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Bestimmung der Gaszusammensetzung in Isolierglasfenstern
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Die Erfindung betrifft die empfindliche und rationelle Uberwachung
der Gasschicht in schwergasgefüllten Isolierglasfenstern.
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Ein erheblicher Anteil des Gesamtenergieverbrauches in den gemäßigten
und kälteren Klimazonen entsteht durch Wärmeverluste an Fenstern von Wohngebäuden.
Doppelverglasungen oder die heute allenthalben eingesetzten Isolierglasscheiben
lassen mindestens 3 Watt pro Quadratmeter und Grad Temperaturunterschied verloren
gehen, während die Wärmedurchgangszahl (oder 2 k-Wert) von gut isolierten Wänden
weniger als 0,6 W/m K beträgt. Die physikalisch erreichbare Grenze der Wärmedämmung
2 von Fenstern liegt unter k = 1 W/m2K, man ist deshalb seit längerem bestrebt,
den k-Wert von Isoliergläsern durch geeignete Maßnahmen möglichst weit zu reduzieren.
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Der Wärmedurchgang an Glasscheiben wird von drei Effekten beeinflußt,
nämlich - der Wärmestrahlung - der Wärmeleitung und - der Konvektion, wobei die
jeweiligen Anteile vom Scheibenaufbau und den Temperaturverhältnissen abhängen.
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Zur Reduzierung der Strahlungsverluste ist der Einsatz spezieller
infrarotreflektierender Glasbeschichtungen erforderlich. Diese Schichten, z.B. auf
der Basis transparenter Halbleiterfilme oder dünner Goldfilme, sind heute kommerziell
verfügbar und man kann erwarten, daß sie in nächster Zeit in Bezug auf Leistungsfähigkeit,
Farbneutralltät und Herstellungskosten weiter verbessert werden.
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Um die Verlustfaktoren Wärmeleitung und Konvektion zu beeinflussen,
besteht die Möglichkeit, den von den Glasscheiben eingeschlossenen Zwischenraum
mit speziellen Gasen zu füllen.
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Auch diese Maßnahme ist bekannt und entsprechende technische Produkte
sind auf dem Markt. Man verwendet vornehmlich Füllgase mit einem höheren Molekulargewicht
als Luft - Beispiele sind Freone oder Schwefelhexafluorid - und erreicht dadurch
eine Verkleinerung der Wärmeleitfähigkeit. Eine grundsätzliche Begleiterscheinung
dieser Methode ist, daß mit ansteigendem Molekulargewicht die kinematische Zähigkeit
eines Gases abnimmt und dadurch bedingt eine erhöhte Neigung zur
Konvektion
vorliegt. Der aufgrund des Leitungseffektes erzielbare Gewinn würde also zum Teil
durch den Konvektionseffekt wieder aufgehoben, so daß man gezwungen ist, die Konvektion
durch weitere Maßnahmen, nämlich Verkleinerung des Scheibenabstandes und Einführung
einer dritten Glasscheibe zu verhindern.
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Die Technik der Gasfüllung von Isoliergläsern ist wirtschaftlich durchführbar
und sie stellt ein unerläßliches Instrument zur Erzeugung hochwertiger Wärmedämmfenster
dar. So sind beim Dreischeibenglas mit Schwergasfüllung k-Werte von etwa 2 1,8 W/m
K erreichbar und in Verbindung mit selektiver Be-2 schichtung sogar Werte von k
= 1 W/m2K und darunter.
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Diesen grundsätzlichen Vorteilen steht das Problem der Langzeitbeständigkeit
gegenüber. Tritt an einer gasgefüllten Isolierglaseinheit aufgrund von Fabrikationsfehlern,
nachträglicher Beschädigung oder Alterung eine Undichtigkeit auf, dann wird der
Schwergasinhalt entweichen und Luft eindringen, mit der Folge, daß das Wärmedämmverhalten
des Fensters stark absinkt und unter Umständen schlechtere Werte annimmt als eine
normale luftgefüllte Doppelverglasung.
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Das Risiko der Ausdiffusion der Gasschicht stellt eine beträchtliche
Hemmung für die breite Einführung und Akzeptanz verbesserter Isoliergläser dar.
Hinderlich ist insbesondere, daß kein einfaches Meßverfahren existiert, um den Zustand
der
Gasfüllung nach Auslieferung des Glases und in eingebauten Zustand, im Fenster,
zu überprüfen. Der Verbraucher kann in der Regel nicht beurteilen, ob das Fenster
die spezifizierten Wärmedämmwerte besitzt und über eine gewisse Frist einhält.
