CH639744A5

CH639744A5 - Verfahren zur herstellung eines dewargefaesses.

Info

Publication number: CH639744A5
Application number: CH165079A
Authority: CH
Inventors: George Dewey Jun Kneip; George Chmyz; Marvin Henry Anderson
Original assignee: Varian Associates
Priority date: 1978-02-21
Filing date: 1979-02-20
Publication date: 1983-11-30
Also published as: DE2906075A1; FR2417719A1; JPH0260584B2; GB2015720A; JPS54128821A; CA1116107A; FR2417719B1; JPH0432555B2; GB2015720B; JPH01251677A; DE2906075C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein danach hergestelltes Dewargefäss gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

Behälter oder Dewargefässe zur Aufbewahrung von Stickstoff in einem flüssigen, kryogenen Zustand werden gewöhnlich als Metallbüchse geformt, in die der flüssige Stickstoff eingebracht wird, die Büchse ist gewöhnlich von einer 5 Schale umgeben. Der Zwischenraum zwischen der Büchse und der Schale wird evakuiert, um die Wärmeleitung vom Äusseren der Schale zum Inneren der Büchse zu verringern. Zusätzlich ist es im allgemeinen erwünscht, die Übertragung von Strahlungsenergie von ausserhalb der Schale zur Aussen-lo fläche der Büchse zu minimieren.

Beim Stand der Technik sind relativ geringe Strahlungsmengen zwischen der Schale und dem Äusseren der Büchse übertragen worden, indem sowohl die Büchse als auch die Schale aus einer Aluminiumlegierung mit einem sehr hohen 15 Prozentsatz, beispielsweise 99%, an Aluminium hergestellt wurden. Das Innere der Schale und das Äussere der Büchse werden gewöhnlich mechanisch zu einem schimmernden Hochglanz poliert, ein Arbeitsgang, der im wesentlichen auch Werkzeugmarken entfernt, die während der Bearbeitung die-20 ser Teile auf der Schale und Büchse entstehen. Nachdem die Büchse und die Schale mechanisch poliert sind, werden sie dampfentfettet, um Feilspäne, Schmutz und andere Fremdstoffe von den Oberflächen der Büchse und Schale zu entfernen, so dass diese Oberflächen relativ niedrige Strahlungs-25 energieemissionsfähigkeiten von etwa 0,024 bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs, 77°K, haben. Strahlungsenergieemis-sionsfähigkeit wird in der üblichen Weise definiert, d.h. als das Verhältnis der Strahlung, die von einer Oberfläche emittiert wird, zu der Strahlung, die von einem perfekten Schwarz-30 körperstrahier bei der gleichen Temperatur emittiert wird.

Die bekannten Techniken zur Herabsetzung der Emissionsfähigkeit von Schale und Büchse sind zwar für viele Zwecke befriedigend, für andere Zwecke war die Emissionsfa-higkeit jedoch nicht ausreichend herabgesetzt. Insbesondere, 35 wenn es erwünscht ist, den Stickstoff für längere Zeitdauern in einem flüssigen Zustand zu erhalten, beispielsweise drei Monate, so ist die Emissionsfähigkeit der Büchse und der Schale bekannter Art zu hoch, wenn das Aluminium nur poliert ist.

40 Das Aluminiumblech kann entweder mechanisch, elektrochemisch oder chemisch poliert werden. Wenn eine mechanische Einrichtung verwendet wird, ist das Vorgehen identisch mit dem des Standes der Technik. Elektrochemisches, d.h. elektrolytisches Polieren wird in einem Borflusssäurebad 45 (2,5 Gewichtsprozent) von 29,4 °C bei einer Stromdichte von 10,8 bis 21,6 mA/cm2 und Spannungen von 15 bis 30 Volt für 5 bis 10 Minuten erreicht (US-PS 2 108 603). Wenn chemisches Polieren verwendet wird, erfolgt das Polieren mit einem wässrigen Bad aus Phosphor- und Salpeter-Säuren (US-PS 50 2 729 551) oder in einem Bad aus Phosphor-Essig- und Salpeter-Säuren (US-PS 2 650 157).

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren zur Herstellung eines neuartigen und verbesserten Dewargefässes für Flüssigstickstoff verfügbar zu machen.

55 Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Flüssigstickstoff-Dewargefäss mit herabgesetzter Strahlungsenergieemissions-fähigkeit zu schaffen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merk-60 male gekennzeichnet.

Das erfindungsgemässe Dewargefäss ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 6 definiert.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit der 65 Zeichnung, in der ein Schnitt durch ein Dewargefass dargestellt ist, das entsprechend der Erfindung hergestellt ist.

