DE3145916C2

DE3145916C2 - Metallthermosflasche mit zwischen Innen- und Außenflasche evakuiertem Zwischenraum

Info

Publication number: DE3145916C2
Application number: DE3145916A
Authority: DE
Inventors: Mamoru Nara Fujiyama; Masakatsu Kashihara Komeda
Original assignee: Zojirushi Vacuum Bottle Co Ltd
Current assignee: Zojirushi Corp
Priority date: 1980-11-20
Filing date: 1981-11-19
Publication date: 1984-09-13
Also published as: GB2088040B; DE3145916A1; US4427123A; KR880004240Y1; GB2088040A; JPS5812680Y2; JPS5790017U

Abstract

Es wird eine Edelstahl-Thermosflasche mit einer Innen- und einer Außenflasche aus Edelstahl beschrieben. Die Innen- und die Außenflasche sind an den Spitzenteilen ihrer Flaschenhälse unter Bildung einer Doppelwand-Konstruktion verbunden. Der Raum zwischen den zwei Flaschen ist ein Vakuum. Die Oberflächen der Innen- und Außenflaschen, die den Raum umgeben, sind mit mindestens einer Metallabscheidung auf mindestens einer Außenoberfläche der Innenflasche, ausgenommen der gesamten Flaschenhalsoberflächen in dem Raum oder eines Teils derselben, versehen. Die gesamten Flaschenhalsoberflächen oder ein Teil derselben in dem Raum schließen die Oberfläche der Verbindung zwischen den zwei Flaschen ein.

Description

1. die Metallabscheidung (20) umfaßt wenigstens eine Nickelschicht (7, 7a, 7b 7c, 7d) und eine darauf abgeschiedene Kupfer- oder Silberschicht (8),

2. mindestens ein Teil der eingeschlossenen Oberflächen (11, 12) im Bereich des Flaschenhalses (10) ist von der Metallabscheidung (20) ausgespart,

3. Innen- (1) und Außenflasche (2) bestehen aus Edelstahl.

Die Erfindung betrifft eine Metallthermosflasche, umfassend eine aus Stahl bestehende Innen- und Außenflasche, die an den oberen Rändern ihrer Flaschenhälse zu einem Doppelwandaufbau miteinander verbunden sind, dessen zwischen der Innen- und der Außenflasche vorhandener Zwischenraum evakuiert ist, wobei die den Zwischenraum begrenzenden Oberflächen des Flaschenkörpers der Innenfla&che mit einer Metallabscheidung versehen sind, die gegebenenfalls eine Silberschicht umfaßt

Die derzeit weit verwendeten Thermosflaschen sind gewöhnlich aus Glas hergestellt und sie haben eine Doppelwand-Konstruktion mit einem Raum zwischen den zwei Wänden, der aus einem Vakuum besteht Soiche Glasthermosflaschen haben zwar die Vorteile von hohen wärmeisolierenden Eigenschaften, sind aber gegenüber mechanischen Stoßen schlecht beständig. Bei mechanischen Beanspruchungen kann es daher zu einem Bruch der Flaschen und zu einem Ausfließen des Inhalts kommen.

Es sind schon Thermosflaschen aus Metall mit hoher Beständigkeit gegenüber mechanischen Stoßen vorgeschlagen worden, die aus einem geeigneten Metallmaterial, wie Edelstahl, bestehen. Einige dieser Thermosflaschen sind auch schon in der Praxis verwendet worden. So gibt es z. B. eine Metallthermosflasche, die aus Edelstahl besteht und eine vakuumisolierte Doppelwand-Konstruktion besitzt Zur Verminderung der Wärmeübertragung aufgrund von Abstrahlungserscheinungen ist die Innenflasche poliert und ein zusammengesetztes Material ist in dem Vakuumraum zwischen der Innen- und AuBenflasche angeordnet Das zusammengesetzte Material besteht im allgemeinen aus einer oder mehreren glänzendgemachten dünnen Stahl- oder Aluminiumplatten und Schichten aus Glaswolle. Bei einer Alternativform ist in den Vakuumraum eine große Menge eines Gemisches aus feinkörnigem Pulver von Graphit, Diatomeenerde und Calciumoxid gepackt.

