DE3722745A1 - Herstellungsverfahren fuer hohlkoerper aus beschichteten blechen und apparat, insbesondere supraleitender hochfrequenz-resonator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Herstellungsverfahren für Hohlkörper aus beschichteten Blechen und einen danach hergestellten Apparat, insbesondere einen supraleitenden Hochfrequenz-Resonator aus Niob, der außen mit Kupfer beschichtet ist.

Metallische Hohlkörper, die innen mit einem hochwertigen Metall wie z. B. Niob, Titan oder Tantal beschichtet sind, werden für chemische Apparate benötigt, wenn es auf die Korrosionsbeständigkeit ankommt. Dabei sind oft Heiz- oder Kühlrohre notwendig, die mit diesen Apparaten in gut leitender Verbindung stehen. Beschichtete Hohlkörper sind von besonderem Interesse für Hochfrequenz-Resonatoren, bei denen es einerseits auf die besonderen Eigenschaften des Niob bei tiefen Temperaturen und auf die Maßhaltigkeit seiner inneren Oberfläche und andererseits auf die gute Wärmeleitung des Kupfers ankommt. Diese Hochfrequenz-Resonatoren werden mit Hilfe von verdampfendem flüssigen Helium im Zustand der Supraleitung gehalten. Ihre Anordnung in einem mit flüssigem Helium gefüllten Behälter ist nicht nur sehr aufwendig beim Bau und im Betrieb, sondern kann auch durch unvermeidliche Druckschwankungen des flüssigen Heliums den Resonator verformen und damit seine Eigenfrequenz ändern. Daher ist es wünschenswert, Resonatoren außen mit einzelnen Kühlrohren zu versehen, die mit der Resonatoraußenwand in gut wärmeleitender Weise verbunden sind. Die üblichen Lötverbindungen zwischen Niob-Bauteilen und Kupferrohren führen durch die zwangsläufige Erwärmung im Niob zu Gefüge- und Oberflächenveränderungen, die bei der Verwendung für Hochfrequenz-Resonatoren unerwünscht sind. Niob allein leitet nicht ausreichend die Wärme ab und soll daher in gut leitender Weise und großflächig mit Kupferbauteilen verbunden sein. Bisher wurden Resonatoren oft aus Kupfer gefertigt, das sich gut verarbeiten läßt, und anschließend innen durch Aufdampfen oder Sputtern mit Niob beschichtet, was aber einerseits teuer ist und andererseits nicht die gewünschte Oberflächenqualität aufweist.

Aus der deutschen Patentschrift 32 38 776.8 ist ein Verfahren zum Aus- oder Umkleiden und untereinander Verbinden von vorgeformten Werkstücken mit dünnen Blechen bzw. Folien aus hochwertigen metallischen Werkstoffen durch Explosionsschweißung bekannt, wobei aber eine Verbindung unterschiedlicher Metalle nur im Bereich des partiell aufgebrachten Sprengstoffs erfolgt. In dieser Schrift sind die besonderen Probleme des chemischen Apparatebaus mit plattierten Blechen ausführlich dargestellt.

In der europäischen Patentanmeldung 01 75 495 wird ein supraleitender Apparat mit Kühlrohren beschrieben, der aber nur eine zylindrische Form hat, wobei die Kühlrohre mäanderförmig um diesen Zylinder herumgelegt sind. Über die besonderen metallurgischen Probleme hochwertiger Metalle und deren metallurgische Verbindung mit Kühlrohren ist dort kein Hinweis zu finden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen, innen beschichteten metallischen Hohlkörpern mit zylindrisch-axialen Anschlußstutzen, insbesondere mit außen gut leitend aufgebrachten Kühlrohren sowie ein nach diesen Verfahren hergestellter Apparat, insbesondere ein supraleitender Hochfrequenz-Resonator aus mit Kupfer beschichtetem Niob.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, die Anwendung dieser Verfahren zur Herstellung von Hochfrequenz-Resonatoren aus mit Kupfer beschichtetem Niob und ein dementsprechender kühlbarer Apparat, insbesondere ein Hochfrequenz-Resonator vorgeschlagen.

