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EP1846691B1 - Verfahren und vorrichtung zum befüllen von druckbehältern mit nicht verflüssigten gasen oder gasgemischen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum befüllen von druckbehältern mit nicht verflüssigten gasen oder gasgemischen Download PDF

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Publication number
EP1846691B1
EP1846691B1 EP06707704A EP06707704A EP1846691B1 EP 1846691 B1 EP1846691 B1 EP 1846691B1 EP 06707704 A EP06707704 A EP 06707704A EP 06707704 A EP06707704 A EP 06707704A EP 1846691 B1 EP1846691 B1 EP 1846691B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
filling gas
filling
pressure
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP06707704A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1846691A1 (de
Inventor
Herrmann Grabhorn
Friedhelm Herzog
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer Group GmbH
Original Assignee
Messer Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messer Group GmbH filed Critical Messer Group GmbH
Publication of EP1846691A1 publication Critical patent/EP1846691A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1846691B1 publication Critical patent/EP1846691B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0181—Airbags

Definitions

  • the invention relates to a method for filling pressure vessels with cold gas or gas mixture in which a filling gas or a component of Medgasgemisches stored in a reservoir at low temperatures in the liquefied state and fed to a pressure vessel for filling in the cold, gaseous state and by heating the gas pressure is built up in the pressure vessel.
  • compressors have mainly been used for pressure storage of gases, which allow an operating pressure in the pressure vessel of about 200 bar.
  • the compressors are very complex in construction and operation, also lead newer applications, such as applications in fuel cell technology or gas generators for airbags, the need for much higher pressures of 700 bar or more.
  • Such pressures can not be realized with conventional compression technology or only with unacceptably high costs.
  • the known methods have the disadvantage that the filling process can lead to condensation or freezing of the filling gas or a filling gas component. While the condensation in the interior of the pressure vessel to be filled is usually unproblematic or even intentional, a freezing of the gas in the supply lines to the pressure vessel can lead to closure of the supply line.
  • the filling gas stored in the liquid state can be vaporized and heated by means of a heat exchanger before it is fed to the pressure vessel.
  • the disadvantage of this is that the temperature of the vaporized filler gas is difficult to control, which leads to a deterioration of the filling result.
  • the document DE 101 19 214 describes a method for filling Drochbehdiltrous.
  • Object of the present invention is therefore to provide a way to fill pressure vessels with cold, non-liquefied gas, in which a condensation or freezing of the filling gas or a Brownkomponente is reliably avoided.
  • the vaporized filling gas is thus cooled by the heat exchange with the still liquid filling gas and then fed to the pressure vessel to be filled.
  • the filling gas is at least as much energy supplied as it corresponds to its enthalpy of vaporization.
  • this evaporation enthalpy can no longer be removed from it.
  • the temperature of the vaporized filling gas approaches the temperature of the still liquid filling gas, without the vaporized filling gas condenses again.
  • the degree of convergence of the temperatures of the vaporized filling gas to the still liquid filling gas depends inter alia on the structure of the heat exchanger, the heating power used for heating the gas and the flow rate.
  • the temperatures are the same and the energy contents of the evaporated or still liquid filling gas differ only by the enthalpy of vaporization. It does not matter how the amount of energy corresponding to the evaporation enthalpy is supplied to the filling gas.
  • a thermal contact with another medium, either fluidly separated on heat exchanger surfaces or without material separation, such as by mixing, is considered as well as an active heating, for example by an electric or other heating device, or a combination of different heaters.
  • the heating power and / or the flow rate of the filling gas through the heat exchanger for heating the filling gas as a function of the temperature of the filling gas. This keeps the heating costs as low as possible.
  • the temperature used as a control variable can be detected in the heat exchanger, in a connecting line between the thermally interconnected sections of the heat exchanger or in a filling line, downstream of the heat exchanger.
  • the proportion of still liquid gas can be measured at the filling gas and taken as an output for adjusting the heating power.
  • the measurement of the liquid fraction is preferably carried out in the region of the outlet of the first section of the heat exchanger.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the filling gas is expanded before it is fed to the pressure vessel. Due to the boiling point depression occurring during the expansion, it is thus avoided that condensation of the filling gas occurs due to a sudden pressure fluctuation in the lines.
  • a particularly advantageous variant for the vaporization of the filling gas is to heat the filling gas leaving the heat exchanger to be evaporated by admixing a warmer additional gas of the same or a different composition.
  • the energy required for evaporation receives the filling gas from the admixed additional gas.
