專利名稱：壓力容器的充填方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，如果使用一個(gè)充填有氙氣的容器用于衛(wèi)星的等離子體推進(jìn)，那么，為安全起見(jiàn)，這種容器應(yīng)在衛(wèi)星發(fā)射前不久進(jìn)行充填。這個(gè)容器的充填壓力約為180巴。進(jìn)行這種充填的設(shè)備有時(shí)稱為“充填滑架”，因?yàn)橐\(yùn)送到發(fā)射裝置附近的發(fā)射位置上，所以體積不應(yīng)太大。
為了充填高壓氙氣容器，有一些已知的方法?？刹捎靡粋€(gè)機(jī)械傳動(dòng)壓縮機(jī)、最好是膜片式壓縮機(jī)進(jìn)行充填，以避免污染。膜片式壓縮機(jī)非常笨重，只能充填少量氣體，因此容器的充填時(shí)間很長(zhǎng)。也可以采用一個(gè)液壓氣動(dòng)增壓器進(jìn)行充填。但是，這種增壓器存在氣體污染的危險(xiǎn)，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，尤其是在空間技術(shù)領(lǐng)域，這是不允許的?？梢酝ㄟ^(guò)浸入液態(tài)氮浴中對(duì)容器進(jìn)行充填，以便使氙氣液化。這種方法不適合于用合成材料或粗鋼制成的容器，也不適合于已經(jīng)安裝到一個(gè)裝置例如衛(wèi)星上的容器。還可以對(duì)氣瓶進(jìn)行加熱，但是，這種方法只用于待充填容器的容積比氣瓶的容積小的情況。
本發(fā)明旨在提出一種對(duì)一個(gè)壓力容器進(jìn)行充填的方法和設(shè)備，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，可以進(jìn)行安全充填，可以在發(fā)射裝置的發(fā)射位置上使用而不存在污染氙氣的危險(xiǎn)。
為此，本發(fā)明涉及一種對(duì)一個(gè)壓力容器充填一種氣體的方法，這種方法在于-將一定量的所述氣體輸入到一個(gè)中間容器中，-隨著所述氣體逐漸輸入到中間容器中，通過(guò)與一種冷卻液的熱交換，使所述一定量氣體進(jìn)行液化，-通過(guò)與一個(gè)熱源的熱接觸，使中間容器中所述一定量氣體加熱和汽化，
-當(dāng)中間容器中的壓力大于壓力容器的壓力時(shí)，使中間容器和所述壓力容器進(jìn)行流體連通。
借助本發(fā)明，中間容器用作熱壓縮機(jī)，也就是說(shuō)，相對(duì)于一個(gè)氣源例如一個(gè)氣瓶中的壓力而言，可以提高氣體壓力。相對(duì)于其它實(shí)施例來(lái)說(shuō)，這種熱壓縮機(jī)輕便，性能良好，并且不具有運(yùn)動(dòng)件，從而確保良好的安全性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使中間容器和壓力容器進(jìn)行流體連通后，對(duì)中間容器中一定量的氣體進(jìn)行加熱。由于本發(fā)明的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)中間容器和壓力容器連通時(shí)，保持加熱則使中間容器中一定量的氣體受熱，這樣，可以使所述一定量高壓氣體不斷地朝壓力容器排出。
根據(jù)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，氣體從中間容器朝壓力容器的輸送在基本恒定不變的壓力下進(jìn)行。
本發(fā)明方法所使用的冷卻液最好是液態(tài)氮，液態(tài)氮的工業(yè)生產(chǎn)可以很好地加以控制。
本發(fā)明還涉及一種實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)備，更準(zhǔn)確地說(shuō)，這種設(shè)備包括至少一個(gè)熱壓縮機(jī)，這個(gè)熱壓縮機(jī)由一個(gè)中間容器形成，中間容器布置在一個(gè)氣源和壓力容器之間，所述熱壓縮機(jī)包括使一定量氣體在輸入到中間容器的過(guò)程中通過(guò)冷卻而進(jìn)行液化的液化件，還包括對(duì)中間容器里所述一定量氣體進(jìn)行加熱的加熱件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，液化件包括一個(gè)冷卻液、例如尤其是液態(tài)氮的流通管。所述液化件本身是公知的，使用起來(lái)比較容易。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)中間容器里一定量的氣體進(jìn)行加熱的加熱件包括一個(gè)電熱元件。使用一個(gè)電熱元件可以迅速加熱中間容器中一定量的氣體，這樣，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，大大縮短一次充填操作的周期時(shí)間。
