DE2106588B2

DE2106588B2 - Wärmeisolierung für einen Behälter zur Lagerung tief kalter Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2106588B2
Application number: DE2106588A
Authority: DE
Inventors: Yves Saint- Martin-D'heres Gagneux; Roger Oullins Guyon; Yves Echirolles Louis; Franck Grenoble Muller; Henri Rillieux Tariel
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1970-02-13
Filing date: 1971-02-11
Publication date: 1980-07-10
Also published as: BE762803A; US3769118A; NL7101897A; NL167509C; GB1355666A; FR2079820A5; DE2106588A1; JPS5425262B1; LU62575A1; NL167509B; DE2106588C3

Description

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Die Erfindung betrifft eine Wärmeisolierung für einen Behälter zur Lagerung viefkalur Flüssigkeiten, der eine Metallwand aufweist, taf deren Außenfläche eine Isolierschicht aus gasdichtem M .terial geringer Wärmeleitfähigkeit mit einem Klebstoff aufgeklebt ist, wobei das Isoliermaterial ausreichende mechanische Eigenschaften zum Widerstehen von Deformationen während des Gebrauchs des Behälters aufweist. -to

Solche Behälter dienen z. B. der Aufnahme oder Lagerung von Flüssiggasen, z. B. verflüssigtem Sauerstoff, verflüssigtem Wasserstoff oder verflüssigtem Naturgas bei tiefster Temperatur; unter Behälter versteht man jedoch auch Leitungen zur Oberführung solcher Strömungsmittel. Insbesondere Raketenbehälter für tiefkalte Flüssigkeiten, wie für flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Wasserstoff, will man mittels mindestens einer Schicht aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit thermisch isolieren, wobei die Schicht bei Umgebungstemperatur in Form aneinanderstoßender Platten auf der Außenfläche der Metallwand des Behälters aufgeklebt wird. Die Kältepumpwirkung der den Behälter umgebenden Gase, ζ. B. Luft, stellt die zu lösende Hauptschwierigkeit dar, um Gase mit tiefem Siedepunkt in dieser Weise zu lagern. Die äußere Metalloberfläche des Behälters, auf die das Isoliermaterial aufgebracht wird, wirkt nämlich wie eine Kältefalle, wenn die Isolierschicht nicht gegenüber den Gasen dicht ist, die den Behälter umgeben und bei der Temperatur μ des in dem Behälter enthaltenen verflüssigten Gases kondensierbar sind. Die so emgefangenen Gase können durch Wärmefluß verdampfen und die Wärmeisolierung durch Bersten der isolierschicht bleibend beschädigen. Dies muß insbesondere bei der Raumfahrt vermieden hi werd'-n, wo die auftretenden Wärmefliisse insbesondere auf der kinetischen Erwärmung beruhen.

Eine Wärmeisolierung der eingangs erwähnten Art ist eus der FR-PS 15 05 497 bekannt. Dort wird zwar die Kälte- bzw. Kryopumpwirkung der Gase der umgebenden Atmosphäre durch die auf die Behälteraußenwand aufgelegten Isolierschichten verhindert, weil um den Behälteraußenmantel eine aus gasundurchlässigem, geschäumtem Kunststoff gebildete Isolierschicht herumgelegt ist Die Verbindung der Platten miteinander erfolgt aber an den Stoßfugen durch einander überlappende Randteile. Diese Ausgestaltung der Fugen bringt als Nachteil eine Oberdeckung derselben mit sich, so daß es schwierig ist, festzustellen, ob der Klebstoff gut in die Verbindungsfugen eingeführt und ausreichend verteilt ist Derartige Verbindungen sind daher wenig zuverlässig.

Die Abdichtung einer Klebstoffverbindimg an der Metallwand des Behälters für tiefkalte Flüssigkeiten und der Isolierschicht führte nämlich bislang zu einer Reihe von Schwierigkeiten. Verwendete Zellmaterialien sind nicht homogen genug. Beispielsweise treten starke Streuungen bei den Messungen der Rißdehnung auf, die man an einer bestimmten Anzahl von aus einer Platte des starren Materials mit geschlossenen Zellen ausgeschnittenen Probestäben vornimmt Diese Ungleichmäßigkeit ist ungünstig für eine gute Warmverformung der Platten entsprechend der Krümmung eines zylindrischen Behälters, denn es ist schwierig, homogene und damit kontrollierbare Deformationen zu erhalten.

