-
Metallener Vakuumbehälter Gegenstand der Erfindung ist ein metallener
Vakuumbehälter beliebiger Form und Größe zur Aufnahme von tiefsiedenden verflüssigten
Gasen, der entweder allein öder im Zusammenbau mit anderen Apparateteilen eine betriebsfertige,
von Mensch oder Tier transportierbare oder auf Fahrzeugen jeder Art einbaufähige
Anlage darstellen soll. Ein solches Gerät muß starken mechanischen Beanspruchungen
gewachsen sein, die durch die Größe der Beschleunigungen und. Verzögerungen gegeben
sind, denen das Fahrzeug oder der Mensch unterliegt. Diese werden je nach Verwendungsart
denjenigen Endwert erreichen, den ein Mensch als Führer dieses Fahrzeuges gerade
noch aushält. Die Massenkräfte greifen an der inneren Wand des Behälters an und
versuchen sie gegen die Außenwand zu drücken. Als ,Beispiel für das Auftreten erheblicher
Beschleunigungen verschiedener Richtungen mag der Transport eines Flüssiggasspeichers
auf einem kleinen Schift dienen, wo es nur von der örtlichen Lagerung eines solchen
Gasspeichers im Schiff abhängt, in welcher Richtung die maximalen Beschleunigungen
erfolgen. Vorn und achtern treten starke Beschleunigungen in vertikaler Richtung.
auf: Stampfen, mittschiffs auf Deck vornehmlich solche in horizontaler Richtung:
Rollbewegungen. Die Bedingungen für ein mit Flüssiggasspeicher versehenes Atemschutzgerät,
bei welchem natürlich der Speicher starken Beschleunigungen jeder möglichen Richtung
unterliegt, sind bezüglich der Festigkeit noch strenger.
-
Die bisher gebauten Vakuumtransportgefäße sind als ortsbewegliche
Standgefäße gedacht, deren maximale Beanspruchungen durch die statischen Wirkungen
des Gewichtes in der Normallage oder der in Richtung der Gewichtskraft gehenden
Beschleunigung oder Verzögerung, z. B. beim Absetzen der Gefäße, auftraten. Man
hat wohl durch Abstützungen, Drahtaufhängungen und gasführende Rohrsteifen
versucht,
das Gewicht des Innenbehälters gegen den Außenbehälter zum Tragen zii bringen, jedoch
geschahen diese Versuche auf Kosten der Festigkeit, der Wärmeisolation:` oder sie
führten außerdem zu großer Spei$ keit des äußeren Behälters und hatten'. Zweck,
die Lötstellen an der Verbindung"@j@ Innengefäßes mit dein Außengefäß vor mechanischen
Beanspruchungen zu schützen. Alle diese Stützen, Drähte und Rohre waren so gedacht,
daß sie in normaler Richtung Kräfte aufnehmen sollten.
-
Eine starre Abstützung des Innengefäßes gegen das Außengefäß müßte
bei einem Flüssigkeitsspeicher, der Beschleunigungen in jeder Richtung unterliegt,
notwendigerweise mindestens aus vier Stützen bestehen, die bei der günstigsten Form
eines solchen Gefäßes, nämlich der Kugelform, von den Eckpunkten eines gedachten
gleichseitigen Tetraeders radial zur Kugelmitte laufen. Die Schwierigkeit, vier
Verbindungen dieser Art auf die Dauer vakuumdicht herzustellen, von der jede fast
die volle Maximalkraft gegebenenfalls in axialer Richtung tragen muß, also entsprechende
Verankerungen am Innen- wie Außengefäß besitzen muß, läßt diese Bauart schon von
vornherein ausscheiden, ohne erst die Möglichkeit der Unterbindung des Wärmeflusses
gegenüber der hier beanspruchten rechnerisch nachprüfen zu müssen. Das Ergebnis
dürfte äußerst negativ sein. Die Aufhängung an Drähten bietet gegenüber der mit
festen Stützen keine Vorteile, da gleichfalls vier Verbindungen benötigt werden.