  • a heat exchanger is provided with thermally interconnected sections between reservoir and pressure vessel wherein a first portion of the heat exchanger via a Bashamzutechnisch with the reservoir and a second portion via a Bashamabtechnisch with the filling device is flow-connected and between the first and the second portion is a connecting line, and means for heating the filling gas is provided.
  • the filling gas or the filling gas component thus first passes through the first section of a heat exchanger and is at least partially evaporated by the thermal contact with the vaporized filling gas from the second section of the heat exchanger.
  • the device for heating the filling gas which may be arranged within the first section of the heat exchanger or in the connecting line between the two sections of the heat exchanger, causes the supply of energy to the filling gas, which corresponds at least to the enthalpy of vaporization.
  • the temperature of the vaporized filling gas is approximated to the temperature of the still liquid filling gas.
  • a controllable heating device is provided as means for heating the filling gas, which is data-connected with sensors for detecting physical parameters of the filling gas, such as temperature or pressure.
  • An expedient embodiment of the device provides that in the connecting line and / or in the Gregasab endeavor a pressure stage is arranged.
  • the pressure stage which is, for example, a pressure reducer or a controllable throttle valve, ensures the maintenance of the gaseous state of the downstream of the pressure stage filling gas also in the case of pressure fluctuations in the Medgaszutechnisch to be filled pressure vessel due to the lowered due to the relaxation boiling point.
  • the pressure stage and the heating power of the filling gas can be set to a value which is lower than the enthalpy of vaporization, provided that the requirement is satisfied that the filling gas is present at the reduced pressure and the energy supplied to it in the gaseous state.
  • the connecting line is flow-connected to a gas supply line, by means of which an additional gas can be fed into the connecting line.
  • an additional gas can be fed into the connecting line.
  • the additional gas can also be used to heat the filling gas.
  • the device 1 shown schematically in the drawing (Fig.) Serves to fill pressure vessels 2 in a filling device 3 with a filling gas mixture.
  • the filling device 3 itself is a device known per se, as it is known, for example, in the WO 02/066884 is described.
  • the components of the filling gas mixture - in the embodiment argon (Ar) and helium (He) - are stored in storage containers 4,5. While in the reservoir 5 helium is stored under pressure in the gaseous state at temperatures of, for example, 20 ° C, the argon is in the reservoir 4 in the cryogenic, liquefied state.
  • the storage containers 4, 5 are commercially available containers for the storage of gases, which in a known manner are not shown here with fittings, such as shut-off valves, pressure relief valves, pressure reducers and the like. are equipped dergl.
  • the reservoir 4 is fluidly connected via a thermally insulated Medgaszu Arthur 6 with a heat exchanger 7.
  • the heat exchanger 7 comprises two fluidically separated sections, here referred to as primary section 8 and secondary section 9, which are thermally connected to each other via a heat exchanger surface 10. While the primary section 8 of the heat exchanger 7 is fluidly connected to the Golfgaszu effet 6, the secondary section 9 is connected via a likewise thermally insulated Greengasab réelle 12 with the filling device 3 and thus the pressure vessels 2 to be filled.
  • the primary section 8 of the heat exchanger 7 has an output which is flow-connected via a connecting line 13 to an input of the secondary section 9. At or in the connecting line 18, the devices described below are provided.
  • an electric heater 15 is arranged in the connecting line 13 for heating the filling gas.
  • the heating device 15 is provided with a measuring and control device 14, by means of which the heat output delivered to the filling gas is regulated as a function of the temperature of the filling gas.
  • the temperature of the filling gas used as a controlled variable is measured by means of a sensor 16 in a section of the connecting line 13 located downstream of the heating device 15.
  • an arrangement 17 is provided in the embodiment for reducing pressure, by means of which the pressure of the filling gas can be lowered by a predetermined value.
  • the arrangement 17 may be, for example, a pressure reducer or a controllable throttle valve. Downstream of the arrangement 17 opens into the connecting line 13 at a junction 18, a gas supply 19, which is connected to the reservoir 5 for a further filling gas component, helium in the embodiment, flow-connected. In the gas supply line 19, an arrangement 20 is also provided for reducing pressure. Furthermore, 16 shut-off valves 22,23 are arranged in the connecting line 13 and the gas supply line.
