WO2005043033A1 - Verfahren zur gasbefüllung von druckgefässen - Google Patents

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WO2005043033A1
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Hermann Grabhorn
Ulrich Klebe
Friedel Michel
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L'AIR LIQUIDE Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation
Air Liquide Deutschland Gmbh
Messer Group Gmbh
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    • Y10T137/6416—With heating or cooling of the system

Definitions

  • the invention relates to a method for gas filling pressure vessels, in particular pressure vessels in airbag systems.
  • Airbags in vehicles are increasingly using new gas generators that inflate the airbag in a few milliseconds in the event of an accident.
  • Three types of gas generators are currently used: • Chemical generators, in which the gas is generated by the reaction of a chemical solid with the ambient air; • So-called hybrid generators, which consist of a combination of solid fuel and compressed gas pack and • Pure gas generators with a high-pressure gas storage system at pressures up to 700 bar at 15 ° C.
  • the gas generators which are filled with various gases, pose enormous technical problems in the manufacture, both in their manufacture and in the filling with pressures of up to 1000 bar. These pressures are required in particular in the case of rapid filling due to the compression heat fill in the precisely specified gas masses. These are of crucial importance for the later inflation characteristics of the airbag.
  • gases come e.g. for use argon, oxygen, nitrogen, nitrous oxide (laughing gas), both as high-purity gases and as gas mixtures from these components.
  • the invention has for its object to provide an alternative method for the high pressure gas filling of pressure vessels, in particular pressure vessels in airbag gas generators.
  • the pressure vessel In the process for the high pressure filling of a pressure vessel with a gas or gas mixture, the pressure vessel is cooled and with at least one gas, for example 2 or more gases, at a temperature above the boiling point of the gas or Gases filled, sealed when cooled.
  • the filling pressure of the pressure vessel is usually established by heating the filled and closed pressure vessel. Usually, the pressure vessel is heated to the ambient temperature or the operating temperature.
  • the gases are preferably introduced one after the other into the cooled pressure vessel. Gas mixtures can be produced in this way.
  • the cooled pressure vessel is connected to a compressed gas source.
  • the compressed gas source has a higher temperature than the cooled pressure vessel.
  • the compressed gas source is usually uncooled.
  • the pressurized gas source e.g.
  • the compressed gas source usually contains a compressed gas or gas mixture, preferably compressed to high pressure.
  • the gas or gas mixture in the compressed gas source has a pressure greater than or equal to 100 bar absolute, greater than or equal to 200 bar absolute, greater than or equal to 300 bar absolute or greater than or equal to 400 bar absolute.
  • the method is preferably used to fill a pressure vessel in an airbag system with a gas or gas mixture.
  • the pressure vessel corresponds, for example, to a pressure vessel in conventional gas generators for airbag systems.
  • the pressure vessel is preferably part of a gas generator of an airbag system.
  • the pressure vessel is, for example, an independent part such as a pressure cartridge, a small pressure gas container or a smaller pressure gas container.
  • the pressure vessel is preferably a cryogenic pressure gas vessel, which can withstand the abrupt, local temperature changes triggered by the cryogenic filling Resists ambient temperature and the filling temperature, for example up to -200 ° C, and securely encloses the filled gas after the temperature increase at the resulting storage pressures.
  • Suitable materials for the pressure vessels are, for example, the standardized, metastable austenitic CrNi steels, in particular types 1.4301, 1.4307, 1.4306, 1.4541.
  • the pressure vessel e.g. a chamber to be filled in a gas generator of an airbag system
  • a compressed gas source for the filling gas This is usually done via a gas line.
  • the pressurized gas source is, for example, a pressurized gas container, in particular a pressurized gas bottle, or a high pressure gas supply.
  • the walls of the chamber to be filled, the pressure vessel are usually cooled to the filling temperature.
  • the filling temperature is generally below 0 ° C, preferably below minus 50 ° C and particularly preferably below minus 100 ° C, in particular at a temperature below minus 150 ° C.
  • Pressure vessel is preferably carried out at a constant temperature.
  • the cooling takes place e.g. by means of a cold bath or immersion bath with a cooling liquid (e.g. cryogenic liquefied gases), a cooling block (e.g. cooled metal block), a cold gas (e.g. use of a gas tunnel), cold solid particles (e.g. cooled metal balls, dry ice particles), a cold solid (e.g. dry ice) or a thermostattable cooling device.
