JP2007537397A - 圧力容器をガスで充填する方法 - Google Patents

圧力容器をガスで充填する方法 Download PDF

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Abstract

圧力容器たとえばエアバッグシステムをガスまたはガス混合物で充填するための本発明方法は、その沸点より高い温度で少なくとも１種のガスで容器に充填し、低温容器を閉じ、周囲温度で加熱することにより充填し閉じた容器に圧力を生じさせることからなる。

Description

本発明は、圧力容器、特にエアバッグシステムの圧力容器をガスで充填するための方法に関する。
自動車のエアバッグは、事故の際に数ミリ秒のうちにエアバッグを膨張させる新しいガス発生装置をますます用いるようになってきている。現在では、３つのタイプのガス発生装置が用いられている。
・化学固体と周囲空気の反応によりガスを発生させる化学的発生装置；
・固体燃料と圧縮ガスパッキングの組み合わせを含む、ハイブリッド発生装置として知られているもの；
・１５℃で７００バールまでの圧力をもつ高圧ガス貯蔵システムをもつ純ガス発生装置。
さまざまなガスで充填されるガス発生装置は、それ自体の製造の点および１０００バールまでの圧力での充填の間の両方で、製造上の大きな技術的問題を引き起こす。これらの圧力は、特に、正確にあらかじめ設定された量のガスが導入されるように、圧縮熱を考慮して高速充填するために要求される。これらの量は、その後のエアバッグの膨張特性に決定的な重要性がある。
用いられるガスの例は、アルゴン、酸素、窒素、一酸化二窒素（笑気ガス）を含み、超純粋ガスの形態とこれらの成分からなるガス混合物の形態の両方である。
ガスで充填したガス発生装置に課される要求は、以下の通りである。
１．より高い貯蔵密度またはよりコンパクトな全体の寸法に対して１０００バール（Ｐ（Ｔ））までの充填圧力。
２．高圧での正確な充填量測定。
３．急速充填。これはサイクル時間を決定するのがこの操作であるためである。
４．操作は再現性が高くなければならない。
非常に高い圧力を発生させるために、非常に高価で複雑なピストンまたはダイヤフラムコンプレッサーが必要とされる。このことは、大きな投資コスト、大きな操作および維持コストをもたらす。加えて、対応して複雑で高価な下流ガス供給源が、これらの圧力のために必要とされる。
圧力容器中での圧縮熱と不均一な温度分布を考慮すると、正確な充填量測定の不正確さは圧力の増加とともに増大するが、その後の発生装置の規定された機能にとっては正確な定量が必須である。
圧力が増加するにつれて、高速の充填時間を達成するのは技術的により困難で高価になる。充填時間と充填操作中の加温とのあいだには直接的な関係がある、すなわち、より高速に充填が行うほど、ガス温度の上昇も大きくなり、その結果として、１５℃または別の規定温度に対して正確なガス量を達成するために、この充填圧力をさらに増大しなければならない。
再現性は、上述した理由のためにより困難となり、たとえば正確な充填量測定のための充填した容器の秤量のような複雑なＱＡ測定を伴う。同時に、高圧においてスクラップ速度のかなりの上昇が予測される。これは、次にはプロセス全体の経済性に悪影響をおよぼし、したがって、より高い製造コストをもたらす。
本発明は、圧力容器、特にエアバッグガス発生装置の圧力容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いている。
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。
圧力容器をガスまたはガス混合物で高圧充填する方法において、圧力容器を冷却し、ガスの沸点を超える温度において少なくとも１種のガス、たとえば２以上のガスで充填し、その後、冷却した状態で閉じる。一般的に、充填し閉じた圧力容器を加熱することにより、圧力容器の充填圧力を生じさせる。このことは通常、周囲温度または圧力容器の使用温度への加温を意味する。２以上のガスで充填する場合、好ましくはガスを冷却した圧力容器に連続的に導入する。こうして、ガス混合物を製造することができる。
充填のために、冷却した圧力容器を圧縮ガス源に接続する。圧縮ガス源は、冷却した圧力容器よりも高温にある。圧縮ガス源は、一般的に冷却しない。圧縮ガス源は、たとえば、周囲温度またはより高い温度にある。圧縮ガス源は、一般的に、好ましくは高圧で圧縮した、圧縮ガスまたはガス混合物を含む。例として、圧縮ガス源のガスまたはガス混合物は、１００絶対バール以上、２００絶対バール以上、３００絶対バール以上または４００絶対バール以上の圧力にある。
有利には、圧力容器の充填には、導入すべきガスを機械的に圧縮するための手段または装置、たとえばコンプレッサーまたはガスポンプの使用を伴わない。このことは、圧縮ガス源と圧縮容器との間で、冷却した圧力容器に導入するガスまたはガス混合物の機械的圧縮がないことを意味する。
