專利名稱：填充氣體存儲(chǔ)容器的方法
填充氣體存儲(chǔ)容器的方法本發(fā)明涉及一種用加壓氣體填充氣體存儲(chǔ)容器的方法。所述氣體存儲(chǔ)容器一般為用于儲(chǔ)存和/或分配加壓(通常為高壓，例如至少100巴)氣體(包括氣體混合物)的氣瓶。已知用預(yù)定量的低溫液體裝載氣瓶，對(duì)進(jìn)入或排出該瓶的氣體通道閉合氣瓶，然后使低溫液體蒸發(fā)，以用具有期望的壓力的氣體填充該瓶。該填充方法總體上具有至少兩個(gè)優(yōu)勢(shì)；首先，該方法比包括直接壓縮氣體的方法消耗顯著更少(例如少至約百分之一)的能量；其次，該方法迅速得多(例如約為I或2分鐘)。遺憾的是，這些直接注入方法不適合于填充由鋼制成而且在低溫溫度下變得危險(xiǎn)脆化的標(biāo)準(zhǔn)高壓瓶。為解決該問(wèn)題，提出將低溫液體注入提供于瓶?jī)?nèi)的薄壁內(nèi)部器皿中，從而使低溫液體與瓶壁隔絕。US I, 414，359 (公布于1922年5月)公開(kāi)了含有用于接收液化氣體的內(nèi)部薄壁附屬器皿的鋼氣瓶。在該附屬器皿上端，緊接閥頭之下，有一排孔，以在內(nèi)部器皿內(nèi)與瓶?jī)?nèi)部的其余部分之間提供氣體流動(dòng)連通。附屬器皿可與瓶頂處的圓錐形塞相連，或與布置于瓶底的圓錐形塞相連。附屬器皿可由柔軟可膨脹的金屬管形成，其經(jīng)過(guò)瓶頸插入而且通過(guò)空氣或水壓膨脹到所需程度?？蛇x擇附屬器皿的尺寸以容納足夠的液化氣體以用壓縮氣體填充若干個(gè)鋼瓶。公開(kāi)了優(yōu)選在裝載以及隨后的液化氣體蒸發(fā)期間將鋼瓶放入水浴，以限制瓶壁冷卻的程度，而且在任何情況下必須避免瓶的過(guò)度冷卻，以免低于鋼的延性的下限。US I, 414，359公開(kāi)了薄壁器皿的裝載按通常方式通過(guò)虹吸或漏斗進(jìn)行，而且用于填充器皿的入口通過(guò)旋松小閥頭打開(kāi)，或者通過(guò)具有相應(yīng)寬度的孔的特殊閥來(lái)完成填充。US 3,645, 291 A (公布于1972年2月)公開(kāi)了一種氣瓶，在其腔內(nèi)提供有內(nèi)部器皿，以接收裝載到瓶中的液化氣體，將液化氣體與瓶壁隔絕，以確保較慢和較均勻的液化氣體蒸發(fā)。內(nèi)部器皿提供有氣體出口設(shè)備，以使氣體在蒸發(fā)時(shí)通到瓶腔的其余部分。該瓶具有頸，所述頸提供有內(nèi)部器皿，所述內(nèi)部器皿由頸的向下延伸部分和在另外情況閉合的液化氣體接收器皿(所述延伸部分通向所述器皿)構(gòu)成。所述延伸部分提供有至少一個(gè)放射狀延伸的孔，氣體可通過(guò)所述孔流入和流出瓶腔的其余部分。公開(kāi)了內(nèi)部器皿由低溫下可接受的材料(例如Mylar 箔)構(gòu)成，而且由于氣體的壁不應(yīng)與液化氣體接觸，對(duì)壁材料的低溫要求比內(nèi)部器皿的要求略低。在示例性實(shí)施方案中，內(nèi)部器皿包含鋁管，其支撐著閉合的Mylar 囊。公開(kāi)了液化氮、液化氧或液化氬可裝載到瓶中，通常其量足以產(chǎn)生壓力為1，800磅/英寸2 (124巴)的氣體。US 3，645，291 A公開(kāi)了裝配在氣瓶頸內(nèi)的閥，所述氣瓶具有第一通路以接收用于以低溫液體裝載內(nèi)部器皿的探管；用于打開(kāi)和閉合第一通路的第一閥設(shè)備；用于允許將氣體從瓶中抽出的第二通路；和用于控制氣體通過(guò)第二通路的速率的第二閥設(shè)備。通過(guò)以下將低溫液體裝載到內(nèi)部器皿:將探管的端插入第一通路內(nèi)，從而打開(kāi)第一閥設(shè)備，然后使一定量低溫液體流過(guò)探管。然后移走探管并通過(guò)閉合第一閥設(shè)備密封該瓶。公開(kāi)于US 3，645，291 A的系統(tǒng)并未得到開(kāi)發(fā)，而且可理解為現(xiàn)已被放棄，因?yàn)橛袎勖毯蚆ylar 囊的堅(jiān)固性的問(wèn)題而且檢測(cè)到囊的失效。此外，在填充囊方面存在固有的困難。例如，當(dāng)用低溫液體填 充囊時(shí)，液體開(kāi)始沸騰，導(dǎo)致一些正在注入的液體被驅(qū)趕回瓶外。
GB 2，277，370 A (公開(kāi)于1994年10月)舉例說(shuō)明了一種在其內(nèi)表面上具有隔熱材料涂層(例如高密度膨脹聚苯乙烯)的氣瓶。氣瓶與一系列供填充的空瓶流體流動(dòng)連通。在使用中，帶襯里的瓶填充有低溫液體并使之蒸發(fā)。然后如此產(chǎn)生的氣體使該一系列空瓶填充有加壓氣體。以這種方法，50L (水)容量的瓶在隔熱時(shí)將容納約38L液體氮，若在流體靜力學(xué)上是滿的，則其等價(jià)于約3個(gè)200巴的瓶或6個(gè)100巴的瓶。
GB 2，277，370 A公開(kāi)了帶襯里的氣瓶裝備有三通閥，其通過(guò)使沸出物(boil-off)氣體在填充操作期間經(jīng)出口和打開(kāi)的瓶空閥放出，使得瓶被液體填充。
公開(kāi)于GB 2，277，370 A的系統(tǒng)具有數(shù)個(gè)缺點(diǎn)。例如，在瓶?jī)?nèi)加襯里方面存在固有困難。此外，含有氣體、揮發(fā)物或顆粒材料或者其它污染物的大體積泡沫由先前的填充留在瓶?jī)?nèi)，其可最后污染否則具有很高純度的氣體。
