DE4342073A1 - Tieftemperatur-Isolation und mit einer solchen versehene Gegenstände - Google Patents

Description

Die Erfindung handelt von einer Isolation für verflüssigte Gase sehr tiefer Temperatur einschließende Wandungen mittels außen an diese anschließender Gasräume.

Derartige Wandungen können Rohrleitungen, Behälter oder andere tieftemperaturtechnische Geräte, etwa Pumpen, sein und Wasser­ stoff, Helium oder Sauerstoff im tiefkalten und verflüssigten Zustand enthalten (z. B. Wasserstoff von 20 Grad K). Diese fin­ den in der Tieftemperaturtechnik, insbesondere in Raumfahrzeu­ gen oder in der Supraleitungstechnik Verwendung.

Die Wandungen solcher Gegenstände müssen gegen die Umgebungs­ temperatur wärmeisoliert sein, nicht nur aus Gründen des Wärme­ haushaltes, sondern auch, um ein auch nur örtliches Verdampfen zu verhindern Dampfblasen würden in den nachfolgenden Geräten oder Prozessen zu Schwierigkeiten führen.

Bei allen diesen Anwendungen besteht das Problem, die genannten Geräte tiefster Temperatur, die selbst in der Regel aus Metall bestehen, so gegen die Umgebung zu isolieren, daß an der Außen­ seite der Isolation bzw. auch in deren Innerem keine Eisbildung auftritt, die zu Zerstörung und Gewichtszunahme bzw. zum Ver­ lust der Isolationswirkung und bei Kompensatoren zur Einbuße der Beweglichkeit führen würde.

In der Tieftemperaturtechnik ist die Wärmeisolation durch maßgefertigte Schaumkörper (etwa aus Polyurethanschaum = PUF) oder durch Schaumbeschichtung ("sprayed-on foam insulation" = SOFI) gebräuchlich. Soll die Dicke solcher Schaumisolierung vernünftige Dimensionen haben, muß man sich aber mit einer Außentemperatur der Schaumschicht begnügen, bei der sich immer noch die Feuchtigkeit der Umgebungsluft als Eis außen nieder­ schlägt. Zusätzlich kann auch das vom Schaum eingeschlossene Gas aus frieren, wodurch das Isolationsvermögen des Isolier­ körpers selbst stark beeinträchtigt wird, was zu noch stärkerer Vereisung führt ("Cryopumping").

Bei der Vakuumisolation treten derartige Probleme zwar nicht auf, diese erfordert jedoch eine Umhüllung in entsprechendem Abstand von dem zu isolierenden Gegenstand, die dem Umgebungs­ luftdruck statisch standhält. Da eine solche Umhüllung auch keine Wärmebrücken aufweisen darf, wäre eine sehr schwere Kon­ struktion notwendig. Vakuumisolation scheidet daher für größere zu isolierende Körper a priori aus. Darüber hinaus hat sie jedenfalls den Nachteil, teure Vakuumpumpenanlagen zu erfor­ dern.

Es ist auch bekannt, zur Wärmeisolation einen Gasraum vorzu­ sehen, der zum Beispiel Argon für eine Wasserstofführende Rohrleitung enthält (AIAA: 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA 92-3537 "LH2 Feedline Insulation Trade Study for the NLS", Autor: B.G.Simmonds). Aber auch dieser Gasraum muß in Wärmeflußrichtung so groß sein, daß seine Außentemperatur den Gefrierpunkt von Wasser überschreitet. Das führt zu sehr sper­ rigen Gasräumen und erfordert große Mengen des teuren Helium. Überdies ist Helium ein relativ guter Wärmeleiter, was den er­ forderlichen Gasraum weiter vergrößert. Außerdem bilden sich in großen Gasräumen aufgrund der Temperatur- und Dichteunter­ schiede Konvektionsströmungen aus, die die Isolationswirkung weiter verschlechtern.