Zum Beispiel ν egen Überdicken der Schweißnähte usw. ist man veranlaßt, während der Aufklebung an diesen Stellen mehr Klebstoff als sonst auf der Behälteroberfläche aufzubringen. Um mechanisch widerstandsfähig und somit bei tiefer Temperatur dicht zu sein, müssen aber die für Tiefsttemperaturtechnik geeigneten Klebstoffe in Form eines feinen Filmes aufgebracht werden. Deshalb ist infolge der Rißbildung der Verleimung die Dichtheit der Metallisoliermittelverbindung nicht mehr an allen diesen Stellen gewährleistet

Außerdem ist es sehr schwierig, während der Verleimung eine gleichmäßige Verteilung des Klebstoffes zu erzielen, und jede Überdicke kann in der Kälte eine Rißbildung der Klebstoffverbindung hervorrufen. Für einen zylindrischen Behälter wird das allgemein zu Platten geschnittene Isoliermaterial in der Wärme vorgeformt, um sich der Krümmung des Zylindermantels anzuschmiegen. Die Platten werden dann aneinanderstoßend verleimt, um aneinanderliegende Ringe zu bilden. Diese Technik führt zu einer gewissen Verklemmung der Platten und kann ihre Ablösung von der Wand des Tiefsttempeniturbehälters mit sich bringen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dichtheit der Isolierung zu verbessern. Insbesondere soll eine Verbesserung der Undurchlässigkeit der Verbindungsstellen zwischen Behälteraußenwand und den jeweils nach außen aufeinanderfolgenden Isolierschichten erreicht werden sowie zwischen den jeweils nebeneinanderliegenden Platten einer Isolierschicht. Außerdem soll die Dichtheit der Isolierung durch das Verhindern von Rissen im Isoliermaterial selbst verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Klebstoff mit einem Gewebe bewehrt ist, daß die Isoliermaterialschicht mit einem harzgetränkten Gewebe bedeckt ist und daß die Platten der Isolierschicht untereinander Y-förmige Fugen bilden, die mit einem V-förmigen Verschlußstreifen abgeschlossen sind, der aus dem Isoliermaterial geschnitten und in die Fugen eingeklebt ist. Durch das eingebaute

Gewebe bilden sieb nicht mehr unerwartet Risse an den Verbmdungsfläcnen und Fugen, durch welche das zu vermeidende Kryopumpen andernfalls erfolgt Durch die Y-förroigen Fugen erreicht man eine zuverlässige Dichtheit der Verbindungen zwischen BehSlterwandau-Benfläche und Isoliermaterialschicht, auch an den Fugen,

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß man die Dichtheit der Klebeverbindung zwischen der Außenfläche des Behalters und dem gasdichten Isoliermaterial, das außerdem ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Deformationen während des Gebrauchs des Behälters besitzt, dadurch verbessern kann, daß man vor der Verleimung eine Homogenisierung dieses Materials durch Tempern vornimmt und einen Ausgleich von Unebenheiten der Oberfläche durch einen Klebstoff erreicht, der bei tiefen Temperaturen in starker Dicke aufgetragen werden kann sowie eine Armiemng des Klebstoffes mittels eines Gewebes vornimmt

Durch die Temperung erhält man eine Wärmestabilisierung des Isoliermaterials. Man gleicht so seine Eigenschaften im Inneren ein und derselben Platto und insbesondere seinen Dehnungskoeffizienten und seine mechanischen Eigenschaften aus. Infolgedessen vergleichmäßigt man sein Verhalten während der Formung in der Wärme, was zugleich die Qualität dieses Arbeitsganges verbessert Da sich die verformten Isoliermaterialplatten besser an die Form der Metalloberfläche anschmiegen, auf die sie aufgebracht werden, erhält man eine Verbesserung der Dichtheit der entsprechenden Klebeverbindung.

Durch die Bestreichung der Unregelmäßigkeiten der Metalloberfläche, wie der Überdicken der Schweißung und der Leitungsnahtstellen mit einem Klebstoff, der zur Verwendung in stärkerer Dicke bei Tiefsttemperaturen geeignet ist, wie beispielsweise Epoxypolyaminoamidharz, gleicht man Unebenheiten auf der Oberfläche aus und unterdrückt alle Schwächen der Klebstoffverbindung zwischen Metall und Isoliermaterial, die ihre Dichtheitsoigenschaften durch Rißbildung verändern können. Diese besondere Verklebung gestattet insbesondere in einem fortlaufenden Arbeitsgang vor der Aufleimung die nachträgliche Verformung zu vermeiden, um augenblicklich in der Wärme das auf die Krümmung des Behälters geformte Isoliermaterial auf die Wände des Behälters aufzubringen und die Unregelmäßigkeiten darin einzudrücken.

