專利名稱：低溫絕熱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及絕熱系統(tǒng)。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其可用于低溫絕熱系統(tǒng)，以防止在該低溫絕熱系統(tǒng)內(nèi)、上或其周圍形成液體空氣和結(jié)冰。
背景技術(shù)：
航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)以在大約-420°F(-250℃)溫度下儲(chǔ)存在一燃料系統(tǒng)中的液氫為燃料。這種極其冷的內(nèi)部溫度，使得燃料系統(tǒng)和部件(例如殼體、管路、接頭等)外表面溫度冷得足以使周圍的空氣超冷，形成液體空氣。這些液體空氣可能流到敏感的電子傳感器上，或者被低溫泵送到限制腔室內(nèi)，二者都會(huì)引起很大的運(yùn)轉(zhuǎn)麻煩。因此，為了防止在運(yùn)行中形成液態(tài)空氣，通常以液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)對(duì)SSME燃料系統(tǒng)和部件的外表面進(jìn)行絕熱。
目前的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)采用松散填充的聚氨酯泡沫件，這些聚氨酯泡沫件圍繞著形狀復(fù)雜子系統(tǒng)部件組裝，這些子系統(tǒng)部件必須保持易于接近，以便中間過(guò)程的維護(hù)。稱之為靴的整體密封蓋將這些泡沫件保持在一起。需要維護(hù)時(shí)，可以將靴從泡沫件周圍移開，然后就可以很容易地將泡沫件卸下。這些泡沫件并不制作成精確地適合于它們所包圍著的許多小部件(例如螺栓頭、管線、取壓分接管等)，因?yàn)檫@樣將會(huì)使成本提高太多，并在相當(dāng)大的程度上使泡沫件的制造和安裝復(fù)雜化。因此，安裝好后，在相鄰泡沫件之間以及泡沫件與其下面的金屬部件之間存在著間隙。這些間隙是液態(tài)空氣的潛在的源和/或收集液態(tài)空氣的地方。
起初認(rèn)為這些間隙不會(huì)引起任何問(wèn)題，因其內(nèi)形成的所有液態(tài)空氣都會(huì)被靴子捕獲。然而，最近發(fā)現(xiàn)，如果這些間隙形成的任何液態(tài)空氣積聚在關(guān)鍵部位，都會(huì)使液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)外表面的最終溫度下降到冷凝點(diǎn)以下，從而使其外側(cè)形成液體空氣和冰。這是不希望出現(xiàn)的，它會(huì)導(dǎo)致極其有害的狀況。
因此，需要填充目前存在于液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)中的泡沫件之間和其周圍的間隙以除去這些液態(tài)空氣源。還希望在裝配泡沫件時(shí)容易施加這種間隙填充化合物，使得間隙易于識(shí)別和填充。還希望用一種膩?zhàn)訝畹拈g隙填充化合物來(lái)填充這些間隙，從而使這些化合物保持在所施加的部位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體實(shí)施方案克服了上述缺陷。本發(fā)明的具體實(shí)施方案包括膩?zhàn)訝畹拈g隙填充化合物，其可以在大約-420°F(-250℃)至大約500°F(260℃)的溫度范圍內(nèi)使用。這些化合物一般包含一種韌軟的基料、微球體以及一種催化劑，還可以包括其它惰性填充劑。


下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案，該附圖示意性地示出了有泡沫絕熱件圍繞著的SSME燃料渦輪泵的一部分的橫截面，其內(nèi)的間隙中填充以一種本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物。
具體實(shí)施例方式
為了便于理解發(fā)明，現(xiàn)在參見附圖中示出的本發(fā)明的一些具體實(shí)施方案以及描述這些實(shí)施方案的專用術(shù)語(yǔ)。這里所用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述，而不是限制。所公開的特定的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不要理解成限制，其只是用來(lái)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員講授本發(fā)明的不同使用的一個(gè)基礎(chǔ)。對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)，通常可以改進(jìn)或改變圖示說(shuō)明的結(jié)構(gòu)和方法，并可將在此描述的本發(fā)明的原理進(jìn)一步應(yīng)用，這些被認(rèn)為都沒(méi)有超出所描述的并被要求權(quán)利的本發(fā)明的范圍和精神。
本發(fā)明涉及膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物及其制造和使用。這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物尤其可以用來(lái)填充現(xiàn)有的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)中的間隙。這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物典型地包含三種主要成分(1)基料；(2)微球體；和(3)催化劑。如果需要的話，可以用其它惰性填料(例如碳酸鈣、二氧化硅、氧化鋅等)控制這種化合物的操作和工作性能。這些惰性填料可以單獨(dú)地加入，也可以作為基料的一部分包含在其中。
在具體實(shí)施方案中，膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物的組成包括大約25-50體積百分比的基料；大約50-75體積百分比的微球體；和大約0.1-0.3體積百分比的催化劑。在具體實(shí)施方案中，膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物的組成包含大約70-80重量百分比的基料；大約20-30重量百分比的微球體；和大約0.1-0.5重量百分比的催化劑。
基料用作微球體的粘合劑，并且是絕熱體低溫彈性的主要貢獻(xiàn)者?；峡梢园ㄈ魏芜m合的材料，在具體實(shí)施方案中可以包括彈性材料，例如室溫下硫化(RTV)硅橡膠化合物，例如一種聚(甲基苯)硅氧烷或聚二苯基硅氧烷化合物，它們?cè)赗TV家族中具有最低的溫度能力。這種硅橡膠可以包含雙組分加成或縮合固化類型，以提高混合和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。在具體實(shí)施方案中，基料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度或脆裂點(diǎn)溫度可以是大約-150°F(-101℃)，或更低。
微球體的主要貢獻(xiàn)是減少絕熱體的熱傳導(dǎo)，并通常被用來(lái)增大基料固化前粘性，及減小絕熱體的總密度。微球體可以包括任何適合的材料，例如玻璃、陶瓷、酚醛樹脂、聚酰亞胺、丙烯酸系、聚酯，以及/或其組合等。在具體實(shí)施方案中，微球體可以是空心的，以降低絕熱體的密度和熱傳導(dǎo)。其直徑可以是大約10-100微米(在一些具體實(shí)施方案中優(yōu)選約50微米)，壁厚大約為1-2微米，密度大約為0.1-0.3g/cc(0.004-0.011b/in3)。在具體實(shí)施方案中，微球體為剛性的，其表面是光滑的，這使得在與基料混合時(shí)的操作性能最佳。微球體應(yīng)該與基料化學(xué)兼容(即對(duì)于基料的性能和固化特性是無(wú)害的)。市場(chǎng)上可以獲得各種尺寸和組成的這種微球，這些尺寸和組分都可以影響絕熱體的機(jī)械強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)和物理性能。
催化劑可以包括能夠固化基料的任何適合的材料。在具體實(shí)施方案中，催化劑可以包括緩慢到適中固化的液體二月桂酸二丁基錫(DBT)催化劑。其它的金屬皂基催化劑也可以使用，例如辛酸亞錫(STO)。
在具體實(shí)施方案中，基料的粘度可以大致為5000-10000泊，這與牙膏大致相當(dāng)。在這些具體實(shí)施方案中，在將微球體加于基料后，混合物的粘度大致為500000-1000000泊，這與膩?zhàn)踊蛎鎴F(tuán)的大致相當(dāng)。加入催化劑之后，可以很容易從任何方向?qū)⒛佔(zhàn)訝铋g隙填充化合物施加到對(duì)SSME燃料系統(tǒng)進(jìn)行隔熱的泡沫件之間和其周圍的間隙中，不會(huì)馬上漏掉。在其它具體實(shí)施方案中，或者如果將這些膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物用于其它目的時(shí)，可能希望有不同的粘度。
一些人已經(jīng)建議過(guò)用一種液態(tài)硅橡膠化合物(即RTV511或者基本粘度為50-500泊的任何其它硅橡膠化合物)填充這些間隙。然而，本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物優(yōu)于液體間隙填充化合物。首先，液體間隙填充化合物比膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物難于使用。液體間隙填充化合物必須在泡沫件和靴完全裝配好后用氣泵或液泵送入預(yù)組裝的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)。這需要專門的設(shè)備，并且存在著很大的污染危險(xiǎn)。雖然硅樹脂類對(duì)人類的毒性較小，但它們對(duì)交叉污染其它制造或現(xiàn)場(chǎng)維修工藝有著很大的潛在的危險(xiǎn)，尤其是那些涉及粘結(jié)連接的工序。而且，由于液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)必須預(yù)組裝，才能施加液體間隙填充化合物，因此，不容易檢查終產(chǎn)品內(nèi)是否所有間隙已經(jīng)被填充。其次，一旦固化，液體間隙填充化合物(不含微球體)比本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物的密度大。由于密度較大的間隙填料比包圍著的泡沫件和被移走的空氣的熱傳導(dǎo)率高，所以，對(duì)整個(gè)液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)的傳導(dǎo)性有負(fù)面的影響。雖然液體化合物可以防止液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)中形成液態(tài)空氣，但是通過(guò)密度較大的間隙填料通路，液態(tài)空氣從液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)的內(nèi)冷卻面向液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)的外面的直接傳遞仍然是一個(gè)問(wèn)題。
本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物以不同的方式克服了這兩個(gè)問(wèn)題。這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物可以手工操作，不需要任何專用設(shè)備混合或施加。此外，這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物可以在泡沫件安裝時(shí)施加，這樣就可以在裝配泡沫件時(shí)很容易通過(guò)視覺(jué)檢驗(yàn)整個(gè)間隙填充，然后再將靴子加在上面。而且，通過(guò)提供一種很容易包含的材料形式，可以更容易控制這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，以避免暴露于人員和交叉污染其它制造或現(xiàn)場(chǎng)維修工序。而且，這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物由于其內(nèi)的微球體而具有低的熱傳導(dǎo)。
在具體實(shí)施方案中，本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物是通過(guò)將基料和微球體混合在一起而制備的，無(wú)須催化劑就可形成在室溫下穩(wěn)定的硅橡膠膩?zhàn)訝铑A(yù)聚物。為了使本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物便于儲(chǔ)存和使用，可以預(yù)先將基料/微球體混合物實(shí)現(xiàn)混合，并與催化劑分開儲(chǔ)存，在將要使用前再與催化劑混合。還可以先將基料放入一容器，再將微球體加入混合成這些膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物。然后再加入催化劑，并可將混合物徹底地混合，以保證混合物完全催化。添加催化劑之后，這種混合物是一種半固體膩?zhàn)訝羁伤艿拈g隙填充化合物，其很容易施加以配合并填充配合的泡沫件和外圍表面之間的間隙的容積。在固化之后，該膩?zhàn)訝羁伤荛g隙填充化合物變成了一種半固體的低溫絕熱體，其防止SSME或其它裝置運(yùn)行過(guò)程中化合物的移動(dòng)或泡沫件的移動(dòng)。
本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物一旦固化后就形成了低溫絕熱體，填充現(xiàn)有液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)中泡沫件之間及其周圍的間隙。在具體實(shí)施方案中，本發(fā)明的低溫絕熱體與泡沫件、SSME燃料罐的金屬以及相應(yīng)的部件均為應(yīng)變兼容，這樣就不會(huì)裂開或者與它們分層。這種開裂或分層會(huì)形成外部空氣的低溫泵送通道，從而使其內(nèi)的表面降溫，這將有可能導(dǎo)致出現(xiàn)潛在的液態(tài)空氣囊。
制備這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，并將其施加到多個(gè)SSME燃料渦輪泵中，用作間隙填充低溫絕熱體。如圖所示，膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物40被施加到圍繞著松散絕熱件10、固定絕熱件20以及殼體30的各間隙中。本實(shí)施例中所用的基料為室溫下硫化的硅橡膠化合物聚甲基苯硅氧烷，其是可從GeneralElectric Silicones得到的RTV 511/577的摻合物。玻璃微球體為高純度的硅石微球體(硅石重量百分比≥95)即EccospheresType SI硅石微球體，可從Emerson& Cuming Composite Materials，Inc.獲得。催化劑是二月桂酸二丁基錫(DBT)固化劑，可從General Electric Silicones獲得。這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物組成包含大約74.25重量百分比聚甲基苯硅氧烷；大約25.55重量百分比EccospheresType SI玻璃微球體；和大約0.2重量百分比二月桂酸二丁基錫。在本具體實(shí)施方案中，在不使用催化劑的情況下，將基料與玻璃微球體混合在一起，形成室溫下穩(wěn)定的硅樹脂膩?zhàn)訝铑A(yù)聚合物。然后在就要將這種間隙填充組合物施加于SSME燃料渦輪泵之前，將這種硅樹脂膩?zhàn)訝铑A(yù)聚合物與催化劑混合。測(cè)試顯示，應(yīng)該使用高純度的硅石微球體，即硅石≥95％。也實(shí)驗(yàn)了低純度的硅石微球體，但沒(méi)有效果。低純度的硅石微球體中的元素雜質(zhì)明顯地引起該組合物的過(guò)早固化，甚至在沒(méi)有使用催化劑的情況下。
如上所述，本發(fā)明提供用于在大約-420°F(-250℃)至大約500°F(260℃)的環(huán)境下使用的改進(jìn)的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)。有利的是，本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物可以用來(lái)使SSME燃料系統(tǒng)和部件絕熱，防止在太空船上形成液態(tài)空氣和結(jié)冰。這種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物易于制造和施加，并使這種系統(tǒng)中的間隙很容易識(shí)別和填充。對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，很多其它具體實(shí)施方案和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。
上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個(gè)具體實(shí)施方案，這些具體實(shí)施方案滿足本發(fā)明遇到的不同的需要。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這些具體實(shí)施方案僅僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的各具體實(shí)施方案的原理。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很多改進(jìn)和調(diào)整都是顯而易見的，都沒(méi)有偏離本發(fā)明的精神和范圍。例如，雖然上面描述了本發(fā)明的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物用于太空船上的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)，但其也可用于各種其它場(chǎng)合，例如，用于絕熱其他低溫氣體或液體系統(tǒng)，或用于使生產(chǎn)低溫氣體或低溫液體生產(chǎn)設(shè)備的絕熱聯(lián)結(jié)，等等。因此，本發(fā)明試圖覆蓋所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有適合的改進(jìn)和變化以及它們的等效替換。
權(quán)利要求
1.一種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，包含基料；微球體；和催化劑，其中所述膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物可在大約-420°F(-250℃)至大約500°F(260℃)的溫度下使用。
2.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中基料的粘度大約為5000-10000泊。
3.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中在膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物被混合后且固化前，其粘度大約為500000-1000000泊。
4.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中基料包括基于聚甲基苯硅氧烷和聚二苯基硅氧烷中至少一種的室溫硫化(RTV)的硅橡膠化合物。
5.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，還包含至少一種惰性填料。
6.如權(quán)利要求5的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中所述至少一種惰性填料包括碳酸鈣、二氧化硅和氧化鋅中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中基料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度大約為-150°F(-101℃)或者更低。
8.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其包含大約25-50體積百分比的基料。
9.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其包含大約70-80重量百分比的基料。
10.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中微球體包括玻璃、陶瓷、酚醛樹脂、聚酰亞胺、丙烯酸類、聚酯及其結(jié)合中的至少一種。
11.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中微球體包括高純度的硅石微球體，其至少包含約95重量百分比的硅石。
12.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中微球體的平均直徑大約為10-100微米。
13.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中微球體為空心的。
14.如權(quán)利要求13的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中微球體的壁厚大約為1-2微米。
15.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中微球體的密度大約為0.1-0.3g/cc。
16.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其包含大約50-75體積百分比的微球體。
17.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其包含大約20-30重量百分比的微球體。
18.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中催化劑包括二月桂酸二丁基錫與辛酸亞錫中的至少一種。
19.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其包含大約0.1-0.3體積百分比的催化劑。
20.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其包含大約0.1-0.5重量百分比的催化劑。
21.如權(quán)利要求1的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中該膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物用于如下中的至少一種場(chǎng)合液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)、低溫氣體系統(tǒng)、低溫液體系統(tǒng)、低溫氣體制造系統(tǒng)和低溫液體制造系統(tǒng)。
22.一種膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，包含大約70-80重量百分比的聚甲基苯硅氧烷，大約20-30重量百分比的高純度的硅石微球體；和大約0.1-0.5重量百分比的二月桂酸二丁基錫。
23.如權(quán)利要求22的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其中該膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物可在大約-420°F(-250℃)至大約500°F(260℃)的溫度內(nèi)工作，并用于如下中的至少一種場(chǎng)合液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)、低溫氣體系統(tǒng)、低溫液體系統(tǒng)、低溫氣體制造系統(tǒng)和低溫液體制造系統(tǒng)。
24.一種液體空氣絕熱系統(tǒng)，包括許多泡沫絕熱件，其基本上填充預(yù)定的區(qū)域；和膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其填充相鄰的泡沫絕熱件之間以及泡沫絕熱件與相鄰的部件之間的預(yù)定的間隙。
25.如權(quán)利要求24的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)，其中膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物包含基料、微球體和催化劑。
26.如權(quán)利要求24的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)，其中膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物包含大約70-80重量百分比的聚甲基苯硅氧烷、大約20-30重量百分比的高純度的硅石微球體和大約0.1-0.5重量百分比的二月桂酸二丁基錫。
27.如權(quán)利要求24的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)，其中該液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)能在大約-420°F(-250℃)至大約500°F(260℃)的溫度下工作。
28.一種液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)，包含許多泡沫絕熱件，其基本填充低溫燃料系統(tǒng)周圍的預(yù)定區(qū)域；膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其填充相鄰的泡沫絕熱件之間及泡沫絕熱件與相鄰的低溫燃料系統(tǒng)部件之間的預(yù)定間隙。
29.如權(quán)利要求28的液態(tài)空氣絕熱系統(tǒng)，其中的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物包含大約70-80重量百分比的聚甲基苯硅氧烷、大約20-30重量百分比的高純度硅石微球體和大約0.1-0.5重量百分比的二月桂酸二丁基錫。
全文摘要
用于絕熱的膩?zhàn)訝铋g隙填充化合物，其可用于約－420°F(－250℃)至大約500°F(260℃)的溫度。這些化合物的具體實(shí)施方案包含大約25－50體積百分比的基料、大約50－75體積百分比的微球體和大約0.1－0.3體積百分比的催化劑。這些化合物的具體實(shí)施方案包含大約70－80重量百分比的基料、大約20－30重量百分比的微球體和大約0.1－0.5重量百分比的催化劑。
文檔編號(hào)C08K5/57GK1746226SQ200510106729
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者S·A·桑德斯 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司