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Zwar gibt es grundsätzlich die Möglichkeit eine Probe des Gases zu
entnehmen und auf seine chemische Zusammensetzung zu untersuchen, das Verfahren
ist jedoch für Routineuntersuchungen und für private Anwendungen zu teuer. Ein anderer
Hinweis auf den Gasinhalt bestände darin, den k-Wert des Fensters zu bestimmen,
was aber ebenfalls aus Kostengründen in den meisten Fällen ausscheiden wird, außerdem
wäre der Ausbau des Fensters erforderlich. Wenn der Gasaustausch sehr weit fortgeschritten
ist oder die Undichtigkeit sehr groß ist, läßt sich ein fehlerhaftes Isolierglas
aufgrund der Kondensation eingedrungener Luftfeuchtigkeit mit dem Auge erkennen.
Normalerweise geht die Ausdiffusion jedoch sehr langsam vor sich und es kann Jahre
dauern, bis der endgültige Ausfall bemerkt wird. Sind große Fensterflächen betroffen,
dann wird in dieser Zeit aufgrund ungenügender Isolierfähigkeit ein nicht unerheblicher
Anteil der Heizenergie des Wohnhauses verloren gehen.
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Die erwähnten technischen Schwierigkeiten haben zu einer gewissen
Zurückhaltung gegenüber dem gasgefüllten Isolierglas geführt. Die Isolierglashersteller
und Fensterbauer sind aufgrund
des o.a. Standes der Technik nicht
in der Lage, zuverlässige Qualitätskontrollen durchzuführen oder ausreichende Garantieerklärungen
abzugeben. Die Behörden (in Deutschland) reagieren z.B. auf diese Situation dergestalt,
daß die erniedrigten k-Werte gasgefüllter Scheiben bei der Wärmebedarfsberechnung
von Amtsgebäuden nicht akzeptiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu schaffen,
mit dem die effektive Konzentration des Füllgases einer Isolierglaseinheit auf einfache,
schnelle und wirtschaftliche Weise zu ermitteln ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Randverbund
der Isolierglaseinheit bei der Herstellung ein Sensor, bestehend aus zwei kleinen
Elementen, eingebaut wird und daß über diese Anordnung die thermische Relaxationszeit
des Gases bestimmt werden kann.
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Die beiden eingebauten oder eingeklebten Elemente sind mit jeweils
zwei elektrischen Verbindungen und einem einfachen elektrischen Steckkontakt mit
der Außenseite des Isolierglases bzw. dem Fensterrahmen verbunden. Die Elemente
besitzen Sender- und Empfängerfunktion. Der Sender ist als dünnes Heizplättchen
ausgebildet, durch Einleiten eines Strompulses wird ein Temperatursprung an der
Oberfläche des Plättchens erzeugt. Der Empfänger ist ein schnellansprechendes Thermoelement
oder eine Thermosäule. Der vom Sender ausgehende
und sich im Gasraum
nach den Gesetzen der Wärmeleitung ausbreitende Temperaturpuls gelangt zum Empfänger
und erzeugt einen Temperaturanstieg. Gemessen wird die Zeitspanne zwischen Sender-
und Empfängersignal, also die Laufzeit des Wärmetransportes im Gas. Diese ist bei
vorgegebener Dimensionierung der Meßstrecke und des am Sender erzeugten Temperatursprunges
ein Maß für den sogenannten Temperatur-Leitwert und für die thermische Relaxationszeitgdes
Gases. Die der Messung zugängliche Laufzeit liegt im Größenbereich von Sekunden
und ist stark von der Gasart abhängig.
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Die beiden Sensorelemente bestehen aus sehr einfachen und konventionellen
Komponenten, ihr Einbau in den Isolierglasrahmen bringt keine Schwierigkeiten oder
Verteuerung des Endproduktes mit sich. Das Meßgerät selbst kann als kleines mobiles
Gerät ausgebildet werden, die elektronischen Funktionen der Signalerzeugung, Signalverarbeitung
und die Meßanzeige ist mit einfachen Bauelementen zu realisieren.
