DE2652354A1

DE2652354A1 - Tieftemperatur-speicherbehaelter

Info

Publication number: DE2652354A1
Application number: DE19762652354
Authority: DE
Inventors: Alfred Barthel
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-11-18
Filing date: 1976-11-17
Publication date: 1977-06-08
Also published as: US4055268A; NL7612788A; BR7607657A; JPS5631472B2; FR2332487A1; SE7612849L; FR2332487B1; JPS5262762A; ZA766893B; MX144924A; IN155732B; BE848432A; ES236461Y; ES236461U; CA1046962A; GB1543428A

Description

Tieftemperatur-Speicherbehälter

Die Erfindung betrifft einen doppelwandigen vakuumisolierten Behälter zur Speicherung von Gut bei tiefen Temperaturen .

Doppelwandige, vakuumisolierte Behälter werden in großem Umfang für die Langzeitaufbewahrung von lebendem Gewebe, Sperma und Vollblut sowie für das Speichern und den Transport von wertvollen kryogenen Flüssigkeiten verwendet. Derartige Behälter sind für gewöhnlich in dem Vakuumisolationsraum mit einer mehrlagigen, von externen Belastungen freien Verbundisolation ausgestattet, die schlecht wärmeleitende Faserschichtlagen zum Minimieren der Wärmeübertragung durch Feststoffwärmeleitung sowie dünne, flexible Strahlungssperrschichten aufweist. Die Strahlungssperrschichten werden von den Faserschichtlagen übereinandergeschichtet derart abgestützt, daß eine große Anzahl von Strahlungssperrschichten

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in einem begrenzten Raum untergebracht werden kann. Dadurch wird eine Wärmeübertragung über den Vakuumraum durch Wärmestrahlung herabgesetzt, ohne daß die Wärmeübertragung durch Feststoffwärmeleitung merklich erhöht wird. Gegen beide Seiten jeder Strahlungssperrschicht legt sich eine Lage aus Faserschichtmaterial an, wobei die Fasern im wesentlichen parallel zu den Strahlungssperrschichten und im wesentlichen senkrecht zu der Richtung des über den Isolationsraum eindringenden Wärmestroms gerichtet sind.

Es ist bekannt (US-PS 3 OO9 6OO), Faserschichtmaterial aus Glasfasern mit kleinem Durchmesser (einem Durchmesser von ungefähr 0,5/um) in bleibend vorverdichteten Schichten von ungefähr 38 /jm Dicke vorzusehen, die ein Gewicht von ungefähr 16 p/m haben. Diese Fasern seien im folgenden kurz als Glasmikrofasern bezeichnet. Die extreme Feinheit der Glasmikrofaser sorgt für einen mechanischen Zusammenhalt der Trennlage in Form von sehr dünnen Schichten, ohne daß chemische Bindemittel vorgesehen zu werden brauchen, um die Fasern miteinander zu verkleben. Werden mit dünnen Aluminiumfolien abwechselnde Glasmikrofaserschichten in nahezu der günstigsten Dichte von 276 Lagen/dm in einem Vakuumraum mit weniger als 0,1 /Jm Hg absolut eingebaut, liegt die Wärmeleitfähigkeit bei ungefähr 4,3 χ 10~ W/Km. Wird ein 29 1-Behälter für flüssigen Stickstoff mit einer derartigen Isolation ausgestattet, kann eine normale Verdampfungsgeschwindigkeit von ungefähr 0,15 kg flüssigem Stickstoff pro Tag

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erhalten werden.

Die Nachteile von Glasmikrofaserschichten sind die hohen Kosten und die extreme Empfindlichkeit solcher Schichten gegenüber mechanischer Pressung. Die letztgenannte Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, daß die Anzahl der Faser-Faser-Kontaktstellen innerhalb der Schicht erhöht ist, ,wodurch im Ergebnis der Weg des Wärmestroms zwischen den von der Schicht getrennten reflektierenden Folien verkürzt wird. Beim praktischen Einsatz von dünnen, bleibend vorverdichteten Abstandsschichten in einer mehrlagigen Isolation kann in der Regel nicht vermieden werden, daß eine hohe Pressung mindestens in lokalisierten Bereichen der Isolation auftritt.

Es ist ferner bekannt (US-PS 3 145 515), Glasfasern mit vergleichsweise großem Durchmesser (1,6 bis 2,6/Jm) in flaumigen, nichtverdichteten Florschichten im wesentlichen ohne Bindemittel zu verwenden. Um der mangelnden Festigkeit und der schlechten Handhabbarkeit solcher Trennlagen zu begegnen, wird die Faserschicht auf einem anderen, festeren Schichtwerkstoff der Isolation, beispielsweise der reflektierenden Folie, abgestützt. Die Tragfolie kann dabei zwischen die empfindlichen Faserlagen geschichtet werden, wenn letztere gefertigt werden; danach werden die beiden Komponenten während der Behälterherstellung als einzelne Verbundlage zusammen gehandhabt und aufgebracht. Die so erhaltene mehrlagige Isolation eignet sich hervorragend für große Gefäße, die nur eine mäßig wirkungsvolle Isolation erfordern.

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Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Isolation (ungefähr 1,7 χ 1O~ W/Km) entspricht jedoch nicht den Anforderungen für kleine Tieftemperaturbehälter mit langer Speicherdauer.

Es ist weiterhin bekannt (US-PS 3 265 236), anstelle von Glasfaserschichten Trennlagen aus organischen Fasern vorzusehen, die u.a. eine wesentlich niedrigere Eigenwärmeleitfähigkeit als Glas haben. Beispielsweise soll mit einer Kunstseidenfaser, die einen 16- bis 24-fach größeren Durchmesser hat, eine Mindestwärmeleitfähigkeit für eine mehrlagige Isolation erreicht werden können, die gleich derjenigen einer Glasfaser-Mehrlagenisolation ist. Um dabei mit großen Fasern in dünnen Schichten für die notwendige Festigkeit und eine gute Handhabbarkeit zu sorgen, werden Bindemittel, beispielsweise Polyvinylacetat, in Mengen von z. B. 14 Gew.% der Schicht benutzt. Das Gewicht des Schichtwerkstoffes liegt zwischen 15,9 und 10,9 ρ/m . Neben Kunstseide werden dabei als geeignete organische Faserwerkstoffe Baumwolle, Dacron, Dynel und Nylon genannt. Bei Dacron handelt es sich um ein durch Kondensation von Dimethylterephthalat hergestelltes Polyester; Nylon ist ein Polyamid; Dynel ist ein Kopolymer von Vinylchlorid und Acrylnitril; Aus diesen organischen Werkstoffen sollen Faserschichten mit Hilfe von Papierherstellungsmaschinen oder Textilmaschinen hergestellt werden können. Textile Schichten wurden jedoch wegen der verhältnismäßig hohen Kosten und der schlechten thermischen Kennwerte in kommerziellen Anlagen nicht verwendet. Beim

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Einsatz von Papierherstellungsmaschinen werden die Fasern auf ein bewegtes Sieb aufgebracht und im nassen Zustand, beispielsweise zwischen Walzen, zusammengedrückt, so daß das Papier nach dem Trocknen in zusammengedrücktem Zustand verbleibt. Schichtstoffe aus Kunstseidefasern von großem Durchmesser (beispielsweise 12 bis 18 /jm) bilden bei geringer Dicke (beispielsweise 25 bis 51 /Jm) und niedrigem Gewicht (beispielsweise 8,6 bis 16 p/m ) befriedigende Trennlagen für Verbundisolationen. Ein derartiger Werkstoff sorgt bei einer nahezu optimalen Lagendichte von ungefähr 276 Lagen/dm für eine Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 3,5 χ 1O~ W/Km. Die Kosten der Faserschichten halten sich in vernünftigen Grenzen; die Schichten können auf Naßpapierh rstellungsmaschinen leicht gefertigt werden.

Der Wert der normalen Verdampfungsgeschwindigkeit beträgt im Falle eines Behälters mit der oben beschriebenen Mehrlagenisolation aus Kunstseidefasern und Aluminiumfolien ungefähr 0,123 kg Stickstoff pro Tag, basierend auf einer Herabpumpdauer von mindestens 4O Stunden und einem mittleren Unterdruck (in kaltem Zustand) von ungefähr 0,13/um Hg. Es wäre erwünscht, für einen Behälter mit einer mehrlagigen Isolation mit noch besserem Wärmeverhalten zu sorgen, d. h. mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit, die es gestattet, die normale Verdampfungsgeschwindigkeit herabzusetzen. Beispielsweise liegt im Falle eines Behälters mit einem Fassungsvermögen von 29 1 die Gutspeicherdauer im Falle der zu-

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vor genannten normalen Verdampfungsgeschwindigkeit bei ungefähr 19O Tagen. Könnte diese normale Verdampfungsgeschwindigkeit um 8 % auf ungefähr 0,114 kg/d heruntergedrückt werden, ließe sich die Speicherdauer auf 206 Tage verlängern, bevor der Behälter mit flüssigem Stickstoff nachgefüllt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Mehrlagen-Wärmeisolation für den Vakuumraum von doppelwandigen Tieftemperatur-Speicherbehältern zu schaffen, die sich durch einen niedrigen Wärmeleitwert und geringe Materialkosten auszeichnet.

Ein Behälter zum Speichern von Gut bei tiefen Temperaturen, mit einem Innengefäß zur Aufnahme des Gutes, und einem größeren, gasdichten Außenbehälter mit das Innengefäß umgebenden, starren, selbsttragenden Wänden, dessen Größe derart bemessen ist, daß ein lastfreier Zwischenraum entsteht, der auf einen absoluten Druck von weniger als ungefähr 0,5/jm Hg evakuiert ist und in dem eine mehrlagige Wärmeisolation untergebracht ist, die dünne flexible Strahlungssperrschichten aufweist, die von bleibend vorverdichteten, schlecht leitenden Faserschichtlagen abgestützt sind und sich mit diesen abwechseln, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschichtlagen weniger als 22 p/m wiegen, eine Dicke von mehr als 18/um haben und aus Fasern mit einer Eigenwärmeleitfähigkeit von weniger als 0,35 W/Km sowie einem effektiven

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Durchmesser von 3 bis 40/um bestehen, die in zur Schichtoberfläche parallelen Ebenen einander wahllos überlagernd und kreuzend angeordnet sind, wobei (der Anzahl nach) mindestens 1 % der Fasern durch Wärme erweichbar und an einigen der Kreuzungspunkte ohne externes Bindemittel durch Wärmebindung unmittelbar miteinander verbunden sind.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a eine Mikrofotografie (75-fache Vergrößerung)

einer Polyester-Faserschicht in bleibend vorverdichteter Form, bei der die Fasern an einigen Kreuzungspunkten mittels eines chemischen Zusatzes verbunden sind,

Fig. 1b eine Mikrofotografie (75-fache Vergrößerung)

einer weiteren Polyester-Faserschicht in bleibend vorverdichteter Form, bei der die Fasern an einigen Kreuzungspunkten ohne externes Bindemittel gegenseitig wärmeverbunden sind,

Fig. 2 einen teilweise geschnittenen Aufriß eines

doppelwandigen Flüssiggasbehälters,

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Fig. 3

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eine perspektivische Ansicht der zusammengesetzten mehrlagigen Wärmeisolation in flacher Lage, wobei Teile weggebrochen sind, um darunterliegende Lagen erkennen zu lassen,

Fig. 4

einen Querschnitt durch eine mehrlagige Isolation der vorliegend erläuterten Art und

Fig. 5

eine graphische Darstellung, die den Raumtemperatür-Evakuierungsdruck für vier mehrlagige Wärmeisolationen als Funktion der Evakuierungsdauer wiedergibt, wobei die Faserschichten aus Polyester und Polyolefin gefertigt sind.

Unter dem Begriff "effektiver Durchmesser" soll vorliegend der Durchmesser einer kreiszylindrischen Faser verstanden werden, bei welcher der Feststoff die gleiche Querschnittsfläche wie im Falle der gemessenen Faser hat. Ist beispielsweise die Faser massiv und kreiszylindrisch, stimmt der effektive Durchmesser mit dem gemessenen Durchmesser überein. Ist die Faser hohl, ist der effektive Durchmesser auf die Bestimmung des tatsächlich vorhandenen Faserwerkstoffes bezogen, wobei der Hohlraum unberücksichtigt bleibt. Hat die Faser einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt, wird

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der effektive Durchmesser in der Weise bestimmt, daß die tatsächliche Querschnittsfläche gemessen und der Durchmesser eines kreisförmigen Querschnittes errechnet wird, der die gleiche Querschnittsfläche hat. Schwankt der Faserdurchmesser vom einen zum anderen Ende der Faser, ist unter dem effektiven Durchmesser ein Mittelwert zu verstehen.

Der effektive Durchmesser der die Faserschicht bildenden Einzelfasern liegt zwischen 3 und 40/Jm; er ist vorzugsweise kleiner als 30 /Jm. Als besonders zweckmäßig erwiesen sich Werte zwischen 1O und 30 /.im. Fasern mit einem effektiven Durchmesser von weniger als 3 /jm erlauben keine gegenseitige Wärmeverbindung, während Fasern mit einem größeren effektiven Durchmesser als 40/um sowohl die Wärmeübertragung durch Feststoffwärmeleitung als auch die Dicke der Faserschicht übermäßig erhöhen. Große Faserdurchmesser verringern außerdem die Anzahl der Strahlungsschirme, die je Dikkeneinheit der mehrlagigen Isolation eingebaut werden können. Fasern mit größerem Durchmesser sind jedoch in der Regel weniger kostspielig. Der Bereich von 1O bis 30/Jm für den effektiven Durchmesser stellt einen günstigen Kompromiß bezüglich dieser Eigenschaften dar.

Die vorliegenden Faserschichten lassen sich unter Verwendung verschiedener aus der Papierherstellungs- und Textiltechnik bekannter Verfahren herstellen. Sie können mit Hilfe

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- «Τ- Al

von Naßverfahren aus einem Stoffbrei ähnlich dem bei der Papierherstellung benutzten Brei oder aus Stapelfasern gefertigt werden; sie lassen sich aber auch in trockenem Zustand aus Endlosfasern herstellen, wobei eine Spinnbindung erfolgt. Unabhängig von dem im einzelnen verwendeten Verfahren, gemäß dem die einzelnen Fasern in Stapelform gebracht werden, wird die gebrauchsfertige Schicht dadurch gebildet, daß (der Anzahl nach) mindestens 1 % der Fasern an einigen der Kreuzungspunkte ohne externes Bindemittel durch Wärmebindung unmittelbar miteinander verbunden werden. Die Fasern können hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften homogen sein; es lassen sich auch Gemische von Fasern mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Eigenschaften verwenden, solange die Fasern nur durch Wärme erweichbar sind. Bei der Papierherstellung werden Bindemittel allgemein eingesetzt. Sie sind jedoch für die vorliegenden Zwecke wegen ihrer ausgeprägt hohen Wasseradsorptionsfähigkeit ungeeignet. Die nachteiligen Auswirkungen eines hohen Wasseraufnahmewertes sind weiter unten diskutiert und an Hand eines Vergleichs der Kurven A und B in Fig. 5 näher erläutert.

Beim Spinnbinden werden die einzelnen Fasern innerhalb der Schicht dadurch festgelegt, daß eine gelegentliche Wärmeverschmelzung an den Faser-Faser-Kontaktpunkten erfolgt. Eine derartige Wärmeverschmelzung zwischen den Fasern sorgt für die Festigkeit und Kompaktheit der Schicht, ohne daß Faser-

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bindemittel vorgesehen werden. Spinnbindeverfahren sind bekannt (vergleiche beispielsweise US-PS 3 5O2 538 und US-PS 3 296 944). Dabei wird ein Gemisch aus zwei Fasern mit unterschiedlichen Erweichungspunkten in Form eines Flors ausgelegt und dann in einem Heißgasstrom, beispielsweise einem Wasserdampfstrom, erhitzt, um die Fasern miteinander zu verbinden. Entsprechend einem anderen Spinnbindeverfahren werden homogene oder gemischte Fasern mit Hilfe von erhitzten Walzen unter leichtem Zusammenpressen wärmeverbunden. Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren (US-PS 3 368 934) wird eine Spinnbindung in der Weise erhalten, daß eine Wärmeverschmelzung der Fasern an zahlreichen kleinen lokalisierten Punkten erfolgt, indem die Fasern zwischen heißen geprägten Walzen hindurchgeleitet werden,

Für die vorliegenden Zwecke eignen sich sowohl anorganische Fasern, beispielsweise Glasfasern, als auch organische Fasern. Zu zweckmäßigen Polyolefinen gehören Polyäthylen, wie es beispielsweise von der Thiokol Chemical Corp., Waynesboro, Ohio unter der Bezeichnung "DPL" verkauft wird, und Polypropylen, das von der Hercules Inc., Wilmington, Delaware unter der Bezeichnung "Herculon" auf den Markt gebracht wird.' Geeignete Polyester sind unter anderem die unter den Handelsbezeichnungen Dacron (E. I. DuPont) und Kodel (Tennessee Eastman Co., Kingsport, Tennessee) vertriebenen Werkstoffe. Eine geeignete Polyvinylidenchloridfaser wird von der Amtech Inc., Odenton, Md., vertrieben und möglicherweise aus dem von der

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Dow Chemical Co., Midland, Mich., unter der Bezeichnung
"Saran" auf den Markt gebrachten Werkstoff hergestellt. Ein zweckentsprechendes Kopolymer aus Acrylnitril und Vinylchlorid wird von der Union Carbide Corporation unter der Bezeich nung "Dynel" vertrieben. Eine andere Modacrylfaser wird von der Tennessee Eastman Co. unter der Bezeichnung "Verel" auf den Markt gebracht. Ein geeignetes Polyvinylchlorid wird fer ner von der FMC Corp., Philadelphia, Pa., unter dem Namen
"Vinyon" verkauft.

Vorzugsweise wird ein Adsorptionsmittel, beispielsweise Aktivkohle oder ein Molekularsieb 5A, verwendet, um Luft- und Feuchtigkeitsspuren aus dem evakuierten Raum zu beseitigen, der die vorliegende mehrlagige Isolation aufnimmt. Die Kombination von bestimmten hydrophoben mehrlagigen Isolationen aus organischen Fasern und einem Aktivkohle-Adsorptionsmittel ist Gegenstand der von der Anmelderin gleichlaufend unter dem Titel "Tieftemperatur-Speicherbehälter und Verfahren zur Herstellung solcher Behälter" eingereichten Anmeldung (US-Priorität vom 18. Nov. 1975 aus der US-Anmeldung
Ser. No. 633 086).

Die Mikrofotografien der Fig. 1 zeigen den Unterschied zwischen Polyesterfaserschichten mit einem chemischen Bindemittel (Fig. 1a) und Faserschichten, bei denen die Fasern an
einigen Kreuzungspunkten ohne ein externes Bindemittel miteinander wärmeverbunden sind (Fig. 1b). Die Schicht gemäß

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Fig. 1α bestand aus 90 Gew.% Polyesterfasern mit einem effektiven Durchmesser von 13 /jm und einem Wasseraufnahmewert von O,4 Gew.% sowie aus 10 Gew.% Manillafaserflocken mit einem Wasseraufnahmewert von 12 Gew.%, so daß der Wasseraufnahmewert der Faserschicht 1,6 Gew.% beträgt. Es wird geschätzt, daß das hydrophobe Bindemittel ungefähr 30 % der Schichtoberfläche bedeckt. Die Schicht gemäß Fig. 1b wurde durch Spinnbinden von 100 Gew.% Polyesterfasern mit einem effektiven Durchmesser von 17/um und einem Wasseraufnahmewert von 0,4 Gew.% gebildet, wobei die Fasern an Kreuzungspunkten derart miteinander wärmeverbunden wurden, daß die Bindungsstellen ungefähr 2 % der Schichtoberfläche ausmachten.

Fig. 3 zeigt eine mehrlagige Wärmeisolation 10 mit einer Mehrzahl von dünnen flexiblen Strahlungssperrschichten 11, die von bleibend vorverdichteten, schlecht leitenden, wärmegebundenen Faserschichtlagen 12 abgestützt sind und sich mit diesen abwechseln. Bei den Strahlungssperrschichten 11 handelt es sich vorzugsweise um 6,3 bis 13/Jm dicke Aluminiumfolien mit einem Oberflächenemissionsvermögen von ungefähr 0,035. Als Strahlungssperrschichten können jedoch auch mit Metall überzogene Kunststoffe verwendet werden, beispielsweise doppelt aluminisiertes Polyäthylenterephthalat.

Die mehrlagige Isolation 10 wird auf die Innengefäßwand vorzugsweise mit geringer Pressung aufgebracht, so daß eine ausreichende Anzahl von Strahlungssperrschichten vorhanden ist,

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die eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung stark herabsetzen, wobei jedoch die Pressung nicht ausreicht, um eine Wärmeübertragung durch Feststoffwärmeleitung wesentlich zu erhöhen. Beispielsweise kann jede mehrlagige Isolation durch eine thermische Verhaltenskurve gekennzeichnet werden, bei der die Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Lagendichte, d.h. der Anzahl der Strahlungsabschirmungen je Längeneinheit im montierten Zustand, aufgetragen ist. Diese Kurve hat einen Wärmeleitfähigkeitskleinstwert bei einer bestimmten Lagendichte. Diese Dichte liegt bei der vorliegenden mehrlagigen Wärmeisolation 10 vorzugsweise im Bereich von 157 bis 315 Strahlungsabschirmungen je dm installierter Isolationsdicke.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Wärmeisolation 10, welche das Wärmeübertragungsverhalten zwischen den einzelnen Schichten erkennen läßt. Die dünnen, bleibend vorverdichteten Faserschichtlagen 12 füllen den Raum zwischen den Strahlungssperrschichten 11 nicht aus, wie dies bei den bekannten flaumigen Flortrennlagen (US-PS 3 009 601) der Fall ist. Vielmehr verlaufen die Lagen 12 innerhalb des Raumes zwischen benachbarten Strahlungssperrschichten wellenförmig über eine Querabmessung, die erheblich größer als die Lagendicke ist, wobei sie zunächst mit einer Sperrschicht 11a und dann mit der anderen zugeordneten Sperrschicht 11b in Kontakt kommen. Bei einer 25,4 mm dicken mehrlagigen Isolation mit 27.6 Strahlungsabschirmungen je dm beträgt der von

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6,3 /Jm starken Aluminiumfolien eingenommene Raum 7O χ 0,0063 mm = 0,44 mm. Die Stapelhöhe von 70 nicht zusammengepreßten Lagen aus dünnen, wärmeverbundenen, bleibend vorverdichteten Faserschichten 12 hat typischerweise einen Wert von ungefähr 2,67 mm. Die kombinierte Dicke der Aluminiumfolien und der Faserschichten macht daher nur 0,44 mm + 2,67 mm = 3,11 mm der vollen Abmessung von 25,4 mm aus.

Aus dem Vorstehenden folgt, daß der Mechanismus des Wärmetransports zwischen benachbarten Strahlungsabschirmungen 11a und 11b zusätzlich zu dem bekannten Wärmefluß von Faser zu Faser an den Kreuzungspunkten bei Durchquerung der Dicke der Faserschichten 12 eine weitere Transportart einschließt. Die Wärme muß nämlich zusätzlich über stark ausgedehnte Strecken entlang der Längsabmessung der Fasern laufen, um entlang der Wellung in Querrichtung von der einen zur anderen Kontaktzone zwischen der Faserschicht und den ihr zugekehrten Strahlungsabschirmungen 11a und 11b überzugehen.

Dieser abgewandelte Mechanismus ist insofern vorteilhaft, als er den Wärmeübergangsweg von Abschirmung zu Abschirmung stark vergrößert, was den Wärmetransport durch Feststoffleitung über die mehrlagige Isolation herabsetzt. Die Tendenz, die Feststoffwärmeleitung zu verringern, ist stärker ausgeprägt, wenn die Fasern aus organischen Stoffen mit einer niedrigen Eigenleitfähigkeit von weniger als 0,35 W/Km

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bestehen. Wenn die Schicht 12 aus verhältnismäßig wenigen Fasern von großem Durchmesser (mindestens 3 /jm) besteht, ist der geänderte Wärmeübergangsmechanismus besonders vorteilhaft, weil er es erlaubt, die Wärmebindung zur Erzielung geringer Lagendicken bei großer Festigkeit heranzuziehen, ohne daß dafür eine starke Wärmeleitung in Kauf genommen zu werden braucht. Die Verlängerung der Wärmestromstrecke in Faserlängsrichtung verringert die Wichtigkeit der Querkontaktwiderstände zwischen den Fasern. Dadurch wird der Gesamteffekt der Verbindung einiger der Kreuzungspunkte minimiert.

Vorzugsweise wird mit leichten Faserschichten gearbeitet,

die weniger als 21,5 p/m wiegen. Für Schichten mit einem

Gewicht von mehr als ungefähr 12 p/m macht die Wärmebindung vorzugsweise weniger als 2O % der Schichtoberfläche aus. Im

Falle von Schichten, die weniger als 12 p/m wiegen, können die Wärmebindungsbereiche einen größeren Teil der Oberfläche einnehmen, ohne daß die Feststoffwärmeleitung übermäßig gesteigert wird; es kann mit Werten bis herauf zu ungefähr 50 % der Schichtoberfläche gearbeitet werden.

Im folgenden sei die Herstellung des Behälters unter Verwendung eines Aktivkohle-Adsorptionsmittels an Hand der Fig. 2 erläutert. Das Innengefäß 15 wird mit einem langgestreckten Halsrohr 16 für das Füllen und das Entleeren des Innengefäßes versehen. Ein Adsorptionsmittelspeicher 17 kann auf die Oberseite des Innengefäßes 15 konzentrisch zum Halsrohr aufge-

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bracht werden. Eine vorbestimmte Menge an Aktivkohle-Adsorptionsmittel 18, vorzugsweise in körniger Form, wird durch die ringförmige Öffnung 19 zwischen dem Speicher 17 und der Außenwand des Halsrohrs 16 geschüttet. Das Adsorptionsmittel 18 liegt daher an der Außenwand des Innengefäßes 15 an. Bei Verwendung von Aktivkohle kann dieser Montageschritt in einer Umgebung durchgeführt werden, die mit der Atmosphärenluft in Gasgleichgewichtsverbindung steht.

Sodann wird die mehrlagige Isolation 10 um (und über) den Adsorptionsmittelspeicher 17 und das Innengefäß 15 gewickelt, bis die gewünschte Strahlungsabschirmungsdichte erreicht ist. Um die für eine Tieftemperaturspeicherung notwendige Größenordnung der Wärmeisolationsleistung zu erzielen, sind mindestens 118 Lagen von Strahlungssperrschichten je dm der installierten Isolation 10, d. h. je dm der Isolationsstärke, notwendig. Bei hydrophoben organischen Fasern, beispielsweise Polyester- oder Polyolefinfasern mit einem Wasseraufnahmewert von weniger als 1 %, kann das Umwickeln mit der Isolation gleichfalls in einer Umgebung erfolgen, die mit der Atmosphärenluft in Gasgleichgewichtskontakt steht. Das Umwickeln läßt sich auf beliebige zweckentsprechende Weise vornehmen, beispielsweise indem nur ein kreisförmiges Aufwikkeln erfolgt oder indem gleichzeitig gesonderte Isolationsstreifen kreisförmig und wendelförmig um das Innengefäß gewickelt werden oder indem nur ein wendeiförmiges Umwickeln erfolgt. Im letztgenannten Falle müssen mehrere scheibenför-

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mige Strahlungssperrschichten und Faserschichten ausgeschnitten und unterhalb sowie oberhalb des Innengefäßes 15 angeordnet werden. Falls erwünscht, können mehrere wärmeleitende Abschirmungen 20 bekannter Art (US-PS 3 133 422 und US-PS 3 341 052) an vorbestimmten Stellen oder in geeigneten Abständen angebracht werden, während die mehrlagige Isolation aufgewickelt wird.

