专利名称：低温绝热的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及绝热系统。具体地说，本发明涉及腻子状间隙填充化合物，其可用于低温绝热系统，以防止在该低温绝热系统内、上或其周围形成液体空气和结冰。
背景技术：
航天飞机的主发动机(SSME)以在大约-420°F(-250℃)温度下储存在一燃料系统中的液氢为燃料。这种极其冷的内部温度，使得燃料系统和部件(例如壳体、管路、接头等)外表面温度冷得足以使周围的空气超冷，形成液体空气。这些液体空气可能流到敏感的电子传感器上，或者被低温泵送到限制腔室内，二者都会引起很大的运转麻烦。因此，为了防止在运行中形成液态空气，通常以液态空气绝热系统对SSME燃料系统和部件的外表面进行绝热。
目前的液态空气绝热系统采用松散填充的聚氨酯泡沫件，这些聚氨酯泡沫件围绕着形状复杂子系统部件组装，这些子系统部件必须保持易于接近，以便中间过程的维护。称之为靴的整体密封盖将这些泡沫件保持在一起。需要维护时，可以将靴从泡沫件周围移开，然后就可以很容易地将泡沫件卸下。这些泡沫件并不制作成精确地适合于它们所包围着的许多小部件(例如螺栓头、管线、取压分接管等)，因为这样将会使成本提高太多，并在相当大的程度上使泡沫件的制造和安装复杂化。因此，安装好后，在相邻泡沫件之间以及泡沫件与其下面的金属部件之间存在着间隙。这些间隙是液态空气的潜在的源和/或收集液态空气的地方。
起初认为这些间隙不会引起任何问题，因其内形成的所有液态空气都会被靴子捕获。然而，最近发现，如果这些间隙形成的任何液态空气积聚在关键部位，都会使液态空气绝热系统外表面的最终温度下降到冷凝点以下，从而使其外侧形成液体空气和冰。这是不希望出现的，它会导致极其有害的状况。
因此，需要填充目前存在于液态空气绝热系统中的泡沫件之间和其周围的间隙以除去这些液态空气源。还希望在装配泡沫件时容易施加这种间隙填充化合物，使得间隙易于识别和填充。还希望用一种腻子状的间隙填充化合物来填充这些间隙，从而使这些化合物保持在所施加的部位。
发明内容
本发明的具体实施方案克服了上述缺陷。本发明的具体实施方案包括腻子状的间隙填充化合物，其可以在大约-420°F(-250℃)至大约500°F(260℃)的温度范围内使用。这些化合物一般包含一种韧软的基料、微球体以及一种催化剂，还可以包括其它惰性填充剂。
下面结合附图描述本发明的具体实施方案，该附图示意性地示出了有泡沫绝热件围绕着的SSME燃料涡轮泵的一部分的横截面，其内的间隙中填充以一种本发明的腻子状间隙填充化合物。
具体实施例方式
为了便于理解发明，现在参见附图中示出的本发明的一些具体实施方案以及描述这些实施方案的专用术语。这里所用的术语仅仅是为了描述，而不是限制。所公开的特定的结构和功能细节不要理解成限制，其只是用来对本领域的技术人员讲授本发明的不同使用的一个基础。对于熟悉本领域的人员来说，通常可以改进或改变图示说明的结构和方法，并可将在此描述的本发明的原理进一步应用，这些被认为都没有超出所描述的并被要求权利的本发明的范围和精神。
本发明涉及腻子状间隙填充化合物及其制造和使用。这种腻子状间隙填充化合物尤其可以用来填充现有的液态空气绝热系统中的间隙。这种腻子状间隙填充化合物典型地包含三种主要成分(1)基料；(2)微球体；和(3)催化剂。如果需要的话，可以用其它惰性填料(例如碳酸钙、二氧化硅、氧化锌等)控制这种化合物的操作和工作性能。这些惰性填料可以单独地加入，也可以作为基料的一部分包含在其中。
在具体实施方案中，腻子状间隙填充化合物的组成包括大约25-50体积百分比的基料；大约50-75体积百分比的微球体；和大约0.1-0.3体积百分比的催化剂。在具体实施方案中，腻子状间隙填充化合物的组成包含大约70-80重量百分比的基料；大约20-30重量百分比的微球体；和大约0.1-0.5重量百分比的催化剂。
基料用作微球体的粘合剂，并且是绝热体低温弹性的主要贡献者。基料可以包括任何适合的材料，在具体实施方案中可以包括弹性材料，例如室温下硫化(RTV)硅橡胶化合物，例如一种聚(甲基苯)硅氧烷或聚二苯基硅氧烷化合物，它们在RTV家族中具有最低的温度能力。这种硅橡胶可以包含双组分加成或缩合固化类型，以提高混合和储存稳定性。在具体实施方案中，基料的玻璃转化温度或脆裂点温度可以是大约-150°F(-101℃)，或更低。
微球体的主要贡献是减少绝热体的热传导，并通常被用来增大基料固化前粘性，及减小绝热体的总密度。微球体可以包括任何适合的材料，例如玻璃、陶瓷、酚醛树脂、聚酰亚胺、丙烯酸系、聚酯，以及/或其组合等。在具体实施方案中，微球体可以是空心的，以降低绝热体的密度和热传导。其直径可以是大约10-100微米(在一些具体实施方案中优选约50微米)，壁厚大约为1-2微米，密度大约为0.1-0.3g/cc(0.004-0.011b/in3)。在具体实施方案中，微球体为刚性的，其表面是光滑的，这使得在与基料混合时的操作性能最佳。微球体应该与基料化学兼容(即对于基料的性能和固化特性是无害的)。市场上可以获得各种尺寸和组成的这种微球，这些尺寸和组分都可以影响绝热体的机械强度、热传导和物理性能。
催化剂可以包括能够固化基料的任何适合的材料。在具体实施方案中，催化剂可以包括缓慢到适中固化的液体二月桂酸二丁基锡(DBT)催化剂。其它的金属皂基催化剂也可以使用，例如辛酸亚锡(STO)。
在具体实施方案中，基料的粘度可以大致为5000-10000泊，这与牙膏大致相当。在这些具体实施方案中，在将微球体加于基料后，混合物的粘度大致为500000-1000000泊，这与腻子或面团的大致相当。加入催化剂之后，可以很容易从任何方向将腻子状间隙填充化合物施加到对SSME燃料系统进行隔热的泡沫件之间和其周围的间隙中，不会马上漏掉。在其它具体实施方案中，或者如果将这些腻子状间隙填充化合物用于其它目的时，可能希望有不同的粘度。
一些人已经建议过用一种液态硅橡胶化合物(即RTV511或者基本粘度为50-500泊的任何其它硅橡胶化合物)填充这些间隙。然而，本发明的腻子状间隙填充化合物优于液体间隙填充化合物。首先，液体间隙填充化合物比腻子状间隙填充化合物难于使用。液体间隙填充化合物必须在泡沫件和靴完全装配好后用气泵或液泵送入预组装的液态空气绝热系统。这需要专门的设备，并且存在着很大的污染危险。虽然硅树脂类对人类的毒性较小，但它们对交叉污染其它制造或现场维修工艺有着很大的潜在的危险，尤其是那些涉及粘结连接的工序。而且，由于液态空气绝热系统必须预组装，才能施加液体间隙填充化合物，因此，不容易检查终产品内是否所有间隙已经被填充。其次，一旦固化，液体间隙填充化合物(不含微球体)比本发明的腻子状间隙填充化合物的密度大。由于密度较大的间隙填料比包围着的泡沫件和被移走的空气的热传导率高，所以，对整个液态空气绝热系统的传导性有负面的影响。虽然液体化合物可以防止液态空气绝热系统中形成液态空气，但是通过密度较大的间隙填料通路，液态空气从液态空气绝热系统的内冷却面向液态空气绝热系统的外面的直接传递仍然是一个问题。
本发明的腻子状间隙填充化合物以不同的方式克服了这两个问题。这种腻子状间隙填充化合物可以手工操作，不需要任何专用设备混合或施加。此外，这种腻子状间隙填充化合物可以在泡沫件安装时施加，这样就可以在装配泡沫件时很容易通过视觉检验整个间隙填充，然后再将靴子加在上面。而且，通过提供一种很容易包含的材料形式，可以更容易控制这种腻子状间隙填充化合物，以避免暴露于人员和交叉污染其它制造或现场维修工序。而且，这种腻子状间隙填充化合物由于其内的微球体而具有低的热传导。
在具体实施方案中，本发明的腻子状间隙填充化合物是通过将基料和微球体混合在一起而制备的，无须催化剂就可形成在室温下稳定的硅橡胶腻子状预聚物。为了使本发明的腻子状间隙填充化合物便于储存和使用，可以预先将基料/微球体混合物实现混合，并与催化剂分开储存，在将要使用前再与催化剂混合。还可以先将基料放入一容器，再将微球体加入混合成这些腻子状间隙填充化合物。然后再加入催化剂，并可将混合物彻底地混合，以保证混合物完全催化。添加催化剂之后，这种混合物是一种半固体腻子状可塑的间隙填充化合物，其很容易施加以配合并填充配合的泡沫件和外围表面之间的间隙的容积。在固化之后，该腻子状可塑间隙填充化合物变成了一种半固体的低温绝热体，其防止SSME或其它装置运行过程中化合物的移动或泡沫件的移动。
本发明的腻子状间隙填充化合物一旦固化后就形成了低温绝热体，填充现有液态空气绝热系统中泡沫件之间及其周围的间隙。在具体实施方案中，本发明的低温绝热体与泡沫件、SSME燃料罐的金属以及相应的部件均为应变兼容，这样就不会裂开或者与它们分层。这种开裂或分层会形成外部空气的低温泵送通道，从而使其内的表面降温，这将有可能导致出现潜在的液态空气囊。
制备这种腻子状间隙填充化合物，并将其施加到多个SSME燃料涡轮泵中，用作间隙填充低温绝热体。如图所示，腻子状间隙填充化合物40被施加到围绕着松散绝热件10、固定绝热件20以及壳体30的各间隙中。本实施例中所用的基料为室温下硫化的硅橡胶化合物聚甲基苯硅氧烷，其是可从GeneralElectric Silicones得到的RTV 511/577的掺合物。玻璃微球体为高纯度的硅石微球体(硅石重量百分比≥95)即EccospheresType SI硅石微球体，可从Emerson& Cuming Composite Materials，Inc.获得。催化剂是二月桂酸二丁基锡(DBT)固化剂，可从General Electric Silicones获得。这种腻子状间隙填充化合物组成包含大约74.25重量百分比聚甲基苯硅氧烷；大约25.55重量百分比EccospheresType SI玻璃微球体；和大约0.2重量百分比二月桂酸二丁基锡。在本具体实施方案中，在不使用催化剂的情况下，将基料与玻璃微球体混合在一起，形成室温下稳定的硅树脂腻子状预聚合物。然后在就要将这种间隙填充组合物施加于SSME燃料涡轮泵之前，将这种硅树脂腻子状预聚合物与催化剂混合。测试显示，应该使用高纯度的硅石微球体，即硅石≥95％。也实验了低纯度的硅石微球体，但没有效果。低纯度的硅石微球体中的元素杂质明显地引起该组合物的过早固化，甚至在没有使用催化剂的情况下。
如上所述，本发明提供用于在大约-420°F(-250℃)至大约500°F(260℃)的环境下使用的改进的液态空气绝热系统。有利的是，本发明的腻子状间隙填充化合物可以用来使SSME燃料系统和部件绝热，防止在太空船上形成液态空气和结冰。这种腻子状间隙填充化合物易于制造和施加，并使这种系统中的间隙很容易识别和填充。对于熟悉本领域的人来说，很多其它具体实施方案和优点是显而易见的。
上面已经描述了本发明的多个具体实施方案，这些具体实施方案满足本发明遇到的不同的需要。应该认识到，这些具体实施方案仅仅是用来说明本发明的各具体实施方案的原理。对于本领域技术人员来说，很多改进和调整都是显而易见的，都没有偏离本发明的精神和范围。例如，虽然上面描述了本发明的腻子状间隙填充化合物用于太空船上的液态空气绝热系统，但其也可用于各种其它场合，例如，用于绝热其他低温气体或液体系统，或用于使生产低温气体或低温液体生产设备的绝热联结，等等。因此，本发明试图覆盖所附权利要求书范围内的所有适合的改进和变化以及它们的等效替换。
权利要求
1.一种腻子状间隙填充化合物，包含基料；微球体；和催化剂，其中所述腻子状间隙填充化合物可在大约-420°F(-250℃)至大约500°F(260℃)的温度下使用。
2.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中基料的粘度大约为5000-10000泊。
3.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中在腻子状间隙填充化合物被混合后且固化前，其粘度大约为500000-1000000泊。
4.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，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种的室温硫化(RTV)的硅橡胶化合物。
5.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，还包含至少一种惰性填料。
6.如权利要求5的腻子状间隙填充化合物，其中所述至少一种惰性填料包括碳酸钙、二氧化硅和氧化锌中的至少一种。
7.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中基料的玻璃转化温度大约为-150°F(-101℃)或者更低。
8.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其包含大约25-50体积百分比的基料。
9.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其包含大约70-80重量百分比的基料。
10.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中微球体包括玻璃、陶瓷、酚醛树脂、聚酰亚胺、丙烯酸类、聚酯及其结合中的至少一种。
11.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中微球体包括高纯度的硅石微球体，其至少包含约95重量百分比的硅石。
12.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中微球体的平均直径大约为10-100微米。
13.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中微球体为空心的。
14.如权利要求13的腻子状间隙填充化合物，其中微球体的壁厚大约为1-2微米。
15.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中微球体的密度大约为0.1-0.3g/cc。
16.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其包含大约50-75体积百分比的微球体。
17.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其包含大约20-30重量百分比的微球体。
18.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中催化剂包括二月桂酸二丁基锡与辛酸亚锡中的至少一种。
19.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其包含大约0.1-0.3体积百分比的催化剂。
20.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其包含大约0.1-0.5重量百分比的催化剂。
21.如权利要求1的腻子状间隙填充化合物，其中该腻子状间隙填充化合物用于如下中的至少一种场合液态空气绝热系统、低温气体系统、低温液体系统、低温气体制造系统和低温液体制造系统。
22.一种腻子状间隙填充化合物，包含大约70-80重量百分比的聚甲基苯硅氧烷，大约20-30重量百分比的高纯度的硅石微球体；和大约0.1-0.5重量百分比的二月桂酸二丁基锡。
23.如权利要求22的腻子状间隙填充化合物，其中该腻子状间隙填充化合物可在大约-420°F(-250℃)至大约500°F(260℃)的温度内工作，并用于如下中的至少一种场合液态空气绝热系统、低温气体系统、低温液体系统、低温气体制造系统和低温液体制造系统。
24.一种液体空气绝热系统，包括许多泡沫绝热件，其基本上填充预定的区域；和腻子状间隙填充化合物，其填充相邻的泡沫绝热件之间以及泡沫绝热件与相邻的部件之间的预定的间隙。
25.如权利要求24的液态空气绝热系统，其中腻子状间隙填充化合物包含基料、微球体和催化剂。
26.如权利要求24的液态空气绝热系统，其中腻子状间隙填充化合物包含大约70-80重量百分比的聚甲基苯硅氧烷、大约20-30重量百分比的高纯度的硅石微球体和大约0.1-0.5重量百分比的二月桂酸二丁基锡。
27.如权利要求24的液态空气绝热系统，其中该液态空气绝热系统能在大约-420°F(-250℃)至大约500°F(260℃)的温度下工作。
28.一种液态空气绝热系统，包含许多泡沫绝热件，其基本填充低温燃料系统周围的预定区域；腻子状间隙填充化合物，其填充相邻的泡沫绝热件之间及泡沫绝热件与相邻的低温燃料系统部件之间的预定间隙。
29.如权利要求28的液态空气绝热系统，其中的腻子状间隙填充化合物包含大约70-80重量百分比的聚甲基苯硅氧烷、大约20-30重量百分比的高纯度硅石微球体和大约0.1-0.5重量百分比的二月桂酸二丁基锡。
全文摘要
用于绝热的腻子状间隙填充化合物，其可用于约－420°F(－250℃)至大约500°F(260℃)的温度。这些化合物的具体实施方案包含大约25－50体积百分比的基料、大约50－75体积百分比的微球体和大约0.1－0.3体积百分比的催化剂。这些化合物的具体实施方案包含大约70－80重量百分比的基料、大约20－30重量百分比的微球体和大约0.1－0.5重量百分比的催化剂。
文档编号C08K5/57GK1746226SQ200510106729
公开日2006年3月15日 申请日期2005年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者S·A·桑德斯 申请人:联合工艺公司