DE3736579C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus Edelstahl zur Speicherung und Entnahme von Edelgas, Spezialgas oder Gasgemischen hoher Reinheit gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Für die Fertigung u. a. in der Elektronikindustrie werden Gase hoher Reinheit benötigt. Bei der Speicherung und dem Transport derartiger Gase in üblichen Stahlflaschen kommt es zu Verunreinigungen und zur Beeinträchtigung der Gemischkonstanz, die die Verwendungsmöglichkeit der Gase beeinträchtigen. Diese Bedingungen gelten insbesondere für korrosive, giftige und brennbare Gase, die z. B. bei der Halbleitertechnik benötigt werden.

Bekannt ist es, daß die Oberflächenbeschaffenheit und die Sauberkeit der Innenoberfläche des Druckbehälters auf die Reinheit und die Gemischstabilität der Gase großen Einfluß hat. Darüber hinaus ist aber auch das verwendete Material von Einfluß. Andererseits wird aus wirtschaftlichen Gründen des Transportes und der Lagerung verlangt, daß die Gase unter hohem Druck gehalten werden können. Dies erfordert auch ein hochfestes Druckbehältermaterial. Die Festigkeitsanforderungen erfüllt die bekannte Stahlflasche aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl zwar bestens; sie wird nach dem Stand der Technik aber dennoch nicht im Hinblick auf die Reinheits- und Korrosionsanforderung für geeignet angesehen.

Man hat bereits erkannt, daß die Gasverunreinigung um so geringer ist, je kleiner die Oberflächenrauheit der Druckbehälterinnenwand ist. Zur Erzeugung einer möglichst glatten Innenoberfläche ist in der vorbekannten DE-AS 23 64 377 vorgeschlagen worden, eine Flasche aus ferritisch-perlitischem Stahl innen galvanisch zu verzinnen oder zu verzinken. An anderer Stelle wird vorgeschlagen, die Innenoberfläche mit Quarzkugeln zu strahlen und chemisch oder mit Ultraschall zu reinigen.

Aus der DE-OS 36 14 290 ist ein Druckgasbehälter aus einem metastabilen Cr-Ni-Stahl bekannt, der zuerst als Rohbehälter hergestellt und anschließend über eine Kryoverformung verfestigt wird. Zur Erzielung einer angestrebten glatten Oberfläche wird der Rohbehälter vor der Kryoverformung elektrolytisch poliert. Nachteilig bei diesem Vorschlag ist, daß die Kryoverformung ein sehr aufwendiges Verfahren ist und spezielle meistens nicht vorhandene Einrichtungen erfordert. Zum anderen ist die Höhe der erreichbaren Verfestigung nur schwer kontrollierbar.

Zur Verbesserung des Anschlußsystems im Hinblick auf die Vermeidung von Verunreinigungen in diesem Bereich ist vorgeschlagen worden, am Hals einen ein Außengewinde tragenden Abschnitt vorzusehen, an dem das Ventil befestigbar ist. Zur Befestigung der Schutzkappe ist es bekannt, am Übergang vom Kopfteil zum Hals einen aufgeschrumpften Halsring anzuordnen, der ein komplementär zum Gewinde der Schutzkappe ausgebildetes Außengewinde aufweist (DE-PS 8 34 859).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckbehälter mit einem geeigneten Anschluß für die Speicherung und Entnahme von Edelgasen, Spezialgasen und Gasgemischen hoher Reinheit zu schaffen, um eine Verunreinigung und/oder eine Beeinträchtigung der Gemischkonstanz der Gase beim Lagern zu vermeiden. Der Druckbehälter soll überdies für Prüfdrücke bis einschließlich 300 bar geeignet und einfach sowie kostengünstig herzustellen sein.

Die Lösung der Aufgabe ist ein Druckbehälter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches.