  • a cooling liquid e.g. cryogenic liquefied gases
  • a cooling block e.g. cooled metal block
  • a cold gas e.g. use of a gas tunnel
  • cold solid particles e.g. cooled metal balls, dry ice particles
  • a cold solid e.g. dry ice
  • a thermostattable cooling device e.g., a thermostattable cooling device.
  • cooling takes place in an immersion bath with a refrigerant such as refrigerated liquefied nitrogen (L
  • cryogenic liquefied gas e.g. LN2
  • the temperature is only dependent on the pressure.
  • B. exactly defined at constant ambient pressure.
  • the filling pressure to achieve the required filling quantity is drastically reduced compared to a conventional filling process, e.g. B. to 20 - 25%, ie by a factor of 4 to 5.
  • the gas or gas mixture to be stored advantageously enters the pressure vessel in the cryogenic, gaseous state (e.g. by cooling in the pressure vessel or by cooling in front of the pressure vessel).
  • the pressure vessel is advantageously evacuated before filling.
  • a connection is established between the cooled pressure vessel and the generally uncooled compressed gas source and a certain pressure is set.
  • the compressed gas source e.g. a compressed gas source with the gas or
  • Gas mixture usually has a temperature in the range of 0 ° C and 100 ° C.
  • the compressed gas source has e.g. Ambient temperature, especially room temperature (15 to 30 ° C).
  • the temperature of the pressure vessel and pressure gas source preferably differs by at least 50 ° C., particularly preferably by at least 100 ° C., in particular by at least 150 ° C.
  • the temperature of the gas or gas mixture in the pressure vessel and pressure gas source differs during filling preferably by at least 50 ° C., particularly preferably by at least 100 ° C., in particular by at least 150 ° C.
  • the set or existing pressure that is the pressure in the cooled pressure vessel (primary filling pressure) is generally in the range from over 1 bar to 400 bar absolute, preferably in the range from 10 bar to 300 bar absolute, particularly preferably in the range from 50 bar up to 150 bar absolute, especially in the range from 70 bar to 100 bar absolute.
  • the filling temperature (cooling temperature) of the pressure vessel is preferably selected so that the filling temperature is above the boiling point of the filled gas or the boiling point of the highest boiling gas component of the filled gas mixture, so that no condensation of the gas takes place in the pressure vessel. This allows a manometric control of the filling and a manometric determination of the filling quantity.
  • the cooled pressure vessel After the cooled pressure vessel has been filled, it is closed and the pressure vessel is heated with the filled gas. As a rule, the temperature is increased to the later use temperature (ambient temperature or room temperature). The heating takes place, for example, by removing the cooling source (for example by removing the filled pressure vessel from a cooling bath). The warming up to ambient temperature takes place, for example, through heat exchange with the surroundings. The warming is alternatively effected by active heating.
  • the final filling pressure or secondary filling pressure (equilibrium pressure) adjusts to the desired temperature, usually the ambient temperature, after heating. The final filling pressure is determined by the amount of gas filled.
  • a permanent gas with a boiling temperature of at most minus 100 ° C or a gas mixture with gas components with a boiling temperature of at most minus 100 ° C e.g. the gases or the gas components helium (He), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), Oxygen (0 2 ) or argon (Ar).
  • He helium
  • H 2 hydrogen
  • N 2 nitrogen
  • Pressure vessels or gas generators with a pure helium filling are particularly interesting.
  • Helium has a positive Joule Thomson coefficient. This means that this gas does not cool down during rapid relaxation.
  • Table 1 shows examples of suitable filling temperatures for various filling gases.
  • very high storage pressures in particular also those above 300 bar, in particular above 400 bar, can be achieved without major technical and energy expenditure.
  • the filling temperatures correspond to the boiling temperatures of the refrigerants at ambient pressure. Higher filling temperatures when using the refrigerants can be set by increasing the pressure up to a maximum of the critical pressure.
  • the immersion bath is closed in a pressure-tight manner.
  • the invention thus also relates to a method in which pressurized refrigerants are used.
  • the temperature of the cooling bath or a correspondingly used cooling source is advantageously changed, controlled and / or regulated with a refrigerant by changing the pressure acting on the refrigerant.
  • the advantages of the process • Filling can be done with significantly lower working pressures. • No high pressure compressors required, standard components can be used.
