气体储存容器的制作方法

专利名称：气体储存容器的制作方法
气体储存容器
本发明涉及用于储存和/或分配在压力下、通常在高压下的气体的气体储存容器，诸如气缸。具体地讲，本发明涉及便于用处于高压下的气体填充容器的改进的气体储存容器。
容纳处于高压、例如100巴或更高压力下的永久气体的气缸通常通过使用气体压缩机简单地泵吸气体到气缸中来制备。这种填充方法倾向于在填充较少数量的气缸的现场使用。然而，每个气缸必须缓慢地填充(例如，经过I小时或2小时的过程)以通过气体绝热压缩控制气缸的加热和/或使气缸的加热程度减至最低。因此，填充气缸是制备气缸过程中的限速步骤之一。另外，需要显著量的能量来将气体压缩到足以填充气缸的压力。
可将气缸和/或进料到气缸的气体冷却，由此增加气缸的填充速率。在这方面，已经使用水或二醇喷雾或换热器。虽然以此方式冷却气缸和/或气体能够稍微加快填充，但是总填充过程的成本更高且效果相对有限。另外，没有降低能量消耗。
虽然大部分永久气体在低温温度下以液态储存，但在气缸填充期间的能量消耗可通过使用高压低温泵使液体而不是气体升到高压来降低。该高压液体随后可气化且用以填充气缸。这种填充方法倾向于在填充较大数量的气缸的现场使用。然而，高压低温泵复杂、成本高且易于发生故障。另外，不可能再快地填充气缸，因为来自低温泵的液体在用以填充气缸之前为气化气体。
在本领域中业已考虑将低温液体在低压下直接注入气缸中。随着气缸升温回到室温且低温液体蒸发，将达到所需的高压。这种填充方法将具有至少两个优势:首先，该方法将消耗显著更少(例如，少约100倍)的能量，且其次，该方法将更快(例如，快约I或2分钟)。遗憾的是，这种直接注入方法不适合填充标准高压气缸，这种气缸由钢制造且在低温温度下危险性地变脆。
US 1，414，359 (在1922年5月公开)公开了用于接收液化气体的含有内部薄壁辅助容器的钢制气缸。在该辅助容器的上端，恰好在阀头下方，有一排小孔以提供在内部容器之内与气缸内部的剩余部分之间的气流连通。该辅助容器可连接到在气缸顶部的锥形塞或连接到配置在气缸底部的锥形塞。该辅助容器可由经由气缸颈部插入且被空气或液压压力而膨胀到所需程度的可膨胀金属软管形成。可选择该辅助容器的尺寸以容纳足够的液化气体，从而用压缩气体填充数个钢制气缸。公开了钢制气缸在液化气体的装料和随后蒸发期间优选置于水浴中，从而限制气缸壁`冷却的程度，且在所有情形下必须避免气缸的过度冷却以免到达钢铁的延展度下限以下。
US 3,645, 291 A (在1972年2月公开)公开了一种气缸，在其空腔内提供接收装入气缸的液化气体的内部容器以将液化气体与气缸壁隔离，从而确保液化气体的较缓慢和更均匀的蒸发。该内部容器提供有气体出口装置以允许气体在蒸发时进入气缸空腔的剩余部分。该气缸具有颈部，该颈部提供有由该颈部的向下延伸部分和该延伸部分在其中开口的以另外方式封闭的液化气体接收容器构成的内部容器。该延伸部分提供有气体可经由其流入和流出气缸空腔的剩余部分的至少一个径向延伸孔。公开了该内部容器由诸如Mylar 箔片的低温合格材料构造，且因为气体的壁不应该接触到液化气体，所以壁材料的低温需求略微低于内部容器的需求。在示例性实施方案中，该内部容器包括支撑封闭的Mylar 袋的铝管。公开了液化氮、液化氧或液化氩可通常以足以产生处于1，800 Ib/in2(124巴)的压力下的气体的量装入气缸中。
在US 3,645, 291 A中公开的系统并没有发展且认为现在已由于关于Mylar 袋的短寿命和坚韧性及袋破损检测相关的问题而被放弃。另外，存在填充该袋所固有的困难。例如，随着袋用低温液体填充，液体开始沸腾，导致一些注入的液体被迫退出气缸。
GB 2，277，370 A (在1994年10月公开)示例了在其内表面上具有诸如高密度膨胀性聚苯乙烯的绝热材料的涂层的气缸。该气缸与一组空的气缸流体流动连通以便于填充。在使用中，该加衬的气缸用低温液体填充且让其蒸发。如此生成的气体随后用处于压力下的气体填充那组空的气缸。以此方式，在绝热时50L (水)容量的气缸将装盛约38L的液化氮，如果在流体静力学上完全充满，其相当于在200巴下的约3气缸或相当于在100巴下的6气缸。
在GB 2，277，370 A中公开的系统具有若干缺点。例如，在气缸内部加衬存在固有的困难。另外，来自先前填充物的相当大体积的含有气体、挥发物质或微粒材料或其他污染物的泡沫体留在气缸的内部，其会最终污染要不然具有极高纯度的气体。
本发明的优选实施方案的一个目标 在于提供用于储存和/或分配处于压力下的气体的容器，所述容器容易地和/或快速地填充，优选没有现有技术的一个或多个缺点。
