什麼是洩漏，如何測量真空系統中的洩漏率
除了實際的真空系統及其個別元件 (真空容器、管路、閥、測量裝置等) 之外，工業與研究領域中有其他許多在氣密性或所謂的密封處理方面有高要求的系統和產品。其中尤其包括汽車與製冷工業的組件。
通常所做的一般聲明，例如「無可偵測的洩漏」或「洩漏率為零」，並不代表驗收測試的充分依據。
每位經驗豐富的工程師都知道，在定義的條件下，適當制定的驗收規格將指示一定的洩漏率。可接受的洩漏率也會由應用本身決定。
洩漏類型
「洩漏」一詞最簡單的定義是：洩漏是在 (隔離) 牆壁或屏障中的「開口」，固體、液體或氣體會以不希望出現的方式從此處進出。
根據材料類型或連結故障，區分以下洩漏類型：
- 可拆卸連接中的洩漏：法蘭、接地配合面、蓋子
- 永久連接中的洩漏：焊料與焊縫、膠接結合
- 多孔性導致的洩漏：尤其是多晶材料與鑄造元件的機械變形 (彎曲！) 或
熱處理 - 熱洩漏：在極端溫度負載 (熱/冷) 下開啟，尤其是焊料接合處
- 明顯 (虛擬) 洩漏：大量氣體將從鑄件、盲孔與接頭內的空心與空腔中釋放出來 (也由於液體蒸發)。
- 間接洩漏：真空系統或熔爐中的供應管洩漏 (水、壓縮空氣、鹵水)
- 「串聯洩漏」：這是幾個「串聯空間」末端的洩漏，例如迴轉葉片幫浦中承油盤的充油部分洩漏
- 「單向洩漏」：此類洩漏將允許氣體在一個方向通過，但在另一個方向密封 (不常有)
一個不氣密但在存在瑕疵的意義上不洩漏的區域將是：
- 滲透：氣體通過橡皮軟管、彈性密封件等材料的自然滲透性 (除非這些零件變脆並因此「洩漏」)。
洩漏率、洩漏尺寸 (氣體) 質流
任何真空裝置或系統都不可能絕對真空密封，實際上也不需要。簡單的基本要素是洩漏率必須足夠低，使真空容器中的所需操作壓力、氣體平衡與極限壓力不受影響。因此，與設備氣密性相關的要求越嚴格，所需壓力位準越低。
為了能夠定量記錄洩漏，引入了具有符號 qL 的「洩漏率」概念。
當在體積為 1 l 的封閉真空容器中，壓力每秒上升 1 mbar，或容器中有正壓力，壓力每秒下降 1 mbar 時，洩漏率為 qL = 1 mbar l/s。
容器的洩漏率表示經由容器壁逸出的氣流量。但是必須注意，洩漏率取決於氣體類型。
若氣體溫度 T 和氣體 G 的莫耳質量 M 已知，則可使用以下關係式中的理想氣體狀態方程式，從洩漏率 qL 計算氣體質流
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
單位：g/s
其中：
- R = 83.14 (mbar·l) / (mol·K)
- T - 以 K 為單位的氣體溫度
- M = 以 g/mol 為單位的莫耳質量
- Δm = 以 g 為單位的質量
- Δt = 以 s 為單位的時間跨度
此關係式用於：
a) 在已知洩漏率 qL 之下判斷質流 Δm/Δt
b) 在已知氣體質流 Δm/Δt 之下判斷洩漏率 qL
對於高真空系統，適用下列經驗法則：
- qL(空氣) < 10-6 mbar·l/s = 系統「非常緊密」
- qL(空氣) < 10-5 mbar·l/s = 系統「足夠緊密」
- qL(空氣) > 10-4 mbar·l/s = 系統「洩漏」
洩漏實際上可由容量充足的真空幫浦進行補償，因為下列情形適用於可達到的最終 (操作) 壓力 Pult：
Pult = qL/Seff
其中：
- QL = 以 mbar·l/s 為單位的洩漏率
- seff = 真空容器上真空幫浦的以 l/s 為單位的有效抽氣速度
若 Seff 增加到足夠的量，則永遠可以達到指定的最終 (操作) 壓力 pult，而不受洩漏率 qL 影響。
但是實際上，由於經濟和設計因素 (高投資成本、高空間需求)，可能無法實現所需的 Seff 增加。
如果真空系統中沒有達到所需的最終壓力，通常有兩個原因：
