DE2106588C3

DE2106588C3 - Wärmeisolierung für einen Behälter zur Lagerung tiefkalter Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2106588C3
Application number: DE2106588A
Authority: DE
Inventors: Roger Oullins Guyon; Franck Grenoble Muller
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: 1981-03-12
Also published as: BE762803A; GB1355666A; NL7101897A; DE2106588A1; NL167509B; NL167509C; JPS5425262B1; LU62575A1; FR2079820A5; DE2106588B2; US3769118A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeisolierung für einen Behälter zur Lagerung tiefkalter Flü .igkeiten, der eine Metallwand aufweist, auf deren Außenfläche eine Isolierschicht aus gasdichtem Material geringer Wärmeleitfähigkeit mit einem Klebstoff aufgeklebt ist, wobei das Isoliermaterial ausreichende mechanische Eigenschaften zum Widerstehen von Deformationen während des Gebrauchs des Behälters aufweist.

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 Überführung 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, z. 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 des in dem Behälter enthaltenen verflüssigten Gases kondensierbar sind. Die so eingefangenen Gase können durch Wärmefluß verdampfen und die Wärmeisolierung durch Bersten der Isolierschicht bleibend beschädigen. Dies muß insbesondere bei der Raumfahrt vermieden werden, wo die auftretenden Wärmeflüsse insbesondere auf der kinetischen Erwärmung beruhen.

Eine Wärmeisolierung der eingangs erwähnten Art ist aus 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 eLander überlappende Randteile. Diese Ausgestaltung der

ίο 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 Klebstoffverbindung an der Metallwand des Behälters für tiefkalte Flüssigkeiten und der Isolierschicht führte nämlich bislang zu eine·· 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, denr· es ist schwierig, homogene und damit kontrollierbare Deformationen zu erhalten.

Zum Beispiel wegen Überdicken der Schweißnähte usw. ist man veranlaßt, während der Aufklebung an

jo diesen Stellen mehr Klebstoff aJs 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 Tiefsttemperaturbehälters 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

feo verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Klebstoff mit einem Gewebe bewehrt ist, daß die Isoüermaterialschicht 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 sich nicht mehr unerwartet Risse an den Verbindungsflächen und Fugen, durch welche das zu vermeidende Kryopumpen andernfalls erfolgt Durch die Y-förmigen Fugen erreicht man eine zuverlässige Dichtheit der Verbindungen zwischen Behälterwandau-Benfläche und Isoliermaterialschicht, auch an den Fugen.

Genjäß der Erfindung wurde festgestellt, daß man die Dichtheit der Klebeverbindung zwischen der Außenfläche des Behälters 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 Armierung des Klebstoffes mittels eines Gewebes vornimmt.

Durch die Temperung erhält man eine Wärp-estabilisierung des Isoliermaterials. Man gleicht so seine Eigenschaften im Inneren ein und derselben Platte und insbesondere seinen Dehnungskoeffizienten und seine mechanischen Eigenschaften aus. Infolgedessen vergleichmäßigt man sein Verhallen 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 Oberdicken 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 Dichtheitseigenschaften 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 Wä-rme das auf die Krümmung des Behälters geformte Isoliermaterial auf die Wände des Behälters aufzubringen und die Unregelmäßigkeiten darin einzudrücken.

Indem man den KleV>stoff mit einem Gewebe bewehrt, kann man die Außenfläche der Kältemittelbehälter mit diesem mit Klebstoff getränkten Gewebe beispielsweise durch Umwicklung verleimen. Dies gestattet die Erzielung einer 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 Metallisolierverbindu.ig 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, verschneidet man das Material in Platten, die man warm au^f 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 Klebstoffverbindung 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

ίο dieser dritten Dimension aneinanderstoßend verlegt eine kleinere Gesamtlänge haben als der Umfang des zylindrischen Behältermantels, wobei man diese Platten auf die Krümmung des Mantels warm vorformt, auf die Außenfläche des Mantels in Stoßverbindung die Platten ein und derselben Gruppe und die zu benachbarten Gruppen gehörenden Platten aufkleb», die Platten ein und derselben Gruppe einen offenen Ring unter Freilassung eines Raumes bilden läßt und nach Aufleimung dieser Platten den Raum d'jrch Einleimung einer aus Isoliermaterial geschnittene» Verschlußplatte schließt

Während das gasdichte Isoliermaterial in Plattenform geschnitten wird und diese Platten auf die AußenPäche 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 selbst an seinen Platz. Außerdem macht dieser Streifen eine präzise Verarbeitung überflüssig.