Das verwendete Material des Druckbehälters ist gegen alle in Betracht kommenden Gase und Gasgemische in hohem Maße chemisch beständig. Es hat überdies die Eigenschaft, daß es sich galvanisch hochglanzpolieren (elektrochemisches Polieren) läßt, wodurch die aktive Oberfläche eingeebnet und gegenüber den unpolierten Zustand erheblich verkleinert wird. Dadurch wird der Absorptionseffekt der Gase auf die Behälterinnenwand sowie die Abgabe von Partikeln stark vermindert. Außerdem ist die Innenoberfläche nach dem Elektropolieren frei von mechanischen Restspannungen, die durch den Herstellungsprozeß entstanden sind, was die Sorptionsneigung des Behältermaterials vermindert.

Für die vorgesehenen Zwecke werden die Druckbehälter, insbesondere Gasflaschen, die hauptsächlich die üblichen Einheitsabmessungen haben, im Tauchverfahren poliert. Für größere Abmessungen kann vorgesehen sein, daß der Druckbehälter selbst das Gefäß zur Aufnahme des beim Elektropolieren benötigten Elektrolyten ist. Auf jeden Fall wird eine kathodische Gleichstromelektrode von ausreichender Länge in den Druckbehälter eingeführt, damit auch der Boden und das Kopfteil, sowie im Falle des mehr­ teilig geschweißten Druckbehälters die Schweiß- oder Lötnähte innen poliert werden. Ein derartiger Druckbehälter, insbesondere mit einem Nickelgehalt an der oberen Grenze wird für höhere Drücke in dem angegebenen Bereich ziemlich schwer und damit teuer sein, da das Material nach dem rekristallisierenden Lösungsglühen nur mäßige Festigkeitseigenschaften besitzt. Es werden deswegen außerdem die Maßnahmen nach den Unteransprüchen vorgeschlagen. Eine der Möglichkeiten ist, mit einem reduzierten Nickelgehalt ein ferritisch-austenitisches Mischgefüge zu erzeugen, das mit geringem Molybdänzusatz die Streckgrenze des Materials um etwa den Faktor 2,5 anhebt gegenüber dem üblichen Edelstahl.

Eine andere Maßnahme zur Gewichtsreduzierung ist im Falle des mehrteilig geschweißten Druckbehälters die zusätzliche Kaltverfestigung des zylindrischen Mantels des Druckbehälters. Dazu wird ein nahtloses oder geschweißtes Rohr bis in die Nähe des Anschlußbereiches um mindestens 10 bis 35% in der Wanddicke abgestreckt, bevor es mit dem Kopf- und Bodenteil verschweißt wird. Im Anschlußbereich muß die ursprüngliche Wanddicke bestehen bleiben, da ein Anlassen des kaltverfestigten Bereiches durch das Verbindungsschweißen bzw. Löten die angestrebte Festigkeitserhöhung zunichte machen würde. Wegen der bei einigen Typen großen Länge des Druckbehälters im Verhältnis zu seinem Durchmesser wirkt sich das Abstrecken zum Beispiel auf 75% der ursprünglichen Wanddicke erheblich gewichtsmindernd aus.

Eine weitere Maßnahme in Hinblick auf Gewichtseinsparung ist die Verstärkung des zylindrischen Teiles des Druckbehälters mit einer spannungslos oder unter Zug aufgebrachten von einem Kunststoff umhüllte Faserwicklung. Über diese Wicklung wird je nach Dicke und Vorspannung ein Teil der durch den Innendruck verursachten Spannung abgebaut, so daß die Wanddicke des metallischen Körpers im zylindrischen Bereich reduziert werden kann. Der Effekt der Gewichtseinsparung wird noch verstärkt, wenn der Vorschlag einer Faserwicklung mit einem kaltverfestigten zylindrischen Mantel kombiniert wird.

Der Druckbehälter kann in einer nahtlos einteiligen oder in einer mehrteilig geschweißten Ausführung hergestellt werden.