1. 存在洩漏和/或
2. 氣體從容器壁和密封除氣中釋放出來。
為了區分這兩個原因，可以使用質譜分析或使用時間相關的升壓測試進行部分壓力分析。由於只有在使用升壓測試時，才能判斷洩漏是否存在，而非其在系統中的位置，因此建議使用氦氣測漏儀，以便也能夠明顯更快地找到洩漏。
為了全面瞭解孔的幾何尺寸與相關洩漏率之間的關聯，可根據下列粗略估計進行操作：
使用閥關閉真空容器壁上直徑 D = 1 cm 的圓孔。外部為大氣壓力 (p = 1013 mbar)，內部為真空。當閥開啟時，空氣會以聲速 (vs = 330 m/s) 流過開啟的橫截面 A = π·(D2/4) ~ 0.79 cm2 進入容器。流入容氣的氣量計算方式為 qL(air) = p·vs·A ~ 2.6·104 mbar·l/s。
如果其他所有條件保持不變，且允許氦氣以 970 m/s 的聲速流入孔中，則氦氣洩漏率 qL (helium) 為 ~ 7.7·104 mbar·l/s，因此洩漏率明顯較高。
氦氣這種更高的「靈敏度」用於測漏，並導致開發並大量生產高靈敏度氦基測漏儀。
圖 1 顯示的是孔尺寸與空氣的洩漏率之間的關聯，「1 cm 孔」的 qL (空氣) 近似值 = 104 mbar·l/s。
表格顯示，當孔直徑 D 減小到 1 μm = 0.001 mm (= D 減去因子 10000) 時，洩漏率將為 1.0·10-4 mbar·l/s，在真空技術中，該值已表示嚴重洩漏 (參見上述經驗法則)。
1.0·10-12 mbar·l/s 的洩漏率對應於 1 埃 (Å) 的孔直徑；這是現代氦氣測漏儀的偵測下限。
由於許多固體的網格常數為幾 Å，較小分子 (H2、He) 的直徑約為 1 Å，因此，可以使用氦氣測漏儀計量記錄固體的先天滲透。這讓我們開發了洩漏率非常小的校正測試洩漏。這是可測量的「密封性不足」，但不是材料或接頭瑕疵意義上的「洩漏」。
孔直徑與洩漏率之間的關聯，針對空氣預估
圖 1：孔直徑與洩漏率之間的關聯，針對空氣預估
密封性標準與洩漏率之間的關聯
對原子、分子、病毒、細菌等大小的估計或測量通常會產生「水密性」或「細菌緊密」等日常術語。
| 概念 / 標準 | 備註 | qL (mbar·l/s) | 相關粒子大小 |
|---|---|---|---|
| 防水* | 水滴 | < 10–2 | |
| 氣密性 | 「發汗」 | < 10–3 | |
| 細菌緊密* (球菌) (桿狀) |
< 10–4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| 油密 | < 10–5 | ||
| 病毒緊密* (疫苗，例如痘) (最小的病毒、噬菌體) (類病毒、RNA) |
< 10–6 < 10–8 < 10–10 |
||
| 氣密 | < 10–7 | ||
| 「絕對緊密」 | Technical | < 10–10 |
* 與蒸氣相反，必須區分親水性固體與疏水性固體。這也適用於細菌與病毒，因為它們主要在溶液中運輸。
常用測漏法的特性與偵測限制：
圖 2：常用測漏法的特性與偵測限制。
氦氣標準洩漏率
明確定義洩漏所需的條件包括 (容器) 壁兩側的主要壓力與通過該壁的介質特性 (黏度、莫耳質量) 或其莫耳質量。對於在實務中經常可以發現的氦氣的大氣壓力 (外部) 與真空 (p < 1 mbar，內部) 之間的壓力差為 1 bar 之下執行測試的情況，「氦氣標準洩漏率」已在標準 DIN EN 1330-8 中介紹。
為了指示在標準氦氣條件下使用氦氣進行測試的拒絕率，必須先將使用的實際測試條件轉換為氦氣標準條件。以下是這類轉換的一些範例：
圖 3：將洩漏率轉換為氦氣標準洩漏率的範例
轉換公式
