DE102014016410A1 - Gasbehälter - Google Patents

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Wilhelm BAYERL
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasbehälter (100), dessen Innenseite eine unmittelbar auf einem Grundmaterial (110) des Gasbehälters (100) aufgebrachte Beschichtung (120) aufweist, wobei die Beschichtung (120) mehrere durch ein ALD-Verfahren hergestellte Lagen (130, 131, 132) wenigstens eines Beschichtungsmaterials umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gasbehälter, insbesondere zur Befüllung mit hochreinem Gas oder einem Gasgemisch mit reaktiven Komponenten.
  • Stand der Technik
  • Gase werden üblicherweise in speziellen Behältern, meist Druckbehältern, sog. Gasflaschen, transportiert. Beim Transport und bei der Speicherung von speziellen Gasen, wie bspw. solcher von besonders hoher Reinheit oder Kalibriergasen, werden dabei besonders hohe Anforderungen an die Behälter gestellt. Die Behälter müssen aus Materialien hergestellt sein, die eine Kompatibilität mit den ensprechenden Gasen gewährleisten.
  • Diese Kompatibilität wird dabei wesentlich von chemischen Reaktionen der Gase mit dem Behältermaterial beeinflusst. Aufgrund solcher chemischer Reaktionen kann bspw. die Konzentration besonders reaktiver Komponenten in einem Gasgemisch über die Zeit abnehmen, was die maximale Lagerzeit deutlich verkürzen kann. Bei hochreinen Gasen hingegen nimmt die Reinheit mit der Zeit ab.
  • Um trotzdem die Konzentration eines Gases bzw. der Komponenten eines Gasgemisches über längere Zeit sicherzustellen, kann bspw. das Behältermaterial speziell ausgewählt werden und der Behälter anschließend einen speziellen Prozess durchlaufen. Für das Behältermaterial kommen dann insbesondere Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen und Edelstahl in Frage, da diese besonders reaktionsresistent sind. Der Behälter durchläuft dann eine besondere Vorbehandlung mit Aufheizen, Evakuieren und Spülen, um Wasser und andere Kontaminierungen zu entfernen. Anschließend erfolgt eine Passivierung der Innenwand des Behälters, d. h. es wird dort eine Schutzschicht mit dem zu befüllenden Gas durch anhaftende Gasatome bzw. Gasmoleküle gebildet. Schließlich wird eine erneute Evakuierung durchgeführt und der Behälter kann mit dem zu befüllenden Gas befüllt werden.
  • Auch zur Erhaltung der Reinheit von Gasen kann ein vergleichbarer Prozess durchgeführt werden. Teilweise kann auch ein zusätzlicher Schritt, nämlich ein Spülen des Zylinders mit einer Säure, nötig sein.
  • Nachteilig an dem oben beschriebenen und üblicherweise verwendeten Prozess ist jedoch, dass er besonders aufwändig und teuer ist. Außerdem muss der Prozess bei erneuter Befüllung, insbesondere bei Befüllung mit einem anderen Gas, erneut durchgeführt werden.
  • Davon abgesehen ist der Prozess speziell an das zu befüllende Gas anzupassen. Insbesondere bei Gasgemischen kann jedoch nicht oder zumindest nicht immer das passende Gas zur Passivierung ausgewählt werden. Weiterhin kann es vorkommen, dass ein Behältermaterial nicht für alle Komponenten eines Gasgemisches gleich gut geeignet ist.
  • Aus der EP 2 628 817 A1 ist bspw. ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht mittels eines ALD(Atomic Layer Deposition)-Verfahrens auf ein bereits mittels eines PVD (Physical Vapor Deposition) – oder CVD(Chemical Vapor Deposition)-Verfahrens beschichtetes Stahlstück bekannt.
  • Die WO 2014/033359 A1 offenbart bspw. ein Verfahren, bei dem im Inneren einer Pumpe mittels eines ALD-Verfahrens eine Schutzschicht aufgebracht wird.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Behälter, der zur Befüllung mit Gas, insbesondere hochreinem Gas und/oder reaktiven Gasgemischen, vorgesehen ist, bereitzustellen, der kostengünstig herzustellen und insbesondere vielseitig verwendbar ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gasbehälter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßer Gasbehälter wie bspw. eine Gasflasche oder ein „Constant Pressure (Piston) Cylinder” weist auf dessen Innenseite eine unmittelbar auf einem Grundmaterial des Gasbehälters aufgebrachte Beschichtung auf. Die Beschichtung umfasst dabei mehrere monomolekulare Lagen wenigstens eines Beschichtungsmaterials und mit jeweils im Wesentlichen unmittelbar in der jeweiligen Lage nebeneinanderliegenden Molekülen.
