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Die Erfindung betrifft eine Testleckvorrichtung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit und zum Kalibrieren einer Leckdetektionsvorrichtung.
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Leckdetektionsvorrichtungen weisen typischerweise eine evakuierbare Prüfkammer auf, in die ein gasgefüllter oder flüssigkeitsgefüllter Prüfling eingelegt wird. An die Prüfkammer ist eine Gasanalysevorrichtung angeschlossen, die das aus der Prüfkammer abgesaugte Gas analysiert, um mögliches Leckagegas, das aus einem Leck im Prüfling in die Prüfkammer ausgetreten ist, oder aus dem Leck austretende und verdampfende Flüssigkeit zu detektieren. Von besonderer Bedeutung ist es dabei, aus der Menge des ermittelten Leckagegases auf die Größe des Lecks schließen zu können. Hierzu finden Testleckvorrichtungen Verwendung, die eine vorgegebene Menge eines bekannten Prüfgases oder Prüffluides enthalten und mit einem Leck mit bekannten Abmessungen und/oder mit bekannter Durchlässigkeit für das enthaltene Fluid versehen sind. Testleckvorrichtungen werden typischerweise dazu eingesetzt, die Funktionsfähigkeit einer Leckdetektionsvorrichtung zu überprüfen und die Leckdetektionsvorrichtung zu kalibrieren.
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Das Leck einer Testleckvorrichtung ist oftmals als Membran ausgebildet, deren Leckrate von der Permeabilität des Membrankörpers für das jeweilige Testgas bzw. Testfluid, von der Membrantemperatur, von der Temperatur und dem Dampfdruck des Testgases/Testfluides, von dem Benetzungsgrad der Membran auf der Innenseite/Fluidseite und von der Belüftung auf der Austrittsseite der Membran, d.h. auf der Außenseite der Testleckvorrichtung, abhängt.
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In
EP 2 447 694 B1 wird beispielsweise ein flüssigkeitsgefülltes Prüfleck beschrieben, aus dem Gas oder Dampf oder von Gas transportierte Flüssigkeitsbestandteile austreten. Die aus dem Prüfleck austretenden Gase bzw. der austretende Dampf oder die vom Gas transportierten austretenden Flüssigkeitsbestandteile werden von der Flüssigkeit durch den ihr eigenen Dampfdruck oder durch Permeation durch eine Festkörperschicht einer Membran gebildet.
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Die Leckrate eines Membran-Testlecks hängt davon ab, ob und wie stark die Innenseite der Membran mit Flüssigkeit benetzt ist. Hierbei kann erheblichen Einfluss auf die Leckrate haben, ob direkt eine Flüssigkeit oder lediglich Flüssigkeitsdampf an der Membran anliegt. Um eine stabile Leckrate zu erreichen, sollte also entweder verhindert werden, dass Flüssigkeit die Membran erreicht oder gewährleistet sein, dass nur Flüssigkeitsdampf in Kontakt zur Membran gelangt.
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In
DE 10 2014 200 907 B4 ist ein Referenzausgasungssystem mit einem Reservoir beschrieben, das ein Fluid oder ein Fluidgemisch enthält. Eine Transportvakuumkammer umgibt das Reservoir. In der Transportvakuumkammer herrscht ein Kammerdruck von weniger als 10 kPa.
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In
DE 10 2020 116 939 A1 ist eine Testleckvorrichtung beschrieben, bei der der Boden des Reservoirs für das Testfluid konisch in Richtung auf die Membran zuläuft. Es wird erwähnt, dass die Membran mit Schrauben befestigt ist. Zum Befüllen des Reservoirs mit Testfluid wird eine separate Befüllöffnung beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte wiederbefüllbare Testleckvorrichtung zu schaffen.
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Die erfindungsgemäße Testleckvorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 10.