So ist aus der US 15 66 221 eine Metallthermosflasche

bekannt die eine Innenflasche und eine Außenflasche aufweist, welche an den oberen Rändern ihrer Flaschenhälse zu einem Doppelwandaufbau miteinander verbunden sind. Der zwischen der Innenflasche und der Außenflasche vorhandene Zwischenraum ist evakuiert Die den Zwischenraum begrenzenden Oberflächen des FIa- ^chenkörpers der Innenflasche sind mit einer Metallabscheidung versehen, die nach dem Vorschlag der genannten US-Patentschrift an sich eine Chromschicht ist ίο jedoch nach dem in dieser Druckschrift angegebenen Stand der Technik auch eine Silberschicht umfassen kann.

Die Metallabscheidung ist auf sämtlichen, dem Zwischenraum zugewandten Flächen der Innenflasche und der Außenflasche vorgesehen und besteht jeweils nur aus einer einzigen Schicht Diese Anordnung und Ausbildung der Metallabscheidung hat aber, wie sich bei den Untersuchungen, welche zur vorliegenden Erfindung geführt haben, gezeigt hat den Nachteil, daß die thermischen Isolierungseigenschaften der bekannten Metallthermosflasche verhältnismäßig schlecht und insgesamt unbefriedigend sind.

Denn Metallthermosflaschen haben zwar die Vorteile einer hohen Beständigkeit gegenüber mechanischen Stößen, und die Außenflasche als solche kann als Außenmantel dienen. Jedoch sind die Metallthermosflaschen hinsichtlich ihrer thermischen Isolierungseigenschaften, die die wichtigste Eigenschaft von solchen Thermosflaschen ist, den Thermosflaschen aus Glas in erheblichem Ausmaß unterlegen. Die Schwierigkeit der schlechten thermischen Isolierungseigenschaften hängt hauptsächlich von den physikalischen Eigenschaften des verwendeten Metalls und dem Aufbau der Metallthermosflasche ab.

Hinsichtlich des verwendeten Metalls ist es so, daß das Metallmaterial verschiedene Gase, wie zum Beispiel Wasserstoff enthält die sich derart verhalten, daß sie aus dem Inneren des Metalls in den Vakuumraum freigesetzt werden bzw. diffundieren, was zur Folge hat, daß sich das Vakuum im Zwischenraum zwischen der Innenflasche und der Außenflasche im Verlauf der Zeit fortschreitend verschlechtert Es ist infolgedessen bei derartigen Metallthermosflaschen sehr schwierig, die thermischen Isolierungseigenschaften über einen Iangen Zeitraum aufrechtzuerhalten, ohne daß sich dieselben verschlechtern. Zwar wurde bereits versucht, die Verschlechterung mittels eines Gettermaterials zu verhindern, das die Eigenschaft besitzt mit dem aus dem Metall in das Vakuum freigesetzten Gasen stabile, nichtgasförmige Verbindungen zu bilden.

Hinsichtlich des Aufbaus der Metallthermosflaschen ist es so, daß die thermischen Isolierungseigenschaften von Metallthermosflaschen deswegen verhältnismäßig unbefriedigend sind, weil ein verhältnismäßig starker Wärmetransport zwischen der Innenflasche und der Außenflasche durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung stattfindet Zwar ist es gelungen, diesen Wärmetransport bis zu einem gewissen Grade dadurch einzudämmen, daß man die dem evakuierten Zwischenraum zwisehen der Innenflasche und der Außenflasche zugewandten Rächen der Innen- und Außenflasche mittels einer Silberschicht oder einer Chromschicht verspiegelt hat wie in der US-Patentschrift 15 66 221 beschrieben. Jedoch findet trotz dieser Maßnahme immer noch ein relativ nicht unbedeutender Wärmetransport zwischen der Innenflasche und der Außenflasche statt, aufgrund dessen eine Abkühlung eines heißen Inhalts in der Metallthermosflasche und eine Erwärmung eines kalten In-

halts in der Metallthermosflasche innerhalb einer Zeitdauer erfolgt, die immer noch geringer als die entsprechende Zeitdauer ist, die bei Glasthennosflaschen vergeht, bis eins entsprechende Abkühlung oder Erwärmung von deren Inhalt erfolgt ist

