EP0347367A2 - Process for producing a vacuum - Google Patents
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- EP0347367A2 EP0347367A2 EP89730135A EP89730135A EP0347367A2 EP 0347367 A2 EP0347367 A2 EP 0347367A2 EP 89730135 A EP89730135 A EP 89730135A EP 89730135 A EP89730135 A EP 89730135A EP 0347367 A2 EP0347367 A2 EP 0347367A2
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- EP
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- hollow body
- metal hydride
- vacuum
- hydrogen
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
- F04B37/02—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by absorption or adsorption
Definitions
- the invention relates to a method for generating a vacuum in hollow bodies according to the preamble of patent claim 1.
- Evacuation of cavities is required for many technical applications, for example in electrical tubes, in liquid gas pipelines and in so-called vacuum insulation.
- the gas atmosphere in the cavity to be evacuated is extracted with the help of a vacuum pump, which works according to different functional principles depending on the required level of the vacuum to be applied (e.g. liquid jet pump, piston pump, centrifugal pump).
- the pumping time required not only depends on the capacity and volume of the evacuation room, but is also strongly influenced by the geometry of the evacuation room and increases disproportionately the lower the pressure level of the vacuum to be reached.
- getter materials into the evacuated cavity in order to maintain a high vacuum for a longer period of time (over several years). These getter materials are solids and have the property of absorbing gases which are subsequently released in the evacuation space or penetrate into it from the outside.
- a known agent for this purpose is activated carbon.
- metal hydrides based on Ti-V-Fe-Al-Cr-Mn as getter material for maintaining a vacuum in the vacuum jacket of thermal insulating containers.
- the vacuum is generated by pumping.
- the amount of metal hydride introduced into the evacuation room is 2 - 4 g / dm3 vacuum space.
- the walls of a corresponding insulating jacket are usually made of metallic materials, especially stainless steel.
- the cavity is often filled with porous (e.g. diatomaceous earth) or fibrous insulating materials (e.g. glass fibers).
- An evacuated capsule which is largely filled with titanium powder, is inserted into the housing before heating begins. After sufficient hydrogen purging, the purging openings in the housing are sealed gas-tight and the housing is cooled. Then the capsule with the titanium is pierced by a device to be actuated from the outside, so that the hydrogen contained in the housing has access to the titanium powder. Because of its hydride-forming properties, titanium eagerly absorbs the gaseous hydrogen, so that a vacuum is created inside the housing.
- This method is very cumbersome and also dangerous (risk of explosion) because of the use of a capsule for the hermitic inclusion of the hydride-forming titanium and because of the necessary piercing mechanism and because of the need for a special furnace with a hydrogen atmosphere, and is therefore unsuitable for large-scale production.
- the object of the invention is therefore to provide a method with which rapid evacuation of cavities is made possible in the simplest and cheapest possible way; in particular, the method for the rapid generation of a high vacuum should also be suitable in "filled" evacuation rooms and should not lead to impairment of material properties as a result of excessive heating.
- the basic idea of the invention is to be seen in the fact that the metal hydride, which is already known as getter material, is already used to create this vacuum in addition to its function of maintaining a vacuum. For this purpose, it is necessary to introduce the metal hydride into the evacuation space in a comparatively large amount.
- the amount is so limited that max. 5%, preferably less than 3%, of the original evacuation volume thereof.
- the metal hydride loaded with hydrogen releases hydrogen gas in such quantities (at normal pressure at least 3 to 10 times the evacuation volume) that the evacuation chamber is flushed out during the heating of the evacuation chamber, that is, the originally present gas atmosphere is completely displaced by the released hydrogen gas .
- purging several properties of the hydrogen gas have a very positive effect: - Due to its molecular size, the hydrogen gas can very quickly penetrate the smallest cavities of a thermal insulation material and displace other gases.
- the heating of the evacuation room is according to the invention to 400 to max. 500 o C limited, so that no material impairments are to be feared. It is advantageously carried out so that at least the metal hydride (possibly by separate heating) in the final phase is heated particularly strongly. In any case, the stored hydrogen gas should be largely released from the metal hydride.
- the metal hydride used must have a corresponding storage characteristic (pressure-temperature curve) and is set to a correspondingly predetermined one in the heating phase brought high temperature.
- the alloy for the metal hydride should expediently be selected in such a way that the stored hydrogen is released to the greatest possible extent only at a temperature which is at least about 200-300 K above the normal later operating temperature of the hollow body.
- the method according to the invention can be used with particular advantage for the evacuation of cavities which are filled with porous or fibrous materials (for example vacuum super insulation) or which have an extensive and branched spatial structure (for example branched piping system).
- porous or fibrous materials for example vacuum super insulation
- an extensive and branched spatial structure for example branched piping system.