Di»bei ist es besonders vorteilhaft, wenn erfindungsgemäß 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 zeliartigen Material 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, Lu't- i/der Raumfahrzeugen verwendet werden. Sie können jedoch auch mit Vorteil für jegliche Speicberung von verflüssigten Gasen dienen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert.
F i g. 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 ebenfal's in räumlicher Ansicht denselben Teil der Wärmeisolierung, nachdem die Verschlußplatten auf die Behälterwand aufgeklebt worden sind;

Fig.3 ist eine Schnittansicht der vollständigen Wärmeisolierung.

Zunächst wird als 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/m' mit einer Schwankung von ±5 kg/m '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-* W/mK.

Rißdehnungen

6% < / r < 12% bei 300 K
1,4% < >r < 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 1 werden anschließend einer Wärr.iestabilisierungsbehandlung oder Temperung 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.

ehe 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 Harz 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 ί 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 dec Behälters erfolgt mittels eines Vakuumsackes während der Polymerisation des Klebstoffes.

Nach Aufkleben der Platten 1 werden gemäß F i g. 2 die Zwischenräume 6 mit Abschlußplatten 7 ausgefüllt. die angepaßt an diese Räume aus demselben Isoliermaterial wie die Platten 1 geschnitten und in derselben Weise wie die Platten 1 abgefast sind. Das Aufkleben der Abschlußplatten 7 erfolgt gleichfalls unter Vakuumsack. Die zwischen den Platten 1 und zwischen einer

ίο Abschlußplatte 7 und den benachbarten Platten 1 bestehenden Y-Fugen 2 werden mit dem Harz 4 bestrichen. Dann werden V-förmige Abschlußstreifen 8, die aus demselben Isoliermaterial wie die Platten 1 geschnitten sind, unter Vakuumsäcken in die Y-Fugen 2

i> eingeklebt, die zwischen den verschiedenen Platten 1 und 7 gebildet sind. Dasselbe mit dem Harz 4 getränkte Glasgewebe 5 wird anschließend um die Isolierschicht gewickelt. Dies dient gegebenenfalls dazu, ein endothermes Material 9, z. B. Kork, zu haltern, das die Wandtemperatur der Wärmeisolierung während einer gelegentlich des Fluges der Rakete auftretenden kinetischen Erwärmung auf zulässige Werte begrenzt.

Man gelangt so zu einer Wärmeisolierung, wie sie in F i g. 3 wiedergegeben ist. Der thermisch isolierte Behälter zur Lagerung tiefkalter Flüssigkeiten besitzt also eine Metallwand 3, und auf der Außenfläche der Metallwand 3 eine Schicht aus einem gasdichten Material von geringer Wärmeleitfähigkeit in Form von aneinanderstoßenden Platten 1, die durch ein mit einem Gewebe 5 bewehrtes Klebemittel 4 aufgeleimt sind. Dieses Isoliermaterial besitzt außerdem ausreichende mechanische Eigenschaften, um Deformationen zu widerstehen, denen es während des Gebrauches des Behälters ausgesetzt ist. Die Platten 1 sind von einem Gewebe überdeckt das mit einem Harz getränkt ist und in dem beschriebenen Beispiel mit dem mit Klebemittel 4 (Epoxyharz) getränkten Gewebe 5 identisch ist. Außerdem bilden die Platten 1 untereinander Y-Fugen 2, die durch V-förmige Verschlußstreifen 8 verschlossen sind, welche aus dem Material der Platten 1 geschnitten und in die Fugen eingeklebt sind.

Wasserstoff hat die Metallwand 3 eine Dicke von 0,8 mm und besteht aus einer Aluminiumlegierung. Die Platten 1 aus gasdichtem Wärmeisoliermaterial haben eine Dicke von 16 mm. Das mit einem Epoxyklebstoff getränkte Glasgewebe hat eine Dicke von 0,2 mm. Die Dicke des endothermen Materials 9 ist größer als 0,5 mm. Das Gewicht der gefertigten Isolierung beträgt etwa 1,870 kg/m² bzw. 1,22 kg/m², wenn das endotherme Material nicht erforderlich ist

Die Eignung der gemäß der Erfindung gefertigten Wärmeisolierung wurde durch zwei Arten von Versuchen ermittelt Zunächst wurden statische Versuche durchgeführt um festzustellen, ob die Wärmeisolierung durch thermische Beanspruchungen, durch die Deformationen des Aufbaues und durch mehrfachen Gebrauch nicht zerstört wird. Anschließend wurden Versuche durchgeführt, um die thermischen Leistungen der Wärmeisolierung zu messen. Alle diese Versuche haben eine ausgezeichnete Dichtheit der Klebeverbindung gemäß der Erfindung sowie ein ausgezeichnetes mechanisches und thermisches Verhalten der Isolierung 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 Eigenschaften zum Widerstehen von Deformationen während des Gebrauchs des Behälters aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (4) mit einem Gewebe (5) bewehrt ist, daß die Isoüermaterialschicht (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.