DE102010021127A1

DE102010021127A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Mehrscheiben-Isolierglas mit einer Hochvakuum-Isolierung

Info

Publication number: DE102010021127A1
Application number: DE102010021127A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Friedel; Dr. Leitmeier Stephan
Original assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-22
Also published as: WO2011144204A2; US20130140347A1; US8944308B2; DE102010021127B4; WO2011144204A3

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines flächenförmigen wärmeisolierenden Bauelements aus zwei flächenförmigen Baustoffelementen mit den folgenden Merkmalen: Eine Wascheinrichtung und eine folgende Trockeneinrichtung, eine Heizeinrichtung zum Vorwärmen einer Glasscheibe und eine Auflegeeinrichtung von Metall-Dichtungsstreifen auf eine Glasscheibe eine Ultraschall-Löteinrichtung, die die auf eine Glasscheibe aufgelegten Metall-Dichtungsstreifen entlang des Umfangs mit einer Glasscheibe vakuumdicht verlötet, einem Setzautomat zum Einlegen von Abstandhaltern und Getter auf die Glasscheibe in einem Muster, einer Plasma-Sputter-Reinigungseinrichtung in einer Vakuumkammer

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Mehrscheiben-Isolierglas mit einer Hochvakuum-Isolierung, genannt Vakuum-Isolierglas oder VIG.
Im Normalfall wird es sich hierbei um das Aneinanderfügen zweier oder mehrerer parallel ausgerichteter Glasplatten handeln, die zusammen eine wärmeisolierende Glasfläche z. B. an Bauwerken, Fahrzeugen, Kühl- und Heizmöbel oder Gebrauchsgegenständen bilden. Ein anderer Fall betrifft das Zusammenfügen einer Glasplatte mit einem Blechrahmen zur Herstellung eines Solarthermie-Moduls. Es sind jedoch auch anders geformte Bauteile denkbar, die ein vakuumdichtes Aneinanderfügen von Glasplatten mit anderen Materialien erforderlich machen.
In der Baubiologie wird die Oberfläche eines Hauses, also die gesamte Außenfläche die gegen die Unbilden der Witterung schützt, als die dritte Haut des Menschen bezeichnet, wobei die normale Bekleidung als die zweite Haut angesehen wird. Die Teile der Oberfläche eines Hauses, die nicht lichtdurchlässig gestaltet werden, lassen sich relativ einfach und preiswert soweit dämmen, dass nur ein vernachlässigbarer Wärmeverlust zu verzeichnen ist. Ganz anders ist das jedoch bei den Fenstern eines Hauses. Hier wird neben der normalen Lichtdurchlässigkeit eine zusätzliche Wärmdämmung gefordert.
Die 2012 in Kraft tretende Wärmeschutzverordnung EN2012 verlangt eine Wärmedämmung der Fenster, die nur entweder durch Einsatz einer konventionellen 3fach-Isolierglasscheibe oder mittels VIG-Scheiben zu realisieren ist.
Ein großes Problem stellt bei diesen VIG-Scheiben die Herstellung eines langzeitstabilen und ausreichend hochvakuumdichten Randverbundes dar. Die bisher bei Vakuumisolierglas in der Praxis verwendete Glas-Glas-Verbindung durch Glaslot wird hier nicht betrachtet, da dieser Randverbund starr ist und bei diesen bisherigen Verfahren somit größere geometrische Abmessungen der Scheiben bei gleichzeitig guten Wärmedämmwerten nicht erreichbar sind.
Angestrebt wird eine Glas-Metall-Glas-Verbindung, da diese beiden Materialien einen flexiblen hochvakuumtauglichen gasdichten Verbund ermöglichen. Prinzipielle Verfahren zur Herstellung solcher Glas-Metall-Verbindungen sind z. B. Ultraschallschweißen, Ultraschalllöten, die verschiedenen Möglichkeiten einer Druck-Diffusions-Verbindung oder die Verwendung von Glas- und Metallloten in Verbindung mit Beschichtungen auf dem Glas und/oder dem Metall.
Mittels Ultraschallschweißen lassen sich zwar mechanisch stabile Glas-Metall-Verbindungen erzielen, jedoch ist bei diesem Verfahren die Prozesssicherheit, vor allem bei Verbindungen auf Strecken im Längenbereich mehrerer Meter, problematisch. Aufgrund der inhomogenen Erwärmung und/oder verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergibt sich eine unterschiedliche thermische Ausdehnung von Glas und Metall bei der Einkopplung von Energie beim Ultraschallschweißprozess. Es entstehen folglich thermomechanische Spannungen, die bei längeren Schweißnähten zu Beschädigungen der Glasoberfläche und damit zu Undichtigkeiten führen können. Die Verwendung weicher Metalle wirkt sich beim Ultraschallschweißprozess günstig aus und reduziert die in der Fügung auftretenden thermischen Spannungen. Jedoch lassen sich weiche Metalle nur mit geringerer Energie schweißen. Dies führt zu einer reduzierten Anhaftung am Glas, so dass sich auch hiermit keine (hoch) vakuumdichten Verbindungen mit ausreichender Prozesssicherheit darstellen lassen.
Die bekannten Druck-Diffusions-Verfahren erfordern einen hohen verfahrenstechnischen Aufwand und zudem sehr hohe Glastemperaturen über einen längere Zeitraum. Damit sind weder effektive Glas-Beschichtungen zur Senkung des Wärmestrahlungsdurchganges („soft coatings”) einsetzbar, noch sind getemperte Scheiben (ESG) und/oder laminiertes Glas (VSG) verwendbar.
Bei der Verwendung von Glas- oder Metallloten muss vor dem Löten zunächst eine Zwischenlage bzw. Beschichtung auf die Glasscheibe und/oder auf das Metall als Haftpartner der Glas-Metall-Verbindung zur Erzielung einer gasdichten Benetzung aufgebracht werden, denn Flussmittel können wegen ihrer unvermeidbaren Ausgasung im Bereich von Hochvakuum-Anwendungen nicht verwendet werden. Anschließend werden die Haftpartner mit dem Lot dazwischen aufeinander gelegt und unter Einfluss von Druck und Temperatur verlötet. Hierzu ist jedoch eine relativ aufwändige Verfahrenstechnik notwendig, um einerseits die notwendige Wärme gleichmäßig über die ganze Fläche und damit stressfrei für das Glas einzukoppeln und andererseits den Anpressdruck homogen aufzubringen. Zudem gilt es Oxidationen an den Oberflächen der beteiligten Werkstoffe, insbesondere an Metallen und im Lot durch Vakuum- oder Schutzgasatmosphäre etc. zu vermeiden. Durch Legierung mit seltenen Erden, Metallen und Halbmetallen kann einerseits die Schmelztemperatur des Lotes deutlich abgesenkt werden, andererseits wird durch ein solches Aktivlot die Benetzungsfähigkeit erhöht, was die Bildung vakuumdichter Glas-Metall-Verbindungen erleichtert. Solche Beimischungen sind aber teilweise sehr teuer und vielfach ist es auch in Hinblick auf Nachhaltigkeit fraglich, wie lange die weltweit knappen Ressourcen den Einsatz bei Massenprodukten wie Isolierglasfenster zulassen.
Durch das Verfahren des erfindungsgemäßen Ultraschalllötens lassen sich prinzipiell sowohl Glas als auch Metalle sehr gut benetzen. Die Einkopplung des Ultraschalls in das Lot führt zu einer Zerstörung von Oxiden bzw. Oxidhäuten oder -schichten die sich an der Oberfläche von Lot und Glas bilden und den Lötvorgang behindern. Durch die Ultraschallenergie wird dabei das Lot selbst in kleinste Kavitäten gepresst, die sonst nicht zugänglich wären und mögliche Leckagen bilden könnten. Auch Ultraschalllöten kann unter Verwendung von Aktivlot erfolgen. Eine weitere Alternative besteht im Ultraschalllöten mit zusätzlicher Beschichtung. Durch solche Maßnahmen wird die Verarbeitbarkeit weiter verbessert.