Insgesamt ist es deshalb sowohl bezüglich der zeitlichen Stabilität als auch hinsichtlich der Eindämmung des Wärmetransports bisher noch nicht gelungen, Metallthermosflaschen so auszubilden, daß deren thermische Isolierungseigenschaften die Güte der thermischen Isolierup.gseigenschaften von Glasthennosflaschen erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Metallthermosflasche zur Verfügung zu stellen, die höhere thermische Isolierungseigenschaften als bisher aufweist und deren thermische Isolierungseigenschaften über einen langen Zeitraum möglichst konstant bleiben, & h. sich möglichst nicht oder nicht wesentlich verschlechtern.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Metallthermosflasche der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

1. die Metallabscheidung umfaßt wenigstens eine Nickelschicht und eine darauf abgeschiedene Kupfer- oder Silberschicht,

2. mindestens ein Teil der eingeschlossenen Oberflächen im Bereich des Flaschenhalses ist von der Metallabscheidung ausgespart,

3. Innen- und Außenflasche bestehen aus Edelstahl.

Bei den Untersuchungen, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, wurde nämlich überraschenderiveise gefunden, daß sich der Wärmeübergang zwischen der Innenflasche und der Außenflasche dadurch merklich vermindern läßt, daß im Gegensatz zum Stand der Technik, wonach sämtliche Oberflächen der Innen- und der Außenflasche, die dem evakuierten Zwischenraum zugewandt sind, verspiegelt werden, mindestens ein Teil der eingeschlossenen Oberflächen im Bereich des Flaschenhalses der Innenflasche und gegebenenfalls der Außenflasche nicht mit einer verspiegelnden Metallabscheidung versehen werden. Obwohl nämlich eine verspiegelnde Metallabscheidung auf den dem evakuierten Zwischenraum zugewandten Oberflächen der Innenflasche und der Außenflasche die Wärmeübertragung zwischen der Innen- und der Außenflasche vermindert, ist es überraschenderweise im Bereich der Verbindungsstelle der oberen Ränder der Flaschenhälse der Innenflasche und der Außenflasche und der Flaschenhälse der Innenflasche und der Außenflasche, soweit diese Bereiche den evakuierten Zwischenraum begrenzen, so, daß eine hier vorgesehene verspiegelnde Metallabscheidung zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen der Innen- und der Außenflasche und damit zu einer Verschlechterung der thermischen Isolierungseigenschaften der Metallthermosflasche führt

Weiter wurde überraschenderweise gefunden, daß die Gasabgabe aus dem Metall, aus welchem die Innenflasche und die Außenflasche besteht, in den evakuierten Zwischenraum zwischen der Innenflasche und der Außenflasche dadurch erheblich herabgesetzt werden kann, daß die auf diesen Oberflächen vorgesehene Metallabscheidung wenigstens eine Nickelschicht und eine darauf abgeschiedene Kupfer- oder Silberschicht umfaßt

Die allgemeine Wirkung der Nickelschicht besteht darin, die Freisetzung von Gas aus dem Grundmetall, aus dem die Innen- und die Außenflasche besteht zu verhindern. Hierbei kann diese Njckelschicht aus mindestens zwei Schichten bestehen, nämlich einer Glanz-Nickelschicht und einer Halbglanz-Nickelschicht, wobei vor allem letztere die Freisetzung oder Freigabe von s Gasen aus dem Grundmetall in den Vakuumraum verhindert, während erstere gegen die Wärmeübertragung aufgrund von Strahlung wirkt Die Kupfer- oder Silberschicht, die auf der Nickelschicht abgeschieden wird, hat sowohl die Wirkung, daß sie zusätzlich zu der Nickelschicht die Freisetzung von Gasen aus dem Grundmetall in den Vakuumraum, so weit eine solche noch durch die Nickelschicht hindurch erfolgt, verhindert, als auch daß sie, wie bereits obenerwähnt als verspiegelnde Schicht eine Wärmeübertragung durch Strahlung verhindert