Es ist daher Ziel der Erfindung, mit möglichst geringem Aufwand - an Bauraum, Gewicht und Kosten - eine höchste Ansprüchen er­ füllende Gasisolation zu schaffen, deren Isolationswirkung bei den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen erhalten bleibt und die insbesondere nicht durch Ausfrieren beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß sind dazu mindestens zwei in Wärmeflußrichtung aufeinanderfolgende Gasräume vorgesehen, welche durch im wesentlichen parallel zur Wand verlaufende gasundurchlässige Trennwände abgeschlossen sind, und das im jeweiligen Gasraum befindliche Gas bzw. dessen Zusammensetzung und dessen Zu­ standsgrößen ist so gewählt, daß dessen Gefrierpunkt bzw. Ausfriertemperatur über der Temperatur der kälteren Trennwand bzw. der Wandung liegt.

Dadurch kann die Isolation sozusagen in Temperaturstufen er­ folgen, wobei jeder Gasraum einer Temperaturstufe entspricht. Für den ersten, an die Wand angrenzenden Gasraum wird ein Gas gewählt, das bei der Temperatur der Wand nicht gefriert. Dieser Gasraum braucht aber in Wärmeflußrichtung nur so groß zu sein, daß die Temperatur an dessen äußerer Trennwand gerade über dem Gefrierpunkt des Gases in dem daran anschließenden Gasraum ist. Für den daran anschließenden Gasraum kann somit ein Gas mit höherem Gefrierpunkt, das in der Regel ein schlechterer Wärme­ leiter ist und daher eine geringere Erstreckung des Gasraumes in Wärmeflußrichtung erfordert, gewählt werden. Gegebenenfalls können noch weitere Gasräume hinzugefügt werden.

Damit werden die einzelnen Gasräume in Wärmeflußrichtung so klein, daß sich in vielen Anwendungsfällen auch ohne besondere Gegenmaßnahmen keine nennenswerte Konvektionsströmung ausbilden kann. Darüber hinaus kann so das insgesamt für die Gasisolation erforderliche Volumen durch geeignete Auswahl der Gase bzw. Gasmischungen nach Gefrierpunkt und Wärmeleitfähigkeit noch weiter verringert werden. In den meisten Anwendungsfällen ist es möglich, das bei atmosphärischem Druck zu erreichen.

Durch die erfindungsgemäße Auswahl von Gasen und Festlegung der Temperaturstufen und daraus folgend Dimensionierung der Gas­ räume wird somit nicht nur Eisbildung verhindert, sondern gleichzeitig auch der Raumbedarf der Isolation minimiert.

In Weiterbildung der Erfindung können bei größeren zu isolier­ enden Wandflächen die Gasräume normal zur Wärmeflußrichtung weiter unterteilt sein (Anspruch 2). Auf diese Weise wird bei in Wärmeflußrichtung größeren Gasräumen der Ausbildung von Konvektionsströmungen entgegengewirkt, ohne daß dadurch aber Wärmebrücken entstehen. Bei Anordnung in Wärmeflußrichtung hin­ gegen würden solche Wärmebrücken geschaffen werden.

Bei vertikalen Wandungsteilen ist es vorteilhaft, wenn sich diese Unterteilung über die gesamte konvektionswirksame Höhe des Gasraumes erstreckt (Anspruch 3). Dann bestehen über und unter den Unterteilungen keine Umkehrräume, die eine Verbindung der einzelnen Teilräume zu konvektiven Kreisläufen schaffen würden.

In einer möglichen konstruktiven Ausbildung enthalten die Gas­ räume zur Unterteilung im wesentlichen paralell verlaufende dünnwandige Längsprofile aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff (Anspruch 4). Da die Längsprofile keine Kräfte auf­ zunehmen haben, können sie sehr dünnwandig sein und bilden, weil sie auch schlechte Wärmeleiter sind, keine nennenswerten Wärmebrücken. Trotzdem können sie die Trennwände unterstützen, wenn diese dünne und weiche Plastikfolien sind, etwa bei ab­ nehmender Temperatur und damit abnehmendem Partialdruck inner­ halb der Kammern.

