JP2007516396A - 圧縮ガス容器にガスを充填するための方法 - Google Patents

圧縮ガス容器にガスを充填するための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、圧縮ガス容器、とりわけエアバッグシステム中の圧縮ガス容器に、ガス混合物を充填するための方法、または圧縮ガス容器中でガス混合物を製造するための方法に関する。当該方法によれば、ガス混合物、またはガス混合物の少なくとも１つのガス状成分を、ガスまたは液状冷却ガスの形態で、冷却された圧縮ガス容器中に導入する。

Description

本発明は、とりわけエアバッグシステムにおける圧縮ガス容器に、ガス混合物を充填するための方法に関する。
車両エアバッグには、新しいタイプのガス発生器がますます用いられており、これは、事故の発生時に、数秒以内でエアバッグを膨らませる。目下、３タイプのガス発生器が使用されている。すなわち、
・化学発生器（ガスを、化学物質固体と周囲空気との反応により発生させる）、
・ハイブリッド発生器として知られるもの（固体燃料と圧縮ガスパッキングの燃焼を含む）、および
・最大７００ｂａｒの圧力、１５℃における高圧ガス貯蔵システムを有する高純度ガス発生器
である。
種々のガスを充填されるガス発生器は、その製造および最大で１０００ｂａｒの圧力で充填することの双方に関して、製造における大きな技術的な問題を引き起こす。これらの圧力は、正確に所定のガス質量を導入するために、特に、圧縮熱の理由で迅速に充填するために必要とされる。これらは、エアバッグの続く膨張特性に対して非常に重要である。
用いられるガスの例は、アルゴン、酸素、窒素、一酸化二窒素（笑気、亜酸化窒素）を、超高純度ガスの形態、およびこれらの成分の混合物の形態で含む。
ガスを充填されるガス発生器は、以下を必要とする。すなわち、
１．より高い貯蔵密度、またはよりコンパクトな容量のために、最大で１０００ｂａｒ（Ｐ（Ｔ））の充填圧力、
２．高圧での正確で的確な充填量決定、
３．充填がサイクル時間を決定するために、迅速な充填、
４．操作は、確実に再現可能でなければならない
である。
非常に高価で複雑なピストンまたはダイヤフラム圧縮機が、非常に高い圧力を発生させるために必要とされる。このことは、高い投資コスト、高い運転費および維持費を必要とする。加えて、同様に複雑で高価である下流のガス供給が、これらの圧力のために必要とされる。
圧力を上昇させると、圧縮熱および圧力容器中の不規則な温度分布のために、正確な充填量決定の不正確さが増大するが、この正確さは、発生器が述べたように続いて機能するために不可欠である。
圧力を上昇させると、速い充填時間を達成することは、技術的により困難且つ複雑になる。充填時間と充填操作中の温度上昇との間の直接の因果関係が存在し、すなわち、より速く充填を行うほど、よりガスの温度は上昇し、その結果として、１５℃または他の決められた温度で、正確な量のガスを注入するためには、充填圧力をさらに一層高める必要がある。
上記した理由のために、再現性はより困難になっており、正確な充填量決定のために、例えば、充填される容器の計量のような、複雑なＱＡ測定を伴う。同時に、スクラップ発生率の少なからぬ上昇が、より高い圧力で予想される。このことは、同様に、全体のプロセスの経済に対する悪影響、およびより高い製造コストをもたらす。
本発明は、ガス混合物を用いる、圧力容器の、特にはエアバッグガス発生器の高圧ガス充填のための代替方法を提供するという目的に基づく。
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する方法により達成される。
