DE602004001970T2 - Gaskapseln und Verfahren zur Füllung derselben - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Verbesserungen an und bezüglich Gaskapseln. Mehr im Einzelnen, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung das Füllen relativ kleiner Gaskapseln derart, wie sie mit relativ hohem Druck gefüllt und dann durch Verschweißen einer Füllöffnung der Kapsel verschlossen werden sollen.
  • Relativ kleine Gaskapseln, die ein Gas wie beispielsweise Helium unter relativ hohem Druck enthalten und für die Abgabe kleiner Volumen des Gases als Einfachdosis durch Aufbrechen eines Verschlusses der Kapsel vorgesehen sind, sind beispielsweise in der Ep-A-0757202 und der EP-A-0821195 beschrieben. Ein Verfahren zum Füllen und Verschließen solcher Kapseln ist beispielsweise in der EP-A-0947760 beschrieben.
  • Beim Füllen und Verschließen von Gaskapseln relativ kleiner Größe mit Gasen wie beispielsweise Helium, bei welchen der Dampfdruck bei der Fülltemperatur höher ist als der Druck, mit welchem die Kapsel zu füllen ist, besteht eine besondere Schwierigkeit beim Sicherstellen, dass der Druck des Gases innerhalb der verschlossenen Kapsel innerhalb der gewünschten Drucktoleranzen liegt. Dies liegt daran, dass das in der Kapsel enthaltene Gas nicht in flüssiger Form vorliegt, anders wie bei anderen kleinen Gaskapseln, wie beispielsweise solchen, die flüssiges Kohlendioxid enthalten, und der Fülldruck steht daher in direkter Beziehung zum Volumen des Gases innerhalb der Kapsel.
  • Insbesondere Helium ist ein Gas, das sehr schwierig in einem abgeschlossenen Behälter einzuschließen ist, wegen seiner Fähigkeit, durch den kleinsten Leckpfad hindurchzudringen, was bei einer Gaskapsel kleinen Volumens effektiv erfordert, dass der Behälter nicht nur durch Verschweißen verschlossen wird, sondern dass ein ausreichendes Schmelzen des Materials der Kapsel in der Schweißung erfolgt, um die Integrität der Schweißung und den Ausschluß irgendeines möglichen Leckpfads aufgrund von Unvollkommenheiten wie beispielsweise einer Porosität der Schweißung sicherzustellen.
  • In der oben erwähnten EP-A-0947760 ist ein Verfahren zum Schweißen einer solchen Kapsel beschrieben, das ein Crimpen eines Halsteils der Kapsel umfasst, während die Kapsel mit Strömungsmittel unter Druck gefüllt wird, und dann das Freisetzen eines freien Endes der Kapsel, um dessen Verschweißen in einer Umgebung zu ermöglichen, die frei von dem die Kapsel ausfüllenden Gas ist.
  • Die Notwendigkeit zum Aufrechterhalten einer gasdichten Crimpung am Hals der Kapsel während des Schweißens ist jedoch nicht nur ungünstig bei der Fertigung, sondern in einer Produktionslinie, wo ein schnelles Füllen einer Vielzahl von Kapseln stattfindet, schwierig zu erreichen.
  • Die als nächstkommender Stand der Technik angesehene US 6 378 570 beschreibt ein Verfahren zum Füllen einer Gaskartusche mit einem verflüssigten Gas.
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Füllen und Verschließen von Kapseln der oben grundsätzlich beschriebenen Art zu schaffen.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Füllen einer Gaskapsel vorgesehen, die einen Hohlkörperteil und eine Kappe umfasst, die damit zusammengesetzt ist und einen Schaft aufweist, der einen Füllöffnung bildet, mit folgenden Schritten:
    Vor dem Zusammenbau des Körperteils und der Kappe Anordnen eines Stopperelements, das sich lose innerhalb der Kapsel befindet, innerhalb der Kapsel,
    Zusammenbau des Körperteils und der Kappe,
    anschließend Füllen der Kapsel mit Gas unter Druck,
    Bewirken, dass das Stopperelement eine Position zwischen dem Körper der Kapsel und der Füllöffnung einnimmt, um den Gaspfad aus der Kapsel zu verschließen,
    und Entlasten des Gasdrucks an der Öffnung der Kapsel, um zu bewirken, dass das Stopperelement unter dem Gasdruck innerhalb der Kapsel in gasdichte Anlage mit einem Teil der Kappe gedrückt wird, der einen Kanal zur Öffnung der Kapsel bildet.
  • Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vorteil, dass bei geeigneter Wahl der Konfiguration und des Materials des Stopperelements und einer geeigneten Konfiguration des Gas kanals, der das Stopperelement aufnehmen soll, eine gasdichte Abdichtung erreicht werden kann, die zumindest ausreichend ist, um den Inhalt der Kapsel geforderten Gasdruck während eines nachfolgenden Schweißschritte aufrechtzuerhalten, der zur Sicherstellung eines wirksamen Verschlusses der Kapsel erforderlich sein kann.
  • Das Verfahren nach der EP-A-0947760 kann beispielsweise zur Bildung eines geschweißten Verschlusses des Behälters angewendet werden, mit der Ausnahme, dass die erste Crimpung, die am Hals des Behälters hergestellt wird, an einem Teil des Schafts des Behälters hergestellt werden kann, der auf der stromabwärtigen Seite des Stopperelements mit Bezug auf den Körperteil des Gehäuses liegt, damit die Crimpung im wesentlichen ohne Anwesenheit des Füllgases an der Crimstelle bewirkt werden kann. Die Möglichkeit des Durchdringens des Füllgases zur Umgebung der Schweißung während des Schweißprozesses wird dadurch beträchtlich reduziert, wodurch die Qualität der Schweißung verbessert wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den anliegenden Patentansprüchen deutlich.
  • Die Erfindung ist beispielshalber in den anliegenden Zeichnungen dargestellt, in welchen
  • 1 eine Schnittansicht einer Gaskapsel nach dem Füllen und Verschließen durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • die 2 bis 6 in schematischer Form Schritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung zum Füllen und Verschließen einer Kapsel der in 1 gezeigten Art darstellen,
  • 7 eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zum Bilden eines verschweißten Verschlusses an der Mündung der in 1 gezeigten Kapsel zeigt, und
  • 8 eine Schnittansicht ähnlich 1 einer modifizierten Form der Kapsel zeigt.
  • Gemäß 1 ist eine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gefüllte und verschlossene Gaskapsel dargestellt. In bekannter Weise umfasst die Kapsel einen Körperteil 1 auf, der mittels einer Kappe 2 verschlossen ist, die beide von etwa zylindrischer Konstruktion sind. Der Körper der Kapsel ist an einem Ende 1a geschlossen und bei 1b verjüngt, um einen Hals zu bilden, über welchen ein Rand 2a der Kappe 2 greift, wobei die freie Kante des Rands 2a mit dem Hals des Körpers 1a mittels einer nicht dargestellten Raupenschweißung verschweißt ist. Die Kappe 2 hat einen einstückigen Schaft 3, dessen vorderes Ende 3a einen reduzierten Durchmesser hat und durch Verschweißen verschlossen werden soll.
  • Wie in 1 dargestellt ist, enthält der Schaft 3 ein Stopperelement in Form einer elastomerischen Kugel 4, die aus einem Material wie beispielsweise Silikomgummi gebildet ist, das in der Lage ist, durch Druck gegen einen verengten Teil 3b des Schafts 3 stromauf der Spitze 3a des Schafts eine gasdichte Abdichtung zu bilden. In der in 1 gezeigten Position ist die Kugel 4 in Anlage mit dem Schaft 3 unter dem Druck eines innerhalb des Körpers 1 der Kapsel in einer Weise enthaltenen Gases gedrängt, die unten noch mehr im Einzelnen beschrieben wird. An dieser Stelle ist jedoch anzumerken, dass, obwohl die Kugel 4 der Zweckmäßigkeit halber in 1 als von kugeliger Gestalt dargestellt ist, die Kugel in der Praxis elastisch verformt ist, um sich der Innenoberfläche des Schafts 3 anzupassen. Die Kugel 4 kann einen geringfügig kleineren Druchmesser als der Innendurchmesser des Schafts 3 haben. An der Verbindungsstelle zwischen dem weiteren Teil der Kappe 2 und der Bohrung des Schafts 3 ist eine konische Fläche 5 gebildet, welche die Führung der Kugel 4 in den Schaft 3 unterstützt.
  • Das Verfahren zum Füllen der in 1 gezeigten Kapsel wird nunmehr mehr im Einzelnen mit Hilfe der schematischen Darstellungen in den 2 bis 6 beschrieben.
