填充气体存储容器的方法

专利名称：填充气体存储容器的方法
填充气体存储容器的方法本发明涉及一种用加压气体填充气体存储容器的方法。所述气体存储容器一般为用于储存和/或分配加压(通常为高压，例如至少100巴)气体(包括气体混合物)的气瓶。已知用预定量的低温液体装载气瓶，对进入或排出该瓶的气体通道闭合气瓶，然后使低温液体蒸发，以用具有期望的压力的气体填充该瓶。该填充方法总体上具有至少两个优势；首先，该方法比包括直接压缩气体的方法消耗显著更少(例如少至约百分之一)的能量；其次，该方法迅速得多(例如约为I或2分钟)。遗憾的是，这些直接注入方法不适合于填充由钢制成而且在低温温度下变得危险脆化的标准高压瓶。为解决该问题，提出将低温液体注入提供于瓶内的薄壁内部器皿中，从而使低温液体与瓶壁隔绝。US I, 414，359 (公布于1922年5月)公开了含有用于接收液化气体的内部薄壁附属器皿的钢气瓶。在该附属器皿上端，紧接阀头之下，有一排孔，以在内部器皿内与瓶内部的其余部分之间提供气体流动连通。附属器皿可与瓶顶处的圆锥形塞相连，或与布置于瓶底的圆锥形塞相连。附属器皿可由柔软可膨胀的金属管形成，其经过瓶颈插入而且通过空气或水压膨胀到所需程度。可选择附属器皿的尺寸以容纳足够的液化气体以用压缩气体填充若干个钢瓶。公开了优选在装载以及随后的液化气体蒸发期间将钢瓶放入水浴，以限制瓶壁冷却的程度，而且在任何情况下必须避免瓶的过度冷却，以免低于钢的延性的下限。US I, 414，359公开了薄壁器皿的装载按通常方式通过虹吸或漏斗进行，而且用于填充器皿的入口通过旋松小阀头打开，或者通过具有相应宽度的孔的特殊阀来完成填充。US 3,645, 291 A (公布于1972年2月)公开了一种气瓶，在其腔内提供有内部器皿，以接收装载到瓶中的液化气体，将液化气体与瓶壁隔绝，以确保较慢和较均匀的液化气体蒸发。内部器皿提供有气体出口设备，以使气体在蒸发时通到瓶腔的其余部分。该瓶具有颈，所述颈提供有内部器皿，所述内部器皿由颈的向下延伸部分和在另外情况闭合的液化气体接收器皿(所述延伸部分通向所述器皿)构成。所述延伸部分提供有至少一个放射状延伸的孔，气体可通过所述孔流入和流出瓶腔的其余部分。公开了内部器皿由低温下可接受的材料(例如Mylar 箔)构成，而且由于气体的壁不应与液化气体接触，对壁材料的低温要求比内部器皿的要求略低。在示例性实施方案中，内部器皿包含铝管，其支撑着闭合的Mylar 囊。公开了液化氮、液化氧或液化氩可装载到瓶中，通常其量足以产生压力为1，800磅/英寸2 (124巴)的气体。US 3，645，291 A公开了装配在气瓶颈内的阀，所述气瓶具有第一通路以接收用于以低温液体装载内部器皿的探管；用于打开和闭合第一通路的第一阀设备；用于允许将气体从瓶中抽出的第二通路；和用于控制气体通过第二通路的速率的第二阀设备。通过以下将低温液体装载到内部器皿:将探管的端插入第一通路内，从而打开第一阀设备，然后使一定量低温液体流过探管。然后移走探管并通过闭合第一阀设备密封该瓶。公开于US 3，645，291 A的系统并未得到开发，而且可理解为现已被放弃，因为有寿命短和Mylar 囊的坚固性的问题而且检测到囊的失效。此外，在填充囊方面存在固有的困难。例如，当用低温液体填 充囊时，液体开始沸腾，导致一些正在注入的液体被驱赶回瓶外。
GB 2，277，370 A (公开于1994年10月)举例说明了一种在其内表面上具有隔热材料涂层(例如高密度膨胀聚苯乙烯)的气瓶。气瓶与一系列供填充的空瓶流体流动连通。在使用中，带衬里的瓶填充有低温液体并使之蒸发。然后如此产生的气体使该一系列空瓶填充有加压气体。以这种方法，50L (水)容量的瓶在隔热时将容纳约38L液体氮，若在流体静力学上是满的，则其等价于约3个200巴的瓶或6个100巴的瓶。
GB 2，277，370 A公开了带衬里的气瓶装备有三通阀，其通过使沸出物(boil-off)气体在填充操作期间经出口和打开的瓶空阀放出，使得瓶被液体填充。
