TWI500875B - 氣體儲存容器 - Google Patents

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TWI500875B
TWI500875B TW100145842A TW100145842A TWI500875B TW I500875 B TWI500875 B TW I500875B TW 100145842 A TW100145842 A TW 100145842A TW 100145842 A TW100145842 A TW 100145842A TW I500875 B TWI500875 B TW I500875B
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gas
fluid
tank
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fluid flow
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Neil Alexander Downie
Christopher John Mercer
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Air Prod & Chem
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Description

氣體儲存容器
本發明關於一種氣體儲存容器(例如為氣瓶)，其用於儲存及(或)給出加壓(通常為高壓)氣體。更詳細來說，本發明關於一種經改進之氣體儲存容器，其可使在容器中填充加壓氣體更為容易。
氣瓶中含有高壓下(如100巴或以上)之永久氣體，其製備通常為直接將氣體以氣體壓縮機打入氣瓶中。此填充程序通常用在填充較少量之氣瓶時。然而，在填充氣瓶時必需緩慢地填充(如以1至2小時填充)，以控制及(或)減少因氣體之絕熱壓縮所產生之熱。如此使填充氣體之步驟限制了氣瓶之製備程序的速度。另外，將氣體壓縮至足夠的壓力以使其可填充至氣瓶中需要相當多的能量。
可將氣瓶及(或)填充之氣體冷卻以提高填充之速率，並可以水或乙二醇(glycol)噴灑系統或是熱交換器來達成此目的。雖然以此方式冷卻氣瓶及(或)填充氣體可提高填充速度，但會提高填充成本而使效果受限。此外，如此無法減少能量的消耗。
由於大多的永久氣體為在低溫下以液態儲存，因此可使用高壓低溫泵將液體(而非氣體)加至高壓以減少能量消耗。接著，可使經加壓之液體汽化而用來填充氣瓶。此種填充程序通常用於需填充大量的氣瓶時。然而，高壓低溫泵相當複雜、昂貴且容易故障。另外，由於來自低溫泵之液體在填充前需先汽化，因此並無法提高充填充速度。
直接將低溫液體注入氣瓶為此領域中相當受到注目的技術。當氣瓶回溫至室溫而使低溫流體汽化時，即可達到所需的高壓。此種填充程序至少具有以下兩個優點：第一，此程序消耗之能量較少(約僅需百分之一)；第二，此程序速度較快(約1至2分鐘)。然而，此種直接注入程序不適用於鋼製之標準高壓瓶，其在低溫下會變得脆弱而產生危險。
美國專利申請第1,414,359號(於1922年5月公開)揭露一種鋼製氣瓶，其包括一內置、具有薄壁之輔助槽，其用於接受液化氣體。在輔助槽之上端緊鄰閥頭之下方處有一排孔洞，以使氣體流可在內槽內及氣瓶內部之其他部分間流通。此輔助槽可連接至氣瓶頂端之錐塞(conical stopper)，或是連接至配置於氣瓶底部之錐塞。輔助槽可將具有延展性之金屬軟管經氣瓶之頸部插入，並以空氣或液壓使其膨脹至所需之程度而形成。上述專利亦揭露在填充及之後將液化氣體汽化之過程中將鋼瓶置於水浴中為佳，如此可限制鋼瓶壁冷卻的程度，以避免氣瓶因過度冷卻使鋼材失去延展而造成危險。
美國專利第3,645,291A號(於1972年2月公開)揭露一種氣瓶，在氣瓶中之腔室提供一內槽以接受填充至氣瓶之液化氣體，如此可將液化之氣體與氣瓶之外壁隔開，以確保使液態氣體較慢且較均勻的汽化。內槽及出氣構件可使氣體在汽化時進入氣瓶腔室之其他部分。氣瓶包括一頸部，頸部具有一內槽，而內槽由頸部向下延伸之部分及液化氣體接受槽形成，而上述延伸部分在液化氣體接受槽中有孔道。延伸之部分具有至少一徑向向外延伸之孔洞，氣體可經由這些孔洞流進及出氣瓶腔室之其他部分。此專利亦揭露內槽以可用於低溫之材料製成，如以MylarTM 箔片製成，且因氣瓶之瓶壁理應不與液化氣體接觸，因此瓶壁之材料之低溫要求不如內槽高。在實施例中，內槽包含金屬管，其用以支撐一封閉之MylarTM 袋。其封閉而使液態氮、液態氧或液態氬可裝入瓶中，而通常會裝入足夠的量使其產生之壓力為1,800磅/平方吋(124巴)。