根据本发明的第一方面，提供用于储存和/或分配处于压力下的气体的气体储存容器，所述容器包括: 限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间的外部容器，所述外部容器包括用于接收流体流量控制单元的开口； 安装在所述开口内用于控制流体流入和流出所述外部容器的流体流量控制单元；和提供在所述内部空间内的至少一个内部容器，所述内部容器限定用于装盛相对于所述外部容器处于隔开关系的低温流体的所述内部空间的一部分且与所述内部空间的剩余部分流体流动连通，所述或各内部容器具有用于从所述流体流量控制单元接收低温流体的Π, 其中所述或各内部容器的所述口对所述内部空间的剩余部分开放。
与具有用低温液体装料的内部容器的已知气缸相比，根据本发明的气体储存容器通常更容易填充且更可靠且浪费更少。在这方面，本发明人注意到装入在根据本发明的气体储存容器中的内部容器的低温流体以比在现有技术容器中以更均匀受控的速率变成气态。另外，在低温流体注入期间几乎没有或没有低温流体被迫退出流体流量控制单元，由此改善安全性且减少浪费。
本发明可施用于任何类型的用于储存和/或分配处于压力下的气体的容器，诸如气罐或其他气体储存容器。然而，本发明特别适于气缸，例如由例如钢或铝制造的高压气缸。在一些优选的实施方案中，所述容器为单气缸。在其他优选的实施方案中，所述容器为多气缸组中的与多个“二级”气缸平行气流连通的中心“一级”气缸。在这类实施方案中，所述中心气缸的外部容器通常由铝制造，且各二级气缸的外部容器通常由钢制造。
所述气体储存容器可为具有用绝热材料加衬的内表面的气缸。这种气缸的合适实例描述在GB 2，277，370中，其公开内容通过引用结合到本文中来。然而，所述气体储存容器优选不加衬。
根据本发明的气体储存容器适合储存和/或分配纯净气体或气体混合物。所述容器特别适于储存和/或分配可液化的纯净气体或至少具有可液化且以包含液化气的低温流体的形式装入内部容器中的主要组分的气体混合物。
合适的气体包括永久气体。合适气体的实例包括氧气(O2)、氢气(H2)、氮气(N2)、氦气(He)、lS气(Ar)、氖气(Ne)、氪气(Kr)、氣气(Xe)和甲烧(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以及二氧化碳(CO2)和任选的O2的气体混合物；呼吸气体，例如空气；“氮氧混合物(nitrox) ” (O2和N2);“三元混合物(trimix) ” (02、N2和He);“氦氧混合物(heliox) ” (He和O2)氦空气混合物(heliair) ” (02、N2和He);“氢氦氧混合物(hydreliox) ” (He、O2和H2);“氢氧混合物(hydrox) ” (H2和O2);和“氖氧混合物(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，例如包含CO2和N2的气体混合物。
所述“低温流体”包含液化气体且可为液化纯净气体、液化气体的混合物或通常以低温浆料或泥浆形式的包含液化第一气体和固化第二气体的液/固混合物。
在一些优选的实施方案中，所述低温流体为低温液体，诸如液态氧(LOX)、液态氢、液态氮(LIN)、液态氦、液态氩(LAR)、液态氖、液态氪、液态氙和液态甲烷或形成特定气体混合物所必需的其适当混合物。
在其他优选的实施方案中，所述低温流体为包含液化第一气体和固化第二气体的液/固混合物。所述液化第一气体可为以上列出的低温液体中的一种或多种，且所述固化第二气体通常为固态CO2或N2O,其视情况形成特定的气体混合物。
合适的液/固混合物在环境压力例如约1-约2巴下通常稳定至少10分钟，优选至少30分钟且更优选高达I小时。在这里的术语“稳定”是指该混合物可在环境压力下处理而不会显著损失一种或多种组分。
所述液/固混合物通常为能够使混合物沿导管倾倒、泵吸/管输和经过阀门的流体。根据液化气体与固化气体的相对比例，混合物的稠度和外观可为从稠厚的奶油状物质(与生奶油或白矿脂没有不同)到稀薄的乳白色物质。所述混合物的粘度范围通常为约IcPs (对于稀薄的乳状混合物)-约10，000cPs (用于稠厚的奶油状混合物)。所述粘度可为约1，000_约10，000cPs。 优选该混合物由悬浮在液相中的细分散的固体粒子组成。所述液/固混合物可描述为低温浆料或泥浆。
本发明人已经观察到，当让液态氩/固态二氧化碳升温至周围温度时，液态氩首先蒸发以留下相当大量的固态二氧化碳，固态二氧化碳随后逐渐升华。均匀共混的氩/ 二氧化碳混合物通过气体在容器内的扩散形成。本发明人预期含有固态二氧化碳的其他液/固混合物将以类似方式表现。
在所述混合物中液体组分与固体组分的相对比例由所希望的气体混合物且由对于混合物具有流体特性的希望所决定。在优选的实施方案中，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。
第一气体和第二气体的特性(identities)将由填充容器的气体混合物决定。供本发明使用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气/ 二氧化碳混合物(例如,约80重量％_约95重量％的氮气和约5重量％-约20重量％的二氧化碳)和氩气/ 二氧化碳混合物(例如，约80重量％-约95重量％的氩气和约5重量％-约20重量％的二氧化碳)。氧气可替代在所述焊接气体混合物中的一些氮气或氩气。因此，所述焊接气体可含有O重量％-约5重量％的氧气。
特别合适的焊接气体含有约80重量％_约90重量％的氩气、O重量％_约5重量％的氧气和约5重量％-约20重量％的二氧化碳。合适的焊接气体的实例含有约2.5重量％的氧气、约7重量％-约20重量％的二氧化碳，其余(约77.5重量％-约90.5重量％)为氩气。
合适的“啤酒”气体包括氮气/ 二氧化碳混合物(例如，约40重量％_约70重量％的氮气和约30重量％-约60重量％的二氧化碳)。
合适的麻醉气体包括氧气/ 一氧化二氮混合物(例如，约65重量％_约75重量％的氧气和约25重量％-约35重量％的一氧化二氮)。
合适的灭火气体包括氮气/ 二氧化碳混合物(例如，以1:1的重量比)。
所述第一气体因此可选自氮气、IS气和氧气。其他合适的气体包括氦气、氖气、氣气、氪气和甲烷。
所述第二气体通常在环境压力下以固体形式稳定存在。在这里的术语“稳定”是指固体形式的第二气体在环境压力下不会非常快速地变成气态(通过升华或者通过熔融和蒸发)，使得该固体形式可在这些条件下容易地处理。所述第二气体通常选自二氧化碳和一氧化二氮。
所述液/固混合物可为液化气体与固化气体的二元混合物。然而，所述液/固混合物可为多于一种液化气体与一种固化气体的混合物、或一种液化气体与多于一种固化气体的混合物。在一些优选的实施方案中，所述液/固混合物包含液化第三气体。所述液化第三气体可与所述液化第一气体不混溶，但在优选的实施方案中，液化第一气体与液化第三气体彼此混溶。
在气体储存容器用焊接气体填充的优选的实施方案中，液化第一气体为液态氩，且固化第二气体为固态二氧化碳。在所述实施方案中，所述液/固混合物也可包含可与液态氩混溶的液态氧。因此，所述液/固混合物可包含约80-约90重量％的液态氩、O-约5重量％的液态氧和约5-约20重量％的固态二氧化碳。
合适的低 温液/固混合物公开在2010年12月16日提交的同时待审的欧洲专利申请10 195 491.5号中，其公开内容通过引用结合到本文中来。
术语“在压力下”是用来指气体处于显著高于大气压的压力下，例如至少40巴。所述气体储存容器通常适合储存和/或分配处于高达约500巴的压力下的气体。通常，所述容器适合储存和/或分配处于至少100巴、例如至少200巴或至少300巴的压力下的气体。
所述或各内部容器优选“松散地装配(loose-fitting) ”，即不固定安装到外部容器。
所述或各内部容器优选为“薄壁的”，因为内部容器仅暴露于等静压力。所述或各内部容器通常具有足够厚以使得内部容器在含有低温流体时能够支撑自身的基底和围壁。所述基底和围壁的厚度取决于制造内部容器的材料，但通常所述内部容器的基底和壁具有约0.1mm-约10mm、优选约0.25mm_约5mm的厚度。例如，在内部容器由例如钢、铝或镍的金属制造的情况下，基底和壁的厚度通常为不超过约2mm,例如约Imm-约2mm。另外,在内部容器由例如聚硅氧烷或聚酯膜的聚合材料制造的情况下，基底和壁的厚度通常稍大，例如小于约5mm，例如约1.5mm-约4mm。
所述或各内部容器优选以“顶部开口 ”或“末端开口 ”的罐形式，即，容器具有基底和通常(虽然不一定)为环形的围壁，条件是实质上垂直于基底。这种内部容器的口为开放末端。在一些实施方案中，所述罐的开放末端以反向锥体形式。
所述气体储存容器优选包括用于支撑相对于所述外部容器处于所述隔开关系的内部容器的至少一个支座。可使用任何合适的支座，诸如用于内部容器的间隔臂和/或腿、或内部容器搁置在其上的支撑基底。所述支座可(虽然不一定)固定到内部容器上。所述或各支座通常由耐低温材料制造，且通常具有低传热系数。合适的材料包括塑料和聚合物，但也可使用填充材料。
所述容器可包括多个内部容器。例如，各内部容器可为具有封闭底端和形成口的开放顶端的长薄壁管道。所述管道的直径可大于外部容器的开口的直径(在这样情况下，管道将在包围之前引入外部容器中)或小于外部容器的开口的直径(在这样情况下，各管道可经由开口插入外部容器中)。
然而，在优选的实施方案中，所述容器包括单个内部容器。在所述实施方案中，所述内部容器的口优选具有大于所述开口的直径的直径。所述内部容器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%。