從填充設(shè)備到低溫液體的熱傳遞是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橐徊糠值蜏匾后w由于填充操作期間的熱傳遞而沸騰。沸騰導(dǎo)致低溫液體損失，其繼而可導(dǎo)致裝載到容器的液體比預(yù)期的少，或必須裝載更多液體到容器以使恰當(dāng)?shù)牧勘谎b載。此外，“沸出物”，即已經(jīng)蒸發(fā)并為氣態(tài)形式的低溫液體，可導(dǎo)致進(jìn)料到容器的低溫液體回流(或“回吹”)和對(duì)健康和安全有害的低溫液體的“爆裂”。這些問(wèn)題在本領(lǐng)域中已在一定程度上得以解決，通過(guò)使沸出物連同替換出的空氣經(jīng)過(guò)單獨(dú)的閥(例如消耗閥(customer valve)或排放閥)排出，和通過(guò)使用薄壁設(shè)備以使熱傳遞最小化。然而，通過(guò)這些手段并不完全克服這些問(wèn)題，特別是對(duì)于具有進(jìn)入和排出氣體存儲(chǔ)容器的僅單個(gè)氣體流動(dòng)路徑的氣體容器。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用加壓氣體填充氣體存儲(chǔ)容器的新方法，其優(yōu)選克服現(xiàn)有技術(shù)方法中的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的一個(gè)目的是抑制裝載到氣體存儲(chǔ)容器的低溫液體的沸騰。
本發(fā)明優(yōu)選 實(shí)施方案的另一目的是抑制由替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫液體所產(chǎn)生的低溫流體回吹，特別是在具有僅單個(gè)流動(dòng)路徑來(lái)控制氣流進(jìn)入和排出容器的氣體容器中。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的另一個(gè)目的是簡(jiǎn)化填充氣體存儲(chǔ)容器的過(guò)程，特別是具有多于一個(gè)流動(dòng)路徑來(lái)控制氣流進(jìn)入和排出容器的氣體容器。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用加壓氣體填充氣體存儲(chǔ)容器的方法，所述方法包含以下步驟: 將包含液化氣體的低溫流體經(jīng)管嘴中的第一管道裝置進(jìn)料到氣體存儲(chǔ)容器內(nèi)，所述管嘴插入經(jīng)過(guò)流體流動(dòng)控制單元的通路，所述流體流動(dòng)控制單元裝配在所述容器的開(kāi)口內(nèi)；對(duì)進(jìn)入或排出所述容器的氣體通道閉合所述容器；和 使所述低溫流體在所述閉合容器內(nèi)變?yōu)闅鈶B(tài)，其中，在所述進(jìn)料步驟期間，使替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從所述容器經(jīng)所述管嘴內(nèi)的第二管道裝置排出。
一般地，本方法用于填充包含以下的氣體存儲(chǔ)容器:限定了內(nèi)部空間用于容納加壓氣體的外部器皿，所述外部器皿包含用于接收流體流動(dòng)控制單元的開(kāi)口 ；和裝配在該開(kāi)口內(nèi)的流體流動(dòng)控制單元，用于控制流體流入和流出外部器皿，所述流體流動(dòng)控制單元包含通路，低溫流體可經(jīng)過(guò)該通路進(jìn)料到容器。雖然可使用壓力蓋等手動(dòng)打開(kāi)和閉合所述通路，在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述通路具有位于容器內(nèi)的通路末端的閥，其通過(guò)彈簧偏向閉合位置。
本方法可包含通過(guò)移走壓力蓋來(lái)打開(kāi)通路，然后將管嘴插入打開(kāi)的通路中，并將低溫流體進(jìn)料到容器內(nèi)?；蛘撸痉椒砂ㄟ^(guò)插入管嘴，管嘴末端逆著彈簧推開(kāi)閥而打開(kāi)通路。
一旦已將所需量的低溫流體進(jìn)料到容器，則從通路移除管嘴，然后所述通路可通過(guò)彈簧對(duì)閥的作用或通過(guò)重置壓力蓋而閉合。
比起通過(guò)用低溫液體裝載來(lái)填充的已知瓶，填充根據(jù)本發(fā)明的容器更容易且更可靠，耗費(fèi)更少，因?yàn)樵谧⑷氲蜏亓黧w期間，極少或沒(méi)有低溫流體被替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體驅(qū)趕回流體流動(dòng)控制單元外。
此外，由于在低溫流體進(jìn)料到容器時(shí)，替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從容器經(jīng)相同通路排出，因此本方法可用于填充具有經(jīng)過(guò)流體流動(dòng)控制單元的僅單個(gè)通路的容器。
此外，本填充方法對(duì)于具有經(jīng)過(guò)流體流動(dòng)控制單元的雙(或更多)通路的容器較簡(jiǎn)單，因?yàn)樵俨槐貫榱颂峁┨鎿Q出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體的出口而必須分別打開(kāi)和閉合消耗閥。
優(yōu)選地，從容器內(nèi)替換出的空氣圍繞第一管道裝置中的一段流動(dòng)。這種流動(dòng)具有抑制從流體流動(dòng)控制單元到低溫流體的熱傳遞的效果。該效果在其中裝載到容器的初始低溫流體蒸發(fā)或者變成氣態(tài)以提供氣態(tài)低溫流體的實(shí)施方案中更顯著，因?yàn)闅鈶B(tài)低溫流體傾向于比容器中的空氣更冷。