  • the device 1 When operating the device 1 is provided as a filling gas liquefied argon from the reservoir 4 via the Gearzutechnisch 6 the primary section 8 of the
  • Heat exchanger 7 supplied. There takes place due to the thermal contact with the secondary portion 9 of the heat exchanger 7, an at least partial evaporation of the filling gas. Following this, the filling gas is supplied to the heating device 15, which supplies the filling gas with an energy which corresponds at least to the enthalpy of evaporation, ie, at the latest downstream of the heating device 15, the filling gas is completely vaporized. Via the connecting line 13, the vaporized filling gas is passed into the secondary section 9 of the heat exchanger 7 and reaches there on the heat exchanger surface 10 in thermal contact with the still liquid filling gas in the primary section 8 of the heat exchanger 7.
  • the gaseous filling gas cools in the Ideally down to the temperature of the still liquid filling gas, but can not condense due to the temperature and pressure conditions itself.
  • the filling gas is thus in a very cold, but gaseous state.
  • the filling gas is supplied to the pressure vessels 2 via the isolated Golfgasab réelle 12 for filling.
  • a provided in the Artgasabtechnisch 12 pressure buffer 22 serves to dampen possible pressure fluctuations in the Gregasabtechnisch 12, which may arise during the filling of the pressure vessel 2, and to even out the filling process.
  • the filling gas in the pressure vessels 2 gradually heats up to ambient temperature and increases its pressure considerably.
  • the pressure vessels 2 to be filled - in turn cooled - for example with liquid nitrogen and thus condenses the gas inside the pressure vessel 2 during filling pressures can be achieved after closing the pressure vessel 2 and its subsequent heating to ambient temperature, the input pressure by several hundred times exceed. Even for maximum pressures designed pressure vessel can be filled with gas, the pressure during the filling in the range of atmospheric pressure or only a few bar (10 5 Pa).
  • an additional filling gas component - in the example helium - is fed from the reservoir 5 via the gas supply line 19 into the connecting line 13 and mixes there with the vaporized filling gas - in the example argon.
  • the energy necessary for the evaporation is then transferred to the filling gas in whole or in part from the additional filling gas component.
  • the filling gas mixture then passes into the secondary section 9 of the heat exchanger 7, where it is cooled as described above and passed to the filling device 3.
  • the boiling point of the additional filling gas component stored in the storage container 5 should be lower than that of the filling gas stored in the storage container 4. If this is not the case, it must be ensured that the cooling of the filling gas mixture in the heat exchanger 7 does not result in the condensation of the additional filling gas component. This is achieved in that in this case the system, for example by means of the heater 15, a correspondingly higher energy is supplied, which prevents the condensation of the additional filling gas component.
  • the additional filling gas component or further filling gas components can, in the context of the invention, also be added to the filling gas at another point (not shown here), in particular downstream of the secondary section 9 of the heat exchanger 7.
  • the pressure of the filling gas in the connecting line to the arrangement 17 is reduced. Due to the boiling point reduction associated with the pressure drop, it is ensured that condensation is always reliably prevented even in the case of pressure fluctuations in the filling gas discharge line 12.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter bei tiefen Temperaturen im verflüssigten Zustand gelagert und einem Druckbehälter zur Befüllung im kalten, gasförmigem Zustand zugeführt und durch Erwärmen des Gases im Druckbehälter ein Druck aufgebaut wird.
  • Um Gase mit einer hohen Speicherdichte lagern zu können, erfolgt die Speicherung entweder in flüssigem Zustand oder gasförmig unter hohen Drücken. Die Lagerung im flüssigen Zustand ermöglicht zwar eine sehr hohe Speicherdichte, sie ist jedoch nur unter Inkaufnahme mehr oder minder großer Abdampfverluste möglich, die auch bei gut wärmeisolierten Behältern unvermeidlich sind.
  • Zur Druckspeicherung von Gasen wurden bislang überwiegend Kompressoren eingesetzt, die einen Betriebsdruck im Druckbehälter von etwa 200 bar erlauben. Die Kompressoren sind jedoch in Bau und Betrieb sehr aufwendig, zudem führen neuere Anwendungen, beispielsweise Anwendungen in der Brennstoffzellentechnik oder Gasgeneratoren für Airbags, zum Bedürfnis nach weitaus höheren Drücken von 700 bar oder mehr. Derartige Drücke sind mit konventioneller Kompressionstechnik nicht oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand zu realisieren.
