DE3105740C2

DE3105740C2 - Verfahren und Einrichtung zum Untersuchen des Füllgases von Isolierglaseinheiten

Info

Publication number: DE3105740C2
Application number: DE19813105740
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 7775 Bermatingen Scherber
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1981-02-17
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1983-07-14
Also published as: DE3105740A1

Abstract

Die Gasfüllung von Isolierglasfenstern wird durch einen Sensor überwacht, mit dessen Hilfe die thermische Relaxationszeit des Gases bestimmbar ist.

Description

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Die Erfindung betrifft die Untersuchung des Füllgases von Isolierglaseinheiten.

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 verlorengehen, während die Wärmedurchgängszahl (oder Ar-Wert) von gut isolierten Wänden weniger als 0,6 W/m² K beträgt. Die physikalisch erreichbare Grenze der Wärmedämmung von _M Fenstern liegt unter Ar= 1 W/m² K, man ist deshalb seit längerem bestrebt, den k- Wert von lsoliergläsef η durch geeignete Maßnahmen möglichst weit zu reduzieren.

Der Wärmedurchgang an Glasscheiben wird von drei Effekten beeinflußt, nämlich

— der Wärmestrahlung,

— der Wärmeleitung und

— der Konvektion,

wobei die jeweiligen Anteile vom Scheibenbau und den Temperaturverhältnissen abhängen.

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, Farbneutralität und Herstellungskosten weiter verbessert werden.

Um die Verlustfaktoren Wärmeleitung und Konvektion zu beeinflussen, besteht die Möglichkeit, den von den Glasscheiben eingeschlossenen Zwischenraum mit speziellen Gasen zu füllen. 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.

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 Ar-Werte von etwa 1,8 W/m² K erreichbar und in Verbindung mit selektiver Beschichtung sogar Werte von Ar= 1 W/m² K und darunter.

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.

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 eingebautem 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.

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 Ar-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 kenn 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 verlorengehen.

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 Ar-Werte gasgefüllter Scheiben bei der Wärmebedarfsberechnung von Amtsgebäuden nicht akzeptiert werden.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Laufzeit eines Wärmepulses im Füllgas gemessen wird Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Anspruch 3 angegeben.

Die beiden eingebauten oder eingeklebten Elemente können mit jeweils zwei elektrischen Verbindungen und einem einfachen elektrischen Steckkontakt mit der Außenseite des Isolierglases bzw. dem Fensterrahmen verbunden sein. Die Elemente besitzen Sender- und Empfängerfunktion. Der Sender kann als dünnes Heizplättchen ausgebildet sein. Durch Einleiten eines Strompulses wird ein Temperatursprung an der Oberfläche des Plättdiens erzeugt. Der Empfänger ist ein schnellansprechendes Thermoelement Der vom Sender ausgehende und sich im Gasraum nach den Gesetzen der Wärmeleitung ausbreitende Wärmepuls 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 Dimensionierang der Meßstrecke und des am Sender erzeugten Temperatursprunges ein Maß für den sogenannten Temperatur-Leitwert Die der Messung zugängliche Laufzeit liegt im Größenbereich von Sekunden und ist stark von der Gasart abhängig.

Die beiden Sensorelemente können aus sehr einfachen und konventionellen Komponenten bestehen. Ihr Einbau in den Isolierglasrahmen bringt keine Schwierigkeiten oder merkliche 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.

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 ersle Peak (»Strahlungspeak«) dient als Startmarke für die Zeitmessung, dann sinkt die

Temperatur langsam ab, bis der Wärmepuls aufgrund des Leitungseffektes im Gas eintrifft und im Empfänger den (»Leitungspeak«) 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. durch Beschichtung mit Keramik, Glas oder Lacken.

Die Ausführung nach Anspruch 3 und 6 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 Wäsmepuls zusätzlich zwei Glasscheiben durchlaufen muß und die Meßstre xe durch den Scheibenabstand fest vorbestimnu 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, ist eine berührungslose Strahlungsankopplung vorgesehen. Auf der 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.

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: ρ = Dichte, λ = Wärmeleitfähigkeit, c_p = spezifische Wärmekapazität d — Abstand zwischen Sender- und Empfängerelement, τ = cPQCp/λ = Laufzeit des Wärmepulses.

