Druckgasflasche

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Druckgasflasche für die Speicherung und Entnahme von Gasen oder Gasgemischen, insbesondere von Sondergasen oder Gasgemischen hoher Reinheit, bestehend aus einem dünnwandigen Innenbehälter (7) aus Edelstahl und einer diesen umgebenden äußeren druckfesten Hülse (1,2), wobei der vorgefertigte Innenbehälter zuerst in die Hülse eingeschoben und anschließend durch plastisches Aufweiten an der Innenwand der Hülse zur Anlage gebracht wird.
Um eine derartige Druckgasflasche fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herstellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Hülse mehrteilig ist und die verschiedene Bereiche der Hülse bildenden Teile vorgefertigt und nach dem Einschieben des Innenbehälters miteinander verschraubt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Druckgasflasche für die Speicherung und Entnahme von Gasen und Gasgemischen, gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches, insbesondere für Sondergase oder Gasgemische hoher Reinheit und einen nach dem Verfahren hergestellten Druckgasflasche.

[0002] Für die Fertigung unter anderem 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 zum Beispiel bei der Halbleitertechnik oder in der Prüftechnik benötigt werden.

[0003] 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 großem Einfluß. Andererseits wird aus wirtschaftlichen Gründen des Transportes und der Lagerung verlangt, daß die Gase zum Teil unter hohem Druck gehalten werden können. Dies erfordert auch ein hochfestes Druckbehältermaterial. Die Festigkeitsanforderungen erfullt die bekannte Stahlflasche aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl zwar bestens; sie wird nach dem Stand der Technik aber dennoch nicht im Hinblick auf die Reinheits- und Stand der Technik aber dennoch nicht im Hinblick auf die Reinheits- und Korrosionsanforderung für geeignet angesehen.

[0004] Edelstahl ist gegen alle in Betracht kommenden Gase und Gasgemische in hohem Maße chemisch beständig. Er hat überdies die Eigenschaft, daß er sich hochglanzpolieren (elektrochemisches Polieren) läßt, wodurch die aktive Oberfläche eingeebnet und gegenüber dem unpolierten Zustand erheblich verkleinert wird. Dadurch wird der Absorptionseffekt der Gase auf die Behälterinnenwand sowie die Abgabe von Partikel stark vermindert. Außderdem ist die Innenoberfläche nach dem Elektropolieren frei von mechanischen Restspannungen, die durch den Herstellungsprozeß entstanden sind, was die Sorptionsneigung des Behältermaterials vermindert.

[0005] Man hat bereits erkannt, daß die Gasverunreinigung um so geringer ist, je kleiner u.a. die Oberflächenrauhheit der Druckbehälterinnenwand ist. Zur Lösung dieses Problems ist kürzlich eine mehrteilige Flasche aus Edelstahl als Niederdruck- und Hochdruckversion bekanntgeworden (siehe Handelsblatt Nr. 77 vom 21.04.1988, Berichte von der Hannover-Messe 1988). Nachteilig bei diesem Lösungsvorschlag ist zum einen der schlechte Nutzwirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von Behältergewicht zu Speichervolumen aufgrund der niedrigen Festigkeitseigenschaften des verwendeten Materials im Vergleich zu einem vergütbaren Kohlenstoffstahl und zum anderen die auf das Kilogramm-Behältergewicht bezogenen Kosten aufgrund des hohen Anteils teurer Legierungsbestandteile wie Chrom, Nickel und Molybdan.

[0006] Mehrere andere Vorschläge befassen sich mit der Konzeption, einen aus einem kostengunstigen Material herstellbaren drucktragenden Außenkörper innen mit einer korrosionsfesten Schicht zu versehen. Dazu ist aus der DE 37 23 124 bekanntgeworden, einen aus Edelstahl vorgefertigten dünnwandigen Innenbehälter in eine, nur einen Boden aufweisende drucktragende Hülse, deren halsseitiger Mantelbereich noch unverformt ist, hineinzuschieben und anschließend den Halsbereich der Hülse anzuformen. Diese Anformung ist aber fertigungstechnisch sehr schwer zu beherrschen und außerdem ist zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit die Vergütung des gesamten Druckbehälters nach dem Anformen des Halses erforderlich. Damit der Innenbehälter bei der Vergütung nicht verzundern kann, muß er entsprechend verschlossen werden, was bei den gegebenen Verhältnissen nicht einfach zu realisieren ist.