美國專利第3,645,291A號所揭露之系統已被放棄而未繼續研究，因MylarTM 袋之使用壽命較短、較不耐用，且無法偵測到MylarTM 袋之損壞。另外，在填充MylarTM 袋上也有先天上的困難。例如，在袋子充滿低溫液體時，液體會開始沸騰而導致部分已被注入之液體被迫回到瓶外。
英國專利第2,277,370 A號(1994年10月公開)中之氣瓶在其內表面具有一絕熱材質之鍍膜(如高密度延展之聚苯乙烯)。此氣瓶與一空瓶儲存槽間可互相流通以填充。在使用時，將具有鍍膜之氣瓶以低溫液體填充，並使其汽化。此可使產生之氣體將空瓶儲存槽以高壓填充。如此，容量為50升(水)之氣瓶在絕熱狀態下可裝有38升之液態氮，其若為液靜填滿之狀態，等同於約200巴之3瓶，或是100巴之6瓶。
在英國專利第2,277,370 A號中揭露之系統有幾個缺點。例如，在氣瓶之內側鍍膜有先天上的困難。另外，先前之填充物會殘留相當大量含有氣體(揮發性或懸浮粒子物質)或其他污染物之泡末在瓶內，其可能污染氣體而使其無法達到高純度。
本發明一較佳實施例之目的為提供一種氣體儲存容器，其用於儲存及(或)給出加壓氣體，且可簡化及(或)加速填充之過程，而不具先前技術之缺點。
本發明之第一樣態提供一種氣體儲存容器，其用於儲存及(或)給出加壓氣體，此容器包含：外槽，其界定出內空間以留存加壓氣體，外槽包含孔道以接受流體流量控制單元；流體流量控制單元，其安裝於孔道中以控制進出外槽之流體流量；以及至少一內槽，其位於內空間中。內槽界定內空間之一部分以留存低溫流體，並使低溫流體相對於外槽有一間隔關係，且流體可在外槽與內空間之其他部分之間流通，一或多個內槽具有開口以接受來自該流體流量控制單元之低溫流體，其中一或多個內槽之開口對內空間之其他部分打開。
依本發明之氣體儲存容器通常可更容易地填充，而與已知其他具有填充低溫流體之內槽的氣瓶相較下較可靠且浪費較少。承上述，應注意填充於本發明之氣體儲存容器之內槽中之低溫流體與先前技術相較之下，可在更均勻且更受控制之速率下汽化。另外，僅會有少量(或是完全沒有)之流體會在注入低溫流體時被迫出流體流量控制單元，因此可提高安全性並減少浪費。
本發明可應用於任何種類之用於儲存及(或)給出加壓氣體之容器，如瓦斯槽或其他氣體儲存槽。然而，本發明特別可應用於氣瓶，例如為鋼製或鋁製之高壓氣瓶。在一些較佳實施例中，容器為單一氣瓶。在其他較佳實施例中，容器可為多氣瓶組之中央主氣瓶，而氣體可在主氣瓶與數個平行之次要氣瓶間流通。在此類實施例中，中央主氣瓶之外槽通常為鋁製，而其餘次要氣瓶之外槽則通常為鋼製。
氣體儲存容器可為內表面鍍有絕熱材質之氣瓶。英國專利第2,277,370號所揭露之氣瓶即為一例。此專利揭露之內容併入此說明書以做為參考。然而，本發明之氣體儲存容器以無鍍膜較佳。
本發明之氣體儲存容器適用於儲存及(或)給出純氣或是混合氣體。此容器特別可應用於儲存及(或)給出經液化之純氣或混合氣體。此容器特別可應用於儲存及(或)給出可液化之純氣，或是具有至少一可液化、且可以含有液化氣體之低溫流體的形態裝填至內槽之主成分的混合氣體。
適用於此容器之氣體包含永久氣體。適用之氣體例如包括氧(O2 )、氫(H2 )、氮(N2 )、氦(He)、氬(Ar)、氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)及甲烷(CH4 )。適用之混合氣體包括焊接氣體，例如為含有N2 或氬與二氧化碳(CO2 )，另選擇性地可含有O2 之混合氣體；呼吸氣體，如空氣；高氧氣體(nitrox，O2 及N2 )；氦氧氮混合氣體(trimix，O2 、N2 及He)；氦氧混合氣體(heliox，He及O2 )；加氦空氣(heliair，O2 、N2 及He)；氦氫氧混合氣體(hydreliox，He、O2 以及H2 )；氫氧混合氣體(hydrox，H2 及O2 )；以及氖氧混合氣體(O2 、N2 以及He)；麻醉氣體，如包含O2 及二氧化氮(N2 O)之混合氣體；以及啤酒添加氣體(beer gas)，如包含CO2 及N2 之氣體混合物。
「低溫流體」包含了液化氣體，其可為液化之純氣、液化氣體之混合物或是包含一液化氣體以及一固化氣體之液/固混合物，其通常為低溫之泥狀或漿狀。
在一些較佳實施例中，低溫流體可為低溫液體，如液態氧(LOX)、液態氫(LIN)、液態氦、液態氬(LAR)、液態氖、液態氪、液態氙以及液態甲烷，或是其混合物以形成特定之氣體混合物。
在其他實施例中，低溫流體為液/固混合物，其包含第一液化氣體以及第二固化氣體。液化第一氣體可為一或多種上述之低溫液體，而固化之第二氣體通常為固態二氧化碳或一氧化二氮，可依形成之混合氣體不同而選用適當之組合。