圧縮ガス容器、特にはエアバッグシステム中の圧力容器に、ガス混合物を充填するための方法は、ガス混合物または製造されるガス混合物の少なくとも１つのガス成分が、圧縮ガス容器中で凝縮するか、または液相として圧縮容器中に移行する温度での、圧縮ガス容器の充填により特徴づけられる。導入された、または圧縮ガス容器中で製造されたガス混合物は、有利には、圧縮ガス供給源を形成するために用いられ、特に、圧縮ガス容器に高圧（例えば、５０ｂａｒ絶対圧を超える、好ましくは１００ｂａｒを超える、特に好ましくは２００ｂａｒを超える、とりわけ２５０ｂａｒを超える圧縮ガス容器中の圧力）で、ガス混合物を充填するために用いられる。この方法は、ガス相または液相におけるガス混合物のガス成分の、１つのガス成分の沸点に相当する温度またはこの沸点より下の温度に相当する温度（冷点と称する）に冷却した圧縮ガス容器中への同時導入または連続的な導入、および冷点において圧縮ガス容器を閉じることにより特徴付けられる。充填され、封じられた圧縮ガス容器中の圧力、とりわけ高い圧力は、一般的に、温度を上昇させることにより生じる。
この方法において、例えば、圧縮ガス容器に冷却されたガス状ガス混合物を充填すること、圧縮ガス容器に冷却された液体（例えば、低温で液化された）ガス混合物を充填すること、または圧縮ガス容器に少なくとも１種の冷却されたガス状ガスまたはガス混合物および少なくとも１種の冷却された液体ガスまたはガス混合物を充填することにより、圧縮ガス容器に（室温および標準圧力に基づく）ガス混合物を充填する。
圧縮ガス容器は、例えば、エアバッグシステムのための標準的なガス発生器中の圧力容器に相当する。圧縮ガス容器は、また、圧縮ガスシリンダ、圧力小型缶、圧力カートリッジ、超小型の圧縮ガスシリンダである。
圧縮ガス容器は、例えば、エアバッグシステムのガス発生器の一部を形成する圧力容器である。この圧力容器は、また、例えば、圧力カートリッジ、超小型圧縮ガス容器、または比較的小さな圧縮ガス容器のような独立した部分である。圧力容器は、好ましくは、周囲温度と、例えば−２５０℃（極低温充填操作により起因する）まで下がる充填温度との間の急激な、局所的な温度変化に耐えることができ、温度上昇後、結果として生じる貯蔵圧力において、充填ガスを安全に封入する、極低温の用途に適した圧縮ガス容器である。この圧力容器に適した材料は、例えば、規格化された準安定オーステナイト系ＣｒＮｉスチール、特に、等級１．４３０１、１．４３０７、１．４３０６、１．４５４１のものを含む。
この方法において、圧縮ガス容器または圧力容器、例えば、エアバッグシステムのガス発生器に埋め込まれたチャンバは、例えば、充填ガス（例えば、製造されるガス混合物の成分ガス、またはガス状ガス混合物）の圧縮ガス源に接続される。この接続は、一般的に、ガス導管により作製される。圧縮ガス源は、例えば、圧縮ガス容器、とりわけ、圧縮ガスシリンダ、または高圧ガス供給である。充填チャンバを、圧縮ガス源に接続した後に、充填される圧縮ガス容器の壁を、充填温度に冷却する。充填温度は、一般的に０℃よりも低く、好ましくは−５０℃よりも低く、特に好ましくは−１００℃よりも低く、特には−１５０℃よりも低い温度である。充填するガスのタイプおよび発生する所望の充填圧力に応じて、低温で液化された水素（−２５３℃）、低温で液化された窒素（−１９６℃）、低温で液化された酸素（−１８３℃）、低温で液化されたアルゴン（−１８６℃）、またはドライアイス（−７８．５℃）の温度で充填を行うことが有利である。圧力容器の冷却は、好ましくは、一定の温度で行われる。この冷却を、例えば、冷却液（例えば、低温で液化されたガス）、冷却ブロック（例えば、冷却された金属ブロック）、冷ガス（例えば、ガストンネルの使用）、冷固形微粒子（例えば、冷却された金属球、ドライアイス粒子）、冷固体（例えば、ドライアイス）を含む冷却浴または薬浴、または温度自動調節冷却デバイスにより行う。一例として、この冷却は、低温で液化された窒素（ＬＮ２）のような冷却剤を含む薬浴中で行われる。低温で液化されたガスまたはドライアイスを含む冷却浴は、冷却の一様性という利点を提供する。
冷却浴中の冷却剤として、低温で液化されたガス（例えば、ＬＮ２）を用いることが、とりわけ有利である：
・沸点において、温度は、圧力にのみ依存し、すなわち、例えば、一定の周囲圧力において正確に決定される。
・沸騰液の良好な熱伝達のために、容器およびその内容物は、同様に、的確に沸点に素早く至らしめられる。