[0007] Bei einem anderen Vorschlag (DE-PS 737 187) wird ein kürzerer, mit einem wellen- oder rillenförmig ausgebildeten Mantelteil versehener Innenbehälter in den einen offenen Boden aufweisenden Außenbehälter eingeschoben und nach dem Verschließen des Bodens der Innenbehälter pneumatisch oder hydraulisch gestreckt und an die Innenwand des Außenbehälters angepreßt. Auch bei diesem Vorschlag ist die Problematik ähnlich wie bei der vorgenannten Schrift. Die nachträgliche Anformung des Bodens ist fertigungstechnisch nicht ganz einfach und außerdem ist zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit die Vergütung des gesamten Behälters nach dem Anformen des Bodens erforderlich. Eine zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich dadurch, daß die aufzubringenden Wellen oder Rillen im Mantelteil des Innenbehälters beträchtlich sein müssen, damit die erforderliche Verkürzung erreicht wird. Diese Umformung in Verbindung mit dem anschließenden Strecken kann zu einer Vorschädigung des Materiales im Hinblick auf die hohen Anforderungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit unter Wechsellast führen.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Druckgasflasche zur Speicherung und Entnahme von Gasen und Gasgemischen, insbesondere von Sondergasen und Gasgemischen hoher Reinheit für den Nieder- und Hochdruckbereich anzugeben und eine danach hergestellte Druckgasflasche zu schaffen, mit der die zuvor geschilderten Nachteile vermieden und die Herstellkosten niedrig gehalten werden können.

[0009] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens im Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen erfaßt.

[0010] Kerngedanke des Lösungsvorschlages ist die Idee, die drucktragende Hülse mehrteilig auszubilden und die verschiedene Bereiche der Hülse repräsentierenden Teile nach dem Einschieben des Innenbehälters miteinander zu verschrauben und anschließend in bekannter Weise den Innenbehälter mittels plastischer Verformung vollständig und ohne Rückfederung an der Innenwand der Hülse zur Anlage zu bringen. Es ist bereits bekannt (US 3,140,006), vorgefertigte Teile der drucktragenden Hülse mit einem einlagigen oder zweilagigen korrosionsfesten Material zu versehen und anschließend die Teile miteinander zu verschweißen. Diese Schweißverbindung hat aber den Nachteil, daß die Wärmeeinflußzone eine Schwachstelle in dem drucktragenden Körper bildet und außerdem durch den Schweißvorgang ein Teil der Außenoberfläche des Innenbehälters verzundert wird.

[0011] Für den erfindungsgemäßen Vorschlag des Verschraubens der vorgefertigten Teile werden an den einander gegenüberstehenden Enden Gewindeabschnitte angefertigt, die einmal als Zapfen- und einmal als Muffenelement ausgebildet und miteinander verschraubbar sind. Das Gewinde kann einfach gestaltet werden, da es nur die vom Innendruck herrührenden Kräfte übertragen muß, da der Innenbehälter dann den gasdichten Innenraum bildet. Der Vorteil des Verschraubens im Vergleich zum Verschweißen ist darin zu sehen, daß die Vergütung der vorgefertigten Teile vollständig abgeschlossen werden kann und der eingeschobene Innenbehälter thermisch in keiner Weise belastet wird.

