リークとは何か、真空システムのリークレートを測定する方法
実際の真空システムとその個々のコンポーネント（真空容器、ライン、バルブ、測定装置など）に加えて、産業や研究分野には、気密性、いわゆる「密閉性」に関する高い要件のあるシステムや製品が数多く存在します。これには、特に自動車産業および冷凍産業用のアセンブリーが含まれます。
「検知可能なリークがない」や「リークレートゼロ」など、一般的な記述は、受け入れテストの十分な根拠とはなりません。
経験豊富なエンジニアは、適切に定義された条件では、定義され条件下で特定のリークレートを示すことを知っています。許容されるリークレートは、アプリケーション自体によっても決まります。
リークの種類
「リーク」という用語の最も簡単な定義は次の通りです。リークとは、固体、液体、またはガスが望ましくない侵入または流出する可能性がある壁またはバリアの「開口」です。
材料のタイプまたは接合不良によって、次のリークタイプが区別されます：
- 取り外し可能な接続部のリーク：フランジ、接地マット面、カバー
- 常時接続部のリーク：はんだ付けおよび溶接の継ぎ目、接着接合部
- 多孔性リーク：特に多結晶材料や鋳造部品の機械的変形（曲げ）または熱加工の後に発生
- 熱リーク：極端な温度負荷（熱 / 冷）で、特にはんだ接合部でリークが発生
- 見かけ上の（仮想的な）リーク：鋳造部品内部のくぼみや空洞、ブラインドホール、接合部から大量のガスが放出される（液体の蒸発によっても放出される）。
- 間接的リーク：真空システムまたは炉の供給ラインからのリーク（水、圧縮空気、塩水）
- 「直列リーク」：これは、複数の「直列に接続されたスペース」の末端でのリークであり、例えば、ロータリーベーンポンプのオイルパンのオイル充填部分にリークがあることを示す
- 「一方向のリーク」：ガスが一方向に通過するが、反対方向には密閉されている（非常にまれ）
気密性はないが、欠陥が存在するという意味でリークしていない領域は、次のようになります：
- 浸透：ゴムホース、エラストマーシールなどの素材を介したガスの天然透過性（これらの部品がもろくなって「リークする」場合を除く）。
リークレート、リークサイズ（ガス）質量流量
真空装置やシステムは絶対的に真空気密にすることはできませんし、実際にそうする必要もありません。単純な必須事項は、真空容器内の必要な動作圧力、ガスバランス、および最終圧力に影響を与えない程度にリークレートを低くしなければならないということです。したがって、必要な圧力レベルが低いほど、装置の気密性に関する要件は厳しくなります。
リークを定量的に記録するために、qLと単位mbar·l/sの「リークレート」の概念が導入されました。
1Lの容量の密閉された真空容器内で圧力が1 mbar/秒上昇するか、容器内に陽圧がある場合に1 mbar/秒低下する場合、リークレートはqL = 1 mbar·l/sとなります。
容器のリークレートは、容器の壁を通って放出されるガスの流量を示します。ただし、リークのリークレートは、ガスの種類によって異なることに注意する必要があります。
ガスGのガス温度Tおよびモル質量Mがわかっている場合、ガス質量流量は、関係を通じて理想的なガスの状態の方程式を使用してリークレートqLから計算できます
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
単位：g/s
ただし、
- R = 83.14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = ガス温度（K）
- M = モル質量（g/mol）
- Δm = 質量（g）
- Δt = 時間間隔（秒）
関係は次のように使用されます：
a) 既知のリークレートqL で質量流量Δm/Δtを決定、または
b) 既知のガス質量流量Δm/ΔtにおけるリークレートqLを決定
高真空システムでは、以下の経験則が適用されます：
- qL（空気）< 10-6 mbar·l/s = システムが「非常にタイト」
- qL（空気）< 10-5 mbar·l/s = システムが「十分にタイト」
- qL（空気）> 10-4 mbar·l/s = システムに「リーク」がある
到達可能な最終（動作）圧力Pultには、次が適用されるため、実際には、十分な容量の真空ポンプによってリークを補正できます：
Pult = qL/Seff
ただし、
- QL = リークレート（mbar·l/秒）
- Seff = 真空容器における真空ポンプの有効排気速度（l/秒）
Seffが十分に増加すると、リークレートqLとは無関係に、指定された最終（動作）圧力に達することが常に可能になります。
しかし実際には、経済的理由および設計上の理由（高い投資コスト、高いスペース要件）により、望ましいSeffの上昇が実現できない可能性があります。
真空システムで目的の最終圧力に達しない場合、通常は、次の2つの原因があります：
1. リークの有無および / または
2. 容器の壁からのガス放出および密閉からのガス放出。
2つの原因を区別するために、質量分析計による分圧解析または時間に関連する圧力上昇テストを使用できます。圧力上昇テストを使用するときには、リークの存在は判断できますが、システム内の位置を特定することができないため、リーク箇所をはるかに迅速に特定できるヘリウムリークディテクターを使用することをお勧めします。
穴の形状サイズと関連するリークレートの間の相関関係の概要を得るために、次の大まかな推定値に基づいて作動させることができます：
真空容器の壁にある直径D = 1 cmの円形の穴がバルブで閉じている。外側は大気圧（p = 1013 mbar）であり、内部は真空になる。バルブが開くと、空気は、音速（vs = 330 m/秒）でA = π·(D2/4) ~ 0.79 cm2の開口断面を通って容器内に流れる。容器に流入する空気量は、qL(air) = p·vs·A ~ 2.6·104 mbar·l/秒になります。
他のすべての条件を同一に保ちヘリウムが970 m/秒の音速で穴に流入できる場合、ヘリウムリークレートqL（ヘリウム）は約7.7·104 mbar·l/秒となり、リークレートは大幅に高くなります。
このヘリウムに対する高い「感度」はリーク検知に使用され、高感度のヘリウムベースのリークディテクターの開発と大量生産につながっています。
図 1に示すのは、「1 cmの穴」の近似値がqL（空気） = 104 mbar·l/sの場合の、穴のサイズと空気リークレートの相関関係です。
この表は、穴の直径Dが1 µm = 0.001 mm（= 計数10000でDを減算）に縮小された場合、リークレートが1.0·10-4 mbar·l/秒になることを示しており、この値は、真空技術ですでに大きなリークを表しています（上記のヒントを参照）。
リークレート1.0·10-12 mbar·l/秒は、1オングストローム（Å）の穴径に対応します。これは、最新のヘリウムリークディテクターの検知下限です。
多くの固体のグリッド定数は数Åに相当し、より小さな分子の直径（H2、He）は約1 Åであるため、固体を通過する固有の透過性は、ヘリウムリークディテクターを使用して定量的に記録できます。これにより、非常に少量のリークレートで校正されたテストリークが開発されました。これは、測定可能な「密閉性の不足」であり、材料または接合部の欠陥であるという意味での「リーク」ではありません。
穴径とリークレートの相関関係、空気の推定
図1：穴径とリークレートの相関関係、空気の推定
気密性基準とリークレートの相関関係
原子、分子、ウィルス、細菌などのサイズの推定や測定から、「防水」や「細菌耐性」などの日常的な用語が頻繁に生まれることがよくあります。
| コンセプト / 基準 | コメント | qL（mbar·l/秒） | 関連する粒径 |
|---|---|---|---|
| 防水* | 液滴 | < 10–2 | |
| 蒸気気密 | 「発汗」 | 10–3 | |
| バクテリア気密* （球菌） （ロッド形） |
< 10–4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| 油密 | < 10–5 | ||
| ウィルス気密* （ワクチン、例：痘疹） （最小ウィルス、細菌ファージ） （ウィルス、RNA） |
< 10–6 < 10–8 < 10–10 |
||
| 気密 | < 10–7 | ||
| 「高気密」 | テクニカル | < 10–10 |
* 蒸気とは異なり、親水性固体と疎水性固体を区別する必要があります。これは主に溶液で輸送されるため、細菌やウィルスにも当てはまります。
頻繁に使用されるリーク検知方法の特性と検知限界：
図2：頻繁に使用されるリーク検知方法の特性と検知限界。
ヘリウム標準リークレート
リークの明確な定義に必要なのは、（容器の）壁の両側に生じる圧力と、その壁を通過する媒体の性質（粘度、モル質量）です。実際によく見られる大気圧（外部）から真空（p < 1 mbar、内部）までの圧力差1 barでヘリウムを用いて試験を実施する場合、規格DIN EN 1330-8には「ヘリウム標準リークレート」という呼称が導入されています。
標準ヘリウム条件下でヘリウムを使用するテストの除去率を示すには、まず使用する実際のテスト条件をヘリウム標準条件に変換する必要があります。このような変換の例を以下に示します：
図3：リークレートをヘリウム標準リークレートに変換する例
変換式
圧力とガスの種類（粘度、モル質量）の変換に関しては、層流粘性と分子流には異なる式が適用されることに注意する必要があります。これらの領域間の境界を特定するのは非常に困難です。ガイドラインとして、リークレートで以下を想定できます
qL > 10-4 mbar·l/秒の層流粘性流量
およびリークレート
qL < 10–6 mbar·l/秒の分子流量
中間範囲では、製造元（保証条件の下で責任を負う者）が安全側の値を想定する必要があります。
ここでは、「I」と「II」はどちらかの圧力費を差し、インデックス「1」と「2」はそれぞれリーク点の内側と外側を指します。計算式を実用的に使用するには、圧力p1が常に高い圧力（p1 > p2）でなければなりません。
表2：圧力およびガスタイプの変換のための式
p = 圧力、q = ガス流量（リークレート）、η = 粘度、M = モル質量
| 流量 | 層流粘性 | 分子 |
| 圧力 | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| ガスタイプ | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
用語と定義
リークを探す場合、一般的に2つのタスクを、(1) リークの特定と(2) リークレートの測定の2つに区別する必要があります。
さらに、流体のフローの方向に基づいて、以下の2つに区別します：
a. 真空法（「外部からのリーク」とも呼ばれます）。ここでは、フローの方向が試験対象物になります（試験対象物内の圧力が周囲圧力よりも低い）、そして
b. 陽圧法（「内部リーク」と呼ばれることもあります）。液体が試験対象物の内側から外側に流出します（試験対象物内の圧力が周囲圧力よりも大きい）。
試験対象物は、可能な限り、後の用途に対応する構成で検査する必要があります。真空アプリケーション用のコンポーネントは真空法で、内部が加圧される部品は陽圧法で測定します。
リークレートを測定する際には、以下のように区別して記録します：
a. 個々のリーク（局所測定、下記の図4bおよび4d、
および
b. 試験対象物内のすべてのリークの合計（積分測定）、以下の図4aおよび4c以下を記録します。
許容仕様に従って許容できなくなった最小リークレートは、不合格リークレートと呼ばれます。この計算は、試験対象物計画された使用期間中にがリークによって発生した障害が原因で故障しない可能性があるという条件に基づいて行われ、これには一定の確実性があります。
多くの場合、測定されるのは、通常の動作条件下のテスト対象物のリークレートではなく、同様の条件下でのテストガスのスループットレートです。得られた測定値は、試験対象の内外の圧力および処理されるガス（または液体）の種類に関して、実際のアプリケーション状況に対応するように変換する必要があります。
検査対象物の内部が真空（p < 1 mbar）、外部が大気圧で、テストガスにヘリウムが使用されている場合、1つは標準ヘリウム条件を参照します。システムがリークディテクターに接続されている場合、システムが1 mbar未満まで排気され、ヘリウムでスプレーされている場合（スプレー法）、真空システムのヘリウムリーク検知時には常に標準ヘリウム条件が存在します（図4b参照）。
試験対象物がリークディテクターのみによって排気される場合、リークディテクターはリークディテクター（LD）の直接フローモードで動作していると言えます。テスト対象物自体が独自の真空ポンプを備えた完全な真空システムであり、リークディテクターがシステムのポンプと並行して動作している場合は、リークディテクターのパーシャルフローモードを指します。リークディテクターと並行して別の補助ポンプを使用する場合も、パーシャルフローモードを指します。
陽圧法を使用すると、リークレートを直接測定することは非現実的または不可能な場合がありますが、試験試料を囲むエンベロープ内ではリークレートを確実に検知できます。測定は、そのエンベロープをリークディテクターに接続するか、またはエンベロープ内のテストガスの蓄積（＝濃度の増加）によって行うことができます（図4c参照）。ボンビングテストは、特別なバージョンの蓄積テストです。
いわゆるスニファー技術は陽圧技術の別のバリエーションであり、リークから発生する（テスト）ガスが特殊装置によって収集（抽出）され、リークディテクターに供給されます（図4d参照）。この手順は、ヘリウム、水素、冷媒、またはSF6をテストガスとして使用して実行できます。
真空法（a、b）および陽圧法（c、d）に基づく真空リークディテクターの使用オプション
図4：真空法（a、b）および陽圧法（c、d）に基づく真空リークディテクターの使用オプション
| 真空法＝試料内の真空 | 陽圧法＝試料内の加圧試験ガス |
| a：エンクロージャーテスト（一体型リーク検知） | c：エンクロージャーテスト（一体型リーク検知） |
| b：スプレー技術（局所リーク検知） | d：スニファー技術（局所リーク検知） |
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