適用之液/固混合物通常需在大氣壓力下(如1至2巴)至少穩定的存在10分鐘，較佳為至少30分鐘，更佳為1小時，再更佳為1小時。此處之「穩定」一詞意指此混合物可在大氣壓力下處理，而不會使一或多種之成分有嚴重的損失。
上述固液混合物通常為流體，以使此混合物可被倒出、沿渠道抽吸/引導、控制流量。依液化氣體及固化氣體之相對比例，此混合物之黏稠度及外觀由濃厚之奶油狀物質(類似打發的奶油或凡士林)至稀薄之乳狀物質都有可能。此混合物之黏滯度通常可為1cPs(如為稀薄之乳狀物質)至10000cPs(如為濃厚之奶油狀物質)。濃厚之奶油狀物質可在約1000至約10000cPs之間。此混合物較佳地可由懸浮於液體中之分散的固態粒子所形成。此液/固混合物可形容為低溫泥或低溫漿。
發明人發現，當液態氬/固態二氧化碳混合物回溫至室溫時，液態氬會先汽化留下大量之固態二氧化碳，而固態二氧化碳會逐漸升華。在容器內使氣體擴散可形成均勻混合之氬/二氧化碳混合物。發明人認為其他含有二氧化碳之液/固混合物也有相同之行為模式。
混合物中之液體及固體成分的相對比例依所需之氣體混合物而定，且其混合物需具有流體性質。在較佳實施例中，液體成分之重量百分比可為約40%至99%，而固體成分之重量百分比可為約1%至60%。
第一及第二氣體之成分由填充容器之氣體混合物決定。適合之氣體混合物之例包括焊接氣體；啤酒添加氣體；麻醉氣體以及滅火氣體。
適合之焊接氣體包括氮氣或二氧化碳混合物(例如為重量百分比約80%至約95%之氮及重量百分比約5%至20%之二氧化碳)，以及氬/二氧化碳混合物(例如為重量百分比約80%至約95%之氬及重量百分比約5%至20%之二氧化碳)。在此種焊接氣體中氧氣可取代部分之氮或氬。因此，焊接氣體可包含重量百分比為約0%至5%之氧氣。
特別適合之焊接氣體可包含重量百分比約80%至約90%之氬、約0%至5%之氧氣以及約5%至20%之二氧化碳。適合之焊接氣體之範例可包含重量百分比約2.5%之氧氣、約7%至20%之二氧化碳，並以氬氣(重量百分比約77.5%至約90.5%)平衡。
適合之啤酒添加氣體包含氮氣/二氧化碳混合氣體(例如重量百分比約40%至70%之氮與約20%至約60%之二氧化碳)。
適合之麻醉氣體可包含氧氣/氧化亞氮之混合氣體(如重量百分比約65%至約75%之氧及約25%至35%之氧化亞氮)。
適合之滅火氣體包括氮氣/二氧化碳混合氣體(如重量比為1:1)。
第一氣體因此可以由氮、氬、氧中選出。其他適合之氣體包括氦、氖、氙、氪以及甲烷。
第二氣體通常在大氣壓力下為穩定固態。此處「穩定」一詞意指第二氣體之固態不會在大氣壓力下過快地急速變為氣態(不論是升華或融化及汽化)，而使其可在這些條件下以固態處理。第二氣體通常由二氧化碳及氧化亞氮中選出。
此液/固混合物可為一液化氣體及一固化氣體形成之二元混合物。但液/固混合物亦為可多於一種之液化氣體與一固化氣體混合，或是一液化氣體與多於一種之固化氣體混合。在一些較佳實施例中，液/固混合物包含液化之第三氣體。此液化之第三氣體無法與液化之第一氣體混合，但在較佳實施例中，液化第一及第三氣體可彼此混合。
在儲存容器以焊接氣體填充之較佳實施例中，液化第一氣體為液態氬，而固態第二氣體為固態二氧化碳。在此實施例中，液/固混合物亦可含有液態氧，其可與液態氬混合。因此，液/固混合物可包含重量百分比約80%至90%之液態氬、約5%之液態氧以及約5%至20%之固態二氧化碳。
適合之低溫液/固混合物揭露於2010年12月16日申請，現在同樣處於申請狀態中之歐洲專利申請第10195491.5號中，上述揭露內容引入本文做為參考。
此處「加壓」一詞欲指此氣體遠大於大氣壓力，如至少40巴。此氣體儲存容器通常適於儲存及(或)給出約500巴之氣體。一般而言，此容器通常適於儲存及(或)給出至少100巴或至少300巴之氣體。
一或多個內槽為「鬆密合」(loose-fitting)較佳，也就是並非固定地安裝至外槽上。
一或多個內槽以「薄壁」為佳，因內槽僅處於均壓壓力下。一或多個內槽通常具有封閉之一基底以及一環繞壁，其具有足夠之厚度以讓內槽在裝有低溫流體時可支撐其自身。基底及環繞壁之厚度依內槽之材質而定，但基底及環繞壁之厚度通常約為0.1mm至10mm間，較佳地在0.25mm至5mm之間。例如，當內槽由金屬製成(例如鐵、鋁或鎳)時，基底及環繞壁之厚度通常不大於2mm(例如為約1mm至2mm)。另外，當內槽由聚合物(如矽氧樹脂或聚酯膜)製成時，基底及環繞壁之厚度通常會較厚，例如小於5mm(例如為約1.5至4mm)。
一或多個內槽之形狀以開頂或具有一開放端之一罐較佳，也就是說內槽具有一底端以及一環繞壁(其通常為環形，雖然非必要)，其實質上垂直於該底端。此內槽之開口為此開放端。在一些實施例中，此罐之開放端為倒錐狀。