第二管道裝置優(yōu)選限定至少基本為環(huán)形的流動(dòng)路徑，其圍繞第一管道裝置中的一段，替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體圍繞該段流動(dòng)。環(huán)形流動(dòng)路徑使替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體的逆流流動(dòng)的熱傳遞抑制效果最大化。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，第二管道裝置接合(engage)流體流動(dòng)控制單元的通路，使得防止替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體經(jīng)過(guò)該通路在第二管道裝置以外排出。例如，第二管道裝置的大小(或形狀)優(yōu)選與所述通路的大小(或形狀)匹配，使得一旦管嘴插入通路，在管嘴和通路的壁之間不存在顯著空隙(如果有的話)。通路的壁可以是圓柱形或朝向容器內(nèi)部的錐形。
第一管道裝置一般由低溫溫度下耐脆化的材料形成。第二管道裝置優(yōu)選由低溫溫度下耐脆化的材料形成。·
管嘴一般包含內(nèi)管(即第一管道裝置)，所述內(nèi)管在外管(即第二管道裝置)中。內(nèi)管和外管一般為共軸的。因?yàn)榈蜏亓黧w通常經(jīng)內(nèi)管進(jìn)料，所以內(nèi)管壁一般為薄的，以減少到低溫流體的熱傳遞。內(nèi)管的壁一般具有約100 μ m-約2mm的厚度，例如約1mm。內(nèi)管可由聚合材料(例如聚四氟乙烯(PTFE))或金屬(例如銅、不銹鋼或鋁)制成。外管的壁通常更厚一點(diǎn)，因?yàn)樗话憬?jīng)操作員處理而且它保護(hù)內(nèi)管。外管一般具有約Imm-約3mm的厚度，例如約2mm。外管可由金屬例如不銹鋼制成。
本發(fā)明可用于任何類型的用于儲(chǔ)存和/或分配加壓氣體的容器，例如氣罐或其它氣體存儲(chǔ)器皿。氣體存儲(chǔ)容器一般包含以下:限定了內(nèi)部空間用于容納加壓氣體混合物的外部器皿，所述外部器皿包含用于接收流體流動(dòng)控制單元的開(kāi)口 ；和裝配在所述開(kāi)口內(nèi)的流體流動(dòng)控制單元，用于控制流體流入和流出外部器皿。
本發(fā)明特別應(yīng)用于氣瓶，例如由比如鋼或鋁制成的高壓氣瓶。在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，容器是單個(gè)氣瓶。在其它優(yōu)選實(shí)施方案中，容器是在多瓶組內(nèi)與多個(gè)“輔”瓶并行氣體流動(dòng)連通的中心“主”瓶。在這些實(shí)施方案中，中心瓶的外部器皿通常由鋁制成，而每個(gè)輔瓶的外部器皿通常由鋼制成。
氣體存儲(chǔ)容器可以是具有用隔熱材料襯里的內(nèi)表面的瓶。這種瓶的合適實(shí)例描述于GB 2，277，370，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。然而，氣體存儲(chǔ)容器優(yōu)選無(wú)襯里。
氣體存儲(chǔ)容器還可包含提供于所述內(nèi)部空間內(nèi)的至少一個(gè)內(nèi)部器皿，所述內(nèi)部器皿限定所述內(nèi)部空間的一部分，用于容納液體/固體混合物，與所述外部器皿具有間隔關(guān)系，而且與所述內(nèi)部空間的其余部分流體流動(dòng)連通。這種布置防止外部器皿脆化。
在這些實(shí)施方案中，低溫流體經(jīng)第一管道裝置進(jìn)料到容器內(nèi)的內(nèi)部器皿。然后密封容器，隨后使低溫流體變成氣態(tài)從而用加壓氣體填充容器以及與之相連的任何輔容器。內(nèi)部器皿不僅使低溫流體與容器外壁隔絕(從而防止容器脆化)，而且由于它們傾向于為薄壁，因此還降低沸騰速率并提供更均勻的沸出物。
所述或每個(gè)內(nèi)部器皿優(yōu)選為“松散裝配”，即不固定裝配在容器內(nèi)。
所述或每個(gè)內(nèi)部器皿優(yōu)選為“薄壁的”，因?yàn)閮?nèi)部器皿僅暴露于等靜壓力。所述或每個(gè)內(nèi)部器皿通常具有足夠厚的底和圍壁，使得內(nèi)部器皿能在含有低溫流體時(shí)支撐自身。底和圍壁的厚度取決于制成內(nèi)部器皿的材料,但內(nèi)部器皿的底和壁一般具有約0.1mm-約IOmm的厚度,優(yōu)選約0.25mm-約5mm。例如，當(dāng)內(nèi)部器皿由金屬(例如鋼、招或鎳)制成時(shí)，底和壁的厚度一般為不大于約2mm,例如約Imm-約2_。此外，當(dāng)內(nèi)部器皿由聚合材料(例如娃酮或聚酯膜)制成時(shí)，底和壁的厚度一般更大一點(diǎn)，例如小于約5mm,例如約1.5mm-約4mm η
所述或每個(gè)內(nèi)部器皿優(yōu)選為“頂敞開(kāi)”或“底敞開(kāi)”的罐的形式，即具有底和圍壁的器皿，圍壁一般(但不必)為環(huán)形，只要基本垂直于底。該內(nèi)部器皿的口是敞開(kāi)端。在一些實(shí)施方案中，所述罐的敞開(kāi)端為倒圓錐形式。
氣體存儲(chǔ)容器優(yōu)選包含至少一個(gè)支撐用于支撐內(nèi)部器皿，所述內(nèi)部器皿相對(duì)于所述外部器皿有所述間隔關(guān)系?？蔀閮?nèi)部器皿使用任何合適的支撐，例如間隔臂和/或腳，或內(nèi)部器皿坐落其上的支撐底座。支撐可以(但不必)固定到內(nèi)部器皿。所述或每個(gè)支撐通常由耐低溫材料制成，并一般具有低的導(dǎo)熱系數(shù)。合適的材料包括塑料和聚合物，但也可使用填充材料。