所述或各内部容器通常为自撑式的，即使是在用低温流体装料后。所述内部容器可为刚性的，即自撑式的，且可抵抗变形。或者，所述内部容器或所述内部容器中的至少一个可为可变形的。在所述实施方案中，所述或各内部容器可例如通过滚转、折叠或挤压而变形且随后经由在外部容器中的开口插入所述容器中。所述或各内部容器随后可使用气体压力或液压压力而在所述容器内展开。或者，在所述或各内部容器具有弹性的实施方案中，所述内部容器在所述容器内无需帮助恢复到其原始形状。在这方面，内部容器由弹性材料制造或内部容器包括支撑形成容器的基底和壁的可变形片材的固有弹性或“簧压”的框架。
因为其将装上低温流体，所以所述或各内部容器通常由在其将暴露的低温温度下具有抗脆化性的材料制造。合适的材料包括特定的金属，例如铝、镍，和钢，例如不锈钢；和聚合材料，例如聚硅氧烷，诸如催化硬化的聚硅氧烷和聚二甲基硅氧烷，聚酯，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET或Mylar )，聚乙烯，诸如聚四氟乙烯(PTFE)，和全氟弹性体(PFE)。
除了所述口以外，所述内部容器还可包括至少一个孔用于在由内部容器限定的那部分内部空间与由外部容器限定的内部空间的剩余部分之间提供另外的气体流动连通。所述孔将通常提供在内部容器的壁中，高于装入容器的低温流体的最高液面。然而，在优选的实施方案中，所述口优选为在所述或各内部容器中的唯一开口。
术语“隔开关系”是用以指间隔开或在其间具有空隙。因此，在本发明中，外部容器与内部容器间隔开使得装入内部容器的低温流体通过在其间提供的空隙而与外部容器隔离。所述空隙通常大于1_，且优选大于5_。
术语“开口”是用以指至少不完全封闭。因此，在本发明中，所述口对内部空间的剩余部分至少不完全封闭，且优选完全开放 。在优选的实施方案中，所述口不与所述容器的任何部分、特别是流体流量控制单元直接连接。
所述或各内部容器的口相对于流体流量控制单元优选处于隔开关系。所述内部空间通常具有顶半部和底半部。内部容器延伸到内部空间的底半部或顶半部的程度取决于装入内部容器的低温流体的量。所述或各内部容器可从内部空间的底半部延伸到顶半部。例如，在所述容器为多气缸组中的中心一级气缸的实施方案中，所述内部容器可从内部空间的底部附近基本延伸到顶部或高达内部空间长度的90%。然而，在所述容器为单个气缸(individual gas cylinder)的实施方案中，所述内部容器优选完全提供在内部空间的底部二分之一或甚至底部三分之一内。本发明人已经发现，提供完全在内部空间的底部二分之一或优选底部三分之一内的内部容器能够使低温流体以更恒定的速率变成气态，由此改善填充过程。在不希望受任何特定理论限制的情况下，本发明人了解到对流引起低温流体的蒸发加速。通过提供仅在内部空间的底部二分之一(或三分之一)中，而不是较靠近顶部的内部容器，使对流减至最少，由此抑制蒸发过程的加速且提供更均匀和受控的填充速率。所述气体储存容器内的内部容器可使用插入通道内的喷嘴经由流体流量控制单元装入低温流体。所述喷嘴通常包括低温流体经其进料的第一导管配置和在将流体装入所述容器时驱替的空气和/或气态低温流体经其从所述容器排出的第二导管配置。所述第一导管配置可在所述第二导管配置内且优选与所述第二导管配置同轴。在内部容器与流体流量控制单元间隔开的实施方案中，所述喷嘴通常延伸穿过流体流量控制单元到达低于内部容器的口的水平。以此方 式，来自喷嘴末端的喷雾被内部容器的壁捕获。所述通道可使用压力盖或类似物手动打开和关闭，虽然在优选的实施方案中，所述通道具有位于容器内的通道末端的阀门，所述阀门通过弹簧而在闭合位置偏移。所述方法可包括通过除去压力盖打开通道，且随后将喷嘴插入打开的通道中且将低温流体进料到容器中。或者，所述方法可包括通过插入喷嘴打开通道，其中喷嘴的末端抵靠弹簧推开阀门。合适的喷嘴配置公开在2010年12月16日提交的同时待审的欧洲专利申请10195 461.8号中，其公开内容通过引用结合到本文中来。所需要量的低温流体一旦进料到容器中，则将喷嘴从通道中除去，所述通道随后可通过弹簧对阀门的作用或通过替换压力盖而封闭。或者，所述容器可包括提供在所述内部空间内用于使低温流体从所述流体流量控制单元进料到所述或各内部容器的导管配置。所述导管配置可为自流体流量控制单元延伸到低于内部容器的口的水平的滴管。以此方式，来自滴管末端的喷雾被内部容器的壁捕获。如上所述，所述或各内部容器可在已经形成外部容器之后引入所述容器的外部容器中。因此，根据本发明的第二方面，提供用于制造根据第一方面的气体储存容器的方法，所述方法包括:
提供限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间的外部容器，所述外部容器包括用于接收流体流量控制单元的开口；
将所述或各内部容器经由所述开口插入所述外部容器的所述内部空间中，所述内部容器限定用于装盛相对于所述外部容器处于隔开关系的低温流体的所述内部空间的一部分且与所述内部空间的剩余部分流体流动连通，所述或各内部空间具有从所述流体流量控制单元接收低温流体的口 ；和将流体流量控制单元安装在所述开口内，
