气瓶充气控制装置的制作方法

1.本发明属于气瓶充气控制设备技术领域，具体涉及一种应用于压缩气体充气设备为气瓶充气的控制技术。


背景技术：

2.气瓶是指在正常环境温度（
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40～60℃）下可重复充气使用的，公称工作压力为1.0~30mpa（表压），且压力与容积的乘积大于或等于1.0 mpa
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l的盛装气体、液化气体和标准沸点等于或低于60℃的液体的移动式压力容器。气瓶应用非常广泛，无论是在生产领域，还是在生活领域，几乎都离不开气瓶。作为承压设备其承装介质一般具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀等性质，使用环境又因其移动、重复充装、操作使用人员不固定和使用环境变化的特点，比其他压力容器更为复杂、恶劣。
3.对于盛装永久气体的气瓶，公称工作压力是指在基准温度时（一般为20℃）所盛装气体的限定充装压力。对于盛装液化气体的气瓶，公称工作压力是指温度为60℃时瓶内气体压力的上限值。气瓶许用压力是允许气瓶承受的最高压力，它应不小于瓶内介质60℃时的介质压力。气瓶的正确充装是保证气瓶安全使用的关键之一，充装不当是危险的。充装过量的气瓶受到内压影响和周围环境温度的影响，尤其是在夏天，气瓶内的液化气体因升温体积迅速膨胀，使瓶内压力急剧增大，造成气瓶破裂爆炸。防止气瓶受热，温度不宜超过40℃，在执行应急救援任务时，野外现场充气对充气效率提出了很高的要求，需要每个气瓶在较短时间内充好、在一段时间内可以充多个气瓶。而当前情况，压缩气体充气设备为每只气瓶的充气时间一般在3
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8分钟左右。在充气过程中会产生热量，对充气气瓶有影响，并且长时间工作设备过热，目前采取连续工作1小时后正常停机冷却10
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20分钟，这些影响了充气的效率。对于燃料气瓶例如氢燃料电池汽车，高压气态储氢由于具有结构简单、质量储氢密度高、充装和排放速度快等突出优点成为占主导地位的车载储氢方式。为提高燃料电池车的续驶里程（500km），采用70mpa 的高压气态储氢成为一种趋势。此外，为了使氢燃料电池汽车商业可行，通常将燃料加注时间限定为3
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5min。然而，对于70mpa 储氢气瓶，快速充装过程中，由于气体压缩效应等因素会使气瓶各部位的温度骤升，如温度超过85℃便很可能造成储氢气瓶外层碳纤维复合材料剥离失效，进而影响车载储氢系统的安全。因此往往需要采用一些方法来控制氢气高压快充的温度升高。对氢气进行预冷，即在加注枪上游设置低温预冷装置是最直接并且最常用的方法，但是预冷系统需要大量的固定设备及额外的能量消耗，这部分投资及能量消耗很大程度上降低了车载高压储氢的经济性。


技术实现要素：

4.针对目前通过压缩气体充气设备对气瓶充气过程存在温度不宜控制的缺陷和问题，本发明提供一种能够随着气瓶内温度升高而进行自动降温的气瓶充气控制装置。
5.本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种气瓶充气控制装置，包括作为气源用以供气的气罐和气瓶，气罐的输出端充气管经过气泵增压后，再经过充气接头连接气瓶，
还包括冷却机构，从所述充气管引出供压总管用以对冷却机构做功，冷却机构输出端蒸发器通过导热部件连接所述气瓶，由控制器根据气瓶内充气进度控制气泵功率提升直至充满气瓶后停止。
6.在供压总管上安装比例电磁阀k0，由控制器控制该比例电磁阀k0的过气量，同时在导热部件与气瓶接触部位安装温度传感器t，温度传感器t信号输入控制器由控制器根据温度升高情况控制比例电磁阀的过气量。