此氣體儲存容器可包含至少一支撐件較佳，其用以支撐內槽以使其與外槽維持間隔關係。任何適當之支撐件皆可，如用於內槽之間隔臂或間隔足，或是可承載內槽之支撐基座。支撐件可固定於內槽上，但非必要。一或多個支撐件通常由抗低溫材料製成，且其導熱常數通常較低。適合的物質包括塑膠及聚合物，但亦可用包裝材料。
容器可包含複數個內槽。例如，每個內槽可為長形、薄壁之管狀，且具有封閉之底端以及形成開口之開放的上端。管之直徑可大於外槽之孔道直徑(在此例中，此管可在封閉之前置入外槽)或小於外槽孔道之直徑(在此例中，管可由孔道插入外槽中)。
然而在較佳實施例中，容器包含一單內槽，在此實施例中，內槽之開口的直徑大於上述孔道為佳。內槽之開口之直徑可至少較孔道之直徑大100%(較佳為至少大200%，例如至少大400%)。
一或多個內槽通常可支撐其自身，即使填充低溫流體後也一樣。內槽可為剛性，也就是可支撐其自身且可抵抗形變。另一方面，一或多個內槽亦可為軟性。在此等實施例中，一或多個內槽可產生形變，如被捲起、折疊或壓扁，然後由孔道插入外槽中。接著內槽可以氣壓或水壓在容器內展開。另外，在實施例中，若一或多個內槽為彈性體，內槽在容器內可自行恢復原來的形狀。因此，內槽可由彈性材料製成，或是內槽具有彈性或彈簧框架，其支撐用以形成內槽之基底及壁之軟性的片材。
因其需填充低溫流體，因此一或多個內槽通常由可抵抗所在環境之低溫而不會脆化之材料製成。適合之材料包括特定之金屬，如鋁、鎳及鋼(例如不銹鋼)以及聚合物材料(例如矽氧樹脂，如催化固化之矽氧樹脂以及聚二甲基矽氧烷、聚脂(如聚對苯甲二酸乙二脂(PET或MylarTM ))、聚乙烯(如聚四氟乙烯(PTFE))、以及全氟化彈性體(PFE)。
除開口外，內槽可包含至少一孔穴以提供由內槽界定之內空間，以及由外槽所界定之其他部分之內空間之間之額外之氣體流通。此孔穴通常可位於內槽之壁上，在內槽填充之低溫流體的最高水位以上。然而，在較佳實施例中，開口為內槽上唯一之孔道為佳。
此處之「間隔關係」一詞所指為被隔開或是在其間有一間隙。因此，在本發明中，外槽與內槽隔開，而使填入內槽之低溫流體與外槽間具有一間隙而將低溫流體隔離。間隙通常大於1釐米，較佳為大於5釐米。
此處「開放」一詞意指至少非完全封閉。因此，在本發明中，開口為對內空間之其餘部分至少非完全封閉(以完全打開為佳)。在較佳實施例中，開口可直接連接至容器之任一部分，特別是流體流量控制單元。
一或多個內槽之開口與流體流量控制單元間有一間隔關係為佳。
內空間通常具有一上半部以及一下半部。內槽延伸至內槽之上半部及下半部之程度依內槽填充之低溫流體的量而定。一或多個內槽一或多個內槽可由內空間之下半部延伸至上半部。例如，在容器為多氣瓶組中之中央主氣瓶之實施例中，其內槽可由接近內空間之底部延伸至頂端，或至內空間之長度的90%。然而，在容器為獨立之氣瓶之實施例中，內槽完全位於內空間之下半部為佳，或甚至僅於內空間之底部三分之一。
發明人發現，內槽完全位於內空間之下半部，或僅於內空間之底部三分之一，可使低溫流體以更穩定之速率變為氣態，並因此改善填充製程。發明人了解低溫液體之加速汽化肇因於對流，但並不限於任何特定之理論。僅於內空間下半部(或底部三分之一)而非接近頂端之內槽可將對流最小化以抑制汽化過程之加速，而提供較佳之填充速率控制。
在以低溫流體填充氣體儲存容器中之一或多個內槽時，可將一噴嘴插入通過流體流量控制單元之通道中。噴嘴通常包含第一渠道組合以及第二渠道組合，第一渠道組合用以供給低溫流體，而第二渠道組合可在對容器填充流體時將空氣及(或)氣態之低溫流體由容器排出。第一渠道組合可在第二渠道組合內，且與第二渠道組合同軸為佳。在內槽與流體流量控制單元分開一段距離的實施例中，噴嘴通常延伸穿過流體流量控制單元至低於內槽開口之高度。如此，噴嘴末端之噴灑可被內槽之壁阻擋。
通道可以壓力蓋或類似物手動開關，但在較佳實施例中，通道具有一閥，其位於容器內通道之末端，且以一彈簧保持於關的狀態。
此流程可包含以移除壓力蓋打開通道，然後將噴嘴插入打開的通道並將低溫流體送入容器中。另外，此流程亦可包含將噴嘴插入，並以噴嘴之末端推擠彈簧以打開閥門而打開通道。
適當之噴嘴組合揭露於2010年12月16日申請，現在同樣處於申請狀態中之歐洲專利申請第10195461.8號中，上述揭露內容引入本文做為參考。
當送入容器之低溫流體達到所需之量時，噴嘴被由通道移除，然後通道可因閥門之彈簧作動而關閉，或是重新蓋上壓力蓋。
另外，容器可包含渠道組合，其位於內空間中以將低溫流體由流體流量控制單元饋送至一或多個內槽。渠道組合可為由流體流量控制單元延伸至低於內槽開口之高度的浸入管(dip tube)。如此，末端之噴灑可被內槽之壁阻擋。