  • Die Kugel wird anfänglich in den Körper 1 der Kapsel eingeführt, vor dem Zusammenbau des Körpers 1 und der Kappe 2, so dass die Kugel 4 lose innerhalb des Körpers 1 aufgenommen und darin durch die Kappe 2 zurückgehalten wird. Wie in 2 gezeigt ist, werden der Körper 1 und die Kappe 2 durch Laserschweißen vereinigt. Während sie in einer obere und Teile 6 und 7 umfassenden Halterung gehalten sind, die den Körper und die Kappe in straffer Anlage halten, wird die Halterung um die Längsachse der Kapsel gedreht, wie durch den Pfeil 8 angedeutet ist, während ein Laserstrahl 6 auf die Verbindungsstelle zwischen dem Körper 1 und die Kappe 2 gerichtet wird, um die oben erwähnte Schweißnaht zu bilden. Während des Schweißens befindet sich die Kugel 4 im oberen Ende der Kappe 2.
  • Nach dem Herausnehmen aus der Halterung 6, 7 wird die Kapsel in die in 3 gezeigte Position umgedreht, und es wird Gasdruck an die Öffnung der Kappe 2 über die Spitze 3a angelegt, um sicherzustellen, dass die Kugel 4 von der Kappe 2 wegbewegt wird und lose innerhalb des Körpers 1 liegt. In einem zweiten, in 4 gezeigten Schritt wird die Kapsel durch den Schaft 3 evakuiert und dann mit Helium unter erhöhtem Druck gefüllt, wie in 5 gezeigt ist.
  • Der Fülldruck der Kapsel kann entsprechend der vorgesehenen Verwendung der Kapsel gewählt werden und liegt typischerweise zwischen 10 und 80 bar.
  • Während der Gasdruck auf dem gewünschten Wert gehalten wird, wird die Kapsel umgedreht, wie in 6 gezeigt ist, um die Kugel 4 in die Kappe 2 fallen zu lassen, so dass je nach dem Durchmesser der Kugel sie entweder in den Schaft 3 fällt oder auf der Peripherie der Fläche 5 abgestützt aufliegt. Der an die Öffnung der Spitze 3a angelegte Gasdruck wird dann weggenommen, was bewirkt, dass die Kugel 4 durch den Gasdruck innerhalb der Kapsel vorgedrückt wird, so dass sie zur Bildung einer Dichtung in dem verengten Teil 3b des Schafts arretiert wird. Die Kapsel befindet sich dann in dem in 1 gezeigten Zustand.
  • In dem in 1 gezeigten Zustand ist die Kapsel effektiv ein geschlossener Behälter, der Gas unter hohem Druck enthält. Abhängig von der Natur der Gasfüllung kann der durch die Kugel 4 gebildete Verschluß sich für eine gewünschte Verwendung der Kapsel wirksam erweisen. Wenn die Kapsel mit Helium gefüllt wird, ist der durch eine Silikomgummikugel 4 gebildete Verschluß wegen der durchdringenden Natur von Heliumgas unzureichend, eine permanente Abdichtung zu bilden, und daher muß die Spitze 3a des Schafts 3 durch Verschweißen verschlossen werden.
  • Wie schematisch in 7 gezeigt ist, wird die Kapsel in der in 1 gezeigten aufrechten Position positioniert, und die Spitze 3a des Schafts 3 wird mittels einer ersten Crimpung verschlossen, die durch ein unteres Paar von Crimpbacken 10 geformt wird, welche die Spitze 3a gerade oberhalb des verengten Teils 3b ergreifen, und das freie Ende der Spitze 3 wird dann durch ein oberes Paar von Crimpbacken 11 gecrimpt. Nach Lösen der Backen 11 ist das Ende der Spitze 3a durch Laserschweißen in der oben schon beschriebenen Weise verschlossen. Zusätzlich bewirkt nach einem bevorzugten Merkmal des Verfahrens ge mäß der Erfindung ein drittes Paar von Backen 12 das Verengen des Schafts 3 an einer Stelle unterhalb der Kugel 4, um ein Verschieben der Kugel aus dem Schaft 3 heraus nach dem Verschließen zu vermeiden. Es ist klar, dass, wenn einmal das Ende der Spitze 3a mittels einer Schweißung permanent verschlossen ist, das Durchdringen eines Gases wie beispielsweise Helium es ermöglicht, dass der Gasdruck sich an Stellen oberhalb und unterhalb der Kugel 4 ausgleicht, und daher besteht eine Möglichkeit, dass die Kugel 4 wieder in dem Körper der Kapsel zurück freigesetzt werden könnte, wenn nicht der Schaft 3 verformt ist, um die Kugel 4 in ihrer Position einzuschließen.
  • Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen des oben beschriebenen Verfahrens nach der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der anliegenden Patentansprüche abzuweichen. Daher ist es möglich, obwohl bei dem beschriebenen Verfahren die Kugel 4 sich unter dem Einfluß der Schwerkraft in die in 6 gezeigten Postition bewegt, dass die Bewegung durch andere Mittel erreicht wird, wodurch die Notwendigkeit zum Kopfstellen der Kapsel vermieden wird. Wie in 8 gezeigt ist, kann das Verfahren bei einer modifizierten Form der Kapsel angewendet werden, bei welcher die Verengung 3b des Schafts 3 die Form einer allmählicheren konischen Verjüngung anstatt einer abgestuften Schulter hat. Die konisch verjüngte Verengung 3b kann zum Füllen der Kapsel mit niedrigeren Gasdrücken mehr geeignet sein, da der mechanische Vorteil des Teils 3b des Schafts beim Arretieren der Kugel 4 unter der Einwirkung von Gasdruck entsprechend erhöht ist. Die in 8 gezeigte Kapsel kann mit einem geschweißten Verschluß in ähnlicher Weise versehen sein, wie dies oben mit Bezug auf 7 beschrieben worden ist.
  • In der Praxis hat sich das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung als erfolgreich bei der Herstellung einer temporären Abdichtung erwiesen, die ausreichend ist, um ein Füllgas wie beispielsweise Helium während der relativ kurzen Periode zwischen dem Füllen der Kapsel und dem nachfolgenden Schweißen der Spitze 3a zur Herstellung eines permanenten Verschlusses zurückzuhalten.
  • Es versteht sich, dass die Effektivität der bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung erreichten Gasdichtung von der geeigneten Wahl geeigneter Materialien für die Kapsel und das Stopperelement sowie die relativen Abmessungen der entsprechenden Komponenten, deren Oberflächengüte und dem Verjüngungswinkel des verengten Teils 3b des Schafts 3 abhängig ist. Obwohl solche Parameter durch Versuch und Experiment leicht bestimmt werden können, sind befriedigende Ergebnisse in der Praxis erhalten worden, wenn der Körperteil und die Kappe der Kapsel durch Tiefziehen aus Aluminium hergestellt werden, bei einem Innendurchmesser des Schafts 3 am stromaufwärtigen Ende der Verengung 3b zwischen 2,15 und 2,25 mm. Der Verjüngungswinkel des verengten Teils 3b relativ zur Längsachse des Schafts 3 kann im Bereich von 7° liegen bei dem sich verjüngenden Schaft nach 8 liegen, und bei 60° bei der Ausführungsform des in 1 gezeigten Schafts. Bei einem Schaft mit solchen Abmessungen kann die Kugel 4 als Kugel aus Silikonelastomer mit einem Durchmesser im Bereich von 2,0 mm bis 2,3 mm liegen und eine Shore-Härte im Bereich von 45 bis 65 IRHD haben. Um zu verhindern, dass eine elastomerische Kugel mit solchen Abmessungen während des Füllvorgangs aufgrund statischer Elektrizität an der Innenwand einer Aluminiumkapsel haften bleibt, wird der Silikonelastomer vorzugsweise entweder durch Einlagerung eines geeigneten Anteils an elektrisch leitfähigem Material wie beispielsweise Russ oder Behandlung der Oberfläche mit einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Graphitpulver elektrisch leitfähig gemacht.
