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Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gasgenerators und ein Verfahren zum Bestimmen von Lecks in einem Gasgenerator.
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Gasgeneratoren liefern beispielsweise Gas zum Füllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers. Bei bekannten Hybridgasgeneratoren wird das Gas zum größten Teil aus einem im Gehäuse des Gasgenerators gespeicherten, unter Druck stehenden Gas bzw. Druckgas erzeugt. Das Gehäuse wird dabei geöffnet, indem ein pyrotechnischer Anzünder einen pyrotechnischen Treibsatz zündet, der das Gas erwärmt und eine Membran zerstört, die das Gehäuse nach außen abschließt, sodass das Gas aus dem Gasgenerator ausströmen kann. Das Druckgas enthält in aus dem Stand der Technik bekannten Gasgeneratoren beispielsweise Helium, Argon und/oder Sauerstoff und liegt beispielsweise mit einem Druck von bis zu 800 bar im Gasgenerator vor.
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Von entscheidender Bedeutung ist es daher, dass ein Gasgenerator am Ende seiner Herstellung druckdicht verschlossen ist. Eine entsprechende Überprüfung ist mittels eines sogenannten Lecktests möglich. Für diesen wird ein Prüfgas genutzt, üblicherweise Helium, das aus etwaigen ungewünschten undichten Stellen des Gasgenerators austreten und anschließend detektiert werden kann.
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Helium hat sich als Prüfgas im Stand der Technik etabliert, da es sowohl leicht flüchtig und auch inert ist. Jedoch steigt der Helium-Preis weltweit stark an, da sowohl die Nachfrage an Helium zunimmt, beispielsweise durch vielfältige Anwendungen im Medizinbereich oder bei der Chipherstellung, als auch die Produktionsmenge von Helium von wenigen Anbietern weltweit bestimmt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Gasgenerator, ein Verfahren zur Herstellung eines Gasgenerators sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Lecks in einem Gasgenerator bereitzustellen, die kostengünstiger sind und bevorzugt ohne Einsatz von Helium auskommen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gasgenerator, insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen, mit einer mit Druckgas gefüllten Druckkammer, die Ozon enthält.
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Das in der Druckkammer vorhandene Ozon kann als alternatives Prüfgas anstelle von Helium genutzt werden. Gleichzeitig hat Ozon den Vorteil, dass es nach wenigen Stunden bis Tagen zu Sauerstoff zerfällt und so zu einem üblichen Bestandteil des Druckgases wird.
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Das Druckgas enthält bevorzugt einen molaren Anteil von höchstens 10 % Ozon. Durch diesen Anteil wird eine sichere Detektion von etwaigen undichten Stellen des Gasgenerators gewährleistet.
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Die Mindestkonzentration von Ozon im Druckgas wird so gewählt, dass die durch ein Leck im Gasgenerator austretende Menge an Ozon hoch genug ist, um die Detektionsgrenze sowie die Nachweisgrenze eines gewählten Verfahrens zum Bestimmen eines Lecks des Gasgenerators zu erreichen.
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In einer Variante kann das Druckgas Argon und Sauerstoff enthalten, insbesondere einen molaren Anteil von 70 bis 80 % Argon und einen molaren Anteil von 10 bis 30 % Sauerstoff, sowie zusätzliches Ozon als Prüfgas zum Durchführen des Lecktests.
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In modernen Hybridgasgeneratoren ist oftmals Sauerstoff im Druckgas enthalten, wobei der Sauerstoff als Oxidationsmittel für vorliegende Brennstoffe dient. Da das im Gasgenerator vorhandene Ozon nach einiger Zeit zu Sauerstoff zerfällt, unterstützt das Ozon somit die Funktion des Gasgenerators bzw. beeinträchtigt diese nicht. Somit muss bei Einsatz von Ozon kein zusätzliches Prüfgas verwendet werden, welches das Verhalten des Gasgenerators im Auslösefall verändern könnte.
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Argon stellt eine günstige Alternative zu Helium zur Bereitstellung eines Inertgases als Bestandteil des Druckgases dar.
