Was ist ein Leck und wie wird die Leckrate in Vakuumsystemen gemessen?
Neben den eigentlichen Vakuumsystemen und deren Einzelkomponenten (Vakuumbehälter, Leitungen, Ventile, Messgeräte usw.) gibt es in Industrie und Forschung zahlreiche weitere Systeme und Produkte mit hohen Anforderungen an Dichtheit oder sogenannte „hermetische Abdichtung“. Dazu gehören insbesondere Baugruppen für die Automobilindustrie und Kältetechnik.
Allgemeine Aussagen wie „keine erkennbaren Leckagen“ oder „Leckrate Null“ stellen keine ausreichende Grundlage für die Abnahmeprüfung dar.
Jeder erfahrene Ingenieur weiß, dass richtig formulierte Abnahmespezifikationen eine bestimmte Leckrate unter definierten Bedingungen angeben. Welche Leckrate akzeptabel ist, hängt auch von der Anwendung selbst ab.
Arten von Lecks
Die einfachste Definition des Begriffs „Leck“ lautet: Ein Leck ist eine „Öffnung“ in einer (trennenden) Wand oder Barriere, durch die Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase unerwünscht ein- oder austreten können.
Abhängig vom Materialtyp oder von Fehlern bei der Verbindung werden die folgenden Leckarten unterschieden:
- Lecks in abnehmbaren Verbindungen: Flansche, geschliffene Kontaktflächen, Deckel
- Lecks in permanenten Verbindungen: Löt- und Schweißnähte, geklebte Verbindungen
- Porenlecks: Insbesondere nach mechanischer Verformung (Verbiegen!) oder thermischer Bearbeitung von polykristallinen Werkstoffen und
Gussteilen - Thermische Lecks: Öffnung bei extremen Temperaturbelastungen (Wärme/Kälte), vor allem an Lötstellen
- Scheinbare (virtuelle) Lecks: Gasmengen werden aus Hohlräumen in Gussteilen, Sacklöchern und Verbindungen freigesetzt (auch durch Verdunstung von Flüssigkeiten).
- Indirekte Lecks: Undichte Versorgungsleitungen in Vakuumsystemen oder Öfen (Wasser, Druckluft, Sole)
- Serielle Lecks: Dies sind Lecks am Ende mehrerer in Reihe verbundener Räume, z. B. ein Leck im ölgefüllten Abschnitt der Ölwanne in einer Drehschieberpumpe.
- Einweglecks: Diese ermöglichen das Durchströmen von Gas in eine Richtung, sind aber in die andere Richtung dicht (sehr selten).
Wohl eine Undichtheit aber kein Leck im Sinne einer Fehlerstelle ist die:
- Permeation: natürliche Durchlässigkeit von Gas durch Materialien wie Gummischläuche, Elastomerdichtungen usw. (es sei denn, diese Teile sind spröde und damit undicht).
Leckrate, Leckgröße und (Gas-)Massenstrom
Kein Vakuumgerät oder -system kann absolut vakuumdicht sein. Im Prinzip ist das auch nicht erforderlich. Die Leckrate sollte einfach nur so niedrig sein, dass der erforderliche Betriebsdruck, der Gasausgleich und der Enddruck im Vakuumbehälter nicht unzulässig beeinträchtigt werden. Daraus folgt, dass die Anforderungen an die Gasdichtigkeit eines Geräts desto strenger sind, je niedriger das erforderliche Druckniveau ist.
Um Lecks quantitativ erfassen zu können, wurde das Konzept der „Leckrate“ mit dem Symbol qL und der Einheit mbar l/s eingeführt.
Eine Leckrate von qL = 1 mbar l/s liegt vor, wenn in einem geschlossenen, evakuierten Behälter mit einem Volumen von 1 Liter der Druck pro Sekunde um 1 mbar ansteigt bzw. bei Überdruck im Behälter pro Sekunde um 1 mbar fällt.
Die Leckrate eines Behälters gibt die Menge des Gasstroms an, der durch die Wände des Behälters entweicht. Es ist jedoch zu beachten, dass die Leckrate eines Lecks von der Art des Gases abhängt.