Der Vorteil der mehrteilig geschweißten Ausführung liegt darin, daß die einzelnen Teile leicht bearbeitet werden können, so daß die Innenoberflächen vor dem Elektropolieren entsprechend geglättet werden können. Alternativ ist es auch möglich, die einzelnen Teile des Druckbehälters vor dem Zusammenfügen zu elektropolieren und, falls erforderlich, nur die Nahtbereiche einer Nachbehandlung zu unterziehen. Die beim Warmumformen des Kopf- bzw. Bodenteiles einer einteiligen Flasche entstehenden, meistens kaum zu vermeidenden, kleinen Oberflächenanrisse können durch das Elektropolieren nur mit großem Aufwand und nur teilweise beseitigt werden. Der Effekt des Elektropolierens ist um so größer und der dafür erforderliche Aufwand um so geringer, je glatter die Oberfläche auf mechanischem Wege vorbereitet ist. Eine solche glatte Oberfläche ist auch über den Weg eines durch Kaltumformung hergestellten einteiligen Druckbehälters erreichbar.

Der Aufwand zur Verminderung der Rauheit, der in bezug auf die Innenoberflächen des Druckbehälters getrieben wird, muß auch den Anschluß mit einschließen, da ansonsten das Ziel einer deutlichen Partikelreduzierung für das Gesamtsystem nicht gewährleistet werden kann. Dazu ist es erforderlich, daß zum einen der Halsbereich des Druckbehälters elektropolierbar sein muß und die Verbindung des Ventils mit dem Druckbehälter zu keinem Materialabrieb führen darf. Zur Lösung dieses Problems wird für große Druckbehälter vorgeschlagen, die Bohrung im Halsbereich so groß wie möglich, d. h. gleich größer 40 mm Durchmesser zu wählen und statt des üblichen genormten kegeligen Innengewindes im Hals ein drehsicherbares Adapterstück anzuordnen, daß mit Hilfe einer Überwurfmutter mit dem Hals lösbar verbunden ist. Zwischen Adapterstück und Stirnfläche des Halses wird eine korrosionsbeständige metallische Dichtung eingesetzt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß durch das drehgesicherte Adapterstück die Dichtung nur auf Druck beansprucht und damit kein Abrieb erzeugt wird. Für die Drehsicherung des Adapterstückes gibt es mehrere Möglichkeiten, z. B. ein geradzahliges Mehrkantenprofil in Form von Sekanten zur Aufnahme eines Maulschlüssels oder eines entsprechenden Werkzeuges am ventilseitigen Ende des Adapterstückes anzuordnen oder zwei in axialer Richtung sich erstreckende Sacklochbohrungen vorzusehen, um einen Hakenschlüssel oder ein entsprechendes Werkzeug anzusetzen.

Die Verbindung des Adapterstückes mit dem Ventil kann in der Weise erfolgen, daß das Adapterstück mit dem Anschlußkörper des Ventils verschweißt oder gelötet wird und anschließend die gesamte Vorrichtung im Tauchverfahren elektropoliert wird. Eine Abwandlung dieser Verbindung besteht darin, den Anschlußkörper des Ventils in der Bohrung des Adapterstückes anzuordnen und an der Übergangsstelle außen und/oder innen eine Naht vorzusehen. Eine weitere Möglichkeit sieht vor, daß das Adapterstück im Bohrungsbereich mit einem genormten Innengewinde versehen wird und nach dem Aufschrauben des Anschlußkörpers des Ventils die gesamte Vorrichtung ebenfalls elektropoliert wird. Zur weiteren Absicherung kann auch eine dichtende Naht an der Übergangsstelle außen und/oder innen angebracht werden. Die Schraubverbindung ohne eine dichtende Naht hätte den Vorteil, daß das Ventil zu jeder Zeit auswechselbar ist bei Wiederverwendbarkeit des Adapterstückes. Bildet man das Adapterstück als integrale Einheit des Anschlußkörpers des Ventils aus, dann kann diese Einheit nach dem Elektropolieren direkt und ohne eine weitere Verbindungsnaht mit dem Hals des Druckbehälters verschraubt werden. Ebenso ist es möglich, das Adapterstück und den Hals als integrale Einheit auszubilden und den Ventilkörper mit einem entsprechenden Kragen am Hals festzuschrauben.