根據(jù)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，流通管和電熱元件布置在中間容器內(nèi)。這樣，只有熱壓縮機(jī)的一小部分壁厚隨著它所裝有的流體的溫度而降低溫度或提高溫度，以便壓縮機(jī)的熱慣量得到減小。
中間容器最好在其下部具有一個(gè)氣體入口，在其上部具有一個(gè)氣體出口。這樣，可以在氣體溫度得到最大提高的中間容器部分提取氣體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，中間容器可以包括一個(gè)接納液化氣的杯形件，這個(gè)杯形件與中間容器的內(nèi)壁保持一定距離。由于本發(fā)明的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，壓縮機(jī)的熱慣量也得到減小。
本發(fā)明還涉及一種設(shè)備，這種設(shè)備包括兩個(gè)適于進(jìn)行相反工作的熱壓縮機(jī)，一個(gè)熱壓縮機(jī)對(duì)一定量的氣體進(jìn)行液化，而另一個(gè)熱壓縮機(jī)對(duì)其它的一定量氣體進(jìn)行汽化-壓縮。這樣，可以同時(shí)進(jìn)行液化操作，從而縮短壓力容器充氣操作的整個(gè)時(shí)間。
參照附圖和本發(fā)明對(duì)壓力容器進(jìn)行充填的設(shè)備和方法的非限制性實(shí)施例，本發(fā)明將得到更好地理解，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將更為清楚。
附圖如下

圖1是本發(fā)明一個(gè)充填設(shè)備的原理示意圖；圖2是圖1所示設(shè)備中使用的一個(gè)熱壓縮機(jī)的豎直剖視圖。
如圖1所示，氣瓶1裝有一定量壓力約為60巴、溫度為20℃的氙氣，例如50千克。所述設(shè)備的作用是對(duì)一個(gè)用鈦、鋼或碳制成的壓力容器2進(jìn)行充填，壓力容器2用于安裝在一個(gè)衛(wèi)星上，壓力為80巴至300巴左右，例如約為180巴。
為此，該設(shè)備包括一個(gè)中間容器3，中間容器3通過(guò)一個(gè)經(jīng)由一個(gè)閥5的管4與氣瓶1相連。同樣，一個(gè)管6使中間容器3的出口3b通過(guò)一個(gè)閥7與壓力容器2相連。中間容器3包括一個(gè)限定交換器3內(nèi)部容積3d的腔室3c，內(nèi)部容積3d約為幾升、例如4升左右。在這個(gè)內(nèi)容積3d中配置一個(gè)管10，來(lái)自一個(gè)液態(tài)氮源11、例如一個(gè)液態(tài)氮瓶的液態(tài)氮在管10內(nèi)流通。一個(gè)閥12用于控制管10從液態(tài)氮源11供給液態(tài)氮。一個(gè)收集器13用于收集在管10中流通后的液態(tài)氮或氮?dú)狻?br> 一個(gè)電加熱器、例如一個(gè)加熱電阻15也配置在內(nèi)部容積3d中，與一個(gè)電源16相連，由一個(gè)開關(guān)17加以控制。
如圖2所示，管10盤繞成螺旋形，具有一條完全豎直的軸線，而加熱元件15也在內(nèi)部容積3d中圍繞同一條軸線盤繞成螺旋形。
一個(gè)杯形件20在中間容器3內(nèi)圍繞管10加以布置，通過(guò)間隔保持件21與腔室3c的內(nèi)壁保持一定距離。杯形件20用于接收液化氣，以便液化氣與腔室3c保持一定距離，這樣，可以減少熱交換，從而減小中間容器3的熱慣量。
要注意的是，氙氣入口3a布置在中間容器3的下部，而出口3b布置在上部。
如圖2所示，箭頭LN2表示氮?dú)饬魍ǚ较?，箭頭Xe表示氙氣流通方向，箭頭Qe表示供給加熱電阻15的電量。