  • Die Wahl der obigen Parameter hat in der Praxis eine zufrieden stellende Abdichtung von Kapseln aus Aluminium mit einem Innenvolumen von 3 bis 5 Milliliter bei einer Füllung mit Helium bei Drücken von 10 bis 80 bar ergeben.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Füllen einer Gaskapsel, die einen Hohlkörperteil (1) und eine Kappe (2) umfasst, die damit zusammengesetzt ist und einen Schaft (3) aufweist, der eine Füllöffnung (3a) bildet, mit folgenden Schritten: innerhalb der Kapsel vor dem Zusammenbau des Körperteils (1) und der Kappe (2) Anordnen eines Stopperelements (4), das sich lose innerhalb der Kapsel befindet, Zusammenbau des Körperteils (1) und der Kappe (2), anschließend Füllen der Kapsel mit Gas unter Druck, Bewirken, dass das Stopperelement (4) eine Position zwischen dem Körper (1) der Kapsel und der Füllöffnung (3a) einnimmt, um den Gaspfad aus der Kapsel zu verschließen, und Entlasten des Gasdrucks an der Öffnung (3a) der Kapsel, um zu bewirken, dass das Stopperelement (4) unter dem Gasdruck innerhalb der Kapsel in gasdichte Anlage mit einem Teil der Kappe (2) gedrückt wird, der einen Kanal zur Öffnung (3a) der Kapsel bildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kanal so ausgebildet ist, dass er innerhalb des Schafts (3) eine Bohrung mit einem eingeschnürten Teil (3b) mit reduziertem Durchmesser aufweist, und wobei das Stopperelement (4) als Kugel aus elastischem Material gebildet ist, die so dimensioniert ist, dass sie unter dem Druck des Gases in die Bohrung gedrängt und in strömungsmitteldichter Anlage in dem eingeschnürten Teil (3b) festgelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bohrung mit einem ersten Teil größeren Durchmesser angrenzend an den Körperteil (1) der Kapsel und einem zweiten Teil kleineren Durchmessers angrenzend an die Füllöffnung (3a) ausgebildet ist, und wobei der eingeschnürte Teil (3b) eine Schulter umfasst, welche den weiteren und engeren Teil verbindet und einen Sitz für die Anlage der Kugel (4) unter dem Gasdruck bildet.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bohrung mit einem ersten Teil größeren Durchmessers angrenzend an den Körperteil (1) der Kapsel und einem zweiten Teil kleineren Durchmessers angrenzend an die Füllöffnung (3a) ausgebildet ist, und wobei der eingeschnürte Teil (3b) einen verjüngten Teil der Bohrung umfasst, der zwischen dem weiteren und dem engeren Teil verläuft, wodurch unter dem Gasdruck die elastische Kugel (4) entlang des verjüngten Teils gedrängt und bis zu einer Stelle zusammengedrückt wird, bei der sie innerhalb der Bohrung festgelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Körperteil (1) und die Kappe (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 5 in Abhängigkeit davon, wobei die Kugel (4) aus Silikongummi gebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 6 in Abhängigkeit davon, wobei nach dem Eintritt der Kugel (4) in die Bohrung der Schaft (3) permanent einwärts verformt wird, um die Bohrung zwischen dem Körper (1) der Kapsel und der Kugel (4) einzuschnüren, um die letztere innerhalb des Schafts (3) der Kappe zu halten.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Lösen des Gasdrucks an der Füllöffnung (3a) des Schafts (3) die Schaftspitze zum Verschließen der Öffnung (3a) verschweißt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schweißschritt die Schritte des Krimpens des Schafts zwischen einem ersten Paar von Krimpbacken (11) unmittelbar angrenzend an die Öffnung (3a) zum Zwecke des Abflachens und Verschließens der letzteren, das Krimpen des Schafts (3) an einer von der Öffnung beabstandeten Stelle zwischen einem zweiten Paar von Krimpbacken (2), das Lösen des ersten Paars von Krimpbacken (11), während der Schaft zwischen dem zweiten Paar von Krimpbacken (10) ergriffen bleibt, und Schweißen der Öffnung (3a) durch Richten eines Laserstrahls längs der durch die abgeflachte Öffnung gebildeten Linie umfasst.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Schritt des Füllens der Kapsel mit Gas unter Druck die Kapsel zuerst mit Gas gespült und dann evakuiert wird, die Kapsel mit der Füllöffnung (3a) in einer aufwärts weisenden Position während des Spülens und des Evakuierens orientiert wird, wodurch das Stopperelement (4) zum losen Ruhen im Boden der Kapsel während des Evakuierungsschritts veranlasst wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stopperelement (4) zum Einnehmen der Position zum Versperren des Gaspfads unter dem Einfluß von Schwerkraft durch Orientieren der Kapsel mit der Füllöffnung (3a) nach unten veranlasst wird.
  12. Gefüllte Gas enthaltende Kapsel, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
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