Verfahren zum Füllen von Hochdruckflaschen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen von Hochdruckflaschen (211, 311, 411), bei dem ein unter Hochdruck stehendes Gas aus einem Zwischenspeicher (201, 301, 401) entnommen wird und in die Hochdruckflasche (211, 311, 411) einströmen gelassen wird und bei dem während und/oder nach der Füllung der Hochdruckflasche (211, 311, 411) Gas aus ihr entnommen wird, gekühlt wird und in die Hochdruckflasche (211, 311, 411) rückgeführt wird. Dieses Verfahren wird dadurch einfach und betriebssicher, daß die Umwälzung des aus der Hochdruckflasche (211, 311, 411) entnommenen Gasstroms durch eine Energie bewirkt wird, die aus der Entspannung des aus dem Zwischenspeicher ausstromenden Gases gewonnen wird. Weiters betrifft die Erfindung ein Gasladesystem zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen von Hochdruckflaschen, bei dem ein unter Hochdruck stehendes Gas aus einem Zwischenspeicher entnommen wird und in die Hochdruckflasche einströmen gelassen wird und bei dem während und/oder nach der Füllung der Hochdruckflasche Gas aus ihr entnommen wird, gekühlt wird und in die Hochdruckflasche rückgeführt wird. Bei einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung wird das aus der Hochdruckflasche entnommene Gas direkt in den Zwischenspeicher rückgeführt.

[0002] Die Befüllung von Druckgasflaschen ist ein Vorgang, der in vielen Bereichen eingesetzt wird. Eine dieser Bereiche ist beispielsweise die Füllung von Vorratsflaschen von Fahrzeugen, die durch Preßluft angetrieben werden, aber auch die Füllung von Flaschen mit gasförmigen Brennstoffen ist hier zu nennen.

[0003] Ein stets bei der Füllung von Druckgasflaschen auftretendes Problem ist die mit der Verdichtung des Gases entstehende Wärme. Diese Erwärmung der Hochdruckflaschen besitzt den Nachteil der unzureichenden Füllung. Wird nämlich die Hochdruckflasche innerhalb kurzer Zeit auf einen Maximaldruck von beispielsweise 200 bar geftillt, so kann es zu einer Temperaturerhöhung von über 100° in der Hochdruckflasche kommen. Bei dem darauf folgenden Temperaturausgleich durch Abkühlung der Flasche auf Umgebungstemperatur sinkt der Druck in der Hochdruckflasche entsprechend ab, so daß der tatsächliche Inhalt der Flasche nur einen Teil des durch den Maximaldruck vorgegebenen möglichen Inhalts ausmacht. Dadurch wird beispielsweise die Reichweite eines mit Luftdruck angetriebenen Kraftfahrzeuges empfindlich einschränkt. Darüberhinaus ist eine so starke Erwärmung bei Hochdruckflaschen aus faserverstärktem Kunststoff aus Festigkeitsgründen unzulässig.

[0004] Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung hat in der WO 97/06383 eine Lösung angegeben, in der die Erwärmung der Hochdruckflasche weitgehend vermieden werden kann. Wesentlich bei diesem System ist, daß während oder unmittelbar nach der Füllung aus der Hochdruckflasche Gas entnommen wird und über eine Spülleitung entweder in den Zwischenspeicher rückgeführt wird oder nach Abkühlung in die Hochdruckflasche rückgeführt wird. Zur Aufrechterhaltung dieses Spülkreislaufes ist bei der bekannten Lösung eine Spülpumpe vorgesehen, die von einer Fremdenergie angetrieben wird. Da das Füllsystem so ausgeführt ist, daß die Spülpumpe stets nur den Leitungswiderstand des Spülkreislaufes überwinden muß, ist die erforderliche Antriebsleistung der Spülpumpe relativ gering. Problematisch ist jedoch, daß das Druckniveau der Spülpumpe stets dem jeweiligen Druckniveau der Hochdruckflasche entspricht. Um die Abdichtungsproblematik zu verringern, ist bei der bekannten Lösung die Spülpumpe in einem Druckraum angeordnet, der mit einem unter Hochdruck stehenden Gas gefüllt ist. Jedoch auch bei dieser Lösung ist die Zufuhr von mechanischer oder elektrischer Energie in diesen Druckraum problematisch. Irisbesonders bei brennbaren Gasen, wie etwa Erdgas, ergeben sich durch die Explosionsgefahr neue zusätzliche Probleme.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Lösung so weiterzubilden, daß der Aufwand verringert werden kann, und die Betriebssicherheit erhöht werden kann.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Umwälzung des aus der Hochdruckflasche entnommenen Gasstroms durch eine Energie bewirkt wird, die aus der Entspannung des aus dem Zwischenspeicher ausströmenden Gases gewonnen wird.