- a heat insulation container 1 (without a lid) is shown in axial longitudinal section, which has an inner stainless steel jacket 2 and an outer stainless steel jacket 3.
- the cavity 4 formed between the two shells 2, 3 is provided with a filling made of glass fiber material 5. This supports the inner jacket 2 with respect to the outer jacket 3 and causes a reduction in radiation losses. So that the container 1 reaches the high value of a vacuum super insulation, the pressure in the cavity 4 must be reduced to a value below 10 ⁇ 3 mbar.
- a gas outlet 6 is inserted in the outer jacket 3. At places that are as far away from the outlet port 6, an amount of 20 to 30 g of metal hydride 7 per dm3 of the cavity 4 has been introduced.
- the metal hydride 7 is selected so that its hydrogen loading, based on the storage mass at room temperature and normal ambient pressure, is in the range 2 to 3% by weight.
- the container 1 is heated, for example, in a normal heating oven to above 200 ° C., if possible to about 450 to 500 ° C.
- hydrogen gas is released in the cavity 4, penetrates into the finest cavities of the glass fiber filling 5 and, for example, displaces the specifically heavier original gas atmosphere practically completely against the normal outlet pressure via the outlet port 6 below.
- the total amount (at normal pressure) is about 10 times the volume of the cavity 4, intensive purging of the cavity 4 anyway
- this temperature increase can even be over 500 ° C. without also heating the walls of the hollow body so strongly if, for example, an electrical resistance heating is carried out directly on the metal hydride for the local heating.
- the container 1 As soon as the gas flow in the outlet nozzle 6 has dropped to a predetermined minimum value, its opening is closed gas-tight and the container 1 is cooled. With increasing cooling of the metal hydride 7, this absorbs the hydrogen gas present in the cavity 4.
- the hydrogen discharge pressure of the metal hydride 7 and thus the vacuum achieved is less than 10 ⁇ 4 mbar.
- a value of less than 10 ⁇ 5 mbar is even reached.
- This vacuum can additionally be improved in that, in addition to the hydrogen gas flushing, a final reduction in the amount of hydrogen gas is carried out by means of a vacuum pump.
- the vacuum levels that can be achieved in this way are 10 ⁇ 8 to 10 ⁇ 9 mbar.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Vakuums in Hohlkörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for generating a vacuum in hollow bodies according to the preamble of patent claim 1.
Für viele technische Anwendungen ist die Evakuierung von Hohlräumen erforderlich, beispielsweise bei elektrischen Röhren, in Flüssiggasrohrleitungen und bei sogenannten Vakuum-Isolationen. Die in dem zu evakuierenden Hohlraum vorhandene Gasatmosphäre wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe, die je nach geforderter Höhe des anzulegenden Vakuums nach unterschiedlichen Funktionsprinzipien arbeitet, (z.B. Flüssigkeitsstrahlpumpe, Kolbenpumpe, Kreiselpumpe) abgesaugt. Die erforderliche Pumpzeit hängt nicht nur von der Leistungsfähigkeit und dem Volumen des Evakuierungsraums ab, sondern wird auch stark durch die Geometrie des Evakuierungsraumes beeinflußt und nimmt überproportional zu, je niedriger die Druckstufe des zu erreichenden Vakuums liegt. Um während der Evakuierung auf die an den Innenwandungen oder an Feststoffen, die in den Evakuierungsraum eingefüllt wurden (z.B. Wärmeisolationsstoffe), anhaftenden molekularen Wasserschichten oder Gasschichten mit zu entfernen, ist es üblich, den jeweiligen Hohlkörper während der Evakuierung auf Temperaturen von z.B. 300oC aufzuheizen.Evacuation of cavities is required for many technical applications, for example in electrical tubes, in liquid gas pipelines and in so-called vacuum insulation. The gas atmosphere in the cavity to be evacuated is extracted with the help of a vacuum pump, which works according to different functional principles depending on the required level of the vacuum to be applied (e.g. liquid jet pump, piston pump, centrifugal pump). The pumping time required not only depends on the capacity and volume of the evacuation room, but is also strongly influenced by the geometry of the evacuation room and increases disproportionately the lower the pressure level of the vacuum to be reached. In order to remove the molecular water layers or gas layers adhering to the inner walls or to solids that have been filled into the evacuation chamber (e.g. thermal insulation materials) during evacuation, it is customary to remove the respective hollow body at temperatures of, for example, 300 ° C. during the evacuation to heat up.
