DE102004008480B4

DE102004008480B4 - Dichtigkeitsprüfung geschlossener Systeme mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen

Info

Publication number: DE102004008480B4
Application number: DE200410008480
Authority: DE
Inventors: Heinz 85521 Langhals; Karl-Heinz 59556 Brinkmann
Original assignee: Theodor Heimeier Metallwerk GmbH
Current assignee: IMI Hydronic Engineering Deutschland GmbH
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: WO2005083382B1; DE102004008480A1; CN1910433A; EP1716401A1; WO2005083382A1

Abstract

Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von flüssigkeitsgefüllten, geschlossenen Systemen, in dem einheitliche Fluoreszenzfarbstoffe in der Flüssigkeit gelöst und zur Dichtigkeitsprüfung eingesetzt werden, in dem das System mit polychromatischem Licht im langwelligen Absorptionsbereich des Farbstoffes angeregt wird und eine eventuell vorhandene Leckstelle direkt detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Temperaturweggeber ist, dessen Dichtungen und/oder Lötnähte und/oder Schweißnähte auf Dichtigkeit geprüft werden, dass der Farbstoff eine Feststofffluoreszenz aufweist und dass der Temperaturweggeber mit Lösungsmitteln behandelt wird, so dass der an der Leckstelle austretende Farbstoff eine fluoreszierende Lösung erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtigkeitprüfung von flüssigkeitsgefüllten geschlossenen Systemen, in dem einheitliche Fluoreszenzfarbstoffe in der Flüssigkeit gelöst und zur Dichtigkeitsprüfung eingesetzt werden, in dem das System mit polychromatischen Licht im langwelligen Absorbtionsbereich des Farbstoffes angeregt wird und eine evtl. vorhandene Leckstelle direkt detektiert wird.
Die Dichtigkeitsprüfung von geschlossenen Systemen hat in der Technik eine besondere Bedeutung. Während Bauteile wie Rohre im allgemeinen durch ihre Fertigung bedingt sehr zuverlässig dicht sind, sind jede Art von Verbindungen wie Schweiß- oder Lötnähte, Verschraubungen oder Verflanschungen grundsätzlich Schwachstellen, deren Kontrolle ein besondere Sorgfalt erfordert. In manchen Fällen können Leckagen in Kauf genommen werden, bei allen Systemen, die ein konstantes Volumen erfordern stellt die Dichtigkeitsprüfung ein besonderes Problem dar. Ein solches Beispiel sind Flüssigkeits-Temperaturweggeber, die durch einen Verlust ihres Flüssigkeitsanteils zunächst die Regelgenauigkeit und schließlich ihre Funktion verlieren. Eine effiziente und verlässliche Kontrolle ist für ein solches System unerlässlich.
Mit Hilfe von Heliumgas können ausgesprochen empfindlich kleinste Lecks nachgewiesen werden. Der Nachteil dieser Methode ist, dass eine Prüfung nicht mit der endgültig gefüllten Einheit erfolgt, sondern das Füllen nachträglich vorgenommen werden muss, so dass über den letzteren Vorgang erzeugte Undichtigkeiten nicht erkannt werden können. Als weiterer Nachteil ist die zu hohe Empfindlichkeit der Methode zu nennen, da sie feinste Lecks aufspürt, die für den Betrieb der ganz überwiegenden Zahl der Anlagen völlig unerheblich sind. Schließlich ist der technologische Aufwand des Leckprüfgeräts zu nennen.
Eine zunächst offensichtliche und einfache Kontrolle eines gefüllten Systems über ein genaues Auswiegen ist aber wenig geeignet, da nur minimale Gewichtsveränderungen großer Massen bestimmt werden müssen, wodurch die Messung sehr störanfällig wird. Hier wirken sich oberflächliche Oxydationsprozesse und Korrosion, die für den Normalbetrieb unerheblich sind, ausgesprochen störend auf die Gewichtskonstanz aus. Zudem können noch Substanzen in geringer Menge von der Oberfläche abdampfen, die absorbiert waren oder aus lackartigen Teilen entweichen. Auch diese für den Betrieb der Systeme völlig unerheblichen Mengen wirken sich nachteilig auf die Gewichtskonstanz der Prüflinge aus.