  • Another object of the invention is the use of a device consisting of at least one pressure gas source, at least one pressure vessel with cooling device, a connecting line between the pressure gas source and pressure vessel and at least one valve, for filling pressure vessels of airbag systems with at least one gas or gas mixture without mechanical Compression.
  • 1 shows a highly simplified diagram of a filling device for pressure vessels.
  • 2 shows schematically and as an example the different stages of a filling process for pressure vessels.
  • the filling device in Fig. 1 has a pressure vessel 1 to be filled, a compressed gas source 2, e.g. a compressed gas bottle (filling pressure e.g. 300 bar) with helium or hydrogen with shut-off valve and pressure reducer, a gas connection line 3 and a cooling bath 4 with a cryogenic liquefied gas such as liquid nitrogen as a refrigerant.
  • the pressure vessel 1 is e.g. Part of a gas generator in an airbag system or a gas cartridge.
  • the gas to be filled is filled from the pressure gas source 2 into the pressure vessel 1 by setting a desired pressure (for example 90 bar absolute; set on the pressure reducer of the pressure gas bottle).
  • the gas e.g. B. helium or hydrogen
  • the gas quickly assume the temperature of the surface and thus the boiling point of the refrigerant.
  • the gas is cooled in the pressure vessel 1 to the temperature of the cold bath.
  • the boiling temperature of the gas is below the temperature of the cooling bath, so that no condensation of the gas occurs in the pressure vessel 1.
  • a density corresponding to the temperature is set, which is considerably higher than at room temperature.
  • the required filling mass of the gas can be set precisely and reproducibly at the constant temperature of the cooling bath via the filling pressure.
  • the pressure vessel 1 is then closed under pressure using suitable means.
  • the pressure vessel 1 is sealed, for example, on the filling pipe (gas supply line 3), which is immediately after the temperature compensation at the filling temperature is squeezed and / or welded.
  • the container is then removed from the cold bath and heated.
  • a pressure increase is generated by increasing the temperature (heating) (approx. 3.7 times for helium, approx. 5 times for H 2 for a temperature increase from 77 to 288 K).
  • gas from a pressurized gas container in particular from conventional pressurized gas bottles, filling pressures of 700 bar or 1000 bar (at room temperature) can be generated.
  • no means for generating pressure for example compressor or gas pump is used between pressure vessel 1 and pressure gas source 2.
  • the pressure vessel is connected to the compressed gas source 2 (not shown) during filling.
  • the connection is made via a connection of the filling line to the shut-off valve 5.
  • the method preferably works without the use of a compressor or a pump.

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Abstract

Das Verfahren zum Befüllen eines Druckgefäßes, z.B. in Airbag-Systemen, mit einem Gas oder Gasgemisch ist gekennzeichnet durch die Befüllung des Druckgefäßes mit mindestens einem Gas bei einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gases in der Kälte, Verschließen des Druckgefäßes in der Kälte und durch Herstellung eines Druckes im befüllten und verschlossenen Druckgefäß durch Erwärmung auf Umgebungstemperatur.

Description

Verfahren zur Gasbefüllung von Druckgefäßen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasbefüllung von Druckgefäßen, insbesondere von Druckgefäßen in Airbag-Systemen.
Bei Airbags in Fahrzeugen kommen verstärkt neue Gasgeneratoren zum Einsatz, die den Luftsack bei einem Unfall in wenigen Millisekunden aufblasen. Zur Zeit werden drei Typen von Gasgeneratoren eingesetzt: • Chemische Generatoren, bei denen das Gas durch die Reaktion eines chemischen Feststoffes mit der Umgebungsluft erzeugt wird; • So genante Hybridgeneratoren, die aus einer Kombination von Festbrennstoff und Druckgaspackung bestehen und • reine Gasgeneratoren mit einem Hochdruck-Gasspeichersystem bei Drücken bis zu 700 Bar bei 15 ° C.
Die Gasgeneratoren, die mit verschiedenen Gasen gefüllt sind, werfen bei der Herstellung enorme technische Probleme auf, sowohl bei deren Herstellung als auch bei der Befüllung mit Drucken bis zu 1000 Bar. Diese Drucke werden insbes. bei schneller Befüllung auf Grund der Kompressionswärme erforderlich, um die genau vorgegebenen Gasmassen einzufüllen. Diese sind für die spätere Aufblascharakteristik des Airbags von entscheidender Bedeutung.