[0007] Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, daß die Zufuhr von Fremdenergie für die Aufrechterhaltung des Spülkreislaufs vermieden werden kann. Besonders vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist, daß die Regelung des Spülkreislaufes weitgehend selbsttätig erfolgt. Auf diese Weise sind besondere Sensoren, Stellorgane und Regelungsvorrichtungen nicht erforderlich, wodurch bei verringertem Aufwand die Betriebssicherheit erhöht werden kann.

[0008] In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird das aus dem Zwischenspeicher entnommene Gas durch eine Venturidüse geleitet, in der durch die Gasströmung Gas aus der Hochdruckflasche angesaugt und dem aus dem Zwischenspeicher ausströmenden Gasstrom beigemischt wird. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt darin, daß die Venturidüse keinerlei bewegliche Teile aufweist. Dadurch wird eine besondere Erhöhung der Betriebssicherheit und der Lebensdauer erreicht.

[0009] In einer altemativen Ausfühungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das aus dem Zwischenspeicher entnommene Gas über eine kombinierte Arbeitsmaschine auf den jeweiligen Druck in der Hochdruckflasche entspannt wird, welche Arbeitsmaschine gleichzeitig eine Pumpe zur Umwälzung der aus der Hochdruckflasche entnommenen Gasmenge umfaßt. Auf diese Weise wird die Energie des ausströmenden Gases in besonders wirksamer Weise umgesetzt.

[0010] Ein vollständiger Temperaturausgleich der Hochdruckflasche kann erreicht werden, indem nach dem eigentlichen Füllvorgang, d. h. dann, wenn sich der Druck der Hochdruckflasche dem Druck des Zwischenspeichers angepaßt hat, der Spülvorgang in einem gewissen Zeitraum weiter fortgesetzt wird. Dies kann in besonders günstiger Weise dadurch erreicht werden, daß der aus der Hochdruckflasche entnommene Gasstrom durch die in einer Schwungmasse gespeicherte Energie angetrieben wird.

[0011] Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasladesystem für Hochdruckflaschen mit einem Zwischenspeicher, der ein unter Hochdruck stehendes Gas beinhaltet, einer Entspannungseinrichtung und mit Schnellkupplungen zum Anschluß einer Hochdruckflasche, sowie mit einer Spülleitung, um während und/oder nach der Füllung der Hochdruckflasche Gas aus ihr zu entnehmen, um die Erwärmung der Hochdruckflasche zu verringern. Dieses System ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Strömung des Gases in der Spülleitung zu bewirken.

[0012] In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen Fig. 1, 2, 3 und 4 schematische Darstellungen von vier unterschiedlichen Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Gasladesystems.

[0013] Bei der Ausführungsvariante von Fig. 1 ist ein Zwischenspeicher 101 vorgesehen, der von einem in dieser Fig. nicht dargestellten Hochdruckkompressor auf einem vorgegebenen Betriebsdruck gehalten wird. Mit dem Zwischenspeicher 101 ist eine Entspannungseinrichtung 103 gekoppelt, die über eine Speiseleitung 105 mit einer speiseseitigen Schnellkupplungshälfte 104 verbunden ist. Eine Spülleitung 106, die von einer spülseltigen Schnellkupplungshälfte 108 ausgeht, ist mit einem Rückschlagventil 130 versehen, und mündet in den Zwischenspeicher 101.