Die Schutzkappe wird an einem ein Außengewinde tragenden Abschnitt im Übergang Kopfteil-Hals aufgeschraubt, wobei dieser Abschnitt integraler Teil des Kopfteiles ist. Durch diese Trennung der Befestigung der Schutzkappe und des Ventils wird sichergestellt, daß bei einem versehentlichen Umfallen der Flasche oder bei einer nicht beabsichtigten Schlagbeanspruchung von außen auf die Schutzkappe der Ventilanschluß nicht in Mitleidenschaft gezogen wird.

Das Material, das für die Herstellung des Adapterstückes, der Überwurfmutter und des Ventilkörpers verwendet wird, muß nicht identisch mit dem des Druckbehälters sein, mit der Ausnahme, falls das Adapterstück integraler Bestandteil des Halses ist. Es kann im Hinblick auf eine gute Zerspanbarkeit und Formgebungsmöglichkeit entsprechend gewählt werden, muß aber die Forderungen der Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit ebenfalls erfüllen.

Die Erfindung wird an einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt und eine Draufsicht durch einen mehrteilig geschweißten Druckbehälter ohne Ventil und Schutzkappe,

Fig. 2 einen Längsschnitt des Anschlusses.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt (rechte Hälfte) und eine Draufsicht (linke Hälfte) eines erfindungsgemäßen Druckbehälters. Der Druckbehälter 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine mehrteilige geschweißte Ausführung aus korrosionsbeständigem Edelstahl, der besonders geeignet ist zur Speicherung und Entnahme von Edel-, Spezialgasen oder Gasgemischen hoher Reinheit und aus einem miteinander verschweißten Bodenteil 2, einem zylindrischen Mantel 3 und einem Kopfteil 4 mit angeformtem Hals 5 besteht. Der zylindrische Mantel 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein längsnahtgeschweißtes Rohr mit einer parallel zur Behälterachse 6 verlaufenden Schweißnaht 7, es kann aber ebenso dafür ein nahtloses Rohr verwendet werden. Boden 2- und Kopfteil 4 sind über Rundschweißnähte 8, 9 mit dem zylindrischen Mantel 3 verbunden, wobei die drei Teile 2, 3, 4 des Druckbehälters 1 nach ihrer Formgebung einem rekristallisierenden Lösungsglühen unterzogen worden sind, bevor sie miteinander verschweißt wurden. Die gesamte Innenoberfläche 10, 11, 12 des Druckbehälters 1 einschließlich des Halses 5 wird nach dem Verschweißen elektropoliert, um die Rauheit in starkem Maße zu vermindern und die noch verbliebenen Restspannungen abzubauen. Zur Durchführung des Verfahrens und im Hinblick auf die Revision bzw. für eine spätere Nachrevision ist es erforderlich, den Durchgang (hier dargestellt durch den Pfeil 13) im Hals 5 möglichst groß zu wählen und ihn konstruktiv glatt ohne störende Kanten und Vorsprünge zu gestalten. Das Elektropolieren der Innenoberflächen 10,11,12 kann auch vor dem Verschweißen erfolgen, wobei je nach Anforderung eine Nachbehandlung der Rundschweißnähte 8, 9 erforderlich sein kann.