Dazu kommt, daß die Beanspruchungen der Drahtaufhängungen wesentlich größer werden
können als die einer festen Abstützung, wenn beim lassen der Spannung der Drahtzüge
ruckartige Stöße auf diese Verbindungen möglich werden. Gefäße mit Drahtaufhängungen
und Stützen vorhandener Bauart scheiden daher für einen universellen Anwendungsbereich
solcher Transportbehälter aus. Bezeichnend für den Stand der Technik auf diesem
Gebiet ist übrigens, daß die meisten metallenen Vakuumgefäße oben einen dünnen,
langen, weit herausragenden Hals besitzen. An diesem Halse, der die etwa 2ofache
Festigkeit auf Zug besitzt (der Gewichtskraft gegenüber), hängt das Innengefäß.
Beim Drehen des gefüllten Behälters gegenüber der Normallage gelangt der Innenbehälter
gegen den Außenbehälter zu einer innigen Berührung, .wodurch eine starke Verdampfung
eintritt. Diese Berührung tritt auch ein, wenn der Behälter nicht ganz gefüllt ist.
Sie ist das wesentlichste Kennzeichen dieses Behälters. Schüttelt man ihn in gefülltem
oder auch leerem Zustande hin Lind her, so schlägt die Innenkugel gegen die Außenkugel
laut hörbar an. Baut man also einen solchen Behälter in ein Fahrzeug ein, das starken
Stößen in jeder Richturig unterliegt, oder montiert ihn tragbar an Mensch oder Tier,
so wird er bei der dauernd sich verändernden Stellung und den ;von außen kommenden
Beschleunigungen 'erstens eine starke Verdampfung aufweisen, wodurch das Maß der
Transportfähigkeit stark beschränkt wird, und zweitens wird seine Lebensdauer -infolge
der natürlich hohen mechanischen Beanspruchungen bei der bekannten geringen Elastizität
des Materials bei Tiefkälte stark verkürzt. Die Stoßkraft errechnet sich aus der
Energie der sich stoßenden Körper und dem Arbeitsvermögen der Stoßstelle. Letzteres
wird aber bei Tiefkälte klein. Aus diesem Grunde ist es nick-, gelungen, einen Behälter
dieser Bauart erstens über eine gewisse Größe hinaus zii bauen und ihn zweitens
für Transporte mittels Autos oder Bahn über weite Strecken mit einer "tragbaren
unvermeidlichen Eigenverdampfung herzustellen. Alle diese Transportkannen zeigen
eben nach gewisser Zeit die sog. Vakuummüdigkeit, die aus den starken Erschütterungsmöglichkeiten
und der hohen Beanspruchung der Lötstellen zu erklären ist.
-
Andere bekanntgewordene Behälter, bei denen das Innengefäß am Außengefäß
durch eine starre, biegefeste Verbindung gehaltert ist, nämlich durch konische oder
zylindrische Rohrstücke, die nebeneinander geschachtelt sind, haben sich gleichfalls
nicht durchsetzen können, da die vielen Lötverbindungen, die zugleich den Kräftefluß
bei der Beanspruchung der Transportbehälter an Glas nächstfolgende Rohrstück weiterleiten
müssen. zusätzliche Gefahrenquellen der Undichtigkeit zwischen Hochvakuum und Gasspeicherrauin
bilden. Die Beschränkung des Wärmeeinfalls kann bei einem mit starrer Verbindung
der Gefäße ausgerüsteten Behälter dieser Art nur in geringem Maße gelingen, da der
Durchmesser der Verbindungsrobrteile notwendigerweise zur Erreichung des benötigten
Widerstandsmomentes groß sein muß, wenn man übermäßige Wandstärken vermeiden will.
Bei großem Durchmesser der gasführenden Verbindungen erfolgt aber die Wärmeübertragung
auch :durch die über der Flüssigkeit liegende Gasschicht, die bei einigen Ausführungen
solcher Behälter ohnehin Gelegenheit hat, mit den innersten Teilen des Halses Wärme
auszutauschen.
