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  • Tieftemperatur-Dichtungen für die Kryotechnik

    • Tieftemperatur-Dichtungen

    In der Dichtungstechnik ist besonderes Expertenwissen immer dann erforderlich, wenn die Temperatur in der Anwendung deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt. Besonders relevant wird dies in der Kryotechnik, da hier Temperaturen erreicht werden, bei denen sich die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffes grundlegend ändern.

    Die Kryotechnik umfasst technische Anwendungen unterhalb von −150 °C.
    Typische Medien sind:

    • Flüssiger Stickstoff (−196 °C)
    • Flüssiger Wasserstoff (−253 °C)
    • Flüssiges Helium (−269 °C)

    In diesem Temperaturbereich haben Kunststoffe und Elastomere ein völlig anderes mechanisches Verhalten als bei Raumtemperatur, was die Werkstoffauswahl für Kryotechnik-Dichtungen besonders anspruchsvoll macht. Aufgrund der stark voneinander abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten von Polymeren und Metallen kommt es bei kryogenen Temperaturen zu unterschiedlichen Längenänderungen. Dieses differenzielle Schrumpfverhalten zwischen Dichtung und Metallkomponente ist bei der Auslegung zwingend zu berücksichtigen, da es die Dichtwirkung direkt beeinflusst.

    Dichtungen für die Kryotechnik von Hänssler

    Die veränderten physikalischen Rahmenbedingungen berücksichtigen wir bereits in der Konstruktionsphase. Da Thermoplaste und Elastomere bei diesen Temperaturen einen Großteil ihrer elastischen Eigenschaften verlieren, setzt Hänssler unter anderem metallische Vorspannelemente ein. Dadurch wird die erforderliche Anpresskraft auch unter kryogenen Bedingungen zuverlässig sichergestellt. Zudem verwenden wir ausschließlich Hochleistungskunststoffe, um eine sichere und langfristig konstante Funktion auch bei Temperaturen unter −250 °C sicherzustellen.

    Wir entwickeln und produzieren Dichtungen speziell für kryogene Anwendungen und arbeiten dabei eng mit Ihren Kryotechnikern zusammen. Unsere Lösungen werden erfolgreich in technischen Systemen der Wasserstoffwirtschaft, der LNG-Industrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in weiteren Schlüsselindustrien eingesetzt.

    Typische Anwendungsfelder

    Kryo-Dichtungen werden in zahlreichen kryotechnischen Systemen verwendet. Einige Beispiele dafür sind:

    • Ventile und Armaturen
    • Kryogene Kugelventile
    • Pumpen für kryogene Medien
    • Kompressoren und Verdichter
    • Kryotanks und Druckbehälter
    • Rohrleitungssysteme und Kupplungen
    • Betankungs- und Transfersysteme
    • Sensorik, Messtechnik und Durchführungen

    In allen o. g. Anwendungen finden sich Tieftemperatur-Dichtungen, die extremen Belastungen bei tiefen Temperaturen standhalten müssen. Darüber hinaus gibt es Einsatzgebiete, die ebenso hohe Einsatztemperaturen mit sich bringen.

    Schlüsselindustrien

    Wasserstoffwirtschaft

    Eines der am stärksten wachsenden Felder der Kryotechnik.

    • Wasserstoffverflüssigung
    • Speicherung und Transport von LH₂
    • Wasserstofftankstellen
    • Energieerzeugung und -speicherung
    Ein Raketenstart von SpaceX

    Luft- und Raumfahrt

    Historisch eines der wichtigsten Anwendungsfelder.

    • Raketentriebwerke
    • Treibstoffsysteme
    • Satelliten und Raumfahrzeuge
    • Teststände und Bodensysteme

    LNG-Industrie

    Transport und Verwendung von Liquefied Natural Gas.