容器可包含多個(gè)內(nèi)部器皿。例如，每個(gè)內(nèi)部器皿可以是長(zhǎng)的薄壁管，其具有閉合底端和形成口的敞開(kāi)頂端。所述管的直徑可大于外部器皿開(kāi)口的直徑(在這種情況下，所述管應(yīng)在閉合前引入到外部器皿內(nèi))或小于外部器皿開(kāi)口的直徑(在這種情況下，可經(jīng)由該開(kāi)口將每個(gè)管插入外部器皿內(nèi))。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，容器包含單個(gè)內(nèi)部器皿。在這些實(shí)施方案中，內(nèi)部器皿的口優(yōu)選具有比所述開(kāi)口更大的直徑。內(nèi)部器皿的口的直徑可比所述開(kāi)口的直徑大至少100%，優(yōu)選大至少200%，例如大至少400%。內(nèi)部器皿的口的直徑可以為外部器皿內(nèi)徑的最多約99%。
所述或每個(gè)內(nèi)部器皿通常為自支撐，即使在用低溫流體裝載時(shí)。內(nèi)部器皿可為剛性，即自支撐和可能抗變形?；蛘撸龌蛑辽僖粋€(gè)內(nèi)部器皿可以是可變形的。在這些實(shí)施方案中，所述或每個(gè)內(nèi)部 器皿可變形，例如通過(guò)輥軋、折疊或擠壓變形，然后經(jīng)外部器皿的開(kāi)口插入容器內(nèi)。然后可使用氣體壓力或水壓使所述或每個(gè)內(nèi)部器皿在容器內(nèi)部展開(kāi)?；蛘撸谄渲兴龌蛎總€(gè)內(nèi)部器皿有彈性的實(shí)施方案中，內(nèi)部器皿在容器內(nèi)不帶輔助地重新回復(fù)其初始形狀。就此而論，內(nèi)部器皿由彈性材料制成，或內(nèi)部器皿包含固有彈性或“裝有彈簧”的框架，所述框架支撐形成器皿底和壁的可變形片材。
由于其裝載有低溫流體，所述或每個(gè)內(nèi)部器皿一般由低溫溫度(其將要暴露于該溫度)下耐脆化的材料制成。合適的材料包括特定金屬，例如鋁、鎳和鋼，如不銹鋼；以及聚合材料，例如硅酮，如催化固化的硅酮和聚二甲基硅氧烷；聚酯，如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET或Mylar );聚乙烯，如聚四氟乙烯(PTFE)和全氟彈性體(PFE)。
內(nèi)部器皿可包含除口外的至少一個(gè)孔，用于在內(nèi)部器皿所限定的那部分內(nèi)部空間與外部器皿所限定的其余部分內(nèi)部空間之間提供另外的氣體流動(dòng)連通。該孔一般提供于內(nèi)部器皿的壁，在要裝載到器皿的低溫流體的最高水平面上方。然而，在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述口優(yōu)選是所述或每個(gè)內(nèi)部器皿中唯一的開(kāi)口。
術(shù)語(yǔ)“間隔關(guān)系”旨在表示間隔分開(kāi)或其間具有間隙。因此，在本發(fā)明中，外部器皿與內(nèi)部器皿間隔分開(kāi)，使得裝載到內(nèi)部器皿的低溫流體通過(guò)其間提供的間隙與外部器皿隔絕。所述間隙通常大于1_，優(yōu)選大于5_。
術(shù)語(yǔ)“敞開(kāi)”旨在表示至少不完全閉合。因此，在本發(fā)明中，所述口對(duì)于內(nèi)部空間的其余部分至少不完全閉合并優(yōu)選完全敞開(kāi)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述口沒(méi)有與容器的任何部分(特別是流體流動(dòng)控制單元)的直接連接。
所述或每個(gè)內(nèi)部器皿的口優(yōu)選相對(duì)于流體流動(dòng)控制單元有間隔關(guān)系。
內(nèi)部空間一般具有頂半部和底半部。內(nèi)部器皿延伸到內(nèi)部空間的底半部或頂半部的程度取決于要裝載到內(nèi)部器皿的低溫流體的量。所述或每個(gè)內(nèi)部器皿可從底半部延伸到內(nèi)部空間的頂半部?jī)?nèi)。例如，在其中容器為多瓶組內(nèi)的中心主瓶的實(shí)施方案中，內(nèi)部器皿可基本從內(nèi)部空間的底部附近延伸到頂部，或直至內(nèi)部空間長(zhǎng)度的90%。然而，在其中容器為單個(gè)氣瓶的實(shí)施方案中，內(nèi)部器皿優(yōu)選完全在內(nèi)部空間的底半部，乃至底部三分之一內(nèi)提供。
用于儲(chǔ)存和/或分配加壓氣體的某些優(yōu)選容器公開(kāi)于共同待審的歐洲專利申請(qǐng)?zhí)?待通知，指定的APCI檔案號(hào)為07492 EPC)，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)弓I用并入本文。
術(shù)語(yǔ)“加壓”旨在表示氣體處于顯著高于大氣壓的壓力下，例如至少40巴。氣體存儲(chǔ)容器一般為適合于儲(chǔ)存和/或分配最高約500巴壓力的氣體。通常,容器適合于儲(chǔ)存和/或分配壓力為至少100巴的氣體，例如至少200巴，或至少300巴。
根據(jù)本發(fā)明的氣體存儲(chǔ)容器適于儲(chǔ)存和/或分配純氣體或氣體混合物。所述容器特別應(yīng)用于:儲(chǔ)存和/或分配可被液化的純氣體或具有可被液化的至少主要組分的氣體混合物，而且其以包含液化氣體的低溫流體的形式裝載到內(nèi)部器皿。
合適的氣體包括永久氣體。合適氣體的實(shí)例包括氧(02)、氫(H2)、氮(N2)、氦(He)、氬(Ar)、氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)和甲烷(CH4)。合適的氣體混合物的實(shí)例包括焊接氣體，例如含有N2或Ar，連同二氧化碳(CO2)和任選O2 —起的氣體混合物；呼吸氣體，例如空氣；“nitrox” (O2 和 N2) ;“trimix” (O2> N2 和 He) ;“heliox” (He 和 O2) ;“heliair” (O2> N2 和He) ;“hyd reliox”(He、O2 和 H2) ;“hydrox” (H2 和 O2) JP“neonox” (O2 和 Ne);麻醉氣體，例如包含O2和一氧化二氮(N2O)的氣體混合物；和“啤酒”氣體或在酒館和酒吧用來(lái)輔助從加壓金屬桶分配啤酒的氣體，例如包含CO2和N2的氣體混合物。