Indem man den Klebstoff mit einem Gewebe bewehrt, kann man die Außenfläche der Kältemittelbehälter mit diesem mi* Klebstoff getränkten Gewebe beispielsweise durch Umwicklung verleimen. Dies gestatte» die Erzielung siner homogenen Verklebung und die Kontrolle des je Oberflächeneinheit abgelegten Klebstoffgewichtes bei der Verleimung. Diese Homogenität, die durch das Fehlen jeder übermäßigen Beleimung gekennzeichnet ist, begünstigt die Widerstandsfähigkeit der Metallisolierverbindung bei tiefen Temperaturen und damit deren Dichte. Das Vorhandensein eines Gewebes begünstigt außerdem eine rasche Beleimung.

Die thermisch zu isolierenden Behälter für Kältemittel sind im allgemeinen zylindrisch und haben flache oder gewölbte Böden. Um die gewölbten Böden bzw. Mantel zu isolieren, zerschneidet man das Material in <v> Platten, die man warm auf die Krümmung der Behälter vorformt, dann zusammenfügt und diese vorgeformten Platten auf die Außenfläche des Behältermantels aufleimt.

In diesem Fall wurde festgestellt, daß man die Dichtheit der Klebstoffyerbindung zwischen dem Metall und der Isolierschicht noch verbessert, indem man die Isolierschicht in mindestens eine Gruppe rechteckiger Platten zerschneidet, die in zwei Abmessungen, z, B. Dicke und Breite, im wesentlichen konstant sind und deren dritte Dimension, z. B. die Länge, derart ist daß die Platten ein und derselben Gruppe längs dieser dritten Dimension aneinanderstoßend verlegt eine kleinere Gesamtlänge haben als der Umfang des zylindrischen Behältermantels, wobei man diese Platten auf die Krümmung des Mantels »arm vorformt auf die Außenfläche des Mantels in Stoßverbindung die Platten ein und derselben Gruppe und die zu benachbarten Gruppen gehörenden Platten aufklebt die Platten ein und derselben Gruppe einen offenen Ring unter Freilassung eines Raumes bilden läßt und nach Aufleimung dieser Platten den Raum durch Einleimung einer aus Isoliermaterial geschnittenen Verschlußplatte schließt

Während das gasdichte Isoiiernviierial in Plattenform geschnitten wird und diese Platten auf die Außenfläche der Metallwände eines Behälters für Kältemittel irgendeiner Form aufgeleimt werden, verbessert man gemäß der Erfindung die Dichtheit der Klebverbindung zwischen den Platten dadurch, daß man sie vor der Verleimung derart abfast, daß sie nach ihrer Verleimung miteinander eine Y-Fuge bilden, und nach Aufleimung dieser Platten diese Dichtung durch Einklebung eines Verschlußstreifens von V-Form abschließt, der aus demselben Isoliermaterial geschnitten ist. Diese besondere Fuge und die Art ihres Verschlusses bieten zahlreiche Vorteile für die Dichtheit Einerseits ist es vor der Einklebung des V-Streifens möglich, die Verteilung des Klebstoffes zu kontrollieren. Andererseits legt sich der Streifen während der Einklebung von selbs: an seinen Platz. Außerdem macht dieser Streifen eine präzise Verarbeitung überflüssig.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eriindungsgemäß das Isoliermaterial ein starres zellartiges Material ist, das aus Polyvinyl besteht und das vor dem Bekleben durch Tempern homogenisiert wurde.

Die gemäß der Erfindung verwendeten gasdichten Materialien von geringer Wärmeleitfähigkeit können aus jedem starren zellartigen Materia' mit geschlossenen Zellen bestehen, die schon erwähnt wurden und beispielsweise in der deutschen Patentschrift 11 84 079 beschrieben sind.

Die gemäß der Erfindung gefertigten thermisch isolierten Behälter zur Lagerung tiefkalter Flüssigkeiten können wegen ihres geringen Gewichtes gut in Raketen, Luft- oder Raumfahrzeugen verwendet werden. Sie können jedoch auch rnit Vorteil für jegliche Speicherung von verflüssigten Gasen dienen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert.