如上所述，一或多個內槽可在外槽形成後置於容器之外槽。因此，本發明之第二樣態提供一種第一樣態中之氣體儲存容器之製程，此製程包含：提供一外槽，其界定一內空間以留存加壓氣體，外槽包含一孔道以接受一流體流量控制單元；將一或多個內槽經由孔道插入外槽之內空間，內槽界定內空間之一部分以留存低溫流體，並使低溫流體相對於外槽有一間隔關係，且流體可在外槽與內空間之其他部分之間流通，一或多個內槽具有一開口以接受來自流體流量控制單元之低溫流體；以及將流體流量控制單元安裝在孔道中，其中一或多個內槽之孔道對內空間之其他部分打開。
在一或多個內槽可變形之實施例中，此製程以包含在將內槽以變形之狀態插入外槽之內空間中前將內槽變形之步驟為佳。在一或多個內槽有彈性之實施例中，內槽在容器內不需施加外力即可恢復至原來的狀態。在其他實施例中，也許一或多個內槽不具彈性，而可使用氣壓或水壓在插入氣瓶後，封閉容器前將一或多個內槽展開。
在其他實施例中，一或多個內槽可在外槽形成時置入外槽。有些氣體儲存容器之外槽分成不同的區段製成，如基底區段以及至少一其他區段(如上段及一或多個中間段)。因此本發明之第三樣態提供一種製造第一樣態之容器之製程，其步驟包含：將至少一內槽插入外槽之第一段，以基底區段為佳；將外槽之基段以及至少一前段組合以組成外槽，外槽界定出留存加壓氣體之一內空間，且包含用以接受一流體流量控制單元之一孔道；以及將一流體流量控制單元安裝至孔道中。
第一段及外槽之其他區段可以任何其他適當之製程結合，例如為焊接，特別是摩擦焊接。此製程特別適於用來製造以對位芳綸人造纖維(para-aramid)(如KevlarTM )或是碳纖維包覆之容器。
用於100巴以上之氣瓶大多為無縫鍛造之鋼或鋁槽。鋼瓶之鍛造通常為將鋼胚加熱至1000℃，然後將加熱過之鋼胚用鍛造模具及沖床以「深拉引(deep drawing)」之方式成形，以形成一深圓柱杯狀，其高度與最後之氣瓶成品相同。鋼材在此階段以冷卻，因此其上端需再加熱至可再鍛造，然後以砂輪在其周圍轉動以進行頸縮(necking)，直至頸部接近完全封閉。在冷卻後，檢查氣瓶是否有裂痕，頸部以機器加工形成螺紋，而流體流量控制單元可螺設至其上。內槽可在頸縮前加入。鋁氣瓶可以類似方法製成。
因此，本發明之第四樣態提供一種製造第一樣態中之氣瓶之製程，此製程包含：鍛造形成一開端瓶，其具有封閉之一底端、一環形環繞壁以及一開端；通過開端將一或多個內槽插入至開端瓶中；由開端處之環形環繞壁形成一肩部以及一頸部以使其封閉該開端瓶，並形成界定一內空間之一外槽，該內空間用以留存加壓氣體；形成通過頸部至該內空間之一孔道，其適於接受一流體流量控制單元；以及將流體流量控制單元安裝於孔道內。
鍛造形成氣瓶時所需的高溫意味著內槽需以不會融化之材質製成，可為鋼或鎳。即使其罐壁較薄且未經抗蝕處理，低價之鋼罐通常亦不會在氣瓶內被腐蝕，因氣體非常乾燥。加入之氣體很乾，而氣瓶通常會以餘壓閥(residual pressure valve)保護，防止氣壓降至最小閾值以下(如4巴)。然而，依製程之不同，氣瓶之溫度亦可能更低而需使用鋁內槽，甚至是聚合物內槽。後者可防止任何因氣瓶被水污染而造成之可能的腐蝕。
氣體儲存容器通常透過流體流量控制單元填充低溫流體至內槽中。接著，容器被密封，或將氣體出入容器之通道關閉，而使低溫流體可變為氣相，而以加壓氣體填充此容器以及與其相連之任何次要容器。
本發明之第五樣態提供一種填充第一樣態中之氣體儲存容器之方法，此方法包含以下步驟：以低溫流體經由流體流量控制單元填充內槽，該低溫流體包含液化氣體；以及封閉容器供氣體進出之通道，並允許流體在容器內變成氣體。
以低溫流體填充單一容器之一或多個內槽通常需要一分鐘，亦可能僅需10至20秒。容器被純氣充分加壓之時間通常少於1小時。
熟悉此項技藝者應可了解，氣體儲存容器之內槽被加壓之純氣填充，以及饋送低溫流體之量可以理想氣體方程式計算。也就是：
PV=nRT
其中P為所欲之容器中壓力、V為容氣體積、n為氣體之莫耳數、R為氣體常數、而T為絕對溫度。
在選定特定之容器後，V及P之最大值，以及R與室溫為已知。如此可以下式計算n：
n=PV/RT
氣體之莫耳數n乘以分子量A可換算為以公克數計量之氣體質量M：
M=nA
在計算高於50巴(例如)之真實氣體時，需依分子之不同而有限之尺寸及分子間之引力及斥力修正此基本方程式。此修正可在方程式中導入因數Z-氣體之「壓縮性」：
PV=nRTZ
許多氣體在相當廣的壓力及溫度範圍下有表可查，而其他氣體則有複雜之趨近方程式可計算。
計算可依需求改變以決定兩種或以上之低溫液體之量，或包含液化之第一氣體及固化之第二氣體之液/固混合物之量，其依需求以加壓氣體混合物填充氣體儲存容器。
在內槽為具有開放端之罐狀，且開放端倒錐狀的實施例中，其包含至少一支撐件用以支撐罐狀內槽而使其與外槽維持相對之間隔關係。此實施例之方法更包含傾斜容器以增加低溫流體在內槽中之表面積之步驟。