Es ist weiterhin bekannt, zur längerfristigen sicheren Aufrechterhaltung eines Hochvakuums (über mehrere Jahre) sogenannte Gettermaterialien in den evakuierten Hohlraum einzubringen. Diese Gettermaterialien sind Feststoffe und haben die Eigenschaft, Gase, die nachträglich in dem Evakuierungsraum freigesetzt werden oder von außen in diesen eindringen, zu absorbieren. Ein bekanntes Mittel für diesen Zweck ist Aktivkohle. Aus der DE-PS 34 36 754 ist es darüberhinaus bekannt, Metallhydride auf der Basis Ti-V-Fe-Al-Cr-Mn als Gettermaterial zur Aufrechterhaltung eines Vakuums im Vakuummantel von thermischen Isolierbehältern zu verwenden.It is also known to introduce so-called getter materials into the evacuated cavity in order to maintain a high vacuum for a longer period of time (over several years). These getter materials are solids and have the property of absorbing gases which are subsequently released in the evacuation space or penetrate into it from the outside. A known agent for this purpose is activated carbon. From DE-PS 34 36 754 it is also known to use metal hydrides based on Ti-V-Fe-Al-Cr-Mn as getter material for maintaining a vacuum in the vacuum jacket of thermal insulating containers.
Die Erzeugung des Vakuums erfolgt dabei durch Abpumpen. Die in den Evakuierungsraum eingebrachte Menge an Metallhydrid beträgt 2 - 4 g/dm³ Vakuumraum.The vacuum is generated by pumping. The amount of metal hydride introduced into the evacuation room is 2 - 4 g / dm³ vacuum space.
Um die hervorragenden Wärmeisolationseigenschaften einer Vakuumisolierung zu erhalten, ist die Gewährleistung eines Hochvakuums in der Größenordnung von mindestens 10⁻³ bis 10⁻⁴ mbar erforderlich. Die Wände eines entsprechenden Isoliermantels sind in der Regel aus metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Edelstahl gefertigt. Um eine gegenseitige Abstützung der inneren und der äußeren Wand des Isoliermantels aufeinander zu ermöglichen und um die Wärmeverluste durch Strahlung zu minimieren, wird der Hohlraum vielfach mit porösen (z.B. Kieselgur) oder fasrigen Isolationsstoffen (z.B. Glasfasern) ausgefüllt. Damit wird zwar das Volumen des aus dem Hohlraum bei der Evakuierung zu entfernenden Gase vermindert, die Pumpzeiten zur Erzielung eines gleich guten Vakuums erhöhen sich jedoch gegenüber der Zeit für einen entsprechenden leeren Vakuumraum wegen der Vielzahl der durch das Wärmeisolationsmaterial gebildeten kleinsten Hohlräume (z.B. Poren) außerordentlich. Während z.B. für einen "leeren" Vakuumraum eine Pumpzeit von 30 - 60 min für ein Vakuum von 10⁻³ mbar benötigt wurde, belief sich die Pumpzeit für den entsprechenden "verfüllten" Vakuumraum auf etwa 12 Std. Damit sind jedoch Größenordnungen erreicht, die einer Fertigung entsprechender Wärmeisolierelemente in großen Serien und erst recht einer Massenfertigung hindernd im Wege stehen.In order to maintain the excellent thermal insulation properties of vacuum insulation, it is necessary to guarantee a high vacuum of the order of at least 10⁻³ to 10⁻⁴ mbar. The walls of a corresponding insulating jacket are usually made of metallic materials, especially stainless steel. In order to enable the inner and outer walls of the insulating jacket to be supported against one another and to minimize heat losses due to radiation, the cavity is often filled with porous (e.g. diatomaceous earth) or fibrous insulating materials (e.g. glass fibers). Although this reduces the volume of the gases to be removed from the cavity during the evacuation, the pumping times for achieving an equally good vacuum increase compared to the time for a corresponding empty vacuum space because of the large number of smallest cavities (for example pores) formed by the heat insulation material. extraordinary. While e.g. for an "empty" vacuum space a pumping time of 30 - 60 min was required for a vacuum of 10⁻³ mbar, the pumping time for the corresponding "filled" vacuum space was about 12 hours Heat insulation elements in large series and even more so as to prevent mass production.
Aus der DE-OS 15 39 126 ist ein Verfahren zum Evakuieren von elektrischen Vakuum-Entladungsgeräten bekannt, bei dem die Entfernung der Gasatmosphäre aus dem Evakuierungsraum ohne ein Abpumpen stattfindet. Hierzu wird das Gehäuse des zu evakuierenden Gerätes in einen Wasserstoffofen eingesetzt und bei 450 - 500 oC ausgeheizt unter ständiger Durchspülung mit Wasserstoff, so daß sämtliche Fremdgase und anhaftenden Verunreinigungen, die infolge der Temperatureinwirkung in Gase zerfallen, entfernt werden.From DE-OS 15 39 126 a method for evacuating electrical vacuum discharge devices is known, in which the gas atmosphere is removed from the evacuation space without pumping. For this purpose, the housing of the device to be evacuated is placed in a hydrogen oven and baked at 450-500 o C with constant flushing with hydrogen, so that all foreign gases and adhering impurities, which decompose into gases due to the effects of temperature, are removed.