  • Aus der EP 0 033 386 A1 und der WO 99/05465 sind Verfahren zum Befüllen von Druckbehältern bekannt, bei dem das Füllgas vor der Zuführung an den zu befüllenden Druckbehälter verflüssigt oder auf eine Temperatur, die nur geringfügig über seiner Siedetemperatur liegt, gekühlt wird. Als bevorzugtes Kühlmittel dient dabei flüssiger Stickstoff. Aus der WO 02/066884 A1 ist ein weiter verbessertes Verfahren bekannt, bei dem auch der Druckbehälter vor und/oder während der Zuführung des kalten oder verflüssigten Füllgases gekühlt wird, beispielsweise durch Eintauchen in ein Bad in flüssigem Stickstoff. Nach Beenden des Befüllvorgangs wird der Druckbehälter druckdicht verschlossen. Da sich das Gasvolumen mit dem Abkühlen - bei gleich bleibendem Druck - ungefähr proportional zur Temperatur verhält, gelingt auf diese Weise eine Vergrößerung der effektiven Speicherkapazität um einen Faktor von ca. 2-3. Mit dem Aufwärmen des Gases steigt der Druck im Druckbehälter sehr stark an. Diese Verfahren sind beispielsweise geeignet, um Druckbehälter, die für Drücke von 700bar oder mehr zugelassen sind, kostengünstig zu befüllen. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zum Befüllen kleinvolumiger Tanks, insbesondere Gasgeneratoren für Airbags, Kraftstoffbehälter für gasbetriebene Fahrzeuge oder Brennstoffzellensysteme.
  • Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass es beim Befüllvorgang zum Kondensieren oder Ausfrieren des Füllgases bzw. einer Füllgaskomponente kommen kann. Während die Kondensation im Innern des zu befüllenden Druckbehälters in der Regel unproblematisch oder sogar gewollt ist, kann ein Ausfrieren des Gases in den Zuleitungen zum Druckbehälter zum Verschluss der Zuleitung führen.
  • Um ein Ausfrieren des Füllgases zu vermeiden, kann das im flüssigen Zustand gespeicherte Füllgas vor seiner Zuführung an den Druckbehälter mittels eines Wärmetauschers verdampft und aufgeheizt werden. Der Nachteil hiervon ist, dass die Temperatur des verdampften Füllgases nur schwer zu kontrollieren ist, wodurch es zu einer Beeinträchtigung des Füllergebnisses kommt.
  • Aus der US 2003/021743 A1 ist ein System zum Erzeugen von Wasserstoff aus Erdgas und Betanken von Fahrzeugen mit dem so erzeugten Wasserstoff bekannt bekannt. Dabei wird das in einem Tank bei tiefen Temperaturen im flüssigen Zustand gespeicherte Erdgas in einem Wärmetauscher verdampft und in einem Dampfreformer zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert. Die Wärme des erzeugten Wasserstoffs wird dazu genutzt, das Erdgas in dem erwähnten Wärmetauscher zu verdampfen. Dieser Gegenstand hat jedoch nicht die vorgenannte Kaltbefüllung von Druckbehältern zum Inhalt.
  • Das Dokument DE 101 19 214 beschreibt ein Verfahren zum Befüllen von Drochbehdiltrous.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Möglichkeit zur Befüllung von Druckbehältern mit kaltem, nicht verflüssigtem Gas anzugeben, bei dem eine Kondensation oder ein Ausfrieren des Füllgases oder einer Füllgaskomponente zuverlässig vermieden wird.
  • Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass das Füllgas oder die Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter vor seiner Zuführung an den Druckbehälter im verflüssigten Zustand einem Wärmetauscher zugeführt, durch Zuführen einer mindestens der Verdampfungsenthalpie entsprechenden Energie verdampft und das verdampfte Füllgas bzw. die verdampfte Füllgaskomponente an Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers in thermischen Kontakt mit dem verflüssigten Füllgas bzw. der verflüssigten Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter gebracht wird.
