DE102006009061B4

DE102006009061B4 - Isolation für Tieftemperaturtanks

Info

Publication number: DE102006009061B4
Application number: DE102006009061A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Rohwer
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: US20060196876A1; DE102006009061A1; US7494023B2

Abstract

Ein magnetisches Mehrschicht-Isolationssystem für einen Tieftemperaturlagertank. Das System enthält mehrere Isolationsschichten, die eine Trägerhaltestruktur umfassen, die zwischen einer ersten Hauptoberfläche eines magnetischen Werkstoffs, der einen von der Trägerhaltestruktur abgewandten Nordpol definiert, und einer zweiten und gegenüber liegenden Hauptoberfläche eines magnetischen Werkstoffs, der einen der Trägerhaltestruktur abgewandten Südpol definiert, angeordnet sind. Benachbart zu den magnetischen Polen ist eine reflektierende Oberfläche oder eine Metallfolie angeordnet, um Strahlung abzulenken. Diese Schichten werden ohne Verwendung von Abstandshaltern voneinander abgestoßen. In verschiedenen Ausführungsformen ist der magnetische Werkstoff ein Permanentmagnet, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Samarium-Kobalt, Alnico, Neodym-Eisen-Bor, einer Legierung der Lanthaniden-Elementgruppe und Gemischen und Legierung davon besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisches Mehrschichtisolationssystem, einen Tieftemperaturlagerbehälter und ein Verfahren zum Isolieren desselben. Sie bezieht sich allgemein auf Tieftemperaturflüssigkeits-Lagertanks und insbesondere auf eine verbesserte Tieftemperaturflüssigkeits-Lagertankisolation.
Als eine Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und für andere Anwendungen sind Brennstoffzellen vorgeschlagen worden. In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) wird der Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, während der Katode als das Oxidationsmittel Sauerstoff zugeführt wird. Eine übliche Technik zum Lager großer Mengen Wasserstoff ist das Kühlen und Komprimieren des Wasserstoffs über Verflüssigungstechniken und das Lager des Wasserstoffs in der flüssigen Phase in einem Tieftemperaturlagertank. Wasserstoffgas wird bei –253°C und Umgebungsdruck verflüssigt und kann mit etwa 70 g/l in der flüssigen Phase gelagert werden. Die zum Komprimieren des Wasserstoffgases zu Flüssigkeit erforderliche Energiemenge ist sehr hoch und kann momentan so hoch wie bis zu 40% der Energie sein, die aus der Verwendung des Gases als ein Brennstoff erhalten wird. Somit ist es vorteilhaft, den Wasserstoff in der flüssigen Phase so isoliert wie möglich von der Außenumgebungstemperatur zu halten.
Irgendeine Wärmeübertragung auf den innersten Abschnitt des Tieftemperaturlagertanks beeinflusst die natürliche Verdampfungsrate des Tieftemperaturbehälters. Je mehr Wärme übertragen wird, desto höher ist die Rate des Verdampfungsverlusts des flüssigen Wasserstoffs oder desto höher ist die natürliche Verdampfungsrate. Um den Wasserstoff im flüssigen Zustand zu halten und dadurch die überschüssige Verdampfung und die Notwendigkeit, den Tank zu entlüften, um Überdruck zu verringern, zu minimieren, muss die Wärmeübertragung von der Umgebung auf den Tieftemperaturtank minimal gehalten werden.
Herkömmliche Tieftemperaturtanks wie etwa die Tanks, die zum Zuführen von Wasserstoffgas zu einer Brennstoffzelle verwendet werden, sind üblicherweise aus Aluminiumlegierungen oder aus Legierungen von rostfreiem Stahl hergestellt. Allgemein bestehen die Lagertanks aus einem inneren Lagerbehälter, der mit einem äußeren Behälter oder mit einer Hülle gekapselt ist. Die Behälter sind üblicherweise mit Metallhaltern voneinander getrennt, wobei der Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter und der Hülle gut isoliert und unter Unterdruck ist. Seit einiger Zeit wird zur Isolation von Tieftemperaturtanks eine Mehrschichtisolation verwendet. Für konstante Oberflächenemissionsvermögen in einem Unterdruck von 10^–5 Torr oder weniger verringert sich die Wärmeübertragung üblicherweise mit 1/N, wobei N die Anzahl reflektierender Isolationsschichten ist, die zwischen der warmen und der kalten Oberfläche des Behälters angeordnet sind.