In das Gehäuse wird vor Beginn der Ausheizung eine evakuierte Kapsel eingesetzt, die weitgehend mit Titan-Pulver gefüllt ist. Nach ausreichender Wasserstoffspülung werden die im Gehäuse vorhandenen Spülöffnunen gasdicht verschlossen, und das Gehäuse wird abgekühlt. Danach wird durch eine von außen zu betätigende Vorrichtung die Kapsel mit dem Titan angestochen, so daß der im Gehäuse enthaltene Wasserstoff Zutritt zum Titan-Pulver erhält. Wegen seiner hydridbildenden Eigenschaft nimmt das Titan den gasförmigen Wasserstoff begierig auf, so daß im Inneren des Gehäuses ein Vakuum entsteht. Dieses Verfahren ist wegen der Verwendung einer Kapsel für den hermitischen Einschluß des Hydridbildners Titan und wegen des erforderlichen Anstechmechanismus sowie wegen der Notwendigkeit eines Spezialofens mit Wasserstoffatmosphäre sehr umständlich und auch gefährlich (Explosionsgefahr) und daher für eine Großserienfertigung wenig geeignet.An evacuated capsule, which is largely filled with titanium powder, is inserted into the housing before heating begins. After sufficient hydrogen purging, the purging openings in the housing are sealed gas-tight and the housing is cooled. Then the capsule with the titanium is pierced by a device to be actuated from the outside, so that the hydrogen contained in the housing has access to the titanium powder. Because of its hydride-forming properties, titanium eagerly absorbs the gaseous hydrogen, so that a vacuum is created inside the housing. This method is very cumbersome and also dangerous (risk of explosion) because of the use of a capsule for the hermitic inclusion of the hydride-forming titanium and because of the necessary piercing mechanism and because of the need for a special furnace with a hydrogen atmosphere, and is therefore unsuitable for large-scale production.
Für die Vorbereitung der Kapsel wird in der DE-OS 15 39 126 ein ähnliches Verfahren beschrieben, bei dem ebenfalls ein Wasserstoffofen zum Einsatz kommt. In die mit einer Reihe von Öffnungen für den Gasdurchtritt versehene Kapsel wird auf einem siebartigen Zwischenboden eine Menge pulverförmigen Titanhydrids eingebracht, die das Volumen der Kapsel etwa zur Hälfte ausfüllt. Die Kapsel wird dann in den wasserstoffdurchspülten Ofen eingesetzt und bis auf über 700 oC erwärmt, so daß der im Titanhydrid gebundene Wasserstoff praktisch vollständig freigesetzt wird. Zusammen mit dem Wasserstoff der Ofenatmosphäre bewirkt der freigesetzte Wasserstoff eine gründliche Durchspülung des Inneren der Kapsel und die Verdrängung sämtlicher Fremdgasbestandteile. Eine weitere Temperaturerhöhung bis auf etwa 1000 oC führt dazu, daß in unmittelbarer Nähe der Spülöffnungen angebrachte Hartlotscheiben aufschmelzen, so daß nach Abkühlung der Kapsel sämtliche Spülöffnungen gasdicht verschlossen sind.For the preparation of the capsule, a similar process is described in DE-OS 15 39 126, in which a hydrogen oven is also used. In the capsule provided with a series of openings for the passage of gas, a quantity of powdered titanium hydride is introduced on a screen-like intermediate floor, which fills approximately half the volume of the capsule. The capsule is then inserted into the hydrogen-flushed oven and heated to over 700 ° C., so that the hydrogen bound in the titanium hydride is released almost completely. Together with the hydrogen in the furnace atmosphere, the released hydrogen causes a thorough flushing of the inside of the capsule and the displacement of all foreign gas components. A further increase in temperature up to about 1000 o C leads to the fact that hard solder disks in the immediate vicinity of the flushing openings melt, so that after the capsule has cooled, all of the flushing openings are sealed gas-tight.