Aus der EP 1 978 199 A1 als nächstem Stand der Technik ist ein Vakuumisolierglas-Bauelement sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung bekannt. Diesem Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, VIG-Bauelemente zu schaffen, die zum einen deutlich bessere Wärmedämmwerte als gutes Zweischeibenisolierglas erreichen, und die andererseits dabei nur einen Herstellungsaufwand erfordern, der zumindest nicht wesentlich über dem eines guten Zweischeibenisolierglases liegt. Ferner sollen die VIG-Bauelemente thermomechanische Spannungen, die im Einsatz durch unterschiedliche Temperaturen der beiden Einzelscheiben auftreten, erheblich besser aufnehmen können als herkömmliches VIG und damit eine zuverlässige Langzeitlebensdauer erreichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Vakuumisolierglas-Bauelement mit einer ersten Glasscheibe und einer zweiten Glasscheibe die über Abstandhalterelemente aneinander abgestützt sind und zwischen sich einen dünnen evakuierten Zwischenraum einschließen sowie an ihren Rändern durch einen vakuumdichten Randverbund verschlossen sind. Dieses Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, dass der Randverbund aus Metallfolienstreifen hergestellt ist, von denen erste Metallfolienstreifen mit den Rändern der ersten Glasplatte vakuumdicht verbunden sind und zweite Metallfolienstreifen mit den Rändern der zweiten Glasplatte vakuumdicht verbunden sind und die über die Randkanten der jeweiligen Glasplatte überstehenden Bereiche der ersten und zweiten Metallfolienstreifen miteinander verschweißt sind.
Als Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements wird in dieser Druckschrift beansprucht, dass die vorbereiteten Glasscheiben mit den daran angebrachten Metallfolienstreifen in eine Vakuumkammer eingebracht und darin aufeinander gelegt werden, wobei das Verschweißen der Metallfolienstreifen innerhalb einer Vakuumkammer mittels eines außerhalb der Vakuumkammer erzeugten und im wesentlichen entlang der Metallfolienstreifen bewegten Laserstrahls erfolgt, der durch linienförmig verlaufende Fenster in die Vakuumkammer eingetragen wird.
Dieses bekannte Verfahren, bzw. die entsprechende Vorrichtung, ermöglichte bislang jedoch kein zufriedenstellendes Ergebnis, da hier die Glas-Metall-Verbindung entweder durch Ultraschallschweißen oder durch Glaslot-Löten erzeugt wurde, und deshalb die oben beschriebenen Nachteile zu Tage traten. Zudem wurden einige Details, welche für den Gesamtprozess der VIG-Herstellung wichtig sind, dort nicht behandelt bzw. berücksichtigt.
Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein flächenhaftes vakuumisolierendes Bauelement mit einem eingeschlossenen Hochvakuum zu schaffen, bei dem sich auch bei großen geometrischen Abmessungen eine industrielle Herstellung mit geringem Energie- und Kostenaufwand prozesssicher realisieren lässt, wobei die Langzeitstabilität des eingeschlossenen Hochvakuums und die Bruchsicherheit des Bauelements gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, bzw. einem Verfahren nach Anspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen dabei im Einzelnen:
1: eine Wascheinrichtung und eine Trockeneinrichtung einer Glasscheibe
2: eine Heizeinrichtung für eine Glasscheibe
3: eine Auflegeeinrichtung für Metallstreifen
4: die Anordnung der Metallstreifen am Glas
5: eine Ultraschall-Löteinrichtung (Lötkolben)
6: eine Löteinrichtung mit einem Ultraschall-Lötrad
7: eine Glasscheibe mit oben angelöteten Metall-Dichtstreifen
8: das Muster der Stützen und die Funktion der Shuttleplatte
9: zwei Varianten der Auflegeeinrichtung für Abstandhalter
10: Verschiebeshuttle beim Sputtern in der Vakuumlinie
11: das Auflegen des Deckglases in der Vakuumlinie
12: die Laser-Schweißeinrichtung in der Vakuumlinie
13: verschiedene Anordnung der Metallstreifen vor und nach dem Bördeln
14: verschiedene Varianten der Zungen an den Metallstreifen zum Ultraschalllöten
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht auf der Verwendung einer Glas-Metall-Lötvorrichtung mit Ultraschall-Unterstützung und darin, dass eine spezielle Strukturierung eines Haftpartners die Einkopplung der verwendeten Ultraschallenergie so erleichtert, dass sie das darunter liegende Lot in ausreichendem Maß erreicht. Diese Strukturierung, wie unten in 14 an Beispielen verdeutlicht, unterteilt den betreffenden Haftpartner in kleinere Abschnitte 17. In diesem Fall sind das die Metallstreifen 7, welche als Applikat zwischen Glasscheibe 1 und der Ultraschallquelle (Ultraschalllötkolben 12) oben auf der Glasscheibe 1 liegen. Die Eigenfrequenz dieser kleineren Abschnitte 17 ist hierbei derart ausgebildet, dass sie durch die Einkopplung eines Ultraschallsignals auch mit geringer Energie in Schwingung versetzt werden und diese Schwingung an das Lot weitergeben können. Die Eigenfrequenz dieser Abschnitte wird zur Erzielung einer optimalen Energieübertragung bevorzugt so gewählt, dass sie in Resonanz mit der Anregungsfrequenz oder deren Harmonische des Ultraschallsignals liegt. In bevorzugter Ausführungsform können diese Abschnitte auch so gewählt sein, dass ihre Hauptabmessungen in Resonanz mit der Anregungsfrequenz des Ultraschallsignals gehen und an ihnen zusätzlich strukturierte Mikrolamellen mit den Harmonischen der Anregungsfrequenz.
Durch diese Wahl der Strukturierung ist es sogar möglich, das Lot durch den oben befindlichen Haftpartner hindurch zu applizieren. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig das Lot vorher zwischen die Haftpartner einzubringen, sondern das Lot wird, gewissermaßen über die Abschnittsgrenzen des oben liegenden strukturierten Haftpartners, mittels der solcherart angebotenen Lotspalte, in den Zwischenraum zwischen den beiden Haftpartnern, also z. B. hier dem Glas und dem Metall, eingesaugt. Die auf diese Weise entstehende Verbindung der beiden Haftpartner ist gasdicht. Deshalb kann das Lot auch beispielsweise über die Spitze eines Ultraschalllötkolbens eingebracht werden.
In 1 ist von der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Wascheinrichtung 4 einer Glasscheibe 1 und eine nachfolgende Trockeneinrichtung 3 im Querschnitt dargestellt. Die Glasscheibe 1 wird hierbei von einer Transporteinrichtung 2 aus z. B. einem nicht dargestellten Lager entsprechend der gezeigten Pfeilrichtung in den Herstellungsprozess auf Rollen befördert. Die im Lager liegenden Glasscheiben 1 sind an den Kanten auf ihr Sollmaß zugeschnitten. Vorteilhaft dabei ist der Glaszuschnitt mit einem Laser, denn diese Maßnahme verbessert durch die Vermeidung von Mikrorissen die Bruchsicherheit dieser Glasscheiben 1. Die Glasscheibe 1 durchläuft zuerst die skizzierte Wascheinrichtung 4 um dann nach der Passage eines Zwischenbereichs in die Trockeneinrichtung 3 zu gelangen. Die im warmen Waschwasser enthaltene Wärmeenergie wird hierbei im Glas gespeichert und zur Verbesserung der Energiebilanz des gesamten Herstellungsprozesses verwendet. Die Einrichtungen sind schematisch dargestellt. So kann die in der 1 senkrecht eingefügte Trennlinie in der Praxis einer größeren räumlichen Entfernung zwischen der Wascheinrichtung 4 und der Trockeneinrichtung 3 entsprechen. Die Transporteinrichtung 2 kann mittels Rollen, Rädern, Riemen, Wagen, Bahnen oder anderen Transportmitteln wirken. Die Wascheinrichtung 4 kann auf der Basis Sprühen, Bürsten oder Schwamm-Wischen entsprechend dem Stand der Technik für Glasscheiben Waschmaschinen aufgebaut sein. Nach dem Verlassen der Trockeneinrichtung ist die Glasscheibe 1 vorgewärmt.
In der 2 ist eine Heizeinrichtung einer gemäß 1 gesäuberten Glasscheibe 1 perspektivisch dargestellt. Neben der bekannten Transporteinrichtung 2 ist im Randbereich der Glasscheibe 1 eine Heizung 5 dargestellt, die entsprechend zur Geometrie der Glasscheibe 1 gerichtet und/oder bewegt werden kann. Die Richtung des Transports der Glasscheibe 1 ist von links nach rechts. Im mittleren Bereich der Heizeinrichtung befinden sich zwei Grund-Heizungen 6, die zusammen mit den Rand-Heizungen 5 eine Erwärmung der Glasscheibe 1 ermöglichen. Die Anzahl und Größe der Grund-Heizungen richtet sich nach der Gesamtlänge der jeweiligen Glasscheibe 1.
