DE4016407C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeisolationssystem aus Isoliermaterialien, die durch reflektierende Folien voneinander getrennt sind.

Wärmeisolationssysteme mit Mehrschicht-Isoliermaterialien sind bereits in verschiedenen Ausführungsformen bekannt geworden. So beschreibt die US-PS 33 65 897 eine Wärmeisolierung, die aus mindestens zwei durch eine gasdichte Folie voneinander getrennte poröse Schichten aufgebaut ist, wobei die poröse Schicht auf der "kalten Seite" mit einem kondensierba­ ren Gas gefüllt ist und sich in der gasdicht abgetrennten anderen porö­ sen Schicht Heliumgas als nicht kondensierbares Gas befindet. In der DE-OS 27 22 177 wird eine Isolationsstruktur beschrieben, die sich aus einer hermetisch abgedichteten Kammer aufbaut, welche inseitig zahlrei­ che in Abstand angeordnete Strahlungsabschirmungen sowie Isolierungs­ trennstücke mit offenem Zellaufbau aufweist, wobei die Kammer mit Gasen gefüllt ist. Dabei können die Isolationsschichten aus gewebten Fasern oder zufällig orientierten Fasern bestehen und die Strahlungsabschirmun­ gen aus reflektierender Kapton-, Aluminium- oder Tantalfolie. Der Druck im Wärmeisolationssystem ist dabei dem jeweiligen Betriebsdruck anpaß­ bar. Weiterhin offenbart die US-PS 43 23 620 eine Vielfachlagenisolie­ rung, die aus alternierenden Lagen von Gas enthaltenden Faserschichten mit gasundurchlässigen Folien aufgebaut ist.

Bei diesen bekannten Wärmeisolationssystemen, die z. B. für Tieftempera­ turbehälter in Leichtbauweise eingesetzt werden können, sind z. B. die nachfolgend aufgeführten Probleme bisher nicht oder zumindestens unvoll­ kommen gelöst:

• - Quantitative Erfassung der zeitlichen Degradation,
• - dynamische Wechselbelastung am Übergang zwischen der Isolation und der Behälterwand,
• - Verhinderung von Sauerstoff-Diffusion durch die Isolation und Konden­ sation des Sauerstoffs an der Tankwand bzw. Anreicherung eines Wasser­ stoff-Sauerstoffgemisches in der Isolation,
• - Minimierung des Isolationsgewichtes durch Verbesserung der thermischen Effizienz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeisolationssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das durch seinen Aufbau alle aus den vorstehend angeführten Problemen entstehenden Nachteile beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind gegeben durch

• - geringe mechanische Probleme zwischen der Behälterwand und der Isola­ tion,
• - hohe thermische Effizienz durch den Aufbau in Schichten,
• - einfacher Aufbau und damit hohe Langzeitbeständigkeit und geringes Si­ cherheitsrisiko durch regelmäßiges Spülen des Inertgases.

Die Füllung der inneren Mehrschichtmatte mit Helium hat den Vorteil, daß es als einziges Gas an der kalten Behälterwand nicht kondensiert. Da He­ lium eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft besitzt, wird das Wärmeiso­ lationssystem in mindestens zwei Mehrschichtmatten geteilt, die durch eine gasdichte Folie getrennt sind, wobei die Temperatur dieser Folie im Betriebsfall über der Kondensationstemperatur von Sauerstoff liegen muß. Die Wärmeleitung durch Strahlung und Konvektion wird durch die in den Mehrschichtmatten zwischen den Isolierschichten eingebrachten reflektie­ renden Folien stark vermindert. Bei Verwendung von Fasermatten mit sehr dünnen Fasern kann bei reduzierten Umgebungsdrücken der Smoluchowski-Ef­ fekt ausgenutzt werden. Für die Isolierschichten sind aufgrund des nie­ drigen spezifischen Gewichtes, der verfügbaren Faserdurchmesser, der Un­ brennbarkeit sowie der Qualität der Fasern, Glasfasern zweckmäßig. Die für den niedrigen Temperaturbereich vorzugsweise zu verwendenden alumi­ nisierten Kapton- oder Mylarfolien sind handelsüblich. Die goldbeschich­ teten Keramikfolien für den höheren Temperaturbereich sind ohne großen Aufwand herzustellen. Die Verbindung der Isolierschichten mit den Folien durch punktweises Verkleben erhöht die Scherfestigkeit des Wärmeisola­ tionssystems. Das so geschaffene Isolationssystem wird vorzugsweise auf die Tankwand, eventuell aber auch auf die Außenstruktur aufgeklebt. Durch die Flexibilität der Isolierschichten und der Folien ist eine gute Anpassung an auftretende Form- und Volumenänderungen gewährleistet.