Die eingeschlossene Wasserstoffatmosphäre wird von dem Titanpulver begierig aufgenommen, so daß ein Vakuum entsteht. Dieses Vakuum hat jedoch im Hinblick auf die spätere Verwendung der Kapsel zur Evakuierung elektrischer Geräte keine unmittelbare Funktion, sondern dient lediglich zur Konservierung der Sorptionskapazität des Titanpulvers. Es handelt sich dabei also lediglich um ein "Hilfsvakuum" und nicht um das eigentlich zu erzeugende "Nutzvakuum" in einem vergleichsweise sehr viel voluminöseren Hohlkörper. Wegen der erforderlichen hohen Ausheiztemperaturen kommt auch dieses Verfahren für die meisten Anwendungsfälle zur Evakuierung größerer Hohlräume nicht in Betracht, da die Werkstoffe der Hohlraumwände bei derartigen Temperaturen ihre Eigenschaften vielfach in unzulässiger Weise verändern würden.The enclosed hydrogen atmosphere is eagerly absorbed by the titanium powder, so that a vacuum is created. However, this vacuum has no direct function with regard to the later use of the capsule for evacuating electrical devices, but only serves to preserve the sorption capacity of the titanium powder. It is therefore only an "auxiliary vacuum" and not the "useful vacuum" actually to be generated in a comparatively much more voluminous hollow body. Because of the high baking temperatures required, this method is also out of the question for most applications for evacuating larger cavities, since the materials of the cavity walls would often change their properties in an impermissible manner at such temperatures.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf möglichst einfache und kostengünstige Weise eine schnelle Evakuierung von Hohlräumen ermöglicht wird; insbesondere soll das Verfahren zur schnellen Erzeugung eines Hochvakuums auch in "verfüllten" Evakuierungsräumen geeignet sein und nicht zu Beeinträchtigungen von Werkstoffeigenschaften infolge zu hoher Erwärmung führen.The object of the invention is therefore to provide a method with which rapid evacuation of cavities is made possible in the simplest and cheapest possible way; in particular, the method for the rapid generation of a high vacuum should also be suitable in "filled" evacuation rooms and should not lead to impairment of material properties as a result of excessive heating.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 - 7 angegeben.This object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1. Further developments of the invention are specified in subclaims 2-7.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß das als Gettermaterial bereits bekannte Metallhydrid über seine Funktion der Aufrechterhaltung eines Vakuums hinaus auch bereits zur Erzeugung dieses Vakuums benutzt wird. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, das Metallhydrid in vergleichsweise größerer Menge in den Evakuierungsraum einzubringen.The basic idea of the invention is to be seen in the fact that the metal hydride, which is already known as getter material, is already used to create this vacuum in addition to its function of maintaining a vacuum. For this purpose, it is necessary to introduce the metal hydride into the evacuation space in a comparatively large amount.
Die Menge ist aber so begrenzt, daß max. 5 %, vorzugsweise weniger als 3 %, des ursprünglichen Evakuierungsvolumens davon ausgefüllt werden. Das mit Wasserstoff beladene Metallhydrid setzt während der Ausheizung des Evakuierungsraumes Wasserstoffgas in solchen Mengen (bei Normaldruck mindestens das 3 bis 10-Fache des Evakuierungsvolumens) frei, daß eine Spülung des Evakuierungsraumes bewirkt wird, d.h. die ursprünglich vorhandene Gasatmosphäre wird durch das freigesetzte Wasserstoffgas vollständig verdrängt. Je besser die Vorbehandlung des Evakuierungsraumes und der ggf. in diesen eingebrachten Füllstoffe (z.B. Wärmeisolator) im Hinblick auf die Entfernung von Verunreinigungen ist, um so geringere Hydridmaterialmengen sind erforderlich. Bei der Spülung wirken sich mehrere Eigenschaften des Wasserstoffgases sehr positiv aus:
- Aufgrund seiner Molekülgröße kann das Wasserstoffgas sehr schnell in die vorhandenen kleinsten Hohlräume eines Wärmeisolationsstoffes eindringen und andere Gase verdrängen.
- Aufgrund seines geringen spezifischen Gewichtes ergibt sich ein gezielter Verdrängungseffekt bei unten angelegten Auslaßöffnungen, weil die vorhandenen anderen Gase spezifisch schwerer sind und nach unten ausströmen können.
- Aufgrund seiner reduzierenden Wirkung ergibt sich eine leichtere Entfernung von Oberflächenadsorptions- und auch bestimmter Absorptionsschichten im Evakuierungsraum.The amount is so limited that max. 5%, preferably less than 3%, of the original evacuation volume thereof. The metal hydride loaded with hydrogen releases hydrogen gas in such quantities (at normal pressure at least 3 to 10 times the evacuation volume) that the evacuation chamber is flushed out during the heating of the evacuation chamber, that is, the originally present gas atmosphere is completely displaced by the released hydrogen gas . The better the pretreatment of the evacuation room and the fillers (such as heat insulators) that may have been introduced into it with regard to the removal of impurities, the smaller the amounts of hydride material required. When purging, several properties of the hydrogen gas have a very positive effect:
- Due to its molecular size, the hydrogen gas can very quickly penetrate the smallest cavities of a thermal insulation material and displace other gases.
