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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils, insbesondere eines Hochdruckbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Um die Dichtheit Fluid führender Bauteile zu überprüfen, werden diese unterschiedlichen Prüfverfahren unterzogen. Neben dem Auffinden etwaiger Leckagen an bereits verbauten Systemen dienen diese auch zur Gewährleistung der Dichtheit neu gefertigter Bauteile. Während größere Leckagen bereits durch eine einfache Sichtprüfung erfasst werden können, sind kleinere Defekte nur mit entsprechender Messtechnik aufzudecken.
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Insbesondere industriell gefertigte Hochdruckkomponenten, bei denen hohe Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen gestellt werden, erfordern kostengünstige und schnelle Prüfverfahren. So werden beispielsweise die Komponenten von Dieseleinspritzsystemen mit einem Tracerfluid befüllt und abgedrückt. Da der Kraftstoff bei Selbstzündern mittlerweile mit 2.000 bar oder mehr in dessen Brennkammern eingespritzt wird, geht das zur Dichtheitsprüfung erforderliche Abdrücken der Komponenten ebenfalls mit entsprechend hohen Drücken einher. Um diese problemlos aufbringen zu können, besteht das verwendete Tracerfluid zumeist aus einem Gemisch, welches eine Hydraulikflüssigkeit sowie ein Gas beinhaltet. Das über eine etwaige Leckage austretende Tracerfluid kann insoweit über eine entsprechende Vorrichtung erkannt werden, als dass aus diesem heraus diffundierendes Gas detektiert wird. So können neben dem Erkennen einer Leckage beispielsweise auch Informationen über dessen Größe ausgewertet werden. Die Größe der Leckage wird in mbar × L/sec bestimmt und umgerechnet beispielsweise in 20 mm3/min angegeben.
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Um ein möglichst genaues und prozesssicheres Erfassen des austretenden Gases zu gewährleisten, werden hierfür spezielle Gase verwendet. Grundvoraussetzung für die Gasauswahl ist neben dessen guter Nachweisbarkeit mittels Messtechnik auch eine möglichst geringe Konzentration in Umgebungsluft. Vorrangig wird hierfür Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet. Trotz seiner Ungiftigkeit wird Schwefelhexafluorid mittlerweile als eines der stärksten bekannten Treibhausgase angesehen. In der Folge wurde dessen Verwendung beispielsweise als Befüllung von Autoreifen oder Isolierglasscheiben im Jahre 2007 gänzlich verboten. Bereits im Jahr 1997 wurde Schwefelhexafluorid in das Kyoto-Protokoll der zu reduzierenden Treibhausgase aufgenommen.
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Vor diesem Hintergrund bieten die bekannten Verfahren zur Dichtheitsprüfung mittels eines solchen Tracerfluids in Bezug auf die Umweltverträglichkeit noch Raum für Verbesserungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils dahingehend zu verbessern, dass die damit einhergehende Umweltbelastung deutlich reduziert wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Hiernach wird ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils, insbesondere eines Hochdruckbauteils aufgezeigt, welches folgende Schritte umfasst:
- – Einfüllen eines Tracerfluids in das zu prüfende Bauteil, wobei das Tracerfluid ein Gemisch ist, welches aus einer Hydraulikflüssigkeit und Distickstoffmonoxid (N2O) gebildet wird;
- – Verschließen des mit dem Tracerfluid befüllten Bauteils;
- – Druckerhöhung des Tracerfluids innerhalb des verschlossenen Bauteils auf einen erforderlichen Prüfdruck;
- – Erfassen eines etwaigen aus dem verschlossenen Bauteil austretenden Anteils an Distickstoffmonoxid (N2O) des Tracerfluids;
- – Entfernen des Tracerfluids aus dem geprüften Bauteil.