  • Das verdampfte Füllgas wird also durch den Wärmetausch mit dem noch flüssigen Füllgas abgekühlt und anschließend dem zu befüllenden Druckbehälter zugeleitet. Bei der Verdampfung wird dem Füllgas mindestens so viel Energie zugeführt, wie es seiner Verdampfungsenthalpie entspricht. Bei der Abkühlung durch den Wärmekontakt mit dem noch flüssigen Füllgas kann ihm diese Verdampfungsenthalpie jedoch nicht mehr entzogen werden. Die Temperatur des verdampften Füllgases nähert sich der Temperatur des noch flüssigen Füllgases an, ohne dass das verdampfte Füllgas dabei wieder kondensiert. Der Grad der Annäherung der Temperaturen des verdampften Füllgases an das noch flüssige Füllgas hängt dabei unter anderem vom Aufbau des Wärmetauschers, von der zur Erwärmung des Gases eingesetzten Heizleistung und der Durchflussmenge ab. Im - unter realistischen Bedingungen freilich nicht völlig erreichbaren - Idealfall sind die Temperaturen gleich und die Energieinhalte des verdampften bzw. noch flüssigen Füllgases unterscheiden sich nur um die Verdampfungsenthalpie. Es spielt dabei keine Rolle, auf welche Weise die der Verdampfungsenthalpie entsprechende Energiemenge dem Füllgas zugeführt wird. Ein Wärmekontakt mit einem weiteren Medium, entweder strömungstechnisch getrennt an Wärmetauscherflächen oder ohne stoffliche Trennung, etwa durch Mischung, kommt dafür ebenso in Betracht wie eine aktive Beheizung, beispielsweise durch eine elektrische oder sonstige Heizeinrichtung, oder eine Kombination verschiedener Heizeinrichtungen.
  • Um die Temperatur des verdampften Gases so gering wie möglich zu halten, ist es zweckmäßig, die Heizleistung und/oder die Durchflussmenge des Füllgases durch den Wärmetauscher zur Erwärmung des Füllgases in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases zu regeln. Dadurch werden die Heizkosten so gering wie möglich gehalten. Die als Regelgröße eingesetzte Temperatur kann dabei im Wärmetauscher, in einer Verbindungsleitung zwischen den thermisch miteinander verbundenen Abschnitten des Wärmetauschers oder in einer Füllleitung, stromab vom Wärmetauscher, erfasst werden. Alternativ kann auch der Anteil noch flüssigen Gases am Füllgas gemessen und als Ausgangsgröße zur Einstellung der Heizleistung genommen werden. Die Messung des Flüssiganteils erfolgt dabei bevorzugt im Bereich des Ausgangs des ersten Abschnitts des Wärmetauschers.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Füllgas vor seiner Zuführung an den Druckbehälter entspannt wird. Aufgrund der bei der Entspannung eintretenden Siedepunktserniedrigung wird so vermieden, dass aufgrund einer plötzlichen Druckschwankung in den Leitungen eine Kondensation des Füllgases auftritt.
  • Eine besonders vorteilhafte Variante zur Verdampfung des Füllgases besteht darin, das aus dem Wärmetauscher austretende, zu verdampfende Füllgas durch Beimischen eines wärmeren Zusatzgases der gleichen oder einer anderen Zusammensetzung aufzuheizen. Die zur Verdampfung erforderliche Energie erhält das Füllgas vom beigemischten Zusatzgas.
  • Bei einer Vorrichtung zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter im verflüssigten Zustand gelagert und zur Befüllung einem Druckbehälter zugeführt wird, ist zwischen Vorratsbehälter und Druckbehälter ein Wärmetauscher mit thermisch miteinander verbundenen Abschnitten vorgesehen, wobei ein erster Abschnitt des Wärmetauschers über eine Füllgaszuleitung mit dem Vorratsbehälter und ein zweiter Abschnitt über eine Füllgasableitung mit der Befülleinrichtung strömungsverbunden ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt eine Verbindungsleitung besteht, und eine Einrichtung zum Erwärmen des Füllgases vorgesehen ist.
  • Das Füllgas bzw. die Füllgaskomponente durchläuft also zunächst den ersten Abschnitt eines Wärmetauschers und wird durch den thermischen Kontakt mit dem verdampften Füllgas aus dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschers zumindest teilweise verdampft. Die Einrichtung zum Erwärmen des Füllgases, die innerhalb des ersten Abschnitts des Wärmetauschers oder in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Abschnitten des Wärmetauschers angeordnet sein kann, bewirkt die Zuführung einer Energie an das Füllgas, die zumindest der Verdampfungsenthalpie entspricht. Im zweiten Abschnitt des Wärmetauschers, der mit dem ersten Abschnitt thermisch verbunden ist, wird die Temperatur des verdampften Füllgases an die Temperatur des noch flüssigen Füllgases angenähert.
  • Vorteilhafterweise ist als Einrichtung zum Erwärmen des Füllgases eine regelbare Heizeinrichtung vorgesehen, die mit Sensoren zum Erfassen physikalischer Parameter des Füllgases, wie Temperatur oder Druck, datenverbunden ist.
