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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Gasdrucks
in evakuierten Scheibenzwischenräumen, insbesondere Vakuumverglasungen
(VIG) sowie einen Sensor zur Bestimmung desselbigen.
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Hierzu
wird bereits während des Produktionsvorganges der Vakuumverglasung
ein mit einer Membran gasdicht versiegeltes Behältnis mit
einem definierten Referenzgasinnendruck in den Scheibenzwischenraum
integriert. Veränderte Druckverhältnisse im Gasspalt
des Fensters führen auf Grund der Gasdruckdifferenz zwischen
dem Gasdruck im Scheibenzwischenraum und dem Referenzgasinnendruck
im versiegelten Behältnis zu einer Verformung der Membran.
Die Stärke der Verformung ist proportional zum Gasdruckanstieg
im Scheibenzwischenraum und kann beispielsweise optisch, kapazitiv,
piezo-resistiv oder piezoelektrisch detektiert werden.
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[Problemstellung]
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Evakuierte
Systeme finden immer mehr Anwendung unter anderem im Gebäudebereich.
Ein großes Problem stellt die Überprüfbarkeit
des Gasdruckes mit entsprechend hoher Auflösung in den evakuierten
Systemen nach Jahren in der jeweiligen Einbausituation dar. Bei
opaken Systemen (z. B. Vakuumisolationspaneele) ist die Optik des
Drucksensors nicht entscheidend. Durch das Abheben der flexiblen
Folienoberfläche per Saugglocke kann der Innendruck leicht
bestimmt werden. Dies ist bei der Vakuumverglasung wegen der starren
Glasscheiben nicht möglich. Außerdem wird in [
DE10164004B4 ] ein
Verfahren zur Messung des Gasdrucks in Vakuumisolationspaneelen
beschrieben, bei dem die Abhängigkeit der Gaswärmeleitfähigkeit
von der Porengröße des Füllmaterials
ausgenutzt wird. Dabei wird ein Prüfkörper mit
größeren Poren in den mikroporösen Füllkern
eingebettet. Bei steigendem Gasdruck ist der Anstieg der Gaswärmeleitfähigkeit
innerhalb des Probekörpers zu kleineren Gasdrücken
verschoben. Die Gaswärmeleitfähigkeit im Probekör per
wird von außen durch Anlegen eines thermischen Signals detektiert.
Dieses Verfahren ist für Vakuumisolierglas nicht anwendbar,
da dort kein Füllmaterial vorhanden ist, das durch einen
Probekörper mit größeren Poren ersetzt
werden kann (jedes eingebrachte Material würde die „Porengröße"
im Vergleich zum vorliegenden Scheibenzwischenraum verkleinern).
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In 1 ist
der durch Gaswärmeleitung in einem 1 mm dicken, mit Luft
gefüllten Spalt verursachte Wärmedurchlasskoeffizient
gegen den Gasdruck aufgetragen. Es ist zu sehen, dass bei einem Gasdruck
kleiner als 10–3 hPa die Gaswärmeleitung weitgehend
unterdrückt ist. In Doppelverglasungen verbessern somit
evakuierte Scheibenzwischenräume mit einem typischen Scheibenabstand
von ca. 1 mm deutlich die Isolationseigenschaften.
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Die
Aufnahme des äußeren Atmosphärendrucks
von 103 hPa erfolgt über kleine
Stützen, die zwischen die Glasscheiben gesetzt werden.
Der Randverbund aus Glaslot oder verschweißten Metallfolien
soll das Vakuum über Jahrzehnte hinweg aufrechterhalten.
Ausgasungen und Lecks können jedoch die Güte des
Vakuums und folglich die Dämmeigenschaften des Fensters
beeinträchtigen. Daher ist eine ständige Qualitätskontrolle,
sowohl während der Produktion als auch nach dem Einbau,
erforderlich. Das erfindungsgemäße Druckmessverfahren bewerkstelligt
dies mit nur geringem Arbeits- und Zeitaufwand.