・必要とされる充填量を達成するための充填圧力は、一般的な充填方法と比較して、例えば、２０〜２５％に、すなわち、１／４〜１／５へと大幅に低下する。（充填温度に基づいて）より低沸点のガス成分を含むガス混合物については、これらの成分のレベルに応じて、かなりより大きな圧力低下を達成することがさらにできる。
貯蔵されるガスまたはガス混合物は、有利には、（例えば、圧力容器中で冷却することにより、または圧力容器の上流を冷却することにより）極低温のガス状態で、圧力容器に入る。圧力容器を、有利には、充填操作に先だって空にする。行われる充填操作のために、接続を、冷却された圧力容器と冷却されない圧縮ガス源との間に形成し、決められた圧力を設定する。圧縮ガス源（例えば、ガスまたはガス混合物を含む圧縮ガス源）は、一般的に、０℃〜１００℃の範囲の温度である。圧縮ガス源は、例えば、周囲温度であり、特に室温（１５〜３０℃）である。圧力容器の充填の間、圧力容器および圧縮ガス源の温度は、好ましくは、少なくとも５０℃の差で、特に好ましくは少なくとも１００℃の差で、とりわけ少なくとも１５０℃の差で異なる。圧力容器および圧縮ガス源中のガスまたはガス混合物の温度は、好ましくは、少なくとも５０℃の差で、特に好ましくは少なくとも１００℃の差で、とりわけ少なくとも１５０℃の差で異なる。
設定されるか、存在する圧力、すなわち、冷却された圧力容器中の圧力（初期充填圧力）は、一般的に、１ｂａｒを超える〜４００ｂａｒ絶対圧の範囲にあり、好ましくは１０ｂａｒ〜３００ｂａｒ絶対圧の範囲にあり、特に好ましくは５０ｂａｒ〜１５０ｂａｒ絶対圧の範囲にあり、とりわけ７０ｂａｒ〜１００ｂａｒ絶対圧の範囲にある。
圧力容器の充填温度（冷却温度）は、好ましくは、充填温度が、導入されるガスの沸点以上か、または導入されるガス混合物の最も高沸点のガス成分の沸点以上であるように選択され、従って、ガスの凝縮が、圧力容器中では起こらない。このことは、充填のマノメータでの監視、および充填量のマノメータでの測定を可能にする。
冷却された圧力容器を充填した後に、導入されたガスを含む圧力容器を閉じ、温度を上昇させる。続く使用温度（周囲温度または室温）にまで、一般的に温度を上昇させる。この加温を、例えば、冷却源を取り除くことにより（例えば、冷却浴から、充填された圧力容器を取り除くことにより）行う。従って、周囲温度への加温は、周囲の環境との熱交換により起こる。あるいは、加温を、積極的な加熱により行う。
最終充填圧力または二次充填圧力（平衡圧力）は、所望される温度、一般的に周囲温度への加温後に自ずと決まる。
圧縮ガス容器の充填の間、圧縮ガス源を作り出すために、充填温度においてガスとして存在する少なくとも１種のガス成分と、充填温度において液体の形態で存在する少なくとも１種のガス成分を含むガス混合物を製造または使用することが有利である。
表１は、種々のガス混合物および製造されるガス混合物の適切な充填温度の例を挙げる。
Figure 2007516396
どれくらいの量のガスを供給するかによって、主な技術的な無駄およびエネルギーの無駄を伴わずに、非常に高い貯蔵圧力、とくには３００ｂａｒを超える圧力を実現することができる。
ガス混合物の製造方法、または圧縮ガス容器にガス混合物を充填するための方法（低温充填方法）
ａ）充填温度において液体として凝縮するガス成分を含むガス混合物を用いるマノメータでの充填
少なくとも１種の（充填温度に基づいて）高沸点成分、および少なくとも１種の（充填温度に基づいて）低沸点成分を含有するガス混合物を含む圧縮ガス容器（例えば、エアバッグのためのガス発生器）が、特に有利である。
例：−１９６℃（液体窒素浴）で充填する、ヘリウム／アルゴンガス混合物、またはヘリウム／酸素ガス混合物。ヘリウムは、（−１９６℃の充填温度に基づいて）低沸点成分であり、アルゴンまたは酸素は、（−１９６℃の充填温度に基づいて）高沸点成分である。これは、液体窒素浴中で、−１９６℃にまで冷却されている圧縮ガス容器を、ヘリウム／アルゴンガス混合物またはヘリウム／酸素ガス混合物を含むガス混合物で充填しようとする際に、ヘリウムは圧縮ガス容器中でガスの形態のまま存在するのに対し、アルゴンまたは酸素は凝縮することを意味する。
