Quality Engineering 01.2023

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» TECHNIK Mit der herkömmlichen Zero-Funktion scheint die große Leckrate kleiner. Bild: Inficon Mit der I-Zero-Funktion wird die Leckrate korrekt gemessen. Bild: Inficon weise 10 % reduzieren. Für das Dichtheitsprüfgerät ist das so, als würde gegen eine zehnfach kleinere Leckrate geprüft. Werden bestehende Dichtheitsprüfanlagen mit einer Software zur dynamischen Untergrundbestimmung ausgerüstet, lässt sich der Prüfgasbedarf also auf einen Bruchteil reduzieren – ohne Abstriche bei der Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Dichtheitsprüfung. Angesichts der momentan angespannten Versorgungslage nicht nur bei Erdgas, sondern auch bei Helium, ist diese Möglichkeit, den Heliumeinsatz zu reduzieren, hochinteressant. Dies gilt ebenso aus der Perspektive größerer Nachhaltigkeit. Die dynamische Bestimmung des Helium-Untergrunds eröffnet sogar einen dritten potenziellen Vorteil: Sie macht Prüfanlagen flexibler. Früher musste man streng darauf achten, Prüfkammer und Prüfling in ihrer Größe gut aufeinander abzustimmen. Dagegen ist es jetzt möglich, große Vakuumkammern auch mit kleineren Prüflingen sinnvoll zu nutzen, trotz des damit einhergehenden größeren Totvolumens. Die dynamische Untergrundbestimmung Webhinweis In diesem Video zeigt Inficon, wie die dynamische Untergrundbestimmung bei der Helium-Dichtheitsprüfung funktioniert: http://hier.pro/jekrp gleicht den Geschwindigkeitsnachteil, der durch das größere Totvolumen entsteht, leicht wieder aus. Einfachere Prüfung von Wasserstofftanks Von der Beschleunigung des Prüfprozesses über mehr Flexibilität der Prüfanlage bis hin zur drastischen Reduzierung des Heliumbedarfs – die dynamische Untergrundbestimmung eröffnet vielfältige Möglichkeiten. Die deutlichsten positiven Effekte kommen dadurch zustande, dass ein großes Totvolumen den Prüfablauf und die Taktzeiten bei der Vakuumprüfung weit weniger negativ beeinflusst als bisher. Dies bedeutet, dass sich gerade bei großen Bauteilen, die große Vakuumkammern erfordern, die Prüfung beschleunigt. Dies können beispielsweise Batteriewannen für Elektrofahrzeuge sein, Wasserstofftanks von Fuel Cell Vehicles oder Treibstofftanks für herkömmliche Verbrennungsmotoren. Wasserstofftanks für Brennstoffzellenfahrzeuge sind meist sogenannte Typ-IV-Tanks, die aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Solche Wasserstoff-Drucktanks für Pkws sind üblicherweise konstruiert, um Betriebsdrücken von bis zu 700 bar (oder 10.153 psi) zu widerstehen. Die Dichtheits- beziehungsweise Leckratenanforderungen für die Wasserstofftanks von Brennstoffzellenfahrzeugen ergeben sich aus einer Reihe von internationalen Normen, die maximal zulässige Permeationsraten für diese Tanks definieren. Dies sind Normen wie ISO15869 B.16, EU 406–2010 4.2.12.3. und ECE R134 5.3.3. Die materialbedingte Permeationsrate eines Wasserstofftanks ist bei seiner Dichtheitsprüfung mit einer Leckrate gleichzusetzen. Bei einem Pkw-Wasserstofftank mit 30 l Kapazität und 700 bar Druck ergibt sich nach den Permeationsgrenzwerten umgerechnet eine Helium-Grenzleckrate im Bereich von 10 –3 mbar∙l/s. 40 Quality Engineering » 01 | 2023

In der Realität werden Wasserstofftanks aber oft nicht bloß den Permeationsnormen entsprechend geprüft, sondern gegen Helium-Leckraten, die noch eine Dekade kleiner sind: im Bereich von 10 –4 mbar∙l/s. Denn letztlich ist jede ermittelte Helium-Leckrate, die unterhalb der Permeationsrate des Materials selbst liegt, ein Beleg dafür, dass ein Leck existiert. Und Wasserstoffdichtheit ist eine unverzichtbare Anforderung an die Betriebssicherheit eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Wasserdichte Batteriewannen für Elektrofahrzeuge Zu den größten Bauteilen von Elektrofahrzeugen gehören die Gehäuse der Traktionsbatterien, genauer gesagt: die Batteriewannen. Sie schützen die Batterie vor einem Wassereintritt von außen. Gegossene Batteriewannen weisen meist große Dichtflächen auf. Es ist darum sinnvoll, sie bereits vor dem Zusammenbau der Traktionsbatterie einer Dichtheitsvorprüfung zu unterziehen. Würden Lecks in der Batteriewanne erst nach dem Zusammenbau bei End-ofline-Prüfungen ermittelt, wäre der bisherige Fertigungsaufwand für die Traktionsbatterie verloren. Viele Hersteller vermeiden dies durch entsprechende Vorprüfungen. Oft ziehen sie für die Dichtheitsprüfung gegenüber einem Wassereintritt in das Batteriegehäuse die Schutzklasse IP67 heran. Allerdings spricht die IP67 nur davon, dass ein Bauteil nach einem 30-minütigen Wasserbad in 1 m Tiefe nach wie vor funktionstüchtig zu sein hat – konkrete Leckraten spezifiziert die IP67 nicht. Welche Grenzleckrate sinnvoll ist, hängt stark vom Gehäusematerial ab. Kunststoffe sind etwas weniger kritisch, aber Gehäuse aus Aluminium beispielsweise verlangen für die Prüfung ihrer Wasserdichtheit recht kleine Leckraten von 10 –5 mbar∙l/s. Der Grund: Wassertropfen lösen sich von Aluminium sehr viel leichter ab als etwa von ABS oder Stahl. Darum dringt Wasser durch ein Aluminiumleck viel leichter in ein Batteriegehäuse ein. Ob bei der Dichtheitsprüfung von Batteriegehäusen oder von Wasserstofftanks: In all diesen Fällen steigert eine dynamische Helium-Untergrundbestimmung die Effizienz der Vakuummethode. Dichte Bipolarplatten von Brennstoffzellen Die dynamische Untergrundbestimmung findet ihre praktische Anwendung auch schon in Einsatzszenarien, bei denen eine Verseuchung des Untergrunds mit Helium nahezu unvermeidbar ist. Bipolarplatten beispielsweise, das Herzstück von Wasserstoff- Brennstoffzellen, verfügen über drei Kanäle, die alle In der Praxis um ein Drittel schneller Zahlen aus einer realen Anwendung belegen den Geschwindigkeitsvorteil des I-Zero-Algorithmus. Der Zweck des Testsystems war es, ein großes Bauteil in einer 450 l messenden Vakuumkammer gegen eine Helium- Grenzleckrate von 10 –5 mbar∙l/s zu prüfen. Mit der neuen dynamischen Untergrundbestimmung war das Testsystem in der Lage, die Zykluszeit vom Beginn des Abpumpens bis zum Vorliegen des Messergebnisses von 31 auf 20 s zu verkürzen – eine Beschleunigung um 35 %. untereinander und nach außen dicht sein müssen. Eine Bipolarplatte enthält jeweils einen Kanal für die beiden Prozessgase Wasserstoff und Sauerstoff sowie einen dritten Kanal für das Kühlmittel. Alle erforderlichen Dichtheitsprüfungen schnell und unmittelbar nacheinander durchzuführen, in derselben Vakuumkammer, wird nur deswegen möglich, weil die dynamische Nullpunktbestimmung in der Lage ist, die jeweils nächste Evakuierung zu verkürzen, weil sie den sich nach jeder einzelnen Prüfung ergebenden restlichen Helium-Untergrund einfach aus der nächsten Messung herausrechnet. Die kleinste Grenzleckrate, gegen die neue, innovative Anlagen die Dichtheit von Bipolarplatten heute prüfen können, liegt bei einem Helium-Volumenstrom von 10 –5 mbar∙l/s – bei 10 % Heliumanteil. Bild: Inficon Dr. Jochen Puchalla Application Development Inficon www.inficon.com Quality Engineering » 01 | 2023 41