ausführungsform und insbesondere bei dem Beispiel die Gaskapseln/Behälter 2 mit sehr hohen Geschwindigkeiten mit einem Gas wie beispielsweise Helium auf einem Druck gefüllt werden können, dessen Genauigkeit innerhalb sehr enger Toleranzen liegt.
Natürlich sind die beschriebene Einrichtung und das Verfahren zum Füllen von Gasflaschen mit im wesentlichen jedem beliebigen Volumen auf irgendeinem gegebenen Druck mit großer Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit geeignet.

Claims

Gerät (1) zum Füllen mindestens eines Behälters (2) mit einem Gas unter einem vorgewählten Druck, mit einem Festvolumengefäß (8) zum Aufnehmen des Gases unter einem Druck P₁, einer von dem Festvolumengefäß (8) zu einem Puffervolumengefäß (12) verlaufenden Leitung (14), einer Fülldüse (20), und einem Ventil (22) zur Steuerung der Gasströmung aus dem Puffervolumengefäß (12) in den oder jeden zu füllenden Gasbehälter (2), gekennzeichnet durch das Vorsehen eines Druckreglers (16) zum Überwachen und Steuern des Gasdrucks in der Leitung (14) zwischen dem Festvolumengefäß und dem Puffervolumengefäß (12), so daß das Gas das Puffervolumengefäß (12) mit einem Druck P₂ erreicht, wobei P₂ kleiner als P₁ ist, und einer weiteren Leitung (18), die vom Puffervolumengefäß (12) zu der Düse (20 für den oder jeden Behälter (2) verläuft.
Gerät nach Anspruch 1, wobei ein Massenströmungsregler (26) stromab des Druckreglers (16) vorgesehen ist, um einen konstanten Leckstrom zu bewirken, der an dem Minimalumschlag des Druckreglers (16) angepasst ist.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Quelle (4) des Gases unter einem Druck PO durch eine weitere Leitung (6) mit dem Festvolumengefäß (8) verbunden ist und ein Druckregler (10) in dieser Leitung (6) den Druck des das Festvolumengefäß (8) erreichenden Gases auf P₁ reguliert, wobei P₁ kleiner als P₀ ist.
Verfahren zum Füllen mindestens eines Behälters mit einem Gas unter einem vorgewählten Druck, mit den Schritten des anfänglichen Haltens des Gases unter einem Druck P₁ in einem Festvolumengefäß, des Leitens des Gases aus dem Festvolumengefäß in ein Puffervolumengefäß, und des Leitens des Gases unter einem zweiten Druck aus dem Puffervolumengefäß zu mindestens einer Düse zum Füllen des Behälters oder der Behälter, gekennzeichnet durch Überwachung und Steuerung des Gasdrucks in der Leitung zwischen dem Festvolumengefäß und dein Puffervolumengefäß so, daß der Gasdruck in dem Puffervolumengefäß P₂ ist, wobei P₂ kleiner als P₁ ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Gas aus einer Quelle, in der das Gas auf einem Druck P₀ gespeichert ist, zum Festvolumengefäß geleitet wird und die Gasströmung von der Quelle zum Festvolumengefäß so reguliert wird, daß P₁ kleiner als P₀ ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Behälter eine Gaskapsel mit 5ml Fassungsvermögen und das Gas Helium ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Gasdruck PO in der Quelle 100 barg (10 MPa) beträgt, der Gasdruck P₁ in dem Festvolumengefäß 80 barg (8 MPa) beträgt, der Gasdruck P₂ in dem Puffervolumengefäß 45 barg (4,5 MPa) beträgt, und der Gasdruck im Behälter 40 barg (4 MPa) ± 0,35% beträgt.