    • LNG-Terminals
    • Verflüssigungsanlagen
    • Transport- und Speicheranlagen
    • Maritime Anwendungen (LNG-Schiffe)

    Chemische und Prozessindustrie

    • Gasverflüssigung
    • Tieftemperaturtrennung
    • Spezialprozesse mit tiefkalten Medien

    Medizintechnik und Life Sciences

    • Kryokonservierung
    • Lagerung biologischer Proben
    • MRT- und Magnetanlagen (Helium)

    Forschung und Großforschungseinrichtungen

    • Teilchenbeschleuniger
    • Kryostate
    • Supraleitende Magnete
    • Materialforschung

    Halbleiter- und Elektronikindustrie

    • Tieftemperaturprozesse
    • Spezialgase
    • Vakuum- und Reinraumanwendungen

    Automobil und Mobilitätsbranche

    • Brennstoffzellenfahrzeuge
    • Wasserstoffspeicher
    • Betankungssysteme
    • Prüfstände

    Verteidigung und Sicherheitstechnik

    • Gekühlte Infrarot-Sensoren
    • gekühlte Detektoren,
    • Supraleitende Sensorik für Magnetfeldmessung

    Geeignete Kunststoffe für kryogene Anwendungen

    Nur ausgewählte Hochleistungs-Polymere auch bekannt als Kryo-Polymere eignen sich für Dichtungen im Tieftemperaturbereich. Die Werkstoffwahl erfolgt dabei stets anwendungsbezogen. Deshalb benötigen wir möglichst viele Informationen zur Anwendung, um einen belastbaren Vorschlag machen zu können.

    PTFE (Polytetrafluorethylen)

    PTFE gilt als Referenzwerkstoff für Tieftemperatur-Dichtungen. Es bleibt selbst unter −200 °C zäh und besitzt eine nahezu universelle chemische Beständigkeit. Aufgrund seines sehr niedrigen Reibungskoeffizienten wird PTFE für Dichtungen, Gleitführungen und Tankauskleidungen eingesetzt.

    PEEK (Polyetheretherketon)

    PEEK kombiniert hohe Festigkeit mit chemischer Beständigkeit. Auch bei kryogenen Temperaturen bleibt das Material strukturell belastbar. Es wird für Pumpenkomponenten, Lagerungen oder tragende Strukturteile eingesetzt. Speziell modifizierte „Kryo-PEEK“ Typen können das Tieftemperaturverhalten weiter verbessern.

    PCTFE (Polychlortrifluorethylen)

    PCTFE zeichnet sich durch sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme und niedrige Gaspermeation aus. Es ist steifer als PTFE und bietet eine hohe Dimensionsstabilität bei tiefen Temperaturen. Deshalb eignet sich PCTFE besonders für Ventilsitze und Dichtkomponenten in LOX-, LH₂- oder LNG-Systemen. Die geringe Kaltfließneigung sorgt für eine stabile Dichtwirkung über wiederholte Temperaturwechsel. Die hohe Permeationsdichtigkeit sorgt für absolut sichere Systeme.

    Polyimide (PI) und PAI

    Polyimide und Polyamidimide bieten eine hohe strukturelle Festigkeit und sehr gute elektrische Isolation. Sie kommen in supraleitenden Magneten, Hochspannungsanwendungen oder hochbelasteten Lagerstellen zum Einsatz. Ihr Vorteil liegt im breiten Temperaturfenster, das sowohl hohe als auch sehr niedrige Temperaturen umfasst.

    UHMW-PE (ultrahochmolekulares Polyethylen)

    UHMW-PE (PE1000) bleibt auch bei extrem niedrigen Temperaturen zäh. Gleichzeitig ist es abriebfest und erreicht exzellente Reibwerte. Typische Anwendungen sind Führungen oder Gleitelemente in kryogenen Anlagen.

    Vorteile von Hochleistungs-Kunststoffen gegenüber Metallen

    Metalle verlieren bei sehr niedrigen Temperaturen häufig an Zähigkeit und können spröde brechen. Zudem leiten Kunststoffe Wärme und Strom deutlich schlechter als Metalle. In supraleitenden Systemen oder Sensoranwendungen wirkt dies gezielt isolierend und verhindert unerwünschte Energieverluste. Somit sind Kunststoffe in kryogenen Anwendungen essentiell für Dichtungs-und Führungselemente.

