[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufhängevorrichtung für einen Tieftemperaturtank
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete
Aufhängevorrichtung.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist im Anspruch
4 gekennzeichnet.
[0008] 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- zi
ellen 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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 Dop
pelschlaufe vorzugsweise ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück eingesetzt.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
7. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Verbindungsteil
(36.2) mit einer an das erste angrenzenden, thermischen Sperrschicht (40) versehen
ist.
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.
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.
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.
11. Aufhängevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzelelemente (18) jeweils als Doppelschlaufe (20) mit unidirektionaler Faserrichtung
ausgebildet sind.
12. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den
beiden Schlaufen jeder Doppelschlaufe (20) ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück
(24) angeordnet ist.
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.