Ein üblicher Typ eines Unterdruckisolationssystems enthält die Verwendung einer "Superisolation" oder "SI". SI-Systeme enthalten allgemein mehrere Schichten metallisierte Lage zusammen mit einer Verteilung von Vorsprüngen oder Abstandshalterwerkstoffen, die zwischen den Schichten vorgesehen sind, um den direkten Kontakt zu verhindern, wenn die Lagen um den Innenbehälter und nachfolgend umeinander gewickelt werden. Als eine der Hauptquellen der Wärmeübertragung überbrücken die Abstandshalter die Isolation, die vorhanden ist, und ermöglichen, dass Wärme aus der Umgebung in den Innenbehälter eindringt, was zu nachteiligen Wirkungen auf die Gesamtwärmeisolation führt.
Aus GB 2 025 029 A ist ein unterdruckisolierter Flüssiggastank bekannt, bei dem ein Innentank durch eine Anordnung von Permanentmagneten von einem Außentank beabstandet gehalten wird.
WO 03/104599 A1 beschreibt ein unsichtbares System zur Verhinderung thermischer Konvektion in gasförmigem Medium in dem Raum zwischen zwei transparenten Platten, insbesondere Glasscheiben. Zwischen den äußeren Glasscheiben kann eine Anzahl transparenter, dauerhaft delaminierter Folien vorgesehen sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mehrschichtisolationssystem und einen verbesserten Tieftemperaturflüssigkeits-Lagertank und insbesondere einen solchen, der die Wärmekonvektion zwischen der Isolation und dem Innen- und dem Außentank minimiert, zu ermöglichen und ein Verfahren zu dessen Isolieren anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem magnetischen Mehrschichtisolationssystem mit den Merkmalen des Anspruches 1, einem Tieftemperaturlagerbehälter mit den Merkmalen des Anspruches 11 oder mit einem Verfahren zum Isolieren eines Tieftemperaturlagerbehälters mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gehen aus der im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sind die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obgleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, lediglich für Erläuterungszwecke bestimmt und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der folgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Querschnittsansicht ist, die einen Tieftemperaturlagertank des Standes der Technik veranschaulicht;
2 eine perspektivische Teilansicht ist, die die Mehrschichtisolation der Tieftemperaturlagersysteme des Standes der Technik veranschaulicht;
3 eine Querschnittsansicht ist, die einen Tieftemperaturlagertank gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine Teilquerschnittsansicht ist, die die Mehrschichtisolation gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
5 eine vergrößerte Ansicht einer Isolationsschicht aus 4 ist.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine typische Konstruktion eines Tieftemperaturlagertanks 10 veranschaulicht. Wie veranschaulicht ist, enthält der zylinderförmige Tieftemperaturlagertank 10 einen Innenbehälter 12, der ein Einschlussvolumen 14 aufweist und von einem Außenbehälter oder von einer Hülle 16 umgeben ist. Der Innenbehälter 12 ist allgemein durch mehrere isolierte Querhalter 18, die den Kontakt zwischen dem Innenbehälter 12 und der Hülle 16 verhindern, von der Hülle 16 getrennt. Unter Verwendung einer Einlassöffnung 20 bzw. einer Auslassöffnung 22 ist ein Mittel zur Fluidverbindung in das und aus dem Einschlussvolumen 14 erreicht. Wie im Gebiet bekannt ist, ist der Hohlraum oder Zwischenraum als Isolationsraum 24 zwischen dem Innenbehälter 12 und der Hülle 16 typisch mit einer Mehrschicht-Wärmeunterdruckisolation als Isolation 26 gefüllt. Die Hülle 16 arbeitet so, dass sie in dem Isolations- oder Zwischenraum 24, der den Innenbehälter 12 umgibt, einen Unterdruck für den effektiven Betrieb der Isolation 26 aufrechterhält. Ein typischer Unterdruck, der für den effizienten Betrieb der Unterdruckisolation verwendet wird, ist etwa 7,5·10^–5 Torr. Obgleich zum Lagern von Druckwasserstoff oder anderen Gasen bei Umgebungstemperatur allgemein kein Unterdruck erforderlich ist, ist ein Unterdruck für die optimale Isolation des Tieftemperaturlagertanks 10 bevorzugt, wenn das Einschlussvolumen 14 mit einem Kryomittel gefüllt ist. Der Begriff "Kryomittel" wird hier zur Bezugnahme auf irgendeine Substanz in der flüssigen Phase verwendet, die bei oder unter etwa –160°C siedet, wenn sie unter Standardluftdruck ist. Nicht einschränkende Beispiele von Kryomitteln enthalten Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und viele im Gebiet allgemein bekannte Kältemittel.