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Ferner kann das Druckgas frei von Helium sein, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen. Entsprechend ist es nicht mehr notwendig, dem Druckgas Helium beizusetzen, wodurch Kosten eingespart werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gasgenerators, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Gasgenerators mit einer Druckkammer zur Aufnahme eines Druckgases sowie Bereitstellen eines Gases oder Gasgemisches;
- - Erzeugen von Ozon im Gas oder Gasgemisch und/oder Zusetzen von Ozon zum Gas oder Gasgemisch zur Erzeugung eines Druckgases; und
- - Befüllen der Druckkammer mit dem Druckgas und Verschließen des Gasgenerators mittels wenigstens einer ersten Membran.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Gasgenerator der zuvor beschriebenen Art erhalten werden, sodass nach Verschließen des Gasgenerators mittels der wenigstens einen Membran ein ozonhaltiges Druckgas in der Druckkammer vorliegt.
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Zwischen dem Erzeugen des Ozons im Gas oder Gasgemisch und/oder dem Zusetzen von Ozon zum Gas oder Gasgemisch zum Erzeugen eines Druckgases und dem Befüllen der Druckkammer mit dem Druckgas sollte bevorzugt ein möglichst kurzer Zeitraum liegen, um zu verhindern, dass sich das erzeugte und/oder zugesetzte Ozon bereits anfängt zu zersetzen, bevor der Gasgenerator verschlossen wird. Dementsprechend sollte das Befüllen der Druckkammer mit dem Druckgas und das Verschließen der Druckkammer mittels der Membran ebenfalls in einem möglichst kurzen Zeitraum liegen.
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Das Gas oder Gasgemisch kann Argon und Sauerstoff enthalten, insbesondere einen molaren Anteil von 70 bis 80 % Argon und einen molaren Anteil von 10 bis 30 % Sauerstoff, besonders bevorzugt einen molaren Anteil von 80% Argon und einen molaren Anteil von 20% Sauerstoff.
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Ein solches Gas oder Gasgemisch eignet sich insbesondere dazu, dass Ozon im Gas oder Gasgemisch aus dem bereits vorhandenen Sauerstoff erzeugt werden kann. Das Ozon zerfällt nach einiger Zeit wieder zu Sauerstoff, sodass im fertig gestellten Gasgenerator nach entsprechender Zeit keine zusätzlichen Bestandteile im Druckgas vorhanden sind. Zugleich sind im Gas oder Gasgemisch keine weiteren reaktiven Anteile enthalten, die mit dem erzeugten und/oder zugesetzten Ozon reagieren könnten.
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Das Ozon kann mittels UV-Bestrahlung des Gases oder Gasgemisches vor dem Befüllen des Gasgenerators im Gas oder Gasgemisch erzeugt werden. Zur UV-Bestrahlung kann eine UV-Lampe dienen, die insbesondere vorhandenen Sauerstoff als Präkursor im Gas oder Gasgemisch zu Ozon umsetzen kann. Die Bestrahlungsdauer sowie Bestrahlungsintensität kann je nach gewünschtem Zielgehalt an Ozon sowie an im Gas oder Gasgemisch vorhandenen Präkursoren angepasst werden. Eine solche Lösung bietet sich insbesondere dann an, wenn Sauerstoff im Gas oder Gasgemisch in ausreichender Konzentration vorliegt.
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Ozon kann auch in einem Ozon-Generator erzeugt und dem Gas oder Gasgemisch zugesetzt werden. Dazu ist eine Vielzahl von Möglichkeiten im Stand der Technik bekannt. So kann Ozon beispielsweise mittels UV-Bestrahlung, Elektrolyse, einem kalten Plasma und/oder unter Hochspannung mittels stiller elektrischer Entladung, auch unter dem Begriff Corona-Entladung bekannt, hergestellt werden.
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Das erzeugte Druckgas kann einen molaren Anteil von höchstens 10 % Ozon enthalten. Diese Menge reicht aus, um einen Lecktest nach der Herstellung durchzuführen und undichte oder schadhafte Stellen an der Druckkammer zu erkennen.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen von Lecks in einem Gasgenerator, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Gasgenerators der zuvor beschriebenen Art; und
- - Durchführen eines Lecktests zum Bestimmen von Lecks des Gasgenerators mit Ozon als Prüfgas.
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Der Gasgenerator kann insbesondere nach dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Gasgenerators hergestellt worden sein.