Im Anschluß an das Umwickeln mit der Isolation wird der Außenbehälter 21 um die Außenfläche der Isolation 10 herum montiert, wobei ein evakuierbarer, lastfreier Raum 22 ausgebildet wird. Unter dem Begriff "lastfrei" soll vorliegend verstanden werden, daß die Wände des Innengefäßes 15 und des Außenbehälters 21 selbsttragend sind und keinen Druck auf die Isolation 10 übertragen. Der Raum 22 wird über einen Anschluß 23 ausreichend evakuiert, um den darin herrschenden Druck auf unter 70 yum Hg bei normaler Außentemperatur und vorzugsweise auf unter 30/Jm Hg abzusenken. Dieser Evakuierungsgrad ist erforderlich, um einen doppelwandigen Behälter zu erhalten, der ein ausreichendes Wärmeisolationsvermögen hat, um Gut bei niedriger Temperatur zu speichern. Bei Verwendung einer mehrlagigen Wärmeisolation aus hydrophoben organischen Fasern und eines Aktivkohle-Adsorptionsmittels läßt sich diese Evakuierung in weniger als sechs Stunden und vorzugsweise in weniger als vier Stunden durchführen. Bei anderen Anordnungen, beispielsweise einer mehrlagigen Kunstseideisolation und einem Adsorptionsmittel

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in Form eines Molekularsiebes 5A_f ist eine Evakuierdauer von mindestens 24 Stunden notwendig.

Nach dem Evakuieren wird der Raum 22 gasdicht verschlossen, beispielsweise indem der Anschluß 23 an seinem äußeren Ende 24 in der in Fig. 2 veranschaulichten Weise abgezwickt wird. In bekannter Weise (US-PS 3 108 706) kann auch ein Getterwerkstoff vorgesehen werden, der mit dem evakuierten Raum in Gasverbindung steht. Im Gegensatz·zu dem Adsorptionsmittel sollte der Getterbehälter mit dem warmen Außenbehälter 21 und nicht mit dem kalten Innengefäß 15 verbunden werden.

Wird als Adsorptionsmittel ein Molekularsieb 5A vorgesehen, muß dieses vorgetrocknet (typischerweise zwischen 315 C und 43O°C) sowie während der Handhabung, des Einbaus und der Montage des Behälters gegen die Atmosphäre sorgfältig geschützt werden. Für diesen Zweck wird das aktivierte Adsorptionsmittel in einem undurchlässigen Metall-Kunststoff-Laminat vorverpackt. Die Packung wird eingebaut. Dann wird das Laminat unmittelbar vor dem Aufbringen der Isolation perforiert, was geschehen muß, bevor das Außengehäuse des Behälters endgültig verschlossen wird. Wenn hydrophile Fasern, beispielsweise Kunstseidefasern, zur Bildung der Faserschichtlage 12 verwendet werden, lassen sie sich ohne Vortrocknung nicht als Vakuumisolation benutzen. Für diesen Zweck kann die Faserschichtlage in einem Ofen gebacken, mit trockenem Stickstoff gespült und dann in einer absolut trockenen Stickstoff-

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atmosphäre gespeichert werden, um schließlich in einem speziellen Trockenraum um das Innengefäß herumgewickelt zu werden.

In Fig. 5 zeigen die Kurven A und B die Abhängigkeit des Evakuierungsdruckes von der Zeit für ein Mehrlagen- und Adsorptionsmittelsystem aus Polyesterfasern plus Manillaflokkenbindemittel (Kurve A) sowie eine Anordnung der vorliegend beschriebenen Art, bei der eine Polyesterfaser ohne externes Bindemittel durch Wärme verbunden wird (Kurve B). Die Kurve C gilt für ein System, das mit demjenigen der Kurve B übereinstimmt, mit der Ausnahme, daß die Faser aus Polyolefin bestand. Die Kurve D veranschaulicht die Verhältnisse für Systeme mit den Faserschichten der Kurven B und C, bei denen jedoch als Adsorptionsmittel Aktivkohle vorgesehen ist. In jedem Falle wurde die mehrlagige Isolation auf die gleiche Weise (und in der gleichen Dichte) um das gleiche 29 1-Gefäß kreisförmig gewickelt (US-PS 3 5O4 82O), ohne daß gleichzeitig eine wendeiförmige Umwicklung erfolgt. Bei der Strahlungssperrschicht handelte es sich um weiche Aluminiumfolie von 7,6 /um Stärke und 76 mm Breite. Die bleibend vorverdichtete Faserschicht war 86 mm breit. Drei kegelstumpf förmige Abschnitte, die aus 0,79 mm dicken Aluminiumblechscheiben von 159 mm Durchmesser geformt waren, wurden in bekannter Weise (US-PS 3 341 O52) als wärmeleitende Abschirmungen vorgesehen. Bei dem Umwickeln wurden zunächst 24 bis 36 Lagen aus Faserschicht-Folienisolation und dann

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mehrere einzelne Folienlagen (ohne die Faserschicht) aufgebracht, die mit der ersten Wärmeabschirmung thermisch verbunden wurden. Sodann wurden 40 bis 60 Faserschicht-Folienlagen und weitere einzelne Aluminiumfolienlagen aufgewickelt, die mit der zweiten Abschirmung thermisch verbunden wurden. Anschließend wurden 6O bis 76 Faserschicht-Folienlagen und daraufhin weitere einzelne Aluminiumfolienlagen aufgebracht, die mit der dritten Wärmeabschirmung thermisch verbunden wurden. Zuletzt wurden 72 bis 90 Faserschicht-Folienlagen aufgewickelt. Dies führte zu einer mehrlagigen Faserschicht-Aluminiumfolienisolation von im Mittel 55 Lagen. Die vier Wärmeisolations- und Adsorptionsmittelsysteme waren wie folgt beschaffen:

Tabelle I

Kurve
A

Faserisolati.on

Polyester plus Manilldflockenbindemittel

Polyester, ohne externes Bindemittel wärmegebunden

Polyolefin, ohne externes Bindemittel wärmegebunden

Polyolefin oder Polyester ohne externes
Bindemittel

Adsorptionsmittel Molekularsieb 5A

Molekularsieb 5A Molekularsieb 5A Aktivkohle

Die Polyester-plus-Manilla-Faserschicht gemäß Kurve A wog ungefähr 9,3 p/m , bestand aus Fasern mit einem effektiven

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Durchmesser von 1 3/jm und hatte einen Wasseraufnahmewert von 1,6 Gevj.%. Die Faserschicht wurde von 90 Gew.% Polyesterfasern mit einem Wasseraufnahmewert von 0,4 Gew.% und 10 Gew.% Manilla-Faserflocken mit einem Wasseraufnahmewert von 12 Gew.% gebildet, woraus der Wasseraufnahmewert der Faserschicht von 0,4 + 0,1 χ 12 = 1,6 Gew.% folgt. Die Faserschicht wurde nach dem in der Papierherstellung verwendeten Naßverfahren gefertigt, wobei die Manilla-Faserflocken als Bindemittel dienten. Die Faserschicht wurde von James R. Crampton and Bros. Ltd., Elton Paper Mills, Bury, Lancashire, BL82AS, Großbritannien, gekauft. Es handelt sich dabei um die Faserschicht gemäß der Mikrofotografie der Fig. 1a.