本發明之氣瓶可在生產線(滾輪輸送)上以高速單瓶填充，其程序與丙烷之填充相似。填充生產線可包含一環狀輸送帶，其具有3或4個填充輸出及一個中央槽。低溫液體可以低溫泵抽送至氣瓶之內槽，或將爐頂氣壓(top gas pressure)用在儲存槽。爐頂氣可為與其他氣體不同之不凝氣體(如氦氣)，或相同之氣體(如氬氣)之壓力，用以填充液態氬(LAr)。
填充至容器內之低溫流體的量可以重力方式測量，如操作計重秤之填充，或是液體質量流計之填充，視需求而定。
低溫流體可在填充前使其過冷，如使用LIN來使LAr過冷。
增加驅動壓力可使容器在填充低溫流體時不需排出逸出之空氣及(或)氣態低溫流體。然而，在較佳實施例中，容器在填充之步驟中會排氣，例如以低溫流體填充時所通過之傳統閥門及(或)反向流噴嘴排氣。
容器可以非垂直之方式填充以將氣體分開並使液體流更乾淨。
流體流量控制單元通常可使氣體在注入低溫流體時排出。此功能可以具有雙低溫流體路徑及(或)同軸填充系統之控制單元達成，在其中低溫液體倒入或抽入至金屬管中之具有薄壁的管線。氣體在填充時由環狀空間排出以避免壓力不完全。
本發明之實施例可以氣體混合物填充，可先將液化之次要、低壓成分注入，接著將主成分之液體注入。然而，第一成分會開始汽化，因此第二成分需要抽入以抵抗已在氣瓶內之氣體所產生之壓力。
容器之頂端可以少量氣體成分填充，然後在其上加上液態之主成分。然而，主成分亦需要抽入以抵抗已在氣瓶內之氣體所產生之壓力。另外，此步驟可倒轉，而主成分可先以液態加入，然後再加上氣態之次要成分。加入之氣體會「催化」液體，使其較快地沸騰，因當氣壓升高時，其熱傳係數亦會提高。
然而，填充所有成分均為低溫之混合物較為方便，如以上述之低溫液/固混合物之形式。
下文之敘述以本發明較佳實施例之範例及所附圖式說明。
參照第1圖，氣瓶2具有一外槽4，其界定一內空間6以留存加壓氣體。外槽4以鋼製成，並具有孔道8以接收流體流量控制單元10以控制進出氣瓶2之流體流量。流體流量控制單元10具有含壓力蓋14之流體填充入口12、含控制閥18之傳統出口16。流體流量控制單元10亦具有洩壓閥20。
內槽22由鋼製成，其完全置於內空間6之下半部中。在另一實施例中，內槽22由催化固化之矽氧樹脂製成。內槽22界定出內空間之一部分24以留存低溫流體26，並使其與外槽4保持一間隔關係。支撐件28使內槽22與外槽4間維持間隔關係。內槽22具有一開口30，其用以通過鋁製之渠道32(或浸入管)接收來自流體流量控制單元10之低溫流體。渠道32之末端34延伸至內槽22之開口30以下，並藉此確保來自渠道32之流體可被內槽22擋住。渠道32之末端34通常不會延伸至低於內槽22之開口30，因其在內槽22填充流體後會使其低於低溫流體26之液面。
開口30向內空間6之其他部分打開，而藉此可使流體可在內槽22與內空間6之其他部分間之流通。
在填充氣瓶時，將壓力蓋14移除以透過渠道32填充低溫流體至內槽22。低溫流體在與內槽接觸時會馬上開始汽化。傳統出口16之控制閥18通常打開以使氣體可逸出氣瓶2。
饋入氣瓶2之低溫流體之量(如體積或質量)依氣瓶之目標壓力(也就是氣瓶之體積、以及氣體及低溫流體之密度)而預定，並測量饋送至氣瓶之流體以確保加入之低溫流體量正確。在加入所需之低溫液體之量至氣瓶2後，壓力蓋14將入口12關上，而傳統出口16之控制閥18亦關閉。低溫流體可汽化(在某些情況下為升華)並變成氣態，藉此將氣瓶2以氣體填充至所需之壓力。
第2圖繪示本發明之實施例應用至多氣瓶組。多氣瓶組之中央氣瓶與第1圖中所繪示之氣瓶類似，而共同之特徵在此二圖中以相同之元件符號標示。下文詳述第1圖及第2圖中之實施例之差異。
多氣瓶組中包含多個次要氣瓶36、38，其環繞中央(或主要)氣瓶2。中央氣瓶2需填充所有的次要氣瓶36、38而需要留存較大量之低溫流體，因此第2圖中之中央氣瓶2之內槽22較第1圖中之氣瓶2之內槽22大。因此，內槽22延伸至內空間6之上半部，而使內槽22所界定之內空間6之此部分24成為主要部分，例如為外槽4界定出之內空間6之60%至80%。
次要氣瓶36、38與中央氣瓶2間經由渠道組合40而可有流體流通，渠道組合40具有洩壓閥20及傳統出口16及控制閥18。
中央氣瓶2之內槽22填充入總量經量測過之低溫流體，其填充方式與第1圖中繪示之氣瓶之填充方式大致上相同。
第3及4圖中之氣瓶大致上與第圖中繪示之氣瓶相同，共同之特徵以相同之元件符號標示。
第3圖中之氣瓶2之內槽22的開放端為倒錐狀42。此形狀之內槽22讓氣瓶2可在內槽22被低溫流體26填充後傾斜。以此方式將氣瓶2傾斜可增加低溫流體26之表面積，並可藉此增加氣瓶2被氣體填充之速度。