Die Anordnung der Heizeinrichtungen kann auf beiden Seiten, z. B. bei horizontalem Aufbau der Heizeinrichtung unterhalb und/oder oberhalb, der Glasscheibe 1 erfolgen. Es sind sowohl flächig wirkende Heizungen 5, 6 wie Heizplatten, Infrarotstrahler, Gebläseheizungen etc. wie auch gerichtet wirkende Heizungen 5, 6 z. B. Infrarotstrahler, Laserstrahl, Mikrowelle vorgesehen. Durch die Kombination dieser verschiedenen Heizeinrichtungen, die an verschiedenen Orten aufgebaut sind und unterschiedlich auf die Glasscheibe einwirken, wird erreicht, dass der im nachfolgenden Schritt zu lötende Scheibenrand auf die für den Lötprozess benötigte Grundtemperatur erhitzt wird, während der innere Bereich der Scheibe in den Abmessungen definiert und nur soweit erwärmt wird, dass die temporären Temperaturunterschiede und die damit erzeugten temporären Zug- und Druckspannungen in der Glasscheibe 1 nicht zum Bruch der Scheibe führen. In dem Einstellen der inneren Scheibentemperatur wird berücksichtigt, dass zwischen dem heißen Scheibenrand (ca. 200°C) und dem inneren Bereich der Glasscheibe 1 ein maximaler Temperaturunterschied von etwa 80°C nicht überschritten wird. Dabei muss der unterschiedlichen Auskühlung der Scheibe zum Rand und zu den Ecken hin entgegengesteuert werden.
Ein wesentlicher Vorteil dieser modellierten Heizung ist durch die niedrigeren Temperaturen der Scheibenflächen auch die Einsparung von Heiz- und Kühlenergie bei der Herstellung der Bauelemente.
Die benötigte Grundtemperatur hängt dabei unter Anderem von der Dauer zwischen dem Erwärmen und dem Lötprozess, dem verwendeten Lot und den spezifischen Parametern des Lötprozesses ab.
3 zeigt eine Auflegeeinrichtung für Metallstreifen, die später mit der Glasscheibe 1 vakuumdicht verbunden werden. Die Auflege-Positionier-Einrichtung 8 kann hierbei die betreffenden Metallstreifen 7 zum Beispiel mittels Saugnäpfen oder Magneten aus einem entsprechenden Lagerplatz aufgreifen, in die gewünschte Position bringen und dort absetzen und so fixieren, dass der Metallstreifen noch ca. 10 mm auf dem Scheibenrand aufliegt und ca. 30 mm über die Scheibe hinaus nach außen übersteht. Dies wird mittels der dargestellten Gelenkverbindungen der Auflege-Positionier-Einrichtung 8 versinnbildlicht. Die Transporteinrichtung 2 ist hier beispielsweise als ein Fließband gezeichnet.
Eine weitere Möglichkeit die Streifen bereitzustellen ist, diese von der Rolle abzuwickeln, abzulängen und dabei auf den Glasrand aufzulegen.
Alternativ zu Metallstreifen je Scheibenkante kann auch ein fertig gestelltes Metall-Passepartout in gleicher Weise aufgelegt werden. Dieses Passepartout kann aus dem vorherigen Zusammenfügen von 4 Blechstreifen oder durch Ausschneiden aus einer Blechtafel erzeugt sein.
Bei diesem Auflegen der Dichtstreifen 7 bzw. des Passepartout kann zusätzlich mit einer wärmefesten Klebetechnik der Dichtstreifen an der Glasscheibe neben bzw. entlang der späteren Lötlinie fixiert werden, wobei, aus Gründen der Ausgasung, der Kleber auf der Außenseite, zum Scheibenrand, und die Lötversiegelung dann auf der, der Vakuumfüllung zugewandten, Innenseite angebracht ist.
Wie in 4 dargestellt ist, besteht eine weitere Möglichkeit darin, dass, die Metallstreifen 7 nicht wie in 40 von unten gesehen gezeichnet am äußeren Rand auf die Glasscheibenoberseite 1 gelötet werden, sondern die Lötverbindung 42 wird wie in 41 dargestellt seitlich an der Kante der Glasscheibe 1 ausgeführt. Der Blechstreifen 7 wird dann bündig zur Scheibenoberfläche nach außen umgeknickt.
Als Material für die Metallstreifen bzw. für das Passepartout eignen sich alle ausreichend flexiblen gasdichten und hochvakuumtauglichen Werkstoffe, darunter auch viele Metalle: Meist wird eine Eisen-Nickel-Legierung gewählt, die im Ausdehnungskoeffizienten an das zur Herstellung der Glasscheibe 1 verwendete Glas angepasst ist. Es kann aber auch ein thermisch weniger angepasstes Metall Verwendung finden, solange dieses ausreichend weich ist bzw. weichgeglüht werden kann, z. B. Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Zinnblech (Stanniol), Weißblech, Blei etc. und deren Legierungen.
Als Material für die Glasscheibe 1 wie auch 22 eignet sich jedes Glas, welches für mehrere Minuten Temperaturen von 200 Grad Celsius ohne Schaden widerstehen kann. D. h. normales Fensterglas bzw. Kalknatron-Glas ist genauso möglich wie Borosilikatglas, getempertes Einscheibensicherheitsglas (ESG), laminiertes Mehrscheibenverbundsicherheitsglas (VSG), chemisch gehärtetes Glas und auch viele Funktionsgläser und schaltbare Gläser. Auch beschichtete Gläser, deren Beschichtungen bis 200 Grad Celsius beständig sind, sind geeignet und für das VIG bei allen vorstehend beschriebenen Scheibenarten auch vorgesehen, um gute Wärmedämmwerte zu erreichen.
Vorgesehen sind hier auch an die geplante Verwendung der VIG-Einheit angepasste Kombinationen, z. B. Innenscheibe aus VSG und Außenscheibe aus ESG, z. B. für Dachverglasungen.
Es muss angemerkt werden, dass die erfindungsgemäße Vorgehensweise nicht nur zur Herstellung planer und rechteckiger Vakuumisolierglasscheiben geeignet ist: Mit geringer dem Stand der Technik entsprechender Modifikation, insbesondere der Transporteinrichtungen und der Positioniereinrichtungen, können beliebige Scheibengeometrien zu VIGs verarbeitet werden. Dies ist sowohl bei planem Glas als auch bei bereits vorher gebogenen Scheibenpaaren ausführbar. Somit ist den Anforderungen nach Schrägfenstern, Bogenfenstern, Bullaugen wie auch nach beliebigen Fahrzeugverglasungen etc. Rechnung getragen.
Der Übersichtlichkeit halber wird in der vorliegenden Ablaufbeschreibung aber von planen und rechteckigen Scheiben ausgegangen.
In 5 ist eine Ultraschall-Löteinrichtung unter Verwendung eines Ultraschall-Lötkolbens 12 im Querschnitt dargestellt. Die beheizte Spitze des Lötkolbens 12 stellt die Sonotrode zur Einkopplung der Schallwellen in das aufgetragene Lot 14 dar. Der Lötkolben 12 wird entlang der Haftlinie am Scheibenrand 1 auf, bzw. an, dem über eine nicht gezeichnete Fixiervorrichtung gehaltenen Blechstreifen 7 mit typischen Lötbewegungen z. B. Schleifentupfen relativ zur Glasscheibe 1 in Pfeilrichtung bewegt, z. B. von einem nicht gezeichneten Roboter geführt, oder die Glasscheibe wird unter dem fix stehenden Lötkolben in entgegengesetzter Richtung transportiert.
Auf einer entsprechenden Arbeitsunterlage 9 liegt hier die betreffende Glasscheibe 1. Eine im Querschnitt dargestellte Heizeinrichtung 10 dient von oben und/oder unten der zusätzlichen Aufheizung des Bereichs der Glasscheibe 1, auf den der betreffende Metallstreifen 7 aufgelötet wird. Zusätzlich dient die Heizvorrichtung 10 von oben zur Glättung der Lötnaht, um die Auftragsdicke zu minimieren. Die Heizvorrichtung 10 kann auch noch nachgeschaltete Heiz- und Kühlregister beinhalten, um das Abkühlen des Glases 1 und des Metallstreifens 7 nach dem Löten zeitlich kontrollieren zu können um zu hohe Spannungen zu vermeiden. Mittels der Lotzufuhr-Einrichtung 11 wird die jeweils benötigte Menge an Lot 14 zugeführt. Dieses Lot wird in der Zuführeinrichtung 11 bereits auf Verarbeitungstemperatur vorgeheizt. Die Lotzufuhr-Einrichtung 11 kann auch in den Lötkolben integriert sein. Mit Hilfe einer Sensor-Einrichtung 13 wird der Lötvorgang überwacht. Dies kann optisch und/oder automatisiert geschehen, wobei elektronische Mustererkennung (pattern recognition) angewendet werden kann.