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Derzeit
verfügbare Drucksensoren für abgeschlossene Systeme
mit starren Oberflächen müssen per Vakuumflansch
direkt mit dem Gefäß verbunden werden, in dem
der Druck gemessen werden soll. Ein evakuiertes Fenster stellt ein
abgeschlossenes System dar, dessen innewohnender Gasdruck von außen
ohne direkte Verbindung gemessen werden soll. Zudem darf die Optik
des Fensters durch das Messverfahren nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
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[Stand der Technik]
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Membran-Vakuummeter
werden seit 1929 für die Messung von Gasdrücken
in evakuierten Systemen benutzt. Es gibt verschiedene Gerätetypen, die
auf unterschiedlichen Methoden der Signalaufnahme beruhen. Der eigentliche
Sensor besteht aber bei allen Geräten aus einem Metallgehäuse,
das durch Einschweißen, Kleben oder Löten einer
metallischen oder keramischen Membran gasdicht verschlossen wurde.
Das Gehäuseinnere wurde auf einen bestimmten Referenzdruck
p0 evakuiert. Je nach dem wie groß die
Druckdifferenz zwischen Referenzkammer und Rezipient ist, beult
sich die Membran entsprechend aus.
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Diese
Verformung der Membran kann beispielsweise mittels Hebelsystem auf
einen Zeiger übertragen werden (Kapselfeder-Vakuummeter)
und somit mechanisch detektiert werden. Eine elektronische Möglichkeit
der Signalaufnahme bieten der piezo-resistive und piezo-elektrische
Effekt, wobei durch Krafteinwirkung eine entsprechende Widerstandsänderung
hervorgerufen wird bzw. eine Ladungsverschiebung stattfindet, die
als Spannungssignal aufgenommen werden kann. Von besonderer Bedeutung
ist heute der kapazitive Wegaufnehmer. Hierfür bildet eine
Metallmembran zusammen mit zwei Elektroden, die auf eine gegenüberliegende
Keramik aufgedampft sind, einen Kondensator. Durch Verbiegen der
Membran ändert sich der Abstand der Kondensatorplatten
und somit die Kapazität. Diese druckbedingte Kapazitätsänderung
wird in ein lineares Gleichspannungssignal umgewandelt und an den Elektroden
abgegriffen. Mit den vorhandenen Kapazitäts-Vakuummetern
können jeweils 3 Zehnerpotenzen des Druckes gut erfasst
werden.
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Bei
konstanten Abmessungen ist der Messbereich eines Membran-Vakuummeters
abhängig von der Dicke der Membran. Je niedriger der Messbereich
sein soll, umso dünner muss die Membran sein. Mit entsprechend
niedrigem Referenzdruck ist das Messverfahren mittels Membran-Vakuummeter gut
geeignet für VIG.
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Bei
den handelsüblichen Membran-Vakuummetern unterteilt die
Membran das Sensorgehäuse in zwei Kammern. Die eine stellt
die Referenzseite dar, die andere ist per Vakuumflansch mit dem
Rezipienten verbunden. Vakuumisolierglas stellt jedoch ein für sich
abgeschlossenes System dar, dessen äußeres Erscheinungsbild
und die Gasdichtigkeit durch zusätzliche Schweißnähte
und Kabeldurchführungen nicht beeinträchtigt werden
dürfen.
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[Aufgabe der Erfindung]
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Aufgabe
der Erfindung ist, die Gasdruckmessung in Vakuumverglasungen mittels
eines Membran-Vakuummeters zu ermöglichen. Dabei genügt
es oft, wenn die Membran lediglich anzeigt, ob der Gasdruck des
Systems oberhalb eines gewissen Grenzwertes liegt oder nicht.