由以上所述可了解設(shè)備的工作情況。當(dāng)需要從裝有氙氣的氣瓶1對(duì)壓力容器2進(jìn)行充填時(shí)，閥7關(guān)閉，開啟閥5使氣瓶1與中間容器3連通，以便氣體從氣瓶1向中間容器3排放。隨著氣體逐漸進(jìn)入中間容器3，氣體通過(guò)與管10接觸而加以液化，液態(tài)氮在約為-180℃的溫度下在管10中流通。管10的直徑和液態(tài)氮在這個(gè)管中的流速計(jì)算成液態(tài)氮的消耗量不很大，并且氮?dú)庖越咏瘹怙柡蜏囟鹊臏囟燃?65K在1巴的壓力下由中間容器3排出。實(shí)際上，液態(tài)氮在管10中的流量為2-20克/秒。
這樣，獲得一定量的液化氙，收集在中間容器3內(nèi)的杯形件20中。
此時(shí)，關(guān)閉閥5和開關(guān)17，以便加熱電阻15內(nèi)的電流流通使中間容器3中氙氣的溫度迅速提高。這樣，首先使液化氣汽化，然后，對(duì)中間容器3內(nèi)的這種氣體進(jìn)行壓縮，這種壓縮可以迅速獲得約為180巴的壓力。因此，中間容器3構(gòu)成一個(gè)“熱壓縮機(jī)”，可以提高氣體的壓力，并且不具有活動(dòng)件。
當(dāng)達(dá)到約為180巴的壓力時(shí)，開啟閥7，使中間容器3和壓力容器2進(jìn)行流體連通。這樣，氣體就排放到壓力容器2中。
使開關(guān)17保持關(guān)閉，以便在中間容器3內(nèi)連續(xù)加熱，使中間容器3內(nèi)的壓力增高，氣體此時(shí)逐漸排出。這樣，氣體從中間容器3朝壓力容器2進(jìn)行排放，而中間容器內(nèi)的壓力基本保持恒定，甚至略微增高。
試驗(yàn)表明，當(dāng)一定量氣體在中間容器3中通過(guò)加熱而進(jìn)行等容壓縮時(shí)，氙氣的溫度從約210K提高到約245K。開啟閥7后保持加熱，可以使汽化氙氣的溫度從約245K提高到約310K。
一個(gè)具有強(qiáng)熱慣量的換熱器22圍繞管6加以布置。這個(gè)換熱器可以由鋁板組成，在入口處適于接收-30℃至40℃的氣體，在出口處適于排放約5℃的氣體。這樣，可以在大于5℃的溫度下充填壓力容器2，避免在壓力容器2內(nèi)或其外表面上出現(xiàn)凝結(jié)的危險(xiǎn)。
另外，當(dāng)中間容器3與壓力容器2連通時(shí)保持加熱，會(huì)在熱壓縮機(jī)內(nèi)形成比較大的溫度梯度，最熱的氣體積聚在位于上部的出口孔3b附近，這便于所述氣體朝壓力容器2進(jìn)行輸送。
熱壓縮機(jī)或中間容器3應(yīng)能在氣體液化時(shí)經(jīng)得起低溫，而且還根據(jù)壓力容器2充填的壓力情況確定尺寸大小。腔室3c的厚度根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)加以確定。壓縮機(jī)的熱慣量應(yīng)該盡可能地小，以便不影響本發(fā)明方法的特征，尤其是周期時(shí)間。
壓縮機(jī)的容積應(yīng)該大得足以內(nèi)裝管10和加熱元件15，但是不應(yīng)太大，以便限定熱慣量。一個(gè)幾升尤其是4至6升容積的壓縮機(jī)可以在幾十個(gè)周期充填一個(gè)幾百升的壓力容器。在這種情況下，熱壓縮機(jī)3的壁可以具有約10毫米的厚度，其總重約為30千克。
為了檢測(cè)裝置的良好工作情況，壓縮機(jī)最好配有一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)溫度傳感器，附圖未示出這兩個(gè)傳感器。同樣的目的，熱壓縮機(jī)3可以安裝在一個(gè)平衡電路上。
在每個(gè)周期被加熱的流體量比較少的范圍內(nèi)，加熱元件15消耗的功率不必太大。實(shí)際上，一個(gè)額定功率約為幾千瓦、例如2-4千瓦的加熱元件就足夠了。
另外，幾個(gè)壓縮機(jī)可以并聯(lián)使用，以增大設(shè)備的總流量。尤其是可以使用兩個(gè)進(jìn)行相反工作的熱壓縮機(jī)，一個(gè)壓縮機(jī)對(duì)一定量氣體進(jìn)行液化，而另一個(gè)壓縮機(jī)對(duì)其它的一定量氣體進(jìn)行汽化-壓縮。
根據(jù)本發(fā)明未示出的其它實(shí)施例，加熱元件15可以用一個(gè)具有大熱容量的水或其它流體式換熱器加以代替。當(dāng)然，入口和出口3a和3b的布置、管10的入口和出口以及加熱元件15的入口和出口的布置可以進(jìn)行改進(jìn)。同樣，一個(gè)使用一種具有接近200K汽化溫度的流體的冷卻系統(tǒng)可以用來(lái)取代裝有液態(tài)氮的管10。