Wird zur Füllung eines geschlossenen Systems eine leicht verdampfbare Flüssigkeit verwendet, so kann der umgebende Gasraum des endgültig gefüllten Prüflings auf den Dampf der Füllflüssigkeit hin untersucht werden. Man könnte sich vorstellen, dass dies mit den z. B. aus der Gaschromatographie her bekannten Flammenionisationsdetektoren (FID) erfolgen kann, mit denen effizient organische Dampfe bestimmt werden können. Da häufig auch andere Substanzen aus technisch erstellten Oberflächen abdampfen, ist dieses Verfahren unsicher. Um die Sicherheit des Verfahrens wesentlich zu erhöhen, ist hier eine Molekülspezifische Detektion erforderlich, die z. B. massenspektroskopisch, z. B. unter Verwendung eines Quadrupolmassenspektrometers, erfolgen kann. Neben dem hohen technologischen Aufwand einer solchen Anlage, ist eine wichtige Störquelle des Detektionsverfahrens zu nennen: die Flüssigkeit der Füllung kann vom Füllvorgang her partiell an der Oberfläche adsorbiert sein und dann langsam freigegeben werden. Man wird hierdurch falschpositive Prüfergebnisse finden. Dies kann durch eine mehr oder weniger willkürliche Erhöhung der Detektionsschwelle ausgeglichen werden, man macht andererseits das Verfahren damit aber wieder unsicher.
Ein einfaches, sicheres und kostengünstiges Verfahren zum Nachweis von Lecks in den endgültig gefüllten Prüflingen würde einen erheblichen Fortschritt bringen. Hierbei wäre es noch insbesondere wünschenswert, wenn eine visuelle Kontrolle des Prüfergebnisses möglich wäre, so dass bei einer automatischen Prüfung stichprobenartig das Prüfergebnis verifiziert werden kann.
Aus der US 6070454 A und der US 4758366 A sind Verfahren zur Prüfung der Dichtigkeit von mit Fluoriden gefüllten und nach außen dicht abgeschlossenen Systemen bekannt, bei denen das jeweilige Fluorid mit einem fluoreszierenden Farbstoff versehen wird. Diese Fluoreszenzfarbstoffe werden zur Dichtigkeitsprüfung verwendet. Die Anregung des chemischen Systems erfolgt mit polychromatischem Licht im langwelligen Absorbtionsbereich des Farbstoffes. Evtl. vorhandene Leck stellen werden direkt detektiert.
Die dortigen flüssigkeitsgefüllten Systeme sind jedoch komplette Heiz- oder Kühlkreisläufe von Heiz- und Kühlanlagen. Die Prüfung einzelner Bestandteile der Heiz- oder Kühlanlagen auf Dichtigkeit ist in den genannten Druckschriften nicht beschrieben.
Die DE 197 03 873 A1 beschreibt einen Temperaturweggeber für Thermostatventilköpfe von Heiz- oder Kühlanlagen, dessen eingeschlossenes Volumen mit einer Dehnstofffüllung gefüllt ist. Diesem Dokument zum Stand der Technik sind keinerlei Hinweise zur Dichtigkeisprüfung zu entnehmen.
Die DE 199 00 063 A1 beschreibt allgemein die Verwendung von Naphthalin und peri-hydrazamiden Farbstoffen zur Dichtigkeitsprüfung von technischen Systemen. Hinweise auf die Anwendung dieser Farbstoffe für die Dichtigkeitsprüfung von Temperaturweggebern werden jedoch nicht gegeben.
Die Erfindung hat die Aufgabe mit einfachen, kostengünstigen und effektiven Mitteln die Prüfung der Dichtigkeit von Temperaturweggebern zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Dichtungen, Lötnähte und/oder Schweißnähte eines Temperaturweggebers auf Dichtigkeit geprüft werden, dass der Farbstoff zur Dichtigkeitsprüfung eine Feststofffluoreszenz aufweist und das der Temperaturweggeber mit Lösungsmitteln behandelt wird, so dass der an der Leckstelle austretende Farbstoff eine fluoreszierende Lösung erzeugt.