Mit dem Verfahren nach dem 1. Anspruch können auch kompliziert geformte Apparate und Behälter hergestellt werden, die innen eine durchgehende Schicht eines hochwertigen Metalles mit hoher Oberflächengüte aufweisen. Dabei wird für die innere, hochwertige Schicht eine Mindestwandstärke vorgesehen, die einerseits für die Zwecke des Elektronenstrahlschweißens ausreichend ist und andererseits die in einem solchen Apparat oder Behälter auftretenden Kräfte ausreichend überträgt. Soweit es notwendig erscheint, kann auch die äußere Schicht mit einem über die Schweißnaht der inneren Schicht gelegten Blechstreifen miteinander verbunden werden. Dabei werden aber die Funktionen klar getrennt. Die innere Schicht soll durchgehend dicht und korrosionsfest miteinander verbunden sein, während die äußere Schicht nur aus Gründen der durchgehenden Festigkeit miteinander verbunden wird, so daß außen weder Dichtigkeit noch Oberflächengüte verlangt werden. Die Umformung der beschichteten Bleche zu Halbhohlkörpern kann entweder durch Tiefziehen oder durch Drücken mit rotierenden Druckrollen erfolgen. Beim Drücken wird das Ausgangswerkstück, ein Blech, zentrisch gespannt und mit der Druckrolle gegen eine mit dem Blech rotierende Drückform gepreßt. Die Drückform hat außen die Innenform des gewünschten Fertigteils. Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei geringer Stückzahl angewandt, bei der sich die Anschaffung von Tiefziehwerkzeugen noch nicht lohnt. Bei kleinen Krümmungsradien ist auch eine Kombination beider Verfahren zweckmäßig, wobei die inneren Bereiche mit kleinem Krümmungsradius tiefgezogen und die Bereiche mit einem größeren Krümmungsradius gedrückt werden.

Im 2. Anspruch wird ein Verfahren ähnlich wie das im 1. Anspruch vorgeschlagen, wobei aber die Hohlkörper zusätzlich außen mit Kühlrohren versehen werden, die in einer Vakuumkammer elektronenstrahlgeschweißt werden können. Diese Kühlrohre werden aus Kreis- bzw. Ovalrohren oder auch aus besonderen Profilrohren insbesondere zu Kreisringen gebogen und an ihrer Stoßstelle dicht verschweißt. Anschließend können sie in einer Presse und/oder durch Abdrehen an die genaue Form der Hohlkörper angepaßt werden, so daß für das spätere Elektronenstrahlschweißen ein definierter Spalt zwischen beiden Bauteilen gewährleistet wird. Insbesondere für eine metallurgische Verbindung mit dem Elektronenstrahlschweißverfahren ist von Bedeutung, daß erst die Kühlrohre an die Hohlkörper angeschweißt und dann erst diese Hohlkörper miteinander bzw. mit den Anschlußstutzen verbunden werden können. Dadurch wird die Zugänglichkeit der Schweißnähte und die Handhabung innerhalb der Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißmaschine erleichtert.

Im 3. Anspruch wird eine besonders zweckmäßige Alternative zum 2. Anspruch vorgeschlagen. Da der Elektronenstrahl nur eine örtlich und zeitlich begrenzte Wärmemenge in die Bauteile einbringt, werden auf diese Weise thermische Spannungen zwischen den beiden Bauteilen weitgehend vermieden.

Im 4. Anspruch wird eine zweckmäßige Alternative zu den beiden ersten Ansprüchen angegeben, die besonders dann von Interesse ist, wenn im zentrumsnahen Bereich der beschichteten Bleche eine Umformung mit geringen Krümmungsradien erwünscht ist.

Im 5. Anspruch wird ein bevorzugter Anwendungsfall für die Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 angegeben. Hochfrequenz- Resonatoren dieser Art wurden bisher, wie oben bereits erwähnt, in großen, mit flüssigem Helium gefüllten Behältern angeordnet, weil eine wärmetechnisch und metallurgisch befriedigende Verbindung zwischen den speziellen, für Hochfrequenz-Resonatoren notwendigen Hohlkörperformen und einzelnen Kühlrohren noch nicht bekannt war.