其中所述或各内部容器的所述口对所述内部空间的剩余部分开放。在所述或各内部容器可变形的实施方案中，所述方法优选包括在将所述内部容器以变形状态插入所述外部容器的所述内部空间中之前使所述内部容器变形。在所述或各内部容器具有弹性的实施方案中，所述内部容器在所述容器内无需帮助恢复到其原始形状。在其他实施方案中，或许在所述或各内部容器没有弹性的情况下，在插入所述开放的气缸之后且在封闭所述容器之前可使用气体压力或液压压力展开所述或各内部容器。在其他实施方案中，所述或各内部容器可在形成外部容器本身期间弓I入所述容器的外部容器中。一些气体储存容器具有外部容器，所述外部容器由不同部分制成，例如底部部分和至少一个另外部分，例如顶部部分和或许一个或多个中间部分。因此，根据本发明的第三方面，提供用于制造根据第一方面的容器的方法，所述方法包括:
将至少一个内部容器插入外部容器的第一部分、优选底部部分中；
自所述第一部分和至少一个另外部分组装所述外部容器以形成限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间且包括用于接收流体流量控制单元的开口的所述外部容器；和将流体流量控制单元安装在所述开口内。所述外部容器的第一部分和另外部分可通过包括焊接且特别是摩擦焊接的任何合适的方法连接在一起。该方法特别适合生成包裹在对芳族聚酰胺合成纤维如Kevlar 或碳纤维中的容器。在高于100巴使用的大多数气缸为无缝锻钢或铝制容器。钢制气缸通过将钢坯加热到至少1000°C且随后通过使用模具和压机逐步“深拉”加热的坯以形成与最终气缸一样高的深圆柱形“杯”状而形成 。在该阶段将钢稍微冷却，且因此随后再次加热顶端直至其热到足以再次锻造，且随后通过轮子绕顶部旋转而使其成颈，直至颈部几乎封闭。在冷却之后，检查气缸的裂纹，将颈部机械加工出螺纹线，且随后拧入流体流量控制单元。内部容器可在颈化过程之前加入。铝制气缸以类似方法制造。因此，根据本发明的第四方面，提供用于制造根据第一方面的气缸的方法，所述方法包括:
锻造具有封闭的底端、环形围壁和开放末端的末端开放的气缸；
将所述或各内部容器经由所述开放末端插入所述末端开放的气缸中；
通过在所述开放末端自所述环形围壁锻造肩部和颈部来围住所述末端开放的气缸，以形成限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间的外部容器；
形成穿过所述颈部到达所述内部空间的适合接收流体流量控制单元的开口 ；和 将流体流量控制单元安装在所述开口内。锻造所述气缸所必需的热可意味着内部容器将必须由诸如钢或镍的抗熔融材料制成。即使是壁薄且未以任何方式防腐的低成本钢制罐在其中气体非常干燥的气缸内通常不会腐蚀。加入的气体为干燥的，且所述气缸通常使用残压阀保护，防止气体压力达到低于例如4巴的最小阈值以下。然而，根据加工，可将所述气缸冷却到足够低，可使用铝或甚至聚合物内部容器。后者可避免与腐蚀有关的将使气缸被水反污染的任何潜在困难。所述气体储存容器通常通过将一定量的低温流体经由流体流量控制单元装到内部容器中而填充。所述容器随后密封或封闭气体进入和离开所述容器的通路，且随后让低温流体变成气态，由此用处于压力下的气体填充所述容器和与其关联的任何二级容器。根据本发明的第五方面，提供用处于压力下的气体填充根据第一方面的气体储存容器的方法，所述方法包括:
经由所述流体流量控制单元将包含液化气体的低温流体装到所述内部容器中；和 封闭所述容器气体进入和离开所述容器的通路，且让所述流体在所述容器内变成气态。将低温流体装到单个容器的内部容器中通常耗时不超过I分钟且可耗时低到10-20秒。所述容器通常耗时低于I小时才能用纯净气体完全加压。本领域技术人员易于理解的是，在气体储存容器用处于压力下的纯净气体填充的情况下，将进料或装到内部容器中的低温流体的量可使用理想气体方程计算，即:
PV = nRT
其中P为容器中气体的所希望的压力为容器的体积；11为气体的摩尔数洱为气体常数；且T为绝对温度。 一旦选定了特定的容器，V和最大P就已知，R和周围温度也已知。则可如此计算η值:
n = PV/RT。气体的摩尔数η随后通过乘以分子量A转化成气体的质量M (g):
M = nAo对于处于上文提到的50巴的压力下的真实气体，对该基本式进行校正，这取决于分子之间的吸引力和排斥力及分子的有限且不同的尺寸。这些校正可考虑通过在方程式中包括因子Z (气体的“可压缩性(compressability) ”)来进行:
PV = nRTZo对于许多气体在宽范围的压力和温度下存在表列结果(tabulations),且对于一些气体存在复杂的近似式。该计算可根据需要改动以确定用处于压力下的气体混合物填充气体储存容器将需要的两种或更多种低温液体的混合物或包含液化第一气体和固化第二气体的液/固混合物的量。在所述内部容器以具有反向锥体形式的开放末端且包括相对于所述外部容器处于所述隔开关系的用于支撑所述罐的至少一个支座的罐形式的实施方案中，所述方法优选包括倾斜所述容器以增加所述低温流体在所述内部容器中的表面积。根据本发明的气缸以类似于丙烷填充的方法使用高速单缸填充生产(滚筒)线填充。所述填充线可包括具有3或4个填充输出和中心定位槽的旋转式传送带。液态低温剂可使用低温泵或使用储集槽上的顶部气体压力泵送到气缸的内部容器中。所述顶部气体可为不同的不可凝气体，例如He ;或相同的气体，例如Ar顶部压力以填充液态氩(LAr)。装到所述容器中的低温流体的量可例如使用磅秤操作的填充或视情况通过液体质量流量计的填充按重量计量投料。可使所述低温流体在装料之前预冷(sub-cooled),例如使用LIN来使LAr预冷。所述容器可在不排出驱替的空气和/或气态低温流体的情况下通过增加驱动压力来装入低温流体。然而，在优选的实施方案中，所述容器例如经由消费者阀门在装料步骤期间和/或经由低温流体经其装入容器的喷嘴的逆向流动排气。所述容器可非垂直地填充以更清洁地分离气流和液流。所述流体流量控制单元通常允许在低温流体注入期间排气。这可使用具有双流体路径的控制单元和/或通过使用同轴填充系统实现，其中液体低温剂向下倾倒或泵送到提供金属管内的薄壁管道中。气体在填充期间向上排放到环形空间，防止过早的压力累积。根据本发明的容器可通过用较少的、压力较低的组分作为液体预填充、随后用主要组分液体填充来用液体混合物填充。然而，第一组分将开始蒸发，且因此第二组分逆着已经在气缸中的气体的压力而泵入。所述容器可用气态形式的次要组分顶部填充，且主要组分作为液体在顶部加入。然而，主要组分再次逆着已经在气缸中的气体的压力而泵入。或者，所述步骤可以反转，主要组分可作为液体首先加入，次要组分以气态形式随后加入。加在液体顶上的气体将“催化”液体更加快速地沸腾，因为随着气体压力升高，传热系数将升高。然而，更方便的是填充处于低温温度的含有所有组分的混合物，例如以如上所述的低温液/固混合物形式的混合物。以下仅通过举例且参考附图描述本发明的当前优选的实施方案。关于附图:


图1为根据本发明的气体容器的一个实施方案的截面示意 图2为当应用于多气缸组时的图1中示出的本发明的实施方案截面示意 图3为根据本发明的气体容器的另一实施方案的截面示意 图4为自垂直面倾斜的在图3中示出的气体容器的示意图；` 图5为用于填充在图1中所示的气缸的设备的一种配置的截面示意图；且图6为比较(i)具有装有LIN的内部袋的气缸和(b)具有可装有LIN的内部罐的气缸随时间而变的压力和温度曲线图。关于图1，气缸2具有限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间6的外部容器
4。外部容器4由钢制造且具有用于接收用于控制流体流入和流出气缸2的流体流量控制单元10的开口 8。流体流量控制单元10具有带压力盖14的液体填充入口 12和具有控制阀18的消费者出口 16。流体流量控制单元10还具有释压阀20。由钢制造的内部容器22完全提供在内部空间6的底部二分之一内。在另一实施方案中，内部容器22由催化硬化的聚硅氧烷制造。内部容器22限定用于装盛低温流体26的相对于外部容器处于隔开关系的内部空间的一部分24。支座28提供内部容器22与外部容器4之间的隔开关系。内部容器22具有用于经由由铝制造的导管32或滴管自流体流量控制单元10接收低温流体的口 30。导管32的末端34延伸到低于内部容器22的口 30，由此保证来自导管32的喷雾被内部容器22捕获。导管32的末端34通常不会延伸到远低于内部容器22的口 30，使得在内部容器22已经装上流体之后其将位于低温流体26的表面之下。口 30对内部空间6的剩余部分开放且由此提供在内部容器22与内部空间6的剩余部分之间的流体流动连通。气缸2通过除去压力盖14且将低温流体经导管32向下进料到内部容器22而填充。低温流体一旦接触到内部容器22就开始蒸发。在消费者出口 16上的控制阀18通常打开以允许气体自气缸2逸出。
