Die Automobilbranche erforscht derzeit verschiedene Alternativen zum Verbrennungsmotor. Neben Fahrzeugen mit Traktionsbatterien rückt aktuell auch die Brennstoffzelle in den Fokus. Während in Lithium-Ionen-Batterien wegen potenzieller Brandgefahr kein Wasser eindringen darf, ist bei der Brennstoffzelle vor allem das Austreten von Wasserstoff zu vermeiden. So ist bei der Fertigung von Brennstoffzellen eine Dichtheitsprüfung der relevanten Komponenten unabdingbar. Bosch hat eine Dichtheitsprüfanlage entwickelt, die das Unternehmen heute für Brennstoffzellenkomponenten einsetzt. Das heliumbasierte Verfahren nutzt eine Akkumulationskammer und verwendet dafür Inficons LDS3000 AQ als Prüfgerät.

Heliumprüfung in der Akkumulationskammer

Die seit langem bekannte und vielfach eingesetzte Prüfung mit Helium unter Vakuumbedingungen kann hochgenau messen, setzt aber die Evakuierbarkeit des Prüflings auf ein Vakuum von circa 10 mbar voraus. Zudem ist hier, insbesondere bei großen Prüfkammern, eine aufwendige Vakuumtechnik notwendig. Als eine Alternative zur Vakuummethode kommt die Akkumulationsprüfung in Frage. Bei dieser Methode befindet sich das Prüfteil in einer simplen Akkumulationskammer, in der atmosphärischer Druck herrscht. Tritt dort aus etwaigen Lecks eines Prüfteils Helium aus, akkumuliert es in der Kammer und lässt sich so nachweisen. Weil die Akkumulationsprüfung ohne aufwendige Vakuumtechnik auskommt, bietet sie zudem Kostenvorteile. Speziell für Helium-Prüfungen in einer simplen Akkumulationskammer hat Inficon den T-Guard-Sensor entwickelt.

Akkumulationsprüfung mit dem Massenspektrometer

Bild 1: Das Dichtheitsprüfgerät LDS3000 AQ ist speziell für die Akkumulationsmethode ausgelegt.

Bild 1: Das Dichtheitsprüfgerät LDS3000 AQ ist speziell für die Akkumulationsmethode ausgelegt. Inficon

Das modulare Dichtheitsprüfgerät LDS3000 AQ ist speziell für die Akkumulationsmethode ausgelegt (Bild 1), beruht allerdings auf dem LDS3000. Während der T-Guard das Prüfgas Helium mit einem Wise-Technology-Sensor nachweist, nutzen die Geräte der empfindlicheren LDS3000-Serie dazu ein Massenspektrometer. Im praktischen Einsatz ermittelt der LDS3000 AQ in kleinen Akkumulationskammern mit wenigen Litern freiem Volumen Leckraten im Bereich von 10-5 mbar×l/s. Aufgrund der hohen Sensitivität lassen sich aufgrund verbesserter Auswertung kleinste Leckraten auch in großen Kammervolumina prüfen.

Bild 2: Die modulare Prüfstation LDS3000 AQ.

Bild 2: Die modulare Prüfstation LDS3000 AQ. Inficon

Laut Hersteller ist der LDS3000 AQ dem T-Guard in mancher Hinsicht überlegen, da sich in der relativ großen Prüfkammer 2 ppb (2 Heliumatome pro Milliarde) nachweisen lassen – und das messgerätefähig innerhalb weniger Minuten, obwohl die Untergrundkonzentration von Helium in der Atmosphäre 5 ppm (5 Atome pro Million) beträgt.

Bosch hat dazu ein Messsystem geschaffen, das nicht nur Lüftungs- und Verwirbelungseffekte in der Prüfkammer berücksichtigt, sondern das auch softwareseitig tief in die Rohdaten eintaucht, die der Sensor liefert. Dadurch soll es gelingen, Konzentrationsveränderungen nachzuweisen, die noch um den Faktor 10 kleiner sind als das, was der LDS3000 AQ standardmäßig ermittelt. Prototypische Messungen haben gezeigt, dass der LDS3000 AQ ein hundertfach kleineres Rauschband aufweist als der T-Guard. Die Auswertezeit hat sich, bei gleichem Aufbau, mit dem Einsatz der LDS3000 AQ um den Faktor 75 verkürzt. Auch gegen Groblecks und eine Verseuchung der Prüfstation mit Helium ist das neue Gerät besser gewappnet (Bild 2), denn Vakuumpumpen schleusen das Prüfgas sofort wieder aus. Der LDS3000 AQ ist nach einem Grobleck schnell wieder einsatzfähig – dagegen hat der T-Guard gleichsam ein Helium-Gedächtnis.

Bild 3: Der LDS3000 AQ nutzt wahlweise Helium oder Formiergas  als Prüfgase.

Bild 3: Der LDS3000 AQ nutzt wahlweise Helium oder Formiergas als Prüfgase. Inficon

Der LDS3000 AQ ist so ausgelegt, dass er wahlweise zwei verschiedene Prüfgase nutzen kann: Helium oder Formiergas (Bild 2). Das recht kostengünstige Formiergas ist ein unbrennbares Gemisch aus 95 Prozent Stickstoff und 5 Prozent Wasserstoff – wobei als eigentliches Prüfgas in diesem Gemisch der Wasserstoff dient. Die atmosphärische Untergrundkonzentration von Helium ist stabil, im Gegensatz zu der von Wasserstoff. Wasserstoff absorbiert zudem an verschiedenen Materialien wie etwa an einigen Edelstählen und verhindert so ein stabiles Messen. In dem gewünschten Nachweisbereich gibt es derzeit keine bessere Option als die Heliumprüfung.

Die 10-Kubikmeter-Kammer

Derzeit arbeiten die Verantwortlichen an einer weiteren Prüfanlage mit einer Akkumulationskammer, die ein Volumen von mehr als 10 Kubikmetern haben soll. Diesem Vorhaben liegen bereits Erfahrungen mit einer 3,5 m³ Prüfkammer mit dem T-Guard zugrunde. Den Sensor an die Kammer anzuschließen ist das eine, die Auswertung aber ist die eigentliche Herausforderung. Bei einer Akkumulationskammer mit einem solch riesigen Volumen ist es naturgemäß noch schwieriger, kleinste Änderungen der Heliumkonzentration in der Luft der Kammer nachzuweisen.

Die Prüfmöglichkeiten gestalten sich durch eine sehr große Akkumulationskammer noch universeller. Die Nutzer können dann beispielsweise einen Container als Universalkammer nehmen und praktisch alles auf Dichtheit prüfen – vom kleinsten Ventil bis zum Komplettsystem, und dies mit der extrem kleinen Nachweisgrenze von 2 ppb. Dabei hat die große Akkumulationskammer noch einen wichtigen Vorteil: Investitionssicherheit. Die 10-Kubikmeter-Kammer gibt dem Anwender hohe Flexibilität, denn der Umrüstaufwand bei verschiedenen Prüfteilen ist gering. Es sind lediglich andere Anschlüsse für den neuen Prüfling notwendig. Diese mechanische Umrüstung dauert laut Hersteller weniger als eine Minute. Die Software erkennt das zu prüfende Produkt automatisch, etwa durch ein Barcode-Verfahren oder per Netzwerkanbindung, und lädt dann selbst die entsprechenden Prozesse.