“低溫流體”包含液化氣體而且可以為液化純氣體、液化氣體混合物或包含液化第一氣體和固化第二氣體的一般為低溫漿料或淤漿形式的液體/固體混合物。
在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，低溫流體為低溫液體，例如液體氧(L0X)、液體氫、液體氮(LIN)、液體氦、液體氬(LAR)、液體氖、液體氪、液態(tài)氙和液體甲烷或形成特定氣體混合物所必需的它們的適當(dāng)混合物。
在其它優(yōu)選實(shí)施方案中，低溫流體為包含液化第一氣體和固化第二氣體的液體/固體混合物。液化第一氣體可以是以上列舉的低溫液體中的一種或多種，而固化第二氣體一般為固體CO2或N2O,視情況形成特定氣體混合物。
合適的液體/固體混合物在環(huán)境壓力(例如約1-約2巴)下一般穩(wěn)定至少10分鐘，優(yōu)選至少30分鐘，更優(yōu)選最多I小時(shí)。在此上下文中，術(shù)語(yǔ)“穩(wěn)定”是指混合物可以在環(huán)境壓力下處理而組分中的一個(gè)或多個(gè)沒(méi)有顯著損失。
液體/固體混合物一般是使混合物能傾倒、沿管道泵送/管送并被閥調(diào)節(jié)的流體。取決于液化氣體和固化氣體的相對(duì)比例，混合物的稠度和外觀可從濃的奶油狀物質(zhì)(像攪打過(guò)的奶油或白礦脂)變化為稀的牛奶狀物質(zhì)?；旌衔锏恼扯确秶话銥榧sIcPs (對(duì)于稀的牛奶狀混合物)-約10，000cPs (對(duì)于濃的奶油狀混合物)。粘度可以為約1，000-約10,000cPso優(yōu)選地，混合物由懸浮在液相中的細(xì)分散的固體顆粒組成。液體/固體混合物可描述為低溫漿料或淤漿。
發(fā)明人觀察到，當(dāng)使液體氬/固體二氧化碳混合物溫?zé)岬江h(huán)境溫度時(shí)，液體氬首先蒸發(fā)，留下大量的固體二氧化碳，隨后所述固體二氧化碳逐漸升華。均勻共混的氬/ 二氧化碳混合物由容器內(nèi)氣體的擴(kuò)散形成。發(fā)明人預(yù)期含有固體二氧化碳的其它液體/固體混合物會(huì)表現(xiàn)為類似方式。
混合物中液體和固體組分的相對(duì)比例由期望的氣體混合物以及由對(duì)于混合物要具有流體特征的期望所決定。在優(yōu)選實(shí)施方案中，存在約40重量％-約99重量％的液體組分和約I重量％_約60重量％的固體組分。
第一和第二氣體的特性由填充容器的氣體混合物所決定。用于本發(fā)明的合適氣體混合物的實(shí)例包括焊接氣體、“啤酒”氣體、麻醉氣體和滅火氣體。
合適的焊接氣體包 括氮/ 二氧化碳混合物(例如約80重量％_約95重量％氮和約5重量％_約20重量％ 二氧化碳)和氬/ 二氧化碳混合物(例如約80重量％_約95重量％氬和約5重量％-約20重量％二氧化碳)。氧可代替這些焊接氣體混合物中的一些氮或氬氣。因此，焊接氣體可含有O重量％_約5重量％氧。
特別合適的焊接氣體含有約80重量％_約90重量％氬、O重量％_約5重量％氧和約5重量％-約20重量％ 二氧化碳。合適的焊接氣體的實(shí)例含有約2.5重量％氧、約7重量％-約20重量％ 二氧化碳，余量(約77.5重量％-約90.5重量％)為氬。
合適的“啤酒”氣體包括氮/ 二氧化碳混合物(例如約40重量％_約70重量％氮和約30重量％-約60重量％ 二氧化碳)。
合適的麻醉氣體包括氧/ 一氧化二氮混合物(例如約65重量％_約75重量％氧和約25重量％-約35重量％ —氧化二氮)。
合適的滅火氣體包括氮/ 二氧化碳混合物(例如重量比為1:1)。
因此，第一氣體可選自氮、氬和氧。其它合適的氣體包括氦、氖、氙、氪和甲烷。
第二氣體一般在環(huán)境壓力下以固態(tài)形式穩(wěn)定。在此上下文中，術(shù)語(yǔ)“穩(wěn)定”是指第二氣體的固體形式不在環(huán)境壓力下過(guò)度迅速地變?yōu)闅鈶B(tài)(通過(guò)升華或通過(guò)熔化和蒸發(fā))，使得可以在這些條件下容易地處理所述固體形式。第二氣體一般選自二氧化碳和一氧化二氮。
液體/固體混合物可以是液化氣體和固化氣體的二元混合物。然而，液體/固體混合物可以是多于一種液化氣體和一種固化氣體的混合物，或一種液化氣體和多于一種固化氣體的混合物。在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，液體/固體混合物包含液化第三氣體。液化第三氣體可以與液化第一氣體不混溶，但在優(yōu)選實(shí)施方案中，液化第一和第三氣體可彼此混溶。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，其中用焊接氣體填充氣體存儲(chǔ)容器，液化第一氣體為液體氬，且固化第二氣體為固體二氧化碳。在這些實(shí)施方案中，液體/固體混合物也可包含可與液體氬混溶的液體氧。因此,液體/固體混合物可包含約80-約90重量％液體氬、O-約5重量％液體氧和約5-約20重量％固體二氧化碳。
合適的低溫液體/固體混合物公開(kāi)于共同待審的歐洲專利申請(qǐng)?zhí)?待通知，指定的APCI檔案號(hào)為07493 EPC)，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
將低溫流體裝載到單一容器的內(nèi)部器皿通?；ㄙM(fèi)不超過(guò)I分鐘，而且可花費(fèi)少至10-20秒。容器通?；ㄙM(fèi)小于I小時(shí)以變得被純氣體充分加壓。
