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WO2006082122A1 - 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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WO2006082122A1
WO2006082122A1 PCT/EP2006/050166 EP2006050166W WO2006082122A1 WO 2006082122 A1 WO2006082122 A1 WO 2006082122A1 EP 2006050166 W EP2006050166 W EP 2006050166W WO 2006082122 A1 WO2006082122 A1 WO 2006082122A1
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WO
WIPO (PCT)
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gas
filling
filling gas
heat exchanger
pressure
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/050166
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English (en)
French (fr)
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
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Priority to EP06707704A priority patent/EP1846691B1/de
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    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0181—Airbags

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for filling of pressure vessels with cold gas or gas mixture, in which a Füügas or a component of Gregasgemisches stored in a reservoir at low temperatures in the liquefied state and fed to a pressure vessel for filling.
  • 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 recent applications, such as applications in the fuel tent 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 unreasonably high costs.
  • the known methods have the disadvantage that during the fusing process, condensation or freezing of the filling gas or a filling gas component can occur. While the condensation in the interior of the pressure vessel to be filled is usually unproblematic or even intended, 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 filling gas is difficult to control, which results in a deterioration of the result.
  • 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 Füilgas 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 enthalpy of vaporization can not be removed from it, however.
  • the temperature of the vaporized filling gas approaches the temperature of the still liquid fill gas, without the vaporized filling gas condensing again.
  • the degree of convergence of the temperatures of the vaporized Füälgases 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, in a soft way, the amount of energy corresponding to the enthalpy of evaporation 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 fill gas through the heat exchanger for heating the filling gas in dependence on 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 fill gas is released 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 fill 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 to be vaporized leaving the heat exchanger by admixing a warmer additional gas of the same or a different composition. The energy required for evaporation receives the fill gas from the admixed additional gas.
  • the object of the invention is also achieved in a device for loading of Druck hereer ⁇ with cold gas or gas mixture in which a F ⁇ llgas or a component of a filling gas mixture stored in a reservoir in the liquefied state and fed to a pressure vessel for filling, achieved in that between reservoir and A heat exchanger with thermally interconnected sections is provided pressure vessel, wherein a first portion of the heat exchanger via a Brownzutechnisch with the reservoir and a second section via a Medabtechnisch with the Bef ⁇ 1 ⁇ 4il boots is fluidly connected and between the first and the second section 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 according to the invention provides that a pressure stage is arranged in the connecting line and / or in the Gregasabieitung.
  • 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 heating power of the filling gas can also be set to a value which is lower than the enthalpy of vaporization, provided that the requirement is satisfied that the filling gas is in the gaseous state at the reduced pressure and the energy supplied to it.
  • the connecting line with a gas supply flow s- connected, by means of which an additional gas can be fed into the nursieitung.
  • an additional gas can be fed into the nursieitung.
  • the additional gas can also be used to heat the filling gas.
  • the device 1 shown schematically in the drawing (Fig.) Is used to fill pressure vessels 2 in a Be Scholi dressed 3 with a filling gas mixture.
  • the Be Schoglali skills 3 itself is a known device, as it is described for example in WO 02/066884.
  • 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 8, 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 13, the devices described below are provided.
  • an electric heater 15 is arranged to heat the filling gas.
  • the heating device 15 is provided with a measuring and control device 14, by means of which the output to the Füilgas heating power is regulated in dependence on 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 exemplary 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 Gregaszutechnisch 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. Subsequently, the filling gas of the heater 15 is supplied, which supplies the filling gas with an energy which corresponds at least to the enthalpy of vaporization, ie, at the latest downstream of the Schuein ⁇ chtung 15, the filling gas is completely evaporated.
  • the vaporized FülSgas 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. Due to the thermal contact, the gaseous filling gas cools down in the Idealfail 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 Gregasabtechnisch 12 for filling
  • a provided in the Füligasabtechnisch 12 pressure buffer 22 serves to dampen possible pressure fluctuations in the Füilgasabtechnisch 12, which may arise during the filling of the pressure vessel 2, and to equalize the Be Stirlivorgang overall.
  • the filling gas in the pressure vessels 2 gradually heats up to ambient temperature and increases its pressure considerably. If, for example, the pressure vessels 2 to be filled are cooled, for example with liquid nitrogen, and thus condenses the gas inside the pressure vessel 2 during filling, pressures can be achieved after closure of the pressure vessel 2 and its subsequent heating to ambient temperature, which reduces the inlet pressure by several hundred times exceed.
  • Even pressure vessels designed for maximum pressures can be filled with gas whose pressure during filling is in the range of atmospheric pressure or only a few bar (10 ° Pa).