Fig. 1 zeigt in räumlicher Ansicht einen Teil der Wärmeisolierung auf der Wand eines zylindrischen Tiefsttemperaturbehälters, während die vorgeformten Platten aus Isoliermaterial auf den Mantel aufgeklebt worden sind;

F i g. 2 zeigt ebenfalls in räumlich'-r Ansicht denselben Teil der Wärmeisolierung, nachdem die Verschliißplat· ton auf die Behalte wand aufgeklebt worden sind;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der vollständigen Wärmeisolierung.

Zunächst wird ais Beispiel beschrieben, wie auf der Außenseite eines zylindrischen Metallbehälters in einer Rakete eine Wärmeisolierung gemäß Fig. 3 errichtet wird, die völlig gasdicht ist und die die Kältepumpwirkung vermeidet. Rechteckige Platten 1 von ungefähr gleichen Abmessungen werden aus einem starren zellartigen Material mit geschlossenen Zellen auf der Grundlage von Polyvinylchlorid geschnitten. Die Hauptmerkmale eines solchen Materials können folgende sein:

Spezifische Masse:

Der Nennwert wird zu 50 kg/m³ mit einer Schwankung von ±5 kg/m³ gewählt.

Dehnungskoeffizient:

Der Mittelwert zwischen 300 und 20 K ist 36 · 10-VK.

Wärmeleitfähigkeitskoeffizient:

Der Mittelwert zwischen 300 und 20 K ist 2,1 · 10-2 W/mK.

Rißdehnung er

6% < ,r < 12% bei 300 K

1,4% < rr < 1,8% bei 20 K

Diese Platten 1 haben eine solche Abmessung, z. B. Länge, daß eine gleiche Anzahl oder Gruppe von Platten 1 nach dieser Dimension stumpf aneinanderstoßend verlegt eine kleinere Gesamtlänge hat als der Umfang des Behältermantels, dessen Achse X-X' dargestellt ist Die Bedeutung dieser Bemessung ergibt sich aus den nachstehenden Darlegungen. Diese Platten t werden anschließend einer Wärmestabilisierungsbehandlung oder Tempening unterzogen und dann kalibriert. Darauf werden die Platten 1 warm auf die Krümmung des Mantels verformt und dann derart abgefast daß die auf den Mantel aneinanderstoßend zusammengefügten Platten Y-Fugen 2 bilden.

Parallel zu diesen Arbeitsgängen wird die Außenfläche der Metallwand 3 des Behälters entfettet, gebeizt, gespült, getrocknet und vorübergehend durch Aufstäuben eines Schutzfilmes geschützt Die Unebenheiten der Außenfläche des Mantels, wie Schweißraupen usw., werden anschließend örtlich mit einem durch Polyaminoamide gehärteten Epoxyharz, das sich in starker Dicke bei tiefen Temperaturen verwenden läßt, bestrichen. Dann kann die Beleimung des Mantels beginnen. Hierzu dient ein geeignetes Klebeharz 4, z. B. Epoxyharz, das mit einem leichten Glasgewebe 5 bewehrt ist Das mit diesem Hare 4 getränkte Gewebe 5 wird um den Behältermantel gewickelt

Die Aufklebung der vorher vorgeformten Isoliermaterialplatten 1 kann dann beginnen. Gemäß F i g. 1 werden die auf die Behälterkrümmung vorgeformten Platten 1 aneinanderstoßend auf die Manteloberfläche aufgelegt aber die Platten einer Gruppe lassen, wie vorstehend dargelegt wurde, einen Raum 6 frei, der in dieser Verfahrensstufe nicht mit Isoliermaterial ausgefüllt wird, weil die Gesamtlänge der Platten einer Gruppe kleiner ist als der Mantelumfang. Die Verspannung des Isoliermaterials gegen die Metalloberfläche des Behälters erfolgt mittels eines Vakuumsacke: während der Polymerisation des Klebstoffes.