このタイプのガス混合物を導入することを含む方法は、圧縮ガス源を生成するために特に有利である。
ＬＮ２温度で（ＬＮ２：低温で液化された窒素、液体窒素）、２成分を含むガス混合物、例えば、アルゴンおよびヘリウムを含むガス混合物が導入される場合に、アルゴンは凝縮し、および固体状態にすら変化するのに対し、ヘリウムはガス形態のままである。このことは、ＬＮ２の温度で純ヘリウムを充填することに比べて圧力を減じることのさらなる可能性をもたらし、この可能性は、混合物中のアルゴンの割合が増加するにつれ、より高まる。このことは、充填温度における圧縮ガス容器の充填中の「低下した圧力」の結果として、所定の充填圧力で、より高い最終圧力が、室温における圧縮ガス容器において得られる。
ここから、方法のさらなる説明に従う。
圧縮ガス容器を、冷却浴中に浸漬した後に、導入されるガス混合物を、圧縮ガス貯蔵容器から、またはコンプレッサを用いて、ガス供給システムを介して容器中に移行させる。そのプロセスにおけるガス混合物、例えばヘリウム／アルゴンは、迅速に、圧縮ガス容器の表面の温度を取り込み、従って、充填温度（例えば、液体窒素浴を用いる場合には、窒素の沸点）となる。圧縮熱は、容器を通して、冷却浴へと放散される。対応する密度（これは、勿論のこと、室温におけるものと比べて、有意により高い）を定める。
充填圧力は、主に、低沸点成分により決定される。これは、高沸点成分は、液化されるか、または凝固し、従って、その分圧は「ゼロ」へと移行するためである。
この例において、ヘリウムは、その分圧が、決定的要因であるために、言わば、「主要ガス」の役割を果たす。
従って、この沸点で必要とされる充填質量を、「主要ガス」の充填圧力に基づく簡単な方法（マノメータにより制御された充填）で、正確に且つ再生可能な方法で設定することができる。従って、圧縮ガス容器における充填量を、凝縮しないガス状のガス成分の充填圧力に基づいて決定する。圧縮ガス容器中でガス成分を凝縮することによる、マノメータによる充填量決定における誤差を、例えば、実験的に割り出すことができ、その後修正する。
続いて、容器を、加圧下で、適切な手段を用いて封じる。
ｂ）充填温度において固体として固体化するガス成分を含むガス混合物を用いる、マノメータでの充填
ａ）に基づく方法の実行
例：−１９６℃（液体窒素浴）において充填する、ヘリウム／二酸化炭素。
ｃ）充填温度においてガスの形態で存在するガス成分を用いる、連続的なマノメータでの充填
ガス成分の所望の分圧の段階的なマノメータでの測定によって、ガス混合物を、マノメータにより低温容器中で製造する／低温容器中に導入する。
マノメータでの充填方法を用いるガス混合物の製造は、DE 197 04 868 C1 に記載されており、これを、本明細書の一部として本願に援用する。冷却された加圧容器に充填することを含む方法を、同じように行うことができる。
例
１．−７８℃（ドライアイス冷却）で充填する、ヘリウム／アルゴンガス混合物
２．−１８３℃（アルゴン冷却浴）で充填する、ヘリウム／窒素ガス混合物
ｄ）充填温度において、液体の形態で存在するガス混合物を用いる、容積測定充填
液体ガス混合物は、液体として圧縮容器に量り入れられ、その際、それらの量は、例えば、既知の体積を有し、充填温度またはそれ以下に冷却された計量容器、またはバルブにより閉鎖することができる「測定部」、例えば充填ライン中に配置された貫流（through-flow）容器中に導入される。液体量の容積測定は、有利には、貫流量を測定するための十分に正確なデバイス（例えば、貫流センサ）を用いて行われる。
ｅ）充填温度において液体の形態にあるガス成分を用いる、連続的な容積測定充填
ガス混合物のガス成分は、個別に連続して液体状態で圧縮容器に量り入れられ、その際、それらの量は、例えば、充填温度以下にまで冷却された、既知の体積を有する測定容器、または、バルブにより閉鎖することができる「測定部」、例えば充填ライン中に配置された貫流容器中に導入される。液体量の容積測定は、有利には、貫流量を測定するための十分に正確なデバイス（例えば、貫流量センサ）を用いて行われる。
