DE102012112323B3

DE102012112323B3 - Temperatursensoranordnung zur zeitweisen Messung hoher Umgebungstemperaturen sowie deren Verwendung zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils bei der Glasherstellung oder Behandlung von Glaskörpern

Info

Publication number: DE102012112323B3
Application number: DE201210112323
Authority: DE
Inventors: Thomas Raskop; Thorsten Wilke; Günter Weidmann; Markus Will
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott Pharma AG and Co KGaA
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-12-15

Abstract

Eine Temperatursensoranordnung zur zeitweisen Messung hoher Umgebungstemperaturen umfasst einen elektronischen Temperatursensor, dessen maximale Betriebstemperatur niedriger ist als die zu messenden Umgebungstemperaturen, sowie ein Gehäuse, in welchem der elektronische Temperatursensor vollständig aufgenommen ist. Das Gehäuse umfasst zumindest zwei Gehäuseabschnitte, die zu dem Gehäuse zusammengesetzt sind, wobei Außenoberflächen der Gehäuseabschnitte mit einer Beschichtung mm Reflektieren von Wärmestrahlung versehen sind und in den Gehäuseabschnitten jeweils eine Wärmeisolationslage aufgenommen ist, um einen Innenraum des Gehäuses zur Aufnahme des elektronischen Temperatursensors gegen die Gehäuseabschnitte thermisch zu isolieren. Erfindungsgemäß ist auf einer Innenseite der Wärmeisolationslagen ein Wärmespeicher aus einem Material mit einer Wärmespeicherzahl und einer Wärmeleitfahigkeit, die jeweils größer ist als die Wärmespeicherzahl und Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationslage, vorgesehen und ist der Innenraum zur Aufnahme des elektronischen Temperatursensors vollständig in dem Wärmespeicher ausgebildet. Dies ermöglicht bei vorgegebener Gesamtstärke der Wand des Gehäuses eine kostengünstige Optimierung des erzielbaren Wärmeleitkoeffizienten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die zeitweise Messung hoher Umgebungstemperaturen mit Hilfe eines elektronischen Temperatursensors oder einer Elektronik, deren maximale Betriebstemperatur von den hohen Umgebungstemperaturen überschritten wird, und betrifft insbesondere die zeitweise Messung hoher Umgebungstemperaturen mit Hilfe eines thermisch isoliert eingehäusten Temperatur-Datenloggers, insbesondere zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils bei der Glasherstellung oder Behandlung von Glaskörpern, beispielsweise eines Temperaturprofils in einem Durchlaufofen zum Abbau von Spannungen in Primärpackmitteln aus Glas für pharmazeutische Anwendungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Produktion von Primärpackmitteln aus Glas für die Pharmaindustrie, wie beispielsweise Glasfläschchen, Glasampullen oder Glasspritzen, stellt hohe Anforderungen an die Sauberkeit und Qualität der Produkte, da Abweichungen direkten Einfluss auf die Gesundheit der Verbraucher haben. Ungenügende Sorgfalt kann die Sicherheit, Wirksamkeit und Akzeptanz eines Arzneimittels negativ beeinflussen. Somit gelten höchste Reinheitsanforderungen an die Hersteller von Primärpackmitteln. Diese sind beispielsweise in Deutschland nach dem Arzneimittelgesetz dazu verpflichtet, ihre Arzneimittel nur in Behältnissen in den Verkehr zu bringen, die gewährleisten, „dass die Qualität nicht mehr als unvermeidbar beeinträchtigt wird”. In der Praxis bedeutet diese für die Hersteller von Primärpackmitteln aus Glas, dass bei der Herstellung keine Kontaminationen in die Primärpackmittel gelangen dürfen.
Entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Glases haben dabei die inneren Spannungen, welche in üblicherweise als Durchlaufofen ausgebildeten Abkühlöfen reduziert und vermieden werden. Dementsprechend müssen zur Validierung und Qualitätssicherung die Temperaturprofile der Abkühlöfen unter Produktionsbedingungen erfasst werden. Der Einsatz eines Temperatur-Datenloggers an der Position der Werkstücke in den Öfen selbst ist hierbei für die Qualitätssicherung und Reproduzierbarkeit dieses Temperaturprofils unumgänglich. Dabei herrschen hohe Umgebungstemperaturen von über 600°C vor, die übliche maximale Betriebstemperaturen von Messelektroniken, insbesondere von Temperatursensoren und Temperatur-Datenloggern, weit überschreiten und deshalb eine große Herausforderung an die thermische Isolation der Messelektronik darstellen.
Eine weitere Herausforderung stellen dabei bei der Herstellung von Primärpackmitteln die vergleichsweise langen Durchlaufzeiten durch die Durchlauföfen (von der Größenordnung von bis zu etwa 45 Minuten) sowie die vergleichsweise kleinen Abmessungen dar, die zum Einbringen und Durchlaufen für eine Temperatursensoranordnung zur Verfügung stehen. So stehen bei einigen Ofentypen nur eine maximale Innenhöhe von etwa 37 mm und eine maximale Lamellenbreite von darin eingesetzten Transportbändern von etwa 55 mm zur Verfügung.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Hitzeschutzeinhausungen für Datenlogger oder ähnliche temperaturempfindliche elektronische Messgeräte oder Schaltungen bekannt.
So offenbart DE 202005011394 U1 ein Wärmeschutzgehäuse für temperaturempfindliche Messgeräte, wobei im Innnern des Gehäuses eine Wärmeisolation und ein im Betrieb schmelzender Stoff mit einer Phasenübergangstemperatur bei den zu messenden Temperaturen vorgesehen. Zwar ist der schmelzende Stoff in einer oder mehreren Membranen eingeschlossen. Dennoch kann ein Austritt von Substanzen in die Umgebung nicht zuverlässig ausgeschlossen werden, insbesondere bei hohen Temperaturen.
Derartige Lösungsansätze sind beispielsweise auch in der EP 1029430 B1 oder in der US 4694119 A für Flugdatenaufzeichnungsgeräte offenbart.
Ein weiterer Lösungsansatz wird in der JP 2000130961 A offenbart. Darin umfasst eine Wärmeschutzanordnung für Messgeräte eine poröse Seitenwand aus einem Feuerfestmaterial. Darin aufgenommenes Wasser verdampft in hohen Umgebungstemperaturen, was zwar zu einer Kühlung des Messgeräts beiträgt, jedoch zum unerwünschten Verdampfen von Substanzen führt, was insbesondere bei der Aufzeichnungen von Temperaturprofilen bei der Herstellung von Primärpackmitteln aus Glas für pharmazeutische Anwendungen nicht erwünscht ist.
EP 1202014 A2 offenbart ein weiteres Wärmeschutzgehäuse für temperaturempfindliche Messgeräte, wobei im Innnern eines Gehäuses aus einem Metallblech eine Wärmeisolation vorgesehen ist, in welcher das eigentliche Messgerät aufgenommen ist.
Eine vergleichbare Anordnung ist in der EP 0231431 A1 offenbart.
Einen etwas anderen Lösungsansatz verfolgen drahtlose Messkonzepte, bei denen Temperaturen aus heißen Messbereichen entweder mit Hilfe von Pyrometern abgefragt werden (vgl. DE 3430024 A1 ) oder mit Hilfe einer passiv betriebenen, impedanzangepassten Fühlerantenne gemessen und von einer Abfrageelektronik außerhalb des Ofenraums drahtlos abgefragt werden (vgl. DE 102007020176 B4 ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Temperatursensoranordnung zur zeitweisen Messung hoher Umgebungstemperaturen bereitzustellen, die einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist, einfach zu bedienen ist und zuverlässig eine Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur einer Temperatur-Messelektronik verhindert. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll ferner eine entsprechende Verwendung bzw. ein Verfahren zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils bei der Glasherstellung oder bei der Behandlung von Glaskörpern bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch eine Temperatursensoranordnung nach Anspruch 1 sowie durch deren Verwendung nach Anspruch 18 gelöst. Weiter bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Patentansprüche.
Somit geht die vorliegende Erfindung aus von einer Temperatursensoranordnung zur zeitweisen Messung hoher Umgebungstemperaturen, mit einem elektronischen Temperatursensor, dessen maximale Betriebstemperatur niedriger ist als die zu messenden Umgebungstemperaturen, sowie einem Gehäuse, in welchem der elektronische Temperatursensor vollständig aufgenommen ist, wobei das Gehäuse zumindest zwei Gehäuseabschnitte umfasst, die zu dem Gehäuse zusammengesetzt sind, Außenoberflächen der Gehäuseabschnitte mit einer Beschichtung zum Reflektieren von Wärmestrahlung versehen sind, und in den Gehäuseabschnitten jeweils eine Wärmeisolationslage aufgenommen ist, um einen Innenraum des Gehäuses zur Aufnahme des elektronischen Temperatursensors gegen die Gehäuseabschnitte thermisch zu isolieren.
Erfindungsgemäß ist auf einer Innenseite der Wärmeisolationslagen ein Wärmespeicher aus einem Material mit einer Wärmespeicherzahl und einer Wärmeleitfähigkeit, die jeweils größer ist als die Wärmespeicherzahl und Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationslage, vorgesehen und ist der Innenraum zur Aufnahme des elektronischen Temperatursensors vollständig in dem Wärmespeicher ausgebildet.
Der Wärmespeicher und die Wärmeisolationslage weisen zweckmäßig eine unterschiedliche Wärmespeicherzahl und Wärmeleitfähigkeit auf. Dies ermöglicht überraschenderweise bei einer vorgegebenen Gesamtstärke der Wand des Gehäuses eine Optimierung des erzielbaren Wärmeleitkoeffizienten. Somit steht erfindungsgemäß ein einfacher und wirkungsvoller Lösungsansatz zur Verfügung steht, um bei vorgegebenen Außenabmessungen des Gehäuses den Wärmeleitkoeffizienten für eine vorgegebene Anwendung zu optimieren. Die Anordnung des Wärmespeichers mit der jeweils größeren Wärmespeicherzahl und Wärmeleitfähigkeit auf der Innenseite der Wärmeisolationslagen ist hierbei eine einfach einzuhaltende Randbedingung. Mittels der auf der Außenoberfläche des Gehäuses vorgesehenen IR-reflektierenden Beschichtung kann somit Wärmestrahlung wirkungsvoll zurück in das Messvolumen reflektiert werden. Die Wärmeisolationslage leitet die von außen in das Gehäuse eindringende Wärme vergleichsweise schlecht an die im Innenraum befindliche Aufnahme für die Messelektronik weiter. Ein Aufheizen der Messelektronik wird weitestmöglich durch den Wärmespeicher verzögert. Trotz hoher Umgebungstemperaturen kann somit erfindungsgemäß die in der Aufnahme für die Messelektronik vorherrschende Temperatur auf Werte unterhalb deren maximaler Betriebstemperatur gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Wärmeisolationslage aus einem mikroporösen, thermischen Dämmstoff ausgebildet. Aufgrund der Mikroporen haben derartige Materialien einen vergleichsweise niedrigen Wärmeleitkoeffizienten, sind jedoch kostengünstig erhältlich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmespeicher aus einem Metall, insbesondere aus Nickel, ausgebildet. Vorteilhaft sind die geringen Kosten, einfache Verfügbarkeit und Bearbeitbarkeit sowie Nichtbrennbarkeit dieses Materials mit hoher Wärmespeicherzahl.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Dicke des Metalls größer als die Dicke der Wärmeisolationslage. Damit lässt sich der erzielbare Wärmeleitkoeffizient in einfacher Weise weiter optimieren
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mikroporöse, thermische Dämmstoff ein mikroporöser, thermischer Dämmstoff aus anorganischen, oxidischen Substanzen. Derartige Materialien sind kostengünstig verfügbar und haben den Vorteil, dass diese feuerfest sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Gehäuseabschnitte aus einem dünnen Edelstahlblech oder einem dünnen Blech aus einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung ausgebildet. Dies hat den Vorteil einer hohen Oxidationsbeständigkeit und lang anhaltenden Wiederverwertbarkeit. Ferner kann so die unerwünschte Abgabe von Substanzen an die Messumgebung wirkungsvoll verhindert werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Edelstahl 1.4841 erwiesen. Dieser austenitische Stahl mit 25% Chrom, 20% Nickel, 1,7% Silicium und 0,08% Kohlenstoff ist hitzebeständig bis 1150°C und ist wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit vorteilhaft für die Verwendung bei hohen Temperaturen. Weitere Vorteile sind eine gute Schweißbarkeit, beispielsweise mittels WIG-Schweißverfahren, und eine gute Kaltverformbarkeit dieses hochlegierten Stahls. Die Versprödungsgefahr im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C ist vergleichsweise gering und besteht allenfalls im Dauereinsatz.
Als weiter vorteilhaft hat sich die Verwendung von Nickelbasislegierungen, wie beispielsweise Inconel^®, oder Kobaltbasislegierungen erwiesen, weil diese Materialien insbesondere eine hohe Temperatur- und Korresionsbeständigkeit zeigen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Ecken und/oder Kanten der Gehäuseabschnitte gerundet oder gefast ausgebildet und Ecken und/oder Kanten der Wärmeisolationslage korrespondierend zu den gerundet oder gefast ausgebildeten Ecken und/oder Kanten der Gehäuseabschnitte ausgebildet. Somit kann die Wärmeisolationslage als Block eng anliegend in den Gehäuseabschnitten aufgenommen werden. Die Wärmeisolationslage kann beispielsweise durch Klemmung in den Gehäuseabschnitten gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der mikroporöse, thermische Dämmstoff eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich 0,01 W/(m·K) bis 0,03 W/(m·K), bevorzugter im Bereich 0,015 W/(m·K) bis 0,025 W/(m·K) auf, wobei die Dicke des mikroporösen, thermischen Dämmstoffs 3,5 bis 6 mm beträgt und bevorzugter 4 bis 4,5 mm beträgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke des Metalls 4,0 bis 7,0 mm, und beträgt diese bevorzugt 5,0 bis 6,5 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Wärmeisolationslagen sämtlicher Gehäuseabschnitte gemeinsam eine rechteckförmige Aufnahme aus, in welcher eng anliegend der Wärmespeicher aufgenommen ist. Weiter bevorzugt ist die Aufnahme nur in einer der Wärmeisolationslagen ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Innenkontur des Innenraums korrespondierend zu einer Außenkontur des elektronischen Temperatursensors oder einer elektronischen Schaltung einschließlich des elektronischen Temperatursensors und einer Spannungsversorgung hierfür ausgebildet. Somit kann der elektronische Temperatursensor oder eine elektronische Schaltung einschließlich des elektronischen Temperatursensors und einer Spannungsversorgung (beispielsweise einer Batterie) eng anliegend und quasi reibschlüssig in der Aufnahme gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in dem Wärmespeicher und der Wärmeisolationslage eine Nut ausgebildet, die mit einer Öffnung in der Außenoberfläche eines Gehäuseabschnitts in Verbindung steht, um eine Durchführung für einen Temperatursensordraht des elektronischen Temperatursensors auszubilden. Die Nut ist möglichst schmal und korrespondierend zum Profil des zur Gehäuseaußenseite durchzuführenden Temperatursensordrahts ausgebildet, sodass ein unerwünschtes Eindringen von Wärme direkt über die Nut in den Innenraum des Gehäuses weitestgehend unterdrückt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Gehäuseabschnitte mit einem Überstand aufeinander gesteckt, sodass die beiden Gehäuseabschnitte rasch auseinander genommen bzw. geöffnet werden können und die Messelektronik nach erfolgter Messung rasch aus dem Gehäuse entnommen werden kann, um eine Überhitzung zu vermeiden. Dabei wird der Überstand bevorzugt mittels Anschlägen auf den Außenoberflächen der Gehäuseabschnitte eingestellt ist. Solche Anschläge können in der Art von Haltewinkeln ausgebildet sein, mit den Außenoberflächen z. B. mittels Schweißen verbunden werden und können als Griffe zum raschen Öffnen des Gehäuses der Temperatursensoranordnung verwendet werden. Aufgrund des Überstands kann auch eine aufwändige Abdichtung des von den Gehäuseabschnitten ausgebildeten Gehäuses entfallen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der elektronische Temperatursensor ein Temperatur-Datenlogger mit einer eigenen Spannungsversorgung, beispielsweise einer Batterie, und sind die Außenabmessungen des Gehäuses bevorzugt kleiner als 150 mm × 60 mm × 30 mm. Eine solche Temperatursensoranordnung kann problemlos auch in Durchlauföfen eingesetzt werden, wie diese üblicherweise zum Abbau von inneren Spannungen in Primärpackmitteln aus Glas für pharmazeutische Anwendungen eingesetzt werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer Temperatursensoranordnung, wie vorstehend ausgeführt, zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils bei der Glasherstellung oder Behandlung von Glaskörpern, insbesondere zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils in einem Durchlaufofen zum Abbau von Spannungen in Primärpackmitteln aus Glas für pharmazeutische Anwendungen.
FIGURENÜBERSICHT
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Draufsicht eine Temperatursensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 in einer perspektivischen Draufsicht eine untere Gehäusehälfte der Temperatursensoranordnung gemäß der 1;
3 in einer perspektivischen Unteransicht eine obere Gehäusehälfte der Temperatursensoranordnung gemäß der 1;
4 den zeitlichen Temperaturverlauf im Innenraum der Temperatursensoranordnung gemäß der 1 bei der Messung von Umgebungstemperaturen; und
5 die gerechnete Abhängigkeit des Quotienten aus mittlerer Wärmespeicherzahl und Gesamtwärmewiderstand für ein konkretes Ausführungsbeispiel.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Gemäß der 1 ist die Temperatursensoranordnung 1 aus zwei Gehäusehälften 2, 3 ausgebildet, nämlich einer oberen Gehäusehälfte 2 und einer unteren Gehäusehälfte 3, die beide bevorzugt lose aufeinander gesteckt sind. Weitere Einzelheiten der beiden Gehäusehälften werden nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben.
Gemäß der 2 ist die untere Gehäusehälfte 3 als insgesamt rechteckförmiger Kasten ausgebildet, der von einem Edelstahlblech 10 eingefasst ist, dessen Ecken bzw. Kanten 14 gefast oder gerundet ausgebildet sind. Insbesondere sind an den vertikalen Außenkanten 14 Fasen der Größe 2·45° vorgesehen, damit eine Einpassung in die Tasche mit den Eckenradien von 2 mm möglich ist. Die untere Gehäusehälfte 3 wird von den beiden Seitenflächen 12, den beiden Stirnseiten 11 sowie einem Boden ausgebildet, wobei der Innenraum von oben her zugänglich ist. In der von dem Edelstahlblech 10 ausgebildeten, kastenförmigen Aufnahme ist ein Wärmeisolator 15 eingesetzt. Der Wärmeisolator 15 kann von den Seitenflächen 12 und/oder den Stirnseiten 11 geklemmt gehalten werden. Oder ein Isolationsklebeband aus einem Glasgewebe fixiert den Wärmeisolator 15. In dem Wärmeisolator 15 ist eine insgesamt rechteckförmige Aussparung ausgebildet, in welche ein als Wärmespeicher wirkender Metallkern 16 eingesetzt ist, in dem wiederum eine Aussparung 17 zur Aufnahme der Messelektronik (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Wie in der 2 dargestellt, bilden die Seitenwände 18 und eine Rundung 19 eine Aufnahme aus, deren Innenkontur bevorzugt exakt auf die Außenkontur der aufzunehmenden Messelektronik abgestimmt ist. Bei der Messelektronik kann es sich insbesondere um einen Temperatur-Datenlogger mit eigener Spannungsversorgung in Form einer Batterie handeln. Die maximale Betriebstemperatur einer solchen Messelektronik wird häufig von der maximalen Betriebstemperatur der Batterie bestimmt, die beispielhaft 85°C betragen kann.
Auf der Oberseite des Wärmeisolators 15 und des Metallkerns 16 sowie am vorderen Ende der unteren Gehäusehälfte 3 ist eine Nut 5 vorgesehen, die in eine Öffnung in der vorderen Stirnseite 11 übergeht, sodass ein Mantelthermoelement bis zur Außenseite der Gehäusehälfte 3 durchgeführt werden kann.
Auf die Stirnseiten 11 sind rechtwinklige Griffstücke 13 angeschweißt, die einerseits als Handgriffe zum raschen Öffnen des Gehäuses dienen und andererseits einen Abstand z1 zur Oberkante der unteren Gehäusehälfte 3 festlegen, wie nachfolgend ausgeführt.
Gemäß der 3 ist die obere Gehäusehälfte 2 in gleicher Weise als insgesamt rechteckförmiger Kasten ausgebildet, der von einem Edelstahlblech 20 eingefasst ist, dessen Ecken bzw. Kanten 24 gefast oder gerundet ausgebildet sind. Insbesondere sind an den vertikalen Außenkanten 24 Fasen der Größe 2·45° vorgesehen, damit eine Einpassung in die Tasche mit den Eckenradien von 2 mm möglich ist. Die obere Gehäusehälfte 2 wird von den beiden Seitenflächen 22, den beiden Stirnseiten 21 sowie einem Boden ausgebildet, wobei der Innenraum von oben her zugänglich ist. In der von dem Edelstahlblech 20 ausgebildeten, kastenförmigen Aufnahme ist ein Wärmeisolator 25 eingesetzt. Der Wärmeisolator 25 kann von den Seitenflächen 22 und/oder den Stirnseiten 21 geklemmt gehalten werden. Oder ein Isolationsklebeband aus einem Glasgewebe fixiert den Wärmeisolator 25. In dem Wärmeisolator 25 ist eine insgesamt rechteckförmige Aussparung ausgebildet, in welche ein als Wärmespeicher wirkender Metallkern 26 eingesetzt ist. Gemäß der 3 ist der Wärmeisolator 25 bündig mit der Oberkante des Metallkerns 26, sodass bei dieser Ausführungsform die Messelektronik vollständig in der Aussparung 17 der unteren Gehäusehälfte 3 (vgl. 2) aufgenommen ist.
Auf die Stirnseiten 21 sind ein rechtwinkliges Griffstückes 23 sowie ein geschlitztes Griffstück 23a angeschweißt, die einerseits als Handgriffe zum raschen Öffnen des Gehäuses dienen und andererseits im Zusammenwirken mit den Griffstücken 13 der unteren Gehäusehälfte 3 (vgl. 2) als Anschläge wirken, da diese im geschlossenen Betriebszustand gemäß der 1 unmittelbar aufeinander liegen.
Gemäß der 3 beträgt der Abstand zwischen der Oberseite des Wärmeisolators 25 und des Metallkerns 26 und der Oberkante des Edelstahlblechs 20 z2. Bevorzugt ist dieser Abstand z2 gleich dem Abstand z1, wie in der 2 dargestellt. Somit sind die beiden Gehäusehälften 2, 3 mit einem Überstand, der dem Abstand z1 bzw. z2 entspricht, lose aufeinander gesteckt. Aufgrund des Überstands kann eine aufwändige Abdichtung des von den beiden Gehäusehälften 2, 3 gebildeten Gehäuses entfallen.
Im geschlossenen Betriebszustand gemäß der 1 befindet sich die Öffnung 6, durch die der Temperatursensordraht der Messelektronik, also beispielsweise ein Mantelthermoelement, zur Gehäuseaußenseite geführt ist, zwischen den beiden Griffstücken 23a und wird von diesen auch mechanisch geschützt.
Wenngleich vorstehend Edelstahl als Material des Blechs konkret beschrieben wurde, kann stattdessen selbstverständlich auch eine geeignete Nickelbasis- oder Kobaltbasislegierung verwendet werden. Bekanntermaßen verfügen Nickelbasislegierungen über eine gute Korrosions- und/oder Hochtemperaturbeständigkeit und können spezielle physikalische Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise eine kontrollierte thermische Ausdehnung.
Nickelbasislegierungen weisen Nickel als Hauptkomponente und Chrom als wichtigste Nebenkomponente auf, wobei zusätzlich Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor als weitere Komponenten enthalten sein können. Zur Verwendung können Nickel-Kupfer-, Nickel-Eisen-, Nickel-Eisen-Chrom-, Nickel-Chrom-, Nickel-Molybdän-Chrom, Nickel-Chrom-Kobalt-, niedriglegierte Nickellegierungen (mit einem Nickelanteil von bis zu 99,9%) und andere Mehrstofflegierungen kommen. Ein bekanntes Beispiel für eine Nickelbasislegierung ist unter dem Markennamen Inconel^® mit der chemischen Zusammensetzung von beispielsweise 0,04%C, 19% Cr, 3,0% Mo, 52,5% Ni, 0,9% Al, ≤ 0,1% Cu, 5,1% Nb, 0,9% Ti, und 19% Fe im Handel erhältlich.
In ähnlicher Weise können statt Edelstahl Kobaltbasislegierungen verwendet werden, mit Kobalt als Hauptkomponente und Chrom als wichtigste Nebenkomponente, wobei zusätzlich Eisen, Molybdän, Niob, Nickel, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor als weitere Komponenten enthalten sein können.
Konkretes Ausführungsbeispiel
Ein zweiteiliges Gehäuse aus Ober- und Unterkasten stellt den Untergrund für eine Goldbeschichtung und die Aufnahme des Isolationsmaterials dar. Die beiden Blechkonstruktionen von Ober- und Unterkasten bestehen aus gebogenem und an den Laschen verschweißtem Edelstahl 1.4841. Dieser austenitische Stahl mit 25% Chrom, 20% Nickel, 1,7% Silicium und 0,08% Kohlenstoff ist hitzebeständig bis 1150°C und hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Die gute Schweißbarkeit mittels WIG-Schweißverfahren und die gute Kaltverformbarkeit prädestinieren diesen hochlegierten Stahl für die vorliegende Anwendung und das Fertigungsverfahren. Die Versprödungsgefahr im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C besteht lediglich im Dauereinsatz. Der Biegeradius im Bereich der Außenkanten beträgt 2 mm. Der Edelstahl von Ober- und Unterkasten ist mit einer Goldbeschichtung zur Reflexion von Wärmestrahlung versehen.
Der Unterkasten hat die Außenmaße 112 mm·52 mm·25 mm ohne Laschen. In diesen eingepasst ist eine Isolationsschicht aus dem Material Contherm MP 1000 der Contherm Wärmedämmungssystem GmbH, Neuenstein (Deutschland) mit einer Wandstärke von 4 mm zur Unterseite bzw. 4,5 mm zu den Seiten. Dieser Wärmeisolator mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,02 W/(m·K) bei 200°C ist nicht brennbar und kann bei Temperaturen bis 1000°C eingesetzt werden. Er stellt den Hauptwärmewiderstand der vorliegenden Schichtkombination dar und verringert damit den Wärmestrom von außen nach innen. In der vorliegenden Tasche mit den Maßen 101 mm·51 mm·20 mm befindet sich ein Nickelkern mit einer dem Temperatur-Datenlogger und Thermostecker angepassten Aussparung, wie in der 2 dargestellt. Nickel als Material für den Kern verfügt über eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ist gut auch spanend bearbeitbar. Die minimale Materialstärke des Nickelkerns beträgt 5 mm an der Bodenseite, sodass die Aussparung eine Tiefe von 15 mm besitzt. An den vertikalen Außenkanten sind Fasen der Größe 2·45° vorgesehen, damit eine Einpassung in die Tasche mit den Eckenradien von 2 mm möglich ist.
Für die Durchführung eines Mantelthermoelements mit dem Durchmesser d = 1 mm ist eine durchgängige Nut mit der Breite und Tiefe von 1,2 mm vorgesehen.
Der Oberkasten mit den Außenmaßen 115 mm·55 mm·15 mm enthält ebenfalls eine Isolationsschicht aus dem Material Contherm MP 1000 mit einer Wandstärke von 4 mm zur Oberseite bzw. 4,5 mm zu den Seiten. Der innen liegende Nickelkern mit den Maßen 104 mm·44 mm·5 mm liegt mit der Unterseite auf einer Ebene mit dem umschließenden Isolationsmaterial, sodass diese Fläche als Auflage bzw. Deckel zum Unterkasten dient.
Damit ergibt sich eine Überlappung der beiden Gehäusehälften von 5 mm bei einer Gesamthöhe von 35 mm. Dementsprechend ist im oberen Kasten eine 5 mm tiefe Nut mit der Breite 1,6 mm für ein Mantelthermoelement vorgesehen. Mit einem Isolationsklebeband aus Glasgewebe des Herstellers 3M kann das Herausfallen des Nickelkerns verhindert werden. Es stellt außerdem eine zusätzliche Abdichtung der Kontaktflächen dar. Das Volumen des Gehäuses beträgt etwa 72,3 cm³, das Gewicht beträgt etwa 800 g. Eine vergrößerte Spielpassung zwischen den beiden Gehäusehälften kann ein Verklemmen dieser verhindern. Die Laschen an Ober- und Unterkasten dienen dem einfachen Öffnen des in 1 dargestellten Gehäuses.
Bei den sensiblen Wärmespeichern wird aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit und Zerspanbarkeit Nickel anderen Materialien, wie beispielsweise Gusseisen oder Gold, vorgezogen. Testreihen zur Überprüfung der Einsatzfähigkeit bezüglich der Dauerbeständigkeit haben jedoch ergeben, dass chemisches Nickel als Material für den Wärmespeicher für Anwendungen bei Primärpackmitteln für pharmazeutische Anwendungen zu vermeiden ist, da chemisches Nickel einen Phosphoranteil von 7% bis 14% aufweist, was im Pharmabereich unerwünschte Phosphorgase entstehen lässt.
Der Dimensionierung lagen insbesondere die folgenden Betrachtungen und Annahmen zugrunde:
Von den grundsätzlich als Material für den Wärme- bzw. Kältespeicher zur Verfügung stehenden Materialien erreichen Nickel, Gusseisen und legierter Stahl ähnliche Werte bei der Wärmespeicherzahl. Allerdings zeigen die Rechnungen, dass diese bei einem Einsatz vor und hinter dem Datenlogger nicht die gesamte Wärmemenge bei einer typischen Durchlaufzeit bei Durchlauföfen für Primärpackmittel aus Glas von 40 Minuten aufnehmen können. Die Verwendung nur eines Isolationsmaterials erfüllt ebenfalls nicht die geforderte Verzögerung des Temperaturanstiegs.
Ein Zwiebelsystem aus einem Dämmstoff mit geringer Temperaturleitfähigkeit und einem Wärmespeicher mit hoher Wärmespeicherzahl können ein Maximum des Quotienten aus mittlerer Wärmespeicherzahl zu Gesamtwärmewiderstand ergeben. Mit der mittleren Wärmespeicherzahl S_Mittel und dem Gesamtwärmewiderstand 1/k_ges einer mehrschichtigen Isolation mit der Gesamtstärke s_ges = s₁ + s₂ lässt sich eine Funktion für den Quotienten S_Mittel/k_ges wie folgt aufstellen:
Bei einer festen Gesamtstärke s_ges der Wand ist die Funktion S/k ein Polynom zweiten Grades der Schichtdicke s₁. Sind beide Stoffeigenschaften S und λ des einen Werkstoffes größer als die des anderen, so wird der Leitkoeffizient negativ und es existiert ein Maximum. Dessen Lage s_max kann durch Ableiten nach s₁ und Nullsetzen der Funktion bestimmt werden. Der äußere Wärmeübergangskoeffizient α beeinflusst zwar die Lage des Maximums, jedoch nicht dessen Existenz.
Diese Feststellung wurde iterativ mit weiteren zur Verfügung stehenden Dämmstoffen und Wärmespeichern überprüft. Bei einer Schichtkombination aus dem bevorzugten Dämmstoff (Contherm MP 1000) bezogen auf die Temperaturleitfähigkeit und Nickel als Wärmespeicher mit hoher Wärmespeicherzahl ergeben sich die höchsten Werte für den Quotienten S_Mittel/k_ges.
Mit s_ges = 10 mm, α = 10 W/(m²·K), S_Isolator = 0,184·10³ kJ/(m³·K), S_Nickel = 3,9648·10³ kJ/(m³·K), λ_Isolator = 0,024 W/(m·K) und λ_Nickel = 91 W/(m·K) ergibt sich der in 5 dargestellte Zusammenhang S_Mittel/k_ges(s_Isolator). Der bei dieser geringen Schichtdicke nicht vernachlässigbare äußere Wärmeübergang α bedingt, dass der Quotient S_Mittel/k_ges bei einer reinen Isolationsschicht (s_Isolator = 10 mm) kleiner ist als bei einer reinen Nickelschicht (s_Isolator = 0 mm). Es existiert ein Maximum des Quotienten S_Mittel/k_ges bei s_Isolator ≈ 4 mm und S_Nickel ≈ 6 mm. Hierbei spielt es keine Rolle aus wie vielen Schichten sich diese Materialstärke zusammensetzt und in welcher Reihenfolge sie angeordnet sind.
Auf Grundlage dieser Berechnung wurden die Materialstärken und Materialien ausgewählt, wie vorstehend beschrieben.
Konkret gemessener Temperaturverlauf
Eine Hitzeschutzeinhausung, wie vorstehend beschrieben, wird nach vorheriger Abkühlung im Gefrierfach auf eine Temperatur von –20°C einer Ofentemperatur von T_Ofen = 300°C über einen Zeitraum von 40 Minuten ausgesetzt. Die Temperatur wird an der Position des aufzunehmenden Temperatur-Datenloggers selbst gemessen. Ein zusätzlicher Block aus Kupfer im Inneren erhöht die aufnehmbare Wärmemenge. Um möglichst reale Bedingungen darzustellen, wird das Gehäuse nicht auf den heißen Ofenboden sondern auf zwei Stahlwinkel gestellt.
Die 4 zeigt das aufgezeichnete Temperaturprofil des Temperatur-Datenloggers während des 40-minütigen Aufenthaltes im Ofen. Mit den getroffenen Maßnahmen steigt die Temperatur auf maximale 108°C an. Der Datenlogger und die Batterie haben dabei keinen Schaden genommen.
Bevorzugte Verwendung
Ein Temperatur-Datenlogger mit Batterie wird in ein Wärmeschutzgehäuse, wie vorstehend beschrieben, eingesetzt. Eine solche Temperatursensoranordnung wird auf eine Temperatur von –20°C abgekühlt, dann sofort auf einem Transportband mit einer Lamellenbreite von 53 mm eines Durchlaufofens zum Abbau von inneren Spannungen in Primärpackmitteln aus Glas abgelegt und durchäuft den Durchlaufofen gemeinsam mit den zu behandelnden Primärpackmitteln. Die Temperatur im Innenraum des Durchlaufofens beträgt 650°C, die Durchlaufzeit etwa 40 Minuten. Nach Durchlaufen des Durchlaufofens wurde die Temperatursensoranordnung sofort geöffnet und der Temperatur-Datenlogger mit Batterie zum Abkühlen und Auslesen der gespeicherten Daten entnommen.
Der Temperatur-Datenlogger mit der Typenbezeichnung TC-Link^® OEM ist ein Produkt der Firma MicroStrain. Dieser hat die Abmaße 50,3 mm·25,4 mm·5,9 mm und kann laut Datenblatt im Temperaturbereich von –40°C bis 85°C verwendet werden. Das Sensorsignal kann in Abtastraten von 2 Hz bis 0,001 Hz erfasst werden und lässt sich entweder online übertragen oder wird in einem 2 MB Flashspeicher gespeichert. Zur Spannungsversorgung dient eine Knopfzellenbatterie TLH-2450 von Tadiran Batteries mit der Größe 0 24 mm·6,5 mm. Diese kann bei kurzzeitigen Einsätzen < 3 h Spitzentemperaturen von bis zu 150°C standhalten. Als Temperatursensor steht ein Mantelthermoelement Typ K mit dem Durchmesser 1 mm zur Verfügung. Zum Anschluss des Thermoelements an den Datenlogger werden Mini-Thermostecker mit den Maßen 20 mm·11 mm·8 mm verwendet. Diese können im Temperaturbereich von –50°C bis 220°C verwendet werden.
In den Versuchsreihen zeigte der Temperatur-Datenlogger keine Beschädigungen oder Ausfälle.
Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne Weiteres ersichtlich sein wird, kann die Temperatursensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung auch für beliebige andere elektronische Schaltungen oder Elemente als Wärmeschutzeinhausung eingesetzt werden. Beispielhafte Verwendungen betreffen die kabellose Aufzeichnung eines Temperaturprofils bei der Glasherstellung oder Behandlung von Glaskörpern, beispielsweise von Rollenöfen, Keramisierungsöfen, Kühlöfen oder auch im Bereich von Schmelzwannen oder bei der Stahlherstellung.
Bezugszeichenliste

1: Temperatursensoranordnung
2: obere Gehäusehälfte
3: untere Gehäusehälfte
5: Nut
6: Öffnung
10: Gehäusehülle/Metallblech
11: Stirnseite
12: Seitenfläche
13: Griffstück
14: gerundete Ecke oder Kante
15: Wärmeisolator
16: Metallkern
17: Aussparung
18: Innenwand
19: Rundung
20: Gehäusehülle/Metallblech
21: Stirnseite
22: Seitenfläche
23: Griffstück
23a: geschlitztes Griffstück
24: gerundete Ecke oder Kante
25: Wärmeisolator
26: Metallkern

Claims

Temperatursensoranordnung zur zeitweisen Messung hoher Umgebungstemperaturen, mit einem elektronischen Temperatursensor, dessen maximale Betriebstemperatur niedriger ist als die zu messenden Umgebungstemperaturen, sowie einem Gehäuse (1), in welchem der elektronische Temperatursensor vollständig aufgenommen ist, wobei das Gehäuse zumindest zwei Gehäuseabschnitte (2, 3) umfasst, die zu dem Gehäuse (1) zusammengesetzt sind, Außenoberflächen der Gehäuseabschnitte (2, 3) mit einer Beschichtung zum Reflektieren von Wärmestrahlung versehen sind, und in den Gehäuseabschnitten (2, 3) jeweils eine Wärmeisolationslage (15, 25) aufgenommen ist, um einen Innenraum (17) des Gehäuses (1) zur Aufnahme des elektronischen Temperatursensors gegen die Gehäuseabschnitte (2, 3) thermisch zu isolieren, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Innenseite der Wärmeisolationslagen (15, 25) ein Wärmespeicher (16, 26) aus einem Material mit einer Wärmespeicherzahl und einer Wärmeleitfähigkeit, die jeweils größer ist als die Wärmespeicherzahl und Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationslagen (15, 25), vorgesehen ist, wobei der Innenraum (17) zur Aufnahme des elektronischen Temperatursensors vollständig in dem Wärmespeicher (16, 26) ausgebildet ist.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmeisolationslagen (15, 25) aus einem mikroporösen, thermischen Dämmstoff ausgebildet sind und der Wärmespeicher (16, 26) aus einem Metall ausgebildet ist, dessen Dicke größer ist als die Dicke der Wärmeisolationslagen (15, 25).
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 2, wobei der mikroparöse, thermische Dämmstoff ein mikroporöser, thermischer Dämmstoff aus anorganischen, oxidischen Substanzen ist, und die Gehäuseabschnitte (2, 3) aus einem dünnen Edelstahlblech oder einem dünnen Blech aus einer Nickelbasislegierung oder aus einer Kobaltbasislegierung ausgebildet sind.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 3, wobei Ecken und/oder Karten (14, 24) der Gehäuseabschnitte (2, 3) gerundet oder gefast ausgebildet sind und Ecken und/oder Kanten der Wärmeisolationslagen (15, 25) korrespondierend zu den gerundet oder gefast ausgebildeten Ecken und/oder Kannten (14, 24) der Gehäuseabschnitte (2, 3) ausgebildet sind.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der mikroporöse, thermische Dämmstoff eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich 0,01 W/(m·K) bis 0,03 W/(m·K), bevorzugter im Bereich 0,015 W/(m·K) bis 0,025 W/(m·K), aufweist, und wobei die Dicke des mikroporösen, thermischen Dämmstoffs 3,5 bis 6 mm, bevorzugter 4 bis 4,5 mm, beträgt.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 5, wobei die Dicke des Metalls 4,0 bis 7,0 mm, bevorzugt 5,0 bis 6,5 mm, beträgt.
Temperatursensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Edelstahl ein austenitischer Edelstahl ist und bevorzugt ein Edelstahl 1.4841 ist.
Temperatursensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Metall eine Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptkomponente und Chrom als wichtigste Nebenkomponente ist.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Nickelbasislegierung zusätzlich Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor als weitere Komponenten enthält.
Temperatursensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Metall eine Kobaltbasislegierung mit Kobalt als Hauptkomponente und Chrom als wichtigste Nebenkomponente ist.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 10, wobei die Kobaltbasislegierung zusätzlich Eisen, Molybdän, Niob, Nickel, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor als weitere Komponenten enthält.
Temperatursensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeisolationslagen (15, 25) sämtlicher Gehäuseabschnitte (2, 3) gemeinsam eine rechteckförmige Aufnahme ausbilden, in welcher eng anliegend der Wärmespeicher (16, 26) aufgenommen ist.
Temperatursensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die Aufnahme nur in einer der Warmeisolationslagen (15) ausgebildet ist.
Temperatursensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Innenkontur des Innenraums (17) korrespondierend zu einer Außenkontur des elektronischen Temperatursensors oder einer elektronischen Schaltung einschließlich des elektronischen Temperatursensors und einer Spannungsversorgung hierfür ausgebildet ist.
Temperatursensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Wärmespeicher (16, 26) und einer der Wärmeisolationslagen (15, 25) eine Nut (5) ausgebildet ist, die mit einer Öffnung in der Außenoberfläche eines der Gehäuseabschnitte (2, 3) in Verbindung steht, um eine Durchführung für einen Temperatursensordraht des elektronischen Temperatursensors auszubilden.
Temperatursensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gehauseabschnitte (2, 3) mit einem Überstand aufeinander gesteckt sind, wobei der Überstand mittels Anschlagen (13, 23, 23a) auf den Außenoberflächen der Gehäuseabschnitte (2, 3) eingestellt ist.
Temperatursensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektronische Temperatursensor ein Temperatur-Datenlogger ist und Außenabmessungen des Gehäuses kleiner als 150 mm × 60 mm × 30 mm sind.
Verwendung einer Temperatursensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils bei der Glasherstellung oder Behandlung von Glasköpern.
Verwendung einer Temperatursensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 nach Anspruch 18 zur kabellosen Aufzeichnung eines Temperaturprofils in einem Durchlaufofen zum Abbau von Spannungen in Primärpackmitteln aus Glas für pharmazeutische Anwendungen.