    Vorteile von Hochleistungs-Polymeren auf einen Blick:

    Geringes Gewicht

    Gute Gleit- und Verschleißeigenschaften

    Thermische und elektrische Isolation

    Korrisionsfreiheit

    Flexible Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung und 3D-Druck

    Anforderungen an Dichtungen in der Kryotechnik

    Dichtungen in kryogenen Anlagen sind absolut essenziell und sicherheitskritisch. Dem entsprechend hoch sind die Anforderungen an den Werkstoff und das Dichtelement selbst.

    Duktilität

    Werkstoffe dürfen bei Temperaturen unter −150 °C nicht verspröden. Dichtungen können Druckstoßbelastungen ausgesetzt sein und die einsetzende Versprödung bei tiefen Temperaturen stellt ein Problem dar und kann zu Mikrorissen führen. Entsprechend modifizierte Polymere verhindern dies, sodass Sie auch bei tiefen Temperaturen eine ausreichende Zähigkeit aufweisen. Gleichzeitig steigen Biege-und Druckfestigkeiten, sowie Oberflächenhärte, was wiederum zu geringerem Verschleiß führt. Hier wird deutlich wie essentiell die Werkstoffauswahl für Kryodichtungen ist.

    Chemische Beständigkeit

    Flüssiger Wasserstoff, Sauerstoff oder LNG wirken sich chemisch und physikalisch belastend auf das Kunststoffteil aus. 

    Geringe Reibung und Verschleißfestigkeit

    Ventilsitze, Gleitlager und andere Dichtelemente arbeiten häufig ohne externe Schmierung. Ein niedriger Reibkoeffizient reduziert Anlaufmomente und minimiert Verschleiß, insbesondere bei Temperaturwechseln.

    Dimensionsstabilität und geringe Kaltfließneigung

    Dichtungen für die Kryotechnik können sowohl sehr hohen, als auch sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein. Vor allem In der Raumfahrt ist dies ganz oft der Fall. Dazu kommen noch eine Vakuumatmosphäre. Solche großen Temperaturwechsel führen zu hoher Ausdehnung und Kontraktion der Dichtungen. Das richtige Kryo-Polymer mit geringstmöglichem Wärmeausdehnungskoeffizient (CLTE), sorgt für hohe Dimensionsstabilität. Darüber hinaus entscheidet das Design der Tieftemperatur-Dichtung über die Funktion. So können die richtige Bauform Längenausdehnung gezielt kompensieren.

    Hänssler – Entwicklungspartner für Dichtungen in kryogenen Anlagen und Systemen

    Die Auswahl des richtigen Werkstoffs ist nur ein Teil der Entwicklung und Fertigung von Dichtungen für kryogene Anwendungen. Neben fundiertem Werkstoffwissen ist es entscheidend, die Auswirkungen von Tieftemperaturen auf Dichtelement und Einbausituation im Detail zu verstehen. Daher sollten Dichtungen für kritische Kryotechnik-Anwendungen gemeinsam von einem Kryotechnik-Experten und einem Kunststoff-Experten entwickelt werden.

    Genau hier setzt unser Entwicklungspartneransatz an: Wir bringen unser Kunststoff- und Dichtungsknow-how ein und kombinieren es mit Ihrem Wissen über das geplante oder bestehende kryotechnische System. So legen wir gemeinsam den geeigneten Werkstoff sowie die passende Dichtungsgeometrie und Auslegung inklusive Toleranzen fest. Anschließend fertigen wir einen ersten Prototyp, der bei kritischen Anwendungen zwingend auf einem Prüfstand validiert werden sollte. Bei erfolgreichen Tests überführen wir die Dichtung in die Serienfertigung.