Als Gase kommen z.B. zum Einsatz Argon, Sauerstoff, Stickstoff, Distickstoffmonoxid (Lachgas), sowohl als Reinstgase als auch als Gasgemische aus diesen Komponenten.
Bei gasgefüllten Gasgeneratoren wird gefordert: 1. Fülldrucke bis 1000 bar ( P(T)) für höhere Speicherdichte bzw. kompaktere Baumaße. 2. Genaue Füllmengenbestimmung bei hohen Drucken. 3. Schnelle Befüllung, da diese die Taktzeiten bestimmt. 4. Der Vorgang muß in hohem Maße reproduzierbar sein. Um die sehr hohen Drucke zu erzeugen sind sehr teure und aufwendige Kolben- oder Membranverdichter erforderlich. Dies führt zu hohen Invest-Kosten, hohen Betriebsund Wartungskosten. Zusätzlich wird eine für diese Drucke entsprechend aufwendige und teure nachgeschaltete Gasversorgung erforderlich.
Mit zunehmenden Drucken steigt auf Grund der Kompressionswärme und der ungleichen Temperaturverteilung im Druckbehälter die Ungenauigkeit der exakten Füllmengenbestimmung, die aber für die spätere definierte Funktionsweise des Generators zwingend erforderlich ist.
Mit zunehmenden Drucken wird es technisch schwieriger und aufwendiger schnelle Füllzeiten zu erreichen. Es besteht der direkte Zusammenhang zwischen Füllzeit und der Erwärmung während des Füllvorgangs. D.h. je schneller gefüllt wird um so mehr steigt die Gastemperatur. Dies hat zur Folge, dass der Fülldruck noch weiter erhöht werden muß um für 15 °C oder einer anderen definierten Temperatur die exakte Menge Gas zu erzielen.
Die Reproduzierbarkeit wird aus den genannten Gründen schwieriger, und bedeutet aufwendige QS-Maßnahmen, wie z.B. das Wiegen der gefüllten Behälter zur exakten Füllmengenbestimmung. Gleichzeitig ist eine stark steigende Ausschussrate bei höheren Drucken zu erwarten. Dies wiederum führt zu geringerer Wirtschaftlichkeit des ganzen Prozesses und damit zu höheren Herstellkosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren für die Hochdruck-Gasbefüllung von Druckgefäßen, insbesondere von Druckgefäßen in Airbag-Gasgeneratoren, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei dem Verfahren zur Hochdruck-Befüllung eines Druckgefäßes mit einem Gas oder Gasgemisch wird das Druckgefäß gekühlt und mit mindestens einem Gas, z.B. 2 oder mehr Gasen, bei einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gases oder der Gase befüllt, im gekühlten Zustand verschlossen. Der Fülldruck des Druckgefäßes wird in der Regel durch Erwärmung des befüllten und verschlossenen Druckgefäßes hergestellt. Üblicherweise wird auf Umgebungstemperatur oder Einsatztemperatur des Druckgefäßes erwärmt. Bei Befüllung mit 2 oder mehr Gasen werden die Gase vorzugsweise nacheinander in das gekühlte Druckgefäß eingeleitet. Auf diese Weise lassen sich Gasgemische herstellen.
Zur Befüllung wird das gekühlte Druckgefäß mit einer Druckgasquelle verbunden. Die Druckgasquelle weist eine höhere Temperatur als das gekühlte Druckgefäß auf. In der Regel ist die Druckgasquelle ungekühlt. Die Druckgasquelle weist z.B.
Umgebungstemperatur oder eine höhere Temperatur auf. Die Druckgasquelle enthält in der Regel ein komprimiertes Gas oder Gasgemisch, vorzugsweise auf Hochdruck komprimiert. Z.B. weist das Gas oder Gasgemisch in der Druckgasquelle einen Druck größer oder gleich 100 bar absolut, größer oder gleich 200 bar absolut, größer oder gleich 300 bar absolut oder größer oder gleich 400 bar absolut auf.
Bei der Befüllung oder zur Befüllung des Druckgefäßes wird vorteilhaft kein Mittel oder keine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des zu befüllenden Gases wie ein Kompressor oder eine Gaspumpe eingesetzt. Das heißt zwischen der Druckgasquelle und dem Druckgefäß erfolgt keine mechanische Verdichtung des Gases oder Gasgemisches, das in das gekühlte Druckgefäß eingeleitet wird.