待进料到气缸2中的低温流体的量(例如，体积或质量)基于在气缸中的气体的目标压力(且因此，气缸的体积和低温流体和气体的密度)预先确定，且计量气缸的进料以保证加入正确量的低温流体。所需要量的低温流体一旦加到气缸2中，则用压力盖14关闭入口 12，且关闭在消费者出口 16中的控制阀18。随后让低温流体通过蒸发变成气态，且在适当升华的情况下，由此用气体填充气缸2到所希望的压力。图2示出了当应用于多气缸组时的本发明的一个实施方案。所述组的中心气缸在设计上与在图1中示出的气缸类似且两个图所共有的特征以相同的参考数字给出。以下为区分在图2中示出的实施方案与在图1中示出的实施方案的特征的描述。气缸2为在包括围绕中心气缸2的多个二级气缸36、38的多气缸组中的中心或一级气缸。因为中心气缸2负责填充所有二级气缸36、38，所以在图2中的中心气缸2的内部容器22比在图1中的气缸2的内部容器22大，因为其必须装盛显著更多的低温流体。因此，内部容器22延伸到内部空间6的顶半部，使得由内部容器22限定的内部空间6的部分24占由外部容器4限定的总内部空间6的大部分，例如60-80%。二级容器36、38与中心气缸2经由包括释压阀20和消费者出口 16及控制阀18的导管配置40流体流动连通。中心气缸2的内部容器22以与在图1中的气缸实质上相同的方式装入计量之量的低温流体。在图3和图4中示出的气缸实质上类似于在图1中示出的气缸且在这两个图之间的共有特征以相同参考数字给出。在图3的气缸2中的内部容器22的开放末端以反向锥体42的形式。该形式的内部容器22允许气缸2在内部容器22已装上低温流体26之后自垂直面倾斜。以此方式倾斜气缸2具有增加低温流 体26的表面积且由此增加用气体填充气缸2的速率的作用。图4示出了自垂直面倾斜的气缸2。支座44保持在内部容器22与外部容器4之间的隔开关系。示出了该气缸搁在支撑框架46上。图5示出了将低温流体装入图1的气缸2中的系统。气缸2的入口 12经由延伸到低温流体的储集器52的导管50连接到绝热的液体转移容器48。来自在液体转移容器48中的储集器52的液体通过自经由管线54供应的顶部气体的压力进料到气缸2的内部容器22中。进料到内部容器22中的液体的量通过诸如在导管50中的流量计的任何合适的设备(未示出)或通过测量液体转移容器48的失重或气缸2的增重或者通过测量流入液体转移容器中的顶部气体的流量来计量。低温液体的储集器52经由管线56自大批液体的来源替换。所述液体转移容器也具有试验旋塞58和释压阀60。
实施例具有大(40mm)颈部的23.5L钢制气缸装备有具有液体填充孔和管、消费者阀门和安全释压阀的流体流量控制单元。Mylar 袋连接到液体填充管且提供在气缸内。所得气缸和内部物(internals)与在US 3,645, 291中描述的类型类似。在填充之前将该系统用LIN预冷却。在预冷却之后，将4L LIN经由同轴喷嘴的中心管倾入到填充管和袋中。当LIN倾入时打开消费者阀门，且随后在LIN已经倾入之后关闭消费者阀门和液体填充孔。随后将气缸的压力和温度随时间而取对数。
使用图1中所示出类型的23.5L钢制气缸重复实验。内部容器22由催化硬化的聚硅氧烷制造。将内部容器22卷起且经由颈部插入气缸中。在插入之后，内部容器22无需帮助恢复到其原始形状。内部容器22搁在一些充填材料上以防止与气缸壁和基底接触。应该注意到，更多的LIN(总计4升)必须装入具有内部袋的气缸中以达到与仅需要总共2.5升的具有内部罐的气缸所达到的相等的最后压力。本发明人观察到，使用具有内部袋的气缸而不是使用具有内部罐的气缸由于回吹(blow back)而存在显著较大的LIN损失。在图6中的图示出了随着LENT蒸发两种气缸的压力和温度随时间而如何改变。具有内部袋的气缸的图表明LIN开始相当缓慢地沸腾，这归因于那里几乎不存在传热。然而，随着沸腾进行，压力增加，且这引起传热增加，这是随气体中的压力增加的常见情形。该压力增加引起沸腾速率增加，且因此产生回馈作用(feedback effect)，引起压力加速升高。在约28分钟后，基本所有的LIN都已沸腾。相比之下，具有内部罐的气缸的图可表明，正如内部袋的情况一样，LIN开始相当缓慢地沸腾，但随后，尽管沸腾加速，但是加速速率显著低于内部袋的加速速率。在约37分钟后，基本所有的LIN都已沸腾。这些结果也反映在温度曲线中。然而，额外的优势在于通过具有内部罐的气缸实现的最低温度(约_9°C )显著高于通过具有内部袋的气缸实现的最低温度(约_24°C )。该结果表明本发明可改善安全性且可应用于由与钢和铝相比对低温温度具有较低抵抗性的材料制造的气体储存容器。根据本发明的优选气体容器的优势包括:
与通过使气体从压缩机进料到容器中或通过对低温液体加压、使加压的液体蒸发并将加压的气体泵送到容器中·而填充的常规容器相比，所述容器可更快速地填充；
与常规容器相比，所述容器也可以更加能量有效的方式填充；
与设计成装上液体低温剂的常规容器相比，所述容器可用低温流体更可靠且浪费更少地填充；
所述容器的外部容器没有达到低温温度，且因此可使用对低温温度具有较低抵抗性的诸如钢的材料来形成外部容器；
与设计成装上液体低温剂的常规容器相比，所述容器及其制造方法的资金和操作成本较低；
与所述常规容器相比，制造所述容器的方法更简单；
气体储存容器可在使用标准的液体低温剂传送工具和低压泵的消费现场填充；和 与内部袋相比，内部罐的实用性增加。应了解本发明不限于上文参考优选的实施方案描述的细节，而可以在不脱离如在以上权利要求书中限定的本发明的精神或范围的情况下进行许多改进和变化。