    Fertigung von Kryodichtungen

    Die Fertigung, Prüfung und das Handling von Tieftemperatur-Dichtungen ist sehr speziell und unterscheidet sich deutlich zu Dichtungen die konventionell eingesetzt werden. Kleinste Kratzer, Maßabweichungen oder Oberflächendefekte, sorgen bei Temperaturen unter 50 °C bereits für Leckagen und Funktionsausfälle. Nahezu unsichtbare Oberflächendefekte die bei -20°C keinerlei Relevanz haben, können bei −269 °C zum Totalausfall führen. Hänssler hat jahrzehntelange Erfahrung im Umgang mit Dichtungen bei der Herstellung bis zur Verpackung/Versand und versteht sich als verlässlicher Partner für höchst anspruchsvolle Anwendungen. Dichtungselemente aus Tieftemperaturkunstoffen sind täglich in der hochmodernen Fertigung von Hänssler anzutreffen und der State of the Art Maschinenpark ist speziell drauf ausgerichtet.

    Häufig gestellte Fragen zu Tieftemperatur-Dichtungen

    Was sind Tieftemperatur- bzw. Kryo-Dichtungen?

    Tieftemperatur- oder Kryo-Dichtungen sind speziell entwickelte Dichtungssysteme für Anwendungen bei extrem niedrigen Temperaturen von –40 °C bis unter –269 °C. Sie werden eingesetzt, um tiefkalte Medien wie LNG (Liquefied Natural Gas), Flüssigstickstoff (LIN), Flüssigsauerstoff (LOX) oder Flüssigwasserstoff (LH₂) sicher abzudichten. Im Gegensatz zu Standarddichtungen sind Kryo-Dichtungen so konstruiert, dass sie Materialversprödung, thermische Schrumpfung und Elastizitätsverlust kompensieren

    Warum sind herkömmliche Dichtungen für Kryoanwendungen ungeeignet?

    Standard-Elastomerdichtungen verlieren bei niedrigen Temperaturen ihre Flexibilität, da sie den sogenannten Glasübergangspunkt erreichen. Das Material wird hart und spröde, wodurch Dichtkräfte verloren gehen und Leckagen entstehen können. Zudem schrumpfen Werkstoffe bei Kälte unterschiedlich stark, was zu Spaltbildung im Dichtsystem führt.

    Welche Materialien eignen sich für Tieftemperatur-Dichtungen?

    Für Kryo-Dichtungen kommen vor allem Hochleistungskunststoffe wie PTFE (reines oder gefülltes PTFE), PCTFE, UHMW-PE oder spezielle KRYO-PEEK-Typen zum Einsatz. Diese Materialien zeichnen sich durch niedrige Glasübergangstemperaturen und geringe Versprödungsneigung aus.

    Welche Herausforderungen entstehen durch thermische Schrumpfung?

    Bei extrem niedrigen Temperaturen schrumpfen alle Materialien – jedoch in unterschiedlichem Maße. Kunststoffe wie PTFE weisen eine deutlich höhere Schrumpfungsrate auf als Metalle wie Edelstahl. Diese Differenzen können zu Undichtigkeiten führen, wenn die Dichtgeometrie nicht entsprechend ausgelegt ist.

    Wie werden Tieftemperatur-Dichtungen geprüft und qualifiziert?

    Kryo-Dichtungen werden unter realen Betriebsbedingungen getestet. Dazu zählen Helium-Lecktests bei –196 °C, Thermozyklustests sowie Druckwechselprüfungen. Diese Tests stellen sicher, dass die Dichtung auch unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen zuverlässig funktioniert.

    Wer entwickelt kundenspezifische kryogene Dichtungen?

    Hänssler Kunststoff- und Dichtungstechnik konstruiert und fertigt maßgeschneiderte Komponenten für kryogene Anwendungen, abgestimmt auf Medium, Temperaturbereich und Belastung. Anfragen können per E-Mail, Telefon oder über das Kontaktformular gestellt werden.

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