Die einzige Figur zeigt als Ausführungsbeispiel für die Erfindung den Aufbau eines Wärmeisolationssystems 1, das für einen mit flüssigem Was­ serstoff gefüllten Tank Verwendung findet. Das Wärmeisolationssystem 1, das zwischen eine Tankwand 2 und eine Strukturwand 3, die z. B. die Außenwand eines Raumflugkörpers darstellt, eingesetzt ist, besteht aus einer inneren Mehrschichtmatte 4 und einer äußeren Mehrschichtmatte 5, die durch eine gasdichte Folie 6 voneinander getrennt sind. Die innere Mehrschichtmatte 4 besteht z. B. aus zwei durch eine perforierte Re­ flexionsfolie 7 getrennte Fasermatten 8 und ist mit Heliumgas gefüllt, dessen Druck durch hier nicht dargestellte Vorrichtungen dem jeweiligen Umgebungsdruck anpaßbar ist. Die äußere Mehrschichtmatte 5 besteht z. B. aus drei durch die perforierten Reflexionsfolien 7 getrennte Fasermatten 8 und ist entweder mit Luft oder Stickstoff gefüllt. Die perforierten Reflexionsfolien 7 sind aluminisierte Kapton- oder Mylarfolien. Die gas­ dichte Folie 6 ist z. B. aus mehrschichtigen aluminisierten Kaptonfolien aufgebaut. Die Fasermatten 8 sind z. B. aus Glasfasern hergestellt. Die Fasermatten 8 sind mit den Reflexionsfolien 7 und die Mehrschichtmatten 4 und 5 sind mit der Tankwand 2, der gasdichten Folie 6 und der Struk­ turwand 3 durch z. B. punktweises bzw. flächiges Verkleben verbunden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, für die Reflexionsfolien 7 bei Bedarf z. B. goldbeschichtete Keramikfolien oder Metallfolien zu verwenden. Für die gasdichte Folie 6 können bei Bedarf auch z. B. Metallfolien oder an­ dere gasdichte Folien verwendet werden. Die Fasermatten 8 können auch unter Verwendung anderer Fasern, wie z. B. Metallfasern, Kunststoffasern, Keramikfasern oder beschichteten Fasern hergestellt werden. Weiterhin kann der Aufbau der Mehrschichtmatten 4 und 5 unter Verwendung von einer anderen Anzahl von Fasermatten 8 und Reflexionsfolien 7 variieren. Es können auch mehrere Mehrschichtmatten 5 verwendet werden, die wiederum durch eine gasdichte Folie 6 getrennt sind. Zur Verbesserung des Scher­ verhaltens des Wärmeisolationssystems sind anstelle des punktweisen Ver­ klebens auch andere Techniken denkbar, z. B. eine Verbindung durch Steg­ nähte.

Durch für den Fachmann naheliegende Modifikationen der verwendeten Ma­ terialien, Füllgase, Anzahl der Folien etc., ist dieses Isolationsprin­ zip auf andere Anwendungsfälle, wie z. B. flüssiggasgefüllte Container übertragbar. Es liegt im Rahmen der Erfindung, für die Isolierschichten anstelle von Fasermatten auch Schichten mit isolierenden Abstandshal­ tern, wie. z. B. gewellte Strukturen, oder auch Schaummaterialien zu ver­ wenden.

Claims (12)

1. Wärmeisolationssystem aus Isoliermaterialien, die durch reflek­ tierende Folien voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei durch eine gasdichte Folie (6) voneinander getrennte po­ röse Mehrschichtmatten (4, 5) vorhanden sind, die mit unterschiedlichen, im Betriebsfall nicht kondensierbaren, dem jeweiligen Betriebsdruck an­ paßbaren Gasen gefüllt sind, und daß die Mehrschichtmatten (4, 5) aus mindestens zwei durch perforierte Reflexionsfolien (7) voneinander ge­ trennte Isolierschichten (8) bestehen.

2. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (8) aus Fasermatten bestehen.

3. Wärmeisolationssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die direkt an der Behälterwand (2) angeordnete innere Mehrschichtmatte (4) mit Heliumgas und die äußere(n) Mehrschichtmatte(n) mit Luft oder Stickstoff gefüllt ist(sind).

4. Wärmeisolationssystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reflexionsfolien (7) für niedrige Temperaturbe­ reiche aus metallisierten Kapton- oder Mylarfolien und für höhere Tempe­ raturbereiche aus metallisierten Keramikfolien bestehen.

5. Wärmeisolationssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gasdichte Folie (6) für niedrige Temperaturberei­ che aus mehrschichtigen aluminisierten Kaptonfolien besteht.

6. Wärmeisolationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (8) mit den Reflexionsfolien (7) sowie die Mehrschichtmatten (4, 5) mit der gasdich­ ten Folie (6) punkteweise verklebt sind.

7. Wärmeisolationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (8) aus Glas­ fasern bestehen.

8. Wärmeisolationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (8) aus Fasern minimalen Faserdurchmessers bestehen und/oder die Isolierschichten eine geringe Dichte haben.

9. Wärmeisolationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatten (8) aus Metallfa­ sern, Kunststoffasern, Keramikfasern oder beschichteten Fasern bestehen.

10. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Folie (6) aus einer Metallfolie besteht.

11. Wärmeisolationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Mehrschichtmatte (4) punktweise oder flächig mit der Behälterwand (2) durch Kleben verbunden ist.

12. Verwendung des Wärmeisolationssystems nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 für Tieftemperaturbehälter.