如技術(shù)人員容易理解，當(dāng)用加壓純氣體填充氣體存儲(chǔ)容器時(shí)，可使用理想氣體方程計(jì)算要進(jìn)料或裝載到內(nèi)部器皿的低溫液體的量，即:PV = nRT 其中P為容器中氣體的期望壓力為容器體積；n為氣體的摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；且T為絕對(duì)溫度。
一旦選擇了特定容器，V和最大的P為已知，R和環(huán)境溫度也是如此。則η的值可由此計(jì)算:n = PV/RT。
然后通過(guò)乘以分子量Α，將氣體摩爾數(shù)η轉(zhuǎn)化為氣體按克(g)計(jì)的質(zhì)量M:M = nAo
對(duì)于壓力高于假定50巴的真實(shí)氣體，要增加對(duì)這個(gè)基本方程的修正，其取決于分子之間的吸引力和排斥力，以及分子的有限且不同的大小。這些修正可通過(guò)在以下方程中納入氣體的“可壓縮度”因子Z而計(jì)入:PV = nRTZo
對(duì)于很多氣體，在寬的壓力和溫度范圍內(nèi)存在表列，而對(duì)于一些氣體存在復(fù)雜的近似方程。
可以視情況使計(jì)算適于確定兩種或更多種低溫液體的混合物的量，或包含液化第一氣體和固化第二氣體的液體/固體混合物的量，需要所述量以用加壓氣體混合物填充氣體存儲(chǔ)容器。
進(jìn)料到容器的低溫流體的量可以不同的方法控制。例如可測(cè)出(按重量或體積計(jì))給定量的流體和將該量加入容器。這種方法可一般用于小規(guī)模操作，例如填充單個(gè)瓶。或者，可計(jì)量(使用流量計(jì)按體積計(jì)，或使用天平按重量計(jì))進(jìn)入容器內(nèi)的低溫流體流，直到所需的量已進(jìn)料到瓶中，在該點(diǎn)停止或者中斷進(jìn)入容器的流。這種方法可一般用于較大規(guī)模操作，例如用于連續(xù)填充多個(gè)瓶。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種管嘴，其用于在第一方面中定義的方法。所述管嘴適合于插入經(jīng)過(guò)流動(dòng)控制單元(其裝配在氣體存儲(chǔ)容器的開(kāi)口內(nèi))的通路，并包含用于將低溫流體進(jìn)料到容器內(nèi)的第一管道裝置和用于將替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從容器排出的第二管道裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供用于以加壓氣體填充氣體存儲(chǔ)容器的設(shè)備。所述設(shè)備包含具有液化氣體的低溫流體源；用于將低溫流體經(jīng)通路進(jìn)料到氣體存儲(chǔ)容器內(nèi)的管嘴，所述通路經(jīng)過(guò)裝配在所述容器開(kāi)口內(nèi)的流動(dòng)控制單元；和用于將低溫流體從源進(jìn)料到管嘴的管道裝置。管嘴包含用于將低溫流體進(jìn)料到容器內(nèi)的第一管道裝置，和用于將替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從容器排出的第二管道裝置。
低溫流體源可以是任何類型的流體儲(chǔ)器。例如，對(duì)于小規(guī)模的填充操作，所述源可以是小容器，例如小罐或桶，或修改過(guò)的漏斗(圍繞管口裝配有套筒)的料斗。對(duì)于較大規(guī)模的填充操作，源可以是較大的罐。在這些較大規(guī)模的操作中，可以使用泵或靜壓頭將低溫流體從罐沿管道泵送到管嘴。
在設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施方案中，第一管道裝置的至少一部分在第二管道裝置內(nèi)。優(yōu)選地，第二管道裝置限定了圍繞第一管道裝置中的一段的至少基本為環(huán)形的流動(dòng)路徑。
第二管道裝置優(yōu)選接合容器的流體流動(dòng)控制單元中的通路，使得防止替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體經(jīng)過(guò)所述通路在第二管道裝置以外排出。
第一管道裝置優(yōu)選延伸入容器內(nèi)的內(nèi)部器皿中。
僅作為實(shí)例并參考附圖，以下描述本發(fā)明目前優(yōu)選的實(shí)施方案。關(guān)于附圖:

圖1A為根據(jù)本發(fā)明的管嘴的一個(gè)實(shí)施方案的縱向橫截面圖示。
圖1B為圖1A的管 嘴經(jīng)過(guò)線A-A所示平面的水平橫截面圖示；且 圖2為圖1的管嘴連同氣體存儲(chǔ)容器使用時(shí)的示意性橫截面圖示。
關(guān)于圖1A和1B，管嘴2包含第一管道4，其限定了用于將包含液化氣體的低溫流體進(jìn)料到氣體存儲(chǔ)容器(未顯示)內(nèi)的第一通路6。第一管道4共軸地提供于第二管道8內(nèi)，從而限定了第一管道4和第二管道8之間的環(huán)形通路10，其用于在用低溫流體裝載期間將替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從氣體存儲(chǔ)容器(未顯不)排出。
第一管道4為PTFE管。第一管道4具有薄壁，使得在使用時(shí)從壁到低溫流體的熱傳遞減小。第一管道4的壁的厚度為約1mm。第二管道8為具有約2mm壁厚度的不銹鋼管。使用一系列連接11使第一管道4和第二管道8相連。
圖2中描繪了使用中的圖1A和IB的管嘴2。氣瓶12具有外部器皿14，外部器皿14限定了用于容納加壓氣體的內(nèi)部空間16。外部器皿14由鋼制成，并具有開(kāi)口 18用于接收流體流動(dòng)控制單元20，以控制流體流入和流出瓶12。流體流動(dòng)控制單元20具有流體填充入口 22，而消耗出口 26具有控制閥28。流體填充入口 22是經(jīng)過(guò)流體流動(dòng)控制單元20的通路，其在瓶12內(nèi)部的通路末端通過(guò)閥24閉合，閥24通過(guò)彈簧偏向閉合位置。流體流動(dòng)控制單元22 —般具有減壓閥(未顯示)。
