누출의 정의와 진공 시스템에서 누출률을 측정하는 방법
실제 진공 시스템 및 개별 구성 요소(진공 용기, 라인, 밸브, 측정 장치 등)와 더불어, 산업 및 연구 분야에는 기밀성 또는 소위 “밀폐 밀봉”에 대한 높은 요구 사항을 가진 수많은 다른 시스템과 제품이 있습니다. 여기에는 특히 자동차 및 냉동 산업용 조립 부품이 포함됩니다.
“검출 가능한 누출 없음” 또는 “누출률 0”과 같은 일반화된 진술은 수용 테스트의 적절한 근거가 되지 않습니다.
숙련된 엔지니어라면 모두 올바르게 공식화된 수용 사양이 정의된 조건에서 특정 누출률을 나타낸다는 것을 알고 있습니다. 허용 가능한 누출률은 응용 분야 자체로도 결정됩니다.
누출 유형
“누출”이라는 용어에 대한 가장 간단한 정의: 누출이란 고체, 액체 또는 기체가 바람직하지 않게 들어오거나 빠져나갈 수 있는 (분리된) 벽 또는 장벽의 “개방”을 말합니다.
소재 유형 또는 접합 결함에 따라, 다음과 같은 누출 유형으로 구분됩니다.
- 탈착식 연결부의 누출: 플랜지, 접지 접합면, 커버
- 영구 연결부의 누출: 납땜 및 용접 심, 접착 조인트
- 다공성으로 인한 누출: 특히 기계적 변형(굽힘!) 또는 다결정체 물질 및 주조
부품의 열 처리 - 열 누출: 납땜 접합부에서 극단적인 온도 부하 시 개방(고온/저온)
- 외관상(가상) 누출: 주물 파트 내부의 구멍 및 캐비티, 보이지 않는 구멍 및 접합부에서 (액체의 증기로 인해) 다량의 기체 배출
- 간접 누출: 진공 시스템 또는 용광로의 공급 라인 누출(물, 압축 공기, 소금물)
- "연속 누출": 로터리 베인 펌프 오일 팬의 오일로 채워진 부분에 누출이 발생하는 등 여러 개의 "연속 연결된 공간"의 끝에서 발생하는 누출
- "단방향 누출": 가스가 한 방향으로 통과할 수 있지만, 다른 방향으로는 통과하지 못함(매우 드묾)
결함이 존재한다는 의미에서 기체 차단 상태는 아니지만, 누출이 없는 영역은 다음과 같습니다.
- 투과: 고무 호스, 탄성체 씰 등과 같은 물질을 통과하는 기체의 투과(자연 투과성) (이러한 부품이 부서져서 "누출"이 되는 경우 제외)
누출률, 누출 크기(가스) 질량 유동
어떤 진공 장치나 시스템도 절대적으로 진공 상태일 수 없으며 실제로 그럴 필요도 없습니다. 간단한 본질은 누출률이 진공 용기에서 필요한 작동 압력, 가스 균형 및 최종 압력에 영향을 미치지 않을 정도로 충분히 낮아야 한다는 것입니다. 따라서 장치의 가스 기밀성에 관한 요구 사항은 요구되는 압력 수준이 낮을수록 더 엄격해집니다.
누출을 정량적으로 등록할 수 있도록, 기호 qL과 단위 mbar·l/s로 나타내는 "누출률"의 개념이 도입되었습니다.
qL = 1mbar·l/s의 누출률은 부피가 1L인 밀폐된 배출 용기에서 압력이 초당 1mbar씩 상승하거나 용기에 양압이 있는 경우 압력이 초당 1mbar씩 감소할 때 존재합니다.
용기의 누출률은 용기의 벽을 통해 빠져나오는 기체 유량을 나타냅니다. 그러나 누출률은 기체의 유형에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다.
기체 온도 T와 기체 G의 몰 질량 M을 알고 있는 경우, 기체 질량 유량은 관계를 통해 이상적인 기체에 대한 상태 방정식을 사용하여 누출률 qL로부터 계산할 수 있습니다.
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
단위: g/s
여기에서,
- R = 83.14(mbar·l) / (mol·K)
- T = 기체 온도(K)
- M = 몰 질량(g/mol)
- Δm = 질량(g)
- ΔT = 시간 범위(s)
관계는 다음과 같이 사용됩니다.
a) qL의 알려진 누출률에서 질량 유량 Δm/Δt 결정, 또는
b) 알려진 기체 질량 유량 Δm/Δt에서 누출률 qL 결정
고진공 시스템의 경우, 다음과 같은 경험 법칙이 적용됩니다.
- qL(공기) < 10-6mbar·l/s = 시스템이 "매우 밀폐되어 있음"
- qL(공기) < 10-5mbar·l/s = 시스템이 "충분히 밀폐되어 있음"
- qL(공기) > 10-4mbar·l/s = 시스템에 “누출이 있음”
사실, 누출은 충분한 용량의 진공 펌프로 보상될 수 있습니다. 그 이유는 다음 사항이 도달 가능한 최종(작동) 압력 Pult에 적용되기 때문입니다.
Pult = qL/Seff
여기에서,
- QL = 누출률(mbar·l/s)
- Seff = 진공 용기에서 진공 펌프의 유효 펌핑 속도(l/s)
따라서 Seff가 충분히 증가하면, 누출률 qL과 관계없이 지정된 최종 (작동) 압력 펄트에 항상 도달할 수 있습니다.
그러나 실제로는 경제적 및 설계상의 이유(높은 투자 비용, 높은 공간 요구 사항)로 인해 원하는 Seff의 증가는 실현되지 않을 수 있습니다.
진공 시스템에서 원하는 최종 압력에 도달하지 못할 경우, 일반적으로 다음과 같은 두 가지 원인이 있습니다.
1. 누출의 존재 및/또는
2. 용기 벽의 기체 방출 및 밀폐 기체 방출
두 원인을 구별하기 위해, 질량분광계를 사용한 부분 압력 분석 또는 시간 관련 압력 상승 테스트를 사용할 수 있습니다. 압력 상승 시험을 사용할 때 시스템 내에서의 누출 위치가 아닌 누출의 존재 여부만 파악할 수 있으므로, 누출 부위를 훨씬 빠르게 파악할 수 있는 헬륨 누출 감지기를 사용하는 것이 좋습니다.
구멍의 기하학적 크기와 관련 누출률 사이의 상관 관계를 개괄적으로 파악하기 위해, 다음과 같은 대략적인 추정치에 기반하여 작업할 수 있습니다.
진공 용기의 벽에 직경 D = 1cm의 원형 구멍이 밸브로 닫힙니다. 바깥쪽에서는 대기압(p = 1,013mbar)이 우세하고 안쪽에서는 진공이 우세합니다. 밸브가 열리면 공기가 음속(vs = 330m/s)으로, A = π(D2/4)~0.79cm2의 개방 단면을 통해 용기로 흐릅니다. 용기로 유입되는 공기량은 qL(공기) = p·vs·A~2.6·104 mbar·l/s입니다.
다른 모든 조건이 동일하게 유지되고 헬륨이 970m/s의 음속으로 구멍으로 유입될 수 있다면, 헬륨 누출률 qL(헬륨)은 ~7.7·104mbar·l/s이므로 누출률이 상당히 높습니다.
헬륨에 대한 이러한 더 높은 "민감도"는 누출 감지에 사용되며, 그 결과 고감도 헬륨 기반 누출 감지기가 개발되고 대량 생산되었습니다.
그림 1은 구멍 크기와 공기 누출률 간의 상관관계이며, "1cm 구멍"의 대략적인 값은 qL(공기) = 104mbar·l/s입니다.
이 표는 구멍 직경 D가 1µm = 0.001mm(인수 10,000으로 D 감소)로 감소하면 누출률이 1.0·10-4mbar·l/s에 이른다는 것을 보여줍니다. 이 값은 진공 기법에서는 이미 큰 누출을 나타냅니다(위의 경험 법칙 참조).
1.0·10-12mbar·l/s의 누출률은 1옹스트롬(Å)의 구멍 직경에 해당하며, 이는 최신 헬륨 누출 감지기의 감지 하한입니다.
많은 고체에 대한 그리드 상수는 nÅ에 달하고 더 작은 분자(H2, He)의 직경은 약 1Å이므로, 헬륨 누출 감지기를 사용하여 고체를 통한 고유한 투과를 도량형학적으로 등록할 수 있습니다. 이것은 매우 적은 누출률을 통해 보정된 시험 누출의 개발로 이어졌습니다. 이것은 측정 가능한 "기밀성 부족"이지만, 재료 또는 조인트의 결함이라는 의미에서의 "누출"은 아닙니다.
구멍 직경과 누출률 간의 상관관계(공기에 대한 추정치)
그림 1: 구멍 직경과 누출률 간의 상관관계(공기에 대한 추정치)
기밀성 기준과 누출률 간의 상관관계
원자, 분자, 바이러스, 박테리아 등의 크기 추정치 또는 측정치는 종종 "방수" 또는 "박테리아 차단"과 같은 일상적인 용어를 발생시킵니다.
| 개념/기준 | 의견 | qL(mbar·l/s) | 관련 입자 크기 |
|---|---|---|---|
| 방수* | 물방울 | < 10–2 | |
| 증기 차단 | “이슬 맺힘” | < 10–3 | |
| 박테리아 차단* (구균) (막대 모양) |
< 10–4 | ∅ ≈ 1μm |
|
| 오일 차단 | < 10–5 | ||
| 바이러스 차단* (백신(예: 두창)) (가장 작은 바이러스, 박테리오파지) (바이로이드, RNA) |
< 10–6 < 10–8 < 10–10 |
||
| 기체 차단 | < 10–7 | ||
| “완전 차단” | 기술 | < 10–10 |
* 증기와 반대로 친수성 고형물과 소수성 고형물을 구별해야 합니다. 이는 주로 용액으로 운반되기 때문에 박테리아와 바이러스에도 적용됩니다.
자주 사용되는 누출 감지 방법의 특성 및 감지 한계:
그림 2: 자주 사용되는 누출 감지 방법의 특성과 감지 한계를 보여줍니다.
헬륨 표준 누출률
누출의 명확한 정의에 필요한 것은 (용기) 벽의 어느 한쪽에서 우세하는 압력과 그 벽을 통과하는 매체의 특성(점도, 몰 질량)입니다. 실제로 흔히 볼 수 있는 대기압(외부)과 진공(p < 1mbar, 내부) 사이의 압력 차이가 1bar인 헬륨을 사용하여 테스트를 수행하는 경우, "헬륨 표준 누출률"이라는 명칭이 표준 DIN EN 1330-8에 도입되었습니다.
표준 헬륨 조건에서 헬륨을 사용하는 테스트의 거부율을 나타내려면, 먼저 실제 사용 테스트 조건을 헬륨 표준 조건으로 변환해야 합니다. 이러한 변환의 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
그림 3: 누출률을 헬륨 표준 누출률로 변환하는 예
변환 수식
압력 및 기체 유형(점도, 몰 질량)의 변환과 관련하여, 층류 점성 및 분자 유량에는 다른 공식이 적용된다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 영역 사이의 경계는 결정하기가 매우 어렵습니다. 지침상으로는 다음과 같이 가정합니다. 누출률:
qL > 10–4mbar·l/s 층류 점성 유량
누출률:
qL < 10–6mbar·l/s 분자 유량
안전 측면에서 제조업체(보증 조건에 따라 책임이 있는 업체)는 반드시 값을 중간 범위로 가정해야 합니다.
여기서 지표 "I" 및 "II"는 하나 또는 다른 압력 비율을 나타내며, 지표 "1" 및 "2"는 각 누출 지점의 내부 및 외부를 나타냅니다. 공식을 합리적으로 사용하려면 압력 p1이 항상 더 높은 압력(p1 > p2)이어야 합니다.
표 2: 압력 및 기체 유형의 변환 공식
p = 압력, q = 가스 유량(누출률), η = 점도, M = 몰 질량
| 유량 | 층류 점성 | 분자 |
| 압력 | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| 기체 유형 | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
용어 및 정의
누출을 탐색할 때는 일반적으로 (1) 누출 위치를 파악하고 (2) 누출률을 측정하는 두 가지 작업을 구분해야 합니다.
또한 유체의 흐름 방향을 기준으로 다음을 구분합니다.
a. 진공 방법("외부-내부 누출"이라고도 함), 흐름 방향이 테스트 대상으로 들어가는 경우 테스트 대상 내부 압력이 주변 압력보다 낮음
b. 양압법("내부-외부 누출"이라고도 함), 유체가 테스트 대상 안쪽에서 바깥쪽으로 발생하는 경우 테스트 대상 내부 압력이 주변 압력보다 높음.
테스트 대상은 진공 방법을 사용하고 내부에서 가압될 부품에 대해 양압법을 사용하는 진공 작업의 구성 요소, 즉 이후의 응용 분야에 해당하는 구성으로 검사해야 합니다.
누출률을 측정할 때 다음 등록을 구분합니다.
a. 개별 누출(국소 측정), 아래 그림 4b와 4d
및
b. 테스트 대상의 모든 누출 총계(적분 측정), 아래 그림 4a 및 4c.
허용 사양에 따라 더 이상 허용되지 않는 최소 누출률을 거부 누출률이라고 합니다. 그 계산은 누출로 인한 결함으로 인해 예정된 활용 기간 동안 테스트 대상이 실패하지 않으며 어느 정도 확실한 수준이라는 조건에 기초합니다.
보통 결정되는 것은 정상적인 작동 조건에서 테스트 대상의 누출률이 아니라, 유사한 조건에서 테스트 기체의 처리 속도입니다. 얻은 측정값은 테스트 대상 내부와 외부의 압력 및 취급 중인 기체(또는 액체)의 유형에 대한 실제 적용 상황에 대응하도록 변환해야 합니다.
테스트 대상 내부에 진공이 존재하고(p < 1mbar) 외부에 대기압이 존재하며, 헬륨이 테스트 기체에 사용되는 경우, 표준 헬륨 조건을 참조합니다. 표준 헬륨 조건은 시스템이 누출 감지기에 연결되어 있을 때, 시스템이 1mbar 미만의 p로 펌핑되고 헬륨을 분사할 경우(스프레이 기술), 진공 시스템에 대한 헬륨 누출 감지 중에 항상 존재합니다(그림 4b 참조).
누출 검출기에 의해서만 테스트 대상을 비울 경우, 누출 검출기가 누출 검출기(LD)의 직접 흐름 모드에서 작동 중이라고 말할 수 있습니다. 테스트 대상이 그 자체로 진공 펌프가 있는 완전한 진공 시스템이고 누출 감지기가 시스템의 펌프와 병렬로 작동하는 경우, 누출 감지기의 부분 유량 모드를 참조합니다. 누출 감지기와 병렬로 별도의 보조 펌프를 사용하는 경우, 부분 유량 모드도 참조합니다.
양압 방법을 사용할 때 누출률을 직접 측정하는 것은 비실용적이거나 실제로 불가능하지만, 테스트 표본을 둘러싸고 있는 외피에서는 확실히 감지될 수 있습니다. 해당 외피를 누출 감지기에 연결하거나 외피 내부에 테스트 기체를 축적(=농도 증가)하여 측정할 수 있습니다(그림 4c 참조). 폭격 테스트는 축적 테스트의 특별 버전입니다.
이른바 스니퍼 기법에서 양압 기법의 또 다른 변형으로, 누출에서 발생하는 (테스트) 기체는 특수 장치에 의해 수집(추출)되어 누출 감지기에 공급됩니다(그림 4d 참조). 이 절차는 헬륨, 수소, 냉매 또는 SF6를 테스트 기체로 사용하여 수행할 수 있습니다.
진공 방법(a, b) 및 양압 방법(c, d)에 기반한 진공 누출 감지기의 사용 옵션
그림 4: 진공 방법(a, b) 및 양압 방법(c, d)에 기반한 진공 누출 감지기의 사용 옵션
| 진공 방법 = 표본 내부 진공 | 양압 방법 = 표본 내부의 가압 테스트 기체 |
| a: 인클로저 테스트(통합 누출 감지) | c: 인클로저 테스트(통합 누출 감지) |
| b: 분사 기법(국소 누출 감지) | d: 스니퍼 기법(국소 누출 감지) |
누출 감지의 기초
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