[0012] Bei dem Vorschlag einen Innenbehälter zu verwenden, ist die Werkstoffwahl der drucktragenden Hülse von untergeordneter Bedeutung, da eine solche Kombination sowohl mit einer aus Kunststoffmaterial als auch aus einem metallischen Werkstoff hergestellten Hülse realisierbar ist. Die Hülse muß nur so ausgelegt sein, daß sie die durch den Innendruck sich ergebenden Spannungen und Kräfte mit den entsprechenden Sicherheitszuschlägen aufnehmen kann. Um die Wanddicke und damit das Gewicht der Hülse gering zu halten, wird weiter vorgeschlagen, die verwendeten Werkstoffe durch Einbettung von Fasern im Falle der Kunststoffe, z. B. Glas- oder Kohlefaser bzw. durch außen auf der metallischen Hülse aufgebrachte Faserwicklungen zu verstärken.

[0013] Bei der Verwendung eines vorher gefertigten Innenbehälters ist eine Teilung der Hülse unabdingbar, da der Innenbehälter in einem fertig geformten Druckbehälter mit einem sich verjüngenden Halsbereich nicht hineingepreßt werden kann. Auf die Problematik einer nachträglichen Anformung des Boden- oder Halsbereiches nach Einschieben des Innenbehälters ist in der Beschreibungseinleitung bereits hingewiesen worden.

[0014] Eine Behandlung der Innenoberfläche der Teile der Hülse vor dem Verbinden ist nur je nach Werkstoffwahl und Art der Vorfertigung erforderlich. Bei bereits glatten Innenoberflächen wie im Falle der Kunststoffe kann eine solche Behandlung in den meisten Fällen entfallen. Nicht verzichtbar ist eine Vorbehandlung im Falle von wärmebehandelten Teilen, die eine entsprechende Zunderschicht aufweisen. Weiterhin ist eine Behandling dann erforderlich, falls fertigungsbedingt die Konturinnenmaße der Hülse den Außenmaßen des Innenbehälters angepaßt werden müssen. Die Behandlung der Teile kann mechanisch, z. B. durch Strahlen, Schliefen oder Polieren oder in bekannter Weise durch chemische Verfahren wie Beizen oder Elektropolieren oder in einer Kombination beider Verfahren erfolgen.

[0015] Die Teilung der Hülse kann in verschiedenster Weise erfolgen und wird mehr von praktischen Erwägungen geleitet. Die Teilungsebene bei einer zweiteiligen Hülse kann im Bodenbereich oder im Halsbereich oder in der Mitte des Mantelbereiches liegen und bei einer dreiteiligen Hülse im Boden- und im Halsbereich.

[0016] Die Anlage des Innenbehälters an die Innenwand der drucktragenden Hülse erfolgt in vorteilhafter Weise bei dem für eine Bauteilprüfung erforderlichen Abpressen. Der mit Spiel eingeschobene dünnwandige Innenbehälter wird dabei plastisch verformt und legt sich vollständig und ohne Rückfederung an die Innenwand an. Im Anschlußbereich wird der herausragende Hals des Innenbehälters kalt umgebördelt und der so gebildete Kragen fest auf die Stirnfläche des Halses der Hülse gedrückt. Für die Ausbildung des Anschlußbereiches ist ein noch nicht veröffentlichter Stand der Technik bekanntgeworden, der sich durch eine große Halsöffnung und ein für die besonderen Anforderungen gestalteten Adapter auszeichnet. Falls erforderlich kann die Innenoberfläche des Innenbehälters separat als vorgefertigtes Teil oder alternativ nach dem Verbinden mit den drucktragenden Teilen elektropoliert werden. Da die Innenoberfläche von Hause aus schon ziemlich glatt ist, wird in den meisten Fällen eine Kurzzeitbehandlung ausreichen, was sich wiederum günstig auf die Herstellkosten auswirkt.