第4圖繪示傾斜之氣瓶2。支撐件44維持內槽22與外槽4間之目的隔關係。圖中之氣瓶置於一支撐架46上。
第5圖繪示用於以低溫流體填充第1圖之氣瓶2之系統。氣瓶2之入口12透過渠道50連接至絕熱液體傳送槽48，渠道50延伸至儲備低溫流體52。來自液體傳送槽8中之儲備低溫流體52之液體饋送至氣瓶2之內槽22，其以來自爐頂氣之壓力透過管線54饋送。饋送入內槽22之液體量可以任何適當之構件(圖未示)測量，如渠道50中之流量計，或測量液體傳送槽48之重量減少或氣瓶2之重量增加，或是測量流入液體傳送槽之爐頂氣之流量。大量液體源中之儲備低溫流體52透過管線56被取出。液體轉移槽亦可具有一試驗旋塞以及一洩壓閥60。
範例
23.5升之鋼氣瓶具有一大型頸部，其裝設有流體流量控制單元，而流體流量控制單元具有液體過濾開孔、水管、傳統閥以及安全洩壓閥。MylarTM 袋連接至液體填充管，並置於氣瓶之內部。製成之氣瓶以及其內部與美國專利第3,645,291號中所述類似。
在填充前將系統以LIN預冷。在預冷後，將4升之LIN透過同軸噴嘴之中央管倒入填充管及袋中。傳統閥在倒入LIN時打開，而傳統閥以及液體填充孔在LIN倒入後關上。氣瓶之壓力及溫度被依時間記錄。
以第1圖中繪示之23.5升鋼瓶重複此實驗。內槽22以催化固化矽氧樹脂製成。將內槽22捲起並透過頸部插入氣瓶。在插入後，內槽22自動恢復原來的形狀。內槽22置於包裝材料上以避免與氣瓶外壁及基底接觸。
應注意需注入更多之LIN(共4升)至使用內袋之氣瓶中以達到與使用內罐之氣瓶相同之最終氣壓，而後者之氣瓶僅需填充2.5升。發明人觀察到使用內袋之氣瓶之LIN損失遠大於使用內罐之氣瓶，其肇因於使用內袋時之噴回(blow back)。
第6圖繪示在LIN汽化時，兩者之壓力及溫度隨時間之變化。
使用內袋之氣瓶的圖顯示了LIN因熱傳遞很低，很慢才開始沸騰。然而，開始沸騰後，壓力增加，而使得熱傳遞增加，其為一般氣體之壓力增加時之情況。壓力之增加導致沸騰變快，因此造成回授(feedback)效應而加速壓力之增加。在約28分鐘後，大致上所有的LIN都已沸騰。
相反地，使用內罐之氣瓶的圖顯示出LIN很慢才開始沸騰，與使用內袋之氣瓶相同。但在沸騰加速時，其加速度遠小於內袋。在約37分鐘後，大致上所有的LIN都已沸騰。
結果均反應於溫度曲線中。然而，使用內罐之氣瓶之氣瓶另有一優點，其所達到之最低溫(約-9度)遠高於使用內袋之氣瓶之最低溫(約-24度)。此結果顯示本發明可增進安全性，並可用於以耐低溫性不如鋼或鋁之材質製成的氣體儲存容器。
本發明之較佳氣體儲存容器包含以下優點：
‧此容器較傳統容器之填充為快，其以壓縮機將氣體送入容器，或將低溫液體加壓、使加壓液體揮發，並將加壓氣體抽至容器中；
‧本容器亦可以較傳統容器省電之方式填充；
‧容器填充時較傳統用以填充低溫液體之容器可靠，且損失之低溫流體較少；
‧容器之外槽不會達到超低溫，因此可以不如鋼材耐低溫之材料製作外槽；
‧容器及其製程所需之設備及操作成本都少於傳統用於低溫液體之容器；
‧容器之製程較傳統容器簡單；
‧氣體儲存容器可在傳統之工廠使用標準之低溫液體運送載具以及低溫泵填充；以及
‧與內袋相較下，內罐較強韌。
應了解本發明並不限於上述較佳實施例細節之細節，其可有許多之修改及變化，而不悖離後附之申請專利範圍中所界定之本發明之精神及範疇。
2．．．氣瓶
4．．．具有一外槽
6．．．內空間
8．．．孔道
10．．．流體流量控制單元
12．．．入口
14．．．壓力蓋
16．．．出口
18．．．控制閥
20．．．洩壓閥
22．．．內槽
24．．．內空間之一部分
26．．．低溫流體
28、44．．．支撐件
30．．．開口
32、50．．．渠道
34．．．末端
36、38．．．次要氣瓶
40．．．渠道組合
42．．．倒錐狀
46．．．支撐架
48．．．絕熱液體傳送槽
52．．．儲備低溫流體
54、56．．．管線
第1圖為本發明一實施例之氣體容器之剖面示意圖；
第2圖為第1圖所繪示之本發明實施例之氣體容器應用於多氣瓶組的截面示意圖；
第3圖為本發明另一實施例之氣體容器之截面示意圖；
第4圖為第3圖中繪示之氣體容器相對於垂直傾斜之截面示意圖；
第5圖為用於填充第1圖中所繪示之氣瓶之設備之一種排置方式的剖面示意圖；
第6圖比較(i)具有充滿LIN之內袋之氣瓶與(ii)具有充滿LIN之內罐之氣瓶對時間之壓力及溫度曲線
2．．．氣瓶
4．．．具有一外槽
6．．．內空間
8．．．孔道
10．．．流體流量控制單元
12．．．入口
14．．．壓力蓋
16．．．出口
18．．．控制閥
20．．．洩壓閥
22．．．內槽
24．．．內空間之一部分
26．．．低溫流體
28．．．支撐件
30．．．開口
32．．．渠道
34．．．末端