In Fig. 2 wird in einem vergrößerten Maßstab im Längsschnitt der Anschluß dargestellt. Ein Adapterstück 14, das als ein im wesentlichen zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet ist, ist mit Hilfe einer Überwurfmutter 15 mit dem Hals 5 des Druckbehälters 1 verbunden. Dabei stellt die linke Hälfte des Adapterstückes 14 zeichnerisch die Variante dar, daß das Adapterstück 14 mit dem Anschlußkörper 26 des Ventils 25 eine integrale Einheit bildet. Das Adapterstück 14 weist im Bereich des behälterseitigen Endes einen nach außen sich erstreckenden Kragen 16 auf, der ebenso wie der zylindrische Teil 17 von der Überwurfmutter 15 umfaßt wird. An dem Bohrungsteil 18 der Überwurfmutter 15 schließt sich ein mit einem Innengewinde versehener Teil 19 an, der mit einem ein Außengewinde tragenden Abschnitt 20 des Halses 5 verschraubt ist. In einer der Stirnfläche 21 des Halses 5 zugewandten Kragenseite des Adapterstückes 14 ist eine Ausnehmung 22 vorgesehen, in die eine korrosionsbeständige metallische Dichtung 32 angeordnet wird. Durch die Drehung der Überwurfmutter 15 wird die Dichtung 32 auf die Stirnfläche 21 gepreßt. Zur sicheren Führung des Adapterstückes 14 ist am behälterseitigen Ende ein zentrischer Absatz 23 vorgesehen, der im Durchmesser etwas kleiner ist als die Bohrung 13 des Halses 5. Damit während der Drehung der Überwurfmutter 15 keine einen Abrieb der Dichtung 32 erzeugende Drehung des Adapterstückes 14 möglich ist, ist am ventilseitigen Ende eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform 24 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel werden in einfacher Weise zwei sich gegenüberliegende Sekanten mechanisch hergestellt, um einen Maulschlüssel oder ein vergleichbares Werkzeug aufnehmen zu können. Ebenso gut können es andere Querschnittsprofile sein, die ein Halten des Adapterstückes 14 ermöglichen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, an diesem ventilseitigen Ende zwei in axialer Richtung sich erstreckende, einander gegenüberliegende Sacklochbohrungen anzubringen, um einen Hakenschlüssel hineinzustecken.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Standard-Ventil 25 mit seinem ein Gewinde 33 tragenden Anschlußkörper 26 in das Adapterstück 14 hineingeschraubt. Alternativ kann das Adapterstück 14 mit dem Anschlußkörper 26 verschweißt werden und danach ohne die empfindlichen mechanischen Ventilteile (hier nicht dargestellt), elektropoliert werden. Die bekannte Schutzkappe 27 wird auf einem ein Außengewinde aufweisenden Abschnitt 28 des Kopfteiles 4 aufgeschraubt.

Durch diese Trennung der Befestigung der Schutzkappe 27 und des Ventils 25 wird sichergestellt, daß unerwünschte Einwirkungen auf die Schutzkappe 27 nicht auf das Ventil 25 und auf die Dichtung 32 übertragen werden können.

Claims (4)

1. Druckbehälter aus Edelstahl, zur Speicherung und Entnahme von Edelgasen, Spezialgasen oder Gasgemischen hoher Reinheit, bestehend aus einem Boden, einem Mantel und einem Kopfteil, deren Innenoberflächen elektrochemisch poliert sind, wobei der Hals des Kopfteils einen ein Außengewinde (19) tragenden Abschnitt (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der korrosionsbeständige Edelstahl bis zu 0,06% Kohlenstoff, 1,5 bis 6,0% Mangan, 0,3 bis 1,0% Silizium, 16 bis 25% Chrom, 4 bis 18% Nickel, gegebenfalls bis zu 4% Molybdän, gegebenenfalls bis zu 0,35% N₂, gegebenenfalls bis zu 0,25% Nb, Rest Eisen mit Verunreinigungen bis zur üblichen Untergrenze enthält und
• b) der Boden (2), der Mantel (3) und das Kopfteil (4) nach der Formgebung geglüht sind und
• c) am Übergang vom Kopfteil (4) zum Hals (5) ein ein Außengewinde (20) tragender Abschnitt (28) ausgebildet ist, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des das Außengewinde (19) tragenden Abschnittes (34) am Hals (5).

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1) mehrteilig ist und der Boden (2), der Mantel (3) und das Kopfteil (4) durch eine Schweiß- oder Lötnaht miteinander verbunden sind.

3. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Mantel (3) ein nahtloses oder geschweißtes Rohr verwendet wird, das bis in die Nähe des Anschlußbereiches durch Kaltverformung um mindestens 10 bis 35% in der Wanddicke abgestreckt ist, bevor es mit dem Kopf (4) und dem Bodenteil (2) verbunden wird.

4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil des Druckbehälters (1) eine außen aufgebrach­ te einlagige oder mehrlagige Faserwicklung aufweist, deren unter Zug aufgewickelte Fasern mit Kunststoff umhüllt sind.