  • Eine zweckmäßige Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass in der Verbindungsleitung und/oder in der Füllgasableitung eine Druckstufe angeordnet ist. Die Druckstufe, bei der es sich beispielsweise um einen Druckminderer oder ein regelbares Drosselventil handelt, sichert aufgrund des infolge der Entspannung erniedrigten Siedepunkts die Aufrechterhaltung des gasförmigen Aggregatszustandes des strömungsabwärts von der Druckstufe vorliegenden Füllgases auch im Falle von Druckschwankungen in der Füllgaszuleitung zum zu befüllenden Druckbehälter. Durch den Einbau der Druckstufe kann auch die Heizleistung des Füllgases auf einen Wert eingestellt werden, der geringer als die Verdampfungsenthalpie ist, sofern die Forderung erfüllt ist, dass das Füllgas bei dem erniedrigten Druck und der ihm zugeführten Energie im gasförmigen Zustand vorliegt.
  • Vorteilhafterweise ist die Verbindungsleitung mit einer Gaszuleitung strömungsverbunden, mittels der ein Zusatzgas in die Verbindungsleitung einspeisbar ist. Auf diese Weise können insbesondere Füllgasgemische auf einfache Weise und ohne die Gefahr der Kondensation einer Füllgaskomponente hergestellt werden. Das Zusatzgas kann dabei auch zur Erwärmung des Füllgases eingesetzt werden.
  • Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
  • Die in der Zeichnung (Fig.) schematisch dargestellte Vorrichtung 1 dient zur Befüllung von Druckbehältern 2 in einer Befülleinrichtung 3 mit einem Füllgasgemisch.
  • Bei der Befülleinrichtung 3 selbst handelt es sich um eine an sich bekannte Einrichtung, wie sie sie beispielsweise in der WO 02/066884 beschrieben ist. Die Komponenten des Füllgasgemisches - im Ausführungsbeispiel Argon (Ar) und Helium (He) - werden in Vorratsbehältern 4,5 gespeichert. Während im Vorratsbehälter 5 Helium unter Druck im gasförmigen Zustand bei Temperaturen von beispielsweise 20°C gespeichert wird, liegt das Argon im Vorratsbehälter 4 im tiefkalten, verflüssigten Zustand vor. Bei den Vorratsbehältern 4,5 handelt es sich im übrigen um handelsübliche Behälter zur Speicherung von Gasen, die in bekannter Weise mit hier nicht gezeigten Armaturen, wie Absperrventilen, Überdruckventilen, Druckminderen u. dergl. ausgerüstet sind.
  • Der Vorratsbehälter 4 ist über eine thermisch isolierte Füllgaszuleitung 6 mit einem Wärmetauscher 7 strömungsverbunden. Der Wärmetauscher 7 umfasst zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Abschnitte, hier als Primärabschnitt 8 bzw. Sekundärabschnitt 9 bezeichnet, die über eine Wärmetauscherfläche 10 miteinander thermisch verbunden sind. Während der Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7 mit der Füllgaszuleitung 6 strömungsverbunden ist, ist der Sekundärabschnitt 9 über eine ebenfalls thermisch isolierte Füllgasableitung 12 mit der Befülleinrichtung 3 und damit den zu befüllenden Druckbehältern 2 verbunden. Der Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7 weist einen Ausgang auf, der über eine Verbindungsleitung 13 mit einem Eingang des Sekundärabschnitts 9 strömungsverbunden ist. An bzw. in der Verbindungsleitung 18 sind die im Folgenden beschriebenen Einrichtungen vorgesehen.