[0014] Eine Hochdruckflasche 111 ist über Schnellkupplungshälften 112, 113, die an die Schnellkupplungshälften 104, 108 anschließbar sind, ankoppelbar, uni mit dem Gas des Zwischenspeichers 101 gefüllt zu werden.

[0015] Die Entspanungseirrichtung 103 ist als Turbomaschine ausgebildet, in der ein Laufrad 131 drehbar angeordnet ist. Mit dem Laufrad 131 ist eine Schwungmasse 132 fest verbunden. An der Schwungrnasse 132 sind Lager 133 ausgebildet, die die Einheit aus Laufrad 131 und Schwungmasse 132 tragen. Die Ausströmseite der Turbomaschine ist mit der Speiseleitung 105 verbunden.

[0016] In der Folge wird die Wirkungsweise der Ausführungsvariante der Fig. 1 beschrieben werden. Zu Beginn des Füllvorgangs wird der Betriebsdruck des Zwischenspeichers 101, der im Bereich zwischen 200 und 300 bar liegen kann, auf einen geringen Druck abgebaut, der in der Hochdruckflasche 111 vorliegt. Dieser Druckabbau erfolgt in der Entspannungseinrichtung 103, wobei das Laufrad 131 als Gasturbine betrieben wird. Die Entspannungsenergie wird dabei in Bewegungsenergie des Schwungrades 132 umgesetzt. Wenn der Druck in der Hochdruckflasche 111 in den Bereich des Betriebsdrucks des Zwischenspeichers 101 gekonnnen ist, wird das Laufrad 131 zum Turbinenlaufrad, das von der Schwungmasse 132 angetrieben wird. Dadurch wird weiter Gas aus dem Zwischenspeicher 1 0 1 angesaugt, in die Hochdruckflasche 111 eingebracht und aus dieser über die Spülleitung 106 wieder in den Zwischenspeicher rückgeführt. Auf diese Weise kann die Hochdruckflacshe 111 in sehr schneller Weise auf Umgebungstemperatur gebracht werden. Die Energie des Schwungrades 132 wird durch die Strömungswiderstände bei der Spülung aufgezehrt, so daß der Spülvorgang selbsttätig beendet wird ohne besondere Regelungsvorrichtungen vorsehen zu müssen. Das Rückschlagventil 130 verhindert ein Ausströmen des Gases aus dem Zwischenspeicher 101 über die Spülleitung 106.

[0017] Obwohl die dargestellte Ausführungsvariante eine Turbomaschine als Entspannungseinrichtung 103 aufweist, können in gleicher Weise auch Verdrängungsmaschinen, wie etwa Flügelzellenpumpen oder Rootsrotoren verwendet werden.