本發(fā)明涉及的是用氙氣充填壓力容器的充填設(shè)備。當(dāng)然，它也適用于其它具有較高臨界溫度的氣體，尤其是氪氣。
本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在地面用純度大于99.995的氙氣充填壓力容器，這種氙氣用于衛(wèi)星的等離子體推進(jìn)。本發(fā)明的設(shè)備可以構(gòu)成一種易于在衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)上移動(dòng)的輕便系統(tǒng)。
本發(fā)明還可以用于氙氣或氪氣的回收設(shè)備，例如應(yīng)用在燈的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種對(duì)一個(gè)壓力容器充填一種氣體的方法，其特征在于，它包括以下步驟-將一定量的所述氣體輸入到一個(gè)中間容器(3)中，-通過(guò)與一種冷卻液的熱交換(10)，使所述一定量氣體進(jìn)行液化，-通過(guò)向中間容器供熱，使中間容器中所述一定量氣體進(jìn)行加熱和汽化，-當(dāng)所述中間容器中的壓力大于所述壓力容器的壓力時(shí)，使所述中間容器和所述壓力容器(2)進(jìn)行流體連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在中間容器(3)和壓力容器(2)進(jìn)行流體連通后，暫時(shí)繼續(xù)向所述中間容器供熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，氣體從中間容器(3)朝壓力容器(2)的輸送在基本恒定的壓力下進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，熱交換是與在中間容器(3)中流通的液態(tài)氮進(jìn)行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述氣體是氙氣。
6.一種用氣體對(duì)一個(gè)壓力容器進(jìn)行充填的設(shè)備，其特征在于，這種設(shè)備包括至少一個(gè)熱壓縮機(jī)，這個(gè)熱壓縮機(jī)由一個(gè)中間容器(3)形成，這個(gè)中間容器可以有選擇地與一個(gè)所述氣體的氣源(1)和壓力容器(2)相連接，所述熱壓縮機(jī)在一個(gè)腔室(3c)中包括使輸入到中間容器中的一定量所述氣體通過(guò)冷卻而進(jìn)行液化的液化件(10)，還包括對(duì)所述中間容器里的一定量氣體進(jìn)行加熱的加熱件(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述液化件包括一個(gè)冷卻液流通管路(10)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其特征在于，所述加熱件包括一個(gè)電熱元件(15)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7和8所述的設(shè)備，其特征在于，所述流通管路(10)和電熱元件(15)同心地布置在中間容器內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述中間容器(3)在其下部具有一個(gè)連接到氣源(1)的入口(3a)，在其上部具有一個(gè)連接到壓力容器的通道(3b)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述中間容器包括一個(gè)接納液化氣的杯形件(20)，所述杯形件與所述中間容器(3)的腔室(3c)的內(nèi)壁保持一定距離。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至10之一所述的設(shè)備，其特征在于，這種設(shè)備包括兩個(gè)適于進(jìn)行相反工作的熱壓縮機(jī)，一個(gè)熱壓縮機(jī)對(duì)一定量氣體進(jìn)行液化，而另一個(gè)熱壓縮機(jī)對(duì)其它的一定量氣體進(jìn)行汽化-壓縮。