公开于GB 2，277，370 A的系统具有数个缺点。例如，在瓶内加衬里方面存在固有困难。此外，含有气体、挥发物或颗粒材料或者其它污染物的大体积泡沫由先前的填充留在瓶内，其可最后污染否则具有很高纯度的气体。
从填充设备到低温液体的热传递是一个问题，因为一部分低温液体由于填充操作期间的热传递而沸腾。沸腾导致低温液体损失，其继而可导致装载到容器的液体比预期的少，或必须装载更多液体到容器以使恰当的量被装载。此外，“沸出物”，即已经蒸发并为气态形式的低温液体，可导致进料到容器的低温液体回流(或“回吹”)和对健康和安全有害的低温液体的“爆裂”。这些问题在本领域中已在一定程度上得以解决，通过使沸出物连同替换出的空气经过单独的阀(例如消耗阀(customer valve)或排放阀)排出，和通过使用薄壁设备以使热传递最小化。然而，通过这些手段并不完全克服这些问题，特别是对于具有进入和排出气体存储容器的仅单个气体流动路径的气体容器。
本发明的一个目的是提供一种用加压气体填充气体存储容器的新方法，其优选克服现有技术方法中的一个或多个缺点。
本发明优选实施方案的一个目的是抑制装载到气体存储容器的低温液体的沸腾。
本发明优选 实施方案的另一目的是抑制由替换出的空气和/或气态低温液体所产生的低温流体回吹，特别是在具有仅单个流动路径来控制气流进入和排出容器的气体容器中。
本发明优选实施方案的另一个目的是简化填充气体存储容器的过程，特别是具有多于一个流动路径来控制气流进入和排出容器的气体容器。
根据本发明的第一方面，提供一种用加压气体填充气体存储容器的方法，所述方法包含以下步骤: 将包含液化气体的低温流体经管嘴中的第一管道装置进料到气体存储容器内，所述管嘴插入经过流体流动控制单元的通路，所述流体流动控制单元装配在所述容器的开口内；对进入或排出所述容器的气体通道闭合所述容器；和 使所述低温流体在所述闭合容器内变为气态，其中，在所述进料步骤期间，使替换出的空气和/或气态低温流体从所述容器经所述管嘴内的第二管道装置排出。
一般地，本方法用于填充包含以下的气体存储容器:限定了内部空间用于容纳加压气体的外部器皿，所述外部器皿包含用于接收流体流动控制单元的开口 ；和装配在该开口内的流体流动控制单元，用于控制流体流入和流出外部器皿，所述流体流动控制单元包含通路，低温流体可经过该通路进料到容器。虽然可使用压力盖等手动打开和闭合所述通路，在优选实施方案中，所述通路具有位于容器内的通路末端的阀，其通过弹簧偏向闭合位置。
本方法可包含通过移走压力盖来打开通路，然后将管嘴插入打开的通路中，并将低温流体进料到容器内。或者，本方法可包含通过插入管嘴，管嘴末端逆着弹簧推开阀而打开通路。
一旦已将所需量的低温流体进料到容器，则从通路移除管嘴，然后所述通路可通过弹簧对阀的作用或通过重置压力盖而闭合。
比起通过用低温液体装载来填充的已知瓶，填充根据本发明的容器更容易且更可靠，耗费更少，因为在注入低温流体期间，极少或没有低温流体被替换出的空气和/或气态低温流体驱赶回流体流动控制单元外。
此外，由于在低温流体进料到容器时，替换出的空气和/或气态低温流体从容器经相同通路排出，因此本方法可用于填充具有经过流体流动控制单元的仅单个通路的容器。
此外，本填充方法对于具有经过流体流动控制单元的双(或更多)通路的容器较简单，因为再不必为了提供替换出的空气和/或气态低温流体的出口而必须分别打开和闭合消耗阀。
优选地，从容器内替换出的空气围绕第一管道装置中的一段流动。这种流动具有抑制从流体流动控制单元到低温流体的热传递的效果。该效果在其中装载到容器的初始低温流体蒸发或者变成气态以提供气态低温流体的实施方案中更显著，因为气态低温流体倾向于比容器中的空气更冷。
第二管道装置优选限定至少基本为环形的流动路径，其围绕第一管道装置中的一段，替换出的空气和/或气态低温流体围绕该段流动。环形流动路径使替换出的空气和/或气态低温流体的逆流流动的热传递抑制效果最大化。