2 ist eine perspektivische Teilansicht, die die typische Mehrschichtisolation 26 veranschaulicht, die in den Tieftemperaturlagersystemen des Standes der Technik verwendet wird. Die Isolation 26 enthält mehrere Faserschichten 28 oder dünne Folien, die durch mehrere Abstandshalter 30 getrennt sind, um zu verhindern, dass sich die Schichten 28 gegenseitig berühren. Die Größe und die Form der Abstandshalter 30 sowie ihre Orientierung und Anordnung zwischen den Schichten 28 können variieren. Die Abstandshalter 30 sind typisch aus einem Kunststoffwerkstoff wie etwa aus Polyethylenterephthalat (PET) und helfen bei der Verhinderung von "Wärmekurzschlüssen", in denen die kalte Seite einer Folienschicht die warme Seite einer benachbarten Schicht berührt. In der Praxis überbrücken die Abstandshalter 30 aber wegen der Anzahl der Abstandshalter 30, die erforderlich sind, um zu verhindern, dass sich die Schichten 28 gegenseitig berühren, die Isolation 26, die vorhanden ist, und ermöglichen, dass Wärme aus der Umwebung in den Innenbehälter 12 eindringt, was zu nachteiligen Wirkungen auf die Gesamtwärmeisolation führt.
Wie in 3 gezeigt ist, ist der tieftemperaturkompatible Lagertank oder Tieftemperaturlagerbehälter 32 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung in den meisten Aspekten ähnlich einem typischen Tieftemperaturlagertank 10; allerdings ersetzt er die frühere Isolation 26 durch eine magnetische Mehrschichtisolation 34, die Wärmekurzschlüsse ohne Verwendung der Abstandshalter 30 verhindert. Außerdem sind weniger Querhalter 18 erforderlich, um den Kontakt zwischen dem Innenbehälter 12 und dem Außenbehälter 16 zu verhindern.
4 veranschaulicht eine Teilquerschnittsansicht, die das magnetische Mehrschichtisolationssystem 34 der vorliegenden Erfindung zeigt. Das magnetische Mehrschichtisolationssystem enthält mehrere Isolationsschichten 36, die benachbart zueinander und durch magnetische Abstoßung getrennt geschichtet sind. 5 ist eine vergrößerte Ansicht einer einzelnen Isolationsschicht 36 aus 4. Jede Schicht 36 enthält ein Substrat oder eine Trägerhaltestrukturlage 38, das/die vorzugsweise eine metallisierte Polyesterlage ist. In einer Ausführungsform umfasst die Trägerhaltestruktur 38 eine zweiachsig orientierte Polyethylenterephthalat-Polyester-Lage (BOPET-Polyester-Lage) wie etwa Mylar^® oder doppelt aluminiertes Mylar^®. Die Trägerhaltestruktur 38 weist eine erste Hauptoberfläche 39, die zu einem magnetischen Werkstoff 40, der mit einem magnetischen Nordpol ausgerichtet ist, benachbart ist und ihn hält, sowie eine zweite und gegenüber liegende Hauptoberfläche 41, die zu einem magnetischen Werkstoff 42, der mit einem magnetischen Südpol ausgerichtet ist, benachbart ist und ihn hält, auf. In verschiedenen Ausführungsformen ist benachbart zu den magnetischen Werkstoffschichten 46, 42 eine Wärmestrahlungssperre wie etwa eine reflektierende Oberflächenbeschichtung oder eine reflektierende Folienschicht 44 angeordnet, um Strahlung abzulenken.