  • 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 tank 5 should be lower than that of the filling gas stored in the storage tank 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 Füilgaskomponente.
  • the additional fill gas component or further filling gas components can 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.
  • the device 1 is therefore particularly suitable for filling of gas generators for airbags. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Zur Erzielung hoher Drücke wird bei der Befüllung von Druckbehältern das Prinzip der "kalten Befüllung" eingesetzt, d.h. das Füllgas wird im kalten Zustand in den Druckfaehäfter eingefüllt; nach Verschließen des Druckbehäiters und Erwärmung auf Umgebungstemperatur steigt der Dryck im Druckbehälter um ein Vielfaches an. Problematisch dabei ist jedoch, dass es während der Befüllung zu einem Ausfrieren des Füllgases oder einer Komponente eines FöllgasgernÊsches kommen kann und damit zu einer Betriebsstörung der Befülleinrichtung. Erfindungsgemäß das Füllgas in kaltem, Jedoch gasförmigem Zustand zum zu befüllenden Druckbehäätßr zu transportieren. Dabei wird das Füllgas im verflüssigten Zustand einen Wärmetauscher zugeführt und anschließend verdampft. Das verdampfte Füllgas oder dte Gaskomponente wird wieder dem Wärmetauscher zugeführt, wo es in thermischen Kontakt mit dem noch flüssigen Füllgas tritt und zumindest annähernd auf die Temperatur des flüssigen Füllgases abgekühlt wird. Das auf dieses Weise behandelte Gas ist sehr kalt, gleichzeitig jedoch im gasförmigem Aggregatszustand.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen von Druckbehältern mit nicht verflüssigten Gasen oder Gasgemischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Befüllen von Druckbehäftern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füügas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter bei tiefen Temperaturen im verflüssigten Zustand gelagert und einem Druckbehälter zur Befüllung zugeführt 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 Brennstoffzeltentechnik oder Gasgeneratoren für Airbags, zum Bedürfnis nach weitaus höheren Drücken von 700 bar oder mehr. Derartige Drücke sind mit konventioneller Kornpressionstechnik 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 Füligas vor der Zuführung an den zu befülienden 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 AI 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 Druckbehäiter sehr stark an. Diese Verfahren sind beispieisweise geeignet, um DruckbehäSter, die für Drücke von 70öbar oder mehr zugelassen sind, kostengünstig zu befüilen. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zum Befüilen kleinvolumiger Tanks, insbesondere Gasgeneratoren für Airbags, Kraftstoffbehälter für gasbetriebene Fahrzeuge oder Brennstoffzellensysteme.
Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass es beim Befüilvorgang zum Kondensieren oder Ausfrieren des Füllgases bzw. einer Füligaskomponente kommen kann. Während die Kondensation im Innern des zu befüllenden Druckbehällers 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 Fϋliergebnisses kommt.
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, verdampft und das verdampfte Füllgas bzw. die verdampfte Füllgaskomponente an Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers in thermischen Kontakt mit dem verflüssigten Füilgas bzw. der verflüssigten Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter gebracht wird.
Das verdampfte Füllgas wird also durch den Wärmetausch mit dem noch flüssigen Füilgas 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 Füligas kann ihm diese Verdampfungsenthalpie jedoch nicht mehr entzogen werden. Die Temperatur des verdampften Füllgases nähert sich der Temperatur des noch flüssigen Füilgases an, ohne dass das verdampfte Füllgas dabei wieder kondensiert. Der Grad der Annäherung der Temperaturen des verdampften Füälgases 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 weiche 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 Füilgases 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 Füilgas 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 Füilgases auftritt. Eine besonders vorteilhafte Variante zur Verdampfung des Füligases 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 Füilgas vom beigemischten Zusatzgas.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch bei einer Vorrichtung zum Befallen von Druckbehälterπ mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Fϋllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter im verflüssigten Zustand gelagert und zur Befüllung einem Druckbehälter zugeführt wird, dadurch gelöst, dass zwischen Vorratsbehälter und Druckbehälter ein Wärmetauscher mit thermisch miteinander verbundenen Abschnitten vorgesehen ist, wobei ein erster Abschnitt des Wärmetauschers über eine Füllgaszuleitung mit dem Vorratsbehälter und ein zweiter Abschnitt über eine Füllgasableitung mit der Befüileinrichtung 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass in der Verbindungsleitung und/oder in der Füllgasabieitung 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, ύer geringer als die Verdampfuπgsenthalpie 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 Strömung s- verbunden, mittels der ein Zusatzgas in die Verbindungsieitung einspeisbar ist. Auf diese Weise können insbesondere Füllgasgemische auf einfache Weise und ohne die Gefahr der Kondensation einer Füligaskomponente 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 Befülieinrichtung 3 mit einem Füllgasgemisch.