由鋁制成的內(nèi)部器皿30完全提供于內(nèi)部空間16的底半部?jī)?nèi)。內(nèi)部器皿30限定了內(nèi)部空間16的部分34，部分34用于容納低溫流體36，相對(duì)于外部器皿14成間隔關(guān)系。支撐38提供內(nèi)部器皿30和外部器皿14之間的間隔關(guān)系。內(nèi)部器皿30具有口 40，用于接收來(lái)自流體流動(dòng)控制單元20經(jīng)由管嘴2的第一管道4的低溫流體。第一管道4的末端42延伸到低于內(nèi)部器皿30的口 40，從而保證來(lái)自管道4的噴灑物被內(nèi)部器皿30捕獲。管道4的末端42通常不延伸到低于內(nèi)部器皿30的口 40很多，以致內(nèi)部器皿30裝載有流體以后，末端42低于低溫流體36的表面。
口 40對(duì)內(nèi)部空間16的其余部分敞開(kāi)，從而在內(nèi)部器皿30和內(nèi)部空間16的其余部分之間提供流體流動(dòng)連通。
通過(guò)將管嘴2插入流體流動(dòng)控制單元20的流體入口 22中來(lái)填充瓶12。第一管道4的末端42逆著彈簧推開(kāi)閥24，并將管嘴2推入瓶12，直到第二管道8接合流體入口 22的通路。第一管道4的末端42低于內(nèi)部器皿30的口 40。低溫流體沿第一管道4向下經(jīng)由流動(dòng)路徑6進(jìn)料到內(nèi)部器皿30內(nèi)。一旦低溫流體與內(nèi)部器皿30接觸，低溫流體則由于熱傳遞而開(kāi)始蒸發(fā)和/或升華(取決于流體特性)。通過(guò)氣態(tài)低溫流體冷卻的替換出的空氣經(jīng)由第二管道8所限定的環(huán)形通路10從瓶12排出，如圖中箭頭所示。
基于瓶中氣體的目標(biāo)壓力(并且由此，瓶的體積以及低溫流體和氣體的密度)，計(jì)算要進(jìn)料到瓶12的低溫流體的量(例如體積或質(zhì)量)，并且控制到瓶的進(jìn)料以保證添加恰當(dāng)量的低溫流體。
一旦將所需量的低溫流體添加到瓶12，從流體入口 22移除管嘴2，從而使閥24閉合。然后使低溫流體通過(guò)蒸發(fā)(以及視情況通過(guò)升華)變?yōu)闅鈶B(tài)，從而用氣體將瓶12填充至期望的壓力。實(shí)施例
具有大的(40mm)頸的23.5L鋼氣瓶裝備有帶有液體填充孔與管的流體流動(dòng)控制單元、消耗閥和安全減壓閥。Mylar 囊與液體填充管相連并提供于瓶?jī)?nèi)。得到的瓶和內(nèi)件與US 3,645, 291中描述的類型類似。
填充前用LIN使系統(tǒng)預(yù)冷卻。預(yù)冷卻后，將4L的LIN經(jīng)管嘴內(nèi)具有共軸流動(dòng)路徑的中心管(如圖1A和IB所描繪)裝載到囊中。消耗閥在LIN倒入時(shí)打開(kāi)，隨后消耗閥和液體填充孔兩者在LIN倒入后閉合。然后隨時(shí)間記錄瓶的壓力和溫度?；救縇IN在約28分鐘后沸騰。
然后使用圖1描繪的類型的23.5L鋼氣瓶重復(fù)實(shí)驗(yàn)。內(nèi)部器皿22由催化固化硅酮制成。將內(nèi)部器皿22卷起并經(jīng)頸插入瓶?jī)?nèi)。插入以后，內(nèi)部器皿22不帶輔助地重新回復(fù)其初始形狀。內(nèi)部器皿22擱置在一些填充材料上，以防止與瓶壁和底接觸。如前文，隨時(shí)間記錄瓶的壓力和溫度，并且發(fā)明人注意到基本全部LIN在約37分鐘后沸騰。
然后使用含有被液體氬/固體二氧化碳漿料裝載的內(nèi)部囊的瓶重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)將液體二氧化碳從管嘴噴灑到液體氬通氣罐的表面，制備含有97重量％液體氬/7重量％固體二氧化碳的漿料。添加足夠的二氧化碳后，對(duì)得到的漿料檢驗(yàn)自由流動(dòng)特征和顏色。獲得不透明的白色水樣液體。
在填充前用LIN使系統(tǒng)預(yù)冷卻。預(yù)冷卻后，使約4.2升(總共6升，由于回吹和爆裂等有1.8升損失)所述混合物經(jīng)過(guò)管嘴倒入 囊中。消耗閥在混合物倒入時(shí)打開(kāi)，隨后消耗閥和液體填充孔兩者在混合物倒入后閉合。然后隨時(shí)間記錄瓶的壓力和溫度。每隔幾小時(shí)測(cè)量二氧化碳含量，經(jīng)過(guò)數(shù)天直到其返回到平衡值7%。
發(fā)明人預(yù)期，若將混合物裝載到瓶底中的內(nèi)部罐，則由回吹和爆裂等造成的混合物損失將顯著降低。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)包括: 抑制由替換出的空氣造成的進(jìn)料到容器的低溫流體的回吹，從而提高填充的安全性和精確度，并減少耗費(fèi)； 抑制填充期間從流體流動(dòng)控制單元到低溫流體的熱傳遞，從而進(jìn)一步減少低溫流體的回吹； 允許簡(jiǎn)單和高效地填充具有單個(gè)流體流動(dòng)路徑的容器；和 簡(jiǎn)化對(duì)具有多于一個(gè)流體流動(dòng)路徑的容器的填充操作，因?yàn)椴槐夭僮髌渌y以排出替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體。