Claims (15)

  1. 一種氣體儲存容器，其用於儲存及(或)給出加壓氣體，該容器包含：一外槽，其界定出一內空間以留存加壓氣體，該外槽包含一孔道以接受一流體流量控制單元；一流體流量控制單元，其安裝於該孔道中以控制進出該外槽之流體流量；以及至少一內槽，其位於該內空間中，該內槽界定該內空間之一部分以留存低溫流體，並使該低溫流體相對於該外槽有一間隔關係，且流體可在該外槽與該內空間之間流通，該(些)內槽具有一開口以接受來自該流體流量控制單元之低溫流體，其中該(些)內槽之該開口對該內空間之該其他部分打開。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體儲存容器，其中該(些)內槽之該開口相對於該流體流量控制單元有一間隔關係。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之容器，其中該內空間具有一上半部以及一下半部，該(些)內槽完全位於該內空間之下半部中。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之容器，其包含設 置於該內空間中之一渠道排列，該渠道排列用於將該低溫流體由該流體流量控制單元饋送至該(些)內槽。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之容器，其中該(些)內槽之該開口之直徑大於該孔道。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之容器，其中該至少一內槽之形狀為具有一開放端之一罐，且其包含至少一支撐件，其用以支撐該罐，以使其與該外槽維持相對之間隔關係。
  7. 如申請專利範圍第6項之容器，其中該罐之該開放端為倒錐狀。
  8. 一種用於製造如申請專利範圍第1項所述之氣體儲存容器之方法，其中該容器為一氣瓶，該方法包含以下步驟：鍛造形成一開端瓶，其具有封閉之一底端、一環形環繞壁以及一開端；通過該開端將該(些)內槽插入至該開端瓶中；由該開端處之該環形環繞壁形成一肩部以及一頸部以使其封閉該開端瓶，並形成界定一內空間之一外槽，該內空間用以留存加壓氣體；形成通過該頸部至該內空間之一孔道，其適於接受一流體流量控制單元；以及將該流體流量控制單元安裝於該孔道內。
  9. 一種用於以加壓氣體填充如申請專利範圍第1項所述之氣體儲存容器之方法，該方法包含以下步驟：以低溫流體經由該流體流量控制單元填充該內槽，該低溫流體包含液化氣體；以及封閉該容器供氣體進出之通道，並允許該流體在該容器內變成氣體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該內槽之形狀為具有倒錐狀之一開放端之一罐，且該罐包含至少一支撐件，其用以支撐該罐，以使其與該外槽維持相對之間隔關係，該方法更包含傾斜該容器以增加該低溫流體在該內槽中之表面積之步驟。
  11. 一種用於製造如前述申請專利範圍第1至7項中任一項所述之氣體儲存容器之方法，該方法包含以下步驟：提供一外槽，其界定一內空間以留存加壓氣體，該外槽包含一孔道以接受一流體流量控制單元；將該(些)內槽經由該孔道插入該外槽之該內空間，該內槽界定該內空間之一部分以留存低溫流體，並使該低溫流體相對於該外槽有一間隔關係，且流體可在該外槽與該內空間之其他部分之間流通，該(些)內槽具有一開口以接受來自該流體流量控制單元之低溫流體；以及將該流體流量控制單元安裝在該孔道中，其中該(些)內槽之該孔道對該內空間之該其他部分打開。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該(些)內槽可變形，該方法更包含在將該(些)內槽插入該外槽之該內空間前使該(些)內槽形變，而以經形變之狀態插入該外槽之該內空間。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該(些)內槽有彈性，而可自動在容器內恢復原來的形狀。
  14. 一種用於製造如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之氣體儲存容器之方法，該方法包含：將至少一內槽插入一外槽之一基段；將該外槽之該基段以及至少一前段組合以組成該外槽，其界定留存加壓氣體之一內空間，且包含用以接受一流體流量控制單元之一孔道；以及將一流體流量控制單元安裝至該孔道中。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該些段彼此以摩擦焊接連結。
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