在优选实施方案中，第二管道装置接合(engage)流体流动控制单元的通路，使得防止替换出的空气和/或气态低温流体经过该通路在第二管道装置以外排出。例如，第二管道装置的大小(或形状)优选与所述通路的大小(或形状)匹配，使得一旦管嘴插入通路，在管嘴和通路的壁之间不存在显著空隙(如果有的话)。通路的壁可以是圆柱形或朝向容器内部的锥形。
第一管道装置一般由低温温度下耐脆化的材料形成。第二管道装置优选由低温温度下耐脆化的材料形成。·
管嘴一般包含内管(即第一管道装置)，所述内管在外管(即第二管道装置)中。内管和外管一般为共轴的。因为低温流体通常经内管进料，所以内管壁一般为薄的，以减少到低温流体的热传递。内管的壁一般具有约100 μ m-约2mm的厚度，例如约1mm。内管可由聚合材料(例如聚四氟乙烯(PTFE))或金属(例如铜、不锈钢或铝)制成。外管的壁通常更厚一点，因为它一般经操作员处理而且它保护内管。外管一般具有约Imm-约3mm的厚度，例如约2mm。外管可由金属例如不锈钢制成。
本发明可用于任何类型的用于储存和/或分配加压气体的容器，例如气罐或其它气体存储器皿。气体存储容器一般包含以下:限定了内部空间用于容纳加压气体混合物的外部器皿，所述外部器皿包含用于接收流体流动控制单元的开口 ；和装配在所述开口内的流体流动控制单元，用于控制流体流入和流出外部器皿。
本发明特别应用于气瓶，例如由比如钢或铝制成的高压气瓶。在一些优选实施方案中，容器是单个气瓶。在其它优选实施方案中，容器是在多瓶组内与多个“辅”瓶并行气体流动连通的中心“主”瓶。在这些实施方案中，中心瓶的外部器皿通常由铝制成，而每个辅瓶的外部器皿通常由钢制成。
气体存储容器可以是具有用隔热材料衬里的内表面的瓶。这种瓶的合适实例描述于GB 2，277，370，其公开内容通过引用并入本文。然而，气体存储容器优选无衬里。
气体存储容器还可包含提供于所述内部空间内的至少一个内部器皿，所述内部器皿限定所述内部空间的一部分，用于容纳液体/固体混合物，与所述外部器皿具有间隔关系，而且与所述内部空间的其余部分流体流动连通。这种布置防止外部器皿脆化。
在这些实施方案中，低温流体经第一管道装置进料到容器内的内部器皿。然后密封容器，随后使低温流体变成气态从而用加压气体填充容器以及与之相连的任何辅容器。内部器皿不仅使低温流体与容器外壁隔绝(从而防止容器脆化)，而且由于它们倾向于为薄壁，因此还降低沸腾速率并提供更均匀的沸出物。
所述或每个内部器皿优选为“松散装配”，即不固定装配在容器内。
所述或每个内部器皿优选为“薄壁的”，因为内部器皿仅暴露于等静压力。所述或每个内部器皿通常具有足够厚的底和围壁，使得内部器皿能在含有低温流体时支撑自身。底和围壁的厚度取决于制成内部器皿的材料,但内部器皿的底和壁一般具有约0.1mm-约IOmm的厚度,优选约0.25mm-约5mm。例如，当内部器皿由金属(例如钢、招或镍)制成时，底和壁的厚度一般为不大于约2mm,例如约Imm-约2_。此外，当内部器皿由聚合材料(例如娃酮或聚酯膜)制成时，底和壁的厚度一般更大一点，例如小于约5mm,例如约1.5mm-约4mm η
所述或每个内部器皿优选为“顶敞开”或“底敞开”的罐的形式，即具有底和围壁的器皿，围壁一般(但不必)为环形，只要基本垂直于底。该内部器皿的口是敞开端。在一些实施方案中，所述罐的敞开端为倒圆锥形式。
气体存储容器优选包含至少一个支撑用于支撑内部器皿，所述内部器皿相对于所述外部器皿有所述间隔关系。可为内部器皿使用任何合适的支撑，例如间隔臂和/或脚，或内部器皿坐落其上的支撑底座。支撑可以(但不必)固定到内部器皿。所述或每个支撑通常由耐低温材料制成，并一般具有低的导热系数。合适的材料包括塑料和聚合物，但也可使用填充材料。
容器可包含多个内部器皿。例如，每个内部器皿可以是长的薄壁管，其具有闭合底端和形成口的敞开顶端。所述管的直径可大于外部器皿开口的直径(在这种情况下，所述管应在闭合前引入到外部器皿内)或小于外部器皿开口的直径(在这种情况下，可经由该开口将每个管插入外部器皿内)。