Die Polyesterfaserschicht der Kurven B und D wog ungefähr 13,6 p/m , bestand aus Fasern mit einer Eigenwärmeleitfähigkeit von 0,16 W/Km und einem effektiven Durchmesser von 17/um und hatte einen Wasseraufnahmewert von 0,4 Gew.%. Diese Polyesterfaserschicht hatte Spinnbindung und wird von der E. I. DuPont de Nemours and Co., Wilmington, Delaware, unter der Bezeichnung "Reemay" auf den Markt gebracht. Es handelt sich dabei um die Faserschicht gemäß der Mikrofotografie der Figur 1b.

Die Polyolefinfaserschicht der Kurven C und D wog ungefähr 14,5 p/m , bestand aus Fasern mit einer Eigenwärmeleitfähigkeit von 0,125 W/Km und einem effektiven Durchmesser von 7 /um und hatte einen Wasseraufnahmewert von 0,01 Gev/.%. Bei

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dieser Polyolefinschicht handelte es sich um Polyprop.ylenfasern mit Spinnbindung. Faserschichten dieser Art werden von der Acme Mills Company, 5151 Loraine Avenue, Detroit, Michigan, unter der Bezeichnung "Fibertex, style 9" auf den Markt gebracht. Eine Inspektion zeigte,, daß die Faserschicht in einem quadratischen Muster von kleinen lokalisierten Flä-

chen thermisch verschweißt war, die jeweils ungefähr 0,2 cm groß waren und von denen ungefähr 4,7/cm vorhanden waren, so daß ungefähr 16 % der Oberfläche der Faserschicht verschweißt waren.

Unter dem Begriff "Wasseraufnahmewert" wird vorliegend eine willkürliche Größe verstanden, die als die Aufnahme in Verbindung mit dem ofentrockenen Gewicht benutzt wird, wenn das handeis- oder rechtsmäßige Gewicht von Sendungen bei der Lieferung spezieller textiler Werkstoffe errechnet wird, wie dies in der ASTM-Norm D 1909-68 (Neuausgabe 1973) definiert ist. Repräsentative Werte sind u.a.:

Faser Wasseraufnahme in %

Acryl 1,5-

natürliches Baumwollgarn 7,0

Glas O₁O

Hanf . 12,0

Modacryl Klasse I 0,4

Nylon (Polyamid) 4,5

Olefin O₁O

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26S2354

Faser Polyester Kunstseide Saran Spandex Vinal Vinyon Wolle

Wasseraufnahme in %

	O,4
1	1.O
	0,0
	1.3
	4,5
	O₁O
1	3,6

Bei dem Molekularsieb 5A-Adsorptionsmittel handelte es sich um Calciumzeolith A in der Form von 1 ,6 mm χ 3,2 mm großen, mit Ton gebundenen Pellets, die von der Union Carbide Corporation, New York, hergestellt werden. Die Aktivkohle war aus Petroleumgrundwerkstoff gewonnen worden und hatte eine Oberfläche von 125Ο m /g sowie eine Wasseradsorptionsfähigkeit von 1 Gew.%. Sie wurde von cer Union Carbide Corporation gefertigt und wird unter der Bezeichnung Columbia JXC-Kohle auf den Markt gebracht.

Ein Vergleich der Kurven der Fig. 5 zeigt, daß bei dem System aus Polyester und Manilla-Flockenbindemittel sowie Molekularsieb-Adsorptionsmittel gemäß Kurve A der nach vierstündiger Evakuierung erreichte Druck ungefähr 15/um Hg betrug. Für das System der Kurve B mit wärmegebundenem oder thermisch verschweißtem Polyester und Molekularsieb-Adsorptionsmittel wurde der gleiche Druckwert nach nur zwei Stunden erreicht, d. h. nach der halben Zeitdauer. Da die Polyester-

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fasern der beiden Faserschichten im wesentlichen die gleichen waren und das gleiche Adsorptionsmittel vorlag, ist der ausgeprägte Unterschied der Art der Faserbindung und den daraus resultierenden Wasseraufnahmewerten zuzuschreiben. Das Evakuieren bei Faserschichten gemäß Kurve B und Kurve C führt zu niedrigeren Drücken nach kürzeren Pumpdauern als im Falle der Faserschicht nach Kurve A, weil der niedrigere Wassergehalt der beiden erstgenannten Faserschichten eine niedrigere Wasserdesorptionsgeschwindigkeit zur Folge hat. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Evakuierung nicht dadurch wesentlich verkürzt werden kann, daß die Gr.öße oder die Leistungsfähigkeit der Evakuierungspumpen gesteigert werden. Mit Ausnahme einer kurzen Anfangsperiode des Evakuierungsvorganges wird die Geschwindigkeit der Gasbeseitigung durch die geringe Geschwindigkeit der Desorption von Gas innerhalb des Isolationsraums bestimmt.

Die Kurve C läßt erkennen, daß entsprechende Vorteile bei Polyolefinen, d. h. Polypropylenfaserschichten, erreichbar sind.

Die Kurve D, die für das System aus thermisch verschweißten Polyester- oder Polypropylenfaserschichten und Aktivkohle-Adsorptionsmittel gilt, kann mit den Kurven A, B und C nicht unmittelbar verglichen werden, da es sich dabei um ein anderes Adsorptionsmittel handelt.