  • In der Nähe des Ausgangs von Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7, beispielsweise unmittelbar am Ausgang des Primärabschnitts 8, ist in der Verbindungsleitung 13 eine elektrische Heizeinrichtung 15 zur Beheizung des Füllgases angeordnet. Die Heizeineinrichtung 15 ist mit einer Mess- und Regeleinrichtung 14 versehen, mittels der die an das Füllgas abgegebene Heizleistung in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases geregelt wird. Die als Regelgröße eingesetzte Temperatur des Füllgases wird dabei mittels eines Sensors 16 in einem von der Heizeinrichtung 15 stromabwärts gelegenen Abschnitt der Verbindungsleitung 13 gemessen. Stromabwärts von der Heizeinrichtung 15 ist im Ausführungsbeispiel eine Anordnung 17 zur Druckreduzierung vorgesehen, mittels der der Druck des Füllgases um einen vorbestimmten Wert erniedrigt werden kann. Bei der Anordnung 17 kann es sich beispielsweise um einen Druckminderer oder ein regelbares Drosselventil handeln. Stromabwärts von der Anordnung 17 mündet in die Verbindungsleitung 13 an einer Verbindungsstelle 18 eine Gaszuleitung 19 ein, die mit dem Vorratsbehälter 5 für eine weitere Füllgaskomponente, im Ausführungsbeispiel Helium, strömungverbunden ist. In der Gaszuleitung 19 ist gleichfalls eine Anordnung 20 zur Druckreduzierung vorgesehen. Weiterhin sind in der Verbindungsleitung 13 und der Gaszuleitung 16 Absperrventile 22,23 angeordnet.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird als Füllgas vorgesehenes verflüssigtes Argon aus dem Vorratsbehälter 4 über die Füllgaszuleitung 6 dem Primärabschnitt 8 des
  • Wärmetauschers 7 zugeführt. Dort erfolgt aufgrund des thermischen Kontakts mit dem Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7 eine zumindest teilweise Verdampfung des Füllgases. Im Anschluss daran wird das Füllgas der Heizeinrichtung 15 zugeführt, die dem Füllgas eine Energie zuführt, die zumindest der Verdampfungsenthalpie entspricht, d.h. spätestens stromab von der Heizeinrichtung 15 ist das Füllgas vollständig verdampft. Über die Verbindungsleitung 13 wird das verdampfte Füllgas in den Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7 geleitet und gelangt dort an der Wärmetauscherfläche 10 in thermischen Kontakt mit dem noch flüssigen Füllgas im Primärabschnitt 8 des Wärmetauschers 7. Aufgrund des thermischen Kontakts kühlt sich das gasförmige Füllgas ab, im Idealfall bis auf die Temperatur des noch flüssigen Füllgases ab, kann jedoch aufgrund der Temperaturund Druckverhältnisse selbst nicht kondensieren. Das Füllgas befindet sich also in einem sehr kalten, jedoch gasförmigen Zustand. In diesem Zustand wird das Füllgas den Druckbehältern 2 über die isolierte Füllgasableitung 12 zur Befüllung zugeführt. Ein in der Füllgasableitung 12 vorgesehener Druckpuffer 22 dient dabei dazu, mögliche Druckschwankungen in der Füllgasableitung 12, die bei der Befüllung der Druckbehälter 2 entstehen können, zu dämpfen und den Befüllvorgang insgesamt zu vergleichmäßigen. Nach Beendigung des Befüllvorgangs und dem Verschließen der Druckbehälter 2 erwärmt sich das Füllgas in den Druckbehältern 2 allmählich bis auf Umgebungstemperatur und erhöht seinen Druck erheblich. Werden beispielsweise die zu befüllenden Druckbehälter 2 ihrerseits - etwa mit Flüssigstickstoff - gekühlt und kondensiert somit das Gas im Innern der Druckbehälter 2 während der Befüllung, können nach Verschließen der Druckbehälter 2 und ihrer anschließenden Erwärmung auf Umgebungstemperatur Drücke erzielt werden, die den Eingangsdruck um das Mehrhundertfache übersteigen. Selbst für Höchstdrücke ausgelegte Druckbehälter können so mit Gas befüllt werden, dessen Druck bei der Befüllung im Bereich des Atmosphärendrucks oder nur wenige bar (105 Pa) beträgt.
  • Zur Herstellung eines Füllgasgemisches, im Ausführungsbeispiel eines Argon-Helium- Gemisches, wird eine zusätzliche Füllgaskomponente - im Beispiel Helium - aus dem Vorratsbehälter 5 über die Gaszuleitung 19 in die Verbindungsleitung 13 eingespeist und vermischt sich dort mit dem verdampften Füllgas - im Beispiel Argon. Durch eine geeignete Einstellung bzw. Auswahl der Anordnungen 17, 20 zur Druckreduzierung wird ein gewünschtes Mischungsverhältnis zwischen den Komponenten eingestellt. Mittels der Absperrventile 22,23 kann die Zufuhr einer Füllgaskomponente zeitweise auch vollständig unterbunden werden. Weist die über die Gaszuleitung 19 zugeführte zusätzliche Füllgaskomponente eine höhere Temperatur als die Siedetemperatur des Füllgases im Vorratsbehälter 4, kann auf den Einsatz der Heizeinrichtung 15 ganz oder teilweise verzichtet werden. Die zur Verdampfung notwendige Energie wird dem Füllgas dann ganz oder teilweise von der zusätzlichen Füllgaskomponente übertragen. Das Füllgasgemisch gelangt anschließend in den Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7, wird dort wie zuvor beschrieben abgekühlt und zur Befülleinrichtung 3 geleitet. Bei der zuvor beschriebenen Anordnung sollte der Siedepunkt der im Vorratsbehälter 5 gespeicherten zusätzlichen Füllgaskomponente niedriger sein als der des im Vorratsbehälter 4 gespeicherten Füllgases. Ist dies nicht der Fall, muss gewährleistet werden, dass es bei der Abkühlung des Füllgasgemisches im Wärmetauscher 7 nicht zur Kondensation der zusätzlichen Füllgaskomponente kommt. Dies wird dadurch erreicht, dass in diesem Fall dem System, beispielsweise mittels der Heizeinrichtung 15, eine entsprechend höhere Energie zugeführt wird, die die Kondensation der zusätzlichen Füllgaskomponente verhindert.