在优选实施方案中，容器包含单个内部器皿。在这些实施方案中，内部器皿的口优选具有比所述开口更大的直径。内部器皿的口的直径可比所述开口的直径大至少100%，优选大至少200%，例如大至少400%。内部器皿的口的直径可以为外部器皿内径的最多约99%。
所述或每个内部器皿通常为自支撑，即使在用低温流体装载时。内部器皿可为刚性，即自支撑和可能抗变形。或者，所述或至少一个内部器皿可以是可变形的。在这些实施方案中，所述或每个内部 器皿可变形，例如通过辊轧、折叠或挤压变形，然后经外部器皿的开口插入容器内。然后可使用气体压力或水压使所述或每个内部器皿在容器内部展开。或者，在其中所述或每个内部器皿有弹性的实施方案中，内部器皿在容器内不带辅助地重新回复其初始形状。就此而论，内部器皿由弹性材料制成，或内部器皿包含固有弹性或“装有弹簧”的框架，所述框架支撑形成器皿底和壁的可变形片材。
由于其装载有低温流体，所述或每个内部器皿一般由低温温度(其将要暴露于该温度)下耐脆化的材料制成。合适的材料包括特定金属，例如铝、镍和钢，如不锈钢；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，如聚对苯二甲酸乙二酯(PET或Mylar );聚乙烯，如聚四氟乙烯(PTFE)和全氟弹性体(PFE)。
内部器皿可包含除口外的至少一个孔，用于在内部器皿所限定的那部分内部空间与外部器皿所限定的其余部分内部空间之间提供另外的气体流动连通。该孔一般提供于内部器皿的壁，在要装载到器皿的低温流体的最高水平面上方。然而，在优选实施方案中，所述口优选是所述或每个内部器皿中唯一的开口。
术语“间隔关系”旨在表示间隔分开或其间具有间隙。因此，在本发明中，外部器皿与内部器皿间隔分开，使得装载到内部器皿的低温流体通过其间提供的间隙与外部器皿隔绝。所述间隙通常大于1_，优选大于5_。
术语“敞开”旨在表示至少不完全闭合。因此，在本发明中，所述口对于内部空间的其余部分至少不完全闭合并优选完全敞开。在优选实施方案中，所述口没有与容器的任何部分(特别是流体流动控制单元)的直接连接。
所述或每个内部器皿的口优选相对于流体流动控制单元有间隔关系。
内部空间一般具有顶半部和底半部。内部器皿延伸到内部空间的底半部或顶半部的程度取决于要装载到内部器皿的低温流体的量。所述或每个内部器皿可从底半部延伸到内部空间的顶半部内。例如，在其中容器为多瓶组内的中心主瓶的实施方案中，内部器皿可基本从内部空间的底部附近延伸到顶部，或直至内部空间长度的90%。然而，在其中容器为单个气瓶的实施方案中，内部器皿优选完全在内部空间的底半部，乃至底部三分之一内提供。
用于储存和/或分配加压气体的某些优选容器公开于共同待审的欧洲专利申请号(待通知，指定的APCI档案号为07492 EPC)，其公开内容通过弓I用并入本文。
术语“加压”旨在表示气体处于显著高于大气压的压力下，例如至少40巴。气体存储容器一般为适合于储存和/或分配最高约500巴压力的气体。通常,容器适合于储存和/或分配压力为至少100巴的气体，例如至少200巴，或至少300巴。
根据本发明的气体存储容器适于储存和/或分配纯气体或气体混合物。所述容器特别应用于:储存和/或分配可被液化的纯气体或具有可被液化的至少主要组分的气体混合物，而且其以包含液化气体的低温流体的形式装载到内部器皿。
合适的气体包括永久气体。合适气体的实例包括氧(02)、氢(H2)、氮(N2)、氦(He)、氩(Ar)、氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)和甲烷(CH4)。合适的气体混合物的实例包括焊接气体，例如含有N2或Ar，连同二氧化碳(CO2)和任选O2 —起的气体混合物；呼吸气体，例如空气；“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);麻醉气体，例如包含O2和一氧化二氮(N2O)的气体混合物；和“啤酒”气体或在酒馆和酒吧用来辅助从加压金属桶分配啤酒的气体，例如包含CO2和N2的气体混合物。
“低温流体”包含液化气体而且可以为液化纯气体、液化气体混合物或包含液化第一气体和固化第二气体的一般为低温浆料或淤浆形式的液体/固体混合物。