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Bei einer weiteren Versuchsreihe wurden die oben beschriebenen Faserschicht-Adsorptionsmittelsysteme gemäß den Kurven A bis D nach 24-stündiger Evakuierung dicht verschlossen; die normale Verdampfungsgeschwindigkeit jedes Behälters wurde gemessen. Dies erfolgte, indem der Behälter auf eine Balkenwaage gestellt und mit ungefähr 13,6 kp flüssigem Stickstoff gefüllt wurde. Dann ließ man den Behälter für eine Zeitspanne von mindestens zwei Tagen abkühlen, um bezüglich der Wärmeübergangsgeschwindigkeit stationäre Bedingungen zu erreichen. Nach dem Abkühlen wurde der Vakuumdruck gemessen; es erfolgten zwei Gewichtsablesungen in einem Abstand von mindestens zwei Tagen. Der Gewichtsverlust zwischen den beiden Ablesungen diente als Grundlage für die Berechnung der normalen Verdampfungsgeschwindigkeit pro Tag. Dabei wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:

Tabelle II

Kurve

Normale Verdampfungsgeschwindigkeit (kp flüssiger Stickstoff pro Tag)

Unterdruck (um Hg)

A B C D

0,141 0,124 0,127 0,114

0,005 O.O12 0,070 0,032

Ein Vergleich der in der Tabelle II zusammengestellten Werte für die normale Verdampfungsgeschwindigkeit läßt erken-

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26523S4

nen, daß für das System gemäß Kurve B (d. h. die erfindungsgemäße Ausbildung) ein um ungefähr 11,6 % niedrigerer Wert als für das System nach Kurve A erhalten wird, obwohl in beiden Fällen Polyesterfasern von ähnlicher Größe benutzt wurden .

Die Speicherzeit für den Behälter mit einem Fassungsvermögen von 29 1 beträgt bei einer normalen Verdampfungsgeschwindigkeit von 0,141 kp/d ungefähr 167 Tage. Mit der vorliegend erläuterten Anordnung kann entsprechend der Kurve B bei einer normalen Verdampfungsgeschwindigkeit von 0,124 kp/d die Speicherdauer auf 189 Tage erhöht werden, bevor der Behälter mit flüssigem Stickstoff nachgefüllt werden muß. Dies stellt eine Verbesserung um mehr als drei Wochen dar. Aus der Tabelle II folgt, daß im kalten Zustand der Unterdruck für das System gemäß Kurve A niedriger als für das System gemäß Kurve B ist. Dies ist jedoch unerheblich, weil beide Drücke so niedrig liegen, daß die Konvektion keinen wesentlichen Beitrag zu der Wärmeübertragung liefert.

Der Verdampfungsgeschwindigkeitsversuch für das System nach Kurve C zeigt, daß bei gleichem Adsorptionsmittel (Molekularsieb 5A) die Evakuierungs- und Wärmeisolationseigenschaften von mit Spinnbindung versehenen Polypropylenfaserschichten im wesentlichen die gleichen wie von mit Spinnbindung versehenen Polyesterfaserschichten sind. Die normale Verdampfungsgeschwindigkeit lag bei Systemen mit wärmegebunde-

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ner Polyester- oder Polypropylenfaserschicht und Aktivkohle-Adsorptionsmittel (Kurve D) noch niedriger als im Falle der Kurven B und C. Dies zeigt, daß die erfindungsgemäßen Vorteile mit unterschiedlichen Arten von Adsorptionsmitteln erzielbar sind.

Vorzugsweise werden entweder Polyester- oder Polypropylenfasern mit einem effektiven Durchmesser von 1O bis 30 /jm verwendet und weisen die Faserschichtlagen eine Spinnbindung auf.

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Claims

Ansprüche

1. Behälter zum Speichern von Gut bei tiefen Temperaturen "^■^^ mit einem Innengefäß zur Aufnahme des Gutes und einem größeren, gasdichten Außenbehälter mit das Innengefäß umgebenden, starren, selbsttragenden Wänden, dessen Größe derart bemessen ist, daß ein lastfreier Zwischenraum entsteht , der auf einen absoluten Druck von weniger als ungefähr O,5/um Hg evakuiert ist und in dem eine mehrlagige Wärmeisolation untergebracht ist, die dünne, flexible Strahlungssperrschichten aufweist, die von bleibend vorverdichteten, schlecht leitenden Faserschichtlagen abgestützt sind und sich mit diesen abwechseln, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschichtlagen weniger als 22 p/m wiegen und aus Fasern mit einem effektiven Durchmesser von 3 bis 40 yum und einer Eigenwärmeleitfähigkeit von weniger als 0,35 W/Km bestehen, die in zur Schichtoberfläche parallelen Ebenen einander überlagernd und kreuzend angeordnet sind, wobei (der Anzahl nach) mindestens 1 % der Fasern durch Wärme erweichbar und an einigen der Kreuzungspunkte ohne externes Bindemittel durch Selbstbindung unmittelbar miteinander verbunden sind.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschichtlagen spinnverbunden sind.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Polypropylen bestehen.

4. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Durchmesser der Fasern kleiner als 30 /um ist.

5. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Durchmesser der Fasern zwischen 1O und 30 /um liegt.

6. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschichtlagen zwischen 12 und 22 p/m wiegen und die Fläche der Faserselbstbindung weniger als 20 % der Schichtoberfläche ausmacht.

7. Behälter nach Ansprüchen 1, 2 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Polyester bestehen.

8. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Polyester bestehen und einen effektiven Durchmesser von 1O bis 30/um haben sowie daß die Faserschichtlagen spinnverbunden sind.

9. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Polypropylen bestehen und einen effektiven Durchmesser von 10 bis 30 yCim haben sowie daß die Faserschichtlagen spinnverbunden sind.

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