- Due to its low specific weight, there is a targeted displacement effect when the outlet openings are at the bottom, because the other gases present are specifically heavier and can flow out downwards.
- Due to its reducing effect, there is an easier removal of surface adsorption and also certain absorption layers in the evacuation room.
Die Ausheizung des Evakuierungsraums wird erfindungsgemäß auf 400 bis max. 500 oC beschränkt, so daß keine Werkstoffbeeinträchtigungen zu befürchten sind. Sie wird dabei vorteilhaft so geführt, daß zumindest das Metallhydrid (ggf. durch eine separate Beheizung) in der Schlußphase besonders stark erwärmt wird. In jedem Fall sollte das gespeicherte Wasserstoffgas aus dem Metallhydrid weitgehend freigesetzt werden.The heating of the evacuation room is according to the invention to 400 to max. 500 o C limited, so that no material impairments are to be feared. It is advantageously carried out so that at least the metal hydride (possibly by separate heating) in the final phase is heated particularly strongly. In any case, the stored hydrogen gas should be largely released from the metal hydride.
Dadurch wird nach dem Verschließen des Evakuierungsraumes ein besonders gutes Absorptionsvermögen erreicht. Das Vakuum stellt sich in dem Evakuierungsraum dadurch ein, daß bei Abkühlung des dehydrierten Hydridbildners die noch vorhandene Wasserstoffgasatmosphäre vollständig wieder aufgenommen wird. Damit sein Entladedruck bei den maximalen Betriebstemperaturen, denen der Evakuierungsraum später ausgesetzt wird, auf jeden Fall unter der Druckstufe des geforderten Vakuums liegt, muß das eingesetzte Metallhydrid eine entsprechende Speichercharakteristik (Druck-Temperatur-Verlauf) aufweisen und wird in der Ausheizphase auf eine entsprechend vorgegebene hohe Temperatur gebracht. Zweckmäßiger Weise sollte die Legierung für das Metallhydrid so ausgewählt werden, daß es erst bei einer Temperatur, die mindestens etwa 200 - 300 K oberhalb der normalen späteren Betriebstemperatur des Hohlkörpers liegt, zu einer weitestgehenden Freisetzung des gespeicherten Wasserstoffs kommt.As a result, a particularly good absorption capacity is achieved after the evacuation room has been closed. The vacuum is established in the evacuation room in that when the dehydrated hydride former cools, the hydrogen gas atmosphere still present is completely resumed. So that its discharge pressure at the maximum operating temperatures to which the evacuation room is later exposed is in any case below the pressure level of the required vacuum, the metal hydride used must have a corresponding storage characteristic (pressure-temperature curve) and is set to a correspondingly predetermined one in the heating phase brought high temperature. The alloy for the metal hydride should expediently be selected in such a way that the stored hydrogen is released to the greatest possible extent only at a temperature which is at least about 200-300 K above the normal later operating temperature of the hollow body.
Es ist selbstverständlich möglich, einen Teil der zu leistenden Evakuierungsarbeit in bekannter Weise durch Abpumpen zu leisten und somit eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik anzuwenden. In diesem Fall wird das Abpumpen in die Endphase des Ausheizvorganges gelegt. Dadurch lassen sich Evakuierungen auf dauerhaft sehr geringe Druckstufen erreichen.It is of course possible to carry out part of the evacuation work to be carried out in a known manner by pumping and thus to use a combination of the method according to the invention with the method according to the prior art. In this case, the pumping is placed in the final phase of the heating process. This enables evacuations to be made at very low pressure levels over the long term.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit besonderem Vorteil auf die Evakuierung von Hohlräumen anwenden läßt, die mit porösen oder fasrigen Materialien verfüllt sind (z.B. Vakuum-Super-Isolierungen) oder die eine ausgedehnte und verzweigte Raumstruktur (z.B. verzweigtes Rohrleitungssystem) aufweisen. In letzterem Fall wird in jedes Teilsystem des Gesamtsystems eine entsprechend bemessene Menge des Hydridmaterials eingebracht und zur Verdrängung der vorhandenen Gasatmosphäre benutzt.The method according to the invention can be used with particular advantage for the evacuation of cavities which are filled with porous or fibrous materials (for example vacuum super insulation) or which have an extensive and branched spatial structure (for example branched piping system). In the latter case, in each Subsystem of the overall system introduced a correspondingly measured amount of the hydride material and used to displace the existing gas atmosphere.