在一些优选实施方案中，低温流体为低温液体，例如液体氧(L0X)、液体氢、液体氮(LIN)、液体氦、液体氩(LAR)、液体氖、液体氪、液态氙和液体甲烷或形成特定气体混合物所必需的它们的适当混合物。
在其它优选实施方案中，低温流体为包含液化第一气体和固化第二气体的液体/固体混合物。液化第一气体可以是以上列举的低温液体中的一种或多种，而固化第二气体一般为固体CO2或N2O,视情况形成特定气体混合物。
合适的液体/固体混合物在环境压力(例如约1-约2巴)下一般稳定至少10分钟，优选至少30分钟，更优选最多I小时。在此上下文中，术语“稳定”是指混合物可以在环境压力下处理而组分中的一个或多个没有显著损失。
液体/固体混合物一般是使混合物能倾倒、沿管道泵送/管送并被阀调节的流体。取决于液化气体和固化气体的相对比例，混合物的稠度和外观可从浓的奶油状物质(像搅打过的奶油或白矿脂)变化为稀的牛奶状物质。混合物的粘度范围一般为约IcPs (对于稀的牛奶状混合物)-约10，000cPs (对于浓的奶油状混合物)。粘度可以为约1，000-约10,000cPso优选地，混合物由悬浮在液相中的细分散的固体颗粒组成。液体/固体混合物可描述为低温浆料或淤浆。
发明人观察到，当使液体氩/固体二氧化碳混合物温热到环境温度时，液体氩首先蒸发，留下大量的固体二氧化碳，随后所述固体二氧化碳逐渐升华。均匀共混的氩/ 二氧化碳混合物由容器内气体的扩散形成。发明人预期含有固体二氧化碳的其它液体/固体混合物会表现为类似方式。
混合物中液体和固体组分的相对比例由期望的气体混合物以及由对于混合物要具有流体特征的期望所决定。在优选实施方案中，存在约40重量％-约99重量％的液体组分和约I重量％_约60重量％的固体组分。
第一和第二气体的特性由填充容器的气体混合物所决定。用于本发明的合适气体混合物的实例包括焊接气体、“啤酒”气体、麻醉气体和灭火气体。
合适的焊接气体包 括氮/ 二氧化碳混合物(例如约80重量％_约95重量％氮和约5重量％_约20重量％ 二氧化碳)和氩/ 二氧化碳混合物(例如约80重量％_约95重量％氩和约5重量％-约20重量％二氧化碳)。氧可代替这些焊接气体混合物中的一些氮或氩气。因此，焊接气体可含有O重量％_约5重量％氧。
特别合适的焊接气体含有约80重量％_约90重量％氩、O重量％_约5重量％氧和约5重量％-约20重量％ 二氧化碳。合适的焊接气体的实例含有约2.5重量％氧、约7重量％-约20重量％ 二氧化碳，余量(约77.5重量％-约90.5重量％)为氩。
合适的“啤酒”气体包括氮/ 二氧化碳混合物(例如约40重量％_约70重量％氮和约30重量％-约60重量％ 二氧化碳)。
合适的麻醉气体包括氧/ 一氧化二氮混合物(例如约65重量％_约75重量％氧和约25重量％-约35重量％ —氧化二氮)。
合适的灭火气体包括氮/ 二氧化碳混合物(例如重量比为1:1)。
因此，第一气体可选自氮、氩和氧。其它合适的气体包括氦、氖、氙、氪和甲烷。
第二气体一般在环境压力下以固态形式稳定。在此上下文中，术语“稳定”是指第二气体的固体形式不在环境压力下过度迅速地变为气态(通过升华或通过熔化和蒸发)，使得可以在这些条件下容易地处理所述固体形式。第二气体一般选自二氧化碳和一氧化二氮。
液体/固体混合物可以是液化气体和固化气体的二元混合物。然而，液体/固体混合物可以是多于一种液化气体和一种固化气体的混合物，或一种液化气体和多于一种固化气体的混合物。在一些优选实施方案中，液体/固体混合物包含液化第三气体。液化第三气体可以与液化第一气体不混溶，但在优选实施方案中，液化第一和第三气体可彼此混溶。
在优选实施方案中，其中用焊接气体填充气体存储容器，液化第一气体为液体氩，且固化第二气体为固体二氧化碳。在这些实施方案中，液体/固体混合物也可包含可与液体氩混溶的液体氧。因此,液体/固体混合物可包含约80-约90重量％液体氩、O-约5重量％液体氧和约5-约20重量％固体二氧化碳。