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Der besondere Vorteil besteht hierbei in dem gänzlichen Verzicht auf Schwefelhexafluorid zu Gunsten von Distickstoffmonoxid. Umgangssprachlich ist Distickstoffmonoxid verbreitet auch als Lachgas bekannt. Gemäß der überarbeiteten Fassung des Berichts ”Fluorierte Treibhausgase in Produkten und Verfahren – Technische Maßnahmen zum Klimaschutz” des Umweltbundesamtes mit ISSN 1862–4359 (ausschließlich als Download unter http://www.uba.de/uba-info-medien/3692.html) wird für Schwefelhexafluorid ein GWP-Wert (Global Warming Potential) in Höhe von 22.800 angegeben. Dessen Verweildauer in der Atmosphäre wird dabei mit ca. 3.200 Jahren beziffert. Im Gegensatz hierzu wird für Distickstoffmonoxid ein GWP-Wert von 298 genannt mit einer Verweildauer in der Atmosphäre von ca. 114 Jahren.
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Durch die Verwendung von Distickstoffmonoxid anstelle von Schwefelhexafluorid verbessert sich das Treibhauspotential somit annähernd um den Faktor 77. In Bezug auf die Verweildauer in der Atmosphäre ist die des Distickstoffmonoxids um den Faktor 28 verkürzt. Zusammen mit diesen deutlich besseren Umweltwerten erfüllt Distickstoffmonoxid zudem die Anforderungen als Bestandteil eines Tracerfluids, was insbesondere dessen Löslichkeit in der verwendeten Hydraulikflüssigkeit sowie dessen Nachweisempfindlichkeit betrifft.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 10.
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In vorteilhafter Weise wird das Distickstoffmonoxid nach erfolgter Prüfung des Bauteils nicht einfach in die Umgebungsluft entlassen, sondern zunächst gesammelt. Neben einer entsprechenden Lagerung kann dieses somit bei Bedarf erneut als Bestandteil eines neu anzumischenden Tracerfluids dienen. In jedem Fall wird dessen Abgabe an die Umwelt somit zunächst unterbunden, was sich insbesondere auf den Klimaschutz positiv auswirkt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das so gesammelte Distickstoffmonoxid anschließend in seine Bestandteile Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Die Zerlegung des Distickstoffmonoxids erfolgt mittels eines katalytischen Verfahrens. Hierfür wird das Distickstoffmonoxid mit einem geeigneten Katalysator in Verbindung gebracht. Anschließend können die Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff unbedenklich an die Umwelt abgegeben werden.
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In vorteilhafter Weise wird das gesammelte Distickstoffmonoxid auf eine Temperatur größer 300°C erwärmt. Die Temperaturerhöhung dient dessen Zerlegung. Durch die Temperaturerhöhung des Distickstoffmonoxids wird die Wirkung des Katalysators und somit die Zerlegung des Distickstoffmonoxids in Stickstoff und Sauerstoff ermöglicht. Je nach verwendetem Katalysator kann durch die Erwärmung des Distickstoffmonoxids die Zerlegung beschleunigt werden.
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Um die Prozesssicherheit der Zerlegung von Distickstoffmonoxid in Stickstoff und Sauerstoff zu gewährleisten, sieht die Erfindung vor, dass die Zerlegung des Distickstoffmonoxids unter Einschluss von Luft durchgeführt wird.
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Bevorzugt wird die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids gemessen. Die Messung kann in bestimmten Abständen oder kontinuierlich erfolgen. Die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids gibt Aufschluss über die Geschwindigkeit der Zerlegung in Stickstoff und Sauerstoff, so wie die Wirkung des eingesetzten Katalysators.
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Bevorzugt wird bei Unterschreitung eines zuvor definierten Schwellenwerts für die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids eine Abgabe an die Umgebungsluft eingeleitet. Der Schwellenwert ist dabei so zu wählen, dass ein Kompromiss zwischen Dauer der Zerlegung des Distickstoffmonoxids und Umweltbelastung ermöglicht wird.
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Sofern bei der Messung des unzerlegten Distickstoffmonoxids die Überschreitung eines zuvor definierten Schwellenwerts für die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids registriert wird, sieht die Erfindung vor, dass in vorteilhafter Weise eine weitere Zerlegung mittels des Katalysators eingeleitet wird. So kann das Distickstoffmonoxid über eine Kreislauf mehrfach mit dem Katalysator in Verbindung gebracht werden, wobei erst nach Unterschreitung eines zuvor definierten Schwellenwerts für die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids eine Abgabe an die Umgebungsluft erfolgt.