Das Verfahren dient vorzugsweise zum Befüllen eines Druckgefäßes in einem Airbag- System mit einem Gas oder Gasgemisch.
Das Druckgefäß entspricht beispielsweise einem Druckgefäß in üblichen Gasgeneratoren für Airbag-Systeme.
Das Druckgefäß ist vorzugsweise ein Teil eines Gasgenerators eines Airbag-Systems. Das Druckgefäß ist beispielsweise auch ein selbständiges Teil wie eine Druckpatrone, ein Kleinstdruckgasbehälter oder kleinerer Druckgasbehälter. Das Druckgefäß ist vorzugsweise ein kryotaugliches Druckgasgefäß, das den durch die tiefkalte Befüllung ausgelösten, abrupten, lokalen Temperaturänderungen zwischen der Umgebungstemperatur und der Fülltemperatur, beispielsweise bis -200 °C, standhält und das eingefüllte Gas nach der Temperaturerhöhung bei den resultierenden Speicherdrücken sicher umschließt. Geeignete Werkstoffe für die Druckgefäße sind z.B. die standardisierten, metastabilen austenitischen CrNi-Stähle, insbesondere die Typen 1.4301 , 1.4307, 1.4306, 1.4541.
Bei dem Verfahren wird das Druckgefäß, z.B. eine zu befüllende Kammer in einem Gasgenerator eines Airbag-Systems, mit einer Druckgasquelle für das Füllgas verbunden. In der Regel erfolgt dies über eine Gasleitung. Die Druckgasquelle ist beispielsweise ein Druckgasbehälter, insbesondere eine Druckgasflasche, oder eine Hochdruckgasversorgung. Nach Verbindung der Füllkammer mit der Druckgasquelle werden in der Regel die Wände der zu befüllenden Kammer, des Druckgefäßes, auf die Befülltemperatur abgekühlt. Die Befülltemperatur liegt in der Regel unter 0°C, vorzugsweise unter minus 50 °C und besonders bevorzugt unter minus 100 °C, insbesondere bei einer Temperatur unter minus 150 °C. Vorteilhaft ist eine Befüllung bei der Siedetemperatur von kälteverflüssigtem Wasserstoff (-253 °C), kälteverflüssigtem Stickstoff (-196 °C), kälteverflüssigtem Sauerstoff (-183 °C), kälteverflüssigtem Argon (-186 °C) oder anderer Kältemittel oder Salzlösungen, sowie bei der Sublimationstemperatur von z.B. Trockeneis (-78,5 °C), je nach Art des Füllgases und des gewünschten, zu erzeugenden Fülldruckes. Die Kühlung des
Druckgefäßes erfolgt bevorzugt bei einer konstanten Temperatur. Die Kühlung erfolgt z.B. mittels eines Kältebades oder Tauchbades mit einer Kühlflüssigkeit (z.B. tiefkalt verflüssigte Gase), eines Kühlblocks (z.B. gekühlter Metallblock), eines kalten Gases (z.B. Einsatz eines Gastunnels), kalten Feststoffteilchen (z.B. gekühlte Metallkugeln, Trockeneisteilchen), einem kalten Feststoff (z.B. Trockeneis) oder einer thermostatisierbaren Kühleinrichtung. Beispielsweise erfolgt die Kühlung in einem Tauchbad mit einem Kältemittel wie kälteverflüssigtem Sticktoff (LN2). Ein Kältebad mit einem tiefkalt verflüssigten Gas oder Trockeneis bietet den Vorteil guter Wärmeübergänge und deshalb hervorragender Temperaturkonstanz.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines tiefkalt verflüssigten Gases (z. B. LN2) als Kältemittel in einem Kältebad: - Am Siedepunkt ist die Temperatur nur vom Druck abhängig, also z. B. bei konstantem Umgebungsdruck exakt definiert. - Durch den guten Wärmeübergang in der siedenden Flüssigkeit werden der Behälter und sein Inhalt schnell auf ebenfalls exakt die Siedetemperatur gebracht. - Der Fülldruck zur Erzielung der erforderlichen Füllmenge wird gegenüber einem konventionellen Füllverfahren drastisch abgesenkt, z. B. auf 20 - 25%, d.h. um den Faktor 4 bis 5.