Die Profile sind so zu wählen, daß bei einem Minimum an Berühr­ ungsfläche ein Maximum an Gasraum besteht. Vorteilhaft ist ein Kreisprofil (Anspruch 5), vor allem dann, wenn die Profile lose in den Gasraum eingelegt werden sollen. Auf diese Weise können bei einfacher Montage ohne vorgefertigte Formteile auch Gas­ räume beliebiger Form gefüllt werden.

In einer anderen vorteilhaften Ausbildung sind die einzelnen Profile nach Art einer ein- oder mehrschichtigen Matte mitein­ ander verbunden (Anspruch 6). Eine solche Matte kann beim Zu­ sammenbau dann einfach eingelegt oder um ein zu isolierendes Rohrstück herumgewickelt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das von der Wandung umschlossene Gas flüssiger Wasserstoff und es sind zwei Gasräume vorgesehen, wobei der innere direkt an die Wand anschließende Helium und der äußere außen an Umgebungstem­ peratur grenzende Stickstoff enthält (Anspruch 7). Die Vorteile dieser konkreten Ausführungsform sind in der Figurenbeschrei­ bung erläutert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Trennwand nach außen wärmereflektierend ausgebildet (Anspruch 8). Dadurch wird die Wärmeabgabe durch Strahlung verhindert und die Temperaturen der äußeren Wände werden tiefer bzw. die Dim­ ension der Gasräume in Wärmeflußrichtung kann weiter vermindert werden. Besonders wirksam ist diese Maßnahme an der Außenwand des äußersten Gasraumes, kann aber zusätzlich auch an den wei­ ter innen liegenden Trennwänden getroffen werden.

Die Erfindung betrifft auch mit der erfindungsgemäßen Isolation versehene Rohre und Behälter. Im ersteren Anwendungsfall sind achsparallel angeordnete Profile besonders leicht anzubringen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen einzel­ ner Ausführungsbeispiele erläutert, wobei die einzelnen Figuren darstellen:

Fig. 1 die Ansicht eines Anwendungsbeispieles im Längsschnitt,

Fig. 2 einen stark vergrößerten Querschnitt nach 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 die Temperaturkurve über den Querschnitt der Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt wie Fig. 2, jedoch in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 5 einen Querschnitt wie Fig. 2, jedoch in einer weiteren Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Rohrleitung für flüssigen Wasserstoff sum­ marisch mit 1 bezeichnet. Es handelt sich beispielsweise um die Brennstoffleitung eines Raumfahrzeuges. Sie besteht aus einem Anschlußflansch 2, der mit irgendwelchen nicht dargestellten weiteren Teilen in Verbindung steht oder von einem wärmeiso­ lierenden Deckel 14 abgedeckt ist, einem Halteflansch 3, 3a, an dem die Rohrleitung unterstützt wird, einem weiteren Anschluß­ flansch 4, der Teil eines Winkelkompensators ist, und einem Rohrstück 5, das hier ein Längenkompensator ist. Diese Teile sind aus Metall, daher nimmt deren Wandung 6 die Temperatur des flüssigen Wasserstoffes an.

Auf dem Anschlußflansch 2 ist ein wärmeisolierender Stützring 8 angebracht, am weiteren Flansch 4 ein ebensolcher Stützring 9. Diese Stützringe tragen eine dünne Trennwand 10 aus einem tieftemperaturtauglichen schlecht wärmeleitenden Werkstoff, beispielsweise aus Kapton - Nomex (eingetragenes Warenzeichen von DUPONT) Laminaten.