[0018] Bei der Ausführungsvariante der Fig. 2 ist als Entspannungseinrichtung 203 eine Venturidüse vorgesehen. Das aus dem Zwischenspeicher 201 ausströmende Gas durchströmt die Venturidüse 203 in Längsrichtung und wird dabei auf den jeweiligen Druck in der Hochdruckflasche 211 entspannt. Eine Spülleitung 206 führt von der spülseitigen Schnellkupplungshälfte 208 zu einem Wärmetauscher 215, der im Inneren des Zwischenspeichers 201 vorgesehen sein kann (mit durchgezogenen Linien dargestellt), oder der auch außerhalb des Zwischenspeichers 201 angeordnet sein kann (Bezugszeichen 215a, mit unterbrochenen Linien dargestellt). Das Ende der Spülleitung 206 mündet in den engsten Querschnitt 234 der Venturidüse 203, wodurch das gekühlte Gas aus der Spülleitung 206 dem Hauptfüllstrom beigemischt und der Hochdruckflasche 211 zugeführt wird. Vorteilhaft an dieser Ausführungsvariante ist, daß die Entspannungseinrichtung 203 keinerlei bewegliche Teile aufweist. Ein wesentlicher Unterschied der Ausführungsvariante von Fig. 2 im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante ist, daß hier der Spülvorgang hauptsächlich während des Füllens der Hochdruckflasche 211 stattfindet. Nach Herstellung des Druckausgleichs kommt es durch die Trägheitskräfte des unter Hochdruck stehenden Gases zu einer Nachströmung, die eine vollständige Kühlung der Hochdruckflasche 211 bewirkt. Die Dauer der Nachströmung ist jedoch wesentlich kürzer als bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante.Um das Nachströmverhalten zu verbessern, wird die Venturidüse 203 durch eine Bypaßleitung 235 umgangen, in der ein Rückschlagventil 230 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 230 öffnet nach dem Druckausgleich, so daß die Dauer der Nachströmung durch die Verringerung des Strömungswiderstandes erhöht werden kann. Die Schnellkupplungshälften 204 und 212 bzw. 208 und 213 wirken wie bei der obigen Ausführungsvariante zusammen.

[0019] Die Ausführungsvariante der Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Ausführungsvariante von Fig. 2. Unterschiedlich ist jedoch, daß die Entspannungseinrichtung 303 als Gasturbine 336 ausgebildet ist, die mit einem Turboverdichter 337 gekoppelt ist. Das aus dem Zwischenspeicher 301 ausströmende Gas wird in der Gasturbine 336 auf den Druck der Hochdruckflasche 311 entspannt. Gleichzeltig wird der Turboverdichter 337 angetrieben, der eine Gasströmung in der Spülleitung 306 durch einen Wärmetauscher 315 bzw. 315a bewirkt. Der Ausgang des Turboverdichters 337 steht mit der Speiseleitung 315 in Verbindung. Ein Rückschlagventil 330 verhindert eine Rückströmung in der Spülleitung 306. Die Schnellkupplungshälften 304 und 312 bzw. 308 und 313 entsprechen den Schnellkupplungshälften 104 und 112 bzw. 108 und 113 der ersten Ausführungsvariante.

[0020] Auch bei dieser Ausführungsvariante wird die Spülung hauptsächlich während des Füllvorganges selbst stattfinden. Eine gewisse Nachspülung kann durch die Schwungmasse von Gasturbine 336 und Turboverdichter 337 erreicht werden.

[0021] Die Ausführungsvariante von Fig. 4 besitzt eine Entspannungsvorrichtung 403. die im wesentlichen der Entspannungsvorrichtung 103 der Ausführungsvariante von Fig. 1 entspricht und ein Laufrad 431 umfaßt, das mit einer Schwungmasse 432 gekoppelt ist. Unterschiedlich dabei ist jedoch, daß die Spülleitung 406 über einen Wärmetauscher 415 bzw. 415a in den Eingangsbereich der Entspannungseinrichtung 403 mündet. Ein Rückschlagventil 430 verhindert die Rückströmung des Gases in der Spülleitung 406. Die Schnellkupplungshälften 404 und 412 bzw. 408 und 413 entsprechen den Schnellkupplungshälften 104 und 112 bzw. 108 und 113 der ersten Ausführungsvariante.

[0022] Bei dieser Ausführungsvariante findet wie bei der Variante von Fig. 1 der Hauptteil des Spülvorganges nach Beendigung des eigentlichen Füllvorganges statt.