Die Isolationsschichten 36 können auf verschiedene Arten hergestellt werden. In einer Ausführungsform werden die Schichten 36 unter Verwendung eines Extrusionsprozesses gebildet. Zum Beispiel wird die Trägerhaltestruktur 38 mit den gewünschten Partikeln des magnetischen Werkstoffs vermascht. Während des Extrusionsprozesses wird ein elektromagnetisches Feld verwendet, um die Partikel so auszurichten, dass die Trägerhaltestruktur 38 zwischen eine magnetische Werkstoffschicht des Werkstoffs 40, die einen magnetischen Nordpol zeigt und zu einer ersten Hauptoberfläche 39 benachbart ist, und eine magnetische Werkstoffschicht des Werkstoffs 42, die einen magnetischen Südpol zeigt und zu einer zweiten und gegenüber liegenden Hauptoberfläche 41 benachbart ist, geschichtet wird. Wenn die Schicht extrudiert worden ist, wird sie in einer Unterdruckkammer angeordnet, wo der zum Bilden der reflektierenden Beschichtung ausgewählte Werkstoff, typisch Aluminium, durch Erwärmen verdampft wird. Das verdampfte Aluminium kondensiert aus dem Unterdruck und auf die Isolationsoberflächen, wobei es eine sehr dünne und hoch reflektierende Folienschicht 44 erzeugt. In verschiedenen weiteren Ausführungsformen werden die Isolationsschichten 36 unter Verwendung eines Schichtenherstellungsprozesses erzeugt, in dem die magnetischen Partikel in einer getrennten Schicht angeordnet und mit der Substratträgehaltelage 38 verbunden werden.
In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Mehrschichtisolationssystem 34 von etwa 20 bis etwa 40 Schichten. Selbstverständlich kann die Anzahl der Schichten z. B. anhand der Gesamtkonstruktionsparameter, der verwendeten Werkstoffe und der gelagerten Tieftemperaturfluide bei Bedarf erhöht oder verringert werden. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Isolationsschichten 36 so angeordnet, dass der Nordpol des magnetischen Werkstoffs 40 einer Schicht zu dem Nordpol des magnetischen Werkstoffs 40 einer Nachbarschicht benachbart ist und dass der Südpol des magnetischen Werkstoffs 42 einer Schicht zu dem Südpol des magnetischen Werkstoffs 42 einer Nachbarschicht benachbart ist. Diese Anordnung stößt benachbarte Schichten 36 voneinander ab, trennt sie und lässt dazwischen einen Unterdruckraum 46.
Die Dicke jeder Isolationsschicht 36 hängt hauptsächlich von den magnetischen Werkstoffen und von dem/den Produktionsverfahren ab. Allgemein hat die Trägerhaltestruktur 38 eine Dicke von etwa 10 bis etwa 20 Mikrometern und haben die magnetischen Werkstoffschichten 40, 42 Dicken von etwa 40 bis etwa 50 Mikrometern. Die Dicken der magnetischen Werkstoffschichten 40, 42 hängt hauptsächlich von dem spezifischen Werkstoff und von der Feldstärke, die erforderlich ist, um den Kontakt benachbarter Isolationsschichten 36 zu verhindern, ab. In bestimmten Ausführungsformen hängt die Feldstärke mit dem Abstand zwischen dem Nord- und dem Südpol der magnetischen Partikel zusammen. Somit hat in verschiedenen Ausführungsformen jede Schicht 36 typisch eine Gesamtdicke von etwa 50 bis etwa 200 Mikrometern, vorzugsweise von weniger als etwa 100 Mikrometern oder von etwa 50 bis etwa 90 Mikrometern. Selbstverständlich kann die Schichtdicke je nach der Konstruktion und Auswahl der Werkstoffe erhöht oder verringert werden, wobei diese Änderungen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugen die Magnetfelder oder die Werkstoffschicht 40, 42, die Nord- und Südpole zeigen, aus Permanentmagnetwerkstoffen oder aus Seltenerd-Zusammensetzungen. Permanentmagnetwerkstoffe enthalten Werkstoffzusammensetzungen, die über einen weiten Bereich eine magnetische Feldstärke zeigen. Zum Beispiel liefern die magnetischen Werkstoffe vorzugsweise ein Magnetfeld mit einer Flussdichte von etwa 0,2 bis etwa 0,5 Tesla, wobei die Flussdichte bevorzugter wenigstens etwa 0,4 Tesla beträgt.
Nicht einschränkende Beispiele von Permanentmagnetwerkstoffen, die auf die vorliegende Erfindung anwendbar sind, enthalten üblicherweise verwendete Magnete handelsüblicher Qualität einschließlich Ferriten, Samarium-Kobalt, Neodym-Eisen-Bor, Legierungen der Lanthaniden-Elementgruppe und Alnico. Wie es hier verwendet wird, enthält Alnico irgendeine der mehreren harten, festen Legierungen von Eisen, Aluminium, Nickel, Kobalt und gelegentlich Kupfer, Niob oder Tantal, die zur Herstellung starker Permanentmagnete verwendet werden. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform wird SmCo₅ verwendet.