6 zeigt eine alternative Löteinrichtung mit einem Lötrad 15. Das beheizte und als Sonotrode ausgebildete Lötrad 15 ist hier leicht perspektivisch dargestellt in Entsprechung zu der in der Ausgestaltung angepassten Heizeinrichtung 10 für den Löt- und Glättvorgang. Die übrigen Details entsprechen der Darstellung in der 5.
In 7 ist eine Glasscheibe 1 mit ihren rundum angelöteten Metall-Dichtungsstreifen 7 zu erkennen. In den Eckbereichen und an Trennstellen, die im Besonderen bei Glasscheiben mit einer großen räumlichen Ausdehnung auftreten können, sind entsprechende Lötfugen 16 bezeichnet. Damit ist aus den Metallstreifen 7 ein Metallrahmen oder Metallfolien-Passepartout geworden. Die Lötfugen 16 können anstelle durch Löten auch durch eine andere Vakuumtaugliche Metall-Metall-Verbindung z. B. Schweißen verbunden werden, je nach Material der Dichtstreifen 7 und je nach eingesetzter Verbindetechnik in der Vakuumkammer, Laserschweißen 24 oder Löten.
Alternativ kann vorab ein fertiges oder nur noch an einer Seite offenes Metall-Passepartout erstellt sein, welches dann auf die Glasscheibe analog zu obiger Beschreibung aufgelötet wird. Dadurch entstehen die Lötfugen 16 ganz oder teilweise.
In der Abfolge von 1 bis 6 ist das Anlöten des Metall-Passepartouts bzw. -Rahmens aus den Metallstreifen 7 an die untere Glasscheibe 1 beschrieben. In gleicher Weise wird jetzt auch die obere Glasscheibe 22 mit einem Metall-Rahmen versehen.
Im nächsten Schritt werden auf die mit dem Metall-Rahmen umrahmte untere Glasscheibe 1 Abstandshalter 19 gesetzt. Diese Abstandshalter, auch Stützen genannt, sorgen dafür, dass der luftleere Zwischenraum der VIG-Scheibe nicht durch den äußeren Luftdruck zusammengedrückt wird.
Bei den in 8 und 9 gezeigten Abstandshaltern 19 handelt es sich z. B. um. Zylinder, Hohlzylinder, Quader, Prismen, Pyramiden, Pyramidenstümpfe, Kugeln, Halbkugeln aus Metall, Graphit, Glas oder Keramik. Auch komplexe zusammengesetzte Formen und/oder Werkstoffe für die Abstandshalter 19 sind denkbar. Die Abstandshalter 19 können intrinsisch oder durch spezielle Behandlung magnetische Eigenschaften haben. Die Abstandshalter 19 werden in einem definierten Muster bzw. Raster auf die Glasoberfläche platziert.
Die Höhe der Abstandshalter 19 beträgt bei 4 mm Glasdicke ca. 0,7 mm, der Durchmesser ca. 0,5 mm, der Rasterabstand ca. 30 mm, so dass pro Quadratmeter ca. 1000 Abstandshalter 19 zu setzen sind. Diese Maße können stark variieren, je nach Glasdicke oder auch bezüglich individueller Anforderungen an die Sichtbarkeit der Abstandshalte 19. So können z. B. auch dickere Abstandshalter bei größerem Abstand oder dünnere bei kleinerem Raster eingesetzt werde.
Als Muster wurde bei früheren vorgestellten Vakuumisolierglasscheiben der Einfachheit halber ein zweidimensionales quadratisches Gitter bzw. Raster definiert.
Wie in 8 dargestellt, wird hier erfindungsgemäß eine neues Muster 43 in Form eines zweidimensionalen hexagonalen Gitters bevorzugt. Das Gitter kann zudem entlang einer oder beider Hauptachsen gestaucht oder gedehnt sein, um eine Anpassung an die Scheibendimensionen zu erreichen. Zudem werden, wie in 44 gezeigt, die Positionen der einzelnen Stützen um die Gitterpositionen optional wahlweise zufällig oder definiert variiert: Zum Ersten ergibt ein solches Muster die optimale Lastverteilung der Abstandshalter 19 für die Glasscheiben. Zum Zweiten wird eine erstaunlich geringere Sichtbarkeit erreicht, da speziell im Vergleich zum einfachen rechteckigen Muster, Periodizitäten des Setzmusters in Form durchlaufender gerader Linien in den Stützenreihen nunmehr deutlich weniger erkennbar werden. Zum Dritten wird die Periodizität des zugrundeliegenden Gitters durch Variationen gebrochen, d. h. es gibt keine mathematisch regelmäßige Wiederholung des Rasters, sondern die Abstände bzw. die Schenkel der Dreiecke des Rasters werden bewusst variiert. Damit wird verhindert, dass bei der Schallübertragung durch die Scheibe resonant bestimmte Schallfrequenzen bevorzugt übertragen werden.
Auch bei der Fixierung der Abstandshalter 19 werden neue Wege beschritten, wie in 8 dargestellt ist. Während bei früheren Lösungen die Abstandshalter 19 mit einem Klebstoff wie z. B. Wasserglas an einer Scheibe fixiert wurden, kann hier auf den Einsatz von Klebstoff verzichtet werden: Während der gesamten Fertigung der VIG-Scheibe bleibt die Position der unteren Glasscheibe 1 mit einer Platte bzw. einem Shuttle 46 fest verbunden. In diese Platte 46 eingelassen sind Fixierelemente 45, genau in dem Muster 44 entsprechend dem die Abstandshalter 19 auf die Glasscheibe 1 gesetzt werden sollen. Diese Fixierelemente 45 können z. B. Stabmagnete (z. B. NdFeB, SmCo, Ferrit) oder Elektromagnete sein, aber auch andere Elemente, die ein homogenes oder inhomogenes magnetisches oder elektrisches Feld etc. erzeugen und so auf die Abstandshalter 19 durch attraktive oder repulsive Kraftwirkung durch die Glasscheibe 1 hindurch wirken sind möglich.
Die hier im Beispiel verwendeten Abstandshalter 19 sind aus magnetischem oder magnetisierbarem Material (Ferromagnete, Antiferromagnete, Ferrimagnete) gefertigt, die Fixierelemente 45 sind axial magnetisierte zylindrische Stabmagnete.
Durch geeignete Auslegung des in der Regel inhomogenen Magnetfeldes 47 mittels definierter Anordnung der Fixierelemente 45 erfolgt zusätzlich zur Fixierung der Abstandshalter 19 auch eine korrekte Ausrichtung und Zentrierung an der Sollposition 48. Bringt man z. B. einen magnetischen säulenförmigen Abstandshalter 19 mit magnetischer Anisotropie, verursacht durch z. B. eine im Vergleich zum Durchmesser ausreichend große Länge (Formanisotropie), in beliebiger räumlicher Orientierung stehend oder liegend auf etwa 10 mm an eine Sollposition 48 auf der Glasplatte 1 heran, so wird dieser Abstandshalter 19 an die Sollposition 48 gezogen und stellt sich oben auf der Glasplatte 1 über der Sollposition 48 des Fixierelementes 45 senkrecht auf. Das Fixierelement 45 besteht aus einem an der Unterseite der Glasplatte 1 in die Shuttleplatte 46 eingefügten Stabmagneten 45. Es ist also nur eine relativ ungenaue XY-Positioniereinrichtung erforderlich, mit der die Abstandshalter 19 simultan oder in schneller Folge auf die Stützenpositionen 48 verteilt werden. Hierzu kann ein mechanischer, elektrostatischer, magnetischer oder pneumatischer Greifer verwendet werden, oder die Abstandshalter 19 rutschen durch einen positionierbaren Schlauch oder ein Rohr, oder die Stützen werden durch einen Lochboden verteilt fallengelassen. Diese hier als einzeln beschriebene Verteilung kann auch zur Erhöhung der Taktzeit durch Gruppenbilden optimiert sein, dann wird z. B. immer eine komplette Reihe bereitgestellt und dann gemeinsam gesetzt.
Nach Fertigstellung der VIG-Scheibe sind die Abstandshalter 19 im Vakuum vom äußeren Luftdruck zwischen den beiden Glasscheiben 1 und 22 des Vakuumelementes fest eingeklemmt und fixiert-jetzt kann dann die Shuttleplatte 46 mit den Stabmagneten 45 entfernt werden ohne dass die Abstandshalter verrutschen.