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Der Lecktest kann mit allen üblichen Verfahren durchgeführt werden, für die bisher Helium als Prüfgas verwendet wird. So kann beispielsweise ein integraler Lecktest durchgeführt werden, bei dem der zu untersuchende Gasgenerator für eine vorbestimmte Zeit in eine Testkammer eingebracht wird. Ausströmendes Ozon kann bei Vorliegen eines Lecks im Gasgenerator in einem Testvolumen der Atmosphäre der Testkammer nachgewiesen werden. Die Testkammer weist dabei üblicherweise ein Vakuum auf, um die Empfindlichkeit gegenüber dem ausströmenden Ozon zu erhöhen.
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Auch können sogenannte Schnüffelsonden zum Einsatz kommen, mit denen der Gasgenerator abgefahren wird, wobei die Schnüffelsonde bei Vorliegen eines Lecks anschlägt. Der Vorteil von Schnüffelsonden besteht unter anderem darin, dass nicht nur das Vorliegen eines Lecks, sondern auch dessen Position bestimmt werden kann.
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Während des Lecktests kann Ozon mittels Massenspektrometrie, UV-Spektroskopie und/oder IR-Spektroskopie detektiert werden.
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Bisherige Lecktests mit Helium als Prüfgas basieren meist auf einer massenspektrometrischen Detektion. Entsprechend können vorhandene Geräte und Anlagen weiterhin verwendet werden, wobei lediglich anstelle des Heliums auf Ozon detektiert werden muss.
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Jedoch ist zu beachten, dass bei dem für Ozon auftretendem Masse-zu-Ladung-Verhältnis im Massenspektrum grundsätzlich eine höhere Anzahl von Störsignalen als für Helium erwartet werden muss.
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Das Ausmaß an Störsignalen kann jedoch durch das gewählte Detektionsverfahren minimiert werden, beispielsweise indem die Testkammer vor der Detektion mit einem günstigen Reingas gespült wird, zum Beispiel mit Stickstoff. Auch hochaufgelöste Massenspektrometer und Time-of-Flight (TOF)-Massenspektrometer eignen sich besonders, um eine ausreichend hohe Genauigkeit und Selektivität sicherzustellen.
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Zur Detektion von Ozon eignen sich im Gegensatz zu Helium auch weitere spektroskopische Methoden. So ist zusätzlich oder alternativ zur massenspektrometrischen Detektion insbesondere auch eine Detektion des durch ein Leck ausströmenden Ozons mittels UV-Spektroskopie und/oder IR-Spektroskopie möglich.
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Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- - 1 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator;
- - 2 ein Blockschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gasgenerators; und
- - 3 ein Blockschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Lecks in einem Gasgenerator.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Gasgenerator 10 zum Aufblasen eines (nicht dargestellten) Gassacks gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Gasgenerator 10 um einen langgestreckten Rohrgasgenerator, jedoch könnte grundlegend auch jeder andere Gasgenerator eingesetzt werden, in dem Ozon als Druckgas enthalten sein kann.
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Der Gasgenerator 10 hat eine zentrale, langgestreckte und zylindrische Druckkammer 12, die mit einem Druckgas 14 bei einem Druck zwischen 200 bis 800 bar bei Raumtemperatur gefüllt ist.
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Die Druckkammer 12 hat an ihrer in 1 nach rechts (in Strömungsrichtung S) zeigenden ersten Stirnseite eine erste Öffnung 16, die durch eine erste Membran 18 geschlossen ist. An der entgegengesetzten zweiten Stirnseite der Druckkammer 12 findet sich eine zweite Öffnung 20, die durch eine zweite Membran 22 verschlossen ist.
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In der gezeigten Ausführungsform unterscheiden sich die Durchmesser der Öffnungen 16 und 20 und dadurch ebenfalls die Größen der Membranen 18 und 22. Dadurch ist der Berstdruck zum Freilegen der ersten Öffnung 16 kleiner als der Berstdruck zum Freilegen der zweiten Öffnung 22.
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Die Druckkammer 12 wird seitlich durch eine zylindrische Außenwand 24 begrenzt. Die Außenwand 24 weist eine ringförmige Vertiefung 26 auf, die der Positionierung und Befestigung der zweiten Membran 22 dient. Die zweite Membran 22 kann beispielsweise innenseitig an die Außenwand 24 angeschweißt sein.
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Die zweite Membran 22 trennt die Druckkammer 12 von einer Brennkammer 28 des Gasgenerators 10 ab. Innerhalb der Brennkammer 28 ist ein pyrotechnischer Treibsatz 30 angeordnet. Die Brennkammer 28 weist an ihrem der Membran 22 gegenüberliegenden Ende eine scheibenförmige Stirnwand 32 auf, die die Brennkammer 28 begrenzt und vorzugsweise aus Silikon ausgebildet ist und als Füllkörper bzw. Volumenausgleich für den pyrotechnischen Treibsatz 30 dienen kann.