Das Hinzufügen eines derartigen Farbstoffes mit Feststofffluoreszenz zu dem Füllstoff des Temperaturweggebers ist weitgehend unproblematisch, weil die sehr geringen Mengen erforderlichen Farbstoffes die physikochemischen Eigenschaften des Füllstoffes nicht verändern. Andererseits ist auch mit derartigen Farbstoffmengen eine sichere Detektion von Leckstellen bei Bestrahlung des Temperaturweggebers mit polychromatischem Licht im langwelligen Absorbtionsbereich des Farbstoffes möglich. Das beanspruchte Detektionsverfahren ist in sofern einfach darstellbar und mit geringem Kostenaufwand durchführbar. Auf Grund der sehr deutlichen Feststofffluoreszenz ist es auch sehr genau.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dichtigkeitsprüfung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden im Folgenden im Einzelnen näher erläutert.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Lösungsmittel eine niedrige Viskosität aufweist. Versuche haben ergeben, dass hier insbesondere Ethylacetat besonders geeignet ist.
Die Undichtigkeit kann ggf. sehr einfach direkt visuell an der Leckstelle detektiert werden. D. h. es sind nicht notwendig bildgebende auf der Basis von z. B. Kameratechnik erforderlich, um evtl. Leckstellen an den Temperaturweggebern zu identifizieren.
Auch als Lösungsmittel kann besonders vorteilhaft Ethylacetat verwendet werden, weil es zur Reinigung der Metalloberflächen des Temperaturweggebers gut geeignet ist.
Insbesondere bei großen Fertigungs- und Kontrollstückzahlen kann auch die automatische Detektion von Leckstellen mit bildgebenden Verfahren und mit einer automatischen Auswertung evtl. aufgenommener Kamerabilder sinnvoll sein.
Versuche haben ergeben, dass insbesondere Perylenfluoreszenzfarbstoffe mit der allgemeinen Formel I gemäß Anspruch 6 sehr gute Detektionsergebnisse für Leckstellen auch bei sehr geringen Farbstoffkonzentrationen gewährleisten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darstellt und wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen 1 einen Temperaturweggeber mit einem sehr kleinen Leck im Bereich einer Dichtungskugel in unterschiedlichen Vergrößerungen und 2 die chemische Formel I eines Perylenfluoreszenzfarbstoffes mit dem die Detektion erfolgt ist.
In der 1 ist ein Temperaturweggeber photografisch abgebildet, der in der 1 links unten durch einen schwarzen Strich gekennzeichnet eine Dichtungskugel aufweist. Der Temperaturweggeber gemäß 1 weist im Bereich der Dichtungskugel eine sehr kleine Leckstelle auf, die in der 1 rechts deutlich erkennbar wird.
Bei Temperaturweggebern erfolgt die Temperaturerfassung durch die Ausdehnung eines Flüssigkeitsvolumens in einer geschlossenen Apparatur. Als Flüssigkeit ist Essigsäureethylester gewählt worden, der sich aus verschiedenen Gründen für eine solche Anordnung besonders eignet und insbesondere toxikologisch absolut unbedenklich ist. In diesen Flüssigkeits-Temperaturweggebern wird über eine Mechanik durch die thermische Ausdehnung der Flüssigkeit, ähnlich, wie in einem Thermometer, ein Stift bewegt; die Bewegung dieses Stifts wird für die Regelvorgänge benötigt. Das eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen ist in einem gekapselten Gehäuse untergebracht, das herstellungsbedingt Löt- bzw. Schweißnähte und Dichtungen enthält. Es ist offensichtlich, dass die Dichtigkeit einer solchen Anordnung essentiell für seine Funktion ist, denn ein auch nur kleiner Flüssigkeitsverlust wirkt sich sofort auf die Regelgenauigkeit aus und ist deshalb nicht zu tolerieren. Ein größerer Flüssigkeitsverlust würde zu einem Ausfall des Reglers führen. Man rechnet bei einer typischen Füllung des Temperaturweggebers von 13 g Ethylacetat mit einem maximal tolerablen Verlust von 45 mg in 8 Jahren – das bedeuten 15 Mikrogramm pro Tag. Zum eindeutigen Ausschluss einer so kleinen Leckage wird ein sehr empfindlicher Test benötigt.
Es wurde der Essigsäureethylester in einer Konzentration von 40 mg/L mit dem Farbstoff gemäß Formel I in 2 eingefärbt und eine kräftig fluoreszierende Lösung erhalten; der geringe Gehalt der Farbstoff-Lösung, der durch den hohen Absorptionskoeffizienten des Farbstoffes ermöglicht wird, ist wichtig, damit die Viskosität des Lösungsmittels nicht nennenswert erhöht wird. Hiermit wurde der Temperaturweggeber gefüllt und dann mit dem Lösungsmittel gewaschen, so dass die Oberfläche des Werkstücks frei von fluoreszierenden Verunreinigungen war; dies ist daran zu erkennen, dass das zum Waschen verwendete Lösungsmittel ohne jegliche Fluoreszenz abfließt. Da der Farbstoff völlig inert gegen die Metalloberflächen der üblichen Werkstoffe ist, stellt der Farbstoff zum einen kein Problem für die Metalloberflächen dar. Zum anderen können Dichtigkeiten über lange Zeiträume kontrolliert werden.
Ein mit Ethylacetat und dem Farbstoff gemäß Formel I in 2 gefüllter Temperaturweggeber ergab eine überraschend schnelle, einfache und empfindliche Detektion eines sehr kleinen Lecks – siehe 1. Ein solches Leck konnte wägetechnisch auch über einen Zeitraum von fast 100 Tagen nicht erfasst werden, weil die Gewichtsschwankungen eines solchen technischen Werkstücks bei üblichen Umgebungsbedingungen, auch wenn es nicht mit Lösungsmittel gefüllt war, durch verschiedene Prozesse erheblich über der Toleranz lag. Auf 1, links, ist zu sehen, dass auf der linken Seite der Dichtungskugel Lösungsmittel mit dem Fluoreszenzfarbstoff austritt. In der vergrößerten Abbildung auf der rechten Seite ist das Austreten des fluoreszierenden Ethylacetat links neben der Kugel eindrucksvoll zu sehen. Der austretende Farbstoff kann mit einem Lösungsmittel, wie z. B. Ethylacetat vom Werkstück heruntergewaschen werden. Hiermit kann über die Absorption oder noch empfindlicher über die Fluoreszenzintensität die Leckage auch quantitativ erfasst werden. In der überwiegenden Zahl der technisch relevanten Fälle reicht jedoch der einfache, qualitative, visuelle Nachweis entsprechend aus.
Der Nachweis über die Fluoreszenz lässt sich grundsätzlich auch automatisieren, so dass eine sehr effiziente Kontrolle erfolgt. Die optische Anregung kann mit polychromatischem Licht, z. B. mit weißem Licht, erfolgen oder auch monochromatisch; bei der letzteren Anregung kann Streulicht effizienter ausgeblendet werden. Hierfür kann mit UV-Licht, z. B. von einer Quecksilberdampflampe, z. B. bei 365 nm, mit blauem Licht, z. B. mit einer Indiumdampflampe (451 nm), mit einer Thalliumdampflampe (535 nm), oder mit einem Argon-Ionenlaser bei 488 nm angeregt werden. Bei der letzteren Wellenlänge beträgt der molare Absorptionskoeffizient des Farbstoffs noch 52 400.
Der Nachweis von Leckagen ist grundsätzlich mit löslichen, stark fluoreszierenden Perylenfarbstoffen möglich.

Claims

Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von flüssigkeitsgefüllten, geschlossenen Systemen, in dem einheitliche Fluoreszenzfarbstoffe in der Flüssigkeit gelöst und zur Dichtigkeitsprüfung eingesetzt werden, in dem das System mit polychromatischem Licht im langwelligen Absorptionsbereich des Farbstoffes angeregt wird und eine eventuell vorhandene Leckstelle direkt detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Temperaturweggeber ist, dessen Dichtungen und/oder Lötnähte und/oder Schweißnähte auf Dichtigkeit geprüft werden, dass der Farbstoff eine Feststofffluoreszenz aufweist und dass der Temperaturweggeber mit Lösungsmitteln behandelt wird, so dass der an der Leckstelle austretende Farbstoff eine fluoreszierende Lösung erzeugt.
Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lösungsmittel niedriger Viskosität, insbesondere Ethylacetat verwendet werden.
Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Undichtigkeit direkt visuell an der Leckstelle detektiert wird.
Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungsmittel Ethylacetat sind.
Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Detektion der Leckstelle mit bildgebenden Verfahren erfolgt.
Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, indem bei den Verfahren nach Anspruch 1 Perylen-Fluoreszenzfarbstoffe der allgemeinen Formel I eingesetzt werden,
in denen die Reste R¹ bis R² gleich oder verschieden voneinander sein können und unabhängig voneinander lineare Alkylreste mit mindestens einem und höchstens 37 C-Atome bedeuten, bei denen eine bis 10 CH₂-Enheiten unabhängig voneinander ersetzt sein können durch jeweils Carbonylgruppen, Sauerstoffatome, Schwefelatome, Selenatome, Telluratome, cis- oder trans-CH=CH-Gruppen, bei der eine CH-Einheit auch durch ein Stickstoffatom ersetzt sein kann, acetylenische C≡C-Gruppen 1,2-, 1,3- oder 1,4-substituierten Phenylreste, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-disubstituierte Pyridinreste, 2,3-, 2,4-, 2,5- oder 3,4-disubstituierte Thiophenreste, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,6- oder 2,7-disubstituierte Napthalinreste, bei denen ein oder zwei CH-Gruppen durch Stickstoffatome ersetzt sein können, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 1,9-, 1,10-, 2,3-, 2,6-, 2,7-, 2,9-, 2,10- oder 9,10-disubstituierte Anthracenreste, bei denen ein oder zwei CH-Gruppen durch Stickstoffatome ersetzt sein können. Bis zu 12 einzelne Wasserstoffatome der CH₂-Gruppen können jeweils unabhängig voneinander auch an gleichen C-Atomen ersetzt sein durch die Halogene Fluor, Chlor, Brom oder Iod oder die Cyanogruppe oder eine lineare Alkylkette mit bis zu 18 C-Atomen, bei der eine bis 6 CH₂-Einheiten unabhängig voneinander ersetzt sein können durch Carbonylgruppen, Sauerstoffatome, Schwefelatome, Selenatome, Telluratome, cis- oder trans-CH=CH-Gruppen, bei denen eine CH-Einheit auch durch ein Stickstoffatom ersetzt sein kann, acetylenische C≡C-Gruppen, 1,2-, 1,3- oder 1,4-substituierte Phenylreste, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-disubstituierte Pyridinreste, 2,3-, 2,4-, 2,5- oder 3,4-disubstituierter Thiophenreste, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,6- oder 2,7-disubstituierte Napthalinreste, bei dem ein oder zwei Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt sein können, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 1,9-, 1,10-, 2,3-, 2,6-, 2,7-, 2,9-, 2,10- oder 9,10-disubstituierte Anthracenreste, bei denen ein oder zwei Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt sein können. Bis zu 12 einzelne Wasserstoffatome der CH₂-Gruppen der Alkylreste können jeweils unabhängig voneinander auch an gleichen C-Atomen ersetzt sein durch die Halogene Fluor, Chlor, Brom oder Iod oder oder Cyanogruppen oder lineare Alkylketten mit bis zu 18 C-Atomen, bei denen eine bis 6 CH₂-Einheiten unabhängig voneinander ersetzt sein können durch Carbonylgruppen, Sauerstoffatome, Schwefelatome, Selenatome, Telluratome, cis- oder trans-CH=CH-Gruppen, bei der eine CH-Einheit auch durch ein Stickstoffatom ersetzt sein kann, acetylenische C≡C-Gruppen 1,2-, 1,3- oder 1,4-substituierte Phenylreste, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-disubstituierte Pyridinreste, 2,3-, 2,4-, 2,5- oder 3,4-disubstituierte Thiophenreste, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,6- oder 2,7-disubstituierte Napthalinreste, bei denen ein oder zwei Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt sein können, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 1,9-, 1,10-, 2,3-, 2,6-, 2,7-, 2,9-, 2,10- oder 9,10-disubstituierte Anthracenreste, bei denen ein oder zwei Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt sein können. Statt Substituenten zu tragen können die freien Valenzen der Methingruppen bzw. der quartären C-Atome paarweise verknüpft werden, so dass Ringe entstehen, wie z. B. Cyclohexanringe. Die Reste R³ bis R⁶ können Wasserstoff oder unabhängig voneinander einer bis vier der Reste sein, die unter R¹ bis R² genannt worden sind.