Im folgenden wird das Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The method is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
In der Figur wird ein Wärmeisolationsbehälter 1 (ohne Deckel) im axialen Längsschnitt gezeigt, der einen inneren Edelstahlmantel 2 und einen äußeren Edelstahlmantel 3 aufweist. Der zwischen den beiden Mänteln 2, 3 gebildete Hohlraum 4 ist mit einer Füllung aus Glasfasermaterial 5 versehen. Dieses stützt den Innenmantel 2 gegenüber dem Außenmantel 3 ab und bewirkt eine Verminderung der Strahlungsverluste. Damit der Behälter 1 den hohen Wert einer Vakuum-Super-Isolierung erreicht, muß der Druck im Hohlraum 4 auf einen Wert unter 10⁻³ mbar abgesenkt werden. In den Außenmantel 3 ist ein Gasauslaßstutzen 6 eingesetzt. An Stellen, die von dem Auslaßstutzen 6 möglichst weit entfernt sind, ist eine Menge von 20 bis 30 g Metallhydrid 7 je dm³ des Hohlraumes 4 eingebracht worden. Das Metallhydrid 7 wird so ausgewählt, daß seine Wasserstoff-Beladung bezogen auf die Speichermasse bei Raumtemperatur und normalem Umgebungsdruck im Bereich 2 bis 3 Gewichts-% liegt. Zur Anlegung des Vakuums wird der Behälter 1 z.B. in einem normalen Wärmeofen auf über 200oC, möglichst bis auf etwa 450 bis 500oC aufgeheizt. Mit zunehmender Erwärmung des Metallhydrids 7 wird Wasserstoffgas im Hohlraum 4 freigesetzt, dringt bis in die feinsten Hohlräume der Glasfaserfüllung 5 ein und verdrängt z.B. gegen den normalen Umgebungsdruck die spezifisch schwerere ursprüngliche Gasatmosphäre praktisch vollständig über den unten liegenden Auslaßstutzen 6. Dabei bewirkt das in der Anfangsphase mit relativ hohem Druck freigesetzte Wasserstoffgas, dessen Gesamtmenge (bei Normaldruck) etwa das 10-Fache des Volumens des Hohlraumes 4 beträgt, ohnehin eine intensive Durchspülung des Hohlraumes 4. Um eine weitestgehende Entladung (z.B. auf über 95 %) des Metallhydrids zu bewirken, ist es zweckmäßig, in der Schlußphase der Aufheizung durch eine örtlich konzentrierte Wärmezufuhr die Temperatur des Metallhydrids 7 bis auf 500oC anzuheben.In the figure, a heat insulation container 1 (without a lid) is shown in axial longitudinal section, which has an inner
Unter Umständen kann diese Temperaturerhöhung sogar auf über 500 oC liegen, ohne die Wandungen des Hohlkörpers ebenfalls so stark zu erwärmen, wenn für die örtliche Beheizung z.B. eine elektrische Widerstandserwärmung unmittelbar am Metallhydrid vorgenommen wird.Under certain circumstances, this temperature increase can even be over 500 ° C. without also heating the walls of the hollow body so strongly if, for example, an electrical resistance heating is carried out directly on the metal hydride for the local heating.
Sobald der Gasdurchfluß im Auslaßstutzen 6 auf einen vorgegebenen Minimalwert abgesunken ist, wird dessen Öffnung gasdicht verschlossen und der Behälter 1 abgekühlt. Mit zunehmender Erkaltung des Metallhydrids 7 absorbiert dieses das in dem Hohlraum 4 vorhandene Wasserstoffgas. Bei einer Temperatur des Metallhydrids 7 von 200oC, die z.B. der späteren maximalen Einsatztemperatur des Behälters 1 entspricht, beträgt der Wasserstoff-Entladedruck des Metallhydrids 7 und damit das erzielte Vakuum weniger als 10⁻⁴ mbar. Bei Raumtemperatur wird sogar ein Wert von unter 10⁻⁵ mbar erreicht. Dieses Vakuum läßt sich zusätzlich noch dadurch verbessern, daß über die Wasserstoffgasspülung hinaus noch eine abschließende Reduzierung der Wasserstoffgasmenge mittels Vakuumpumpe durchgeführt wird. Die auf diese Weise erzielbaren Vakuumstufen (bei Raumtemperatur) liegen bei 10⁻⁸ bis 10⁻⁹ mbar.As soon as the gas flow in the outlet nozzle 6 has dropped to a predetermined minimum value, its opening is closed gas-tight and the container 1 is cooled. With increasing cooling of the metal hydride 7, this absorbs the hydrogen gas present in the cavity 4. At a temperature of the metal hydride 7 of 200 o C, which for example corresponds to the later maximum operating temperature of the container 1, the hydrogen discharge pressure of the metal hydride 7 and thus the vacuum achieved is less than 10⁻⁴ mbar. At room temperature, a value of less than 10⁻⁵ mbar is even reached. This vacuum can additionally be improved in that, in addition to the hydrogen gas flushing, a final reduction in the amount of hydrogen gas is carried out by means of a vacuum pump. The vacuum levels that can be achieved in this way (at room temperature) are 10⁻⁸ to 10⁻⁹ mbar.
