DE10158441A1 - Gasdrucksensor für folienumhüllte Vakuumdämmpaneele - Google Patents

Abstract

Zur Messung des Gasdruckes in evakuierten Vakuumdämmplatten wird eine kleine Platte zwischen Umhüllungsfolie und Dämmkern eingelegt und ein evakuierbarer Saugstutzen von außen aufgesetzt. Es wird der Gasdruck im Saugstutzen festgestellt, bei dem sich die Umhüllungsfolie merklich von der eingelegten Platte abhebt.

Description

• Das Patent betrifft ein Produkt und Verfahren, mit dem der Gasdruck eines Vakuumdämmpaneels von außen gemessen werden kann.
• Vakuumdämmpaneele bestehen im wesentlichen aus einem evakuierten, festen Kern aus einem porösem Material wie verpressten Glasfasern, offenporigen Polyurethanschäumen oder Kieselsäurepulverpresslingen, die von einer gasdichten Folie umhüllt sind. Anwendungen finden Vakuumdämmpaneele bei der Wärmedämmung von Gebäuden, Fahrzeugen und Kühl- und Gefriergeräten sowie Boxen zum Transport von temperatursensiblen Gütern.
• Die Höhe des Gasdrucks in evakuierten Dämmpaneelen ist eine wichtige Größe, die dessen Wärmedämmfähigkeit festlegt. Bei Füllkernen aus pyrogener Kieselsäure ist bei Gasdrücken unterhalb von 5 mbar kein Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit mehr nachweisbar. Pro 10 mbar Gasdruckanstieg steigt die Wärmeleitfähigkeit um etwa 0,4 bis 0,5 mW/mK an. Bei den gröberen Fällungskieselsäuren nimmt die Wärmeleitfähigkeit um etwa 1,3 mW/mK pro 10 mbar Gasdruckanstieg zu. Gewöhnlich liegt der Anfangswert des Gasdruckes bei der Herstellung von Vakuumdämmplatten aus Kieselsäurepulvern bei einem Wert zwischen 1 und 5 mbar. Ein Anfangsgasdruck über 5 mbar wird üblicherweise als zu hoch angesehen, wenn ein qualitativ hochwertiges Produkt erzeugt werden soll. Während der Nutzungsdauer der Vakuumdämmplatten steigt aufgrund der nicht zu vernachlässigbaren Gasdurchlässigkeit der Folienumhüllung der Gasdruck im Paneel mit z. B. einem oder mehreren mbar pro Jahr kontinuierlich an. Da die Nutzungsdauer des Vakuumpaneels zum Teil mehrere Jahrzehnte betragen sollen, ist ein niedriger Anfangswert wichtig für die Beurteilung der Qualität des Produkts. Als Endwert für eine sinnvolle Nutzung des Vakuumpaneels wird bei Füllkernen aus pyrogener Kieselsäure ein Gasdruck von 50 oder 100 mbar angesehen, bei Fällungskieselsäuren liegt der maximal zulässige Bereich noch etwa einen Faktor drei niedriger.
• Zur Beurteilung der Qualität der Vakuumpaneele eignet sich einmal eine Messung der Wärmeleitfähigkeit. Die Messung ist allerdings recht langwierig und mit Fehlern behaftet. Wenn die Wärmeleitfähigkeit, die bei vollständig evakuierten Pulverkernen aus pyrogener Kieselsäure um 4 mW/mK liegt, mit einer Unsicherheit von +/-10% bestimmt werden kann, bedeutet dies, dass die Unsicherheit von +/-0,4 mW/mK einer Unsicherheit im zugehörige Gasdruck von +/-10 mbar entspricht. Zudem können auch noch andere Faktoren wie die Dichte des Pulverkerns die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit ist also für Routinekontrollen der Qualität von Vakuumdämmplatten nur bedingt geeignet. Eine direkte Messung des Gasdruckes ist daher vorzuziehen.
• Eine bekannte Methode, den Gasdruck von folienumhüllten Vakuumdämmplatten zerstörungsfrei zu messen, ist, das Paneel in eine evakuierbare Kammer zu leger und beim Verringern des Gasdruckes in der Kammer zu beobachten, wann sich die Umhüllungsfolie von dem Kern des Pulver abhebt. In diesem Fall liegt nämlich der Außendruck in der Vakuumkammer im Bereich des Innendrucks im Paneel. Der von innen nach außen wirkende Differenzdruck hebt die Folie vom Pulverkern ab. Das Abheben der Folie kann visuell aber auch mit geeigneten Detektionsgeräten wie z. B. einer Lasereinrichtung gemessen werden.