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Die erfindungsgemäße Testleckvorrichtung weist einen von einem Gehäuse umgebenen und mit einem Testfluid befüllbaren Innenraum auf. Das Gehäuse ist dabei mit einer Durchgangsöffnung versehen, die den Innenraum mit der äußeren Umgebung der Testleckvorrichtung verbindet. Eine Membran, die für das Testfluid oder für Bestandteile des Testfluids permeabel ist, ist dazu vorgesehen, derart an der Durchgangsöffnung angebracht zu werden, dass Testfluid oder Bestandteile des Testfluids aus dem Innenraum über die Durchgangsöffnung durch die Membran hindurch nach außen gelangen kann. Die Membran weist hierzu vorzugsweise eine vorgegebene, bekannte Permeabilität auf, damit das Testfluid die Testleckvorrichtung mit bekannter Leckrate verlässt.
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Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Durchgangsöffnung dazu genutzt wird, den Innenraum mit Testfluid zu befüllen, während hierzu im Stand der Technik separate Befüllöffnungen vorgesehen sind und die mit der Membran verschlossene Durchgangsöffnung ausschließlich zum Entweichen des Testfluids aus dem Innenraum in dessen äußere Umgebung genutzt wird.
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Hierzu ist die Membran Bestandteil eines dichtend auf oder in die Durchgangsöffnung passenden Membranelements, welches ein zur lösbaren Befestigung an dem Gehäuse ausgebildetes Trägerelement aufweist. Das Trägerelement besteht vorzugsweise aus einem starren Material, wie zum Beispiel Edelstahl. Das Trägerelement ist derart ausgebildet, dass es die Durchgangsöffnung in dem an dem Gehäuse befestigten Zustand verschließt. Zum Befüllen des Innenraums mit Testfluid wird das Trägerelement von dem Gehäuse gelöst und Testfluid wird durch die Durchgangsöffnung in den Innenraum eingefüllt, um anschließend das Trägerelement wieder an dem Gehäuse zu befestigen und die Durchgangsöffnung dadurch zu verschließen.
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Das Trägerelement ist mit einem von einer ersten Seite zu dessen gegenüberliegender zweiten Seite vollständig durchdringenden Auslasskanal versehen. Der Auslasskanal wird von der Membran derart verschlossen, dass ausschließlich Testfluid oder Bestandteile des Testfluids aus dem Innenraum durch die Membran nach außen gelangen können. Die Verbindung zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse ist dabei zwingend fluiddicht und somit insbesondere auch gasdicht ausgeführt.
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Die Durchgangsöffnung weist typischerweise einen größeren Öffnungsdurchmesser auf als der Auslasskanal, so dass ein schnelles Wiederbefüllen des Innenraums mit Testfluid möglich ist, zum Beispiel mit Hilfe eines mit der Durchgangsöffnung zusammenpassenden Befüllstutzens, während der Durchmesser des Auslasskanals unabhängig von demjenigen der Durchgangsöffnung ist und an die Größe der Membran angepasst ist oder die für das Entweichen von Testfluid aus dem Innenraum erforderlichen Abmessungen aufweist.
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Somit wird die erfindungsgemäße Testleckvorrichtung auf einfache Weise über die Durchgangsöffnung wieder befüllt, ohne dass hierzu separate Befüllöffnungen vorzusehen sind, wodurch eine technisch vereinfachte und zuverlässigere Konstruktion ermöglicht wird. Während herkömmliche Testleckvorrichtungen entweder nicht wiederbefüllbar sind oder nur über separate Befüllöffnungen wieder befüllt werden können, wird erfindungsgemäß zum Wiederbefüllen der Testleckvorrichtung zunächst die Befestigung des Trägerelements an dem Gehäuse gelöst und das Membranelement von der Durchgangsöffnung entfernt. Anschließend wird der Innenraum über die Durchgangsöffnung mit Testfluid befüllt, beispielsweise indem ein geeigneter Befüllstutzen in die Durchgangsöffnung eingeführt wird. Nach dem Befüllen wird das Trägerelement wieder an dem Gehäuse befestigt, so dass eine fluiddichte, d.h. flüssigkeits- und gasdichte, Verbindung zwischen Trägerelement und Gehäuse geschaffen ist und Testfluid oder Bestandteile des Testfluids ausschließlich durch die Membran aus dem Innenraum entweichen können.