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet,
daß als Metallhydrid eine mit Wasserstoff hoch beladene Hydridbildnerlegierung gemäß folgender Formel verwendet wird: Ti (V1-a-b Fea Alb)x y Mnz
1 < x ≦ 2
0 < y ≦ 0,2
x + y ≦ 2
0 < a ≦ 0,4
0 < b ≦ 0,2
a + b ≦ 0,5
(1 - a - b) · x ≧ 1
0 < z ≦ 2 - x - y
daß die Menge des eingebrachten Metallhydrids so bemessen ist, daß sie bezogen auf das Evakuierungsvolumen mindestens 3 g/dm³ beträgt und weniger als 5 % des ursprünglichen Evakuierungsvolumens ausfüllt, und daß die Erwärmung des Hohlkörpers auf maximal 500 oC beschränkt wird.1. A method for generating a vacuum in a hollow body, in particular a hollow body made of steel, which is provided with at least one outlet opening for the gas atmosphere located in the hollow body, a metal hydride being introduced into the interior of the hollow body and the hollow body being heated, at least additionally Metal hydride is brought to a temperature at which the hydrogen gas stored therein is largely released and the originally present gas atmosphere is flushed out by the hydrogen gas via the outlet opening or openings, the hollow body is cooled after the outlet opening or openings have been closed and the existing hydrogen atmosphere is cooled is sorbed the hybrid-forming metal,
characterized,
that a hydride-forming alloy highly loaded with hydrogen is used as the metal hydride according to the following formula: Ti (V 1 -ab Fe a Al b ) xy Mn z
1 <x ≦ 2
0 <y ≦ 0.2
x + y ≦ 2
0 <a ≦ 0.4
0 <b ≦ 0.2
a + b ≦ 0.5
(1 - a - b) x ≧ 1
0 <z ≦ 2 - x - y
that the amount of metal hydride introduced is such that it is at least 3 g / dm³ based on the evacuation volume and fills less than 5% of the original evacuation volume, and that the heating of the hollow body is limited to a maximum of 500 o C.
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Metallhydrid verwendet wird, dessen weitestgehende Entladung gegen den Umgebungsdruck bei einer Temperatur eintritt, die mindestens etwa 200 - 300 K oberhalb der normalen Betriebstemperatur des Hohlkörpers liegt.2. The method according to claim 1,
characterized,
that a metal hydride is used, the greatest discharge of which occurs against the ambient pressure at a temperature which is at least about 200-300 K above the normal operating temperature of the hollow body.
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metallhydrid innerhalb des Hohlkörpers an einer oder mehreren von der/den Auslaßöffnungen möglichst weit entfernten Stellen eingebracht wird.3. The method according to any one of claims 1-2,
characterized,
that the metal hydride is introduced inside the hollow body at one or more points as far away from the outlet openings as possible.
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metallhydrid gegen Ende der Spülphase separat auf eine gegenüber der vorherigen Entladetemperatur erhöhte Temperatur aufgeheizt wird.4. The method according to any one of claims 1-3,
characterized,
that the metal hydride is heated separately towards the end of the rinsing phase to a temperature that is higher than the previous discharge temperature.
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest nach Erwärmung des Metallhydrids ein Teil der in dem Hohlkörper enthaltenen Gasatmosphäre in bekannter Weise mittels Vakuumpumpe abgesaugt wird.5. The method according to any one of claims 1-4,
characterized,
that at least after heating the metal hydride, part of the gas atmosphere contained in the hollow body is suctioned off in a known manner by means of a vacuum pump.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlkörper während der Spülphase in einer Lage gehalten wird, bei der sich der/die Auslaßöffnungen bezüglich der übrigen Teile des Hohlkörpers auf einem möglichst niedrigen Lageniveau befinden.6. The method according to any one of claims 1-5,
characterized,
that the hollow body is held in a position during the rinsing phase in which the outlet opening (s) are at the lowest possible level with respect to the other parts of the hollow body.
dadurch gekennzeichnet,
daß die eingebrachte Menge des Metallhydrids soweit beschränkt wird, daß es weniger als 3 % des ursprünglichen Evakuierungsvolumens ausfüllt.7. The method according to any one of claims 1-6,
characterized,
that the amount of metal hydride introduced is limited to such an extent that it fills less than 3% of the original evacuation volume.
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