Der Vorteil dieser Methode liegt nicht nur in der verblüffenden Einfachheit, in hoher Taktzeit ca. 1000 Abstandshalter pro Quadratmeter setzen zu können, sondern auch in der weiteren Reduzierung der Sichtbarkeit der Abstandshalter 19 durch den jetzt nicht mehr nötigen Kleber.
Bei der Zuführung der Abstandshalter wurden wiederum neue Wege siehe 9 begangen. Während die bisherigen Lösungen vorher bereits fertig erstellte Abstandshalter 19 als Kugeln, Zylinder, Scheiben, Federn oder Ringe aus Keramik und/oder Metall aus einem Massengebinde vereinzeln und dann in den Stützensetzer zuführen, werden hier die Abstandshalter 19 in der Taktzeit des Setzautomaten 51 schritthaltend hergestellt:
In der Variante 1, siehe 49, werden die Stützen 19 aus einem von der Rolle zugeführten Stützenmaterial-Metallband 52 mit einem Werkzeug z. B. Stanze 53 ausgestanzt. Direkt aus der Stanze 53 fallen dann die Stützen 19 z. B. durch X/Y-positionierte Schläuche 51 zum Aufstellort 48 über dem Fixierelement 45.
In der Variante 2, siehe 50, werden die Stützen 19 aus einem von der Rolle zugeführten Draht 54 mit z. B. einer Säge oder Trennscheibe 55 abgelängt, und werden dann ebenfalls einzeln zum Aufstellort 48 weiterpositioniert 51.
Es ist auch die Alternative vorgesehen, die Herstellung der Abstandshalter aus dem Massengebinde mittels eines geeigneten Lasersystems zum Trennen bzw. Schneiden von Werkstoffen zu realisieren. Dies ist insbesondere bei komplexen Geometrien der Abstandshalter vorteilhaft.
Weiter neue Wege werden beim Stützenmaterial angegangen. Hier gibt es eine Reihe von Anforderungen, die oft gegengerichtete Maßnahmen bevorzugen:
Als erste Anforderung muss In jedem Falle der Abstandshalter 19 bei der gewählten Setz-Technik magnetisch oder magnetisierbar oder elektrisch aufladbar etc. sein, siehe obige Beschreibung.
Die zweite Anforderung ist die Eignung für das Hochvakuum ohne signifikante Ausgasung über mehrere Jahrzehnte. Damit scheiden z. B. Kunststoffe weitgehend aus.
Die dritte Anforderung betrifft die Wärmeleitkennzahl des Stützenmaterials. Diese ist entscheidend für den U-Wert der fertigen Vakuumisolierglasscheibe. Je nach den verwendeten Stützen wird der U-Wert des Glases zwischen 0,3 und 0,7 Watt pro Quadratmeter und Grad Kelvin variieren. Hier sind metallische Stützen nachteilig, da Metalle in der Regel hohe Wärmeleitwerte aufweisen.
Die vierte Anforderung betrifft die Harte des Materials: Die Stützen sollen weicher als die Glasoberfläche sein, da sonst bei externen Stoßbelastungen z. B. Hagelschlag die Glasoberfläche innen durch die Stütze beschädigt wird, was zu Folgeschäden bis hin zum Glasbruch führen kann. Damit scheiden z. B. Stützen aus Glas aus. Es sind auch Erfindungen bekannt, wo den Stützen elastische Elemente z. B. Federringe beigefügt wurden, um diesen Punkt zu entschärfen.
Die fünfte Anforderung betrifft die Farbe der Stützen bezüglich der Sichtbarkeit. Dunkle Stützen sind im Fenster kaum sichtbar bei dunklem Hintergrund, z. B. bei Baumen, sind aber sichtbar z. B. bei hellweißem Wolkenhimmel. Helle Stützen wirken hier genau umgekehrt. Transparente Glasstützen zeichnen sich günstiger vor jedem Hintergrund ab, jedoch seitlich einfallendes Licht lässt diese unübersehbar hell aufleuchten. Aus dem gleichen Grund sind reflektierende Oberflächen bei jeder Farbe zu vermeiden.
Eine erhöhte Sichtbarkeit der Stützen kann aber auch erwünscht sein, wenn diese zu Werbezwecken verwendet werden, um z. B. ein Logo im Fenster einzubauen. Dies geschieht dann z. B. durch besondere Formgebung, Anordnung und Einfärbung der Stützen.
Eine weitere wichtige Anforderung an die Stützen ist die Kontaktfläche zu den Glasscheiben. Durch unterschiedliche Gestaltung von Material und Struktur dieser meist kreisförmigen Kontaktfläche kann sowohl die Reibung Stütze-Glas beeinflusst werden wie auch gleichzeitig die Größe der zur Wärmeübertragung wirksamen Kontaktfläche, was den U-Wert erheblich beeinflusst. Die Optimierung der Reibung Stütze-Glas entscheidet, um wie viel bei einem Temperaturunterschied von Innenscheibe zur Außenscheibe sich die Scheiben relativ zueinander bewegen, oder umgekehrt statt dessen die Ausdehnungs-Kräfte durch Verspannen jedes einzelnen Stützen-Hexagonalfeldes als Stress verzehrt werden.
Zur Lösung bzw. Erreichen eines Kompromisses zu diesen Anforderungen verwendet diese Erfindung kombinierte Materialien für die Abstandshalter 19, wobei die Oberflächenfarbe und Struktur dann noch vor dem Positionieren in einer Vorrichtung zusätzlich chemisch durch Abtrag oder physikalisch durch Profilieren der Auflagefläche oder durch Auftragen eines Haftbelages angepasst wird.
Konkret wird bei einer ersten Variante (49), Ausstanzen der Stützen aus einem Metallband, ein mehrlagig plattiertes Metallband 52 verwendet, wo die Materialien an die Aufgaben optimal angepasst sind. Bei den der Glasscheibe 1 zugewandten Lagen werden z. B. weiche Bleche verwendet, die auf der Anlegefläche zum Glas zusätzlich mechanisch strukturiert werden. In den mittleren Lagen der Stütze 19 werden Temperatur-isolierende Materialien einplattiert. Der Zylindermantel/Sichtseite wird z. B. durch Säure in der Vorrichtung 56 mattiert.
Bei einer zweiten Variante (50), abgelängter Draht, wird z. B. ein FeCu-Draht mit Stahlseele und weicher Kupferummantelung verwendet. Auch hier wird auf der Anlegefläche zum Glas 1 zusätzlich mechanisch strukturiert und die Zylinderoberfläche z. B. durch Lauge mattiert. Eine weitere Variante aufbauend auf der ersten oder der zweiten Variante, ist die Verwendung von gesintertem oder verpresstem Halbzeug, welches z. B. aus Körnern der unterschiedlichen Materialien besteht, auch unter Verwendung von eingebettetem Kunststoff.
Bei allen Varianten kann dem Stützenmaterial zusätzlich Getter-Metall beigefügt sein bzw. können die Stützen mit Getter-Material beschichtet sein. Bevorzugt wird aber als äußerste Stützenreihe um den Rand eine spezielle Getter-Stütze eingesetzt, deren Material auf die später im Scheiben-Vakuum noch verbliebenen Restverschmutzungen optimiert ist und diese nach Aktivierung aufnehmen kann. Hierdurch wird das Vakuum in der VIG-Scheibe auf lange Zeit stabilisiert. Zusätzlich kann auch noch Getter in anderer Form in den Scheibenzwischenraum eingebracht werden.
Diese zusammen beschriebenen Abstandshalter 19 finden insbesondere Verwendung, wenn mit diesem Verfahren eine Vakuumisolierglasscheibe VIG hergestellt wird. Beim Aufbau z. B. eines Solarthermie-Moduls kommt zwischen die Deckscheibe und dem Bodenteil im Vakuumbereich ein Absorber. Dieser Absorber ist dann mit Stützelementen versehen, die die Funktion der hier beschriebenen Stützen übernehmen, so dass die hier beschriebene Art der Stützen und Methode des Stützensetzens dort nicht zum Tragen kommt.
Der vorbeschriebene Ablauf nach der Waschmaschine vom Anbringen der Passepartouts bis zum Setzen der Stützen verlief unter sauberen Bedingungen bzw. in einem Reinraum, aber im wesentlichen in normaler Atmosphäre. Die nächsten Schritte werden jetzt im Vakuum bzw. Hochvakuum durchgeführt.