合适的低温液体/固体混合物公开于共同待审的欧洲专利申请号(待通知，指定的APCI档案号为07493 EPC)，其公开内容通过引用并入本文。
将低温流体装载到单一容器的内部器皿通常花费不超过I分钟，而且可花费少至10-20秒。容器通常花费小于I小时以变得被纯气体充分加压。
如技术人员容易理解，当用加压纯气体填充气体存储容器时，可使用理想气体方程计算要进料或装载到内部器皿的低温液体的量，即:PV = nRT 其中P为容器中气体的期望压力为容器体积；n为气体的摩尔数；R为气体常数；且T为绝对温度。
一旦选择了特定容器，V和最大的P为已知，R和环境温度也是如此。则η的值可由此计算:n = PV/RT。
然后通过乘以分子量Α，将气体摩尔数η转化为气体按克(g)计的质量M:M = nAo
对于压力高于假定50巴的真实气体，要增加对这个基本方程的修正，其取决于分子之间的吸引力和排斥力，以及分子的有限且不同的大小。这些修正可通过在以下方程中纳入气体的“可压缩度”因子Z而计入:PV = nRTZo
对于很多气体，在宽的压力和温度范围内存在表列，而对于一些气体存在复杂的近似方程。
可以视情况使计算适于确定两种或更多种低温液体的混合物的量，或包含液化第一气体和固化第二气体的液体/固体混合物的量，需要所述量以用加压气体混合物填充气体存储容器。
进料到容器的低温流体的量可以不同的方法控制。例如可测出(按重量或体积计)给定量的流体和将该量加入容器。这种方法可一般用于小规模操作，例如填充单个瓶。或者，可计量(使用流量计按体积计，或使用天平按重量计)进入容器内的低温流体流，直到所需的量已进料到瓶中，在该点停止或者中断进入容器的流。这种方法可一般用于较大规模操作，例如用于连续填充多个瓶。
根据本发明的第二方面，提供一种管嘴，其用于在第一方面中定义的方法。所述管嘴适合于插入经过流动控制单元(其装配在气体存储容器的开口内)的通路，并包含用于将低温流体进料到容器内的第一管道装置和用于将替换出的空气和/或气态低温流体从容器排出的第二管道装置。
根据本发明的第三方面，提供用于以加压气体填充气体存储容器的设备。所述设备包含具有液化气体的低温流体源；用于将低温流体经通路进料到气体存储容器内的管嘴，所述通路经过装配在所述容器开口内的流动控制单元；和用于将低温流体从源进料到管嘴的管道装置。管嘴包含用于将低温流体进料到容器内的第一管道装置，和用于将替换出的空气和/或气态低温流体从容器排出的第二管道装置。
低温流体源可以是任何类型的流体储器。例如，对于小规模的填充操作，所述源可以是小容器，例如小罐或桶，或修改过的漏斗(围绕管口装配有套筒)的料斗。对于较大规模的填充操作，源可以是较大的罐。在这些较大规模的操作中，可以使用泵或静压头将低温流体从罐沿管道泵送到管嘴。
在设备的优选实施方案中，第一管道装置的至少一部分在第二管道装置内。优选地，第二管道装置限定了围绕第一管道装置中的一段的至少基本为环形的流动路径。
第二管道装置优选接合容器的流体流动控制单元中的通路，使得防止替换出的空气和/或气态低温流体经过所述通路在第二管道装置以外排出。
第一管道装置优选延伸入容器内的内部器皿中。
仅作为实例并参考附图，以下描述本发明目前优选的实施方案。关于附图:

图1A为根据本发明的管嘴的一个实施方案的纵向横截面图示。
图1B为图1A的管 嘴经过线A-A所示平面的水平横截面图示；且 图2为图1的管嘴连同气体存储容器使用时的示意性横截面图示。
关于图1A和1B，管嘴2包含第一管道4，其限定了用于将包含液化气体的低温流体进料到气体存储容器(未显示)内的第一通路6。第一管道4共轴地提供于第二管道8内，从而限定了第一管道4和第二管道8之间的环形通路10，其用于在用低温流体装载期间将替换出的空气和/或气态低温流体从气体存储容器(未显不)排出。
第一管道4为PTFE管。第一管道4具有薄壁，使得在使用时从壁到低温流体的热传递减小。第一管道4的壁的厚度为约1mm。第二管道8为具有约2mm壁厚度的不锈钢管。使用一系列连接11使第一管道4和第二管道8相连。