Das zu speichernde Gas oder Gasgemisch gelangt vorteilhaft im tiefkalten, gasförmigen Zustand (z.B. durch Kühlung im Druckgefäß oder durch Kühlung vor dem Druckgefäß) in das Druckgefäß. Das Druckgefäß ist vor der Befüllung vorteilhaft evakuiert. Zur Befüllung wird eine Verbindung zwischen dem gekühlten Druckgefäß und der in der Regel ungekühlten Druckgasquelle hergestellt und ein bestimmter Druck eingestellt. Die Druckgasquelle (z.B. eine Druckgasquelle mit dem Gas oder
Gasgemisch) weist in der Regel eine Temperatur im Bereich von 0 °C und 100 °C auf. Die Druckgasquelle hat z.B. Umgebungstemperatur, insbesondere Raumtemperatur (15 bis 30 °C). Bei der Befüllung des Druckgefäßes unterscheidet sich die Temperatur von Druckgefäß und Druckgasquelle vorzugsweise um mindestens 50 °C, besonders bevorzugt um mindestens 100 °C, insbesondere um mindestens 150 °C. Die Temperatur des Gases oder Gasgemisches in Druckgefäß und Druckgasquelle unterscheidet sich bei der Befüllung vorzugsweise um mindestens 50 °C, besonders bevorzugt um mindestens 100 °C, insbesondere um mindestens 150 °C.
Der eingestellte oder bestehende Druck, das ist der Druck im gekühlten Druckgefäß (primärer Fülldruck), liegt im allgemeinen im Bereich von über 1 bar bis 400 bar absolut, vorzugsweise im Bereich von 10 bar bis 300 bar absolut, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bar bis 150 bar absolut, insbesondere im Bereich von 70 bar bis 100 bar absolut.
Die Befülltemperatur (Kühltemperatur) des Druckgefäßes wird vorzugsweise so gewählt, dass die Befülltemperatur über dem Siedepunkt des eingefüllten Gases oder dem Siedepunkt der höchstsiedenden Gaskomponente des eingefüllten Gasgemisches liegt, damit keine Kondensation des Gases in dem Druckgefäß erfolgt. Dies erlaubt eine manometrische Kontrolle der Befüllung und eine manometrische Bestimmung der Füllmenge.
Nach der Befüllung des gekühlten Druckbehälters wird dieser verschlossen und es folgt eine Erwärmung des Druckbehälters mit dem eingefüllten Gas. In der Regel wird auf die spätere Gebrauchstemperatur (Umgebungstemperatur oder Raumtemperatur) erwärmt. Die Erwärmung erfolgt beispielsweise durch Entfernung der Kühlquelle (z.B. durch Entnahme des gefüllten Druckbehälters aus einem Kältebad). Die Erwärmung auf Umgebungstemperatur erfolgt also beispielsweise durch Wärmeaustausch mit der Umgebung. Die Erwärmung wird alternativ auch durch aktive Beheizung bewirkt. Der End-Fülldruck oder sekundäre Fülldruck (Gleichgewichtsdruck) stellt sich nach der Erwärmung auf die gewünschte Temperatur, in der Regel die Umgebungstemperatur, ein. Der End-Fülldruck ist durch die eingefüllte Gasmenge bestimmt. Vorzugsweise wird ein permanentes Gas mit einer Siedetemperatur von höchstens minus 100°C oder ein Gasgemisch mit Gaskomponenten mit einer Siedetemperatur von höchstens minus 100°C, z.B. die Gase oder die Gaskomponenten Helium (He), Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2), Sauerstoff (02) oder Argon (Ar). Besonders interessant sind Druckgefäße oder Gasgeneratoren mit einer reinen Helium-Füllung. Helium hat einen positiven Joule Thomson Koeffizienten. Das bedeutet, dass dieses Gas bei der schnellen Entspannung nicht abkühlt.
In Tabelle 1 werden beispielhaft geeignete Fülltemperaturen für verschiedene Füllgase aufgeführt.
Tabelle 1: Beispiele von Gasen und Fülltemperaturen (fl. = flüssig)
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Figure imgf000009_0001
Je nachdem, wie groß die zugeführte Gasmenge ist, können so ohne größeren technischen und energetischen Aufwand sehr hohe Speicherdrücke, insbesondere auch solche über 300 bar, insbesodere über 400 bar, realisiert werden.