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Die Permeabilität des Membranelements kann nach der Verbindung der Membran mit dem Trägerelement vermessen werden, bevor das Membranelement mit dem Gehäuse verbunden wird. So kann die Leckrate der Testleckvorrichtung anhand der Qualifizierung der Membran am Trägerelement ermittelt und festgelegt werden, und somit unabhängig vom Füllkörper.
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Das Trägerelement kann als Flansch ausgebildet sein. Im Mittelpunkt des Trägerelements kann der Auslasskanal ausgebildet sein. Um den Auslasskanal herum verteilt angeordnete Befestigungseinrichtungen können zur Befestigung des Trägerelements an dem Gehäuse vorgesehen sein.
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Insbesondere kann das Trägerelement als Flansch ausgebildet sein, der eine Befestigung an einem zu dem Flansch komplementären Gegenflansch einer Prüfkammer derart ermöglicht, dass Testfluid aus dem Innenraum der Testleckvorrichtung durch die geschaffene Flanschverbindung direkt in das Innere der Prüfkammer entweichen kann. Hierzu wird der Flansch der Testleckvorrichtung an dem Gegenflansch der Prüfkammer fluiddicht und lösbar befestigt. Auf diese Weise wird ein einfaches Prüfen der Funktionsfähigkeit und Kalibrieren einer Leckdetektionsvorrichtung geschaffen, ohne dabei die Prüfkammer öffnen zu müssen und die Testleckvorrichtung in die Prüfkammer hineinlegen zu müssen.
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Die Befestigungseinrichtungen können beispielsweise Schraublöcher sein, während in dem Gehäuse entsprechende Gewindeöffnungen ausgebildet sind, so dass im befestigten Zustand des Trägerelements jedes Schraubloch mit einer entsprechenden Gewindeöffnung in Deckung gebracht ist, damit durch jedes Schraubloch eine Schraube in die entsprechende Gewindeöffnung eingeschraubt werden kann.
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Von Vorteil ist es, wenn zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse ein separater Dichtring angeordnet ist, der die Durchgangsöffnung in Draufsicht umgibt, um insbesondere die Durchgangsöffnung gegenüber den Gewindeöffnungen und Schraublöchern abzudichten. Der Dichtring kann metallisch sein, z.B. in Form eines Kupferrings („CF-Vakuum-Technologie“) oder in Form eines Aluminiumrings (als „Ultra-Dichtung“). Der Dichtring wird nach einem Befüllvorgang ausgetauscht. Hier ist eine metallische Dichtung zu bevorzugen, weil sie nicht permeabel für Gase und Flüssigkeiten ist und keine Gase und Flüssigkeiten speichert und verzögert wieder abgibt, wie es bei Elastomer-Dichtungen der Fall ist. Eine zusätzliche Permeation durch die Dichtung bzw. ein Ausgasen würde die eigentliche Kalibration verfälschen.
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Der Auslasskanal kann ebenfalls zylindrisch ausgebildet sein. Der Durchmesser des Auslasskanals ist geringer als derjenige der Durchgangsöffnung. Während der Durchmesser der Durchgangsöffnung für ein schnelles, einfaches und sicheres Befüllen ausreichend groß ausgebildet sein muss, kann der Durchmesser des Auslasskanals für ein gezieltes Entweichen des Testfluids aus dem Innenraum mit vorgegebener Leckrate ausreichend gering sein.
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Die Membran ist vorzugsweise als ein den Auslasskanal bedeckendes Element, zum Beispiel in Form einer Scheibe, ausgebildet. Die Membran kann auf der dem Innenraum gegenüberliegenden Außenseite des Trägerelements angebracht sein und beispielsweise fest mit dem Trägerelement verklebt oder verpresst sein. In der Oberfläche des Trägerelements kann eine den Auslasskanal umgebende Vertiefung für das Trägerelement ausgebildet sein, in die die Membran passgenau hineinpasst. Vorzugsweise ist die Membran in der Vertiefung fest mit dem Trägerelement verklebt oder verpresst. Dabei kann die Membran zusätzlich von einem die Membran stützenden Schutzgitter bedeckt sein, das an dem Trägerelement befestigt ist.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Testleckvorrichtung keine separate Befüllöffnung zum Befüllen des Innenraums mit Testfluid auf, so dass der Innenraum ausschließlich durch die Durchgangsöffnung hindurch mit Testfluid wiederbefüllbar ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Abdeckkappe vorgesehen sein, die das Trägerelement verdeckt und mit dem Gehäuse verbunden oder an diesem befestigt ist. Die Verbindung zwischen Abdeckkappe und Gehäuse ist vorzugsweise lösbar. Die Abdeckkappe bietet eine Schutzfunktion für die Membran und für das Trägerelement.
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Das Gehäuse der Testleckvorrichtung weist einen Boden, einen Deckel und mindestens eine den Boden mit dem Deckel verbindende Seitenwand auf, wobei der Boden, der Deckel und die Seitenwand den mit dem Testfluid befüllbaren Innenraum umschließen. Bei dem Testfluid kann es sich um ein Testgas oder um eine Testflüssigkeit handeln. Die Membran ist dabei für das Testgas oder für Bestandteile der Testflüssigkeit permeabel, so dass ausschließlich das Testgas oder Bestandteile der Testflüssigkeit durch die Membran aus der Testleckvorrichtung austreten können.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen perspektivischen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel,
- 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß 1 und
- 3 eine Explosionsansicht eines Ausführungsbeispiels.
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Die Testleckvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 11 mit einem Boden 12 auf, der einstückig mit einer seitlich von dem äußeren Rand des Bodens aufragenden umlaufenden Seitenwand 14 verbunden ist. Ein Deckel 16 ist fluiddicht mit der Seitenwand 14 derart verbunden, dass der Boden 12, die Seitenwand 14 und der Deckel 16 einen Innenraum 20 fluiddicht umschließen. Der Innenraum 20 kann daher mit einem Testfluid, d.h. einem Testgas oder einer Testflüssigkeit, befüllt werden. Der Boden 12, die umlaufende Seitenwand 14 und der Deckel 16 bilden das Gehäuse 11.
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In dem Boden 12 ist eine den Innenraum 20 mit der äußeren Umgebung 13 der Testleckvorrichtung 10 verbindende Durchgangsöffnung 22 ausgebildet, in die ein Membranelement 24 eingesetzt ist, das eine für das Testfluid oder für Bestandteile des Testfluides permeable Membran 25 aufweist. Dadurch kann das in dem Innenraum 20 enthaltene Testfluid die Testleckvorrichtung 10 ausschließlich durch die Membran 25 verlassen.
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Das Membranelement 24 weist ein zylindrisches Trägerelement 42 auf, das als Rotationskörper eine Rotationsachse aufweist, die in dem in 2 dargestellten Zustand, in dem das Trägerelement 42 mit dem Gehäuse 11 verbunden ist, mit der Rotationsachse des ebenfalls rotationssymmetrischen Gehäuses 11 übereinstimmt. Die Rotationsachse des Trägerelements 42 und des Gehäuses 11 ist in 2 als Strichpunktlinie dargestellt.
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Das Trägerelement 42 wird von einem konzentrisch durch den Mittelpunkt des Trägerelements entlang dessen Rotationsachse vollständig hindurchlaufenden Auslasskanal 44 durchdrungen, so dass eine äußere, der Umgebung 13 zugewandte Stirnfläche des Trägerelements durch den Auslasskanal 44 mit der gegenüberliegenden, dem Innenraum 20 zugewandten Stirnfläche des Trägerelements 42 verbunden ist.
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Die Seitenwand 14 ist als zylindrisch entlang des äußeren Umfangs des Bodens 12 umlaufender von dem Boden 12 aufragender Ring ausgebildet, dessen Innenseite 26 einen Konus bildet, der sich in Richtung auf die Membranvorrichtung 24 und die Durchgangsöffnung 22 verjüngt. Der Konus weist an seinem unteren, dem Boden 12 zugewandten Ende eine mittlere Öffnung auf, die in die Durchgangsöffnung 22 mündet und an die Membranvorrichtung 24 angrenzt.
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Dadurch, dass der Boden 12 und die Seitenwand 14 einstückig miteinander verbunden sind, kann der Konus der Innenseite 26 auch als Vertiefung in dem Boden 12 betrachtet werden.
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Das in dem Innenraum 20 enthaltene Testfluid strömt bzw. fließt entlang der Innenseite 18 aufgrund der Wirkung der Schwerkraft und des sich in Richtung auf die Durchgangsöffnung 22 und die Membran 25 verjüngenden Durchmessers des Innenraums 20 in die Durchgangsöffnung 22 hinein und in Richtung auf die Membran 25. Die Membran wird dadurch gleichmäßig von Testfluid benetzt, sobald die Testleckvorrichtung 10 aufrecht auf einem Untergrund, wie z.B. dem Boden der Prüfkammer einer in den Figuren nicht dargestellten Leckdetektionsvorrichtung.
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Die Unterseite 28 des Bodens 12 weist eine nach Art eines Tellers ausgebildete, die Durchgangsöffnung 22 konzentrisch umgebende Wölbung 30 auf. In das untere Ende der Durchgangsöffnung 22 ist das Membranelement 24 eingesetzt. Die Durchgangsöffnung 22 mündet mit gegenüber dem Membranelement 24 reduziertem Durchmesser in den Innenraum 20. Dadurch ist in dem Boden 12 eine von der Wölbung 30 umgebene zylindrische Vertiefung ausgebildet, in die das Membranelement 24 eingesetzt ist. Die Vertiefung nimmt das Membranelement 24 vollständig auf.
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Die Durchgangsöffnung 22 ist dabei von in dem Boden 12 ausgebildeten Schraublöchern 40 konzentrisch umgeben, in die Befestigungselemente in Form von Schrauben zur Befestigung des Membranelements 24 eingeführt und dort durch eine herkömmliche Schraubverbindung mit Gewindeeingriff gehalten werden. Dabei ist das Trägerelement 42 mit Gewindekanälen oder Gewindeöffnungen 46 versehen, die konzentrisch um den Auslasskanal 44 herum verteilt angeordnet sind und derart mit den Schraublöchern 40 in Deckung gebracht sind, dass durch jede Gewindeöffnung 46 eine Schraube 48 in ein Schraubloch eingeschraubt ist. Dadurch wird das Trägerelement 42 fest, aber lösbar an dem Gehäuse 11 gehalten.
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Zwischen dem Trägerelement 42 und dem Gehäuse 11 ist ein Dichtring 50 in Form eines Kupferringes („CF-Vakuum-Technologie“) vorgesehen, der die Durchgangsöffnung 22 außen umgibt und eine fluiddichte Dichtung zwischen dem Trägerelement 42 und dem Gehäuse 11 bildet. Dadurch kann kein Testfluid aus dem Durchgangskanal in die Schraublöcher 40 oder die Gewindeöffnungen 46 gelangen. In dem in den 1 und 2 dargestellten Zustand kann ausschließlich Testfluid durch die Membran 25 aus dem Innenraum 20 in die äußere Umgebung 13 gelangen.
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Zum Wiederbefüllen der Testleckvorrichtung 10 werden zunächst die Schrauben 48 aus den Gewindeöffnungen 46 geschraubt und die Membranvorrichtung 24 von der Durchgangsöffnung 22 abgenommen. Anschließend wird der Innenraum 20 durch die Durchgangsöffnung 22 hindurch mit Testfluid befüllt. Der Dichtring 50 wird bei Bedarf, zum Beispiel im Falle von Verschleiß, gegen einen neuen Dichtring ausgetauscht. Der Dichtring wird dann in die vorgesehene Öffnung zwischen das Gehäuse 11 und das Trägerelement 42 gebracht und das Trägerelement 42 wird anschließend wieder mit den Schrauben 48 fest mit dem Gehäuse 11 verschraubt.
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Die Membran 25 bleibt dabei fest mit dem Trägerelement 42 verklebt oder verpresst und muss nicht entfernt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2447694 B1 [0004]
- DE 102014200907 B4 [0006]
- DE 102020116939 A1 [0007]