图2中描绘了使用中的图1A和IB的管嘴2。气瓶12具有外部器皿14，外部器皿14限定了用于容纳加压气体的内部空间16。外部器皿14由钢制成，并具有开口 18用于接收流体流动控制单元20，以控制流体流入和流出瓶12。流体流动控制单元20具有流体填充入口 22，而消耗出口 26具有控制阀28。流体填充入口 22是经过流体流动控制单元20的通路，其在瓶12内部的通路末端通过阀24闭合，阀24通过弹簧偏向闭合位置。流体流动控制单元22 —般具有减压阀(未显示)。
由铝制成的内部器皿30完全提供于内部空间16的底半部内。内部器皿30限定了内部空间16的部分34，部分34用于容纳低温流体36，相对于外部器皿14成间隔关系。支撑38提供内部器皿30和外部器皿14之间的间隔关系。内部器皿30具有口 40，用于接收来自流体流动控制单元20经由管嘴2的第一管道4的低温流体。第一管道4的末端42延伸到低于内部器皿30的口 40，从而保证来自管道4的喷洒物被内部器皿30捕获。管道4的末端42通常不延伸到低于内部器皿30的口 40很多，以致内部器皿30装载有流体以后，末端42低于低温流体36的表面。
口 40对内部空间16的其余部分敞开，从而在内部器皿30和内部空间16的其余部分之间提供流体流动连通。
通过将管嘴2插入流体流动控制单元20的流体入口 22中来填充瓶12。第一管道4的末端42逆着弹簧推开阀24，并将管嘴2推入瓶12，直到第二管道8接合流体入口 22的通路。第一管道4的末端42低于内部器皿30的口 40。低温流体沿第一管道4向下经由流动路径6进料到内部器皿30内。一旦低温流体与内部器皿30接触，低温流体则由于热传递而开始蒸发和/或升华(取决于流体特性)。通过气态低温流体冷却的替换出的空气经由第二管道8所限定的环形通路10从瓶12排出，如图中箭头所示。
基于瓶中气体的目标压力(并且由此，瓶的体积以及低温流体和气体的密度)，计算要进料到瓶12的低温流体的量(例如体积或质量)，并且控制到瓶的进料以保证添加恰当量的低温流体。
一旦将所需量的低温流体添加到瓶12，从流体入口 22移除管嘴2，从而使阀24闭合。然后使低温流体通过蒸发(以及视情况通过升华)变为气态，从而用气体将瓶12填充至期望的压力。实施例
具有大的(40mm)颈的23.5L钢气瓶装备有带有液体填充孔与管的流体流动控制单元、消耗阀和安全减压阀。Mylar 囊与液体填充管相连并提供于瓶内。得到的瓶和内件与US 3,645, 291中描述的类型类似。
填充前用LIN使系统预冷却。预冷却后，将4L的LIN经管嘴内具有共轴流动路径的中心管(如图1A和IB所描绘)装载到囊中。消耗阀在LIN倒入时打开，随后消耗阀和液体填充孔两者在LIN倒入后闭合。然后随时间记录瓶的压力和温度。基本全部LIN在约28分钟后沸腾。
然后使用图1描绘的类型的23.5L钢气瓶重复实验。内部器皿22由催化固化硅酮制成。将内部器皿22卷起并经颈插入瓶内。插入以后，内部器皿22不带辅助地重新回复其初始形状。内部器皿22搁置在一些填充材料上，以防止与瓶壁和底接触。如前文，随时间记录瓶的压力和温度，并且发明人注意到基本全部LIN在约37分钟后沸腾。
然后使用含有被液体氩/固体二氧化碳浆料装载的内部囊的瓶重复实验。通过将液体二氧化碳从管嘴喷洒到液体氩通气罐的表面，制备含有97重量％液体氩/7重量％固体二氧化碳的浆料。添加足够的二氧化碳后，对得到的浆料检验自由流动特征和颜色。获得不透明的白色水样液体。
在填充前用LIN使系统预冷却。预冷却后，使约4.2升(总共6升，由于回吹和爆裂等有1.8升损失)所述混合物经过管嘴倒入 囊中。消耗阀在混合物倒入时打开，随后消耗阀和液体填充孔两者在混合物倒入后闭合。然后随时间记录瓶的压力和温度。每隔几小时测量二氧化碳含量，经过数天直到其返回到平衡值7%。
发明人预期，若将混合物装载到瓶底中的内部罐，则由回吹和爆裂等造成的混合物损失将显著降低。