Zur Vorbereitung werden z. B. die mit der Magnetshuttleplatte 46 verbundene untere Scheibe 1 mit den Stützen 19 und die obere Scheibe 22 z. B. hintereinander auf einen Verschiebeshuttle 57 aufgelegt und so als Tandem in eine Vakuum-Vorkammer 59 eingefahren. Dann wird dort auf < 1 mbar evakuiert und die Schleuse 63 zur Hauptkammer 60 geöffnet, die bei < 10^–4 mbar unter Hochvakuum steht. Während jetzt dieses Tandem in die Hauptkammer 60 durch die geöffnete Schleuse 63 durch den Transport 58 eingefahren wird, reinigen und trocknen Plasma-Sputter von oben 61 und unten 62, z. B. durch „Anblasen” mit aufgeladenem Argon, die Oberfläche der Glasscheiben 1 und 22 frei von anhaftenden Resten. Unter Beschuss mit z. B. Ar-Ionen bei einer Bias Spannung von > 1000 V können in einer Glimmentladung mit einer gerichteten Ionenquelle oder durch eine Entladung mit Hochfrequenz-Zündung die Ionen mit einem elektrischen Feld heraus beschleunigt werden. Durch die hierbei entstehende Energie von > 1 eV wird alles Wasser auf der Oberfläche der Glasscheibe 1 bzw. 22 in kurzer Zeit entfernt.
Im gezeigten Fall reinigt die obere Sputtereinrichtung 61 die untere Glasscheibe 1 mit den Stützen 19 und die untere Sputtereinrichtung 62 reinigt die obere Glasscheibe 22.
Die 10 zeigt die Glasscheiben 1 und 22 auf dem Verschiebeshuttle 57 in einer Plasma-Sputter-Reinigungseinrichtung 17.
Neben der Shuttle-Transporteinrichtung 58 und einem von der Seite gezeigten Metall-Dichtungsstreifen 7 ist in dieser Darstellung auch das Lot 14 und die Abstandshalter 19 sowie die Getterauflage 18 zu erkennen.
Während dieses Vorganges in der Vakuum-Vorkammer 59 wird ständig weiter abgepumpt auf weniger als 10^–4 mbar, um die von den Scheiben abgelöste Feuchtigkeit und die abgelösten Verunreinigungen aus dem Vakuumsystem zu entfernen.
Der nächste Schritt wird in der Verbundkammer 60 der Vakuumlinie ausgeführt: Die obere Scheibe 22 im Verschiebeshuttle 57 wird über die untere Scheibe 1 positioniert, abgesenkt und fixiert.
In der 11 ist das Aufsetzen einer Deckglas-Scheibe 22 auf eine mit Abstandhaltern 19 und Getter-Elementen 18 versehenen Glasscheibe 1 gezeigt. Dieses Aufsetzen erfolgt in der Weise, dass eine in den Abmessungen zur Glasscheibe 1 geeignete, entsprechend gereinigte und mit Metall-Dichtstreifen 7 versehene Glasscheibe 22 in umgedrehter Form von einer mechanischen Auflegeeinrichtung 23 erfasst und passgenau auf die darunter liegende Glasscheibe 1 abgesetzt wird. Die später vakuumdicht zu verbindenden Enden der Metall-Dichtungsstreifen 7 sind hier z. B. platt gedrückt an den beiden Seiten der aufeinander liegenden Glasscheiben 1 und 22 im Querschnitt zu erkennen. Diese Bleche 7 werden dabei fest aufeinander gespannt, um Wellenbildung auszuschließen und eng anliegendes Aufeinanderliegen zu gewährleisten.
Der folgende Schritt in der Verbundkammer 60 verbindet dauerhaft hochvakuumdicht die beiden Metall-Passepartouts 7 der Glasscheiben 1 und 22.
In der 12 ist der Verbund der Glasscheibe 1 mit der Deckscheibe 22 in der Vakuum-Verbundkammer 60 gezeigt. Die Vakuumkammer 60 weist im Bereich der aufeinander gelegten Metall-Dichtungsstreifen 7 der Glasscheibe 1 und der Deckscheibe 22 jeweils ein Glasfenster 26 auf, durch das jeweils eine außen über eine XY-Positioniereinrichtung geführte Laser-Schweißeinrichtung 24 wirken kann.
Spezielle Kondensat-Fallen 25 in Form von gekühlten Blechen und Bereichen, die zur Erzielung von Druckdifferenzen direkt an der Vakuumpumpe angeschlossen sind, weisen die Ausgasungen beim Schweißen ab und helfen, die Fenster eine lange Zeit sauber zu halten.
Alternativ zum Laserverschweißen 24 der oberen und unteren Passepartouts können diese auch im Vakuum miteinander verlötet werden. Hierzu muss dann z. B. schon beim Schritt „Stützensetzen” ein Lotband umlaufend auf das untere Passepartout aufgelegt und fixiert werden. Die Fixiereinheit in der Verbundkammer, welche die beiden Passepartouts aufeinanderpresst, enthält jetzt eine Heizvorrichtung z. B. zur induktiven Erwärmung oder als elektrischer Heizdraht etc., wodurch die Verlötung der beiden Metallstreifen durchgeführt wird.
Eine ganz andere Variante im gesamten Ablauf besteht darin, dass nicht eine Zweischeiben-Vakuum-Isolierglasscheibe VIG, sondern eine Dreischeiben-VIG gebaut wird. Hier werden dann zwei Glasscheiben 1 mit Stützen übereinandergelegt, mit einer Glasscheibe 22 dazwischen.
Das Tandem beim Durchlauf durch die Vakuumlinie wird dann durch einen Verschieberahmen mit 3 Ebenen ersetzt. Die mittlere Scheibe ohne Abstandshalter kann dabei mit und auch ohne Passepartout ausgeführt sein.
Nachdem jetzt die Passepartouts in der Verbundkammer verschweißt sind, ist aus den Einzelscheiben schon ein fast fertiges VIG geworden. Im Innern herrscht bereits das Vakuum der Verbundkammer von weniger als 10^–4 mbar.
In einem nächsten Schritt muss noch der Getter 18 aktiviert werden, um die noch in irgendwelchen Ecken versteckten Wasser- und Gasmoleküle zu fangen. Dies geschieht durch Aktivierung des Getters, z. B. durch Erwärmen, sei es durch den Laser 24, eine induktive Erwärmung, oder eine andere Wärmequelle.
Gleichzeitig kann jetzt die VIG-Scheibe aus der Vakuumkammer in die normale Atmosphäre ausgeschleust werden. Zweckmäßigerweise geschieht dies mit einer, durch Weitertransport durch die Zwischenklappe 63 in eine nachgeschaltete, unter Vorvakuum stehende Ausschleuskammer 64 geschleuste VIG-Scheibe, um Energie und Zeit beim Erhalt des Hochvakuum in der Verbundkammer zu sparen. Über eine weitere Zwischenklappe am Ausgang der Ausschleuskammer 64 kommt die verschlossene VIG-Scheibe dann wieder in die normale Atmosphäre.
Der letzte Schritt dient dazu, den außerhalb der Schweißnaht überstehenden Metallrand der aus den Metallstreifen erstellten Rahmen oder Passepartouts abzuschneiden und das verbleibende Blech umzubördeln. Weiter wird mit einer Dichtmasse, bzw. einem Kleber, oder einer Ummantelung, z. B. aus. Kunststoff die bereits bestehende Vakuumversiegelung gegen Feuchtigkeit, Witterung und mechanische Beschädigung von außen zusätzlich geschützt. 13 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten der Ausbildung der miteinander verschweißten Metall-Dichtungsstreifen 7 an das fertige Bauelement.
Im Beispiel 27 wurden die Metallstreifen 7 wie in obigem Ablauf beschrieben an die Innenseiten der Glasscheiben 1 und 22 gelötet.
Im Beispiel 28 wurde an die Außenseiten gelötet. Beispiel 29 ist eine Kombination von Beispiel 27 und Beispiel 28. Im vierten Beispiel 30 wurde, wie bereits erwähnt und in 4 gezeigt, an die Glaskante gelötet.
Links in 13 sieht man diese Situation vor dem Umfalzen, rechts nach dem Umfalzen. Zusätzlich wird dann der hochvakuumdichte Blechrahmen noch mit Kleber und Kunststoff etc. ummantelt.