Gas	P	W/mk	i(d = I cm)
	g/l	0,024	see
Luft	1,25	0,016	5,6
CO₂	1,9	0,0096	11
Freon Rl 2	5,1	0,014	32
SF₆	6,5	32

Man ersieht daraus, daß die charakteristische Laufzeit der Füllgase sehr unterschiedlich ist, sie beträgt z. B. bei Rl2 und SF₆ das Sechsfache als bei Luft. Wenn die Meßgeräte mit einer Genauigkeit von 1% bestimmt werden können, dann macht sich eine Veränderung durch eingedrungene Luft bereits im Promillebereich bemerkbar, das ist weniger als die bei der heutigen Abfülltechnik vorhandenen Schwankungen im primären Luft-Partialdruck.

Mittels der Erfindung kann man also die Ausdiffusion von Schwprgasen empfindlich und zuverlässig erfassen. Der Sollwert der Laufzeit für ein bestimmtes Fenstereiement 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. in

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet somit eine Reihe von wichtigen Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten:

— Zuverlässige Endkontrolle in der Isolierglaspro- ΐί duktion. Bisher wird nur eine Musterprüfung durchgeführt. Fehlerhafte Abfülltechnik oder menschliches Versagen ist bisher nicht mit Sicherheit auszuschalten.

— Qualitäts- und Eingangskontrollen in den nachfolgenden Stellen, also in der Fensterproduktion, im Großhandel, im Baugewerbe, bei Architekten, Behörden und beim Verbraucher.

— Reihenüberprüfungen älterer Fenster im Zuge von Modernisierungsmaßnahmen oder zur Erfüllung 2> von behördlichen Auflagen.

— 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 die Erfindung einen wesentlichen Beitrag zur rationellen Energieverwendung liefern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Gassensor.

Fig. 2 eine Anordnung zur Außenmessung an bestehenden Fenstern,

F i g. 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei einer Innenmessung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Gassensor. Es bedeutet 1 das Senderelement (Heizelement)und2das Empfängerelement (Thermoelement), beide in Form dünner Plättchen oder Folien ausgebildet. Die Unterseite des Heizelementes 1 und die Oberseite des Thermoelementes 2 sind metallisch blank oder mit einer gut wärmeleitenden Metallschicht überzogen. Die Oberseite des Heizelementes 1 und die Unterseite des Thermoelementes 2 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, v, j_e bei der herkömmlichen Technik wird der Abstandshalter zwischen zwei Glasscheiben eingelegt und die Einheit luftdicht verklebt. Über 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.

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 8 erzeugt, z. B. durch Aufstreichen einer schwarzen Farbe, welche nach der fviessung wieder leicht zu entfernen ist. Dann wird mit einer starken Lichtquelle 9, z. B. mit einem Elektronenblitz, die schwarze Stelle bestrahlt. Der erzeugte Wärmepuls 11 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-Strshlungsempfänger 10 detektiert wird.

Fig.3 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 »Strahlungspeak« 5 und dem »Leitungspeak« 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

U Verfahren zürn Untersuchen des Füllgases von Isolierglaseinheiten, dadurch gekennzejchnet, daß die Laufzeit eines Wärroepulses Im Füllgas gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stelle der Glasscheibe (6) der Isolierglaseinheit von außen pulsartig erwärmt, die hierdurch bewirkte Temperaturerhöhung an der gegenüberstehenden Glasscheibe (6) von außen gemessen und die Zeitverzögerung (t) zwischen Erzeugung und Eintreffen des Wärmepulses registriert wird, is
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen aus zwei sich gegenüberstehenden Plättchen bestehenden Sensor, von denen das eine Plättchen als schnell ansprechendes Heizelement (1) und das andere Plättchen sls schnell ansprechendes Thermoelement (2) ausgebildet ist und daß beide Elemente (1, 2) mittels einer elektrischen Durchführung (3) mit dem Außenraum verbunden sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet ,5 durch ein Steuergerät am Heizelement (1) zur Erzeugung eines Temperatursprungs und eine Einrichtung zur Registrierung «er bis zum Eintreffen eines Wärmepulses entstehenden Zeitverzögerung (t) mit dem Thermoelement (2).
5. Einrichtung nach Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) und das Thermoelement (2) auf den Innenseiten metallisch blank sind, einen niedrigen Wärmeemissionsgrad aufweisen und auf den Außenseiten mit einer einen hohen Wärmeemissionsgrad iufweisenden Beschichtung versehen sind.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine starke Lichtquelle (9) zum Aufheizen einer an einer Stelle der Glasscheibe (6) angebrachten Schwärzung und ein Infrarot-Strahlungsthermometer (10) zum Erfassen der Temperaturerhöhung an der gegenüberliegenden Glasscheibe (6).