EP0014250A1 - Suspension device for a low-temperature container - Google Patents

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EP0014250A1
EP0014250A1 EP79105087A EP79105087A EP0014250A1 EP 0014250 A1 EP0014250 A1 EP 0014250A1 EP 79105087 A EP79105087 A EP 79105087A EP 79105087 A EP79105087 A EP 79105087A EP 0014250 A1 EP0014250 A1 EP 0014250A1
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EP
European Patent Office
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tank
suspension device
individual elements
low
fastening
Prior art date
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Application number
EP79105087A
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German (de)
French (fr)
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Wolfgang Buchs
Martin Müller
Werner Malburg
Albert Seidel
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a suspension device for a low-temperature tank according to the preamble of claim 1.
  • the fastening tapes are also exposed to enormous thermal requirements: on the one hand, they must have a high thermal conductivity so that they do not have a thermal bridge between the outer container when the low-temperature tank is cold and the tank, and on the other hand, despite the strong temperature fluctuations of the inner tank - between room temperature in the unfilled state and extremely low temperature level when the tank is full - remain as uniform as possible under all operating conditions and guarantee an exact fixation of the low-temperature tank, and these thermal loads are the known suspension devices with sufficient strength and rigidity of the one-piece fastening tapes not grown.
  • the one-piece fastening tapes are made of carbon fibers
  • the thermally induced changes in the tension of the fastening tapes between the room and the low-temperature condition of the inner tank can be kept low, but due to the comparatively high thermal conductivity of this fiber material, there is an excessive heat inflow lengthwise in the low-temperature condition of the inner tank the fastening straps.
  • a gradation of the thermal material properties in the longitudinal direction of the tape is effected in such a way that the thermal expansion coefficient of the individual elements gradually decreases and at the tank-side band end, that is, at the narrow point of the fastening band, where the greatest temperature difference between the filled, cold and unfilled; when the inner tank is warmed to room temperature, is the smallest, while the individual elements closer to the outer container, in which the temperature fluctuations relevant for thermal expansion become increasingly smaller, are made from fiber material with a comparatively higher thermal expansion coefficient, but also a lower coefficient of thermal conductivity.
  • each fastening tape according to claim 2 preferably consists of at least three individual elements made of different fiber materials with a gradually decreasing coefficient of thermal expansion from the outer container to the low-temperature tank and accordingly increasing coefficient of thermal conductivity, and according to claim 3 are in a particularly useful manner as pas material for the tank element next to carbon fibers and glass fibers for the single element attacking the outer container.
  • the insulation pieces result in a strong local throttling of the heat flow, while by appropriate selection of the fiber material for the individual elements one of the occurring temperature fluctuations between the room temperature and the low temperature level of the inner tank is possible constant tape tension is achieved, so that it is possible despite the high strength and rigidity of the fastening tapes, the thermal conductivity in relation to that between the minimum and maximum operating temperature of the interior ntanks to significantly increase the tension changes in the fastening straps caused by thermal expansion.
  • At least one individual element of each fastening tape is cooled in the heat flow direction in front of the insulation piece, the cooling in front of the insulation piece having the additional advantage of simple heat dissipation with a relatively high level Has cooling temperature level.
  • successive individual elements in a structurally simple, thermally and mechanically particularly advantageous embodiment of the invention are preferably connected to each other in a tensile manner by a multi-part end connection according to claim 6, the second connection part of the end connection according to claim 7 expediently having a thermal barrier layer to further increase the insulation effect is occupied.
  • the preferred inclined arrangement of the fastening tapes ensures, on the one hand, that the recesses kept free for the fastening tapes are arranged offset in successive radiation shields, so that no radiation holes aligned in the main radiation direction between the outer container and the inner tank arise, and at the same time this geometric arrangement allows of the fastening tapes at least partially compensate for their thermal changes in length by a corresponding thermal displacement of the strap fastening points on the outer container and on the inner tank.
  • the latter according to claim 11 are advantageously each designed as a double loop having a unidirectional fiber direction, and the incident on the inner container heat radiation to further reduce, according to claim 12 elschlaufe p in the space between the longitudinal legs each Dop preferably a filler acting as a radiation shield is used.
  • the suspension device 2 via which the low-temperature tank 4 is suspended coaxially in the outer container 6, contains an upper and a lower row 8, 10 of six fastening straps 12 in each case.
  • Each of these fastening straps runs under pretension between an anchoring point on the outer container side Form of a securing bolt 14 on the one hand (FIG. 2) and a tank-side anchoring point in the form of a tension screw 16 on the other hand.
  • the fastening tapes 12 are inclined so that the distance between the upper and lower row of belts 8, 10 increases from the outer container 6 to the low-temperature tank 4.
  • the thermal length contraction of the low-temperature tank 4 leads to a reduction in the axial distance between the upper and lower anchoring points 16 on the tank side, as a result of which the thermal radial contraction of the tank 4 and the thermal length change of the fastening straps 12 are partially compensated.
  • the tank-side anchorage points 16 are arranged in pairs in such a way that they are mutual The circumferential distance is smaller than the circumferential distance to the immediately adjacent, tank-side anchorage points (FIG. 1b), while the anchorage points 14 on the outer container side are uniformly distributed in the circumferential direction, so that the fastening tapes 12 of each row 8 or 10 from the outer container 6 converge in pairs to the inner tank 4.
  • This geometric arrangement of the fastening straps 12 also reduces the angle of inclination of the fastening straps 12 with respect to a radial beam in the event of a thermal contraction of the inner tank 4, so that the thermal changes in length are at least partially compensated for.
  • an extremely stable fixation of the inner tank 4 in the outer container 6 is achieved in the axial, radial and rotational directions.
  • the structure of the fastening tapes 12 is of crucial importance. These are each composed of several, approximately four individual elements 18.1, 18.2, 18.3 and 18.4 connected in series from fiber composite material, each individual element 18 consisting of one or more parallel, endlessly wound double loops 20 with a unidirectional fiber direction in the longitudinal direction of the loop, as shown in FIG. 4 by the Double arrows is indicated.
  • a filler 24 acts as a radiation shield, for example made of aluminum-coated polyphthalate films.
  • the individual elements 18 are made of different types of fibers with a coefficient of thermal expansion decreasing from the outer container 6 to the inner tank 4 and consequently increasing the coefficient of thermal conductivity due to the material.
  • the space between the outer container 6 and the z. B. with helium fillable inner tank 4 is evacuated for better heat insulation in the usual way and equipped with the inner tank 4 shell-shaped enclosing radiation shields 26, 28, which also consist of aluminum-coated polyphthalate films and are cooled with the help of cooling coils 30, about which the approximately during the experiment resulting helium vapor is passed from the inner tank 4 to the outside.
  • the radiation shields 26, 28 are suspended near the pipe coils 30 via heat-conducting intermediate plates 32 at the end connections 34 which connect the ends of adjacent individual elements with one another in a tensile manner, the construction of which is explained using the right end connection 34, which is effective between the individual elements 18.2 and 18.3, according to FIG. 3 .
  • the end connection 34 consists of a plurality of socket-shaped connecting parts 36.1 and 36.2, which are clamped together by a central screw bolt 38 at a material which is a good heat conductor and to which the intermediate plates 32 are also fastened.
  • the connecting part 36.1 to which the inner ("colder"), loop-shaped end of the individual element 18.2 closer to the outer container 6 is connected, also consists of a thermally highly conductive material, for. B. copper beryllium, so that a large part of the heat flowing in via the individual element is dissipated via the connecting part 36.1, the screw bolt 38, the intermediate plates 32 and the cooling coils 30.
  • the connecting parts 36.2 form thermal insulation pieces and are made of a thermally poorly conductive material, e.g. B. titanium, and in addition to their adjacent to the connecting part 36.1 or the remote tank element 18.2 surfaces with a thermal barrier layer 40 z. B. again in the form of aluminum-coated polyphthalate film.
  • adjacent individual elements 18 are connected to one another in a tensile manner with the interposition of thermal insulation pieces 36.2, 40, and the individual element remote from the tank is at its inner end facing the tank 4 in the heat flow direction in front of the insulation pieces cooled via thermally highly conductive intermediate pieces 36.1, 38, 32.
  • the left end connection 34 in the sense of FIG. 3 contains a central connecting part 36.2 made of titanium for the loop area of the individual element 18.2 on the outer container side and two outer connecting parts 36.1 made of copper-beryllium for the loop areas of the band element 18.1 anchored to the outer container 6 near the tank.
  • the openings 42 in the radiation shields 26, 28 which are kept free in the region of the end connections 34 are offset in the main radiation direction, so that the formation of radiation holes in the space between the outer container 6 and the low-temperature tank 4 is prevented.
  • the thermal conductivity and expansion behavior of the fastening tapes 12 can be varied and adapted to the respectively required mechanical and thermal stresses.