  • Die zusätzliche Füllgaskomponente oder weitere Füllgaskomponenten, können im Rahmen der Erfindung dem Füllgas auch an anderer- hier nicht gezeigter - Stelle hinzugeführt werden, insbesondere stromabwärts vom Sekundärabschnitt 9 des Wärmetauschers 7.
  • Im Ausführungsbeispiel wird der Druck des Füllgases in der Verbindungsleitung an der Anordnung 17 reduziert. Aufgrund der mit dem Druckabfall verbundenen Siedepunktserniedrigung wird gewährleistet, dass auch im Falle von Druckschwankungen in der Füllgasableitung 12 eine Kondensation stets zuverlässig verhindert wird.
  • Durch die Befüllung der Druckbehälter 2 mit sehr kaltem gasförmigem Füllgas oder Füllgasgemisch können nach Abschluss des Befüllvorgangs, dem Verschließen der Druckbehälter und der anschließenden Erwärmung der Druckbehälter 2 auf Umgebungstemperatur ohne großen apparativen Aufwand in den Druckbehältern 2 Drücke von 700bar und mehr erzielt werden. Die Vorrichtung 1 ist damit besonders geeignet zum Befüllen von Gasgeneratoren für Airbags geeignet.
    • 1.
    Vorrichtung
    2.
    Druckbehälter
    3.
    Befülleinrichtung
    4.
    Vorratsbehälter
    5.
    Vorratsbehälter
    6.
    Füllgasleitung
    7.
    Wärmetauscher
    8.
    Primärabschnitt (des Wärmetauschers)
    9.
    Sekundärabschnitt (des Wärmetauschers)
    10.
    Wärmetauscherfläche
    11. 12.
    Füllgasableitung
    13.
    Verbindungsleitung
    14.
    Mess- und Regeleinrichtung
    15.
    Heizeinrichtung
    16.
    Temperatursensor
    17.
    Anordnung zur Druckreduzierung
    18.
    Verbindungsstelle
    19.
    Gaszuleitung
    20.
    Anordnung zur Druckreduzierung
    21. - 22.
    Druckpuffer
    23.
    Absperrventil
    24.
    Absperrventil

Claims (6)

  1. Verfahren zum Befüllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter (4) bei tiefen Temperaturen im verflüssigten Zustand gelagert und einem Druckbehälter (2) zur Befüllung im kalten, gasförmigem Zustand zugeführt, und durch Erwärmen des Gases im Druckbehälter ein Druck aufgebaut wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Füllgas oder die Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter (4) vor seiner Zuführung an den Druckbehälter (2) im verflüssigten Zustand einem Wärmetauscher (7) zugeführt, durch Zuführen einer mindestens der Verdampfungsenthalpie entsprechenden Energie verdampft und das verdampfte Füllgas bzw. die verdampfte Füllgaskomponente an Wärmetauscherflächen (10) des Wärmetauschers (7) in thermischen Kontakt mit dem verflüssigten Füllgas bzw. der verflüssigten Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter (4) gebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Füllgases und/oder der Mengendurchfluss des Füllgases durch den Wärmetauscher (7) in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases geregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas vor seiner Zuführung an den Druckbehälter (2) entspannt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Füllgases durch die Beimischung eines Zusatzgases erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Füllgases durch eine elektrische Beheizung oder durch Wärmekontakt mit einem weiteren Medium erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das verdampfte Füllgas durch den Wärmekontakt mit dem verflüssigten Füllgas im Wärmetauscher (7) zumindest annähernd auf die Temperatur des verflüssigten Füllgases abgekühlt wird, jedoch im gasförmigen Zustand verbleibt.
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