具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

如图1-图4所示，瓶装纯气和混合气的自动化充装装置，包括气源供应机构1、配气阀组15、充装台22、控制单元、备用气源10，备用气源10设置在气源供应机构1和充装台22之间；还包括用以连接气源供应机构1、配气阀组15、充装台22和备用气源10的管道及安装在管道组件上的监控组件。

与现有技术相比较而言，本发明提供的瓶装纯气和混合气的自动化充装装置额外提供一个备用气源10，并将备用气源10设置在气源供应机构1和充装机构之间，备用气源10内设置可以存储待充气体的容器组成，用以存贮一定量的气化后的待充气体作为备用气源10。

气源供应机构1包括存储液态原料的低温液体储槽2，低温液体储槽2出液口通过管道连接到低温液体泵3，管道上安装有热力膨胀阀及低温球阀；低温液体泵3入口接口设置为两个，其中一个接口通过弹性软管4与出液口管道连接，另一接口通过回接管路接回到低温液体储槽2。

同样，气源供应机构1还可以直接连通到生产来料供应管路或存储气态原料的钢瓶，生产来料供应管路或存储气态原料的钢瓶出口连接到配气阀组15。

回接管路上也安装有热力膨胀阀、低温球阀，并安装有温度传感器6。

如图6-图7所示，低温液体泵3出口经单向阀21连接到水浴式汽化器5-1或空浴式汽化器5-2；空浴式汽化器5-2出口连接进入配气阀组15；连接到水浴式汽化器5-1的低温液体泵3出口包括有两个，且分别接回到低温液体储槽2和连接进入水浴式汽化器5-1；并在进出口管路上连接有监控组件。

低温液体泵3出口管道，还可以设置有绕过水浴式汽化器5-15或水浴式汽化器5-15入口，直接连通到水浴式汽化器5-15或水浴式汽化器5-15出口处的旁通管路14，旁通管路14上安装有调节阀，并在汇合后的管路上安装有温度传感器6。

控制单元包括云服务器，通过云服务器控制的电气控制单元和计算机控制单元。

监控组件包括压力传感器7和温度传感器6，以及用于保障管道压力安全的安全阀9和放空阀8。温度传感器6主要安装在汽化器5的主通路后方。系统自动监控充装温度，调整气源的温度及通过变频器控制供气速度，实现充装温度不超过国家标准规定的温度，如果超过也会马上停止充装。考虑到管道及阀门流通能力，充装、放空及真空过程设置了平衡时间，以平衡后的压力作为各项工艺流程是否完成的标准。检测传感器还包括了压力传感器7，压力传感器7主要采用压力表，也安装在汽化器5后方，压力传感器7主要用于检测管道内的压力状态，并在压力表的对应位置设置手动放空阀8，避免汽化后的过多待充气体在管路中撑破管路。

备用气源10包括充装容器11，且充装容器11的进气管路连接到汽化器5出口，备用气源10的出气管路接入到配气阀组15。而在备用气源10充装完成后，其一方面是能够作为备用气源10，针对少量充装，例如，充装10％Ar+90％N2，那么就可以直接使用备用气源10中的氩气，不需要单独启动氩泵。仅余一定少量充装空间，此时，若按照传统自动化充装设备，需要重新启动低温液体泵3，将存储在低温液体储槽2内的液化气体抽出并进行气化，再充装到钢瓶内。而且低温液体泵3的启停频繁不仅仅是会严重影响低温液体泵3的使用寿命，并且液化后的冷凝气体重新气化后体积是液化状态的数百倍，并不能准确控制一次取出的少量气体，而多余的气体只能做排空处理，针对少量的充装成本过高。而备用气源10的则良好的解决了这一问题。

备用气源10出口管道还连接到供应系统仪表气供应管路，并在供应管路上安装有压力表及减压阀。备用气源10存储的气体还可以作为仪器仪表的供气来源，在工厂内，不可避免的会采用各种工业气体，例如气缸等，需要一定量的工业气体作为动力源来进行伸缩，备用气源10也可以作为气缸的气体来源。

如图3-5以及图8-图9所示，配气阀组15包括多根原料气管路16、接入各原料气管路16的主汇流排17、环境温度传感器6；主汇流排17通过放空阀8门连接有放空管道，通过真空阀门连接有真空管道。

主汇流排17出口通过充装阀接入到充装工作台，且主汇流排17连接有一个或者多个充装阀，并在每个充装阀后端接有一个子汇流排23，每个子汇流排23上安装有压力传感器7。