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Abstract

Für eine Aufhängevorrichtung für einen in einem Außenbehälter thermisch isoliert angeordneten Tieftemperaturtank soll die Aufgabe gelöst werden, daß die Aufhängevorrichtung eine sowohl hinsichtlich der mechanischen als auch der thermischen Beanspruchungen hochgradig sichere Aufhängung des Tieftemperaturtanks garantiert. Die Aufhängevorrichtung ist so gestaltet, daß die Befestigungsbänder (12) jeweils aus mehreren hintereinandergeschalteten Einzelelementen (18) unterschiedlichen Fasermaterials zusammengesetzt sind und das tanknächste Einzelelement (18.4) jedes Befestigungsbandes (12) aus dem Fasermaterial mit dem vergleichsweise niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.For a suspension device for a thermally insulated cryogenic tank arranged in an outer container, the object is to be achieved that the suspension device guarantees a highly secure suspension of the cryogenic tank in terms of both mechanical and thermal stresses. The suspension device is designed so that the fastening straps (12) are each composed of a plurality of individual elements (18) of different fiber material connected in series and the nearest individual element (18.4) of each fastening strap (12) consists of the fiber material with the comparatively lowest coefficient of thermal expansion.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufhängevorrichtung für einen Tieftemperaturtank nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a suspension device for a low-temperature tank according to the preamble of claim 1.