• Diese Verfahren erlaubt es, den Gasdruck im Vakuumpaneel mit einer Genauigkeit vom etwa +/-1 mbar zu bestimmen. Für schnelle Routinekontrollen ist dieses Verfahren allerdings immer noch etwas aufwändig, da eine geeignete große Vakuumkammer bereit stehen muss. Ein weiterer Nachteil ist die lange Messzeit, da das gesamte Volumen der Vakuumkammer evakuiert werden muss. Zudem kann für die Messung von Druckänderungen die Genauigkeit zu gering sein. Der Gasdruck kann nicht mehr außerhalb der Produktionsstätte z. B. beim Kunden oder nach dem Einbau des Vakuumpaneels in der jeweiligen Anwendung geprüft werden. Es wurden daher schon Varianten dieses Verfahrens vorgeschlagen, bei denen anstatt über eine Vakuumkammer das Vakuumpaneel über eine Saugglocke nur über einen Teil der Fläche evakuiert wird. In der Praxis lässt sich dieses Verfahren allerdings schlecht durchführen, da beim Saugen der Saugglocke der Gegendruck von der gegenüberliegenden Seite des Paneels dieses verbiegt und eine genaue Messung nicht möglich ist. Problematisch ist auch ein gutes Abdichten des Randes der Saugglocke, da die Oberfläche der Vakuumdämmplatten gewöhnlich nicht glatt sondern von Falten durchzogen ist. Zudem entsteht eine große mechanische Zugbelastung auf die Folie.
• Erfindungsgemäß werden die genannten Probleme dadurch gelöst, dass man während der Herstellung des Vakuumpaneels in den Dämmkern eine kleine druck- und biegebeständige Platte (1) einlegt. Darüber kommt die Umhüllungsfolie (2). Zur Messung des Gasdrucks wird auf diese von der Folie abgedeckte Messplatte ein Saugstutzen (3) aufgesetzt. Ein Dichtring (4) und evtl. etwas Vakuumfett auf ihm sorgt für die nötige Abdichtung, so dass der Gasdruck im Saugstutzen auf Werte von einigen Pascal abgepumpt werden kann. Während des Abpumpens kann bei einem transparenten Saugstutzen, z. B. aus Plexiglas visuell das Abheben der Folie bei dem jeweiligen Innengasdruck verfolgt werden oder über eine geeignete Messvorrichtung (z. B. Laser) ermittelt werden. Da das zu evakuierende Volumen des Saugstutzens vergleichsweise gering ist, ist eine kurze Messzeit möglich, was nicht zuletzt eine Anwendung als effektive, laufende Qualitätssicherung möglich macht.
• Der Durchmesser der eingelegten Messplatte kann zwischen 10 und 60 mm betragen, vorzugsweise 20 bis 30 mm, die Dicke zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm, so dass der übrige Isolationskörper durch die eingelegte Platten nur wenig im Aufbau gestört wird. Bevorzugt wird die Messplatte in der Mitte mit einer kleinen Einbuchtung z. B. in der Form eines Kugelabschnitts versehen. Aber auch andere Formen, z. B. in Form einer rotationssymmetrischen Kurve sind denkbar, um ein möglichst optimales und faltenfreies Anlegeverhaltung zu erreichen. Die Tiefe der Einbuchtung kann 0,1 mm bis 5 mm betragen, vorzugsweise 0,5 bis 3 mm. Damit ein Druckausgleich mit dem Inneren des Paneels möglich ist, sollte eine kleine Bohrung (5) z. B. in der Mitte der Einbuchtung durch die Messplatte vorgesehen werden. Es kann aber auch eine gasdurchlässige Messplatte z. B. aus Sintermetall zur Anwendung kommen. Die Messplatte sollte bündig mit der Paneeloberfläche oder 1 bis 2 mm tiefer liegend in das Paneel eingepasst werden, um die Verletzungsgefahr der Paneelumhüllungsfolie bei der Fertigung und dem Einbau durch die überstehende Messplatte zu verringern. Der Saugstutzen kann einen Durchmesser zwischen 10 mm und 60 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm aufweisen. Das Unterteil, das auf die Folie aufgesetzt wird, ist mit einem Dichtring ausgerüstet.
• Im Normalzustand unter atmosphärischer Druckbelastung von außen wird die Umhüllungsfolie des Paneels in die Einbuchtung der Messplatte hineingezogen. Bei einer Entlastung der Folie beim Evakuieren mit dem aufgesetzten Saugstutzen wird bei Gleichheit von Innen- und Außendruck die Folie sich aus der Ausbuchtung heraus glatt aufzuspannen beginnen. Überwiegt der Innendruck den Außendruck, wird sich die Folie nach außen ausbeulen. Diese Zustände können visuell oder über die Folie nach außen ausbeulen. Diese Zustände können visuell oder über geeignete Sensoren gemessen werden.