Die Stützringe 8, 9 sind von weiteren Stützringen 11, 12 aus einem gleichen oder ähnlichen Werkstoff umgeben und spannen eine weitere dünne Wand 13 aus einem schlecht wärmeleitenden Material auf. Auf diese Weise ist ein erster Gasraum 16 zwischen der Wandung und der Trennwand 10 und ein zweiter Gasraum 17 zwischen der Trennwand 10 und der Wand 13 gebildet. Die Wand 13 ist außen von atmosphärischer Luft umgeben.

Der erste Gasraum 16 ist mit Längsprofilen gefüllt, die weiter unten näher beschrieben werden. Die Längsprofile, egal, ob lose oder verbunden, werden vor der Anbringung auf die entsprechende Länge zugeschnitten; die Längsprofile 21 auf die Länge des achsialen Abstandes zwischen den beiden Flanschen 3, 4, die Längsprofile 22 entsprechend dem Abstand zwischen den Flan­ schen 4, 2 und die Längsprofile 23 entsprechend dem Abstand zwischen den beiden Stützringen 8, 9. Auf diese Weise können die Längsprofile parallel zur Längsachse 18 des Rohres so eingelegt werden, daß die gesamte konvektionswirksame Länge ausgefüllt ist und sich keine Konvektionsströmung ausbilden kann. In den weiteren das Rohrstück 5 umgebenden Gasräumen 24, 25, 26, 27 wird auf dieselbe Weise verfahren.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Isolation stark vergrößert im Querschnitt dargestellt, wobei die im Schnitt kreisförmigen Wände als Gerade gezeichnet sind. An die Wandung 6 schließt der erste Gasraum 16 an und daran, auf der anderen Seite einer Trennwand 10, der zweite Gasraum 17. Der erste Gasraum 16 ist hier mit gasförmigem Helium oder Argon gefüllt und enthält Längsprofile 21, 22, 23, der zweite nur mit gasförmigem Stick­ stoff.

In Fig. 2 sind die Längsprofile 21, 22, 23 strohhalmförmige Rohre mit Kreisquerschnitt, beispielsweise aus einem geeigneten tieftemperaturbeständigen Kunststoff, gegebenenfalls mit Glas­ faserverstärkung. Der erste Gasraum 16 ist zwar nur mit drei Reihen Längsprofilen 21, 22, 23 gezeichnet, es können aber belie­ big viele sein.

Die Längsprofile können aber auch, wie in Fig. 4 gezeigt, nur halbkreisförmig und entweder lose eingefüllt oder miteinander verbunden sein, oder wie in Fig. 5 gezeigt, wellpappenartig aus einer geraden Folie 32 und einer längs Erzeugenden mit ihr verbundenen gewellten Folie 33 bestehen.

Beim Zusammenbau können die losen Profile, wie bereits angedeu­ tet, im ersten Gasraum 16 und gegebenenfalls auch in den zwei­ ten Gasraum 17 in achsparalleler Richtung eingefüllt, oder, so­ ferne sie miteinander verbunden sind, durch Umwickeln der entsprechenden Teile angebracht werden.

Anhand von Fig. 3 wird nun die Wirkungsweise der erfindungs­ gemäßen Wärmeisolierung erläutert, wobei auf der Abszisse die absolute Temperatur in Graden Kelvin und auf der Ordinate, ent­ sprechend der darunter angeordneten Fig. 2, die radiale Ent­ fernung eingetragen sind. Die Wärmeflußrichtung ist mit dem Pfeil 35 angedeutet. Die Wandung 6 des Rohres 1 hat die Tem­ peratur des flüssigen Wasserstoffes von 20 Graden Kelvin ange­ nommen, nur Helium und Argon haben einen tieferen Gefrierpunkt.

Die Gerade 36 stellt den Temperaturverlauf im ersten Gasraum 16 dar. Durch Wärmeleitung steigt die Temperatur von 20°K auf ca. 90°K an der Trennwand 10 an. Da der Gefrierpunkt von Helium bei 4°K, also unter 20°K liegt, kann das gasförmige Helium im ersten Gasraum 16 nicht frieren, in diesem Gasraum tritt somit keine Eisbildung auf.