Bei bekannten Aufhängevorrichtungen dieser Art werden als Werkstoff für die einstückigen Befestigungsbänder wegen der überlegenen Materialeigenschaften und vor allem der hohen Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht sowie der kleinen Kriechraten unter Last bevorzugt Faserverbundwerkstoffe mit in Bandlängsrichtung durchgehend unidirektionaler Faserorientierung verwendet. Neben den großen mechanischen sind die Befestigungsbänder aber auch enormen thermischen Anforderungen ausgesetzt: sie müssen einerseits einen hohen Wärmeleitwiderstand haben, damit sie im kalten Zustand des Tieftemperaturtanks keine Wärmebrücke zwischen dem Außenbehälter und dem Tank bilden, und andererseits trotz der starken Temperaturschwankungen des Innentanks - zwischen Raumtemperatur im ungefüllten Zustand und extrem niedrigem Temperaturniveau bei gefülltem Tank - unter allen Betriebsbedingungen möglichst gleichförmig gespannt bleiben und eine genaue Fixierung des Tieftemperaturtanks garantieren, und diesen thermischen Belastungen sind die bekannten Aufhängevorrichtungen bei ausreichender Festigkeit und Steifigkeit der einteiligen Befestigungsbänder nicht gewachsen. So läßt sich etwa bei Verwendung von Glasfasern als Fasermaterial für die Befestigungsbänder zwar ein genügend hoher Wärmeleitwiderstand erzielen, jedoch sind die thermischen Längenänderungen zwischen dem Tieftemperaturzustand und dem ungefüllten Zustand des Innentanks bei Raumtemperatur so groß, daß entweder im kalten Zustand des Tanks unzulässige Überspannungen in den Bändern auftreten oder bei Erwärmung auf Raumtemperatur die sichere Fixierung des Innentanks infolge einer übermäßigen Längenzunahme der Befestigungsbänder verlorengeht. Werden andererseits die einstückigen Befestigungsbänder aus Carbonfasern gefertigt, so können die thermisch bedingten Zugspannungsänderungen der Befestigungsbänder zwischen dem Raum- und dem Tieftemperaturzustand des Innentanks zwar gering gehalten werden, auf Grund der vergleichsweise hohen Wärmeleitzahl dieses Fasermaterials ergibt sich aber im Tieftemperaturzustand des Innentanks ein übermäßiger Wämezustrom längs der Befestigungsbänder. Auch bei Verwendung anderer Faserarten für die Befestigungsbänder müssen je nach der gewählten Faserart entweder unzulässig hohe Zugspannungsänderungen zwischen dem Raum- und dem Tieftemperaturniveau des Innentanks oder ein übermäßiger Wärmestrom längs der Befestigungsbänder im kalten Zustand des Innentanks in Kauf genommen werden.In known suspension devices of this type, fiber composite materials with unidirectional fiber orientation throughout are preferred as the material for the one-piece fastening tapes because of the superior material properties and above all the high strength and rigidity with low weight and the low creep rates under load. In addition to the large mechanical ones, the fastening tapes are also exposed to enormous thermal requirements: on the one hand, they must have a high thermal conductivity so that they do not have a thermal bridge between the outer container when the low-temperature tank is cold and the tank, and on the other hand, despite the strong temperature fluctuations of the inner tank - between room temperature in the unfilled state and extremely low temperature level when the tank is full - remain as uniform as possible under all operating conditions and guarantee an exact fixation of the low-temperature tank, and these thermal loads are the known suspension devices with sufficient strength and rigidity of the one-piece fastening tapes not grown. For example, when using glass fibers as fiber material for the fastening tapes, a sufficiently high thermal conductivity can be achieved, but the thermal changes in length between the low temperature state and the unfilled state of the inner tank at room temperature are so great that either inadmissible overvoltages in the tank when it is cold Tapes occur or if the inner tank is securely fixed when heated to room temperature due to an excessive increase in the length of the fastening tapes. If, on the other hand, the one-piece fastening tapes are made of carbon fibers, the thermally induced changes in the tension of the fastening tapes between the room and the low-temperature condition of the inner tank can be kept low, but due to the comparatively high thermal conductivity of this fiber material, there is an excessive heat inflow lengthwise in the low-temperature condition of the inner tank the fastening straps. Even when using other types of fibers for the fastening tapes, depending on the type of fibers selected, either impermissibly high changes in tension between the room and low temperature levels of the inner tank or an excessive heat flow along the fastening tapes when the inner tank is cold must be accepted.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Aufhängevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß eine sowohl hinsichtlich der mechanischen als auch der thermischen Beanspruchungen hochgradig sichere Aufhängung des Tieftemperaturtanks im Außenbehälter garantiert und insbesondere unter allen Betriebsbedingungen des Tieitesiperaturtanks eine weitgehend gleichförmige Bandspannung bei zugleich großem Wärmeleitwiderstand der Befestigungsbänder erreicht werden kann.In contrast, it is an object of the invention to design a suspension device according to the preamble of claim 1 so that a highly secure suspension of the low-temperature tank in the outer container, both in terms of mechanical and thermal stresses, is guaranteed and in particular Under all operating conditions of the deep-water saturation tank, a largely uniform belt tension can be achieved with a high thermal conductivity of the fastening belts.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Aufhängevorrichtung.This object is achieved according to the invention by the suspension device characterized in claim 1.

Auf Grund der Unterteilung der Befestigungsbänder in mehrere, aneinandergereihte Einzelelemente, der Verwendung unterschiedlicher Fasermaterialien für die einzelnen Bandelemente und der Anordnung des Einzelelements mit dem niedrigsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten am tankseitigen Ende des Befestigungsbandes wird erfindungsgemäß eine Abstufung der thermischen Materialeigenschaften in Bandlängsrichtung in der Weise bewirkt, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Einzelelemente schrittweise abnimmt und am tankseitigen Bandende, also an dergenigen Stelle des Befestigungsbandes, wo der größte Temperaturunterschied zwischen dem gefüllten, kalten und dem ungefüllten; auf Raumtemperatur erwärmten Zustand des Innentanks auftritt, am kleinsten ist, während dienäher am Außenbehälter liegenden Einzelelemente, in denen die für die Wärmeausdehnung maßgeblichen Temperaturschwankungen zunehmend geringer werden, aus Fasermaterial mit einem vergleichsweise höheren Wämeausdeinungskoefiziznten, dafür aber auch einer geringeren Wärmereitzahl gefertigt sind. Infolge dessen läßt sich das Wärmeleit-und -ausdehnungsverhalten der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung gegenüber einer solchen mit durchgehend einstückigen Befesti gungsbändern wesentlich verbessern.Due to the subdivision of the fastening tapes into several individual elements lined up, the use of different fiber materials for the individual tape elements and the arrangement of the individual element with the lowest thermal expansion coefficient at the tank-side end of the fastening tape, a gradation of the thermal material properties in the longitudinal direction of the tape is effected in such a way that the thermal expansion coefficient of the individual elements gradually decreases and at the tank-side band end, that is, at the narrow point of the fastening band, where the greatest temperature difference between the filled, cold and unfilled; when the inner tank is warmed to room temperature, is the smallest, while the individual elements closer to the outer container, in which the temperature fluctuations relevant for thermal expansion become increasingly smaller, are made from fiber material with a comparatively higher thermal expansion coefficient, but also a lower coefficient of thermal conductivity. As a result, the thermal conductivity and expansion behavior of the suspension device according to the invention compared to such with continuous one-piece fastening tapes improve significantly.

Im Hinblick auf eine feinstufige Anpassung an die örtlichen Temperaturverhältnisse besteht jedes Befestigungsband gemäß Anspruch 2 vorzugsweise aus mindestens drei Einzelelementen aus jeweils unterschiedlichen Fasermaterialien mit vom Außenbehälter zum Tieftemperaturtank stufenweise abnehmendem Wärmeausdehnungskoeffizienten und demgemäß zunehmender Wärmeleitzahl, und gemäß Anspruch 3 werden in besonders zweckmäßiger Weise als Pasermaterial für das tanknächste Einzelelement Carbonfasern und für das am Außenbehälter angreifende Einzelelement Glasfasern verwendet.With regard to a fine adjustment to the local temperature conditions, each fastening tape according to claim 2 preferably consists of at least three individual elements made of different fiber materials with a gradually decreasing coefficient of thermal expansion from the outer container to the low-temperature tank and accordingly increasing coefficient of thermal conductivity, and according to claim 3 are in a particularly useful manner as pas material for the tank element next to carbon fibers and glass fibers for the single element attacking the outer container.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist im Anspruch 4 gekennzeichnet.A further solution according to the invention to the object stated above is characterized in claim 4.

Auch diese Lösung, von der wahlweise oder zusätzlich zu den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 2 oder 3 Gebrauch gemacht werden kann, beruht auf einer Unterteilung der Befestigungsbänder in mehrere, hintereinandergereihte Einzelelemente und einer spe- ziellen Werkstoffpaarung, nämlich in diesem Fall einerseits Faserverbundwerkstoff für die Einzelelemente und andererseits Zwischenstücke aus einem Isolationsmaterial zwischen aufeinanderfolgenden Einzelelementen.Durch die Isolationsstücke wird eine starke örtliche Drosselung des Wärmestroms bewirkt, während durch entsprechende Wahl des Fasermaterials für die Einzelelemente eine unter den auftretenden Temperaturschwankungen zwischen dem Raumtemperatur- und dem Tieftemperaturniveau des Innentanks möglichst gleichbleibende Bandspannung erzielt wird, sodaß es trotz hoher Festigkeit und Steifigkeit der Befestigungsbänder möglich ist, den Wärmeleitwiderstand im Verhältnis zu den zwischen der minimalen und der maximalen Betriebstemperatur des Innentanks durch Wärmeausdehnung verursachten Spannungsänderungen der Befestigungsbänder erheblich zu steigern.This solution, too, can be made by selectively or in addition to the features of claims 1 or 2 or 3 use, based on a subdivision of the straps in several, closely strung individual elements and a specially zi e fill material pairing, namely, in this case, on the one hand Fiber composite material for the individual elements and, on the other hand, intermediate pieces made of an insulation material between successive individual elements. The insulation pieces result in a strong local throttling of the heat flow, while by appropriate selection of the fiber material for the individual elements one of the occurring temperature fluctuations between the room temperature and the low temperature level of the inner tank is possible constant tape tension is achieved, so that it is possible despite the high strength and rigidity of the fastening tapes, the thermal conductivity in relation to that between the minimum and maximum operating temperature of the interior ntanks to significantly increase the tension changes in the fastening straps caused by thermal expansion.

Im Hinblick auf eine noch weitere Verringerung des Wärmezustroms zum Innenbehälter längs der Befestigungsbänder ist gemäß Anspruch 5 in besonders bevorzugter Weise zumindest ein Einzelelement jedes Befestigungsbandes in Wärmestromrichtung vor dem Isolationsstück gekühlt, wobei die Kühlung vor dem Isolationsstück den zusätzlichen Vorteil einer einfachen Wärmeabfuhr mit einem verhältnismäßig hohen Kühltemperaturniveau hat. In diesem Fall sind aufeinanderfolgende Einzelelemente in baulich einfacher, thermisch und mechanisch besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise jeweils durch eine mehrteilige Endverbindung gemäß Anspruch 6 miteinander zugfest verbunden, wobei das zweite Verbindungsteil der Endverbindung gemäß Anspruch 7 zweckmäßigerweise mit einer thermischen Sperrschicht zur weiteren Erhöhung der Isolationswirkung belegt ist.With a view to a further reduction in the heat flow to the inner container along the fastening tapes, according to claim 5, in a particularly preferred manner, at least one individual element of each fastening tape is cooled in the heat flow direction in front of the insulation piece, the cooling in front of the insulation piece having the additional advantage of simple heat dissipation with a relatively high level Has cooling temperature level. In this case, successive individual elements in a structurally simple, thermally and mechanically particularly advantageous embodiment of the invention are preferably connected to each other in a tensile manner by a multi-part end connection according to claim 6, the second connection part of the end connection according to claim 7 expediently having a thermal barrier layer to further increase the insulation effect is occupied.

Werden im Zwischenraum zwischen Außenbehälter und Tieftemperaturtank in üblicher Weise Stranlungsschilde angeordnet, so sind diese gemäß Anspruch 8 in baulich einfacher Weise an den Verbindungsstellen aufeinanderfolgender Einzelelemente befestigt, und da derartige Strahlungsschilde im allgemeinen durch den im Innenbehälter entstehenden Kältemitteldampf gekühlt werden, wird die Wärmeabfuhr vor den Isolationsstücken der Befestigungsbänder gemäß Anspruch 9 vorzugsweise über die ohnehin gekühlten Strahlungsschilde bewirkt, sodaß zur Kühlung der Einzelelementekeiner zusätzlichen, konstruktiv aufwendigen Kühleinrichtung bedarf.Are in the space between the outer container and low temperature Tank arranged in the usual way, these are attached in a structurally simple manner to the junctions of successive individual elements, and since such radiation shields are generally cooled by the refrigerant vapor generated in the inner container, the heat dissipation in front of the insulation pieces of the fastening tapes is claimed preferably via the already cooled radiation shields, so that no additional, structurally complex cooling device is required to cool the individual elements.

Durch die gemäß Anspruch 10 bevorzugte Schräganordnung der Befestigungsbänder wird zum einen erreicht, daß die für die Befestigungsbänder freigehaltenen Aussparungen in aufeinanderfolgenden Strahlungsschilden versetzt zueinander angeordnet sind, sodaß keine in Hauptstahlungsrichtung zwischen Außenbehälter und Innentank fluchtend ausgerichteten Strahlungslöcher entstehen, und gleichzeitig lassen sich durch diese geometrische Anordnung der Befestigungsbänder deren thermische Längenänderungen zumindest teilweise durch eine entsprechende, thermische Verschiebung der Bandbefestigungspunkte am Außenbehälter und am Innentank kompensieren.The preferred inclined arrangement of the fastening tapes ensures, on the one hand, that the recesses kept free for the fastening tapes are arranged offset in successive radiation shields, so that no radiation holes aligned in the main radiation direction between the outer container and the inner tank arise, and at the same time this geometric arrangement allows of the fastening tapes at least partially compensate for their thermal changes in length by a corresponding thermal displacement of the strap fastening points on the outer container and on the inner tank.

Im Hinblick auf eine werkstoff- lastgerechte Ausbildung der Einzelelemente sind diese gemäß Anspruch 11 zweckmäßigerweise jeweils als Doppelschlaufe mit unidirektionaler Faserrichtung ausgebildet, und um die auf den Innenbehälter treffende Wärmestrahlung weiter zu verringern, ist gemäß Anspruch 12 in den Zwischenraum zwischen den Längsschenkeln jeder Doppelschlaufe vorzugsweise ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück eingesetzt.With regard to a material- load-based training of the individual elements, the latter according to claim 11 are advantageously each designed as a double loop having a unidirectional fiber direction, and the incident on the inner container heat radiation to further reduce, according to claim 12 elschlaufe p in the space between the longitudinal legs each Dop preferably a filler acting as a radiation shield is used.

Um das Wärmeleit- und Ausdehnungsverhalten nicht nur jedes Befestigungsbandes insgesamt sondern auch jedes einzelnen Faserverbundwerkstoffelements individuell variieren zu können, empfiehlt es sich zusätzlich gemäß Anspruch 13, neben der Gesamtlänge der Befestigungsbänder auch die Länge der Einzelelemente entsprechend dem gewünschten thermischen Verhalten zu bemessen.In order to be able to vary the thermal conductivity and expansion behavior not only of each fastening tape as a whole but also of each individual fiber composite material element, it is additionally recommended according to claim 13 to measure the length of the individual elements in addition to the total length of the fastening tapes in accordance with the desired thermal behavior.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • Fig. 1a die geometrische Anordnung der Befestigungsbänder einer zwischen einem Außenbehälter und einem Tieftemperaturtank wirksamen Aufhängevorrichtung in schematischer Darstellung;
  • Fig. 1b die Aufsicht der Anordnung gemäß Fig. 1a;
  • Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines Befestigungsbandes;
  • Fig. 3 die teilweise geschnittene Aufsicht eines Abschnitts des Befestigungsbandes gemäß Fig. 2 in vergrößertem Maßstab; und
  • Fig. 4 einen Längsschnitt eines Einzelelements des Befestigungsbandes längs der Linie IV-IV der Fig. 3.
The invention will now be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. It shows:
  • 1a shows the geometric arrangement of the fastening straps of a suspension device effective between an outer container and a low-temperature tank in a schematic representation;
  • 1b the supervision of the arrangement according to FIG. 1a;
  • Fig. 2 is a schematic, partially sectioned illustration of a fastening tape;
  • 3 shows the partially sectioned plan view of a section of the fastening tape according to FIG. 2 on an enlarged scale; and
  • 4 shows a longitudinal section of a single element of the fastening tape along the line IV-IV of FIG. 3rd

Gemäß den Fig. 1a, b enthält die Aufhängevorrichtung 2, über die der Tieftemperaturtank 4 koaxial im Außenbehälter 6 aufgehängt ist, eine obere und eine untere Reihe 8, 10 von jeweils sechs Befestigungsbändern 12. Jedes dieser Befestigungsbänder verläuft unter Vorspannung zwischen einem außenbehälterseitigen Verankerungspunkt in Form eines Sicherungsbolzens 14 einerseits (Fig. 2) und einem tankseitigen Verankerungspunkt in Form einer Zugschraube 16 andererseits. Die Befestigungsbänder 12 sind derart schräg geneigt, daß der Abstand zwischen der oberen und der unteren Bandreihe 8, 10 vom Außenbehälter 6 zum Tieftemperaturtank 4 hin zunimmt. Wenn sich der Tieftemperaturtank 4 abkühlt kommt esinfolge der thermischen Längenkontraktion des Tieftemperaturtanks 4 zu einer Verringerung des Axialabstandes zwischen den oberen und unteren, tankseitigen Verankerungspunkten 16, wodurch die thermische.Radialkontraktion des Tanks 4 und die thermische Längenänderung der Befestigungsbänder 12 teilweise kompensiert wird. Aus dem gleichen Grund sind auch die tankseitigen Verankerungsstellen 16 paarweise derart angeordnet, daß ihr gegenseitiger Umfangsabstand kleiner als der Umfangsabstand zu den unmittelbar benachbarten, tankseitigen Verankerungstellen ist (Fig.1b), während die außenbehälterseitigen Verankerungsstellen 14 gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt sind, sodaß die Befestigungsbänder 12 jeder Reihe 8 bzw. 10 vom Außenbehälter 6 paarweise konvergent zum Innentank 4 verlaufen. Auch durch diese geometrische Anordnung der Befestigungsbänder 12 verringert sich bei einer thermischen Kontraktion des Innentanks 4 der Neigungswinkel der Befestigungsbänder 12 bezüglich einem Radialstrahl, so daß die thermischen Längenänderungen zumindest teilweise kompensiert werden. Gleichzeitig wird durch die jeweils paarweise gegensinnige Schräganstellung der Befestigungsbänder 12 eine in Axial-, Radial- und Drehrichtung äußerst stabile Fixierung des Innentanks 4 im Außenbehälter 6 erreicht.1a, b, the suspension device 2, via which the low-temperature tank 4 is suspended coaxially in the outer container 6, contains an upper and a lower row 8, 10 of six fastening straps 12 in each case. Each of these fastening straps runs under pretension between an anchoring point on the outer container side Form of a securing bolt 14 on the one hand (FIG. 2) and a tank-side anchoring point in the form of a tension screw 16 on the other hand. The fastening tapes 12 are inclined so that the distance between the upper and lower row of belts 8, 10 increases from the outer container 6 to the low-temperature tank 4. When the low-temperature tank 4 cools down, the thermal length contraction of the low-temperature tank 4 leads to a reduction in the axial distance between the upper and lower anchoring points 16 on the tank side, as a result of which the thermal radial contraction of the tank 4 and the thermal length change of the fastening straps 12 are partially compensated. For the same reason, the tank-side anchorage points 16 are arranged in pairs in such a way that they are mutual The circumferential distance is smaller than the circumferential distance to the immediately adjacent, tank-side anchorage points (FIG. 1b), while the anchorage points 14 on the outer container side are uniformly distributed in the circumferential direction, so that the fastening tapes 12 of each row 8 or 10 from the outer container 6 converge in pairs to the inner tank 4. This geometric arrangement of the fastening straps 12 also reduces the angle of inclination of the fastening straps 12 with respect to a radial beam in the event of a thermal contraction of the inner tank 4, so that the thermal changes in length are at least partially compensated for. At the same time, due to the inclination of the fastening straps 12 in pairs in opposite directions, an extremely stable fixation of the inner tank 4 in the outer container 6 is achieved in the axial, radial and rotational directions.

Im Hinblick auf die hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Aufhängevorrichtung 2 ist neben der geometrischen Anordnung aber vor allem der Aufbau der Befestigungsbänder 12 von entscheidender Bedeutung. Diese sind jeweils aus mehreren,etwa vier hintereinandergeschalteten Einzelelementen 18.1, 18.2, 18.3 und 18.4 aus Faserverbundwerkstoff zusammengesetzt, wobei jedes Einzelelement 18 aus einer oder mehreren parallelen, endlos gewickelten Doppelschlaufen 20 mit in Schlaufenlängsrichtung unidirektionaler Faserrichtung besteht, wie dies in Fig. 4 durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Im Zwischenraum zwischen den Längsschenkeln 22.1 und 22.2 der Doppelschlaufen 20 ist ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück 24 z.B. aus aluminiunbeschichteten Polyphthalatfolien angeordnet. Die Einzelelemente 18 sind aus unterschiedlichen Faserarten mit vom Außenbehälter 6 zum Innentank 4 abnehmendem Wärmeausdehnungskoeffizienten und demzufolge materialbedingt zunehmender Wärmeleitzahl hergestellt. So werden z. B. für das außenbehälterseitige Einzelelement 18.1 Glasfasern (Wärmeleitzahl λ ca. 2,5. 10-3 W/cmK; Thermalausdehnungskoeffizient α ca. 7 . 10-6 1/K) und für die mittleren Einzelelemente 18.2 und 18.3 Polyaramidfasern ( λca.1 10-2; α ca. -5 . 10-6) verwendet, während das innere, längere Einzelelement 18.4 aus Carbonfasern ( λca. 6 . 10-2; αca. -0,2) hergestellt ist.In view of the high thermal and mechanical stresses of the suspension device 2, in addition to the geometric arrangement, the structure of the fastening tapes 12 is of crucial importance. These are each composed of several, approximately four individual elements 18.1, 18.2, 18.3 and 18.4 connected in series from fiber composite material, each individual element 18 consisting of one or more parallel, endlessly wound double loops 20 with a unidirectional fiber direction in the longitudinal direction of the loop, as shown in FIG. 4 by the Double arrows is indicated. In the space between the longitudinal legs 22.1 and 22.2 of the double loops 20 there is a filler 24, which acts as a radiation shield, for example made of aluminum-coated polyphthalate films. The individual elements 18 are made of different types of fibers with a coefficient of thermal expansion decreasing from the outer container 6 to the inner tank 4 and consequently increasing the coefficient of thermal conductivity due to the material. So z. B. for the outer container-side individual element 18.1 glass fibers (thermal conductivity λ approx. 2.5. 10 -3 W / cmK; coefficient of thermal expansion α approx. 7.10 -6 1 / K) and for the middle individual elements 18.2 and 18.3 polyaramid fibers (λca.1 10 -2 ; α approx. -5. 10 -6 ) is used, while the inner, longer individual element 18.4 is made of carbon fibers (λ approx. 6. 10 -2 ; α approx. -0.2).

Der Zwischenraum zwischen dem Außenbehälter 6 und dem z. B. mit Helium befüllbaren Innentank 4 ist zur besseren Wärmeisolation in üblicher Weise evakuiert und mit den Innentank 4 schalenförmig umschließenden Strahlungsschilden 26, 28 bestückt, die ebenfalls aus aluminiumbeschichteten Polyphthalatfolien bestehen und mit Hilfe von Kühlschlangen 30 gekühlt werden, über die der etwa während des Experiments entstehende Heliumdampf vom Innentank 4 nach außen geleitet wird. Aufgehängt sind die Strahlungsschilde 26, 28 nahe den Rohrschlangen 30 über gut wärmeleitende Zwischenbleche 32 an den die Enden benachbarter Einzelelemente zugfest miteinander verbindenden Endverbindungen 34, deren Bauweise an Hand der zwischen den Einzelelementen 18.2 und 18.3 wirksamen, rechten Endverbindung 34 gemäß Fig. 3 erläutert wird.The space between the outer container 6 and the z. B. with helium fillable inner tank 4 is evacuated for better heat insulation in the usual way and equipped with the inner tank 4 shell-shaped enclosing radiation shields 26, 28, which also consist of aluminum-coated polyphthalate films and are cooled with the help of cooling coils 30, about which the approximately during the experiment resulting helium vapor is passed from the inner tank 4 to the outside. The radiation shields 26, 28 are suspended near the pipe coils 30 via heat-conducting intermediate plates 32 at the end connections 34 which connect the ends of adjacent individual elements with one another in a tensile manner, the construction of which is explained using the right end connection 34, which is effective between the individual elements 18.2 and 18.3, according to FIG. 3 .

Die Endverbindung 34 besteht aus mehreren, buchsenförmigen Verbindungsteilen 36.1 und 36.2, die durch einen zentralen Schraubbolzen an 38 aus einem gut wärmeleitenden Material zusammengespannt sind, dem auch die Zwischenbleche 32 befestigt sind. Das Verbindungsteil 36.1, an dem das innere ("kältere"), schlaufenförmige Ende des dem Außenbehälter 6 näheren Einzelelements 18.2 angeschlossen ist, besteht ebenfalls aus einem thermisch gut leitfähigen Material, z. B. Kupfer-Beryllium, sodaß ein großer Teil der über das Einzelelement zufließenden Wärme über das Verbindungsteil 36.1, den Schraubbolzen 38, die Zwischenbleche 32 und die Kühlschlangen 30 abgeführt wird. Die Verbindungsteile 36.2 hingegen, an denen die schlaufenförmigen Endabschnitte des tanknäheren Einzelelements 18.3 angeschlossen sind, bilden thermische Isolationsstücke und sind aus einem thermisch schlecht leitfähi-' gen Material, z. B. Titan,hergestellt und zusätzlich noch an ihrem an das Verbindungsteil 36.1 bzw. das tankfernere Einzelelement 18.2 angrenzenden Flächen mit einer thermischen Sperrschicht 40 z. B. wiederum in Form von aluminiumbedampfter Polyphthalatfolie belegt. Auf diese Weise sind benachbarte Einzelelemente 18 unter Zwischenschaltung von thermischen Isolationsstücken 36.2, 40 zugfest miteinander verbunden und das jeweils tankfernere Einzelelement wird an seinem inneren, dem Tank 4 zugekehrten Ende in Wärmestromrichtung vor den Isolationsstücken über thermisch gut leitfähige Zwischenstücke 36.1, 38, 32 gekühlt. In entsprechender Weise enthält die im Sinne der Fig. 3 linke Endverbindung 34 ein zentrales Verbindungsteil 36.2 aus Titan für den außenbehälterseitigen Schlaufenbereich des Einzelelements 18.2 und zwei äußere Verbindungsteile 36.1 aus Kupfer-Beryllium für die tanknäheren Schlaufenbereiche des am Außenbehälter 6 verankerten Bandelements 18.1.The end connection 34 consists of a plurality of socket-shaped connecting parts 36.1 and 36.2, which are clamped together by a central screw bolt 38 at a material which is a good heat conductor and to which the intermediate plates 32 are also fastened. The connecting part 36.1, to which the inner ("colder"), loop-shaped end of the individual element 18.2 closer to the outer container 6 is connected, also consists of a thermally highly conductive material, for. B. copper beryllium, so that a large part of the heat flowing in via the individual element is dissipated via the connecting part 36.1, the screw bolt 38, the intermediate plates 32 and the cooling coils 30. The connecting parts 36.2, on the other hand, to which the loop-shaped end sections of the tank-near individual element 18.3 are connected, form thermal insulation pieces and are made of a thermally poorly conductive material, e.g. B. titanium, and in addition to their adjacent to the connecting part 36.1 or the remote tank element 18.2 surfaces with a thermal barrier layer 40 z. B. again in the form of aluminum-coated polyphthalate film. In this way, adjacent individual elements 18 are connected to one another in a tensile manner with the interposition of thermal insulation pieces 36.2, 40, and the individual element remote from the tank is at its inner end facing the tank 4 in the heat flow direction in front of the insulation pieces cooled via thermally highly conductive intermediate pieces 36.1, 38, 32. Correspondingly, the left end connection 34 in the sense of FIG. 3 contains a central connecting part 36.2 made of titanium for the loop area of the individual element 18.2 on the outer container side and two outer connecting parts 36.1 made of copper-beryllium for the loop areas of the band element 18.1 anchored to the outer container 6 near the tank.

Infolge der Schräglage der Befestigungsbänder 12 sind die im Bereich der Endverbindungen 34 in den Strahlungsschilden 26, 28 freigehaltenen Durchbrüche 42 in Hauptstrahlungsrichtung versetzt angeordnet, sodaß die Entstehung von Strehlungslöchern im Zwischenraum zwischen Außenbehälter 6 und Tieftemperaturtank 4 verhindert wird.As a result of the inclined position of the fastening tapes 12, the openings 42 in the radiation shields 26, 28 which are kept free in the region of the end connections 34 are offset in the main radiation direction, so that the formation of radiation holes in the space between the outer container 6 and the low-temperature tank 4 is prevented.

Durch entsprechende Wahl des Fasermaterials und Längenbenessung der Einzelelemente 18 läßt sich das Wärmeleit- und -ausdehnungsverhalten der Befestigungsbänder 12 variieren und an die jeweils geforderten mechanischen und thermischen Beanspruchungen anpassen.By appropriate selection of the fiber material and length measurement of the individual elements 18, the thermal conductivity and expansion behavior of the fastening tapes 12 can be varied and adapted to the respectively required mechanical and thermal stresses.

Claims (13)

1. Aufhängevorrichtung für einen in einem Außenbehälter thermisch isoliert angeordneten Tieftemperaturtank, mit mehreren, einerseits am Außenbehälter und andererseits am Tieftemperaturtank angreifenden Befestigungsbändern aus Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsbänder (12) jeweils aus mehreren hintereinanderge- schalteten Einzelelementen (18) unterschiedlichen Fasermaterials zusammengesetzt sind und das tanknächste Einzelelement (18.4) jedes Befestigungsbandes (12) aus dem Fasermaterial mit dem vergleichsweise niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.1. Suspension device for a thermally insulated arranged in a low-temperature tank, with several, on the one hand on the outer container and on the other hand at the low-temperature tank attacking fastening straps made of fiber composite material, characterized in that the fastening straps (12) each composed of several successive individual elements (18) of different fiber material and the nearest individual element (18.4) of each fastening band (12) consists of the fiber material with the comparatively lowest coefficient of thermal expansion. 2. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Befestigungsband (12) mindestens drei Einzelelemente (12) unterschiedlichen Fasermaterials mit vom äußeren zum inneren tanknächsten Element stufenweise abnehmendem Wärmeausdehnungskoeffizienten und materialbedingt zunehmender Wärmeleitzahl enthält.2. Hanging device according to claim 1, characterized in that each fastening band (12) contains at least three individual elements (12) of different fiber material with gradually decreasing thermal expansion coefficient from the outer to the inner tank element and material-related increasing coefficient of thermal conductivity. 3. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das innere, tanknächste Einzelelement (18.4) aus Carbonfasern und das außenbehälterseitige (18.1) aus Glasfasern aufgebaut ist.3. Suspension device according to claim 1 or 2, characterized in that the inner, nearest tank element (18.4) made of carbon fibers and the outer container side (18.1) is made of glass fibers. 4. Aufhängevorrichtung, inbesondere nach Anspruch 1, für einen in einem Außenbehälter thermisch isoliert angeordneten Tieftemperaturtank, mit mehreren, einerseits am Außenbehälter und andererseits am Tieftemperaturtank angreifenden Befestigungsbändern aus Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsbänder (12) jeweils aus mehreren hintereinandergeschalteten Einzelelementen (18) aus Faserverbundwerkstoff zusammengesetzt und diese unter Zwischenschaltung von Isolationsstücken (36.2, 40) gegeneinander thermisch abgeschirmt sind.4. Suspension device, in particular according to claim 1, for a thermally insulated arranged in a low-temperature tank, with several, on the one hand on the outer container and on the other hand on the low-temperature tank attacking fastening tapes made of fiber composite material, characterized in that the fastening tapes (12) each from a plurality of series-connected individual elements (18 ) composed of fiber composite material and these are thermally shielded from one another with the interposition of insulation pieces (36.2, 40). 5. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Einzelelement (18) jedes Befestigungsbandes (12) in Wärmestromrichtung vor dem Isolationsstück (36.2, 40) an seinem tanknäheren Endabschnitt gekühlt ist.5. Suspension device according to claim 4, characterized in that at least one individual element (18) of each fastening band (12) is cooled in the heat flow direction in front of the insulation piece (36.2, 40) at its end portion near the tank. 6. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß aufeinanderfolgende Einzelelemente (18) durch eine mehrteilige Endverbindung (34) miteinander zugfest verbunden sind, die ein gekühltes, erstes, am inneren Ende des tankferneren Einzelelements (18) angreifendes Verbindungsteil (36.1) aus einem thermisch gut leitfähigen Werkstoff und ein an das erste Verbindungsteil angeschlossenes, zweites, als Isolationsstück (36.2, 40) wirkendes Verbindungsteil (36.2) geringer Wärmeleitzahl enthält, an dem das äußere Ende des tanknäheren Einzelelements befestigt ist.6. Suspension device according to claim 5, characterized in that successive individual elements (18) are connected to each other by a multi-part end connection (34), which engages a cooled, first, at the inner end of the tank-distant individual element (18) connecting part (36.1) from one thermally highly conductive material and a second, connected to the first connecting part Contains as an insulation piece (36.2, 40) connecting part (36.2) low thermal conductivity, to which the outer end of the tank-near individual element is attached. 7. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Verbindungsteil (36.2) mit einer an das erste angrenzenden, thermischen Sperrschicht (40) versehen ist.7. Suspension device according to claim 6, characterized in that the second connecting part (36.2) is provided with a thermal barrier layer (40) adjacent to the first. 8. Aufhängevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem den Tieftemperaturtank innerhalb des Außenbehälters schalenförmig umschließenden Strahlungsschild, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlungsschild (26, 28) an den Verbindungsstellen (34) aufeinanderfolgender Einzelelemente (18) befestigt ist.8. A suspension device according to one of the preceding claims, with at least one radiation shield enclosing the low-temperature tank within the outer container in a shell-shaped manner, characterized in that the radiation shield (26, 28) is attached to the connecting points (34) of successive individual elements (18). 9. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlungsschild (26, 28) gekühlt und mit dem ersten Verbindungsteil (36.1) gut wärmeleitend verbunden ist.9. Hanging device according to claim 8 in connection with claim 6 or 7, characterized in that the radiation shield (26, 28) is cooled and is connected to the first connecting part (36.1) with good thermal conductivity. 10. Aufhängevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die jeweils ein Befestigungsband (12) bildenden Einzelelemente (18) zwischen Behälter (6) und Tank (4) schräg geneigt verlaufend angeordnet sind.10. Suspension device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual elements (18) forming a fastening band (12) are arranged between the container (6) and the tank (4) in an inclined manner. 11. Aufhängevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (18) jeweils als Doppelschlaufe (20) mit unidirektionaler Faserrichtung ausgebildet sind.11. Hanging device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual elements (18) are each designed as a double loop (20) with a unidirectional fiber direction. 12. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den beiden Schlaufen jeder Doppelschlaufe (20) ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück (24) angeordnet ist.12. Hanging device according to claim 11, characterized in that between the two loops of each double loop (20) acting as a radiation shield filler (24) is arranged. 13. Aufhängevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der Einzelelemente (18) entsprechend einer für jedes Element individuell vorgegebenen Wärmeleit- und -ausdehnungscharakteristik unterschiedlich bemessen ist.13. Suspension device according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the individual elements (18) is dimensioned differently in accordance with a heat conduction and expansion characteristic which is individually predetermined for each element.
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