Physikalische Eigenschaften wie etwa die Festigkeit und Sprödigkeit des gewünschten magnetischen Werkstoffs können die Gesamteigenschaften der Isolation beeinflussen und sollten vor der Werkstoffauswahl betrachtet werden. Eine weitere wichtige Betrachtung der Auswahl des magnetischen Werkstoffs ist die zulässige Betriebstemperatur; vorzugsweise zeigt der magnetische Werkstoff magnetische Fähigkeiten zwischen Tieftemperaturen und aufwärts von 60°C oder höher. Optional können in bestimmten Ausführungsformen elektromagnetische Werkstoffe verwendet werden, wobei diese Ausführungsformen aber den Nachteil haben, dass sie eine Leistungsquelle erfordern.
Die Folienschicht 44 ist aus irgendeinem geeignet reflektierenden Werkstoff ausgewählt, wie er im Gebiet bekannt ist. Nicht einschränkende Beispiele enthalten Aluminiumfolie, Goldfolie, Kupferfolie, Silberfolie, Zinkfolie und Gemische davon. In einer Ausführungsform umfasst die Folie verdampftes Aluminium. Vorzugsweise hat die Folienschicht 44 nur eine Dicke von wenigen Atomen. In verschiedenen Ausführungsformen hat die Folienschicht 44 eine Dicke von etwa 0,5 bis etwa 10 Mikrometern, vor zugsweise von weniger als etwa 5 Mikrometern, z. B. von etwa 1 bis etwa 3 Mikrometern. Vorzugsweise ist die Folienschicht 44 so ausgewählt, dass sie eine bestimmte Biegsamkeit zulässt, ohne zu brechen oder zu zerreißen, wobei sie bei Tieftemperaturen richtig funktionieren sollte. Dementsprechend schafft die dünne Folienschicht 44 ohne Hinzufügung von zu viel Werkstoffen, Raum und Gewicht geeignete Wärme- und Strahlungsreflexionseigenschaften.
Das magnetische Mehrschichtisolationssystem 34 der vorliegenden Erfindung kann mit gleich oder unterschiedlich beabstandeten Schichten 36 angeordnet sein. Der Unterdruckraum 46 oder der Abstand zwischen den Schichten hängt außer von der Dicke der magnetischen Werkstoffschichte 40, 42 der Schichten 36 von der Flussdichte ab, die durch den spezifischen verwendeten magnetischen Werkstoff erzeugt wird. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Dicke der magnetischen Werkstoffschichte 40, 42 für jede Schicht 36 dieselbe. In diesem Fall ist der Abstand zwischen benachbarten Isolationsschichten 36 gleich, wobei die Schichten 36 äquidistant voneinander beabstandet sind. In anderen Ausführungsformen ist die Dicke der magnetischen Werkstoffschichte 40, 42 für verschiedene Schichten geändert, wobei die mehreren Isolationsschichten 36 einen ungleichen oder variablen Abstand zwischen einander haben.
Die Wärmestrahlungs-Wärmeübertragung, wie sie durch das Stephan-Boltzmann-Gesetz definiert ist, definiert die Wärmeübertragung zwischen parallelen Oberflächen als eine Funktion der Emissionsvermögen der Oberflächen der warmen Absoluttemperatur gegen die kalte Absoluttemperatur. Dieses Strahlungsgesetz besagt, dass die von einem Körper abgegebene Strahlungsmenge proportional zur 4-ten Potenz seiner Temperatur ist und wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: E = σ·T4, wobei E die Menge der durch den Körper ausgesendeten Strahlung in Watt pro Quadratmeter (W/m²), σ eine Konstante gleich 5,675·10^–8 W/m²·K⁴ und T die Temperatur der Wand in Kelvin sind. Im Ergebnis des Anstiegs der Temperaturen zur vierten Potenz sinkt der Einfluss der Strahlung zwischen reflektierenden Strahlungssperren in der Nähe des Innentanks oder der kalten Wand des Tieftemperaturbehälters drastisch gegenüber dem Einfluss der Strahlung zwischen den reflektierenden Strahlungssperren in der Nähe der warmen Außentankwand des Behälters. Dementsprechend nimmt die Temperaturdifferenz zwischen den reflektierenden Sperren bei Annäherung an die kalte Innentankwand zu. Somit werden dann, wenn zum Isolieren des Raums zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter eines Dewar-Behältersystems eine Tieftemperatur-Mehrschichtisolation verwendet wird, optimale Ergebnisse dann erhalten, wenn die reflektierenden Schichten in der Nähe der kalten Wand des Innenbehälters weiter voneinander beabstandet sind als die Wärmereflexionsschichten näher zu der warmen Wand. Aus diesem Grund ist es für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, durch Bereitstellen einer variabel beabstandeten Mehrschichtisolation eine stärker optimierte Wärmeleistungsfähigkeit zu liefern. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, dass die in der Nähe des Außentanks 16 angeordneten Isolationsschichten 36 zwischen einander näher beabstandet sind als die in der Nähe des Innentanks 12 angeordneten Isolationsschichten.
Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Isolieren eines Tieftemperaturlagertanksbehälters 32. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Innentanks 12, der von mehreren magnetisch abgestoßenen Isolationsschichten 36 umgeben ist. Die Isolationsschichten 36 werden so angeordnet, dass der Nordpol des magnetischen Werkstoffs 40 einer Schicht zu dem Nordpol des magnetischen Werkstoffs 40 einer Nachbarschicht benachbart ist und dass der Südpol des magnetischen Werkstoffs 42 einer Schicht zu dem Südpol des magnetischen Werkstoffs 42 einer Nachbarschicht benachbart ist. In bestimmten Ausführungsformen umgeben die Isolationsschichten 36 die Gesamtheit des Innentanks 12. In weiteren Ausführungsformen umgeben die Isolationsschichten 36 einen Abschnitt des Innentanks 12. Es wird ein Außentank 16 bereitgestellt, der die Isolationsschichten 36 umgibt und zwischen dem Innentank 12 und dem Außentank 16 einen abgedichteten Hohlraum 24 für die Isolationsschichten 36 definiert. Der Hohlraum 24 steht vorzugsweise unter einem Unterdruck von etwa 7,5·10^–5 Torr.
Irgendwelche angrenzenden Ränder der Isolation 26 können durch geeignete Mittel einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Wärme reflektierendes Band und mechanische Befestigungselemente befestigt sein. Vorzugsweise wird reflektierendes Band verwendet, so dass Lecks und Wärmekurzschlüsse vermieden werden. Obgleich derzeit bevorzugt ist, dass der Tieftemperaturlagertankbehälter 32 eine im Wesentlichen zylindrische Struktur mit halbkugelförmigen Enden und kreisförmigen Querschnitten aufweist, können für die Zylinder selbstverständlich Änderungen mit irgendeiner Querschnittsform realisiert werden. Zum Beispiel kann der Innentank 12 allgemein ellipsenförmig oder dergleichen sein. Trotz der Änderungen sollte das magnetische Mehrschichtisolationssystem 34 und die Außenhülletank 16 in ihren Querschnitten üblicherweise die gleiche Gesamtform wie der Innentank 12 aufweisen, obgleich dies nicht erforderlich ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft, so dass Änderungen, die vom Wesen der Erfindung nicht abweichen, im Umfang der Erfindung enthalten sein sollen. Solche Änderungen wer den nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und von dem Umfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Magnetisches Mehrschichtisolationssystem (34) für einen Tieftemperaturlagerbehälter (32), das mehrere Isolationsschichten (36) enthält, wobei die Isolationsschichten durch magnetische Abstoßung voneinander getrennt sind, wobei dazu eine Isolationsschicht folgendes umfasst: eine Trägerhaltelage (38) mit einer ersten Hauptoberfläche (39), auf die der Nordpol eines magnetischen Werkstoffs (40) geschichtet ist, und mit einer zweiten und gegenüber der ersten Hauptoberfläche (39) liegenden Hauptoberfläche (41), auf die der Südpol eines magnetischen Werkstoffs (42) geschichtet ist; und eine reflektierende Oberfläche (44), die wenigstens zu einer der magnetischen Werkstoffschichten (40, 42) benachbart angeordnet ist und so beschaffen ist, dass sie Wärmestrahlung reflektiert.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 1, bei dem die reflektierende Oberfläche (44) eine Folie umfasst.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 2, bei dem die Folie aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumfolie, Goldfolie, Kupferfolie, Silberfolie, Zinkfolie und Gemischen davon besteht.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 2, bei dem die Folie eine Dicke von 1 bis 3 Mikrometern aufweist.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 1, bei dem die Trägerhaltelage (38) eine metallisierte Polyesterlage umfasst.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 1, bei dem jede Isolationsschicht (36) eine Gesamtdicke von 50 bis 90 Mikrometern aufweist.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer der magnetischen Werkstoffschichte (40, 42) einen Permanentmagnetwerkstoff oder eine Seltenerd-Zusammensetzung umfasst.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 7, bei dem der Permanentmagnetwerkstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Samarium-Kobalt, Alnico, Neodym-Eisen-Bor, einer Legierung der Lanthaniden-Elementgruppe und Gemischen und Legierungen davon besteht.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 1, bei dem die magnetischen Werkstoffschichten (40, 42) ein Magnetfeld mit einer Flussdichte von 0,2 bis 0,5 Tesla, vorzugsweise etwa 0,4 Tesla, erzeugen.