权利要求
1.用于储存和/或分配处于压力下的气体的气体储存容器，所述容器包括: 限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间的外部容器，所述外部容器包括用于接收流体流量控制单元的开口；安装在所述开口内用于控制流体流入和流出所述外部容器的流体流量控制单元；和提供在所述内部空间内的至少一个内部容器，所述内部容器限定用于装盛相对于所述外部容器处于隔开关系的低温流体的所述内部空间的一部分且与所述内部空间的剩余部分流体流动连通，所述或各内部容器具有用于从所述流体流量控制单元接收低温流体的Π, 其中所述或各内部容器的所述口对所述内部空间的剩余部分开放。
2.权利要求1的容器，其中所述或各内部容器的所述口相对于所述流体流量控制单元处于隔开关系。
3.权利要求1或2的容器，其中所述内部空间具有顶半部和底半部，所述或各内部容器完全提供在所述内部空间的底半部内。
4.前述权利要求中任一项的容器，其包括提供在所述内部空间内用于使低温流体从所述流体流量控制单元进料到所述或各内部容器的导管配置。
5.前述权利要求中任一项的容器，其中所述或各内部容器的所述口具有大于所述开口的直径的直径。
6.前述权利要求中任一项的容器，其中所述内部容器或所述内部容器中的至少一个以罐形式，所述罐具有开放末端且包括相对于所述外部容器处于所述隔开关系的用于支撑所述罐的至少一个支座。
7.权利要求10的容器，其中所述罐的开放末端以反向锥体形式。
8.制造权利要求1的气体储存容器的方法，其中所述容器为气缸，所述方法包括: 锻造具有封闭的底端、环形围壁和开放末端的末端开放的气缸； 将所述或各内部容器经由所述 开放末端插入所述末端开放的气缸中； 通过在所述开放末端自所述环型围壁锻造肩部和颈部来围住所述末端开放的气缸，以形成限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间的外部容器； 形成穿过所述颈部到达所述内部空间的适合接收流体流量控制单元的开口 ；和 将流体流量控制单元安装在所述开口内。
9.用处于压力下的气体填充权利要求1的气体储存容器的方法，所述方法包括:经由所述流体流量控制单元将包含液化气体的低温流体装到所述内部容器中；和 将所述容器封闭到气体进入和离开所述容器的通路，且允许所述流体在所述容器内变成气态。
10.权利要求9的方法，其中所述内部容器以罐形式，所述罐具有以反向锥体形式的开放末端且包括相对于所述外部容器处于所述隔开关系的用于支撑所述罐的至少一个支座，所述方法包括倾斜所述容器以增加所述低温流体在所述内部容器中的表面积。
11.制造权利要求1-7中任一项的气体储存容器的方法，所述方法包括: 提供限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间的外部容器，所述外部容器包括用于接收流体流量控制单元的开口； 所述或各内部容器经由所述开口插入所述外部容器的所述内部空间中，所述内部容器限定用于装盛相对于所述外部容器处于隔开关系的低温流体的所述内部空间的一部分且与所述内部空间的剩余部分流体流动连通，所述或各内部容器具有从所述流体流量控制单元接收低温流体的口 ；和 将流体流量控制单元安装在所述开口内， 其中所述或各内部容器的所述口对所述内部空间的剩余部分开放。
12.权利要求11的方法，其中所述或各内部容器可变形，所述方法包括在将所述内部容器以变形状态插入所述外部容器的所述内部空间中之前使所述内部容器变形。
13.权利要求12的方法，其中所述或各内部容器具有弹性且在所述容器内无需帮助恢复到其原始形状。
14.制造权利要求1-7中任一项的气体储存容器的方法，所述方法包括: 将至少一个内部容器插入外部容器的基底部分中； 自所述基底部分和至少一个另外部分组装所述外部容器以形成限定用于装盛处于压力下的气体的内部空间且包括用于接收流体流量控制单元的开口的所述外部容器；和将流体流量控制单元安装在所述开口内。
15.权利要求14的方法， 其中所述部分通过摩擦焊接彼此连接。
全文摘要
在用于储存和/或分配处于压力下的气体的容器内提供至少一个内部容器以帮助用气体填充所述容器。所述容器包括限定内部空间的外部容器和用于控制流体流入和流出所述容器的流体流量控制单元。所述内部容器限定容器的所述内部空间的一部分且用以装盛相对于所述外部容器处于隔开关系的低温流体。因为所述内部容器与所述内部空间的剩余部分流体流动连通，所以当所述低温流体变成气态时，所述容器充满气体。所述内部容器具有用于自所述流体流量控制单元接收低温流体的口，所述内部容器没有所述液体流量控制单元。
文档编号F17C5/02GK103249985SQ201180060341
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