有關壓力和氣體類型 (黏度、莫耳質量) 的轉換，必須注意不同的公式適用於層黏性和分子流量。這些區域之間的邊界非常難以判斷。作為準則，可以如下假定：在洩漏率
qL > 10–4 mbar·l/s 層黏性流量
及洩漏率
qL < 10–6 mbar·l/s 分子流量
在中間範圍內，製造商 (保證條款下的負責人) 必須假設安全值。
在此，指數「I」與「II」分別指一個或另一個壓力比，指數「1」與「2」分別參考洩漏點的內部與外部。若要合理使用公式，壓力 p1 必須一律是較高壓力 ( p1 > p2 )。
表 2：壓力與氣體類型的轉換公式
P = 壓力，q = 氣流 (洩漏率)，η = 黏度，M = 莫耳質量
| 流量 | 層黏性 | 分子 |
| 壓力 | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| 氣體類型 | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
術語與定義
搜尋洩漏時，通常必須區分兩個任務：(1) 找到洩漏以及 (2) 測量洩漏率。
此外，我們根據流體的流動方向區分：
a. 真空法 (有時稱為「外部-內部洩漏」)，流動方向為進入測試物體；測試物體內部的壓力小於環境壓力，以及
b. 正壓法 (通常指「內部-外部洩漏」)，氣流從測試物體內部向外發生；測試物體內部壓力高於環境壓力。
在可能的情況下，應在與測試物體隨後的應用對應的配置中對測試物體進行檢查，即使用真空法對真空應用的元件進行檢查，並使用正壓法對內部加壓的零件進行檢查。
測量洩漏率時，我們會區分記錄：
a. 個別洩漏 (局部測量)，下圖 4b 與 4d，
及記錄
b. 測試物體中所有洩漏的總數 (整體測量)，下圖 4a 與 4c。
根據驗收規格，不再容許的最小洩漏率稱為拒絕洩漏率。其計算依據的條件為，測試物體在其規劃使用期間不會因洩漏導致的故障而失敗，這在一定程度上是確定的。
通常，確定的並非正常操作條件下測試物體的洩漏率，而是類似條件下測試氣體的通量率。達到的測量值必須轉換為與測試物體內外壓力以及所處理氣體 (或液體) 類型相關的實際應用情況相對應。
如果測試物體內部存在真空 (p < 1 mbar)，外部存在大氣壓力，且在測試氣體中使用氦氣，則指的是標準氦氣條件。在高真空系統的氦氣測漏期間，當系統連接至測漏儀，且系統抽氣至小於 1 mbar 的 p，並噴氦氣 (噴射技術) 時，一律存在標準氦氣條件 (見圖 4b)。
如果測試物體僅由測漏儀抽真空，則可以說測漏儀在測漏儀 (LD) 的直流模式下運作。如果測試物體本身是完整的真空系統，具有自己的真空幫浦，並且如果測漏儀與系統的幫浦併聯運作，則指的是測漏儀的分流模式。當單獨的輔助幫浦與測漏儀併聯使用時，也指的是分流模式。
當使用正壓法時，有時直接測量洩漏率是不切實際或實際上是不可能的，而洩漏率肯定可以在封裝試樣的外殼中檢測到。可透過將外殼連接至測漏儀或透過在外殼內積聚 (= 增加濃度) 測試氣體來進行測量 (見圖 4c)。轟炸測試是積聚測試的特殊版本。
在所謂的嗅探技術中，正壓技術的另一個變化，即洩漏產生的 (測試) 氣體由特殊設備收集 (抽取) 並送入測漏儀 (見圖 4d)。此程序可使用氦氣、氫氣、冷媒或 SF6 作為測試氣體來執行。
以真空法 (a、b) 和正壓法 (c、d) 為基礎的真空測漏儀使用選項
圖 4：以真空法 (a、b) 和正壓法 (c、d) 為基礎的真空測漏儀使用選項
| 真空法 = 樣品內的真空 | 正壓法 = 樣品內的加壓測試氣體 |
| a：外殼測試 (整體測漏) | c：外殼測試 (整體測漏) |
| b：噴射技術 (局部測漏) | d：嗅探技術 (局部測漏) |
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