[0017] In der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine zweiteilige Hülse mit einem eingeschobenen Innenbehälter, deren vorgefertigte Teile in bekannter Weise durch Schweißen miteinander verbunden werden,

Figur 2 eine verschraubbare zweiteilige Hülse, deren Trennebene im Halsbereich liegt,

Figur 3 eine verschraubbare zweiteilige Hülse mit einem vom Boden nur bis zur Trennebene sich erstreckenden Innenbehälter

[0018] In Figur 1 sind die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Ausnahme der bereits bekannten Schweißverbindung dargestellt. Teilbild a zeigt zwei vorgefertigte drucktragende Teile, von denen das eine das den Halsbereich repräsentierende Teil 1 ist und das andere das den Mantel- einschließlich den Bodenbereich repräsentierende Teil 2 darstellt. Je nach Werkstoff ist die jeweilige Innenoberfläche der beiden Teile 1,2 im Zuge der Vorfertigung mechanisch oder chemisch oder auch durch ein kombiniertes Verfahren behandelt. Außerdem kann es erforderlich sein, die Innenkontur der beiden Teile 1,2 im Hinblick auf Maßhaltigkeit zu bearbeiten. Die jeweilige Stirnfläche 5,6 der beiden Teile 1,2 ist für die nachfolgende bereits bekannte Schweißverbindung bearbeitet. Teilbild b zeigt den vorgefertigten dünnwandigen Innenbehälter 7, der in diesem Beispiel in einer nahtlosen Version hergestellt wurde. Es könnte ebensogut ein aus mehreren Teilen zusammengeschweißter Behälter sein. Im Teilbild c ist der Innenbehälter 7 in den unteren drucktragenden Teil 2 eingeschoben und der den Halsbereich repräsentierende Teil 1 draufgesetzt worden. Der Hals 8 des Innenbehälters 7 erstreckt sich über die Stirnfläche 9 des oberen druckträgenden Teiles 1. Zwischen der Außenoberfläche des Innenbehälters 7 und der Innenwand 3,4 der drucktragenden Teile 1,2 ist in diesem Stadium ein Spiel 10 vorhanden (hier stark übertrieben gezeichnet). Nach dem Zusammenfügen sind die beiden drucktragenden Teile 1,2 mittels einer Schweißnaht kraft- und formschlüssig verbunden.

[0019] Teilbild d zeigt die fertige Druckgasflasche ohne Anschlußteile, wie Ventil und Schutzkappe. Der letzte Bereich des Halses 8 des Innenbehälters 7 ist mittels einer Kaltumformung auf die Stirnfläche 9 des oberen drucktragenden Teiles 1 umgebördelt worden. Bei dem daran anschließenden Abpressen im Zuge der Bauteilprüfung wird der Innenbehälter 7 plastisch aufgeweitet und es kommt zu einer vollständigen und kein Spiel 10 mehr aufweisenden Anlage des Innenbehälters 7 an die Innenwand 3,4 der drucktragenden Teile 1,2.

[0020] Figur 2 zeigt wie Figur 1 eine aus zwei vorgefertigten Teilen 19,20 hergestellte Hülse. In diesem Ausführungsbeispiel weisen beide Teile 19,20 an den einander zugewandten Enden je einen Gewindeabschnitt 21,22 auf, die miteinander verschraubbar sind. Beispielhaft ist hier der Gewindeabschnitt 21,22 als zylindrisches Gewinde ausgebildet. Ebensogut könnte es auch ein konisch verlaufendes Gewinde sein. Der eine Gewindeabschnitt 21 ist dabei als Zapfenelement und der andere 22 als Muffenelement ausgebildet, wobei der Gewindeabschnitt bei dem den Halsbereich repräsentierenden Teil 19 in Umkehrung auch als Zapfenelement ausgebildet sein könnte. Nach dem Einschieben des Innenbehälters 7 gemäß Fig. 1b in den unteren drucktragenden Teil 20 wird der obere drucktragende Teil 19 fest aufgeschraubt. Vergleichbar wie in Fig. 1c verbleibt zwischen der Außenoberfläche des Innenbehälters 7 und den Innenwänden der beiden drucktragenden Teile 19,20 ein Spiel 10. Die Anlage des Innenbehälters 7 an den Innenwänden der beiden drucktragenden Teile 19,20 erfolgt durch hydraulisches Abpressen im Zuge der Bauteilprüfung wie in Fig. 1 d.