[0023] Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, einen besonders einfachen Aufbau zu erreichen, der betriebssicher ist und weitgehend ohne Regelungs- und Steuerorgane auskommt. Die Erfindung ist für brennbare Gase in besonderer Weise geeignet. Durch die vereinfachte Abdichtung kann eine besondere Erhöhung der Lebensdauer erreicht werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Füllen von Hochdruckflaschen (211, 311, 411), bei dem ein unter Hochdruck stehendes Gas aus einem Zwischenspeicher (201, 301, 401) entnommen wird und in die Hochdrockflasche (211, 311, 411) einströmen gelassen wird und bei dem während und/oder nach der Füllung der Hochdruckflasche (211, 311, 411) Gas aus ihr entnommen wird, gekühlt wird und in die Hochdruckflasche (211, 311, 411) rückgeführt wird. dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des aus der Hochdruckflasche (211, 311, 411) entnommenen Gasstroms durch eine Energie bewirkt wird, die aus der Entspannung des aus dem Zwischenspeicher (201, 301, 401) ausströmenden Gases gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Zwischenspeicher (201) entnommene Gas durch eine Venturidüse (203) geleitet wird, in der durch die Gasströmung Gas aus der Hochdruckflasche (211) angesaugt und dem aus dem Zwischenspeicher (201) ausströmenden Gasstrom beigemischt wird.

3. Verfahren zum Füllen von Hochdruckflaschen, bei dem ein unter Hochdruck stehendes Gas aus einem Zwischenspeicher (101) entnommen wird und in die Hochdruckflasche (111) einströmen gelassen wird und bei dem während und/oder nach der Füllung der Hochdruckflasche (1 1 1) Gas aus ihr entnommen wird und in den Zwischenspeicher (101) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des aus der Hochdruckflasche (111) entnommenen Gasstroms durch eine Energie bewegt wird, die aus der Entspannung des aus dem Zwischenspeicher (101) ausströmenden Gases gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Zwischenspeicher (101, 301, 401) entnommene Gas über eine kombinierte Arbeitsmaschine (103, 303, 403) auf den jeweiligen Druck in der Hochdruckflasche entspannt wird, welche Arbeitsmaschine (103, 303, 403) gleichzeitig eine Pumpe zur Umwälzung der aus der Hochdruckflasche (111, 311, 411) entnommenen Gasmenge umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Hochdruckflasche (111, 411) entnommene Gasstrom durch die in einer Schwungmasse (132, 432) gespeicherte Energie angetrieben wird.

6. Gasladesystem für Hochdruckflaschen mit einem Zwischenspeicher (101, 201, 301, 401), der ein unter Hochdruck stehendes Gas beinhaltet, einer Entspannungseinrichtung (103, 203, 303, 403) und mit Schnellkupplungen (104, 108; 204, 208; 304, 308; 404, 408) zum Anschluß einer Hochdruckflasche (111, 211, 311, 411), sowie mit einer Spülleitung (106, 206, 306, 406), um während und/oder nach der Füllung der Hochdruckflasche (111, 211, 311, 411) Gas aus ihr zu entnehmen, um die Erwärmung der Hochdruckflasche (111, 211, 311, 411) zu verringern, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungseinrichtung (103, 203, 303, 403) dazu ausgebildet ist, die Strömung des Gases in der Spülleitung (106, 206, 306, 406) zu bewirken.

7. Gasladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Entspannungseinrichtung (103, 403) eine Schwungmasse (132, 432) gekoppelt ist, die die Entspannungseinrichtung (103, 403) nach dem Füllen der Hochdruckflasche (111, 411) antreibt, um eine weitere Umwälzung des Gases zu bewirken.

8. Gasladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungseinrichtung (303) als Arbeitsmaschine ausgebildet ist, die eine Pumpeinrichtung aufweist, wobei die Arbeitsmaschine vorzugsweise als kombinierte Gasturbine (336) und Turboverdichter (337) ausgebildet ist.

9. Gasladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Entspannung als Venturidüse (203) ausgebildet ist, in die ein Ende der Spülleitung (206) eimnündet.

10. Gasladesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülleitung (106) direkt in den Zwischenspeicher (101) einmündet.

11. Gasladesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spülleitung (206, 306, 406) ein Kühler (215, 215a; 315, 315a; 415, 415a) angeordnet ist.

Zeichnung