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In der technischen Ausführung ist zu berücksichtigen, daß neben der
Wärmeleitung zwischen den Sensorelementen auch Wärmeaustausch durch Strahlung und
Konvektion stattfindet und Störsignale verursacht. Die Konvektion wird am besten
ausgeschaltet, indem die Sensorplättchen in horizontaler Position und der Sender
über dem Empfänger liegend eingesetzt werden. Der durch Strahlung entstehende Einfluß
kann
auf elektronischem Wege leicht eliminiert werden, da er zeitgleich
mit dem Temperaturverlauf des Senders erfolgt. Es empfiehlt sich, das Empfängersignal
elektronisch zu differenzieren. Der erste Peak ("Strahlungspeak') dient als Startmarke
für die Zeitmessung, dann sinkt die Temperatur langsam ab, bis der Temperaturpuls
aufgrund des Leitungseffektes im Gas eintrifft und im Empfänger den "Leitungspeakvi
erzeugt, der die Endmarke der Zeitmessung darstellt. Eine weitere Maßnahme zur Unterdrückung
des Strahlungseinflusses besteht darin, die Sensorelemente mit bestimmten Oberflächeneigenschaften
auszurüsten. Die beiden sich gegenüberliegenden Innenseiten der Elemente sind vorteilhafterweise
mit einem niedrigen Wärmeemissionsgrad zu versehen, z.B. durch Verwendung blanker
polierter Metalloberflächen oder vergoldeter Flächen. Die beiden nach außen gerichteten
Flächen von Empfänger und Sender sollten mit hochemittierenden Oberflächen versehen
werden z.B.
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durch Beschichtung mit Keramik, Glas oder Lacken.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die thermische
Relaxationszeit nicht mit Hilfe eines innen liegenden Sensors bestimmt, sondern
durch zwei Sensorelemente, welche von außen an die beiden Scheibenoberflächen angelegt
werden. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß auch bereits bestehende Fenster, welche
noch keinen eingebauten Sensor besitzen, geprüft werden können. Das Verfahren beruht
auf dem gleichen Prinzip wie die Innenmessung, hat aber einige Nachteile, da der
Wärmepuls zusätzlich zwei Glasscheiben durchlaufen
muß und die
Meßstrecke durch den Scheibenabstand fest vorbestimmt ist, dadurch kann die Empfindlichkeit
und das Auflösungsvermögen beeinträchtigt werden. Das Problem der Wärmeankopplung
zwischen Scheibenoberflächen und Sender- und Empfängerplättchen erfordert bei der
Außenmessung einen erhöhten technischen Aufwand; um hier mit Sicherheit Störeffekte
auszuschließen, empfiehlt sich eine berührungslose Strahlungsankopplung. Auf de#r
Senderseite kann dies durch Schwärzen einer kleinen Fläche der Glasoberfläche mit
einem geeigneten Lack und Erzeugung eines starken Lichtblitzes erfolgen. Auf der
Empfängerseite kann ein hochempfindliches Infrarot-Strahlungsthermometer auf der
Basis eines Bolometers oder eines Halbleiterdetektors für langwellige IR-Strahlung
zum Einsatz kommen.
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Zur Abschätzung der Empfindlichkeit und Leistungsfähigkeit der Methode
sind in der folgenden Tabelle die für den Wärmetransport verantwortlichen Faktoren
für einige typische Füllgase angegeben. Es bedeuten: p = Dichte, A = Wärmeleitfähigkeit,
Cp = spezifische Wärmekapazität, d = Ausdehnung der primären 2 Temperaturverteilung,
t = d2p cp/t c= thermische Relaxationsp zeit.
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Gas 6 a r (d=l cm) si cal/cmsk sec Luft 1.25 58 5.6 C02 1.9 35 11
Freon R12 5.1 23 32 SF6 6.5 33 32 Ar 1.66 42 200
Man ersieht daraus,
daß die Relaxationszeit der Füllgase sehr unterschiedlich ist, sie beträgt z.B.
bei R12 und SF6 das sechsfache als bei Luft. Wenn die Meßgröße mit einer Genaüigkeit
von 10 2 bestimmt werden kann, dann macht sich eine Veränderung durch eingedrungene
Luft bereits im Promillebereich die bemerkbar, das ist weniger alsVbei der heutigen
Abfülltechnik vorhandenen Schwankungen im primären Luft-Partialdruck.
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Das neue Verfahren kann also die Ausdiffusion von Schwergasen empfindlich
und zuverlässig erfassen. Der Sollwert der Laufzeit für ein bestimmtes Fensterelement
bzw. für die verwendete Sensoranordnung läßt sich auf einfache Weise vom Hersteller
kenntlich machen, z.B. an der Steckverbindung. Da außerdem die Art des Füllgases
bekannt ist, läßt sich aus dem Meßwert sofort die Konzentration des noch vorhandenen
Gases bzw. die eingedrungene Luftmenge ableiten. Aus Messungen in größeren Abständen,
z.B. von einem Jahr, kann auf einfache Weise die Alterungsgeschwindigkeit oder die
zu erwartende Lebensdauer der Isolierglaseinheit abgeschätzt werden und gegebenenfalls
rechtzeitig eine Renovierung veranlaßt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet somit eine Reihe von wichtigen
Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten: - Zuverlässige und 100%-ige Endkontrolle in
der Isolierglasproduktion. Bisher wird nur eine Musterprüfung durchgeführt. Fehlerhafte
Abfülltechnik oder menschliches
Versagen ist bisher nicht mit
Sicherheit auszuschalten.
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Qualitäts- und Eingangskontrollen in den nachfolgenden Stellen, also
in der Fensterproduktion, im Großhandel, im Baugewerbe, bei Architekten, Behörden
und beim Verbraucher.
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- Reihenüberprüfungen älterer Fenster im Zuge von Modernisierungsmaßnahmen
oder zur Erfüllung von behördlichen Auflagen.
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Abschätzung der Lebensdauererwartung bestimmter Isolierglaseinheiten
z.B. im Rahmen von wissenschaftlichen Versuchen.
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Nicht nur für den einzelnen Verbraucher, sondern auch aus volkswirtschaftlicher
Sicht kann deshalb das erfindungsgemäße Verfahren einen wesentlichen Beitrag zur
rationellen Energieverwendung liefern.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Gassensor,
Fig. 2 eine Anordnung zur Außenmessung an bestehenden Fenstern,
Fig.
3 eine weitere Ausgestaltung des Sensors und Fig. 4 den zeitlichen Verlauf verschiedener
Signale bei einer Innenmessung.
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Gassensor.
Es bedeutet 1 das Senderelement (Heizelement) und 2 das Empfängerelement (Thermoelement),
beide in Form dünner Plättchen oder Folien ausgebildet. Die Unterseite des Heizelementes
und die Oberseite des Thermoelementes sind metallisch blank oder mit einer gut wärmeleitenden
Metallschicht überzogen. Die Oberseite des Heizelementes und die Unterseite des
Thermoelementes sind mit einer gut IR-emittierenden Oberfläche z.B. durch Lackbeschichtung,
Aufrauhung o.ä. ausgerüstet. 3 ist die Stromdurchführung, welche luftdicht mit dem
Rahmen (Abstandshalter) 5 der Isolierglaseinheit verbunden ist. 4 ist die Steckverbindung,mit
der die Sensorelemente versorgt werden können. Wie bei der herkömmlichen Technik,
wird der Abstandshalter zwischen zwei Glasscheiben eingelegt und die Einheit luftdicht
verklebt. Uber zwei öffnungen in diesem Randverbund wird anschließend das Schwergas
von unten eingeleitet und die Luft nach oben ausgeblasen. Wird das Sensorelement
bei diesem Vorgang an die höchst gelegene Stelle der Scheibe gebracht, dann kann
es zugleich als automatische Füllkontrolle fungieren.
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Fig. 2 zeigt die veränderte Anordnung bei Außenmessung an älteren
Fenstern ohne integriertes Sensorelement. Auf einer
Scheibe 6 wird
von außen eine geeignete absorbierende Oberfläche erzeugt z.B. durch Aufstreichen
einer schwarzen Farbe, welche nach der Messung wieder leicht zu entfernen ist. Dann
wird "mit einer starken Lichtquelle z.B. mit einem Elektronenblitz die schwarze
Stelle bestrahlt. Der erzeugte Wärmepuls durchläuft Scheibe 6, den Gasraum 7 und
die zweite Scheibe 6 und gibt an dessen Oberfläche IR-Strahlung 12 ab, welche von
einem empfindlichen IR-Strahlungsempfänger 10 detektiert wird.
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Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei der
Innenmessung. Die Kurve a gibt den typischen Temperaturverlauf des Empfängerelementes
bei Beaufschlagung mit einem sehr kurzen Strompuls, Kurve b den Temperaturverlauf
des Empfängerelementes mit dem'#trahlungspeak" Spund dem'Seitungspeak" L. Kurve
c entsteht durch elektronische Differentation des Empfängersignals. Die beiden Peaks
heben sich deutlich hervor und markieren die Laufzeit t, welche als Meßgröße zur
Anzeige gebracht wird.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelementes,
welche u.U. konstruktive oder meßtechnische Vorteile bieten kann. Hierbei ist Sender-
und Empfängerfunktion in einem Element vereinigt, das z.B. als feiner Draht 13 ausgebildet
werden kann. Dieser Draht wird kurz erhitzt und anschließend seine Abkühlzeit gemessen.
Um definierte Verhältnisse zu erhalten, wird der Draht von einem rohrförmigen
Gegenelement
14 umschlossen, welches in diesem Fall vorteilhaft massiv ausgeführt werden sollte,
um hohe Wärmekapazität und Temperaturkonstanz zu gewährleisten. Zur Unterdrückung
der Strahlungsverluste sind Drahtoberfläche und Rohrinnenseite wieder mit niedrigem
Emissionsgrad auszurüsten.
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L e e r's e lt e