In der 14 sind einige Beispiele für die Gestaltung der Lamellen bzw. Zungen des zu verlötenden Randes der Metall-Dichtungsstreifen 7 dargestellt. Wie schon oben beschrieben ist diese Gestaltung für das vakuumdichte Verlöten der Dichtungsstreifen 7 mit der jeweiligen Glasscheibe 1 bzw. 22 erforderlich.
Bei der industriellen Herstellung von Wärmedämmsystemen mittels der erfindungsgemäßen Ultraschalllotverbindung sind die verschiedensten Anforderungen an die Abmessungen solcher Systeme zu erfüllen. Hieraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Abmessungen der Haftpartner und die Struktur des jeweils strukturierten Haftpartners. Zusätzlich ist die Frequenz, bzw. das Frequenzspektrum, des jeweiligen Ultraschallsignals an die Abmessungen des herzustellenden Wärmedämmsystems anzupassen.
Die komplexe Steuerung der beschriebenen Herstellungsprozesse erfordert ein spezielles Steuerprogramm.
Bezugszeichenliste

1: Untere Glasscheibe
2: Transporteinrichtung
3: Trockeneinrichtung
4: Wascheinrichtung
5: Heizung
6: Heizung
7: Metall-Dichtungsstreifen
8: Auflege-Positionier-Fixier-Einrichtung (für Metallstreifen)
9: Löt-Tisch, Arbeitsunterlage
10: Heizeinrichtung für den Lötvorgang
11: Lotzufuhr-Einrichtung
12: Ultraschall-Lötkolben
13: Detektier-Einrichtung
14: Lot
15: Lötrad für Ultraschall-Löteinrichtung
16: Lötfugen
17: Zunge/Lamelle der Metallstreifen
18: Getter-Element
19: Abstandhalter/Stütze
20: Abstandshalter Profilstanze
21: Abstandshalter Adhäsionsbelag-Auftrag
22: Deckglas-Scheibe
23: Auflegeeinrichtung für Deckglas
24: Laser-Schweißenrichtung
25: Kondensat-Fallen
26: Glasfenster der Vakuumkammer
27: Beispiel: Beide Metallstreifen innen angelötet
28: Beispiel: Beide Metallstreifen außen angelötet
29: Beispiel: Ein Metallstreifen innen, der andere außen angelötet
30: Beispiel: Beide Metallstreifen an der Kante angelötet
40: Variante „Metallstreifen an Glasoberfläche anlöten”
41: Variante „Metallstreifen an Glaskante anlöten”
42: Glaslot
43: Hexagonales Setzmuster der Abstandshalter
44: Unregelmäßige Variation des hexagonalen Musters
45: Fixierelemente/Magnete in der Shuttle-Magnetplatte
46: Shuttle-Magnetplatte
47: Kraftlinien
48: Soll-Aufsetzpunkt der Abstandshalter
49: Variante „gestanzte Abstandshalter
50: Variante „Drahtstücke als Abstandshalter”
51: Setzvorrichtung der Abstandshalter
52: Blech-Coil für Abstandshalter
53: Stanze für Abstandshalter
54: Draht-Coil für Abstandshalter
55: Kappvorrichtung für Abstandshalter
56: Oberflächenbehandlung Abstandshalter
57: Verschiebeshuttle Vakuumlinie
58: Transport beim Sputtern
59: Vorkammer Vakuumlinie
60: Hauptkammer/Verbundkammer Vakuumlinie
61: Plasmasputter oben
62: Plasmasputter unten
63: Klappe Verbundkammer-Übergabe
64: Ausschleuskammer Vakuumlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1978199 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN2012 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines flächenförmigen wärmeisolierenden Bauelements aus zwei flächenförmigen Baustoffelementen, insbesondere Glasscheiben, im Nachfolgenden auch Substrate genannt, die, in geringem Abstand voneinander beabstandet, an den Rändern ihres Umfangs mittels, an jedem flächenförmigen Baustoffelement im Randbereich lückenlos am gesamten Umfang angebrachter, streifenförmiger Verbindungselemente, insbesondere Metallstreifen, im Nachfolgenden auch Applikat genannt, miteinander verbunden und über ein Vakuum voneinander isoliert sind, mit den folgenden Merkmalen: a) eine Wascheinrichtung (4) und eine folgende Trockeneinrichtung (3) zur Vorreinigung des Substrats, z. B. einer Glasscheibe (1, 22), b) eine Heizeinrichtung (5, 6) zum Vorwärmen des Substrats, z. B. einer Glasscheibe (1, 22) c) und eine Auflegeeinrichtung für das Applikat, z. B. von Metall-Dichtungsstreifen (7) auf das Substrat, z. B. eine Glasscheibe (1, 22), d) wobei diese Applikat-Streifen (7) an der, mit dem Substrat zu verlötenden, Längsseite Strukturen (17) in der Form von Einschnitten aufweisen, e) eine Ultraschall-Löteinrichtung (12, 15) die die auf ein Substrat, z. B. eine Glasscheibe (1, 22) aufgelegten Applikate, z. B. Metall-Dichtungsstreifen (7) entlang des Umfangs mit dem Substrat, z. B. einer Glasscheibe (1, 22) vakuumdicht verlötet, f) ein Setzautomat (51) zum Einlegen von Abstandshaltern (19) und Getter-Elementen (18) auf ein Substrat, z. B. eine Glasscheibe (1, 22), g) einer Plasma-Sputter-Vorrichtung (61, 62) zur Reinigung der Innenseite des Substrats, z. B. einer Glasscheibe (1, 22) im Vakuum, h) einer Verschiebeeinrichtung (57) mit Auflegeeinrichtung (23) zum Transport und Zusammenfügen des Deck-Substrates, z. B. der Glasscheibe (22) auf das untere Substrat, z. B. einer Glasscheibe (1), im Vakuum, wobei die Substrate hier bereits mit den Applikaten, z. B. den zu umlaufenden Passepartouts verarbeiteten Metallstreifen (7), und mit den Abstandshaltern (19) und dem Getter (18) bestückt sind, i) und einer Verbindeeinrichtung (24) zum Verschweißen oder Verlöten des Applikates des unteren Substrates mit dem Applikat des oberen Substrates, z. B. der Metall-Dichtungsstreifen (7), beider Glasscheiben (1, 22) in einer Vakuumkammer (60), j) eine Endbearbeitung zum Zuschneiden, Umbördeln, wetterfest Versiegeln und zum Schutz gegen Beschädigung beim Handling
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Strukturen der Einschnitte (17), im Applikat, z. B. in den Metall-Längsstreifen (7), mit der Wellenlänge des Sendesignals der verwendeten Ultraschallquelle (12, 15) korreliert sind, wobei die Struktur dieser Einschnitte einer beliebigen stetigen Kurven- oder Vieleckform folgen kann, verschiedene solcher Formen zu Kurvenzügen beliebig kombiniert werden können, und diesen Strukturen zusätzlich noch Unterstrukturen in der Form von Mikrostrukturen überlagert sein können, deren geometrischen Abmessungen mit den Wellenlängen der Harmonischen des Sendesignals korreliert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für Substrat und Applikat, hier für ein flächenförmiges Bauelement und für einen Dichtungsstreifen, bevorzugt Glas, Kunststoff, Keramik und Metall Verwendung finden, dass jedoch auch alle anderen Materialen verwendet werden, die eine entsprechende Bindungsfähigkeit mit dem jeweils verwendeten Lotmaterial aufweisen und dass anstelle von Metall-Loten auch Glaslote, ausgasungsfreie Kleber oder äquivalente Haftmittel verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Form für das Applikat anstelle des Dichtungsstreifen alternativ ein Dichtungsrahmen eingesetzt wird, der gleich einem Passepartout für alle 4 Seiten in einem Stück bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmittel (14) oben auf das Applikat bzw. einen Dichtstreifen (7) aufgebracht wird, um durch die Strukturen (17) geleitet sich mit dem Substrat zu verbinden, oder beide zu verbindenden Materialien, Applikat und Substrat, in ein mit Schall-Schwingungsenergie erfülltes Bad mit Lötmittel (14) getaucht werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Ultraschalllot-Verbindung durch chemische und/oder physikalische Beeinflussung der beteiligten Verbindungs-Partner, Applikat und Substrat, positiv beeinflusst werden.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Ultraschallot-Verbindung dadurch positiv beeinflusst wird, dass der Prozess der Verbindung in einer besondern Atmosphäre und unter besonderen atmosphärischen Verhältnissen durchgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Fehlerrate der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst wird, dass der vorherige Zuschnitt der Substrate, hier Glasscheiben (1, 22), durch mikroriss-freies Laserschneiden erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Fehlerrate der hiermit erstellten Bauelemente sowie der erforderliche Energiebedarf dadurch positiv beeinflusst wird, dass die Heizungen (5, 6) zum Vorwärmen des Substrats, z. B. einer Glasscheibe (1, 22), spannungsfrei aufgebaut sind, so dass durch Kombination der Heizvorgänge das Substrat am Rand der erforderlichen Grundtemperatur, in der Mitte aber deutlich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Fehlerrate der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst wird, dass die Abstandshalter (19) in einem definierten Muster bzw. Raster gesetzt werden, welches einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter entspricht, jedoch zur besseren Anpassung um die Hauptachsen gedehnt und zur Vermeidung von Resonanzfrequenzen bei der Schallübertragung einer definierten Variation der Stützenpositionen unterworfen sein kann.