-
Die Art der Lagerung des Behälters ist für die Entstehung der schädlichen
Biegebeanspruchungen durch die Beschleunigung des Behälterinhalts von nebensächlicher
Bedeutung und ist daher aus der Zeichnung fortgelassen. Man kann den Behälter in
der Art, wie man Preßgasflaschen lagert, in Schellen
aufhängen,
was das zweckmäßigste sein wird. Die Halterung wird notwendigerweise am Außenmantel
angreifen müssen; die wirksame -\lasse ist .die :Masse der Flüssigkeit und des Iinienbehä
lters, die bei den immer von außen kommenden Beschleunigungen positiver oder negativer
Art bei einem Transportgerät oder einem auf einem Fahrzeug montierten Behälter zur
Kraftäußerung auf die Verbindungen zwischen Innen- und Außengefäß führt, wobei sich
die statischen Wirkungen cles Gewichtes dieser Beschleunigungskraft überlagern.
-
Die maximale Beanspruchung eines transportfähigen, vakuumisolierten
Flüssiggasspeichers obigen Verwendungsbereiches mit starrer Verbindung von Innen-
und Außengefälä ist somit eine BLegungsbeanspruchung dieser Verbindung. Diese Erkenntnis
führte zur Festlegung der körperlichen Merkmale eines zur Aufnahme der Biegungsbeanspruchungen
bestimmten Trägers, in folgendein Biegungsträger genannt.
-
Durch Gruppierung der wärmeleitenden Querschnitte dieses Biegungsträgers
in möglichst großem Abstand von der neutralen Faser läßt sich ein großes Widerstandsinoment
erreichen. Wollte man einen Rohrquerschnitt zur Aufnahme der Biegefestigkeit verwenden,
so müßte bei der gebotenen Unterbindung des Wärmeflusses und der verlangten hohen
Festigkeit die Wandstärke praktisch nicht verwertbare geringe Abmessungen annehmen,
da man zur Schaffung des großen Widerstandsmomentes, welches mit der 3. Potenz des
Durchmessers wächst, und zwecks Unterbindung des Wärmeeinfalls, also kleiner Otierschnittsflächedes
Trägers, notwendigerweise ein möglichst dünnwandiges Rohr , cy ,roßen Durchmessers
wählen muß. Ein solches Rohr verträgt aber die auftretenden Schubspannungen nicht
und knickt ein. Erst die Einführung eines biegefesten Trägers von großem Widerstandsmoment
bei praktisch ausführbarer Materialstärke, die auch den auftretenden Schubbeanspruchungen
gewachsen ist, mit geringer, aber weit von der neutralen Faser angeordneter Profilquerschnittsfläche
löst die gestellte Aufgabe erschöpfend. Der Durchmesser und Querschnitt eines solchen
"Trägers kann also niemals zugleich der einer gas- oder flüssigkeitführenden Leitung
sein. Dieser Träger besteht insbesondere aus einem gelochten, gerollten Blech oder
Rohr, bei dem durch die in - Längsrichtung hintereinanderliegenden Lochreihen der
Wärmefluß in axialer Richtung unterbunden wird, die Biegespannungen von den stehengebliebenen
Stegen und Brücken getragen werden. Es lassen sich auf diese Weise biegefeste Verbindungen
herstellen, die bei gleicher Wärme-Leitfähigkeit, Materialbeschaftenhei't und Länge
des Trägers die mehr als ?ofache Festigkeit besitzen als die bisherigen Rohrverbindungen.
-
Das Anwendungsgebiet der Biegungsträger ist verschieden: Das Innengefäß
kann an seinem Ende liegen öder um den Träger herumgruppiert sein. Es scann auch
den Mittelteil des Trägers selbst bilden, wobei die'beiden Enden nicht in einer
Achse zu liegen brauchen. Die Einführung-zweier oder mehrerer gleich starleer Biegungsträger
bietet keinen Vorteil hinsichtlich des Wärmeeinfalls.