本方法は、好ましくは、エアバッグシステムの圧力容器をガスまたはガス混合物で充填するために用いられる。
圧力容器は、たとえば、エアバッグシステムのための標準的なガス発生装置の圧力容器に対応する。
圧力容器は、好ましくは、エアバッグシステムのガス発生装置の一部である。圧力容器は、たとえば、圧力キャニスター、超小型の圧縮ガス容器または比較的小型の圧縮ガス容器のような独立部品でもある。圧力容器は、好ましくは、低温用途に好適な圧縮ガスの容器であり、周囲温度とたとえば低温充填操作によりもたらされる−２００℃程度の低温の充填温度との間の急速で局所的な温度変化に耐えることができ、温度の上昇後に得られる貯蔵圧力で導入されたガスを確実に封入する。圧力容器に好適な材料は、たとえば標準化された準安定オーステナイト型ＣｒＮｉ鋼、特にグレード１．４３０１、１．４３０７、１．４３０６、１．４５４１を含む。
本方法において、圧力容器、たとえば、エアバッグシステムのガス発生装置において充填すべきチャンバは、充填ガスのための圧縮ガス源に接続される。これは、一般的にガス導管を用いてなされる。圧縮ガス源は、たとえば、圧縮ガス容器、特に圧縮ガスシリンダーまたは高圧ガス供給源である。充填チャンバを圧縮ガス源に接続した後、充填すべきチャンバ、すなわち圧力容器の壁を充填温度まで冷却する。充填温度は、一般的に０℃未満、好ましくはマイナス５０℃未満、特に好ましくはマイナス１００℃未満、特にマイナス１５０℃未満の温度である。低温液化水素（−２５３℃）、低温液化窒素（−１９６℃）、低温液化酸素（−１８３℃）、低温液化アルゴン（−１８６℃）または他の冷凍剤または塩溶液の沸点での充填およびたとえばドライアイス（−７８．５℃）の昇華温度での充填が好都合であり、充填ガスの種類および発生させることが望まれる充填圧力に依存する。好ましくは圧力容器を一定温度まで冷却する。冷却を、たとえば、冷却液体（たとえば、低温液化ガス）による冷凍浴または浸漬浴、冷却ブロック（たとえば、冷却金属ブロック）、低温ガス（たとえば、ガストンネルを用いる）、低温固体粒子（たとえば、冷却金属ビーズ、ドライアイス粒子）、低温固体（たとえば、ドライアイス）または温度調節できる冷却装置によって達成される。例として、冷却を、冷凍剤、たとえば低温液化窒素（ＬＮ２）を含む浸漬浴中で行う。低温液化ガスまたはドライアイスを含む冷凍浴は、良好な熱移動という利点、したがって優れた温度安定性を提供する。
冷凍浴中の冷凍剤として低温液化ガス（たとえばＬＮ２）を用いることは特に有益である。
−沸点において、温度は圧力にのみ依存する、すなわち、たとえば一定周囲圧力で正確に規定される。
−沸騰している液体中での良好な熱移動が、容器とその内容物を急速に、同様に正確に沸点にもたらす。
−要求される充填量を達成するための充填圧力は、通常の充填方法と比較してたとえば２０〜２５％まで、すなわち４から５倍まで大幅に減少する。
貯蔵すべきガスまたはガス混合物は、好都合には（たとえば、圧力容器中での冷却により、または圧力容器の上流での冷却により）低温ガス状態で圧力容器に流れる。好都合には、圧力容器を充填操作の前に排気する。充填を行うために、冷却した圧力容器と一般的には冷却しない圧縮ガス源との間に接続を作り出し、規定圧力を設定する。圧縮ガス源（たとえば、ガスまたはガス混合物を含む圧縮ガス源）は一般的に０℃から１００℃の範囲の温度にある。圧縮ガス源は、たとえば、周囲温度、特に室温（１５から３０℃）にある。圧力容器の充填の間に、圧力容器および圧縮ガス供給源の温度は、好ましくは、少なくとも５０℃だけ、特に好ましくは少なくとも１００℃だけ、特に少なくとも１５０℃だけ異なる。圧力容器および圧縮ガス源の中のガスまたはガス混合物の温度は、充填操作の間に、好ましくは少なくとも５０℃だけ、特に好ましくは少なくとも１００℃だけ、特に少なくとも１５０℃だけ異なる。
設定したまたは存在する圧力、すなわち、冷却した圧力容器の圧力（１次充填圧力）は、一般的に、１絶対バールを超えて４００絶対バールまでの範囲、好ましくは１０絶対バールから３００絶対バールまでの範囲、特に好ましくは５０絶対バールから１５０絶対バールの範囲、特に７０絶対バールから１００絶対バールの範囲にある。
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または導入されるガス混合物の最高沸点ガス成分の沸点を超えるように選択し、その結果、圧力容器中でガスの凝縮が起こらないようにする。
このことは、圧力測定による充填のモニタリングと圧力測定による充填量の測定を可能にする。
冷却した圧力容器を充填した後、これを閉じ、次いで圧力容器を導入したガスとともに加温する。一般的に、その後の使用温度（周囲温度または室温）まで加温する。加温は、たとえば、冷却源を取り外すことにより（たとえば冷凍浴から充填した圧力容器を取り外すことにより）達成される。したがって、周囲温度への加温を、たとえば、環境との熱交換により行う。また、代わりに、積極的な加熱によって加温を達成する。最終的な充填圧力または２次充填圧力（平衡圧力）を、加温後の所望の温度、一般的には周囲温度に対して設定する。最終充填圧力を、導入したガスの量によって測定する。
高くてもマイナス１００℃の沸点を有する永久ガスまたは高くてもマイナス１００℃の沸点を有するガス成分を含むガス混合物、たとえば、ヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ2）、窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）またはアルゴン（Ａｒ）からなるガスまたはガス混合物を用いることが好ましい。純ヘリウムを充填する圧力容器およびガス発生装置は特に興味がある。ヘリウムは正のジュール−トムソン係数を有する。このことは、このガスが急速な膨張の間に冷えないことを意味する。
表１は、例としてさまざまの充填ガスについて好適な充填温度を列挙する。
Figure 2007537397
したがって、どの程度の量のガスを供給するかに応じて、非常に高い貯蔵圧力、特に３００バールを超える、特に４００バールを超える貯蔵圧力を、大きな技術的出費およびエネルギー出費なしに実現することができる。
特に表１における充填温度は、周囲圧力での冷凍剤の沸点に相当する。高くても臨界圧力まで圧力を上げることにより、冷凍剤を用いる場合に、より高い充填温度を設定することができる。この方法の変形では、例として、浸漬浴を圧力漏れのない仕方で閉じる。したがって、本発明はまた、加圧冷凍剤を用いる方法にも関する。冷凍浴または冷凍剤を含む対応して配置した冷却源の温度を、冷凍剤に作用する圧力を変化させることによって、変更、制御および／または調節するのが好都合である。
本方法の利点は以下のとおりである。
・充填をかなり低い作業圧力で行うことができる。
・超高圧コンプレッサーの必要がなく、むしろ標準機器を用いることができる。
・対応してより経済的で、低いメンテナンスおよび操作のコスト。
・再現性があり、正確。
・低い破損率。
・高効率（たとえばヘリウムの場合）、低損失。
・対応してより経済的。
・品質管理に関して低経費、または品質管理を完全になくせる可能性。
・プロセスは高速であり、高度に自動化することができる。
また、本発明は、少なくとも１つの圧縮ガス源と、冷却装置を有する少なくとも１つの圧力容器と、圧縮ガス源と圧力容器との間の接続ラインと、少なくとも１つの弁を有する、機械的圧縮なしに少なくとも１種のガスまたはガス混合物でエアバッグシステムの圧力容器を充填するための装置の使用方法に関する。
本発明を図面に基づいて説明する。
図１に示す充填装置は、充填すべき圧力容器１と、圧縮ガス源２たとえば閉止弁と減圧器を有するヘリウムまたは水素を含む圧縮ガスシリンダー（充填圧力たとえば３００バール）と、ガス接続導管３と、冷却剤として低温液化ガスたとえば液体窒素を含む冷凍浴４を有する。圧力容器１は、たとえば、エアバッグシステムのガス発生装置の一部またはガスキャニスターである。
圧力容器１を冷凍浴４中に浸漬した後、導入すべきガスを、所望の圧力（たとえば９０絶対バール、圧縮ガスシリンダーの減圧装置で設定する）を設定することにより、圧縮ガス源２から圧力容器１に流す。ガスたとえばヘリウムまたは水素は、表面の温度、したがって冷凍剤の沸点に速やかに順応する。圧力容器１中で、ガスは冷凍浴の温度に冷却される。ガスの沸点は冷凍浴の温度より低く、その結果、圧力容器１中ではガスの凝縮は起こらない。その温度、室温よりかなり高い温度で、密度が確定する。要求されるガスの充填量は、冷凍浴の一定温度が決まれば充填圧力によって、正確かつ再現可能に、容易に設定することができる。次いで、適切な手段を用いて、圧力容器１を圧力下で閉じる。圧力容器１の閉鎖は、たとえば、充填管（ガス供給導管３）でなされ、これは充填温度での温度均等化の直後の締め付け遮断および／または溶接遮断である。次いで、容器を冷凍浴から取り出して加温する。
温度上昇（加熱）は圧力増加を生じる（７７から２８８Ｋへの温度上昇に関して、ヘリウムの場合にほぼ３．７倍、Ｈ2の場合にほぼ５倍）。圧縮ガス容器、特に通常の圧縮ガスシリンダーからのガスを用いて、たとえば７００バールまたは１０００バール（室温）の充填圧力を生じさせることができる。本方法は、好ましくは、圧力容器１と圧縮ガス供給源２との間に圧力を発生させるためのいかなる手段（たとえばコンプレッサーまたはガスポンプ）も用いない。
図２は、圧力容器１のガス充填に含まれる工程を例示する。充填操作の間に、圧力容器を圧縮ガス源２（図示せず）に接続する。閉鎖弁５における充填導管の取り付けにより、接続を達成する。本方法は、好ましくは、コンプレッサーまたはポンプを用いずに操作する。
圧力容器のための充填装置の非常に単純化した模式図を示す。 一例として、圧力容器のための充填プロセスのさまざまの段階を図で示す。

Claims (21)

  1. 圧力容器をガスまたはガス混合物で高圧充填する方法であって、圧力容器を冷却し、ガスの沸点を超える温度において少なくとも１種のガスで充填し、冷却した状態で閉じ、加温により充填し閉じた圧力容器中に圧力を生じさせる方法。
  2. ガスまたはガス混合物を加温することにより、充填した圧力容器中に１００バールまたは２００バールまたは３００バールを超える圧力を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. ガスの加温を、積極的な加熱、または室温、周囲温度、０℃を超える温度もしくは別の温度への温度の均等化により達成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. マイナス５０℃未満の沸点を有する純ガスまたは最高沸点ガス成分がマイナス５０℃未満の沸点を有するガス混合物を充填に用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 圧力容器の充填を少なくともマイナス５０℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 圧力容器の充填を一定または実質的に一定の温度で行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 圧力容器の充填の間に、冷却された圧力容器を用い、冷却を、冷凍浴、冷却ブロック、低温ガス、低温固体粒子、もしくは他の冷凍剤、または温度調節できる冷却装置により達成することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 充填操作の間の充填量の測定とモニタリングを圧力測定により達成することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 圧力容器の充填の間に、圧力容器を圧縮ガス源に接続し、圧縮ガス源は圧力容器の温度を超える温度にあることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 圧力容器の充填の間に、圧力容器を圧縮ガス源に接続し、圧力容器および圧縮ガス源の温度は少なくとも５０℃だけ異なる、および／または圧力容器および圧縮ガス源の中のガスまたはガス混合物の温度は少なくとも５０℃だけ異なることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前もって製造したガス混合物で充填するか、または製造すべきガス混合物のガス成分で連続的に充填することにより、圧力容器をガス混合物で充填することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 圧力容器の充填を、加圧されたガスまたはガス混合物を用いて行うことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 圧力容器の充填を、少なくとも１０絶対バールの圧力で行うことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 圧力容器の充填を、５０〜４００絶対バールの範囲の圧力で行うことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. 圧力容器の充填を、あらかじめ冷却したガスまたはガス混合物を用いて行うことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
  16. ガスまたはガス混合物を、充填温度にあらかじめ冷却することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
  17. 加圧した冷凍剤を冷却に用いるか、または圧力の作用による冷却の間に、温度を設定するか、制御するか、もしくは調節することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
  18. エアバッグガス発生装置の充填での使用を特徴とする請求項１ないし１
    ７のいずれか１項に記載の方法。
  19. エアバッグシステムの冷却圧力容器の充填のための、標準圧力での沸点がマイナス２００℃未満であるガスまたはガス混合物の使用方法。
  20. 少なくとも５０体積％の水素またはヘリウムを含むガスまたはガス混合物を用いることを特徴とする請求項１９に記載の使用方法。
  21. 少なくとも１つの圧縮ガス源と、冷却装置を有する少なくとも１つの圧力容器と、圧縮ガス源と圧力容器との間の接続ラインと、少なくとも１つの弁を有する、機械的圧縮なしに少なくとも１種のガスまたはガス混合物でエアバッグシステムの圧力容器を充填するための装置の使用方法。
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