應(yīng)理解本發(fā)明不局限于參照優(yōu)選實(shí)施方案的上述細(xì)節(jié)，而是可制造很多修改和變化而不偏離以下權(quán)利要 求所定義的本發(fā)明的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種用加壓氣體填充氣體存儲(chǔ)容器的方法，所述方法包含以下步驟: 將包含液化氣體的低溫流體經(jīng)管嘴中的第一管道裝置進(jìn)料到氣體存儲(chǔ)容器內(nèi)，所述管嘴插入經(jīng)過(guò)流體流動(dòng)控制單元的通路，所述流體流動(dòng)控制單元裝配在所述容器的開(kāi)口內(nèi)；對(duì)進(jìn)入或排出所述容器的氣體通道閉合所述容器；和 使所述低溫流體在所述閉合容器內(nèi)變?yōu)闅鈶B(tài)，其中，在所述進(jìn)料步驟期間，使替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從所述容器經(jīng)所述管嘴內(nèi)的第二管道裝置排出。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫液體圍繞所述第一管道裝置中的一段流動(dòng)，以抑制從所述流體流動(dòng)控制單元到所述低溫液體的熱傳遞。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述第二管道裝置限定了圍繞所述第一管道裝置中的所述段的至少基本為環(huán)形的流動(dòng)路徑。
4.權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的方法，其中所述第二管道裝置接合所述通路，以防止替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體經(jīng)過(guò)所述通路在所述第二管道裝置以外排出。
5.任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述低溫流體經(jīng)所述第一管道裝置進(jìn)料到所述容器內(nèi)的至少一個(gè)內(nèi)部器皿。
6.任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述低溫流體為包含液化第一氣體和固化第二氣體的液體/固體混合物。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述液化第一氣體選自氮(N2)、氬(Ar)、和氧(O2)以及它們的混合物。
8.權(quán)利要求6 或權(quán)利要求7的方法，其中所述固化第二氣體選自二氧化碳(CO2)和一氧化二氮(N2O)。
9.權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)的方法，其中基于最終組合物，所述液體/固體混合物包含: 約80-約90重量％液體氬； O-約5重量％液體氧；和 約5-約20重量％固體二氧化碳。
10.用加壓氣體填充氣體存儲(chǔ)容器的設(shè)備，所述設(shè)備包含: 包含液化氣體的低溫流體源； 管嘴，其用于將低溫流體經(jīng)由通路進(jìn)料到氣體存儲(chǔ)容器內(nèi)，所述通過(guò)經(jīng)過(guò)裝配在所述容器開(kāi)口內(nèi)的流動(dòng)控制單元；和 用于將低溫流體從所述源進(jìn)料到所述管嘴的管道裝置， 其中所述管嘴包含用于將低溫流體進(jìn)料到所述容器內(nèi)的第一管道裝置，和用于將替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從所述容器排出的第二管道裝置。
11.權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述第一管道裝置的至少一部分在所述第二管道裝置內(nèi)。
12.權(quán)利要求10或權(quán)利要求11的設(shè)備，其中所述第二管道裝置限定了圍繞所述第一管道裝置中的一段的至少基本為環(huán)形的流動(dòng)路徑。
13.權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述第二管道裝置接合所述通路，以防止替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體經(jīng)過(guò)所述通路在所述第二管道裝置以外排出。
14.權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述第一管道裝置延伸到所述容器內(nèi)的內(nèi)部器皿 中。
全文摘要
氣體存儲(chǔ)容器可通過(guò)以下用加壓氣體填充將包含液化氣體的低溫流體經(jīng)管嘴中的第一管道裝置進(jìn)料到該容器內(nèi)，所述管嘴插入經(jīng)過(guò)流體流動(dòng)控制單元的通路，所述流體流動(dòng)控制單元裝配在所述容器的開(kāi)口內(nèi)；對(duì)進(jìn)入或排出所述容器的氣體通道閉合該容器；和使所述低溫流體在閉合容器內(nèi)變?yōu)闅鈶B(tài)。本發(fā)明包括在進(jìn)料步驟期間將替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體從所述容器經(jīng)管嘴內(nèi)的第二管道裝置排出。在其中替換出的空氣和/或氣態(tài)低溫流體經(jīng)過(guò)所述第二管道裝置(所述第二管道裝置圍繞所述第一管道裝置中的一段)流動(dòng)的實(shí)施方案中，從所述流體流動(dòng)控制單元到所述低溫流體的熱傳遞受到抑制，從而降低填充期間低溫流體在管嘴內(nèi)的蒸發(fā)水平。
文檔編號(hào)F17C5/06GK103249984SQ201180060280
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者N.A.道尼, C.J.默瑟 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司