In der Zeichnung ist ein Dewargefäss 10 dargestellt, das in Verbindung mit einem Spektrometer für die magnetische

3

639744

Kernresonanz verwedet wird, das eine supraleitende Spule 11 aufweist, die ein Magnetfeld H0 relativ hoher Intensität in Längsrichtung der Spule durch eine Probe 13 erzeugt, das in einer Phiole 12 angeordnet ist. Die Probe 13 wird mit HF-Energie zur magnetischen Kernresonanz angeregt, die von einer HF-Impulsquelle 15 Spulen 14 zugeführt wird. Die Spulen 14 sind so gewickelt, dass ihre Achsen rechtwinklig zum Feld H0 liegen. Eine Auffangspule 16, die in der Nachbarschaft der Probe 13 angeordnet ist und auf von der Probe abgestrahlte Energie anspricht, liefert ein geeignetes Signal an einen HF-Empfänger 17. Die Spule 16 ist so angeordnet, dass ihre Achse rechtwinklig zu den Achsen der Spulen 14 sowie zur Richtung des Feldes H0 liegt. Der Empfänger 17 kann geeignete Fourieranalyseeinrichtungen aufweisen, um ein Ausgangssignal abzuleiten, das einem X-Y-Schreiber 18 zugeführt wird, der die Spektralantwort der Probe 13 auf verschiedene Frequenzen vom Sender 15 aufzeichnet. Leistung wird der Spule 11 anfänglich mit einer Gleichstromversorgung 18 zugeführt, die von der Spule getrennt wird, wenn diese im persistenten Supraleitungsbetrieb arbeitet.

Die Spule 11 wird in einem supraleitenden Zustand gehalten, auf der Temperatur von flüssigem Helium (4,2°K), weil sie im Zylinder 21 angeordnet ist, der seinerseits von einem Flüssigheliumreservoir 23 umgeben ist, das in einer Büchse 24 enthalten ist. Die Büchse 24 befindet sich unterhalb eines Flüssigstickstoffreservoirs, das von einer Büchse 25 gebildet ist. Die Büchsen 24 und 25 befinden sich im Inneren einer Schale 26, die das Äussere des Dewargefässes bilden. Zwischen dem Äusseren der Büchse 24 und dem Inneren der Schale 26 befindet sich ein evakuiertes Volumen, ausgenommen wo die Büchse 25 angeordnet ist. Im evakuierten Volumen befinden sich Wärmeschirme 27,28 und 29. Der Schirm 27 ist zwischen der Aussenfläche der Büchse 24 und der Innenfläche des Schirms 28 sowie zwischen dem Boden 31 der Büchse 25 und dem Äusseren der Büchse 24 angeordnet. Der Schirm 29 ist zwischen der Aussenwand des Schirms 28 und der Innenwand der Schale 26 positioniert, sowie zwischen der Seitenwand 32 und dem Deckel 33 der Büchse 25 und der Innenfläche der Schale 26.

Jede der Büchsen 24 und 25 ebenso wie die Schale 26 und die Schirme 27,28 und 29 bildet im wesentlichen eine isothermische Fläche, die aus gedrückten Blechen aus Aluminiumlegierung mit einem sehr hohen Prozentsatz an Aluminium gebildet sind. Vorzugsweise ist die Aluminiumlegierung 1100-0, eine Legierung, die leicht von verschiedenen Herstellern erhältlich ist, beispielsweise Reynolds oder Alcoa. Die Legierung hat einen Aluminiumgehalt von wenigstens 99%, einen maximalen Eisen- und Siliciumgehalt von 1 %, einen maximalen Kupfergehalt von 0,2%, einen maximalen Mangangehalt von 0,05% und einen maximalen Zinkgehalt nicht grösser als 0,1%.

Um die Strahlungsenergieübertragung zwischen der Innenfläche der Schale 26 und der Aussenfläche der Büchse 25 zu minimieren, haben die Innenfläche der Schale, die Aussenfläche der Büchse und beide Oberflächen des Schirms 29 niedrige thermische Emissionsfähigkeit, weil sie speziell behandelt sind, um sauberes, zerfressungsfreies, glattes, mattes, schmutzfreies und geätztes Aussehen frei von Verfärbungen und Flecken zu haben. Alle diese Oberflächen sind in der gleichen Weise behandelt, um die gewünschten Resultate zu erreichen.

Nachdem die Büchse 25, die Schale 26 und der Schirm 29 gedrückt worden sind, werden sie poliert, entweder mechanisch, elektrolytisch oder chemisch. Das mechanische Polieren schliesst die üblichen Schleif-und Schwabbelarbeiten ein, so dass die interessierende Oberfläche einen schimmernden Hochglanz aufweist, wobei praktisch alle Werkzeugmarken von dem Drückvorgang entfernt werden. Elektrolytisches oder chemisches Polieren, die wesentlich weniger aufwendig sind und deshalb erwünschter als mechanisches Polieren,

kann in der oben erwähnten Weise erreicht werden. Nachdem die Oberfläche poliert worden ist, wird das Teil in einem Bad 5 aus flüssigem Trichloräthylen dampfentfettet, das Dämpfe abgibt, um Schmutz, Feilspäne und andere Fremdstoffe zu entfernen. Das Teil wird dann mit einem Detergenz, beispielsweise Oakite 27, gesäubert, das vom Teil mit einer Heisswas-serspülung entfernt wird.

io Die interessierende Oberfläche wird dann chemisch mit einer Ätzlösung aus etwa 20 Volumprozent Salpetersäure, 4 Volumprozent Fluorwasserstoffsäure, Rest entionisiertes Wasser, behandelt. Das Ätzmittel greift die Oberfläche 15 bis 45 Sekunden lang an, so dass etwa 25 Mikrometer wegge-15 nommen werden, so dass Phosphate oder Chromate, die während des chemischen Polierens an der Oberfläche gehaftet haben können, weggenommen werden, und die Oberfläche hat das gewünschte zerfressungsfreie, glatte, matte, schmutzfreie und geätzte Aussehen, das frei von Verfärbungen und Flek-20 ken ist. Anfänglich hat das Ätzbad die angegebenen Anteile. Nachdem das Ätzbad eine Zeitlang benutzt worden ist, ändern sich die Anteile etwas. Der Säuregehalt wird aufgrund einer periodischen Prüfung des spezifischen Gewichtes und der chemischen Analyse kontrolliert. Wenn diese Tests eine 25 deutliche Änderung des Säureprozentsatzes zeigen, d.h. Verringerungen von etwa ein Viertel der Prozentsätze, wird zusätzliche Säure hinzugefügt oder ein das Bad enthaltender Tank wird gesäubert und eine neue Mischung verwendet.

Das Teil wird dann mit kaltem Leitungswasser abgespült 30 und dann zweimal mit entionisiertem Wasser gespült. Nach der zweiten Spülung mit entionisiertem Wasser wird das Teil in einem geeigneten Tunnel getrocknet, gekühlt und dann zu Schutzzwecken in einen Polyäthylensack eingesetzt.

Das Dewar wird dadurch montiert, dass die verschiede-35 nen Teile miteinander verbunden werden, wie in der Zeichnung dargestellt. Dann wird ein Vakuum aus dem ganzen Dewargefäss 10 durch die Öffnung 35 in Schale 26 gezogen, so dass alle Bereiche zwischen den verschiedenen Büchsen und Schirmen auf etwa 1,333 mPa evakuiert werden. Die Büchse 40 25 wird dann durch Öffnung 36 mit flüssigem Stickstoff gefüllt, so dass die Büchse 23 schliesslich auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs erniedrigt wird. Dann wird die Büchse 23 durch eine nicht dargestellte Öffnung mit flüssigem Helium gefüllt, um die Temperatur der supraleitenden Spule 11 auf 45 die Temperatur von flüssigem Helium, 4,2°K herabzusetzen.

Es wurde festgestellt, dass die Oberflächen der Schale 26, der Büchse 25 und des Schirms 29, die präpariert worden sind, Strahlungsenergieemissionsfähigkeiten haben, die erheblich niedriger liegen als beim Stand der Technik. Bekannte so gedrückte Aluminiumoberflächen, die aus der gleichen Legierung hergestellt sind, wie sie zur Herstellung der Büchse 25, der Schale 26 und des Schirms 29 verwendet wurden, die mechanisch, elektrochemisch oder chemisch poliert worden sind, aber nicht mit der Salpetersäure-Fluor wasserstoffsäure-Mi-55 schung geätzt worden sind, haben allgemein Strahlungsener-gie-Emissionsfähigkeiten von etwa 0,024 bei 77°K gehabt. Im Gegensatz dazu hatten Oberflächen, die chemisch mit dem Salpetersäure-Fluorwasserstoffsäure-Ätzmittel behandelt worden sind, Strahlungsenergie-Emissionsfähigkeiten von 60 etwa 0,016 bei 77°K. Es ergibt sich also eine Verbesserung von etwa 35% hinsichtlich der Emissionseigenschaften der Teile aus gedrückten Flächen aus sehr reiner Aluminiumlegierung 1100-0, die mit dem Salpetersäure-Fluorwasserstoffsäure-Bad behandelt worden sind.

65 Erfindungsgemäss wird eine erhebliche Herabsetzung der Strahlungsemissionsfähigkeit von gedrückten Büchsen und Schalen aus Aluminiumlegierungsblechen erreicht, die in De-wargefässen für Flüssigstickstoff verwendet werden. Die Her-

639 744

absetzung der Emissionsfähigkeit wird erreicht, weil die innere Oberfläche der Schale und die äussere Oberfläche der Büchse ein sauberes, von Zerfressungen freies, glattes, mattes, schmutzfreies und geätztes Aussehen frei von Verfärbungen und Flecken haben, das sich dadurch ergibt, dass die polierten Oberflächen chemisch mit einem Ätzmittel aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure behandelt werden (der Ausdruck «schmutzfrei» (smut free) ist in der Aluminiumbehandlungstechnik bekannt und bedeutet, dass die Oberfläche nicht grau oder schwarz ist). Die Oberflächen werden mit dem Ätzmittel chemisch für Zeitspannen zwischen 15 und 45 Sekunden behandelt, bis das gewünschte Aussehen erreicht ist, was

4

gewöhnlich geschieht, wenn 25 Mikrometer entfernt worden sind. Wenn die Oberfläche kürzer als die adäquate Zeit behandelt worden ist, ist sie nicht ausreichend gesäubert, mattiert oder schmutzfrei und kann verfärbt oder verfleckt sein.

5 Wenn die Oberfläche zu lange behandelt wird, wird sie zerfressen und ist nicht glatt. In beiden Fällen ist die Emissionsfähigkeit der Oberfläche erhöht, verglichen mit der Emissionsfähigkeit für eine richtige Behandlungsdauer. Tests, die mit Dewargefässen durchgeführt wurden, deren Oberflächen io nach der Erfindung hergestellt worden sind, zeigen etwa 35% Herabsetzung der Emissionsfähigkeit, verglichen mit dem Stand der Technik.

C

1 Blatt Zeichnungen

Claims

639744

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Dewargefässes zur Aufbewahrung einer Flüssigkeit, insbesondere flüssigen Stickstoffs, unter kryogenen Temperaturen, wobei eine gedrückte Büchse aus einer Aluminiumlegierung mit einem sehr hohen Prozentsatz an Aluminium in eine Schale aus gedrücktem Blech aus einer Aluminiumlegierung mit einem sehr hohen Prozentsatz an Aluminium montiert wird, der Raum zwischen der Schale und der Büchse evakuiert wird, wobei die Aussenfläche der Büchse und die Innenfläche der Schale vor der Montage zu einem schimmernden Hochglanz so weit poliert werden, dass im wesentlichen alle Werkzeugmarken entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden genannten Oberflächen mit einem flüssigen Ätzmittel aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure geätzt werden, bis diese beiden Oberflächen ein von Zerfressungen freies, glattes, mattes und geätztes Aussehen haben, das frei von Verfärbungen und Flecken ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Büchse und die Schale eine zweite Schale aus gedrückter Aluminiumlegierung mit einem sehr hohen Prozentsatz an Aluminium montiert wird, wobei vor der Montage beide Oberflächen der zweiten Schale zu einem schimmernden Hochglanz poliert werden, bis praktisch alle Werkzeugmarken entfernt sind, und beide Oberflächen der zweiten Schale mit einem flüssigen Ätzmittel aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure vorbehandelt werden, bis beide Oberflächen der zweiten Schale ein von Zerfressungen freies, glattes, helles und geätztes Aussehen haben, das frei von Verfärbungen und Flecken ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Oberflächen mechanisch poliert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Oberflächen chemisch poliert werden und das Ätzmittel irgendwelche Chemikalien entfernt, die durch das chemische Polieren auf die Oberfläche niedergeschlagen worden sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man als flüssiges Ätzmittel Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure verwendet.
6. Dewargefäss, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, mit einer aus einer Aluminiumlegierung gedrückten Büchse (25) und einer aus einer Aluminiumlegierung gedrückten Schale (26), die die Büchse umgibt, wobei der Raum zwischen der Innenfläche der Schale und der Aussenfläche der Büchse evakuiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Schale (26) und die Aussenfläche der Büchse (25) zum Herabsetzen der von der genannten Innenfläche zur genannten Aussenfläche abgestrahlten Energie zer-fressungsfrei, glatt und matt sind.
7. Dewargefass nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schale und der Büchse ein Strahlungsschirm (29) angeordnet ist, der aus gedrückter Aluminiumlegierung mit einem sehr hohen Prozentsatz an Aluminium besteht, und dass beide Oberflächen des Schirms ein sauberes, von Zerfressungen freies, glattes, mattes und geätztes Aussehen frei von Verfärbungen und Flecken haben.
8. Dewargefäss nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Oberflächen eine Strahlungsenergie-Emissionsfähigkeit von etwa 0,016 bei 77° K haben.