Bei der Befülieinrichtung 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 8 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 Primärabschnilt 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 13 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 Verbindungsieitung 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 Füilgas 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, strömungsverbunden 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 Heizeinήchtung 15 ist das Füllgas vollständig verdampft. Über die Verbindungsleitung 13 wird das verdampfte FülSgas 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 Idealfail bis auf die Temperatur des noch flüssigen Füllgases ab, kann jedoch aufgrund der Temperatur- und Druckverhältnisse selbst nicht kondensieren. Das Füllgas befindet sich also in einem sehr kalten, jedoch gasförmigen Zustand. In diesem Zustand wird das Füllgas den Druckbehäitern 2 über die isolierte Füllgasableitung 12 zur Befüllung zugeführt, Ein in der Füligasableitung 12 vorgesehener Druckpuffer 22 dient dabei dazu, mögliche Druckschwankungen in der Füilgasableitung 12, die bei der Befüllung der Druckbehälter 2 entstehen können, zu dämpfen und den Befülivorgang 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 befallenden 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 (10 ° Pa) beträgt.
Zur Herstellung eines Füllgasgemisches, im Ausführungsbeispiel eines Argon- Helium- Gemisches, wird eine zusätzliche Füllgaskomponente - im Beispiel Heiium - 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. Mitteis 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 Füilgases 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 Vorratsbehäiter 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 Füllgasgemlsches 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 Füilgaskomponente verhindert.
Die zusätzliche Füilgaskomponente 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 Füiigasgemisch können nach Abschluss des Befüllvorgangs, dem Verschließen der Druckbehälter und der anschließenden Erwärmung der Druckbehälter 2 auf Umgebungstemperatur ohne großen apparativen Aufwand in den Druckbehäitem 2 Drücke von /OObar und mehr erzielt werden. Die Vorrichtung 1 ist damit besonders geeignet zum Befülien von Gasgeneratoren für Airbags geeignet. Bezugszeichenliste
1. Vorrichtung
2. Druckbehäfter
3. Befülieinrichtung
4. Vorratsbehälter
5. Vorratsbehälter
6. FülSgasleituπg
7. Wärmetauscher
8. Primärabschnitt (des Wärmetauschers)
9. Sekundärabschnitt (des Wärmetauschers)
10. Wärmetauscherfläche 11 —
12. Füllgasableitung
13. Verbindungslettung
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

Patentansprüche
1. Verfahren zum Befϋllen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füligasgemisches in einem Vorratsbehälter (4) bei tiefen Temperaturen im verflüssigten Zustand gelagert und einem Druckbehälter (2) zur Befüllung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas oder die Füllgaskomponente aus dem Vorratsbehälter (4) vor seiner Zuführung an den Druckbehälter (2) im verflüssigten Zustand einem Wärmelauscher (7) zugeführt, verdampft und das verdampfte Füilgas 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 Fϋllgases 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. Vorrichtung zum Befallen von Druckbehältern mit kaltem Gas oder Gasgemisch, bei dem ein Füllgas oder eine Komponente eines Füllgasgemisches in einem Vorratsbehälter (4)im verflüssigten Zustand gelagert und zur Befüllung einem Druckbehälter (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorratsbehälter (4) und Druckbehälter (2) ein Wärmetauscher (7) mit thermisch miteinander verbundenen Abschnitten (8,9) vorgesehen ist, wobei ein erster Abschnitt (8) des Wärmetauschers über eine Füllgas∑uleitung (6) mit dem Vorratsbehälter (4) und ein zweiter Abschnitt (9) über eine Füllgasableitung (12) mit der Befülleinrichtung (3) strömungsverfaunden ist und zwischen dem ersten Abschnitt (8) und dem zweiten Abschnitt (9) eine Verbindungsleitung (13) besteht, und eine Einrichtung (15) zum Erwärmen des Füligases vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (15) zum Erwärmen des Füllgases eine regelbare Heizeinrichtung vorgesehen ist, die mit Sensoren (16) zum Erfassen physikalischer Parameter des FüSIgases, wie Temperatur oder Druck, datenverbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (13) und/oder in der Füllgasableitung eine Drucksiufe (17) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (13) mit einer Gaszuleitung (20) strömungsverbunden ist, mitteis der ein Zusat∑gas in die Verbindungsleitung (13) einspeisbar ist,
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