Nach Aufkleben der Platten 1 werden gemäß Fig.; die Zwischenräume 6 mit Abschlußplatten 7 ausgefüllt die angepaßt an diese Räume aus demselben Isolierma terial wie die Platten 1 geschnitten und in derselber Weise wie die Platten 1 abgefast sind. Das Aufkleber der Abschlußplatten 7 erfolgt gleichfalls unter Vakuum sack. Die zwischen den Platten 1 und zwischen einei

ίο Abschlußplatte 7 und den benachbarten Platten ι bestehenden Y-Fugen 2 werden mit dem Harz ' bestrichen. Dann werden V-förmige Abschlußstreifen 8 die aus demselben Isoliermaterial wie die Platten 1 geschnitten sind, unter Vakuumsäcken in die Y-Fugen:

eingeklebt, die zwischen den verschiedenen Platten I und 7 gebildet sind. Dasselbe mit dem Harz 4 getränkt« Glasgewebe 5 wird anschließend um die Isolierschich gewickelt Dies dient gegebenenfalls dazu, ein endother mss MHtsris! 9 z. B. K.ork zu hältern dss dii Wandtemperatur der Wärmeisolierung während einei gelegentlich des Fluges der Rakete auftretender kinetischen Erwärmung auf zulässige Werte begrenzt.

Man gelangt so zu einer Wärmeisolierung, wie sie ir F i g. 3 wiedergegeben ist Der thermisch isoliert« Behälter zur Lagerung tiefkalter Flüssigkeiten besitzt also eine Metallwand 3, und auf der Außenfläche dei Metaliwand 3 eine Schicht aus einem gasdichter Materi?" von geringer Wärmeleitfähigkeit in Form vor aneinanderstoßenden Platten 1, die durch ein mit einerr Gewebe 5 bewehrtes Klebemittel 4 aufgeleimt sind Dieses Isoliermaterial besitzt außerdem ausreichende mechanische Eigenschaften, um Deformationen zi widerstehen, denen es während des Gebrauches de: Behälters ausgesetzt ist Die Platten Il sind von einen Gewebe überdeckt, das mit einem Harz getränkt ist unc in dem beschriebenen Beispiel mit dem mit Klebemitte 4 (Epoxyharz) getränkten Gewebe 5 identisch ist Außerdem bilden die Platten 1 untereinander Y-Fuger 2, die durch V-förmige Verschlußstreifen 8 verschlosser sind, welche aus dem Material der Platten 1 geschnitter und in die Fugen eingeklebt sind.

Für das Beispiel eines Behälters für flüssiger Wasserstoff hat die Metallwand 3 eine Dicke vor 03 mm und besteht aus einer Aluminiumlegierung. Die Platten 1 aus gasdichtem Wärmeisoliermaterial haber eine Dicke von 16 mm. Das mit einem Epoxyklebstof getränkte Glasgewebe hat eine Dicke von 0,2 mm. Die Dicke des endothermen Materials 9 ist größer al; 0,5 mm. Das Gewicht der gefertigten Isolierung beträgi

so etwa 1,870 kg/m^J bzw. 1,22 kg/m², wenn das endotherm« Material nicht erforderlich ist

Die Eignung der gemäß der Erfindung gefertigter Wärmeisolierung wurde durch zwei Arten von Versu chen ermittelt Zunächst wurden statische Versuche durchgeführt um festzustellen, ob die Wärmeisolierung durch thermische Beanspruchungen, durch die Defor mationen des Aufbaues und durch mehrfachen Ge brauch nicht zerstört wird. Anschließend wurder Versuche durchgeführt, iim die thermischen Leistunger der Wärmeisolierung zu messen. AHe diese Versuche haben eine ausgezeichnete Dichtheit der Klebeverbin dung gemäß der Erfindung sowie ein ausgezeichnet« mechanisches und thermisches Verhalten der Isolieruni erwiesen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeisolierung für einen Behälter zur Lagerung tiefkalter Flüssigkeiten, der eine Metallwand aufweist, auf deren Außenfläche eine Isolierschicht aus gasdichtem Material geringer Wärmeleitfähigkeit mit einem Klebstoff aufgeklebt ist, wobei das Isoliermaterial ausreichende mechanische Eigeuschaf ten zum Widerstehen von Deformationen ι ο während des Gebrauchs des Behälters aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (4) mit einem Gewebe (5) bewehrt ist, daß die Isoliermaterialschicht (1) mit einem harzgetränkten Gewebe (4,5) bedeckt ist und daß die Platten (1,7) der Isolierschicht untereinander Y-förmige Fugen (2) bilden, die mit einem V-förmigen Verschlußstreifen (8) abgeschlossen sind, der aus dem Isoliermaterial geschnitten und in die Fugen (2) eingeklebt ist

2. Wärmeisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeschicht (4) eine solche Dicke aufweist, daß Unebenheiten der Oberflächen ausgeglichen werden können.

3. Wärmeisolierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (1) ein starres, zellartiges Material ist, das aus Polyvinylchlorid besteht und das vor dem Verkleben durch Tempern homogenisiert wurde.