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Um
eine zerstörungsfreie Messung zu gewähren, wird
der Sensor, bestehend aus einem mit einer Membran versiegelten Gehäuse,
erfindungsgemäß bei der Produktion der Verglasung
direkt in den Scheibenzwischenraum integriert (siehe 2)
Dabei wird er vorzugsweise an mindestens einer Stelle fest mit der
eigentlichen Verglasung verbunden, um einerseits die ständige
Sichtbarkeit und Qualitätskontrolle sicherzustellen und
um andererseits Beschädigungen an der Membran durch Erschütterungen
zu vermeiden. Die Orientierung und Form des Sensorgehäuses
ist beliebig, es ist nur wichtig, dass die äußere
Seite der Membran in Kontakt mit dem gesamten Spaltvolumen steht.
Den Boden der Referenzkammer kann zum Beispiel auch eine Glasscheibe des
Fensters bilden, wenn die Gefäßwände
vakuumdicht damit verschweißt sind (2, rechts).
Falls das Gehäuse beide Glasscheiben berührt (2, links),
sollte unbedingt ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit
gewählt werden, um einen zusätzlichen Wärmeeintrag
möglichst gering zu halten. Des weiteren empfiehlt es sich,
dass sowohl das Gefäß als auch die Membran niedrige
und zudem ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzen, damit Messfehler aufgrund von äußeren
Temperatur schwankungen minimiert werden. Denkbar sind metallische
und keramische Membranmaterialien.
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Im
Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Methoden zur Signalaufnahme
muss hier ein berührungsloses Verfahren angewendet werden.
Beispielsweise kann die Durchbiegung einer metallischen Membran
durch Interferenz eines an ihr reflektierten Laserstrahls bestimmt
werden. Die Ausbeulung der Membran kann auch optisch ermittelt werden.
Empfehlenswert ist, das Sensorsystem so einzustellen, dass die Membran
bei einem gewissen Druckunterschied zwischen Rezipient und Referenzkammer
zerstört wird, nämlich dann, wenn der zulässige
Höchstdruck von 10–3 hPa
im VIG überschritten wird. Dies stellt eine einfache und
zuverlässige Kontrolle der Dämmeigenschaften des
Fensters für den Endverbraucher dar. Es muss jedoch darauf
geachtet werden, dass die beiden Glasscheiben das Platzen der Membran
nicht verhindern können, dass das Bersten also noch vor
dem Berühren einsetzt.
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[Ausführungsbeispiel 1]
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Ein
Edelstahltöpfchen mit einem äußeren Durchmesser
von 1 mm und einer Höhe von 1 mm wird entsprechend des
linken Beispiels in 2 in eine untere Ecke einer
Vakuumverglasung zwischen die Scheiben gesetzt. Eine tellerförmige
keramische Membran mit einer Dicke von 25 μm ist auf einem Edelstahlgefäß gasdicht
befestigt und schließt einen Referenzdruck von p0 = 10–5 hPa
ein und somit vom evakuierten Fensterspalt ab. Das durch den Druckanstieg
im Spalt verursachte Verbiegen der Membran wird optisch detektiert.
Beim Überschreiten von 10–3 hPa
zerplatzt die Membran.
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[Ausführungsbeispiel 2]
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Ein
hohles Glasfaserkabel mit dem Außendurchmesser 2 mm und
der Höhe 0,5 mm wird analog zu 2 (rechts)
auf die unbeschichtete Scheibe einer Vakuumverglasung geschweißt,
so dass die Glasscheibe den Boden der Referenzkammer mit p0 = 10–4 hPa
bildet. Eine 50 μm dicke Membran aus Invar (Eisen-Nickel-Legierung)
ist auf das andere Ende des Glasröhrchens gelötet.
Mittels eines an der Membran reflektierten und interferierenden
Laserstrahls wird der durch die Membranverbiegung veränderte Gangunterschied
ermittelt.
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- 1
- gasdichter
Randverbund
- 2
- Glasscheiben
- 3
- evakuierter
Scheibenzwischenraum
- 4
- Stützen
der Vakuumverglasung
- 5
- biegsame
Membran
- 6
- gasdichtes
Gefäß mit Referenzdruck p0
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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