• Um ein glattes, faltenfreies Spannen der Folie auf der eingelegten Messplatte zu ermöglichen, kann z. B. eine kleine radiale Vertiefung außerhalb des Bereichs der Ankoppelung des Saugstutzens vorgesehen werden. Das Tieferlegen der Messplatte um 1 bis 2 mm gegenüber der Paneeloberfläche kann ebenso dazu beitragen, die Faltenbildung der Umhüllungsfolie im Bereich der Messplatte zu verhindern. Es ist aber auch jede andere denkbare Form von Profilen möglich, um dies zu erreichen. Die Messplatten selber können aus jedem druck- und biegefesten Material wie Metall, Kunststoff, Holz, Keramik etc. bestehen. In diese Platten kann die Vertiefung leicht durch Pressdruck, durch thermische Verformung, zerspanende Bearbeitung oder durch Formpressen eingeprägt werden. Da die Kosten dafür gering sind, kann jedes Vakuumpaneel damit ausgerüstet werden. Die Messplatte wird in den Pulverkern entweder eingepresst oder in eine ausgestanzte Höhlung eingelegt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass jedes Paneel mit einer vergleichsweise einfachen Messeinrichtung vermessen werden kann. Es genügt eine kleine transportable Vakuumpumpe und ein kompakter Saugstutzen mit Messeinrichtung für die Folienverformung. Die Messung kann auch am Einbauort der Vakuumdämmung vorgenommen werden, falls die Stelle der Messplatte für den Saugstutzen zugänglich ist. Die Qualität des Vakuums im Dämmpaneel kann dann genau und mit geringem Zeitaufwand auch regelmäßig überprüft werden.
• Als einfaches Verfahren für die Messeinrichtung im Saugstutzen bietet es sich z. B. an, die Folie im Mittelpunkt der Einbuchtung mit einer kleinen Fläche einer elektrisch leitfähigen Aluminium- oder Goldfolie aufzukleben und mit zwei Messspitzen das Folienheben über den elektrischen Kontakt nachzuweisen. Der elektrische Kontakt wird geschlossen, wenn die Folie merklich abhebt. Der zu diesem Zeitpunkt im Saugstutzen anliegende Druck ist ein Maß für den im Inneren des Vakuumpaneels wirkenden Restgasdruck. Ein weiteres Abpumpen auf niedrigere Werte im Saugstutzen sollte daraufhin z. B. durch Schließen eines Ventils unterbrochen werden, um ein übermäßiges Ausbeulen und damit ein Beschädigen der Folie zu vermeiden.
• Das bisher in Evakuierkammern mit eingelegten Paneelen übliche Verfahren für die Detektion des Abhebens der Folie mittels einer Laserabstandsmessung oder der Unterbrechung einer Lichtschranke kann durch folgenden Aufbau ersetzt werden: Durch das Bestrahlen der Folie im Saugstutzen mit diffusem oder kohärentem Licht, z. B. eines Lasers oder einer konventionellen LED, wird eine charakteristische Reflexion des Lichtes durch die Folienstruktur an der Folienoberseite erreicht. Mittels einer optischen Sensormatrix kann dann eine Änderung der Intensitätsverteilung des Lichtes durch das Abheben der Folie und der hieraus folgenden anderen Reflexion detektiert werden. Hierdurch kann der Zeitpunkt des Abhebens registriert werden. Falls die Folienoberfläche schlecht reflektierend ist, kann die Folie in der Mitte der Einbuchtung mit einer spiegelnden Schicht, z. B. mit Aluminium- oder Goldfolie, beschichtet werden.
• Ein weiteres Verfahren ist die Messung der Spannkraft der Folie mit einem Kraftsensor. Hierzu wird ein Kraftsensor so angebracht, dass die Folie beim Heben, durch das Einleiten des Evakuiervorganges des Saugstutzens, gegen die Messfläche eines Drucksensors drückt. Es muss darauf geachtet werden, dass die Messfläche nicht im Bereich der maximalen Auswölbung der Folie vom Paneel angebracht ist. Hier würde ansonsten noch die horizontale Spannkraft der Folien in die Druckmessung eingehen. Es soll jedoch nur die senkrecht wirkende Kraft, entstehend aus der Druckdifferenz zwischen Saugstutzen und Innendruck des Paneels gemessen werden. Aus der Kraft auf den Kraftsensor und dessen Messfläche kann der Druck auf den Sensor ermittelt werden. Dieser entspricht der Druckdifferenz zwischen Saugstutzen und dem Innern des Paneels. Durch Messung des Druckes im Saugstutzen kann man daraus auf den Innendruck im Paneel schließen.
• Ein Vorteil dieser Messmethode ist, dass mit der Variation des Saugstutzendruckes verschiedene Kräfte auf den Sensor wirken. Hierdurch ist es möglich, die Variation der Kräfte auf den Sensor in Abhängigkeit vom Saugstutzendruck als Messreihe aufzunehmen und damit einen genaueren Messwert des Innengasdruckes im Paneel zu ermitteln. Das Abpumpen kann bei diesem Verfahren ohne Unterbrechung bis auf den minimalen Enddruck erfolgen.

Claims (17)

1. Einrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Gasdrucks in evakuierten, folienumhüllten Dämmplatten, dadurch gekennzeichnet, dass eine druck- und biegebeständige Messplatte bündig mit der Oberfläche in den Isolationskern integriert wird und nach Fertigstellung des Paneels mit einem auf Messplatte und die Umhüllungsfolie aufgesetzten Saugstutzen der Gasdruck im Saugstutzen so weit verringert wird, bis sich die Folie von der Messplatte merklich abhebt.

2. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte mit einer Einbuchtung versehen ist.

3. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte in der Mitte mit einer oder mehreren kleinen Bohrungen versehen ist.

4. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte aus einer Sintermetallplatte oder einem anderen gasdurchlässigen Material besteht.

5. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zum faltenfreien Aufspannen der Folie auf die Messplatte eine oder mehrere radiale Vertiefungsnuten außerhalb der Abdichtungszone des Saugstutzens eingeprägt sind.

6. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1, 2 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtungen und Vertiefungsnuten einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweisen.

7. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser einer radialen Messplatte zwischen 10 und 60 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm beträgt.

8. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Messplatten zwischen 2 und 20 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm beträgt.

9. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte aus Metall, Kunststoff, Holz oder Keramik besteht.

10. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberkante der Messplatte tiefer oder höher als die Oberfläche der Dämmplatte angeordnet ist.

11. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Absaugstutzen über einen Dichtring auf die Umhüllungsfolie des Vakuumpaneels aufgesetzt wird.

12. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Folie in der Mulde elektrisch leitfähig ist und das Abheben der Folie mit zwei elektrischen Kontaktstiften registriert werden kann.

13. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, das mit Hilfe einer Lasereinrichtung oder einem anderen optischen Detektionsverfahren das Abheben der Folie vermessen wird.

14. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Abheben der Folien visuell über einen transparenten Absaugstutzen aus Glas oder Kunststoff beobachtet wird.

15. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Abheben der Folien mit Hilfe einer Lichtquelle und der hieraus resultierenden Reflexion an der Folienoberfläche mittel einer optischen Sensormatrix gemessen wird.

16. Einrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft der abhebenden Folien mittels eines Kraftsensors gemessen wird.

17. Einrichtung und Verfahren nach Ansprüchen 1 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck im Saugstutzen bis auf den minimal erreichbaren Wert verringert wird und der Innengasdruck des Paneels aus dem Verlauf der Kraftwirkung der Folie auf den Kraftsensor in Abhängigkeit vom Gasdruck im Saugstutzen ermittelt wird.