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)一個(gè)壓力容器充填一種氣體的方法，其特征在于，這種方法在于-將一定量的所述氣體輸入到一個(gè)中間容器(3)中，-隨著所述氣體逐漸輸入到所述中間容器中，通過(guò)與一種冷卻液的熱交換(10)，使所述一定量氣體進(jìn)行液化，-通過(guò)與一個(gè)熱源(15)的熱接觸，使所述中間容器中所述一定量氣體進(jìn)行加熱和汽化，-當(dāng)所述中間容器中的壓力大于所述壓力容器的壓力時(shí)，使所述中間容器和所述壓力容器(2)進(jìn)行流體連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，這種方法還包括，使所述中間容器(3)和所述壓力容器(2)進(jìn)行流體連通后，對(duì)所述中間容器中所述一定量氣體進(jìn)行加熱(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，氣體從所述中間容器(3)朝所述壓力容器(2)的輸送在基本恒定的壓力下進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述冷卻液是液態(tài)氮。
5.一種用氣體對(duì)一個(gè)壓力容器進(jìn)行充填的設(shè)備，其特征在于，這種設(shè)備包括至少一個(gè)熱壓縮機(jī)，這個(gè)熱壓縮機(jī)由一個(gè)中間容器(3)形成，這個(gè)中間容器布置在一個(gè)所述氣體的氣源(1)和所述壓力容器(2)之間，所述熱壓縮機(jī)包括使一定量的所述氣體在輸入到中間容器的過(guò)程中通過(guò)冷卻而進(jìn)行液化的液化件(10)，還包括對(duì)所述中間容器里所述一定量氣體進(jìn)行加熱的加熱件(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述一定量氣體的所述液化件包括一個(gè)冷卻液例如尤其是液態(tài)氮的流通管(10)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的設(shè)備，其特征在于，所述一定量氣體的所述加熱件包括一個(gè)電熱元件(15)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7所述的設(shè)備，其特征在于，所述流通管(10)和所述電熱元件(15)布置在所述中間容器內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述中間容器(3)在其下部具有一個(gè)氣體入口(3a)，在其上部具有一個(gè)氣體出口(3b)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述中間容器包括一個(gè)接納液化氣的杯形件(20)，所述杯形件與所述中間容器(3)的內(nèi)壁保持一定距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至8之一所述的設(shè)備，其特征在于，這種設(shè)備包括兩個(gè)適于進(jìn)行相反工作的熱壓縮機(jī)，一個(gè)熱壓縮機(jī)對(duì)一定量氣體進(jìn)行液化，而另一個(gè)熱壓縮機(jī)對(duì)其它的一定量氣體進(jìn)行汽化-壓縮。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)壓力容器充填一種氣體的方法,它包括:將一定量的氣體輸入到一個(gè)中間容器(3)中;隨著氣體逐漸輸入到中間容器中,通過(guò)與一種冷卻液的熱交換(10),使一定量氣體進(jìn)行液化;通過(guò)與一個(gè)熱源(15)的熱接觸,使中間容器中所述一定量氣體進(jìn)行加熱和汽化;當(dāng)中間容器的壓力大于壓力容器的壓力時(shí),使中間容器和壓力容器(2)進(jìn)行流體連通。本發(fā)明還涉及實(shí)施所述方法的設(shè)備,該設(shè)備包括至少一個(gè)熱壓縮機(jī),熱壓縮機(jī)由一個(gè)中間容器(3)形成,包括所接納的一定量氣體的液化件(10)和加熱件(15)。
文檔編號(hào)F17C5/00GK1241253SQ9880147
公開日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1998年2月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月6日
發(fā)明者帕特里克·布拉韋 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司