Die Fülltemperaturen, insbesondere in Tabelle 1 , entsprechen den Siedetemperaturen der Kältemittel bei Umgebungsdruck. Es können höhere Fülltemperaturen bei Einsatz der Kältemittel durch Druckerhöhung bis maximal zum kritischen Druck eingestellt werden. Bei dieser Verfahrensvariante wird z.B. das Tauchbad druckdicht verschlossen. Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Verfahren, bei dem unter Druck stehende Kältemittel eingesetzt werden. Vorteilhaft wird die Temperatur des Kältebades oder einer entsprechend eingesetzten Kältequelle mit einem Kältemittel durch Veränderung des auf das Kältemittel einwirkenden Druckes verändert, gesteuert und/oder geregelt. Die Vorteile des Verfahrens: • Die Befüllung kann mit wesentlich niedrigeren Arbeitsdrucken erfolgen. • Keine Höchstdruckkompressoren erforderlich, Standardkomponenten sind einsetzbar. ■ Entsprechend wirtschaftlicher, geringere Wartungs- und Betriebskosten • Reproduzierbar und exakt. • Geringer Ausschuss. • Hoher Wirkungsgrad z.B. bei Helium, geringe Verluste ■ Entsprechend wirtschaftlicher • Weniger aufwendige Qualitätssicherung, sogar kompletter Wegfall möglich. • Der Prozess ist schnell und in hohem Maß automatisierbar. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus mindestens einer Druckgasquelle, mindestens einem Druckgefäß mit Kühleinrichtung, einer Verbindungsleitung zwischen Druckgasquelle und Druckgefäß und mindestens einem Ventil, zur Befüllung von Druckgefäßen von Airbag-Systemen mit mindestens einem Gas oder Gasgemisch ohne mechanische Verdichtung.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Schema einer Fülleinrichtung für Druckgefäße. Fig. 2 zeigt schematisch und als Beispiel die verschiedenen Stufen eines Füllprozesses für Druckgefäße.
Die Fülleinrichtung in Fig. 1 weist ein zu befüllendes Druckgefäß 1 , eine Druckgasquelle 2, z.B. eine Druckgasflasche (Fülldruck z.B. 300 bar) mit Helium oder Wasserstoff mit Absperrventil und Druckminderer, eine Gasverbindungsleitung 3 und ein Kältebad 4 mit einem tiefkalt verflüssigten Gas wie Flüssigstickstoff als Kältemittel auf. Das Druckgefäß 1 ist z.B. Teil eines Gasgenerators eines Airbag-Systems oder eine Gaspatrone.
Nach Eintauchen des Druckgefäßes 1 in das Kältebad 4 wird das zu füllende Gas aus der Druckgasquelle 2 in das Druckgefäß 1 durch Einstellung eines gewünschten Druckes (z.B. 90 bar absolut; eingestellt am Druckminderer der Druckgasflasche) gefüllt. Das Gas, z. B. Helium oder Wasserstoff, nehmen hierbei schnell die Temperatur der Oberfläche und damit der Siedetemperatur des Kältemittels an. Das Gas wird im Druckgefäß 1 auf die Temperatur des Kältebades abgekühlt. Die Siedetemperatur des Gases liegt unter der Temperatur des Kältebades, so dass keine Kondensation des Gases im Druckgefäß 1 eintritt. Es stellt sich eine der Temperatur entsprechende Dichte ein, die wesentlich höher ist als bei Raumtemperatur. Die erforderliche Füllmasse des Gases lässt sich bei der konstanten Temperatur des Kältebades einfach über den Fülldruck exakt und reproduzierbar einstellen. Anschließend wird das Druckgefäß 1 mit geeigneten Mitteln unter Druck verschlossen. Der Verschluß des Druckgefäßes 1 erfolgt z.B. am Füllrohr (Gaszuleitung 3), das direkt nach dem Temperaturausgleich bei der Fülltemperatur zugequetscht und/oder zugeschweißt wird. Anschließend wird der Behälter aus dem Kältebad entnommen und erwärmt.
Man erzeugt über die Temperaturerhöhung (Erwärmung) eine Druckerhöhung (bei Helium ca. 3,7-fach, bei H2 ca. 5-fach für einen Temperaturanstieg von 77 auf 288 K). Mit Gas aus einem Druckgasbehälter, insbesondere aus konventionellen Druckgasflaschen, lassen sich so z.B. Fülldrücke von 700 bar oder 1000 bar (bei Raumtemperatur) erzeugen. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise kein Mittel zur Druckerzeugung (z.B. Kompressor oder Gaspumpe) zwischen Druckgefäß 1 und Druckgasquelle 2 eingesetzt.