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Besonders bevorzugt wird das zu prüfende Bauteil vor oder nach dem Befüllen mit dem Tracerfluid in eine evakuierte Prüfkammer verbracht. Das in der evakuierten Prüfkammer vorhandene Vakuum ermöglicht eine überaus genaue Detektion eines etwaigen aus dem verschlossenen Bauteil austretenden Anteils an Distickstoffmonoxid.
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Weiterhin sieht die Erfindung bei Bedarf vor, dass die Leistung des Katalysators überwacht werden kann. Neben dem Erkennen etwaiger Störungen kann so dessen Wirkungsgrad beobachtet werden, um beispielsweise einen möglichen Austauschzeitpunkt zu bestimmen.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Bauteils, insbesondere eines Hochdruckbauteils zur Verfügung, welches den modernen Anforderungen an Qualität und Umweltschutz genügt. Durch den Einsatz von Distickstoffmonoxid anstelle des ansonsten verwendeten Schwefelhexafluorids kann die Dichtheitsprüfung von Hochdruckbauteilen prozesssicher durchgeführt werden bei gleichzeitigem Schutz der Umwelt. Bereits durch die bloße Verwendung von Distickstoffmonoxid werden die ansonsten auftretenden Emissionsgrade rapide gesenkt, was sich insbesondere positiv auf den GWP-Wert sowie die Verweildauer in der Atmosphäre auswirkt.
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Darüber hinaus wird die Möglichkeit einer nahezu emissionsfreien Dichtheitsprüfung von Hochdruckbauteilen aufgezeigt, bei welcher durch den Einsatz eines Katalysators das verwendete Distickstoffmonoxid in seine Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff zerlegt wird, welche problemlos in die Umwelt entlassen werden können. In Kombination mit einer Kontrolle der einzelnen Prozessparameter wird so ein insbesondere für industrielle Einsatzzwecke prozesssicherer Betrieb gewährleistet und eine umweltschonende Prozesskette ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Dichtheitsprüfung sowie
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2 eine Prinzipdarstellung der Zerlegung des verwendeten Gases.
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1 zeigt den schematischen Aufbau einer Anlage 1 für eine erfindungsgemäße Dichtheitsprüfung. Die Anlage 1 weist eine Prüfkammer 2 auf, welche der Aufnahme eines auf seine Dichtheit hin zu prüfenden Bauteils 3 dient. Um möglichst präzise Messungen zu ermöglichen, kann die Prüfkammer 2 über eine Vakuumpumpe 4 evakuiert werden. Der einzustellende Unterdruck in der Prüfkammer 2 kann über einen entsprechenden Druckaufnehmer 5a abgelesen werden. Bei dem Druckaufnehmer handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, welches einen anliegenden Druck in ein geeignetes Signal umwandelt. Das jeweilige Signal wird beispielsweise kabelgebunden oder kabellos an eine geeignete Steuer- und/oder Überwachungseinheit weitergeleitet, wo es ausgewertet und bei Bedarf als Messwert dargestellt werden kann.
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Ein zur Dichtheitsprüfung verwendetes Tracerfluid 6 wird vor der Prüfung des Bauteils 3 als Gemisch aus einer nicht näher dargestellten Hydraulikflüssigkeit in einem Mischbehälter 7 mit Distickstoffmonoxid N2O angereichert. Das Distickstoffmonoxid N2O wird hierfür aus einem geeigneten Gasbehälter 8 über ein Regelventil 9a in den Mischbehälter 7 mit der nicht näher dargestellten Hydraulikflüssigkeit eingelassen. Die Hydraulikflüssigkeit wird bevorzugt aus einem Dieselersatz, insbesondere aus einem Hydrauliköl V1404 gebildet.
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Um das innerhalb der Prüfkammer 2 angeordnete Bauteil 3 auf seine Dichtheit hin zu prüfen, wird dieses über eine entsprechende Zulaufleitung 10 mit dem Mischbehälter 7 verbunden. Zum Befüllen des Bauteils 3 wird die Zulaufleitung 10 über ein Regelventil 9b geöffnet, woraufhin das Tracerfluid 6 über eine Befüllpumpe 11a durch die Zulaufleitung 10 hindurch in das Bauteil 3 eingeleitet wird. Der innerhalb des Mischbehälters 7 vorhandene Innendruck kann ebenfalls über einen Druckaufnehmer 5b überwacht sein. Weiterhin ist das Bauteil 3 innerhalb der Prüfkammer 2 mit einer Ablaufleitung 12 gekoppelt, welche über ein Regelventil 9c verschließbar ist, wobei die Ablaufleitung 12 in einen Rücklauftank 13 mündet. Während des Befüllvorgangs des Bauteils 3 ist das Regelventil 9c ebenfalls geöffnet.
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Zur Dichtheitsprüfung des Bauteils 3 innerhalb der evakuierten Prüfkammer 2 wird nun das Tracerfluid 6 innerhalb des Bauteils 3 durch eine Druckerhöhung auf den erforderlichen Prüfdruck gebracht. Der Prüfdruck wird durch eine über eine Stichleitung 14 mit der Zulaufleitung 10 verbundenen Druckeinheit 15 erzeugt. Die Druckeinheit 15 weist hierfür eine Druckpumpe 15a in Kombination mit einem Druckübersetzer 15b auf. Der in der Stichleitung 14 vorhandene Druck kann ebenfalls über einen Druckaufnehmer 5c überwacht sein.
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Um den notwendigen Prüfdruck innerhalb des Bauteils 3 zu erzeugen, wird dieses zunächst einseitig über das Regelventil 9c verschlossen. Anschließend wird der Druck über die Druckeinheit 15 aufgebaut und gehalten. Das gegenüberliegende Regelventil 9b kann bei Bedarf ebenfalls geschlossen werden, um den Prüfdruck zu halten oder ein Zurückfahren des Druckübersetzers 15b zu ermöglichen.
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Die Prüfkammer 2 ist mit einem Messsystem 16 verbunden, über welches ein etwaiger aus dem verschlossenen Bauteil 3 austretender Anteil des Distickstoffmonoxids N2O aus dem Tracerfluid 6 erfasst werden kann. Bevorzugt wird ein Prüfdruck von 2.000 bar verwendet. Je nach Anforderung kann grundsätzlich auch ein Prüfdruck von über 2.000 bar bis einschließlich 3.000 bar Verwendung finden. Der zu verwendende Prüfdruck hängt beispielsweise von der im Einsatz vorherrschenden Druckbelastung des zu prüfenden Bauteils ab.
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Nach erfolgter Prüfung des Bauteils 3 wird das Regelventil 9c geöffnet, um das Tracerfluid 6 aus dem Bauteil 3 über die Ablaufleitung 12 in den Rücklauftank 13 zu leiten. Der Rücklauftank 13 ist über eine Absaugleitung 17 mit einer Absaugung 18 verbunden. Die Absaugung 18 dient dazu, das sich von dem Tracerfluid 6 innerhalb des Rücklauftanks 13 abtrennende Distickstoffmonoxid N2O in die Umwelt zu entlassen. Die Prüfkammer 2 selbst ist über eine mit einem Regelventil 9d verschließbare Verbindungsleitung 19 mit dem Rücklauftank 13 verbunden. Hierdurch kann bereits während der Prüfung bei einer möglichen Großleckage undefiniert austretendes Tracerfluid 6 sowie dessen Bestandteile in den Rücklauftank 13 geleitet werden.
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Der Rücklauftank 13 ist über eine Rücklaufleitung 20 mit dem Mischbehälter 7 verbunden. Die Rücklaufleitung 20 weist hierfür eine Druckpumpe 11b auf, um das innerhalb des Rücklauftanks 13 befindliche Tracerfluid durch die Rücklaufleitung 20 hindurch in den Mischbehälter 7 zurückzupumpen. Innerhalb des Mischbehälters 7 kann das Tracerfluid 6 bei Bedarf erneut mit Distickstoffmonoxid N2O angereichert werden.
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2 zeigt eine schematisch dargestellte Zerlegeeinheit 21, um das bei der Prüfung des Bauteils 3 anfallende Distickstoffmonoxid N2O in seine unbedenklichen Bestandteile zu zerlegen, bevor diese in die Umwelt entlassen werden. Hierfür ist die Zerlegeeinheit 21 in nicht näher dargestellter Art und Weise mit dem Rücklauftank 13 verbunden. Mit anderen Worten ist die Zerlegeeinheit 21 zwischen dem Rücklauftank 13 und der Absaugung 18 angeordnet.
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Hierfür wird das Distickstoffmonoxid N2O zunächst über eine Heizwendel 22 auf eine Temperatur > 300°C erhitzt, woraufhin es einem Katalysator 23 zugeführt wird. Mittels des Katalysators 23 wird das zuvor gesammelte und erhitzte Distickstoffmonoxid N2O in seine Bestandteile Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 zerlegt. Um einen möglichst hohen Grad der Zerlegung des Distickstoffmonoxids N2O zu gewährleisten, wird das den Katalysator 23 passierende Fluid zunächst in einem Sammelbehälter 24 aufgefangen, in welchem die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids N2O gemessen wird. Die Messung selbst erfolgt über ein Inline Messsystem 25, welches mit dem Sammelbehälter 24 verbunden ist. Bei Unterschreitung eines zuvor definierten Schwellenwerts für die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids N2O wird das im Sammelbehälter 24 enthaltende Fluid, insbesondere der Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 sowie noch etwaiges vorhandenes Distickstoffmonoxid N2O der Absaugung 18 zugeführt und in die Umgebung entlassen.
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Sofern das Inlinemesssystem 25 eine Überschreitung des zuvor definierten Schwellenwerts für die Konzentration des unzerlegten Distickstoffmonoxids N2O in dem Sammelbehälter 24 registriert, wird eine weitere Zerlegung des Distickstoffmonoxids N2O eingeleitet. Hierfür ist der Sammelbehälter 24 mit einer Umlaufleitung 26 verbunden, über welche das Fluid aus dem Sammelbehälter 24, insbesondere das nicht zerlegte Distickstoffmonoxid N2O, erneut seiner Erhitzung durch die Heizwendel 22 zugeführt wird und eine weitere Zerlegung innerhalb des Katalysators 23 erfährt.
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Durch den so vorhandenen Umlaufkreis wird das im Sammelbehälter 24 ankommende Fluid so oft erhitzt und in dem Katalysator 23 zerlegt, bis der zuvor definierte Schwellenwert für das unzerlegte Distickstoffmonoxid N2O unterschritten ist und insbesondere dessen unbedenklichen Bestandteile Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 in die Umwelt entlassen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlage
- 2
- Prüfkammer
- 3
- Bauteil
- 4
- Vakuumpumpe
- 5a
- Druckaufnehmer
- 5b
- Druckaufnehmer
- 5c
- Druckaufnehmer
- 6
- Tracerfluid
- 7
- Mischbehälter
- 8
- Gasbehälter
- 9a
- Regelventil
- 9b
- Regelventil
- 9c
- Regelventil
- 9d
- Regelventil
- 10
- Zulaufleitung
- 11a
- Befüllpumpe
- 11b
- Druckpumpe
- 12
- Ablaufleitung
- 13
- Rücklauftank
- 14
- Stichleitung
- 15
- Druckeinheit
- 15a
- Druckpumpe
- 15b
- Druckübersetzer
- 16
- Messsystem
- 17
- Absaugleitung
- 18
- Absaugung
- 19
- Verbindungsleitung
- 20
- Rücklaufleitung
- 21
- Zerlegeeinheit
- 22
- Heizwendel
- 23
- Katalysator
- 24
- Sammelbehälter
- 25
- Inline Messsystem
- 26
- Umlaufleitung
- N2
- Stickstoff
- O2
- Sauerstoff
- N2O
- Distickstoffmonoxid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.uba.de/uba-info-medien/3692.html [0009]