[0021] Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, des bezuglich der Trennstelle gleich ist wie das in Figur 1 gezeigte, aber in der Form des Innenbehälters verschieden ist. Der Innenbehälter 24 ist hier in der Vorfertigung als ein einen Boden aufweisender zylindrischer Körper ausgebildet, der keinen Hals aufweist. Nach dem Hineinstecken des Innenbehälters 24 in das den Mantel- einschließlich den Bodenbereich vorgefertigte repräsentierende Teil 25 wird der über die Stirnfläche 26 des Teiles 25 sich erstreckende Innenbehälter 24 auf dieser Stirnfläche kalt umgebördelt. Das den Halsbereich repräsentierende Teil 27 ist massiv aus Edelstahl gefertigt und wird mit dem anderen drucktragenden Teil 25 verschraubt. Die in Fig. 6 dargestellte Variante dürfte dann von Vorteil sein, wenn die Herstellung der Halspartie des Innenbehälters 24, insbesondere bei sehr dünner Wand, Schwierigkeiten bereiten sollte, so daß es insgesamt kostengünstiger ist, die höheren Werkstoffkosten das den Hals repräsentierenden Teiles 27 in Kauf zu nehmen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Druckgasflasche für die Speicherung und Entnahme von Gasen oder Gasgemischen, insbesondere von Sondergasen oder Gasgemischen hoher Reinheit, bestehend aus einem dünnwandigen Innenbehälter aus Edelstahl und einer diesen umgebenden äußeren druckfesten Hülse, wobei der vorgefertigte Innenbehälter zuerst in die Hülse eingeschoben und anschließend durch plastisches Aufweiten an der Innenwand der Hülse zur Anlage gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse mehrteilig ist und die verschiedene Bereiche der Hülse repräsentierendenTeile vorgefertigt und nach dem Einschieben des Innenbehälters miteinander verschraubt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teile aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoffmaterial hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teile aus einem metallischen Werkstoff hergestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teile im Zuge der Vorfertigung einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenoberfläche der Teile vor dem Verbinden mechanisch behandelt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenoberfläche der Teile vor dem Verbinden chemisch behandelt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenoberfläche der Teile vor dem Verbinden kombiniert mechanisch und chemisch behandelt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teile nach dem Verbinden zur Verstärkung außen mit einer Faser umwickelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenbehälter durch ein im Zuge der Bauteilprüfung durchgeführtes hydraulisches Abpressen plastisch aufgeweitet wird.

10. Druckgasflasche für die Speicherung und Entnahme von Gasen oder Gasgemischen, insbesondere von Sondergasen oder Gasgemischen hoher Reinheit, hergestellt nach den Ansprüchen 1 bis 9, bestehend aus einem dünnwandigen Innenbehälter aus Edelstahl und einer diesen umgebenden äußeren druckfesten Hülse und mit einem im Halsbereich angeordneten zur Aufnahme eines Ventils und einer Schutzkappe geeigneten Anschluß,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse mindestens zwei vorgefertigte Teile aufweist, die nach dem Einschieben des Innenbehälters (7,24) miteinander verschraubt sind, wobei der Innenbehälter (7,24) nach dem Verbinden und dem hydraulischen Abpressen vollständig an der Innenwand (3,4,28) der drucktragenden Teile anliegt.

11. Druckgasflasche nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teile (19,20) an dem einander zugewandten Ende einen Gewindeabschnitt (21,22) aufweisen.

12. Druckgasflasche nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gewindeabschnitte (21,22) einmal als Zapfen-(21) und einmal als Muffenelement (22) ausgebildet und miteinander verschraubbar sind.

13. Druckgasflasche nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus einem metallischen Werkstoff hergestellten Teile nach dem Verbinden außen eine Faserwicklung aufweisen.

14. Druckgasflasche nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenbehälter (24) die Innenoberfläche (28) das den Boden- einschließlich Mantelbereich repräsentierende Teil (25) überdeckt und ein Bereich des offenen Endes des Innenbehälters (24) auf der Stirnfläche (26) dieses Teiles (25) umgebördelt ist und das den Halsbereich repräsentierende Teil (27) massiv aus Edelstahl hergestellt ist.

Zeichnung