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Ein Zünder 34 ragt durch die scheibenförmige Stirnwand 32 in die Brennkammer 28.
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Auf der in Richtung der Brennkammer 28 weisenden Seite der zweiten Membran 22 kann zusätzlich ein Sieb 36 angeordnet sein. Das Sieb 36 dient dazu, feste Rückstände in der Brennkammer 28 zurückzuhalten, die beim Abbrand des pyrotechnischen Treibsatzes 30 entstehen können.
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Die Außenwand 24 ist im Wesentlichen gleichmäßig und kreiszylindrisch dimensioniert und besitzt über fast die gesamte Länge der Druckkammer 12 einen gleichbleibenden Innendurchmesser D.
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In Richtung der ersten Membran 18 verjüngt sich die Außenwand 24 jedoch. In diesem sich verjüngenden Abschnitt sind die in Strömungsrichtung S (Axialrichtung) weisenden Flächen so ausgeführt, dass sie zur zweiten Membran 18 schräg geneigt sind. Diese in Strömungsrichtung S weisenden Flächen sind mit 38, 40 bezeichnet. Kurz vor der zweiten Membran 18 hat die Druckkammer 12 einen Abschnitt mit gleichmäßigen Innendurchmesser d.
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Die Membran 18 wird durch einen am ersten Ende der Druckkammer 12 aufgesetzten Membranhalter 42 fixiert, der ein düsenförmiges Ende aufweist. Um das verjüngte Ende der Druckkammer 12 herum ist eine Diffusorkappe 44 aufgesetzt, die beispielsweise durch Verkrimpen an der Außenwand 24 angebracht ist.
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Der Zünder 34, die erste und die zweite Membran 18 und 22 sind miteinander fluchtend und konzentrisch zur Längsachse A des Gasgenerators 10 ausgerichtet.
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Unmittelbar nach der Befüllung der Druckkammer bei der Herstellung des Gasgenerators enthält das Druckgas 14 Argon, Sauerstoff und Ozon, insbesondere einen molaren Anteil von 70 bis 80 % Argon, einen molaren Anteil von 10 bis 30 % Sauerstoff und einen molaren Anteil von höchstens 10 % Ozon.
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Der Anteil von Ozon kann auch so gewählt werden, dass das Druckgas nach dem Zerfall des Ozons einen gewünschten Gehalt an Sauerstoff aufweist. Auf diese Weise kann das zugesetzte Ozon zunächst als Prüfgas und nach dem Zerfall zu Sauerstoff als normaler Bestandteil des Druckgases dienen.
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Zur Herstellung eines Gasgenerators 10 wird zunächst ein Gasgenerator (10) mit einer Druckkammer 12 zur Aufnahme des Druckgases 14 bereitgestellt (Schritt S1 in 2), wobei zunächst weder die Diffusorkappe 44, die erste Membran 18 noch der Membranhalter 42 auf die Druckkammer 12 aufgesetzt sind, das heißt die Druckkammer 12 ist zunächst offen.
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Zusätzlich wird in Schritt S1 in 2 ein Gas oder Gasgemisch bereitgestellt, welches in die Druckkammer 12 gefüllt werden soll. Das Gas oder Gasgemisch enthält in der gezeigten Ausführungsform Argon und Sauerstoff, insbesondere handelt es sich um ein Gasgemisch mit einem molaren Anteil von 80 % Argon und einem molaren Anteil von 20 % Sauerstoff.
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Anschließend wird zur Erzeugung des Druckgases 14 Ozon im Gas oder Gasgemisch erzeugt, beispielsweise mittels Bestrahlung des Gases oder Gasgemisches durch eine (nicht dargestellte) UV-Lampe (Schritt S2 in 2). Durch die Bestrahlung mit UV-Licht wird ein Teil des Sauerstoffs des Gases oder Gasgemisches in Ozon umgewandelt.
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Alternativ kann auch Ozon in einem (nicht dargestellten) Ozon-Generator erzeugt werden, beispielsweise durch Elektrolyse, und dann dem Gas oder Gasgemisch zugesetzt werden, insbesondere dann, wenn ein geringer Anteil an Sauerstoff im Gas oder Gasgemisch beziehungsweise im Druckgas gewünscht ist.
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Es ist auch möglich, dass lediglich ein Teil des Ozons direkt im Gas oder Gasgemisch erzeugt und zusätzliches Ozon aus einem Ozon-Generator zudosiert wird, um ein Druckgas 14 zu erhalten.
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Generell sollte das Druckgas 14 zumindest so viel Ozon enthalten, dass bei Vorliegen eines Lecks eine ausreichend große Menge Ozon austreten kann, um mit dem jeweils gewählten Verfahren detektiert werden zu können. Bevorzugt liegt das Ozon in einem molaren Anteil von höchstens 10% im Druckgas vor.
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Anschließend wird der Gasgenerator 10 mit dem Druckgas 14 befüllt und die Druckkammer 12 mittels der ersten Membran 18, dem Membranhalter 42 und der Diffusorkappe 44 verschlossen. Grundsätzlich könnte die Druckkammer 12 auch lediglich durch die Membran 18 verschlossen werden (Schritt S3 in 2). Das ozonhaltige Druckgas steht bevorzugt unter einem Druck von 200 bis 800 bar bei Raumtemperatur.
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Anschließend kann der Gasgenerator 10 bzw. die verschlossene Druckkammer 12 auf Lecks überprüft werden. Dazu kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen von Lecks in einem Gasgenerator eingesetzt werden, bei dem Ozon als Prüfgas verwendet wird.
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Zunächst wird ein Gasgenerator wie zuvor beschrieben bereitgestellt (Schritt S4 in 3). Entsprechend kann der in 3 dargestellte Schritt S4 die in 2 dargestellten Schritte S1 bis S3 umfassen.
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Anschließend wird ein Lecktest zum Bestimmen von Lecks des Gasgenerators 10 mit Ozon als Prüfgas durchgeführt (Schritt S5 in 3). Ein etwaiges Leck könnte an jeder Stelle der Außenwand 24 auftreten, wodurch Druckgas 14 aus der Druckkammer 12 ungewollt entweichen könnte.
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Dadurch, dass das Druckgas 14 Ozon enthält, kann das Ozon für den Lecktest als Prüfgas dienen.
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Beispielsweise kann der Gasgenerator 10 in an sich bekannter Weise in eine (nicht dargestellte) Testkammer überführt werden, an die ein Vakuum angelegt wird. Im Falle eines Lecks an dem Gasgenerator 10 tritt Ozon aus der Druckkammer 12 des Gasgenerators 10 in die Testkammer aus und kann entsprechend in einem Testvolumen der Testkammer nachgewiesen werden.
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Die Detektion kann mittels Massenspektrometrie, UV- und/oder IR-Spektroskopie erfolgen.
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Vor der Detektion kann die Testkammer auch mit einem kostengünstigen Reingas gespült werden, beispielsweise Stickstoff. Dadurch werden potentielle Kontaminationen aus der Testkammer entfernt, wodurch eine zuverlässigere Detektion des Ozons möglich wird.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann eine sogenannte Schnüffelsonde (nicht dargestellt) eingesetzt werden, mit der die Oberfläche des Gasgenerators 10 abgegangen wird. Wird an einer Stelle der Außenwand 24 oder der Diffusorkappe 44 Ozon detektiert, gibt die Schnüffelsonde sofort eine entsprechende Rückmeldung. Somit kann nicht nur festgestellt werden, ob ein Leck in der Außenwand 24 des Gasgenerators 10 vorhanden ist, sondern auch, an welcher Stelle. Die Schnüffelsonde kann sowohl automatisch betrieben als auch von Hand über den Gasgenerator 10 bewegt werden.
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Grundsätzlich weist Ozon als Prüfgas den Vorteil auf, dass das natürliche Vorkommen an Ozon in Bodennähe nur sehr geringe Konzentrationen aufweist, sogar noch geringere Konzentrationen als dies für Helium der Fall ist. Entsprechend ist keine Störung des Messsignals durch natürlich vorkommendes Ozon zu erwarten.
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Während des Lecktests muss jedoch sichergestellt sein, dass keine künstlichen Ozonemissionen die Messung verfälschen. Insbesondere muss durch eine entsprechende Prozessführung sichergestellt sein, dass kein Ozon aus der Erzeugung des Druckgases in die Messanordnung für den Lecktest gelangt.