7.所述的冷却系统，包括压缩机构和联动机构，所述的压缩机构包括并列设置的两个气缸体，每个气缸体内密封套装有活塞，从而各气缸体被活塞分割为位于左端的气体腔和位于右端的冷媒腔，每个气体腔的外端部分别连接增压管和泄压管，两气体腔的增压管分别安装单进单向阀，且两增压管汇总于单进双出电磁换向阀k1的两输出端，所述供压总管连接于单进双出电磁换向阀k1的输入端，两气体腔的泄压管分别安装单出单向阀，且两泄压管汇总于双进单出电磁换向阀k2的两输入端，双进单出电磁换向阀k2的输出端通过回流总管连通于余气回收装置；两冷媒腔的外端部分分别通过单进单向阀连接进气管和通过单出单向阀连接排气管，两进气管汇总于单进双出电磁换向阀k3的两输出端，来自于蒸发器输出端的总气管连接于单进双出电磁换向阀k3的输入端，两排气管汇总于双进单出电磁换向阀k4的两输入端，双进单出电磁换向阀k4的输出端通过总排气管连通于冷凝器的输入端，泠凝器的输出端通过液管及冷媒节流阀连通于蒸发器的输入端；所述单进双出电磁换向阀k1和双进单出电磁换向阀k2被控制器控制交替工作，所述单进双出电磁换向阀k3和双进单出电磁换向阀k4被控制器控制交替工作。
8.所述的联动机构是在封闭外壳内通过轴承安装有一对交错分布的曲柄连杆机构，各连杆分别通过销轴铰接有相应的活塞杆，每个活塞杆贯穿于所述气体腔端壁并固定于对应的活塞中部。
9.在所述液管和总进气管上分别连接有软管，将冷凝器盘管固定在一个密封座内，且在密封箱一侧向外引出导热片，导热片与冷凝器盘管良好接触，导热片外端被整理为弧形并固定有弧形导热板用以匹配卡装于气瓶外侧。
10.进一步地，又在所述密封箱后侧通过固定座连接一个轴管，手柄的一端通过轴套一套装在所述轴管外侧，该轴管末端还设置连接头，手柄另一端通过轴套二套装一根导杆，该导杆的前端被设计为弧形钩体用以卡固气瓶，该导杆后端设置后座和手把，且在轴套二与后座之间连接有推力弹簧。
11.还包括一个车体，其底部安装有行走轮和方向轮，所述冷凝器被置于车体底部并安装有散热风机和散热窗，所述压缩机构和联动机构被置于车体上部并安装有相应管道，充气管及气泵被置于车体内，充气管两端分别设置有挂接于车体前后端的接头。
12.还可以同时将回流总管通过备用接头及管路连接备用气泵，再连接于气罐内。
13.还可以同时在压缩机构和联动机构内设置有用以检测活塞或连杆或活塞杆运行进程的位置传感器或者压力传感器，且各传感器与控制器信号输入端连接，由控制器根据该信号变化来改变对单进双出电磁换向阀k1和双进单出电磁换向阀k2的换向控制。
14.进一步地，又在所述回流总管上安装有排气节流阀。
15.本发明的有益效果：能够随着气瓶因充气压力增大升温而自动增大制冷功率，在充气初期制冷系统几乎不参与制冷做功，而在充气后期因气瓶内温度升高又能自动进行制
冷降温，能随着气瓶温度变化而自动改变制冷程度。
16.从气罐输出的压缩气体由气泵增压后，经充气管及充气接头连接气瓶，初期因气瓶内气压较低，充气泵工作功率很低，从而供压总管内气压较低，此时冷却机构几乎不做功，随着气瓶内压力逐渐增大，控制器控制气泵功率逐渐增高，导致供压总管内气压增大，驱动冷却机构缓慢做功对气瓶提供降温，在充气接近后期，因气瓶内压力足够大，气瓶内温度急速升高，此时气泵必须处于高功率作业才能保持持续向气瓶内冲入足够压力的压缩气体，此时供压总管内压力猛增，促使冷却机构快速做功，尽快对气瓶降温。
附图说明
17.图1是本发明气瓶充气控制装置整机示意图。
18.图2是气瓶充气控制装置结构原理图。
19.图3是控制器与各传感器连接图。
20.图4是图2中压缩机构和联动机构的放大结构图。
21.图5是冷凝器挂接结构示意图。
22.图6是本发明气罐充气控制装置原理图之一。
23.图7是本发明气罐充气控制装置原理图之二。
24.图8是余气回收装置的结构图。