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Herstellkosten der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst werden, dass die Abstandshalter (19) während der Fertigung durch die in eine Shuttleplatte (46) eingebauten Fixierelemente (45) in Position (48) gebracht und solange gehalten werden, bis der Luftdruck die Abstandshalter (19) im fertigen evakuierten Bauelement zwischen den beiden Substraten (1, 22) einklemmt und damit dauerhaft in Position hält.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Herstellkosten der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst werden, dass die Abstandshalter (19) während des Setzvorgangs (51) hergestellt werden, z. B. durch Ausstanzen oder Ausschneiden aus einem Blech (49) oder durch Ablängen eines Drahtes (50), wobei das Rohmaterial (52, 54) zur Optimierung der Stützeneigenschaften aus mehreren Materialien kombiniert sein kann.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (19) alternativ durch ein anderes einzulegendes Element mit analogen Stützpunkten ersetzt werden, wie z. B. einen entsprechend gestalteten Absorber, wenn z. B. ein Vakuum-Solarthermie-Modul erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle eines hier beschriebenen 2fach-Bauelementes alternativ ein 3fach-Bauelement erstellt werden soll, wo dann 2 untere Substrate (1) mit Abstandshaltern (19) und Getter (18) übereinander angeordnet und dann mit einem dritten Substrat (22) gedeckelt werden und damit 3 Scheiben in der Vakuumlinie (59, 60, 64) gereinigt, übereinandergesetzt und dann gemeinsam die Dichtstreifen (7) verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung eines flächenförmigen wärmeisolierenden Bauelements aus zwei flächenförmigen Baustoffelementen die, in geringem Abstand voneinander beabstandet, an den Rändern ihres Umfangs mittels, an jedem flächenförmigen Baustoffelement am Rand lückenlos am gesamten Umfang angebrachter, streifenförmiger Verbindungselemente miteinander verbunden und über ein Vakuum voneinander isoliert sind, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Erwärmen des jeweiligen Baustoffelements, b) Auflegen der benötigten streifenförmigen Verbindungselemente, wobei diese streifenförmigen Bauelemente an der, mit dem Baustoffelement zu verbindenden, Längsseite Strukturen in der Form von Einschnitten aufweisen, c) Verbinden der streifenförmigen Verbindungselemente mit dem jeweiligen Baustoffelement und ggf. verschließen von Eckfugen und Trennstellen der Verbindungselemente, d) Auflegen von Distanzelementen und Getterelementen auf das untere Baustoffelement, e) Einbringen beider zusammengehöriger Baustoffelemente in eine Vakuumkammer und Evakuieren der Vakuumkammer, f) Reinigen der inneren Oberfläche der beiden Baustoffelemente in der Vakuumkammer, g) Auflegen des zugehörigen oberen Baustoffelements auf das jeweilige untere Baustoffelement in der Vakuumkammer, h) Verbinden der streifenförmigen Verbindungselemente beider Baustoffelemente in der Vakuumkammer, i) Entnehmen des gefertigten wärmeisolierenden Bauelements aus der Vakuumkammer und Zuschneiden und Umbördeln der verbundenen überstehenden Verbindungselemente.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das flächenförmige Bauelement eine Glasscheibe (1, 22) und das streifenförmige Verbindungselement ein Metall-Dichtungsstreifen (7) ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Strukturen der Einschnitte (17) in den Metall-Längsstreifen (7) mit der Wellenlänge des Sendesignals der verwendeten Ultraschallquelle (12, 15) korreliert sind, wobei die Struktur dieser Einschnitte einer beliebigen stetigen Kurven- oder Vieleckform folgen kann, verschiedene solcher Formen zu Kurvenzügen beliebig kombiniert werden können, und diesen Strukturen zusätzlich noch Unterstrukturen in der Form von Mikrostrukturen überlagert sein können deren geometrischen Abmessungen mit den Wellenlängen der Harmonischen des Sendesignals korreliert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für ein flächenförmiges Bauelement und für einen Dichtungsstreifen bevorzugt Glas, Kunststoff, Keramik und Metall Verwendung finden, dass jedoch auch alle anderen Materialen verwendet werden die eine entsprechende Bindungsfähigkeit mit dem jeweils verwendeten Lotmaterial aufweisen. und dass anstelle von Metall-Loten auch Glaslote, ausgasungsfreie Kleber oder äquivalente Haftmittel verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Form für das Applikat anstelle des Dichtungsstreifen alternativ ein Dichtungsrahmen eingesetzt wird, der gleich einem Passepartout für alle 4 Seiten in einem Stück bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmittel (14) oben auf einen Dichtstreifen (7) aufgebracht wird um durch die Strukturen geleitet sich mit dem Grundmaterial (1, 22) zu verbinden, oder beide zu verbindenden Materialien in ein mit Schall-Schwingungsenergie erregtes Bad mit Lötmittel (14) getaucht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Ultraschalllot-Verbindung durch chemische und/der physikalische Beeinflussung der beteiligten Verbindungs-Partner positv beeinflusst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Ultraschallot-Verbindung dadurch positiv beeinflusst wird, dass der Prozess der Verbindung in einer besondern Atmosphäre und unter besonderen atmosphärischen Verhältnissen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Fehlerrate der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst wird, dass der vorherige Zuschnitt der Baustoffelemente durch Mikroriss-freies Laserschneiden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Fehlerrate der hiermit erstellten Bauelemente sowie der erforderliche Energiebedarf dadurch positiv beeinflusst wird, dass die Heizungen (5, 6) zum Vorwärmen des Substrats, z. B. einer Glasscheibe (1, 22), spannungsfrei aufgebaut sind, so dass durch Kombination der Heizvorgänge das Substrat am Rand der erforderlichen Grundtemperatur, in der Mitte aber deutlich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Fehlerrate der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst wird, dass die Abstandshalter (19) in einem definierten Muster bzw. Raster gesetzt werden, welches vom Grundsatz her einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter entspricht, jedoch zur besseren Anpassung um die Hauptachsen gedehnt und zur Vermeidung von Resonanzfrequenzen bei der Schallübertragung einer zufälligen oder definierten Variation der Stützenpositionen unterworfen sein kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Herstellkosten der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst werden, dass die Abstandshalter (19) während der Fertigung durch die in eine Shuttleplatte (46) eingebauten Fixierelemente (45) in Position (48) gebracht und solange gehalten werden, bis der Luftdruck die Abstandshalter (19) im fertigen evakuierten Bauelement zwischen den beiden Baustoffelementen einklemmt und damit dauerhaft in Position hält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität und die Herstellkosten der hiermit erstellten Bauelemente dadurch positiv beeinflusst werden, dass die Abstandshalter (19) während dem Setzvorgang (51) hergestellt werden, durch Ausstanzen oder Ausschneiden aus einem Blech (49) oder durch Ablängen eines Drahtes (50), wobei das Rohmaterial (52, 54) zur Optimierung der Stützeneigenschaften aus mehreren Materialien kombiniert sein kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (19) alternativ durch ein anderes einzulegendes Element mit analogen Stützpunkten ersetzt werden, wie z. B. einen entsprechend gestalteten Absorber, wenn als Bauelement z. B. ein Vakuum-Solarthermie-Modul erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle eines hier beschriebenen 2fach-Bauelementes alternativ ein 3fach-Bauelement erstellt werden soll, wo dann 2 untere Baustoffelemente mit Abstandshaltern (19) und Getter (18) übereinander angeordnet und dann mit einem dritten Baustoffelement gedeckelt werden und damit 3 Baustoffelemente in der Vakuumlinie (59, 60, 64) gereinigt, übereinandergesetzt und dann gemeinsam die Dichtstreifen (7) als Verbindungselement verbunden werden müssen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 15 bis 29, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Maschinenlesbarer Träger mit dem Programmcode eines Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 29, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.