Wenn die Gastemperatur T und die molare Masse M eines Gases G bekannt sind, kann der Gasmassenstrom aus der Leckrate qL anhand der Zustandsgleichung für ideale Gase über die folgende Gleichung berechnet werden:
Δm/Δt = (qL M)/(R T)
Einheit: g/s
wobei:
- R = 83,14 (mbar l)/(mol K)
- T = Gastemperatur in K
- M = molare Masse in g/mol
- Δm = Masse in g
- Δt = Zeitspanne in s
Die Gleichung wird verwendet:
a) zur Bestimmung des Massenstromes Δm/Δt bei einer bekannten Leckrate qL oder
b) zur Bestimmung der Leckrate qL bei einem bekannten Gasmassenstrom Δm/Δt
Für Hochvakuumsysteme gilt folgende Faustregel:
- qL(Luft) < 10-6 mbar l/s = System ist „sehr dicht“
- qL(Luft) < 10-5 mbar l/s = System ist „ausreichend dicht“
- qL(Luft) > 10-4 mbar l/s = System ist „undicht“
Ein Leck kann tatsächlich durch eine Vakuumpumpe mit ausreichender Kapazität kompensiert werden, da für den erreichbaren Enddruck (Betriebsdruck) PEnd Folgendes gilt:
pEnd = qL/Seff
wobei:
- qL = Leckrate in mbar l/s
- Seff = effektive Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpe am Vakuumbehälter in l/s
Wenn Seff ausreichend erhöht wird, ist es daher immer möglich, unabhängig von der Leckrate qL einen vorgegebenen Enddruckimpuls (Betriebsdruckimpuls) zu erreichen.
In der Praxis kann eine erwünschte Erhöhung des Seff aus wirtschaftlichen und konstruktionsbedingten Gründen (hohe Investitionskosten, hoher Platzbedarf) jedoch nicht realisierbar sein.
Wenn der gewünschte Enddruck in einem Vakuumsystem nicht erreicht wird, gibt es normalerweise zwei Ursachen:
1. das Vorhandensein von Lecks und/oder
2. die Freisetzung von Gas durch die Behälterwände und Ausgasung aus Dichtungen.
Zur Unterscheidung der beiden Ursachen kann eine Partialdruckanalyse mit einem Massenspektrometer oder die zeitabhängige Druckanstiegsmessung verwendet werden. Da bei der Druckanstiegsmessung nur das Vorhandensein eines Lecks und nicht dessen Position im System festgestellt werden kann, wird empfohlen, einen Helium-Lecksucher zu verwenden, mit dem die Lecks auch deutlich schneller lokalisiert werden können.
Um einen Überblick über die Korrelation zwischen der geometrischen Größe des Lochs und der damit verbundenen Leckrate zu erhalten, ist es möglich, den Betrieb auf der Grundlage der folgenden, groben Schätzung durchzuführen:
Ein kreisförmiges Loch mit einem Durchmesser D = 1 cm in der Wand eines Vakuumbehälters wird mit einem Ventil verschlossen. Außen herrscht atmosphärischer Druck (p = 1013 mbar), innen ein Vakuum. Beim Öffnen des Ventils strömt die Luft mit Schallgeschwindigkeit (Vs = 330 m/s) durch den Öffnungsquerschnitt A = π·(D2/4) ≈ 0,79 cm2 in den Behälter. Die in den Behälter strömende Luftmenge beträgt qL(Luft) = p Vs·A ≈ 2,6·104 mbar l/s.
Wenn alle anderen Bedingungen identisch bleiben und Helium mit seiner Schallgeschwindigkeit von 970 m/s in das Loch strömen kann, beträgt die Leckrate qL(Helium) ≈ 7,7·104 mbar l/s, was bedeutet, dass die Leckrate deutlich höher ist.
Diese größere „Empfindlichkeit“ für Helium wird bei der Dichtheitsprüfung verwendet und hat zur Entwicklung und Massenproduktion hochempfindlicher heliumbasierter Lecksucher geführt.
Abb. 1 zeigt die Korrelation zwischen der Lochgröße und der Leckrate der Luft, wobei der ungefähre Wert von qL(Luft) = 104 mbar l/s für das „1-cm-Loch“ gilt.
Die Tabelle zeigt, dass bei einer Reduzierung des Lochdurchmessers D auf 1 µm = 0,001 mm (= Reduzierung von D um den Faktor 10.000) die Leckrate 1,0·10-4 mbar l/s beträgt, ein Wert, der in der Vakuumtechnik bereits ein großes Leck darstellt (siehe die Faustregel oben).
Eine Leckrate von 1,0·10-12 mbar l/s entspricht einem Lochdurchmesser von 1 Ångström (Å); dies ist die untere Nachweisgrenze für moderne Helium-Lecksucher.
Da die Gitterkonstanten für viele Feststoffe mehrere Å betragen und der Durchmesser kleinerer Moleküle und Atome (H2, He) etwa 1 Å beträgt, kann die inhärente Durchlässigkeit von Feststoffen mit Helium-Lecksuchern messtechnisch erfasst werden. Dies hat zur Entwicklung von kalibrierten Prüflecks mit sehr kleinen Leckraten geführt. Dabei handelt es sich um einen messbaren Mangel an Dichtheit, aber nicht um ein Leck im Sinne eines Defekts im Material oder in der Verbindung.
Korrelation zwischen Lochdurchmesser und Leckrate, Schätzung für Luft
Abb. 1: Korrelation zwischen Lochdurchmesser und Leckrate, Schätzung für Luft
Korrelation zwischen Dichtheitskriterien und Leckraten
Schätzungen oder Messungen der Größe von Atomen, Molekülen, Viren, Bakterien usw. haben oft zu alltäglichen Begriffen wie „wasserdicht“ oder „bakteriendicht“ geführt.
| Konzept/Kriterium | Anmerkungen | qL (mbar l/s) | Relevante Partikelgröße |
|---|---|---|---|
| Wasserdicht* | Tröpfchen | <10-2 | |
| Dampfdicht | „Schwitzen“ | <10-3 | |
| Bakteriendicht* (Kokken) (stabförmig) |
<10-4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| Öldicht | <10-5 | ||
| Virusdicht* (Impfstoffe, z. B. Pocken) (kleinste Viren, Bakteriophagen) (Viroide, RNA) |
<10-6 <10-8 <10-10 |
||
| Gasdicht | <10-7 | ||
| „Absolut dicht“ | Technisch | <10-10 |
* Im Gegensatz zu Dampf muss zwischen hydrophilen und hydrophoben Feststoffen unterschieden werden. Dies gilt auch für Bakterien und Viren, da diese hauptsächlich in Lösungen transportiert werden.
Art und Nachweisgrenzen häufig verwendeter Dichtheitsprüfungsmethoden:
Abb. 2: Art und Nachweisgrenzen häufig verwendeter Dichtheitsprüfungsmethoden.
Helium-Standard-Leckrate
Für eine eindeutige Definition eines Lecks müssen sowohl die Drücke auf beiden Seiten der (Behälter-)Wand bekannt sein als auch die Art des durch die Wand hindurch tretenden Mediums (Viskosität, molare Masse). Für den in der Praxis sehr häufigen Fall, dass die Prüfung mit Helium mit einer Druckdifferenz von 1 bar vom atmosphärischen Druck (außen) zum Vakuum (p <1 mbar, innen) durchgeführt wird, wurde in der Norm DIN EN 1330-8 die Bezeichnung „Helium-Standard-Leckrate“ eingeführt.
Um den Ablehnungsgrad für einen Test, bei dem Helium unter Standardbedingungen von Helium verwendet wird, anzugeben, ist es zunächst erforderlich, die tatsächlichen Testbedingungen der Verwendung auf Standardbedingungen von Helium umzurechnen. Hier sind einige Beispiele für solche Umrechnungen aufgeführt:
Abb. 3 Beispiele für die Umrechnung von Leckraten auf Helium-Standard-Leckraten
Umrechnungsformeln
Bei der Umrechnung von Druck und Gasart (Viskosität, molare Masse) ist zu beachten, dass für laminare viskose und molekulare Strömung unterschiedliche Formeln gelten. Die Grenze zwischen diesen Bereichen ist sehr schwer zu bestimmen. Als Richtlinie wird von Folgendem ausgegangen: bei Leckraten
qL >10–4 mbar l/s laminar viskose Strömung
und bei Leckraten
qL >10–6 mbar l/s molekulare Strömung
Im Zwischenbereich muss der (Garantie leistende) Hersteller den sichereren Wert annehmen.
Hier beziehen sich die Indizes „I“ und „II“ auf das eine oder andere Druckverhältnis, und die Indizes „1“ und „2“ beziehen sich jeweils auf die innere und äußere Leckstelle. Für eine sinnvolle Verwendung der Formeln muss es sich beim Druck p1 immer um den höheren Druck handeln (p1 > p2).
Tabelle 2: Formeln zur Umrechnung von Druck und Gasart
p = Druck, q = Gasstrom (Leckrate), η = Viskosität, M = molare Masse
| Volumenstrom | laminar viskos | Molekularsieb |
| Druck | qI · (p12−p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Gasart | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
Terminologie und Definitionen
Bei der Lecksuche muss im Allgemeinen zwischen zwei Aufgabenstellungen unterschieden werden: (1) die Lokalisierung von Lecks und (2) die Messung der Leckrate.
Außerdem unterscheidet man je nach Fließrichtung des Fluids zwischen der:
a. Vakuummethode (manchmal auch als „Outside-in Leak“ bezeichnet), bei der die Strömungsrichtung in das Prüfobjekt verläuft (der Druck im Prüfobjekt ist geringer als der Umgebungsdruck), und
b. Überdruckmethode (oft als „Inside-out Leak“ bezeichnet), bei der das Fluid vom Inneren des Prüfobjekts nach außen strömt (der Druck im Prüfobjekt ist höher als der Umgebungsdruck).
Die Prüfobjekte sollten nach Möglichkeit in einer Konfiguration untersucht werden, die ihrer späteren Anwendung entspricht, d. h. also Teile für Vakuumanwendungen nach der Vakuummethode, Teile für Überdruck nach der Überdruckmethode.
Bei der Messung von Leckraten unterscheidet man zwischen der Erfassung von:
a. einzelnen Lecks (lokale Messung), Abb. 4b und 4d weiter unten,
und der Erfassung von:
b. der Summe aller Lecks im Prüfobjekt (integrale Messung), Abb. 4a und 4c weiter unten.
Die kleinste nach Abnahmespezifikation nicht mehr akzeptable Leckrate, wird als Rückweisleckrate bezeichnet. Sie wird aus der Bedingung berechnet, dass das Prüfobjekt während der geplanten Einsatzzeit mit einer gewissen Sicherheit nicht aufgrund von Lecks ausfallen darf.
Oft wird nicht die Leckrate des Prüfobjekts unter normalen Betriebsbedingungen bestimmt, sondern die Durchsatzrate eines Prüfgases unter ähnlichen Bedingungen. Die erzielten Messwerte müssen entsprechend der tatsächlichen Anwendungssituation in Bezug auf die Drücke innerhalb und außerhalb des Prüfobjekts und die Art des zu handhabenden Gases (oder der zu handhabenden Flüssigkeit) umgerechnet werden.
Wenn im Prüfobjekt ein Vakuum (p < 1 mbar) und außen atmosphärischer Druck herrschen und Helium als Prüfgas verwendet wird, spricht man von Helium-Standardbedingungen. Bei der Helium-Dichtheitsprüfung eines Vakuumsystems sind Helium-Standardbedingungen immer dann gegeben, wenn das System mit einem Lecksucher verbunden ist, das System auf p von weniger als 1 mbar abgepumpt und mit Helium besprüht wird (Sprühtechnik) (siehe Abb. 4B).
Wird das Prüfobjekt nur vom Lecksucher selbst evakuiert, so spricht man vom Hauptstrombetrieb des Lecksuchers (LS). Ist das Prüfobjekt selbst ein komplettes Vakuumsystem mit eigenen Vakuumpumpen und wird der Lecksucher parallel zu diesen Pumpen betrieben, so spricht man vom Teilstrombetrieb des Lecksuchers. Vom Partialstrombetrieb spricht man auch, wenn eine separate Hilfspumpe parallel zum Lecksucher eingesetzt wird.
Bei der Überdruckmethode ist es manchmal unpraktisch oder unmöglich, die Leckrate direkt zu messen, wohl kann sie aber in einer das Prüfobjekt umgebenden Hülle gemessen werden. Dies kann durch Anschließen der Hülle an den Lecksucher oder durch Anreicherung (= Konzentrationserhöhung) des Prüfgases in der Hülle geschehen (siehe Abb. 4c). Der Bombing-Test ist ein Sonderfall der Anreicherungsmethode.
Bei der sogenannten Schnüffeltechnik, einer anderen Variante der Überdruckmethode, wird das aus Lecks austretende (Prüf-)Gas von einer speziellen Vorrichtung gesammelt (abgesaugt) und dem Lecksucher zugeführt (siehe Abb. 4d). Das kann sowohl mit Helium, Wasserstoff, Kältemitteln oder SF6 als Prüfgas durchgeführt werden.
Verwendungsoptionen für einen Vakuum-Lecksucher auf Basis der Vakuummethode (a, b) und der Überdruckmethode (c, d)
Abb. 4: Verwendungsoptionen für einen Vakuum-Lecksucher auf Basis der Vakuummethode (a, b) und der Überdruckmethode (c, d)
| Vakuummethode = Vakuum im Prüfobjekt | Überdruckverfahren = unter Druck stehendes Prüfgas im Prüfobjekt |
| a: Gehäusetest (integrale Dichtheitsprüfung) | c: Gehäusetest (integrale Dichtheitsprüfung) |
| b: Sprühtechnik (lokale Dichtheitsprüfung) | d: Schnüffeltechnik (lokale Dichtheitsprüfung) |
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