25.图中标号：气罐1，气瓶2，压缩机构3，联动机构4，冷凝器5，冷媒节流阀6，蒸发器7，排气节流阀8，余气回收装置9，充气接头10，充气管11，供压总管12，回流总管13，总排气管14，液管15，总进气管16，气缸体17，活塞18，活塞杆19，曲柄20，连杆21，中心轴22，封闭外壳23，车体24，方向轮25，散热窗26，软管27，弧形导热板28，导热片29，密封座30，把手31，固定座32，轴管33，手柄34，轴套一35，连接头36，轴套二37，弧形钩体38，导杆39，手把40，推力弹簧41，总储罐42，增压接头43，回气接头44，回收气瓶45，自由活塞46，进排气孔47，缸体48，推杆49，比例电磁阀50，备用接头51。
具体实施方式
26.实施例1：一种气瓶充气控制装置，该装置包括作为气源用以供气的气罐1（压缩气体充气设备）和气瓶2，该装置适用于多种压缩液化气体充气控制的应用，例如压缩空气、氧气、液化石油气、天然气、惰性气体或腐蚀性气体等应用，其中，气罐1的输出端充气管11经过气泵（或压缩机）增压后，再经过充气接头10连接气瓶2。还包括冷却机构，从所述充气管11引出供压总管12用以对冷却机构做功，冷却机构输出端蒸发器7通过导热部件连接所述气瓶，由控制器根据气瓶2内充气进度控制气泵功率提升直至充满气瓶后停止。
27.该装置被置于如图1所示的车体24上，构成能够便于移动的设备。该车体的底部安装有行走轮和方向轮25以及牵引端，冷凝器被置于车体24底部并安装有散热风机和散热窗26。压缩机构3和联动机构4被置于车体24上部并安装有相应管道，充气管11及气泵被置于车体内，充气管11两端分别设置有挂接于车体前后端的接头。
28.该装置（系统）的原理如图2所示，在供压总管12上安装比例电磁阀k0，由控制器控制该比例电磁阀k0的过气量，同时在导热部件与气瓶接触部位安装温度传感器t，温度传感器t信号输入控制器由控制器根据温度升高情况控制比例电磁阀的过气量。能够随着气瓶
因充气压力增大升温而自动增大制冷功率，在充气初期制冷系统几乎不参与制冷做功，而在充气后期因气瓶内温度升高又能自动进行制冷降温，能随着气瓶温度变化而自动改变制冷程度。
29.其中的冷却系统如图4所示，包括压缩机构3和联动机构4，两者组合为一体实现同步工作。
30.图中可以看出，压缩机构3包括并列设置的两个气缸体17，每个气缸体17内密封套装有活塞18，从而各气缸体17被活塞分割为位于左端的气体腔和位于右端的冷媒腔。
31.两个气体腔的外端部分别连接增压管121和122，两个气体腔的外端部还分别连接泄压管131和132，两气体腔的增压管121和122分别安装单进单向阀，两增压管121和122汇总于单进双出电磁换向阀k1的两输出端。供压总管12连接于单进双出电磁换向阀k1的输入端。两气体腔的泄压管131和132分别安装单出单向阀，两泄压管131和132汇总于双进单出电磁换向阀k2的两输入端。双进单出电磁换向阀k2的输出端通过回流总管13连通于余气回收装置9。
32.两个冷媒腔的外端部分分别通过单进单向阀连接进气管161和162，两个冷媒腔的外端部分分别通过单出单向阀连接排气管141和142。两进气管161和162汇总于单进双出电磁换向阀k3的两输出端。来自于蒸发器7输出端的总气管16连接于单进双出电磁换向阀k3的输入端。两排气管141和142汇总于双进单出电磁换向阀k4的两输入端，双进单出电磁换向阀k4的输出端通过总排气管14连通于冷凝器5的输入端。
33.如图2所示，冷凝器5的输出端通过液管15及冷媒节流阀6连通于蒸发器7的输入端。单进双出电磁换向阀k1和双进单出电磁换向阀k2被控制器控制交替工作，所述单进双出电磁换向阀k3和双进单出电磁换向阀k4被控制器控制交替工作。如图1所示，进一步又在液管15和总进气管16上分别连接有软管27，将冷凝器盘管固定在一个密封座30内，且在密封箱30一侧向外引出导热片29，导热片与冷凝器盘管良好接触，导热片外端被整理为弧形并固定有弧形导热板用以匹配卡装于气瓶外侧，具体地，密封箱30的后侧还设置有把手31以便于手持操作，还可以进一步设置辅助部件用以固定。