多根原料气管路16每路入口管道上均装有气动阀门、单向阀21，且在气动阀门与单向阀21之间分出管路，并连接有放空支管20。

如图3所示，主汇流排的充装阀可以设置为采用调节阀的模式；同样可以如图5所示，采用大阀26加小阀27的方式，在进行精细化的少量充装时，相较于单调节阀的模式，采用小阀27进行充装能够有效提高充装精度。而在进行正常充装时，开启大阀26进行充装，并不影响充装效率。

子汇流排23上安装多个不同压力等级的安全阀9，安全阀9与子汇流排23之间安装有气动阀门，根据生产的产品压力等级自动打开所匹配的安全阀9对应的气动阀门，关闭其余安全阀9对应的气动阀门；子汇流排23通过管道连接到各个充装台22，每个管道上均安装有气动阀门；子汇流排23连接有放空与真空管道，管道上有对应的阀门控制其接通状态。

子汇流排23上同时安装两种充装接头24，以分别匹配集装格充装或装配到托盘上的散瓶充装；且在充装台22安装有可升降保护罩；且充装接头24可升降。

气源供应机构1包括低温液体储槽2、连接在低温液体储槽2出口管路上的低温液体泵3，低温液体泵3连通到汽化器5。

充装控制方法：包括以下步骤：

A:用户在计算机控制单元选择充装参数，云服务器根据请求，生成产品配方创建结果回传计算机控制单元，计算机控制单元将配方同步到电气控制单元中；

B：电气控制单元根据用户选择的第一组产品与工位，自动控制配气阀组15完成组配原料气来路，并做放空与真空工艺操作。然后自动控制气源供应机构1配气阀组15根据产品依次进行原料供应和充装；

对于采用低温储槽作为气源供应机构1，充装开始前，将打开低温泵进液阀门及回气阀门，完成低温液体泵3的泵体冷却，完成冷却后再启动低温液体泵3供应原料。

气体充装开始时，低温液体泵3与备用气源10同时供应原料到配气阀组15；等到待充钢瓶内压力与缓冲容器压力小于设定阈值时关闭备用气源10；充装结束时打开备用气源10，由低温液体泵3重新将其补充到目标压力并供下一次充装，低温液体泵3停机后会关闭出液阀并打开回气阀，回收原料气体。

在充装过程中，对于气化器上的旁通管路14，电气控制单元根据气化器出口管道内气体温度，实时调节旁通管道上阀门的开度，以确保进入配气阀组15的原料气处于低温，减少钢瓶温升，提升充装效率。在充装过程中，根据环境温度传感器6及贴于钢瓶的磁性温度传感器6进行气瓶内温度的预测，根据预测温度与产品定义的参考温度差异，按照气体状态方程进行充装压力的温度补偿。温度补偿采用MBWR(modified Benedict-Webb-Rubin)、Bender等多参数真实气体状态方程及其混合模型，其参数是基于实验数据的拟合结果，状态方程计算结果与实验数据的平均偏差在1％以内。

C:在进行B步骤生产过程中，用户可以选择第二组工位及产品，电气控制单元根据用户选择的第二组产品与工位，自动控制配气阀组15及真空泵25完成对应的子汇流排23放空与真空工艺操作，等待第一组充装完成；

D:在B步骤充装完成后，控制配气阀组15自动进行第二组产品的充装。在充装结束时，若采用多路原料气供气，每种气体充装完毕后，每根原料气管路16均打开其气动阀门与单向阀21之间分出的放空阀8，降低充装压力并对管路做排空处理。

实施例一

在实际使用时，若采用单种纯气充装，气源供应机构1可以采用只存在一种冷凝液化纯气。依次将气源供应机构1和充装机构安装到位，然后在气源供应机构1和充装机构之间安装配气阀组15和管道，并在两者之间连接设置一个备用气源10。利用低温储槽存储低温液化气体，低温储槽出口连接热力膨胀阀、低温气控球阀、软管、过滤器到低温液体泵3的入口一头，低温液体泵3的入口另外一头连接到软管、温度传感器6、热力膨胀阀、手动放空阀8、低温气控球阀、热力膨胀阀回到储槽。低温液体泵3的出口连接单向阀21、压力表、温度传感器6到备用气源10。当然，根据具体的单种纯气，例如二氧化碳，其管路和汽化器5因其自身不同的特性稍微有不同，二氧化碳介质需要电加热式汽化器5。

在单种纯气进行充装过程中，由于来料气源只有一个，配气阀组15在不涉及到多种冷凝液的切换和原料气体的切换，其结构主要是维持进气管路和充气管路的稳定性。而每个单种纯气充装口可以设置多个出口，例如将气源汇入的管路分为两组出口，每路接有单独的放空、真空阀门，每组可以单独进行放空、真空与充装，优点在于在第一组进行充装过程中，即可利用真空泵25对第二组的管路进行抽真空等预处理，待第一组充装完毕后可以自动进行第二组充装，提高生产效率。