Der zweite Gasraum 17, der innen von der Trennwand 10 und außen von der Wand 13 begrenzt ist, enthält gasförmigen Stickstoff. Wesentlich ist nun, daß der Gefrierpunkt von Stickstoff etwas unter der Temperatur der Trennwand 10 liegt, er beträgt nämlich 77°. Dadurch kann auch der Stickstoff im zweiten Gasraum 17 nicht gefrieren. Die Linie 37 stellt nun den Temperaturverlauf im zweiten Gasraum dar und führt bis auf eine Temperatur von etwa 300°K, also eine Temperatur, die über dem Gefrierpunkt des in der Umgebungsluft enthaltenen Wassers liegt, so daß dieses auch nicht ausfrieren kann. Auf diese Weise wird in zwei Stufen das gesamte Temperaturgefälle von 20 auf 300°K ohne jegliche Eisbildung bewältigt.

Die Steigung der beiden Geraden 36, 37 wird von der Wärmeleitung durch den jeweiligen Gasraum bestimmt. Es ist zu erkennen, daß Helium zwar ein schlechterer Wärmeisolator ist, aber dafür nur einen Temperaturunterschied von 70°K zu bewältigen hat, gerade über den Gefrierpunkt des angrenzenden Gases. So wird der Vor­ teil des tiefen Gefrierpunktes von Helium genutzt, ohne daß sich dessen Nachteil der geringeren Wärmeleitfähigkeit nachtei­ lig auswirkt.

Je nach Abmessungen der einzelnen Gasräume und den physikali­ schen Eigenschaften der gewählten Gase entstehen die jeweiligen Temperaturverläufe, wobei bei Gasen höherer Wärmeleitfähigkeit und breiten Gasräumen Verhinderung von Konvektion mittels der Längsprofile vorteilhaft, bei schmalen Gasräumen aber nicht erforderlich ist.

Claims (11)

1. Isolation für verflüssigte Gase sehr tiefer Temperatur ein­ schließende Wandungen mittels außen an diese anschließender Gasräume, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei in Wärme­ flußrichtung aufeinanderfolgende Gasräume (16,17) vorgesehen sind, welche durch im Wesentlichen parallel zur Wandung (6) verlaufende gasundurchlässige Trennwände (10, 13) abgeschlossen sind, und daß das im jeweiligen Gasraum (16, 17) befindliche Gas und dessen Zustandsgrößen so gewählt sind, daß dessen Gefrier­ punkt bzw. Ausfriertemperatur über der Temperatur der kälteren Trennwand (10) bzw. der Wandung (6) liegt.

2. Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasräume (16, 17) ihrerseits normal zur Wärmeflußrichtung (35) unterteilt sind.

3. Isolation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Unterteilung bei vertikalen Wandungsteilen über die gesamte konvektionswirksame Höhe des Gasraumes erstreckt.

4. Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasräume (16, 17) zur Unterteilung im wesentlichen parallel ver­ laufende Längsprofile (21, 22, 23) aus einem schlecht wärme­ leitenden Werkstoff enthalten.

5. Isolation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsprofile (21, 22, 23) kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

6. Isolation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Längsprofile (31; 32, 33) miteinander verbunden sind.

7. Isolation nach Anspruch 1, wobei das von der Wandung (6) umschlossene Gas flüssiger Wasserstoff ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Gasräume (16, 17) vorgesehen sind, wobei der innere (16), direkt an die Wandung (6) anschließende, Helium oder Argon und der äußere (17), außen an Umgebungstemperatur grenzende, Stickstoff enthält.

8. Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Trennwände (10, 13) nach außen wärmere­ flektierend ausgebildet ist.

9. Rohrleitung mit einer Isolation nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche.

10. Rohrleitung mit einer Isolation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsprofile parallel zur Rohrachse angeordnet sind.

11. Behälter mit einer Isolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche.