EP1121556A1 - Stützsystem für superisolation - Google Patents

Stützsystem für superisolation

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EP1121556A1
EP1121556A1 EP99970454A EP99970454A EP1121556A1 EP 1121556 A1 EP1121556 A1 EP 1121556A1 EP 99970454 A EP99970454 A EP 99970454A EP 99970454 A EP99970454 A EP 99970454A EP 1121556 A1 EP1121556 A1 EP 1121556A1
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EP
European Patent Office
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support system
super insulation
rings
rods
insulation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99970454A
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English (en)
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Inventor
Holger Neumann
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/06—Arrangements using an air layer or vacuum
    • F16L59/065—Arrangements using an air layer or vacuum using vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/12—Arrangements for supporting insulation from the wall or body insulated, e.g. by means of spacers between pipe and heat-insulating material; Arrangements specially adapted for supporting insulated bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/14—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems
    • F16L59/141—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems in which the temperature of the medium is below that of the ambient temperature

Definitions

  • the invention relates to a support system for super insulation in the annular gap between flexible corrugated pipes.
  • Such flexible corrugated tubes are used as transfer lines for refrigerants such. B. liquid helium or liquid nitrogen.
  • refrigerants such. B. liquid helium or liquid nitrogen.
  • Another large area of application are superconductor cables, which with helium, or high-temperature superconductors, which, for. B. cooled with nitrogen and drawn into a flexible corrugated tube.
  • the corrugated pipe to be insulated is wrapped with super insulation, which opens in an evacuated annular gap between two corrugated pipes.
  • contact between the outer corrugated pipe and super insulation by spacers should be avoided.
  • a superconductor with a spacer consisting of four intertwined plastic tubes that are wrapped around the superinsulation to center the inner corrugated tube on the outside and one Avoid contact between super insulation and outer corrugated pipe.
  • a major disadvantage of this arrangement is that the thermal resistance of the superinsulation is considerably reduced by the radial pressure being taken up by the spacer.
  • the superinsulation is interrupted after relatively large distances for support between the inner and outer pipe. The quality of the super insulation is therefore not impaired by radial loads and the relatively large heat transfer at the support points is kept low by the large distances between the support points in relation to the heat flow transferred per unit length. Due to possible curvatures, flexible lines are shortened accordingly depending on the minimum bending radius of the cable.
  • the object of the invention is to provide a support system with high heat resistance for flexible lines.
  • the invention achieves a separation of insulation and support system at such short distances as is necessary for the centering of the corrugated pipe while maintaining the minimum bending radius, the heat conduction portion due to the support system due to a small number of contact points relevant to the heat conduction, small contact and cross-sectional areas and relatively large lengths between the support points on the inner and outer corrugated pipe is kept small.
  • FIG. 1 shows an isometric illustration of the insulation structure with the support system between two corrugated pipes with step cuts
  • FIG. 2 shows a cross-sectional drawing of the insulation structure with the support system
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of the insulation structure with the support system to illustrate the Support between the corrugated pipes through the support system.
  • the invention consists essentially of rods 1 which, distributed over the circumference, are alternately fastened to rings 2 on the inside and outside. This creates a cylindrical scaffold. Three of these cylindrical scaffolds are concentric between! the inner and outer corrugated pipes 5, 4, the two inner frames between the respective support points being wrapped with super insulation 3. To support this Scaffolds are each connected to some of the rods 1 of the respective inner frame distributed on the outside of the circumference of the rings 2 with some of the rods 1 of the next outer frame distributed on the inside of the circumference of the rings 2.
  • the connection points between the concentrically arranged cylindrical frames should be evenly distributed over the circumference.
  • the connection between the inner and the middle frame should be offset in the direction of the line to the connection between the middle and the outer frame.
  • the distances between the supports essentially depend on the minimum bending radius of the overall arrangement and the radially occurring load.
  • the support system is shown isometrically in FIG. 1.
  • the individual concentric layers are shown from left to right as they follow one another. On the left you can see the inner corrugated tube 5. This is followed on the outside by a layer of rods 1 which are alternately fastened to the inside and outside of rings 2, as a result of which a cylindrical scaffold is formed.
  • a first layer of super insulation 3 lies on this frame, followed by a second cylindrical frame, another layer of super insulation 6, a third cylindrical frame and the outer corrugated tube 4 on top of it. All three frames are constructed similarly. They are held against each other at a concentric distance by connecting elements, not shown here.
  • FIG. 2 shows a cross section (perpendicular to the axis of symmetry) through a support system as shown in FIG. 1.
  • the bars 1 are points that lie alternately inside and outside of the rings 2.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a support system, as shown in FIG. 1.
  • the axis of symmetry is shown in dashed lines on the right. There were two cuts
  • the inner framework which touches the inner corrugated tube 5, creates a distance from the first super insulation film 3, whereby the following advantages with regard to the insulation quality are achieved.
  • the heat transfer through a super insulation layer 3 consists of the proportions of heat radiation, residual gas heat conduction and solid-state heat conduction z. B. together by spacer materials between the individual super insulation films of a super insulation layer 3, 6. Due to the non-linearity of the radiant heat transfer, the respective temperature difference between two adjacent super insulation foils increases with a decreasing temperature level. With ideal laying, the greatest temperature difference thus occurs between the cold wall to be insulated and the first adjacent super insulation film 3. This means that the heat transfer due to radiation decreases with decreasing temperature level, while the heat transfer increases due to the effects of heat conduction.
  • the thermal resistance due to the effects of heat conduction should be particularly high.
  • the thermal thermal resistance is the lowest here, since the mechanical stress is greatest and the evacuation conditions are worst.
  • the invention here increases the thermal resistance for heat transfer due to the effects of heat conduction, in that on the one hand the number of contact points relevant to the heat conduction is limited to the points of contact between the rods 1 and the rings 2 by the special structure of the cylindrical frame, and on the other hand the evacuation conditions on the insulation cold corrugated tube 5 can be improved.
  • the insulation to be insulated is wrapped directly cold wall with super insulation 3 are created by the cover with super insulation 3 between the corrugations of the corrugated tube practically closed cells that are difficult to evacuate.
  • the invention creates a distance between the corrugated pipe and the first adjacent super insulation film, so that closed cells of this type are avoided by the special structure of the cylindrical frame. The invention thus creates improved evacuation conditions directly on the cold wall by creating a free flow space for the residual gas along the rods 1.
  • the division of the super insulation layers into two layers offers the advantage that the optimal number of layers with regard to the layer density, i.e. the number of layers per unit of insulation thickness, can be maintained for the two layers, while experience has shown that a simple wrapping with the same total number of films leads to an increased layer density and would lead to a higher effective thermal conductivity through the insulation layer.
  • the evacuation conditions between the two superinsulation layers 3, 6 are further improved by the central cylindrical frame.
  • the displacement of the support between the inner and middle and between the middle and outer cylindrical frame offers the advantage that even at these separation points between insulation and support system, a whole super insulation layer 3, 6 is always effective.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stützsystem für Superisolation im Ringspalt zwischen flexiblen Wellrohren. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stützsystem mit hohem Wärmewiderstand für flexible Leitungen bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein zylinderförmiges Gerüst, bestehend aus Stäben (1), die auf dem Umfang verteilt, abwechselnd innen und außen an Ringen (2) befestigt sind, wobei das Gerüst zwischen Superisolation (3) und innerem Wellrohr (5) angeordnet ist.

Description

Stutzsystem für Superisolation
Die Erfindung betrifft ein Stutzsystem für Superisolation im Ringspalt zwischen flexiblen Wellrohren.
Derartige flexible Wellronre werden als Transferleitungen für Kältemittel wie z. B. fl ssiges Helium oder flussiger Stickstoff eingesetzt. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet sind Supraleiterkabel, die mit Helium, oder Hochtemperatursupraleiter, die z. B. mit Stickstoff gekühlt werden und in einem flexiblen Wellrohr eingezogen werden.
Für die Isolierung wird aas zu isolierende Wellrohr mit Superisolation umwickelt, welche sich in einem evakuierten Ringspalt zwischen zwei Wellrohren oefmdet. Um eine möglichst gute Isolierung zu erzielen, sollte eine Berührung zwischen äußerem Wellrohr und Superisolation durch Abstandshalter vermieden werden. Aus S. Yamada, T. Mito, H. Chikaraishi, S. Tanahashi, S. Kitagawa, J. Yamamoto and 0. Motojima: "Superconductmg Current Feeder System for the Large Helical Device"; presented at MT-14, Tampere Fmland, Jun. 11-16, 1995, B72 ist ein Supraleiter mit einem Abstandshalter bekannt, bestehend aus vier ineinander verflochtenen Kunststoffschlauchen, der um die Superisolation gewickelt wird, um das innere Wellrohr im äußeren zu zentrieren und einen Kontakt zwischen Superisolation und äußerem Wellrohr zu vermeiden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß der thermische Widerstand der Superisolation erheblich durch die Aufnahme der radialen Druckbelastung über den Abstandshalter vermindert wird. Bei starren Leitungen wird die Superisolation nach relativ großen Abstanden für Abstutzungen zwischen innerem und äußerem Rohr unterbrochen. Die Qualltat der Superisolation wird somit nicht durch radiale Belastung beeinträchtigt und die relativ große Wärmeübertragung an den Stutzstellen wird durch αie großen Abstände der Stutzstellen in Bezug auf den übertragenen Warmestrom pro Längeneinheit gering gehalten. Aufgrund von möglichen Krümmungen ist man bei flexiblen Leitungen auf entsprechend kürzere Abstände der Abstutzun- gen m Abhängigkeit vom Mmdestbiegeradius der Leitung angewiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stutzsystem mit hohem Warme- widerstand für flexible Leitungen bereitzustellen.
Gelost wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteranspruche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung erzielt für flexible Leitungen eine Trennung von Isolation und Stutzsystem in so kurzen Abstanden, wie es für die Zentrierung des Wellrohres bei Einhaltung des Mmdestbiegeradius notig ist, wobei der Warmeleitungsanteil durch das Stutzsystem durch eine geringe Anzahl warmeleitungsrelevanter Kontaktstellen, kleine Kontakt- und Querschnittsflachen und relativ große Langen zwischen den Abstutzspunkten am inneren und äußeren Wellrohr klein gehalten wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfuhrungsbeispiels mit Hilfe der Figuren naher erläutert.
Dabei zeigt die Fig. 1 eine isometrische Darstellung des Isola- tionsaufbaus mit dem Stutzsystem zwischen zwei Wellrohren mit Stufenschnitten, die Fig. 2 eine Querschnittszeichnung des Iso- lationsaufbaus mit dem Stutzsystem und die Fig. 3 einen Längsschnitt des Isolationsaufbaus mit dem Stutzsystem zur Verdeutlichung der Abstutzungen zwischen den Wellrohren durch das Stutzsystem.
Die Erfindung besteht im wesentlichen aus Stäben 1, die, auf den Umfang verteilt, abwechselnd innen und außen an Ringen 2 befestigt werden. Hierdurch entsteht ein zylinderförmiges Gerüst. Drei dieser zylinderformigen Gerüste werden konzentrisch zwischen! dem inneren und äußeren Wellrohr 5, 4 angeordnet, wobei die beiden inneren Gerüste zwischen den jeweiligen Abstutzstellen mit Superisolation 3 umwickelt sind. Zur Abstutzung dieser Gerüste sind jeweils einige der außen auf den Umfang der Ringe 2 verteilten Stabe 1 des jeweils inneren Gerüstes mit einigen der innen auf den Umfang der Ringe 2 verteilten Stäben 1 des nächsten äußeren Gerüstes verbunden. Die Verbindungsstellen zwischen den konzentrisch angeordneten zylinderformigen Gerüsten sollten gleichmäßig auf den Umfang verteilt sein. Die Verbindung zwischen dem inneren und dem mittleren Gerüst sollte in Leitungsrichtung versetzt zu der Verbindung zwischem den mittleren und dem äußersten Gerüst sein. Die Abstände zwischen den Abstutzungen richten sich im wesentlichen nach dem minimal einzuhaltenden Biegeradius der Gesamtanordung und der radial auftretenden Belastung.
Das Stutzsystem wird isometrisch m der Fig. 1 dargestellt. Von links nach rechts sind die einzelnen konzentrischen Schichten, wie sie aufeinander folgen dargestellt. Links sieht man das innere Wellrohr 5. Diesem folgt nach außen eine Schicht von Stäben 1, die alternierend innen und außen an Ringen 2 befestigt sind, wodurch ein zylinderförmiges Gerüst gebildet wird. Auf diesem Ger st liegt eine erste Schicht Superisolation 3. Dann folgt ein zweites zylinderförmiges Gerüst, eine weitere Schicht Superisolation 6, ein drittes zylinderförmiges Gerüst und darauf das äußere Wellrohr 4. Alle drei Ger ste s nd ahnlich aufgebaut. Sie werden durch hier nicht dargestellte Verbindungselemente gegeneinander auf konzentrischem Abstand gehalten.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt (senkrecht zur Symmetrieachse) durch ein Stutzsystem wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Stabe 1 sind dabei Punkte die alternierend innerhalb und außerhalb der Ringe 2 liegen.
D e Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Stutzsystem, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Symmetrieachse ist gestrichelt rechts dargestellt. Dabei wurden zwei Schnitte
(senkrecht zur Linie A A und senkrecht zur Linie B B in Fig. 2) übereinander gelegt, so daß die über und die unter den Ringen 2
(hier Punkte) liegenden Stabe 1 der Übersichtlichkeit halber in einer Figur dargestellt werden können. Durch die Verbindungselemente 7 werden die Gerüste gegeneinander auf konzentrischem Abstand gehalten.
Durch das innere Gerüst, welches das innere Wellrohr 5 berührt, wird ein Abstand zur ersten Superisolationsfolie 3 geschaffen, wodurch folgende Vorteile hinsichtlich der Isolationsqualität erreicht werden.
Der Wärmeübergang durch eine Superisolationsschicht 3 setzt sich aus den Anteilen Wärmestrahlung, Restgaswärmeleitung und Festkörperwärmeleitung z. B. durch Spacermaterialien zwischen den einzelnen Superisolationsfolien einer Superisolationsschicht 3, 6 zusammen. Aufgrund der Nichtlinearität des Strahlungswärmeüberganges steigt die jeweilige Temperaturdifferenz zwischen zwei benachbarten Superisolationsfolien mit sinkendem Temperaturniveau an. Bei idealer Verlegung tritt somit die größte Temperaturdifferenz zwischen zu isolierender kalter Wand und erster angrenzender Superisolationsfolie 3 auf. Dies bedeutet, daß der Wärmeübergang infolge Strahlung mit sinkendem Temperaturniveau abnimmt, während der Wärmeübergang infolge der Wärmeleitungseinflüsse zunimmt. Dies bedeutet, daß gerade im Bereich der größten Temperaturdifferenz, also im Bereich zwischen zu isolierender kalter Wand und erster angrenzender Superisolationsfolie der thermische Widerstand durch Wärmeleitungseinflüsse besonders hoch sein sollte. Bei direkter Umwicklung der zu isolierenden kalten Wand mit Superisolation 3 ist aber gerade hier dieser thermische Wärmeleitungswiderstand am niedrigsten, da hier die mechanische Belastung am größten und die Evakuierungsbedingungen am schlechtesten sind. Die Erfindung erhöht hier den thermischen Widerstand für den Wärmeübergang infolge von Wärmeleitungseinflüssen, indem einerseits durch den speziellen Aufbau des zylinderförmigen Gerüstes die Anzahl der wärmelei- tungsrelevanten Kontaktstellen auf die Berührungspunkte zwischen den Stäben 1 und den Ringen 2 begrenzt wird und andererseits die Evakuierungsbedingungen am zu isolierenden kalten Wellrohr 5 verbessert werden. Bei direkter Umwicklung der zu isolierenden kalten Wand mit Superisolation 3 entstehen durch die Abdeckung mit Superisolation 3 zwischen den Wellen des Wellrohres praktisch geschlossene Zellen, die nur schwer evakuierbar sind. Die Erfindung schafft hier einen Abstand zwischen Wellrohr und erster angrenzender Superisolationsfolie, so daß derartige geschlossene Zellen durch den speziellen Aufbau des zy- linderförmigen Gerüstes vermieden werden. Durch die Erfindung werden somit verbesserte Evakuierungsbedingungen direkt an der kalten Wand geschaffen, indem entlang der Stäbe 1 ein freier Strömungsraum für das Restgas geschaffen wird.