例：−１９６℃（液体窒素浴）において充填する、酸素／アルゴンガス混合物
ｆ）上流の計測ガス容器を介するガス混合物の導入
所望の温度、好ましくは周囲温度において、予め製造されたガス状ガス混合物を、低圧（４０〜２００ｂａｒ）で、正確な規定体積を有する上流の容器中に導入する。
用いられるガス源は、中圧貯蔵容器またはバンドル（bundle）等であり得、または、個々のガス成分から容積測定により製造され、コンプレッサを用いて圧縮された混合物であり得る。
計測容器を、適切な形状のバルブ（自動化のための空気弁）を介して、低沸点液体に浸漬された容器に、解放可能な接続を介して接続する。充填される圧縮ガス容器の体積は、ガス計測容器の１／Ｆだけ小さい。
上記した方式によれば、ガス混合物を、圧力補正および容器の低温表面を通じて、定めた沸点で導入する。予め状態変数から割り出した、計測ガス容器の全ガス量を、有意により高い密度において導入する。
続いて、容器を、冷却浴から取り去り、温度を上昇させる。Ｘ倍（by the factor X）の対応する圧力上昇も、同様に定められる。このようにして、充填温度よりも高い沸点を有するガス混合物を、低い圧力で正確に、且つ決められた様式で導入することが可能である。
従って、上記の利点が適用される。定量測定を、計測ガス容器を用いて行う。
計測ガス容器を用いるガス混合物の製造は、DE 197 44 559 C2 に記載されており、これを本明細書の一部として本願に援用する。冷却した圧力容器に充填することを含む方法を、同様に行うことができる。
冷却充填を伴う方法の利点
・充填を、有意により低い作動圧力を用いて行うことができる。
・超高圧コンプレッサの必要がない。標準の構成材を用いることができる。
・従って、より経済的、より低い維持費および操業費
・再現可能および正確
・低いスクラップ発生率
・高い効率（例えば、ヘリウムを用いた場合）、低損失
・従って、より経済的
・より少ない複雑な品質保証、または品質保証の完全な撤廃の可能性
・プロセスは速く、自動化に非常に適する。
冷却充填を伴う方法である本発明を、図に基づいて、単一成分ガスの導入の簡単な例に基づいて説明する。図中、
図１は、圧力容器についての充填デバイスの非常に簡略化した図を示し、
図２は、例として、圧力容器についての充填プロセスの種々の段階を図式的に描く。
図１に示す充填デバイスは、充填される圧力容器１、圧縮ガス源２、例えば、ヘリウムまたは水素を含み、遮断弁および減圧弁を有する圧縮ガスシリンダ（例えば３００ｂａｒの充填圧力）、ガス連絡導管３、および冷却剤として、液体窒素のような低温で液化されたガスを含む冷却浴４を有する。圧力容器１は、例えば、エアバッグシステムのガス発生器またはガスカートリッジの一部である。
圧力容器１を冷却浴４に浸漬した後に、充填するガスを、圧縮ガス源２から、所望の圧力（例えば、９０ｂａｒ絶対圧；圧縮ガスシリンダの減圧弁において設定）に設定することにより、圧力容器１中に導入する。プロセス中のガス、例えばヘリウムまたは水素は、迅速に、表面の温度、従って冷却剤の沸点を受け入れる。ガスは、圧力容器１中で、冷却浴の温度に冷却される。ガスの沸点は、冷却浴の温度よりも低く、従って、ガスの凝縮は、圧力容器１中では起こらない。温度に対応して、従って、室温におけるものよりもかなりより高い密度が定まる。必要なガスの充填質量を、容易に、冷却浴の一定の温度を前提として、充填圧力を用いて正確に且つ再現可能に設定することができる。続いて、圧力容器１を、適切な手段を用いて、加圧下で封じる。圧力容器１を、例えば、充填温度における温度均一化後に、即座に、締め付けて、または溶接して封じる充填チューブ（ガス供給ライン３）において封じる。その後、容器を冷却浴から取り除き、温度を上昇させる。
温度上昇（加温）が、（７７から２８８Ｋへの温度上昇について、ヘリウムの場合には約３．７倍の、Ｈ２の場合には約５倍の）圧力における上昇を引き起こす。例えば、７００ｂａｒまたは１０００ｂａｒ（室温）の充填圧力を発生させることが可能である。
図２は、圧力容器１のガス充填中に含まれる工程を示す。充填操作中、圧力容器を、圧縮ガス源２（示さない）に接続する。この接続は、充填ラインの接続を介して、遮断弁５へと形成される。
圧力容器についての充填デバイスの非常に簡略化した図。 圧力容器についての充填プロセスの種々の段階の図。

Claims (14)

  1. 圧縮ガス容器、とりわけエアバッグシステム中の圧縮ガス容器に、ガス混合物を充填するための、または圧縮ガス容器中でガス混合物を製造するための方法であって、ガス若しくは低温で液化されたガスとしてのガス混合物を、またはガス若しくは低温で液化されたガスとしての前記ガス混合物の少なくとも１種のガス成分を、冷却された圧縮ガス容器中に導入する該方法。
  2. 充填され、封じられた前記圧縮ガス容器中で、加温により圧力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 加温を、積極的な加熱により、または室温、周囲温度、または０℃以上の温度への温度均一化（Temperaturausgleich）により行うことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記圧縮ガス容器を、低温で液化されたガス若しくは低温で液化されたガス混合物を用いて外部から冷却するか、または、前記加圧容器の冷却を、冷却浴、冷却ブロック、冷ガス、冷固体粒子、若しくは温度自動調節冷却デバイスにより行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記圧縮ガス容器の充填を、少なくとも−５０℃以下の冷却温度において行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記圧縮ガス容器の充填を、一定の温度、または実質的に一定の温度において行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 低温で液化されたガスまたは低温で液化されたガス混合物を用いる、前記圧縮ガス容器の充填中の充填量の測定およびモニタリングを、重量測定または容積測定により行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法、
  8. 充填操作中のガス状のガスまたはガス混合物の充填量の測定およびモニタリングを、マノメータで行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 計量ガス容器を用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記圧縮ガス容器中への、低温で液化されたガスまたは低温で液化されたガス混合物の導入を、冷却された前記圧縮ガス容器におけるガスの凝縮により行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 予め製造された少なくとも１種のガス状ガス混合物を充填することにより、またはガス状のガスを連続的に充填することにより、または少なくとも１種のガス状のガスおよび少なくとも１種のガス状のガス混合物を連続的に充填することにより、前記圧縮ガス容器に、ガス状のガスまたはガス混合物を充填することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. ガスまたはガス混合物を用いる前記圧縮ガス容器の充填を、加圧下で行うことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 圧縮ガス容器中でガス混合物を製造するための、またはガス混合物を用いる加圧ガス容器の加圧充填のための、冷却された、または低温で液化されたガスまたはガス混合物の使用。
  14. 前記圧縮ガス容器が、エアバッグシステム中の圧力容器であることを特徴とする請求項１３に記載の使用。
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