Mehrschichtisolationssystem (34) nach Anspruch 1, das zwischen 20 und 40 Isolationsschichten (36) umfasst, wobei die Isolationsschichten so angeordnet sind, dass die magnetischen Nordpole zu den magnetischen Nordpolen benachbart sind und die magnetischen Südpole zu den magnetischen Südpolen benachbart sind.
Tieftemperaturlagerbehälter (32), der umfasst: einen Innentank (12) mit einem Einschlussvolumen (14), das ein Tieftemperaturfluid lagert; einen Außentank (16), der den Innentank (12) umgibt und einen Isolationsraum (24) dazwischen definiert, wobei der Isolationsraum (24) einen niedrigeren Druck als den Luftdruck aufweist; und ein magnetisches Mehrschichtisolationssystem (34) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das in dem Isolationsraum (24) angeordnet ist und den Innentank (12) umgibt.
Tieftemperaturlagerbehälter (32) nach Anspruch 11, bei dem ein Abstand zwischen benachbarten Isolationsschichten (36) gleich ist.
Tieftemperaturlagerbehälter (32) nach Anspruch 11, bei dem die wenigstens zwei Isolationsschichten (36) mehrere Isolationsschichten enthalten, die äquidistant voneinander beabstandet sind.
Tieftemperaturlagerbehälter (32) nach Anspruch 11, bei dem die wenigstens zwei Isolationsschichten (36) mehrere Isolationsschichten enthalten, die einen verschiedenen Abstand zwischen einander haben.
Tieftemperaturlagerbehälter (32) nach Anspruch 14, bei dem die Isolationsschichten (36), die in der Nähe des Außentanks (16) angeordnet sind, enger zueinander beabstandet sind als die Isolationsschichten, die in der Nähe des Innentanks (12) angeordnet sind.
Tieftemperaturlagerbehälter (32) nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine der Isolationsschichten (36) den Innentank (12) vollständig umgibt.
Tieftemperaturlagerbehälter (32) nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine der Isolationsschichten (36) einen Abschnitt des Innentanks (12) umgibt.
Verfahren zum Isolieren eines Tieftemperaturlagerbehälters (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Innentanks (12); Bereitstellen eines Außentanks (16), der den Innentank (12) umgibt und einen Isolationsraum (24) dazwischen definiert; und Umgeben des Innentanks (12) mit mehreren magnetisch abgestoßenen Isolationsschichten (36).
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Umgeben des Innentanks (12) mit mehreren magnetisch abgestoßenen Isolationsschichten (36) das Bereitstellen von Isolationsschichten (36) umfasst, die eine Trägerhaltelage (38) mit einer ersten Hauptoberfläche (39), auf die der Nordpol eines magnetischen Werkstoffs geschichtet ist, und mit einer zweiten und der ersten Hauptfläche (39) gegenüber liegenden Hauptoberfläche (41), auf die der Südpol eines magnetischen Werkstoffs (42) geschichtet ist, umfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Beabstanden der Isolationsschichten (36) voneinander und das Anordnen der Isolationsschichten (36) in der Weise, dass magnetische Werkstoffe mit Nordpol zu magnetischen Werkstoffen mit Nordpol benachbart sind und magnetische Werkstoffe mit Südpol zu magnetischen Werkstoffen mit Südpol benachbart sind, umfasst.