Im 6. Anspruch wird als Produkt der vorhergehenden Verfahrens­ ansprüche ein entsprechender Apparat, insbesondere ein Hochfrequenz-Resonator vorgeschlagen.

Die im 7. Anspruch vorgeschlagene Anordnung soll nicht nur in an sich bekannter Weise die Kühlrohre mit Zu- und Abflüssen versehen, sondern kann auch dem aus mehreren Hohlkörpern bestehenden Gebilde die für Transport und Montage notwendige Steifigkeit verleihen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines supraleitenden Resonators aus Niob mit einer äußeren Beschichtung aus Kupfer für eine Frequenz von 1 GHz.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen Resonator mit einer Ansicht der Rohrleitungen.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch Fig. 1 mit einer Ansicht auf ein Anschlußrohr.

Die Fig. 3 und 4 zeigen konstruktive Einzelheiten an Anschlußrohren bzw. Verteiler- oder Sammelleitungen für das Kühlmedium.

Fig. 5 zeigt als Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung die Verbindung zweier Halbhohlkörper.

In Fig. 1 besteht der gesamte Apparat aus mehreren rotationssymmetrischen Halbhohlkörpern 1, die jeweils spiegelbildlich mit gleichartigen Halbhohlkörpern und jeweils an den beiden Enden des Apparates mit zylindrischen Stutzen 2 verbunden sind. Beide Teile bestehen innen aus Niob, mit einer Wandstärke von etwa 3 mm, und außen aus Kupfer, ebenfalls mit einer Wandstärke von etwa 3 mm. An den Stoßstellen ist das äußere Kupfer im Bereich der Schweißnaht entfernt, damit das Niob beim Schweißen nicht durch Kupfer verunreinigt wird. Auf der äußeren Kupferschicht sind kreisringförmige Kühlrohre 3 bis 7 aufgebracht, deren Abstände sich aus der abzuführenden Wärmemenge ergeben und deren Form und Durchmesser der Geometrie der Halbhohlkörper 1 angepaßt ist. Diese Kühlrohre sind jeweils an ihrem tiefsten Punkt mit einem Anschlußrohr 8 bis 12 mit einer geraden waagerechten Verteilerleitung 13 und an ihrem jeweils höchsten Punkt mit einem Anschlußrohr 14 bis 18 mit einer waagerechten geraden Sammelleitung 19 für ein Kühlmedium verbunden. Im Betrieb fließt durch die Verteilerleitung 13 flüssiges Helium, das in den Kühlrohren teilweise verdampft, wobei der Dampf durch die Sammelleitung 19 abgeführt und einer nicht näher beschriebenen Kälteanlage zugeführt wird. Die Anschlußrohre 10 bis 12 sowie 16 bis 18 sind, wie in Fig. 2 dargestellt, gekrümmt, um Wärmespannungen gegenüber den wesentlich kürzeren geraden Anschlußrohren 8 und 9 sowie 14 und 15 zu vermeiden. Die Verteilerleitungen 13 und die Sammelleitungen 19 sind an den Enden jeweils mit nicht näher beschriebenen Flanschen 20 an Rohrstutzen 21 ausgestattet. Die Halbhohlkörper 1 sind aus ebenen, sprengplattierten Niob-Kupfer-Blechen hergestellt und zwar im vorliegenden Fall, wie oben bereits beschrieben, durch Drücken gegen eine mit dem Blech gemeinsam rotierende Innenform. Die zylindrisch-axialen Anschlußstutzen 2 wurden ebenfalls aus ebenen, sprengplattierten Blechen hergestellt, indem diese zunächst zur Rohrform gewalzt, dann längsnahtgeschweißt und schließlich noch einmal bis zur endgültigen, exakten Zylinderform gewalzt werden. Dabei ist es zweckmäßig, im Bereich der Längsschweißnaht das vor dem Schweißen entfernte Kupfer durch einen Kupferstreifen zu ersetzen, damit der Stutzen gleichmäßig über den gesamten Umfang gewalzt werden kann. Dieser Kupferstreifen wird vor dem Schweißen etwas angeheftet und kann am Stutzen verbleiben.