34.从图4还可以看出，联动机构4是在封闭外壳23内通过轴承安装有一对交错分布的曲柄连杆机构，具体地，中心轴两端通过轴承安装于外壳两端轴孔内，连接于中心轴22中部的两对曲柄20之间的偏心位置处，通过偏心轴将两曲柄20连接在一起，两个偏心轴沿中心轴对交错分布，每个偏心轴上匹配套装有轴套，每个轴套上连接有连杆21，各连杆分别通过销轴铰接有相应的活塞杆19，每个活塞杆19贯穿于所述气体腔端壁并固定于对应的活塞中部。在本实施例中，联动机构4不提供动力，随压缩机构的相应活塞被驱动前移时，该活塞带动其活塞杆再拉动相应连杆向前移动，该连杆带动曲柄转动，进而驱动另一侧曲柄连杆向后运动，依次往复循环运动。
35.又在压缩机构3和联动机构4内设置有用以检测活塞或连杆或活塞杆运行进程的位置传感器或者压力传感器，且各传感器与控制器信号输入端连接，由控制器根据该信号变化来改变对单进双出电磁换向阀k1和双进单出电磁换向阀k2的换向控制。
36.根据图2中箭头走向可知，从气罐1输出的压缩气体由气泵增压后，经充气管11及充气接头10连接气瓶2，初期因气瓶2内气压较低，充气泵工作功率很低，从而供压总管12内气压较低，此时冷却机构几乎不做功，随着气瓶2内压力逐渐增大，控制器控制气泵功率逐
渐增高，导致供压总管12内气压增大，驱动冷却机构缓慢做功对气瓶提供降温，在充气接近后期，因气瓶2内压力足够大，气瓶内温度急速升高，此时气泵必须处于高功率作业才能保持持续向气瓶2内冲入足够压力的压缩气体，此时供压总管12内压力猛增，促使冷却机构快速做功，尽快对气瓶降温。
37.实施例2：如图5所示，在实施例1对冷凝器改进基础上，本实施例又在所述密封箱30后侧通过固定座32连接一个轴管33，手柄34的一端通过轴套一35套装在所述轴管33外侧，该轴管末端还设置连接头36，手柄另一端通过轴套二37套装一根导杆39，该导杆的前端被设计为弧形钩体38用以卡固气瓶，该导杆后端设置后座和手把40，且在轴套二与后座之间连接有推力弹簧。
38.实施例3：一种气罐充气控制装置，如图6所示，将来自于压缩气管道或者总储罐42内的压缩气体经过充气管、气泵及充气接头10引入压缩气体运输车载气罐内，在与车载气罐附近布置如实施例1所述的冷却做功系统。如图6中所示，虚线部分是位于压缩气体运输车上布置的该系统，该系统的详细构造实施1所述，不详述，该系统具有三个对外接头分别为：充气接头10、增压接头43和回气接头44。充气接头10连接充气管11，增压接头43连接增压总管12，回气接头44连接回流总管13。
39.实施例4：在实施例3基础上，进一步，如图7所示将冷凝器设置于位于车载气罐内部，例如在车载气罐内部中心固定有多层导热片，并经蒸发器盘管固定于各层导热片之间，蒸发器两端引出车载气罐之外分别与液管15和总进气管16连接。
40.实施例5：余气回收装置9包括回收气瓶45，其内侧匹配套装有自由活塞46，其底部中心设置有穿孔，其底部周边设置有进排气孔47，其底部与液压缸的缸体48前端固定在一起，且液压缸的推杆49深入回收气瓶45底部中心穿孔内。各回收气瓶的顶端分布通过支气管与所述回流总管13连通。来自于回流总管13的泄压气体进入回收气瓶45内，随着气量增多，自由活塞被推动向下移动直至到达底部与液压缸的推杆49接触为止。暂存于回收气瓶45内的压缩气体被充分利用时，控制液压缸驱动自由活塞46，进而压迫瓶内存其排出再利用。可以在各支气管上分别安装电磁阀，以及在液压杆推杆49端部安装压力传感器，由控制器接收压力传感器信号来判断回收气瓶内气体充满，然后控制该回收气瓶的支气管电磁阀锁止并开启相邻的另一组回收气瓶支气管电磁阀，依次顺序对泄压气体连续回收。
41.本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，例如，在联动机构的中心轴22上连接有助力电机，并被控制器控制，以弥补当压缩气体提供动力不足或者不适合利用压缩气体做功的情况下使用，例如在所述回流总管13上安装有排气节流阀8，例如图1中将回流总管13通过备用接头51及管路连接备用气泵，再连接于气罐内等改进。