In Fig. 2 werden Schritte bei der Gasbefüllung von Druckgefäßen 1 dargestellt. Das Druckgefäß wird während der Befüllung mit der Druckgasquelle 2 (nicht gezeigt) verbunden. Die Verbindung erfolgt über einen Anschluß der Füllleitung am Absperrventil 5. Das Verfahren arbeitet vorzugsweise ohne Einsatz eines Kompressors oder einer Pumpe.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Hochdruck-Befüllung eines Druckgefäßes mit einem Gas oder Gasgemisch, wobei das Druckgefäß gekühlt und mit mindestens einem Gas bei einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gases befüllt, im gekühlten Zustand verschlossen und ein Druck im befüllten und verschlossenen Druckgefäß durch Erwärmung hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck von mehr als 100 bar oder von mehr als 200 bar oder von mehr als 300 bar im befüllten Druckgefäß durch Erwärmung des Gases oder Gasgemisches erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Gases durch aktive Beheizung oder durch Temperaturausgleich auf Raumtemperatur, Umgebungstemperatur, eine Temperatur oberhalb von 0 °C oder eine andere Temperatur erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein reines Gas mit einer Siedetemperatur von weniger als minus 50 °C oder ein Gasgemisch, dessen höchstsiedende Gaskomponente eine Siedetemperatur von weniger als minus 50 °C aufweist, zur Befüllung eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Druckgefäßes bei einer Temperatur von mindestens minus 50 °C oder weniger erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Druckgefäßes bei konstanter oder im wesentlichen konstanter Temperatur erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Befüllung des Druckgefäßes ein gekühltes Druckgefäß eingesetzt wird, wobei die Kühlung mittels eines Kältebades, eines Kühlblocks, eines kalten Gases, kalten Feststoffteilchen oder anderer Kältemittel oder einer thermostatisierbaren Kühleinrichtung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung und Kontrolle der Füllmenge bei der Befüllung manometrisch erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Befüllung des Druckgefäßes das Druckgefäß mit einer Druckgasquelle verbunden ist, wobei die Druckgasquelle eine Temperatur aufweist, die über der Temperatur des Druckgefäßes liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Befüllung des Druckgefäßes das Druckgefäß mit einer Druckgasquelle verbunden ist und sich die Temperatur von Druckgefäß und Druckgasquelle um mindestens 50 °C unterscheiden und/oder sich die Temperatur des Gases oder Gasgemisches in Druckgefäß und Druckgasquelle um mindestens 50 °C unterscheiden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäß mit einem Gasgemisch befüllt wird durch Befüllung mit einem vorgefertigten Gasgemisch oder durch aufeinander folgende Befüllung mit den Gaskomponenten des herzustellenden Gasgemisches.
12Nerfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Druckgefäßes mit einem Gas oder Gasgemisch unter Druck erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Druckgefäßes bei einem Druck von mindestens 10 bar absolut erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Druckgefäßes bei einem Druck im Bereich von 50 bis 400 bar absolut erfolgt.
15Nerfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Druckgefäßes mit einem vorgekühlten Gas oder Gasgemisch erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder Gasgemisch auf die Fülltemperatur vorgekühlt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung ein unter Druck stehendes Kältemittel eingesetzt wird oder die Temperatur bei der Kühlung durch Druckeinwirkung eingestellt, gesteuert oder geregelt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch den Einsatz beim Befüllen von Airbag-Gasgeneratoren.
19Nerwendung eines Gases oder Gasgemisches mit einer Siedetemperatur bei Normaldruck von weniger als minus 200 °C für die Befüllung von gekühlten Druckgefäßen von Airbag-Systemen.
20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas oder Gasgemisch mit mindestens 50 Volumenprozent Wasserstoff oder Helium eingesetzt wird.
21. Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus mindestens einer Druckgasquelle, mindestens einem Druckgefäß mit Kühleinrichtung, einer Verbindungsleitung zwischen Druckgasquelle und Druckgefäß und mindestens einem Ventil, zur Befüllung von Druckgefäßen von Airbag-Systemen mit mindestens einem Gas oder Gasgemisch ohne mechanische Verdichtung.
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