Fig. 3 zeigt den Übergang eines Anschlußrohres 16 zu einem Kühlrohr 5.

Fig. 4 zeigt den Übergang einer Sammelleitung 19 zum Flansch 20.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen, auf der lnnenseite mit einem hochwertigen Metall beschichteten Hohlkörpern mit zylindrisch-axialen Anschlußstutzen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:

• a) Sprengplattierte ebene Bleche werden gegen eine Innenform zu Halbhohlkörpern umgeformt.
• b) Die mittlere Kuppe sowie der äußere Rand dieser Halbhohl­ körper werden abgeschnitten.
• c) An beiden Schnittstellen wird das äußere Metall im Bereich einer späteren Schweißnaht entfernt.
• d) Die innere Schicht dieser Halbhohlkörper wird auf beiden Seiten mit der inneren Schicht eines weiteren Halbhohlkörpers oder eines zylindrischen Anschlußstutzens verschweißt.

2. Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen, auf der Innenseite mit einem hochwertigen Metall beschichteten Hohlkörpern mit zylindrisch-axialen Anschlußstutzen und außen aufgebrachten Kühlrohren, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Sprengplattierte ebene Bleche werden gegen eine Innenform zu Halbhohlkörpern umgeformt.
• b) Die mittlere Kuppe sowie der äußere Rand dieser Halbhohl­ körper werden abgeschnitten.
• c) An beiden Schnittstellen wird das äußere Metall im Bereich einer späteren Schweißnaht entfernt.
• d) Die Kühlrohre werden zu Kühlschlangen, insbesondere in sich geschlossenen Kreisringen gebogen und an Stoßstellen dicht verschweißt.
• e) Diese Kühlrohre werden an die Form der Hohlkörper angepaßt.
• f) Die Kühlrohre werden mit den Hohlkörpern metallurgisch verbunden.
• g) Die Kühlrohre werden angebohrt.
• h) Die Kühlrohre werden im Bereich dieser Bohrungen mit Anschlußstutzen verbunden.
• i) Die innere Schicht dieser Halbhohlkörper wird auf beiden Seiten mit der inneren Schicht eines weiteren Halbhohlkörpers oder eines zylindrischen Anschlußstutzens verschweißt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmig gebogenen und an die Form der Hohlkörper angepaßten Kühlrohre nach dem an sich bekannten Elektronenstrahlverfahren mit den Hohlkörpern verschweißt werden, indem der Elektronenstrahl etwa tangential zwischen Hohlkörper und Kühlrohr gerichtet wird und die Hohlkörper beim Schweißen bewegt werden, insbesondere um ihre Achse rotieren.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den für die Herstellung der Hohlkörper vorgesehenen ebenen beschichteten Blechen im inneren Bereich das äußere Metall kreisförmig entfernt ist.

5. Anwendung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung von supraleitenden Hochfrequenz-Resonatoren aus mit Kupfer beschichtetem Niob.

6. Kühlbarer Apparat, insbesondere Hochfrequenz-Resonator aus einem oder mehreren, miteinander verbundenen rotationssymmetrischen Hohlkörpern mit zylindrisch-axialen Anschlußstutzen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Hohlkörper und Anschlußstutzen bestehen aus sprengplattierten Blechen.
• b) Hohlkörper und Anschlußstutzen sind im Bereich der inneren Schicht metallurgisch miteinander verbunden.
• c) Kühlrohre sind mit den Hohlkörpern metallurgisch verbunden.

7. Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der äußeren Schicht verbundenen Kühlrohre kreisförmig sind und mindestens an zwei Stellen ihres Umfangs über Anschlußrohre mit je einer Verteiler- bzw. Sammelleitung für das Kühlmedium verbunden sind.