  • Diese Beschichtung entspricht dabei einer Beschichtung, die mehrere durch ein ALD-Verfahren hergestellte Lagen wenigstens eines Beschichtungsmaterials umfasst, da genau und nur durch ein ALD-Verfahren, d. h. einem Verfahren zur Atomic Layer Deposition, monomolekulare Lagen von Beschichtungsmaterial hergestellt werden können, wobei die einzelnen Moleküle einer Lage im Wesentlichen unmittelbar nebeneinander liegen. Insbesondere wird dabei jede Lage einzeln mittels eines ALD-Verfahrens hergestellt.
  • Das ALD-Verfahren zur Herstellung solcher Lagen ist an sich bekannt, daher sei im Folgenden nur kurz auf das wesentliche Prinzip eingegangen. Zunächst wird ein erster Reaktant mit der Oberfläche eines zu beschichtenden Materials in Kontakt gebracht, woraufhin sich eine monomolekulare Schicht des ersten Recktanten auf der Oberfläche bildet. Durch einen Spülvorgang wird der überschüssige, nicht an der Oberfläche gebundene Reaktant entfernt. Anschließend wird ein zweiter Reaktant in Kontakt mit dem auf der Oberfläche gebundenen ersten Recktanten gebracht. Dabei reagieren die an der Oberfläche gebundenen Moleküle des ersten Recktanten mit Molekülen des zweiten Recktanten zu Molekülen des gewünschten Beschichtungsmaterials. Der überschüssige zweite Reaktant wird ebenfalls mittels eines Spülvorgangs entfernt. Das Ergebnis ist eine monomolekulare, dichte und homogene Lage aus dem gewünschten Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche des zu beschichtenden Materials. Die genannten Vorgänge können bis zum Erreichen einer gewünschten Dicke der Beschichtung der Oberfläche wiederholt werden.
  • Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass zwar der Name des Beschichtungsverfahrens ALD, also Atomic Layer Deposition, eine Beschichtung mit einzelnen Atomen vermuten lässt. Allerdings ist hinlänglich bekannt, dass es sich bei der Beschichtung meist um Moleküle handelt und der Name für einen Fachmann daher verständlich ist.
  • Wird nun ein Gasbehälter mit einer sochen bzw. auf diese Weise hergestellten Beschichtung auf seiner Innenseite mit hochreinem Gas oder einem reaktiven Gasgemisch befüllt, so verhindert diese dichte und gleichmäßige Beschichtung chemische Reaktionen des Gases mit dem Grundmaterial des Gasbehälters. Dabei wurde erkannt, dass die erfindungsgemäße Beschichtung bzw. das Beschichtungsmaterial nicht in Zusammenhang mit dem zu befüllenden Gas stehen. Insbesondere kann ein erfindunsgemäßer Gasbehälter somit für verschiedene Gase verwendet werden.
  • Vorzugsweise ist das wenigstens eine Beschichtungsmaterial aus Al2O3, SiO2, TiO2, Ta2O5 und HfO2 ausgewählt. Diese Beschichtungsmaterialien sind einerseits relativ einfach mittels eines ALD-Verfahrens herzustellen und liefern andererseits besonders guten Schutz gegen chemische Reaktionen von Füllgasen mit dem Grundmaterial des Gasbehälters.
  • Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei der mehreren Lagen aus verschiedenen Beschichtungsmaterialen gebildet. Durch verschiedene Beschichtungsmaterialien kann bspw. eine Korrosionsbeständigkeit erhöht werden, da durch verschiedene Molekülgrößen in verschiedenen Lagen der Beschichtung eine Angriffsfläche für ein in den Gasbehälter eingefülltes Gas reduziert wird.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn die mehreren Lagen abwechselnd aus zwei verschiedenen Beschichtungsmaterialien, insbesondere aus Al2O3 und TiO2, gebildet sind. Dies erhöht den Effekt verschiedener Materialen, insbesondere die Korrosionsbeständgikeit und die Glättung der Oberfäche.
  • Es ist von Vorteil, wenn auf die Beschichtung eine zusätzliche Beschichtung, die Moleküle des zur Befüllung vorgesehenen Gases umfasst, aufgebracht ist. Dabei kann es sich um eine sogenannte Passivierung handeln, welche eine zusätzliche Schutzwirkung erzielt. Dies eignet sich besonders bei der Befüllung mit reinen Gasen.
  • Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Dicke von höchstens 500 nm, insbesondere von höchstens 100 nm, auf. Dies bewirkt zum einen eine möglichst schnelle Herstellung und zum anderen eine gewisse Flexibilität der Beschichtung. Eine Mindestdicke hingegen hängt von der Rauigkeit des Grundmaterials ab. Dabei müssen ”scharfe Kanten” des Grundmaterials vollständig bedeckt sein.
  • Es ist von Vorteil, wenn das Grundmaterial des Gasbehälters Stahl, insbesondere Chrom-Molybdän-Stahl, weitere insbesondere 34CrMo4-Stahl, umfasst. Stahl ist zwar ein kostengünstiges Material, an sich für die eingangs erwähnten reinen Gase oder reaktiven Gasgemische allerdings wenig geeignet, da hier besonders leicht Reaktionen stattfinden, die zur Verunreinigung des Füllgases führen können. Durch die erfindungsgemäße Beschichtung kann nun jedoch auch Stahl als Grundmaterial für den Gasbehälter verwendet werden, da die unerwünschten Reaktionen verhindert werden. Bei 34CrMo4-Stahl handelt es sich bspw. um eine üblicherweise für Gasflaschen (dann jedoch nicht zur Befüllung mit reinen Gasen oder aktiven Gasgemischen) verwendeten Stahl und ist daher leicht verfügbar und kostengünstig.
  • Vorzugsweise ist der Gasbehälter im Wesentlichen zylinder- oder flaschenförmig ausgebildet. Dabei handelt es sich um eine üblicherweise verwendete Form von Gasbehältern zur Befüllung mit Gas, da der Gasbehälter dadurch besonders stabil und leicht transportierbar ist.
  • Vorteilhafterweise ist der Gasbehälter als Gasdruckbehälter, insbesondere als Hochdruckbehälter, ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders effektive Befüllung des Gasbehälters mit Gas und somit auch eine Reduzierung der Größe des Gasbehälters.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gasbehälter.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt einer Wand eines erfindungsgemäßen Gasbehälters mit einer Beschichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt einer Wand eines erfindungsgemäßen Gasbehälters mit einer Beschichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • In 1 ist ein als Gasflasche ausgebildeter erfindungsgemäßer Gasbehälter 100 schematisch dargestellt. Vorliegend umfasst die Gasflasche 100 einen Grundkörper 101 mit im Wesentlichen zylindrischer Form sowie eine Verschlusskappe 102. Der mit A bezeichnete Ausschnitt der linken unteren Ecke der Wand des Gasbehälters 100 ist in 2 detaillierter dargestellt.
  • In 2 ist der Ausschnitt A der Wand des Gasbehälters 100 aus 1 größer dargestellt. Die Wand umfasst ein Grundmaterial 110, bei welchem es sich um Stahl, vorzugsweise einem für Gasflaschen üblicherweise verwendeten 34CrMo4-Stahl, handelt. Die Dicke des Grundmaterials 110 beträgt dabei einige Millimeter (ca. 4 mm bis 8 mm) und unterscheidet sich insoweit nicht von einer herkömmlichen Gasflasche aus Stahl. Umittelbar auf dem Grundmaterial 110 ist nun jedoch eine Beschichtung 120 aufgebracht.
  • Wie bereits eingangs beschrieben, handelt es sich bei der Beschichtung 120 um mehrere mittels eines ALD-Verfahrens hergestellte Lagen wenigstens eines Beschichtungsmaterials wie bspw. Al2O3 oder TiO2. Eine weitere Detaillierung der Behälterwand, insbesondere der Beschichtung 120 ist in 3 gezeigt, welche den mit B bezeichneten Ausschnitt umfasst.
  • In 3 ist der Ausschnitt B der Wand des Gasbehälters aus 2 größer und detaillierter dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die auf das Grundmaterial 110 aufgebrachte Beschichtung 120 aus mehreren Lagen besteht. Beispielhaft sind nur drei Lagen 130, 131 und 132 dargestellt. Je nach gewünschter Ausführungsform umfasst die Beschichtung jedoch bspw. bis zu 50 oder 100 Lagen.
  • Jede einzelne Lage hat die Dicke des Duchmessers eines Moleküls des jeweiligen Beschichtungsmaterials, welche im Bereich von wenigen Nanometern liegt. Weiterhin sind die Moleküle einer Lage homogen und dicht aneinander angeordnet, was durch das ALD-Verfahren bewirkt wird.
  • Insbesondere ist in 3 zu erkennen, dass die einzelnen Lagen an die Oberflächenstruktur des Grundmaterials 110 angepasst sind. Insgesamt bildet die Beschichtung 120 somit eine sehr korrosionsresistente Schutzschicht, wodurch sich der erfindungsgemäße Gasbehälter 100 sehr gut für die Befüllung mit reaktionsfreudigen Gasen oder Gasgemischen eignet.
  • Weiterhin ist der 3 zu entnehmen, dass die Beschichtung 120 aus Lagen unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien besteht. Vorliegend bestehen die Lagen 130 und 132 aus einem ersten Beschichtungsmaterial, bevorzugt Al2O3, und die dazwischen liegende Lage 131 aus einem zweiten Beschichtungsmaterial, bevorzugt TiO2. Diese Anordnung kann bei einer größeren Anzahl an Lagen entsprechend weitergeführt sein, so dass sich die beiden Beschichtungsmaterialien mit jeder Lage abwechseln. Dies erhöht die Schutzwirkung, d. h. die Korrosionsbeständigkeit, der Beschichtung 120.
  • Der Vollständigkeit halber sei jedoch angemerkt, dass bereits eine Beschichtung aus nur einem Beschichtungsmaterial eine deutliche Schutzwirkung erzielt. Andererseits sind auch andere Kombinationen, wie bspw. mehr als zwei verschiedene Beschichtungsmaterialien und/oder eine andere Anordnung der Lagen möglich. Bspw. können auch zwei oder drei Lagen eines Beschichtungsmaterials übereinander aufgebracht sein, bevor eine oder mehrere Lagen eines anderen Beschichtungsmaterials folgen.
  • Weiterhin sei noch erwähnt, dass auch eine zusätzliche Passivierung der Beschichtung 120 mit einem zu befüllenden Gas erfolgen kann, wodurch die Schutzwirkung weiter erhöht wird. Dies ist insbesondere bei Befüllung mit reinen Gasen vorteilhaft und sinnvoll. Bei einer Befüllung mit weniger reaktiven Gasen oder Gasgemischen (bspw. CO, NO, SO2) kann diese Passivierung jedoch auch weggelassen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2628817 A1 [0008]
    • WO 2014/033359 A1 [0009]

Claims (11)

  1. Gasbehälter (100), dessen Innenseite eine unmittelbar auf einem Grundmaterial (110) des Gasbehälters (100) aufgebrachte Beschichtung (120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (120) mehrere monomolekulare Lagen (130, 131, 132) wenigstens eines Beschichtungsmaterials und mit jeweils im Wesentlichen unmittelbar in der jeweiligen Lage (130, 131, 132) nebeneinanderliegenden Molekülen umfasst.
  2. Gasbehälter (100), dessen Innenseite eine unmittelbar auf einem Grundmaterial (110) des Gasbehälters (100) aufgebrachte Beschichtung (120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (120) mehrere durch ein ALD-Verfahren hergestellte Lagen (130, 131, 132) wenigstens eines Beschichtungsmaterials umfasst.
  3. Gasbehälter (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wengistens eine Beschichtungsmaterial aus Al2O3, SiO2, TiO2, Ta2O5 und HfO2 ausgewählt ist.
  4. Gasbehälter (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei der mehreren Lagen (130, 131) aus verschiedenen Beschichtungsmaterialen gebildet sind.
  5. Gasbehälter (100) nach Anspruch 4, wobei die mehreren (130, 131, 132) Lagen abwechselnd aus zwei verschiedenen Beschichtungsmaterialien gebildet sind.
  6. Gasbehälter (100) nach Anspruch 5, wobei die zwei verschiedenen Beschichtungsmaterialien Al2O3 und TiO2 umfassen.
  7. Gasbehälter (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf die Beschichtung (120) eine zusätzliche Beschichtung, die Moleküle des zur Befüllung vorgesehenen Gases umfasst, aufgebracht ist.
  8. Gasbehälter (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (120) eine Dicke von höchstens 500 nm, insbesondere von höchstens 100 nm, aufweist.
  9. Gasbehälter (100) nach einem der vorstehenen Ansprüche, wobei das Grundmaterial (110) des Gasbehälters Stahl, insbesondere Chrom-Molybdän-Stahl, weitere insbesondere 34CrMo4-Stahl, umfasst.
  10. Gasbehälter (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gasbehälter im Wesentlichen zylinder- oder flaschenförmig ausgebildet ist.
  11. Gasbehälter (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gasbehälter als Gasdruckbehälter, insbesondere als Hochdruckbehälter, ausgebildet ist.
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