本发明的优势包括: 抑制由替换出的空气造成的进料到容器的低温流体的回吹，从而提高填充的安全性和精确度，并减少耗费； 抑制填充期间从流体流动控制单元到低温流体的热传递，从而进一步减少低温流体的回吹； 允许简单和高效地填充具有单个流体流动路径的容器；和 简化对具有多于一个流体流动路径的容器的填充操作，因为不必操作其它阀以排出替换出的空气和/或气态低温流体。
应理解本发明不局限于参照优选实施方案的上述细节，而是可制造很多修改和变化而不偏离以下权利要 求所定义的本发明的精神或范围。
权利要求
1.一种用加压气体填充气体存储容器的方法，所述方法包含以下步骤: 将包含液化气体的低温流体经管嘴中的第一管道装置进料到气体存储容器内，所述管嘴插入经过流体流动控制单元的通路，所述流体流动控制单元装配在所述容器的开口内；对进入或排出所述容器的气体通道闭合所述容器；和 使所述低温流体在所述闭合容器内变为气态，其中，在所述进料步骤期间，使替换出的空气和/或气态低温流体从所述容器经所述管嘴内的第二管道装置排出。
2.权利要求1的方法，其中所述替换出的空气和/或气态低温液体围绕所述第一管道装置中的一段流动，以抑制从所述流体流动控制单元到所述低温液体的热传递。
3.权利要求2的方法，其中所述第二管道装置限定了围绕所述第一管道装置中的所述段的至少基本为环形的流动路径。
4.权利要求2或权利要求3的方法，其中所述第二管道装置接合所述通路，以防止替换出的空气和/或气态低温流体经过所述通路在所述第二管道装置以外排出。
5.任一前述权利要求的方法，其中所述低温流体经所述第一管道装置进料到所述容器内的至少一个内部器皿。
6.任一前述权利要求的方法，其中所述低温流体为包含液化第一气体和固化第二气体的液体/固体混合物。
7.权利要求6的方法，其中所述液化第一气体选自氮(N2)、氩(Ar)、和氧(O2)以及它们的混合物。
8.权利要求6 或权利要求7的方法，其中所述固化第二气体选自二氧化碳(CO2)和一氧化二氮(N2O)。
9.权利要求6-8中任一项的方法，其中基于最终组合物，所述液体/固体混合物包含: 约80-约90重量％液体氩； O-约5重量％液体氧；和 约5-约20重量％固体二氧化碳。
10.用加压气体填充气体存储容器的设备，所述设备包含: 包含液化气体的低温流体源； 管嘴，其用于将低温流体经由通路进料到气体存储容器内，所述通过经过装配在所述容器开口内的流动控制单元；和 用于将低温流体从所述源进料到所述管嘴的管道装置， 其中所述管嘴包含用于将低温流体进料到所述容器内的第一管道装置，和用于将替换出的空气和/或气态低温流体从所述容器排出的第二管道装置。
11.权利要求10的设备，其中所述第一管道装置的至少一部分在所述第二管道装置内。
12.权利要求10或权利要求11的设备，其中所述第二管道装置限定了围绕所述第一管道装置中的一段的至少基本为环形的流动路径。
13.权利要求10-12中任一项的设备，其中所述第二管道装置接合所述通路，以防止替换出的空气和/或气态低温流体经过所述通路在所述第二管道装置以外排出。
14.权利要求10-13中任一项的设备，其中所述第一管道装置延伸到所述容器内的内部器皿 中。
全文摘要
气体存储容器可通过以下用加压气体填充将包含液化气体的低温流体经管嘴中的第一管道装置进料到该容器内，所述管嘴插入经过流体流动控制单元的通路，所述流体流动控制单元装配在所述容器的开口内；对进入或排出所述容器的气体通道闭合该容器；和使所述低温流体在闭合容器内变为气态。本发明包括在进料步骤期间将替换出的空气和/或气态低温流体从所述容器经管嘴内的第二管道装置排出。在其中替换出的空气和/或气态低温流体经过所述第二管道装置(所述第二管道装置围绕所述第一管道装置中的一段)流动的实施方案中，从所述流体流动控制单元到所述低温流体的热传递受到抑制，从而降低填充期间低温流体在管嘴内的蒸发水平。
文档编号F17C5/06GK103249984SQ201180060280
公开日2013年8月14日 申请日期2011年12月12日 优先权日2010年12月16日
发明者N.A.道尼, C.J.默瑟 申请人:气体产品与化学公司