-
Es wird bei der beschriebenen Vorrichtung meistens notwendig werden;
däs oder die gasführenden Rohre durch denselben Vakuumfanal zu führen, in dem der
Biegungsträger liegt. In diesem Falle wird die Lagerung des oder der Rohre in der
neutralen Zone oder in ihrer unmittelbaren Umgebung als neuer Gedanke beansprucht.
Dann können keine Längsveränderungen dieser Rohre auftreten, tvährend die minimale
Durchbiegung derselben, herrührend aus der Durchbiegung des Trägers, bei der relativ
großen Länge der Rohre ohnehin tragbar ist.
-
Einen Sonderfall der Rohrführung stellt der unter Anspruch. 3 geäußerte
Gedanke dar, das flüssigkeitführende Rohr in dem Entlüftungsrohr zu lagern. Durch
die plötzliche Berührung mit tiefkalter Flüssigkeit können in den Leitungen leicht
kleine Risse entstehen, die die Wirkung des Vakuums schnellstens beseitigen. Umgibt
man die Flüssigkeitsrohre mit dem Entlüftungsrohr, so sind die schädigenden Einflüsse
geringer Undichtigkeiten tragbar; der Wärmeeinfall in das Gefäß nimmt hierdurch
nur unwesentlich zu.
-
Abb. z stellt ein Vakuumgefäß bekannter Bauart dar, bei dem der Biegungsträger
a von unten teilweise in das Gefäß hineinragt. Er besteht aus einem konisch gerollten,
gelochten Blech, wie es die Abb. ,4 in ,abgewickeltem Zustande zeigt. Der Wärmefluß
in axialer Richtung, einen anderen gibt es nicht, wird durch die hintereinanderliegenden
Lochreihen unterbunden. Die Längsfestigkeit tragen die Längsstege; die Schubspannungen
werden vornehmlich von den Querstegen aufgenommen. Der Träger ist als Träger gleicher
Festigkeit gebaut und hat spezifisch schwach belastete Lötstellen an den Einspannenden,
da dort das mehrzache Material vorhanden ist wie bei der bisherigen Ausführung als
zylindrisches Rohr. Die Flüssigkeit wird durch das Steigerohr b eingefüllt und entnommen,
das sich in dem zur Entlüftung dienenden engen Rohr c befindet.
-
Abb. a stellt ein Vakuumgefäß dar, bei dem das Innengefäß e selbst
den Mittelteil des Biegungsträgers a bildet. Eine solche Anordnung
hat
den Vorteil, daß man auf die Einspannung an den Enden des Trägers d verzichten kann,
.da dann das auftretende Maximalmoment durch das Innengefäß sicher getragen wird.
Die Verbindungsstellen zum Innengefäß liegen hier im Innern desselben. Die Verbindung
des Trägers a mit dem Außengefäß d braucht nicht metallisch zu sein. Das Entlüftungsrohr
c und das Füllrohr b liegen der Form des Gefäßes entsprechend.
-
Abb. 3 stellt ein Vakuumgefäß dar, bei dem der Biegungsträger a von
Außengefäß bis Außengefäß läuft, wo er eingespannt oder auch zentrierend gelagert
sein kann. Das Innengefäß e liegt hier walzenförmig um den Träger herum. Bei dieser
Bauart ist es nicht notwendig, den Träger a mit dem Innengefäß e metallisch zu verbinden.
Flüssigkeitsleitung b und Entlüftungsleitung c sind zweckentsprechend verlegt.
-
Abb. q. stellt die Abwicklung eines Biegungsträgers dar, der aus einem
gelochten, gerollten Blech besteht. Die dem Wärmefluß von t, nach t2 zur Verfügung
stehende Spaltbreite a nimmt zugleich die Biegespannung auf. Die Spaltbreite a ist
hier gleich ljg der Lochbreite, b gehalten, so daß' als tragend und wärmeleitend
114 des Umfangs gelten. Bei dieser Ausführung beträgt die Festigkeit das 16fache
von der eines Rohres gleicher Wandstärke, Länge und Materialbeschaffenheit bei gleichem
Wärmedurchgang.
-
Sämtliche hier dargestellten Biegungsträger zur Unterbindung des Wärmeflusses
liegen allseitig im Vakuum.