Insgesamt wird also mit der Erfindung eine Metallthe«mosflasche geschaffen, die nicht nur eine gegenüber bisher bekannten Metallthermosflaschen verbesserte thermische Isolierung besitzt sondern diese thermische Isolierung auch über längere Zeiträume hinweg ohne merkliche Verschlechterung beibehält, indem der Austritt von Gasen aus dem Grundmetall der Innen- und Außenflasche in den Vakuumraum verhindert bzw. ganz wesentlich herabgesetzt und die Wärmeübertragung zwischen der Innenflasche und der Außenflasche vermindert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer Metallthermosflasche gemäß der Erfindung; und

F i g. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Teils Ader Fig. I.

In Fig. 1 ist eine Edelstahl-Thermosflasche 100 dargestellt Die Thermosflasche 100 enthält eine Innenflasehe oder ein Gefäß 1 und eine Außenflasche oder ein Gehäuse 2. Beide Flaschen sind aus Edelstahl hergestellt Die Innenflasche oder das Gefäß 1 hat eine im wesentlichen zylindrische Gestalt mit einem engen Halsteil 10a, der an seiner Oberseite unter Bildung eines Mundstücks bzw. einer öffnung 9 der Thermosflasche 100 offen ist Die Innenflasche 1 ist von einer Außenflasche 2 umschlossen, die eine im wesentlichen zylindrische Gestalt und einen größeren Durchmesser hat Die beiden Flaschen sind an der Spitze 3 des Flaschenhalses 10 durch eine geeignete Verbindungseinrichtung, beispielsweise eine Verlötung oder Verschweißung, unter Bildung einer Doppelwand-Konstruktion verbunden, wobei der Raum zwischen den zwei Flaschen ein Vakuum ist Der Boden 26 der AuBenflasche 2 ist mit einem Spitzenrohr 5 versehen, durch das Luft aus dem Raum 4, der zwischen der Innen- und der Außenflasche 1 und 2 erzeugt worden ist abgezogen wird. Eine Bodenkappe 6 ist auf dem Boden der Außenflasche 2 befestigt um das Spitzenrohr 5 zu schützen.

Um die Wärmeisolierungseigenschaften zu verbessern, ist die Thermosflasche mit mindestens einer Metallabscheidung 20 auf mindestens der Außenoberfläche der Innenflasche 1 versehen, wobei jedoch die gesamten Oberflächen 11,12 des Flaschenhalses 10 in dem Vakuumraum 4, die die Oberfläche der Verbindungsstelle 3 einschließen, oder ein Teil dieser Oberflächen ausgenommen sind. Die mindestens einmal vorgesehene Metallabscheidung 20 kann aus einer oder aus mehreren Nickelschichten bestehen, die durch Galvanisierung und/oder stromlose Abscheidung abgeschieden worden ist bzw. sind. Eine Kupfer- oder Silberschicht kann weiterhin auf der äußersten Nickelschicht abgeschieden sein, um die thermischen Isolierungseigenschaften der

Flasche zu verbessern. Bei der in den F i g. I und 2 dargestellten Ausführungsform besteht die Abscheidung 20 aus einer Nickelabscheidung 7 und einer Kupfer- oder Silberabscheidung 8. Die Nickelabscheidung 7 besteht aus einer Nickelvorschicht 7a, einer Halbglanz-Nickelschicht 7b, einer Trinickelschicht 7c und einer Glanz-Nickelschicht Td.

Die Thermosflasche mit der oben beschriebenen Konstruktion kann beispielsweise auf folgende Weise hergestellt werden. Ein Edelstahlblech wird zu einem Walzenkörper la, einem Bodenelement Xb und einem Schulterelement Ic verformt. Diese Teile werden sodann durch Verschweißen oder Verlöten miteinander verbunden, wodurch eine im wesentlichen zylindrische Innenflasche 1 mit einem engen Hals 10a gebildet wird. Es werden auch drei Komponenten für die Außenflasche 2 hergestellt, nämlich ein Walzenkörper 2a, ein Bodenelement 2b und ein Schulterelement 2c. Das Schulterelement 2c wird dann an den Walzenkörper 2a angefügt Bei dieser Ausführungsform bestehen die Innen- und die Außenflasche 1 und 2 aus drei gesonderten Komponenten, sie können aber auch aus zwei oder vier Komponenten bestehen. So kann beispielsweise die Innenflasche aus einem Walzenkörper la mit geschlossenem Ende und einem Schulterelement Ic hergestellt sein. Die so hergestellte Innenflasche 1 wird sodann an einer oberen Hälfte der Außenoberfläche U des Halsteils 10a durch ein geeignetes Abdeckmaterial, wie eine Kautschukkappe, ein Abdeckungsabschirmungsband etc., abgedeckt bzw. maskiert und sodann galvanisiert, um eine Abscheidung 20 auf der Außenoberfläche mit Ausnahme eines Teils der Außenoberfläche 11 des Halsteils zu bilden. Die Galvanisierung kann auf herkömmliche Weise unter Verwendung von bekannten galvanischen Bädern durchgeführt werden. So wird beispielsweise die Innenflasche durch Entfetten, Waschen mit Wasser und Abbeizen der zu galvanisierenden Oberfläche gereinigt und sodann in ein Bad zur stromlosen Nickelabscheidung eingetaucht, um eine dünne Nickelvorabscheidung 7a zu bilden. Die Innenflasche wird sodann galvanisiert und auf der Vorabscheidung wird der Reihe nach eine Halbglanz-Nickeiabscheidung Jb, eine Trinickelabscheidung 7c und eine Glanz-Nickelabscheidung 7rf gebildet Nach der Vernickelung der Außenoberfläche der Innenflasche wird Kupfer oder Silber auf der Nickelabscheidung 7 abgeschieden. Das Abdeckmaterial wird von der Innenflasche entfernt und die Flasche 1 wird sodann an der Spitze ihres Halsteils 10a mit dem vereinigten Walzenkörper-Schulterelement, mit dem das Bodenelement 26 verbunden ist verbunden, wodurch eine Doppelwand-Konstruktion gebildet wird. Die so hergestellte Thermosflasche 100 wird durch bekannte mechanische Pumpen zu einem Vakuum von etwa ΙΟ-³ bis 10-⁴ToIT evakuiert Während dieses Prozesses wird die Flasche 100 erhitzt, um absorbierte oder adsorbierte Gase von ihren Oberflächen zu entfernen. Die Thermosflasche wird sodann abgedichtet indem das Spitzenrohr 5 verschlossen wird, und die Bodenkappe 6 wird an dem Bodenelement 2b befestigt, wodurch die in F i g. 1 gezeigte Thermosflasche fertiggestellt ist

Bei der Edelstahl-Thermosflasche verhindert die äußerste Metailabscheidung, insbesondere die Kupferoder Silberabscheidung sowie die Silberspiegeloberfläche in der Glas-Thermosflasche, die Strahlungswärme-Übertragung. Die Oberflächen U und 12 des Flaschenhalses 10 mit Einschluß der Verbindungsoberfläche in dem Vakuumraum sind nicht plattiert, so daß die Leitungswärmeübertragung nicht erhöht ist und keine Entfernung der Kupfer- oder Silberabscheidung von den Spitzenenden der zu verschweißenden Halsteile notwendig ist, was zu Schweißfehlern führen könnte. Die Nickelabscheidung verhindert weiterhin die Gasfreisetzung aus dem Inneren des Grundmetalls (d. h. des Edelstahls), so daß fast keine Erniedrigung des Vakuums erfolgt. Selbst wenn das Gas aus dem Grundmetall durch die Nickelabscheidungen hindurch freigesetzt wird, dann wird die Freisetzung des Gases in das Vakuum durch die Kupfer- oder Silberabscheidung verhindert. Gewünschtenfalls kann ein Abfangmaterial in das Vakuum eingebracht werden. Die Thermosflasche besitzt daher hohe thermische Isolierungseigenschaften und sie hält diese Eigenschaften über einen langen Zeitraum konstant. Die Metailabscheidung kann auf der Außenoberfläche der Innenflasche und der Innenoberfläche der Außenflasche vorgesehen sein.

Die Nickelschichten können durch Galvanisierung gebildet werden und sie haben eine feinkörnige Kristallstruktur. Wenn die Nickelabscheidung aus zwei Schichten zusammengesetzt ist, dann wird die Halbglanz-Nikkelschicht vorzugsweise zuerst auf dem Grundmetall gebildet und sodann wird die Glanz-Nickelschicht darauf gebildet Obgleich eine Erosion dieser Nickelschichten verhindert wird, da diese in dem Vakuumraum der Flasche angeordnet sind, kann doch eine Glanz-Nickelschicht mit einem hohen Schwefelgehalt (im allgemeinen von 0,1 bis 0,2 %), die als Trinickel bezeichnet wird, zwischen die zwei Nickelschichten eingefügt werden, um sicherzustellen, daß keine Erosion stattfindet Bei einer bevorzugten Form wird eine stromlos abgeschiedene Nickelabscheidung auf dem Basismetall vor der Galvanisierung ausgebildet Diese stromlos abgeschiedene Nickelschicht ist von Nadellöchern fast frei und sie hat eine feine Kristallgröße. Die allgemeinen Wirkungen dieser Nickelschicht bestehen nicht nur darin, die Freisetzung von Gas aus dem Grundmetall zu verhindern, sondern auch die Haftung der Metailabscheidung auf der Edelstahl-Grundlage zu verbessern. Die Dicke der stromlos abgeschiedenen Abscheidung ist im allgemeinen nicht mehr als 20μπτ, vorzugsweise 10 bis 20 μπτ. Bei Abscheidungen mit weniger als 10 μπι werden die oben dargelegten Wirkungen nicht erzielt während Abscheidungen mit mehr als 20 μιτι dazu führen können, daß die Galvanisierungszeit erhöht wird, wodurch die Produktionsleistung sinken würde.

Die Lösung für die Galvanisierung oder die stromlose Abscheidung kann eine derartige sein, wie sie im allgemeinen in der Galvanotechnik bzw. bei der stromlosen Abscheidung verwendet wird.

Die Kupfer- oder Silberschicht wird nicht nur gebildet um die Wärmeübertragung durch Strahlung zu verhindern, sondern sie trägt auch mit dazu bei, die Freisetzung von Gas, welches von dem Grundmetall abgegeben wird, in den Vakuumraum durch die Nickelabscheidungen hindurch zu verhindern. Die Dicke einer solchen Kupfer- oder Silberabscheidung ist 2 bis 8 um, vorzugsweise 3 bis 5 um. Bei Abscheidungen mit weniger als 2 um ist es schwierig, wirksame Ergebnisse zu erhalten, während umgekehrt bei Abscheidungen mit mehr als 8 um eine Erhöhung der Herstellungskosten resultiert da der Sättigungseffekt der genannten Effekte bereits bei etwa 8 um erzielt wird.

In einigen Fällen kann die Innenoberfläche der Außenflasche nicht mit der Metailabscheidung versehen sein. Diese Oberfläche würde nämlich die Freisetzung des in dem Grundmetall enthaltenen Gases unter dem Einfluß des Vakuums und der Hitze gestatten, mit dem

Ergebnis, daß das freigesetzte Gas das Vakuum in dem
Raum erniedrigen könnte. Die Menge des tatsächlich
freigesetzten Gases ist jedoch sehr gering, da die Oberfläche der Außenflasche niemals direkt einer hohen
Temperatur ausgesetzt ist. Die Erniedrigung des Vakuums kann daher durch ein Getiermaterial, wie Barium,
Magnesium, Calcium, Natrium etc, verhindert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen io

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Claims

Patentanspruch:

MetaHthermosflasche, umfassend erne aus Stahl bestehende Innen- und Außenflasche, die an den oberen Rändern ihrer Flaschenhälse zu einem Doppelwandaufbau miteinander verbunden sind, dessen zwischen der Innen- und der Außenfläche vorhandener Zwischenraum evakuiert ist. wobei die den Zwischenraum begrenzenden Oberflächen des Flaschenkörpers der Innenflasche mit einer Metallabscheidung versehen sind, die gegebenenfalls eine Silberschicht umfaßt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: