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DE2903787A1 - Aufhaengevorrichtung fuer einen tieftemperaturtank - Google Patents

Aufhaengevorrichtung fuer einen tieftemperaturtank

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Publication number
DE2903787A1
DE2903787A1 DE19792903787 DE2903787A DE2903787A1 DE 2903787 A1 DE2903787 A1 DE 2903787A1 DE 19792903787 DE19792903787 DE 19792903787 DE 2903787 A DE2903787 A DE 2903787A DE 2903787 A1 DE2903787 A1 DE 2903787A1
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DE
Germany
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suspension device
tank
individual elements
outer container
fastening
Prior art date
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Application number
DE19792903787
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English (en)
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DE2903787C2 (de
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Wolfgang Dipl Ing Buchs
Werner Ing Grad Malburg
Martin Dipl Ing Mueller
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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Priority to EP79105087A priority patent/EP0014250B1/de
Priority to US06/116,888 priority patent/US4300354A/en
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Application granted granted Critical
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Description

Aufliängsvorriehtimg für einen Tieftemparaturtank
Die Erfindung bezieht sich auf sine Aufhängevorrichtung für einen Tiefteaperaturtank nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1„
Bei bekannten Aufhängevorrichtungen dieser Art v/erden als Werkstoff für dis ©instüokigen Befestagungsbänder v/egen der überlegenen Materialeigenschaften und vor allem dor 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 di® Befestigungsbänder aber auch enormen thermischen Anforderungen ausgesetzt? sie müssen einerseits einen hohen Warmeleitwiderstand haben 9 damit sie im kalten Zustand des Tieftemperaturtanks keine Wärmebrücke zwischen dem Außenbehälter
§30033/0131
-6-
"°c"* 1? ο-, η "2 is Q
und dem Taxus, bildens und andererseits trotz der starken Temperaturschwankungen des lanentanks = 2ifisch@n Raumtemperatur im ungefüllten Zustand und extrem niedrigem Temperaturniveau bei gefülltem Tank - unter allen Betriebsbedingungen möglichst gleichförmig gespannt bleiben und eine genau© 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 Faserinaterial für die Befsstigungsbänder zwar ein genügend hoher Wärmeleitwiderstand erzielen, jedoch sind die thermischen Längenänderungen zwischen dem Tieftempe™ ratürzustand 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 gefertigt5 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 Wärmezustrom 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.
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
-7-030033/0131
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Ia Hiaialick αΐΐχ' ©ia© £siastufig® lapassi^ag aa di@ örtliches S@ psratisrvsrfiältniss® b@st@ht j©d©s Befestigungsband gemäß Sm= SOTiioh 2 "vOrsugsweis® aus ©iadsstsns drei Eias@lslaa©at©a sus „jsw©ils miterschisdliolisn Fas©raat©riali©a ®it το® Äußsabeiiil= tsr siasi Tisftespsramrtank stufsat/eis© atoelmsadsii X'iäraieausä©!i
gemäß laspr-ucli 3 w@rd@a ia bssoaders 2"-;©eIoaäßig©r lieis© als Fa= ssraaterial für das taaisaäoiist© Biaselslsmsnt Carbon£as©rn wa,& ftir das aa Außssibshälter angreifsads Sia2@lal®asat Glasfasern
O β ιΠ A '5 'ä / ft 4 1S si
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist im Anspruch 4 gekennzeichnet.
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 speziellen 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.
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.
Werden im Zwischenraum zwischen Außenbehälter und Tieftemperatur-
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tank in üblicher Weise Strahlungsschilde 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 Färmeabfuhr vor den Isolationsstücken der Befestigungsbänder gemäß Anspruch 9 vorzugsweise über die ohnehin gekühlten
ι es/
Strahlungsschilde bewirkt, sodaß zur Kühlung der Einzelelemente keiner zusätzlichen, konstruktiv aufwendigen Kühleinrichtung bedarf.
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.
und/
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.
Um das Wärmeleit- und Ausdehnungsverhalten nicht nur jedes Befestigungsbandes insgesamt sondern auch jedes einzelnen Faserverbundwerkstoff elements 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.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. la 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.
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 es£nfolge 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
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Umfangsabstand kleiner als der Umfangsabstand zu den unmittelbar benachbarten, tankseitigen Verankerungstellen ist (Fig.1b), während die außenbehälterseitigen Verankerungsstellen 14 gleichförmig in Unifangsrichtung verteilt sind, so^daß 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.
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„2s, 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 s wie dies in Fig. 4 durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Im Zwischenraum zwischen den LängsschenkeIn 22.1 und 22.2 der Doppelschlaufen 20 ist ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück 24 z.B. aus aluminiumbe-. schichteten Polyphthalatfolien angeordnet. Die Einzelelemente sind aus unterschiedlichen Faserarten mit vom Außenbehälter 6 zum Innentank 4 abnehmendem Wärmeausdehnungskoeffizienten und demzufolge materialbedingt zunehmender Färmeleitzahl hergestellt. So werden z. B. für das außenbehälterseitige Einzelelement 18.1 Glasfasern (Wärmeleitzahl 2, ca. 2,5 . 10"*^ W/cmK; Thermalausdehnungskoeffizient et ca. 7 . 10 1/K) und für die mittleren Einzelelemente 18.2 und 18.3 Polyaramidfasern (7 ca.1 · 10 ; !^ ca. -5 . 10" ) verwendet, während das innere, längere Einzelelement 18.4 aus Carbonfasern Oca. 6 « 10 ; öl ca. -0,2) hergestellt ist.
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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.
Die Endverbindung 34 besteht aus mehreren, buchsenförmigen Verbindungsteilen 36.1 und 36.2, die durch einen zentralen Schraubbolzen /38 aus einem gut wärmeleitenden Material zusammengespannt
HXi/
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, so^aß 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 leitfähigen 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 PoIyphthalatfolie 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
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über thermisch gut leitfähige Zwischenstücke 36„15 3Qf 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»
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, sojdaß die Entstehung von Strahlungslöchern im Zwischenraum zwischen Außenbehälter 6 und Tieftemperaturtank 4 verhindert wird®
Durch entsprechende Wahl des Fasermaterials und Längenbemessung der Einzelelemente 18 läßt sich das Warmeleit- und -ausdehnungsverhalten der Befestigungsbänder 12 variieren und an die jeweils geforderten mechanischen und thermischen Beanspruchungen anpassen.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    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 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.
    ©30033/0131
    -2-
  2. 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. 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. 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. 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. 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,
    —3— 030033/0131
    2303787
    als Isolationsstück (36.2, 40) wirkendes Verbindungsteil (36„2) geringer Wärmeleitzahl enthält, an dem das äußere Ende des tanknäheren Einzelelements befestigt ist«
  7. 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. 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. 9. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 6 oder 7S dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlungsschild (26f 28) gekühlt und mit dem ersten Verbindungsteil (36.1) gut wärmeleitend verbunden ist,,
  10. 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. 11. Aufhängevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet t daß die Einzelelemente
    mit/
    (18) jeweils als Doppelschlaufe (20) unidirektionaler Faserrichtung ausgebildet sind.
  12. 12. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Schlaufen jeder Doppelschlaufe (20) ein als Strahlungsschild wirkendes Füllstück (24) angeordnet ist.
    -4-030 033/0131
    .4= 2.9 O 31 S ?
    Aufhängevorrichtung nach einem d©r vorhergahenden Ansp dadurch gekennzeichnet s daß die-Länge der Einzelelemente (18) entsprechend siner für jadas Element individuell vorgegebenen Wärmelsit=- "and =-ausdeimungscharakteristik unterschiedlich bemessen ist.
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