处于液态的低温液化气体从低温储槽通出，经过低温液体泵3增压，被通入到汽化器5，汽化器5一般采用空浴式汽化器5-2，空浴式汽化器5-2是一种常见的节能辅助设备，在此不多做描述。冷凝状态的气体经过汽化器5从液态向气态进行转变，在此过程中，气体体积会发生严重的膨胀，一般气态状态下的气体是液态冷凝状态下气体体积的数百倍。此时，需要监控管道上的各个压力表，避免气体在膨胀过程中造成管道破损或者超过设计压力。

同时，还需要通过温度传感器6对室温、管道温度、充装温度进行有效监控。室温、管道温度、充装温度均对充装压力有着不同程度的影响。并且为了能够区别于现有市面上的其他普通自动充气设备，能够更加精准对钢瓶或者其他待充装容器11进行充装工作，本发明还设计有根据温度传感器6温度和室温进行热力学计算，对充装压力进行温度补偿。温度补偿采用MBWR(modified Benedict-Webb-Rubin)、Bender等多参数真实气体状态方程及其混合模型，其参数是基于实验数据的拟合结果，状态方程计算结果与实验数据的平均偏差在1％以内。

在第一次充装完成后，关闭充装台22的充装阀门，低温储槽仍继续供气，直至将备用气源10的备用气源10继续充满。再切断低温储槽的供气球阀，而管路中肯定还会存在的气化后的待充气体，此时，打开旁通阀，将管路中残余的待充气体重新通入到低温储槽中。一方面是避免了浪费，这些气体重新通入到低温环境中，重新冷凝成液态；另一方面是有效避免了管路中剩余气体过多，造成管路被撑破的风险，在现有技术中，为了避免该情况的发生，通常只是简单讲这些气体直接排放进入到大气中。

同样的，若目标工厂有生产来料气，可以直接接管到生产线，如此，可以免除低温储槽、低温液体泵3以及汽化器5等设备，直接将生产线接入到配气阀组15。同理，当充装只充装少量的稀有气体，也可以直接只配备钢瓶等储存容器。降低设备跟存储费用。

实施例二

在实际使用时，若采用多路来料气，气源供应机构1存在多个低温储槽分别存储多种冷凝液化纯气。且由于气源供应机构1采用多种冷凝液纯气作为气源，需要多个不同的低温储槽分别对不同的纯气进行存储。而每个低温储槽分别对应设置一个备用气源10，并通过设置一个配气阀组15来控制充装台22和来气管道之间的启闭关系。在此，充装台22可以设置成若干个，主要通过配气阀组15来控制单种来气或者混合来气。

相比于单路单纯气，多气源供应机构1主要区别在于设置有将所有从低温储槽出来的供气管路进行连通并联，配气阀组15不但需要满足单路纯气的启闭功能，还需要满足多路来气并做依次充装。且在多路充装单种纯气时，能够进行切换，并通过汇流排对其他气体进行有效排出，避免相互污染。

如现有气源包括氮气、氩气、二氧化碳等多种，在充装时，会有多个充装工位，既可以充装散瓶，也可以充装集装格(钢瓶集束)，在混合充装前，优先进行单次纯气充装，在每种单纯气进行第一次充装完成后，并将对应的备用气源10内的备用气源10依次充装完成，作为该种气体的备用气源10。然后可以根据具体的需要进行混合充装，而本发明优于其他自动化充装设备，在主汇流排17的不同原料气进气管路上均设置有相互独立的放空阀8件，在由混合改单纯气，或者由某种单纯气改为其他种类单纯气充装时，可以通过放空支管20有效将管路内残余的其他气体排出，能够有效避免进气管路内残余的其他气体作为污染源，导致纯度下降的问题。并且每个汇流支路上也分别设置有相互独立的放空、真空阀门，每组可以单独进行放空、真空与充装，优点在于第一组充装完毕后可以自动进行第二组充装，提高生产效率。并且能够有效保证充装压力，本发明提供的自动化充装装置能够支持42Mpa的充装压力。

并且，增加了控制计算机，能够预定义多种产品，通过下载产品配方的方式发送到PLC，用户通过人机界面直接选择产品，不需要每次都去设定压力气体比例、放空、真空的工艺及操作。

充装过程能够自动监控压力及温度变化，在一定的时间窗口内未达到变化阈值，会自动将系统切换到安全状态。系统自动监控充装温度，调整气源的温度及通过变频器控制供气速度，实现充装温度不超过国家标准规定的温度，如果超过也会马上停止充装。考虑到管道及阀门流通能力，充装、放空及真空过程设置了平衡时间，以平衡后的压力作为各项工艺流程是否完成的标准。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。