Durch den Abstand zwischen zu isolierender kalter Wand und erster angrenzender Superisolationsfolie bei gleichzeitiger Minimierung wärmeleitungsrelevanter Kontaktstellen kommt man für diese erste Folie dem Ideal einer schwimmenden Folie.
Die Aufteilung der Superisolationslagen in zwei Schichten bietet den Vorteil, daß hierbei die optimale Lagenzahl hinsichtlich der Lagendichte, also der Lagenzahl pro Einheit der Isolationsdicke, für die beiden Schichten eingehalten werden kann, während eine einfache Umwicklung mit der gleichen Gesamtfolienanzahl erfahrungsgemäß zu einer erhöhten Lagendichte und damit zu einer höheren effektiven Wärmeleitfähigkeit durch die Isolationsschicht führen würde. Durch das mittlere zylinderförmige Gerüst werden weiterhin die Evakuierungsbedingungen zwischen den beiden Superisolationsschichten 3, 6 verbessert.
Die Versetzung der Abstützung zwischem dem inneren und mittleren und zwischem dem mittleren und äußeren zylinderförmigen Gerüst bietet den Vorteil, daß auch bei diesen Trennstellen zwischen Isolation und Stützsystem immer eine ganze Superisolationsschicht 3, 6 zur Geltung kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Stützsystem für Superisolation im Ringspalt zwischen flexiblen Wellrohren bestehend aus einem zylinderförmigsn Gerüst, bestehend aus Stäben (1), die auf dem Umfang verteilt, abwechselnd innen und außen an Ringen (2) befestigt sind, wobei das Gerüst zwischen Superisolation (3) und innerem Wellrohr
(5) angeordnet ist.
2. Stützsystem für Superisolation nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein weiteres zylinderförmiges Gerüst, bestehend aus Stäben (1), die auf dem Umfang verteilt, abwechselnd innen und außen an Ringen (2) befestigt sind, welches zwischen Superisolation (3) und äußerem Wellrohr (4) angeordnet ist.
3. Stützsystem für Superisolation nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens ein weiteres zylinderförmiges Gerüst, bestehend aus Stäben (1), die auf dem Umfang verteilt, abwechselnd innen und außen an Ringen (2) befestigt sind, welches zwischen einer weiteren Superisolation (6) und dem äußeren Wellrohr (4) angeordnet ist.
4. Stützsystem für Superisolation nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen Gerüste durch Verbindungselemente (7) gegeneinander auf konzentrischem Abstand gehalten werden, so daß die Superisolationsschichten vor radialer Belastung geschützt werden, das Stützsystem eine selbsttragende Einheit bildet und der Länge nach flexibel bei gleichzeitig hoher radialer Stabilität ist.
EP99970454A 1998-10-09 1999-09-15 Stützsystem für superisolation Withdrawn EP1121556A1 (de)

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