Was ist ein Leck und wie wird die Leckrate in Vakuumsystemen gemessen?

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Abgesehen von den Vakuumsystemen selbst und den einzelnen Komponenten, die bei ihrem Bau verwendet werden (Vakuumkammern, Rohrleitungen, Ventile, lösbare [Flansch-]Verbindungen, Messgeräte usw.), gibt es in Industrie und Forschung eine große Anzahl anderer Systeme und Produkte, die strenge Anforderungen in Bezug auf Lecks oder die Schaffung einer sogenannten „hermetischen“ Abdichtung erfüllen müssen. Dazu gehören insbesondere viele Baugruppen und Prozesse in der Automobil- und Kälteindustrie, aber auch in vielen anderen Industriezweigen. Der Betriebsdruck liegt dabei oft über dem Umgebungsdruck. Hier wird „hermetisch dicht“ nur als relative „Abwesenheit von Lecks“ definiert. Häufig gemachte allgemeine Aussagen wie „keine nachweisbaren Lecks“ oder „Null Leckrate“ stellen keine angemessene Grundlage für die Abnahmeprüfung dar. Jeder erfahrene Ingenieur weiß, dass richtig formulierte Abnahmespezifikationen eine bestimmte Leckrate (siehe unten) unter definierten Bedingungen angeben. Welche Leckrate akzeptabel ist, wird auch durch die Anwendung selbst bestimmt.

Arten von Lecks

Je nach Werkstoff bzw. Verbindungsfehler wird zwischen den folgenden Lecks 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 (umkehrbar): 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).

Berechnung von Leckrate, Leckgröße und Massenstrom

Kein Vakuumgerät oder -system kann jemals absolut vakuumdicht sein und muss es eigentlich auch nicht. Das Wesentliche ist einfach, dass die Leckrate so gering ist, dass der erforderliche Betriebsdruck, das Gasgleichgewicht und der Enddruck im Vakuumbehälter nicht beeinflusst 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 Formelzeichen Q_{_L} eingeführt; sie wird in der Maßeinheit mbar l/s oder cm^³/s (STP) gemessen. Eine Leckrate von Q_{_L} = 1 mbar l/s liegt vor, wenn in einem geschlossenen, evakuierten Behälter mit einem Volumen von 1 Liter der Druck in einer Sekunde um 1 mbar ansteigt bzw. bei Überdruck im Behälter um 1 mbar fällt. Die als Maß für die Undichtigkeit definierte Leckrate Q_{_L} wird normalerweise in der Maßeinheit mbar l/s angegeben. Mit Hilfe der Zustandsgleichung (1.7) kann man Q_{_L} berechnen, wenn man die Temperatur T und die Gasart M angibt und dies quantitativ als Massenstrom, z. B. in der Maßeinheit g/s, erfasst. Die entsprechende Beziehung lautet dann:

(1.7)

(5.1)

Dabei gilt: R = 83,14 mbar · l/mol · K, T = Temperatur in K; M = molare Masse in g/mol; Δm für die Masse in g; Δt ist der Zeitraum in Sekunden. Gleichung 5.1 dient dazu, um
a) bei bekanntem p_V-Gasstrom von Δp · V/Δt den Massenstrom Δm/Δt zu bestimmen (siehe hierzu die Seite zur Druckanstiegsprüfung) oder
b) bei bekanntem Massenstrom den p_V-Leckgasstrom zu bestimmen (siehe folgendes Beispiel).
Beispiel zu b):
Eine mit Freon (R 12) betriebene Kälteanlage weist (bei 25 °C oder 77 °F) einen Kältemittelverlust von 1 g Freon pro Jahr auf. Wie groß ist der Leckgasstrom Q_L? Gemäß Gleichung 5.1 mit M(R12) = 121 g/mol gilt:

Der Freon-Verlust beträgt demnach Q_L = 6,5 · 10^–6 mbar · l/s. Gemäß der untenstehenden Faustregel für Hochvakuumsysteme ist die Kälteanlage dieses Beispiels als sehr dicht anzusehen. Weitere Umrechnungen für Q_L sind in den Tabellen VIIa und VIIb in Kapitel 9 aufgeführt.

Tabelle VIIa Umrechnung von Durchsatzeinheiten (Q_pv); Einheiten (Leckrate)

Tabelle VIIb Umrechnung von Durchsatzeinheiten (Q_pV); Einheiten (Leckrate)

Gesamtleckrate < 10^-6 mbar · l/s: Anlage ist sehr dicht
Gesamtleckrate 10^-5 mbar · l/s: Anlage ist ausreichend dicht
Gesamtleckrate >10^-4 mbar · l/s: Anlage ist undicht

Ein Leck kann in der Tat durch eine Pumpe mit ausreichender Kapazität „überwunden“ werden, denn z. B. bei einem Enddruck p_{_end} und unter Vernachlässigung des aus den Innenflächen freigesetzten Gases gilt:

(5.2)

(Q_L ist die Leckrate, S_eff das effektives Saugvermögen am Druckbehälter)

Bei ausreichend großem S_eff ist es unabhängig von der Leckrate Q_L immer möglich, einen vorher bestimmten Enddruck von p_end zu erreichen. Einer beliebigen Vergrößerung von S_eff stehen in der Praxis allerdings wirtschaftliche und technische Einschränkungen (z. B. Platzbedarf) gegenüber.

Wenn es nicht möglich ist, den gewünschten Enddruck in einem Apparat zu erreichen, gibt es dafür in der Regel zwei Ursachen: Das Vorhandensein von Lecks und/oder die Gasabgabe aus Behälterwänden und Dichtungsmitteln.
Zur Unterscheidung dieser beiden Ursachen kann eine Partialdruckanalyse mit einem Massenspektrometer oder die Druckanstiegsmethode verwendet werden. Da mit der Druckanstiegsmethode nur das Vorhandensein eines Lecks nachgewiesen werden kann, ohne dass dessen Position im Apparat angegeben wird, empfiehlt sich der Einsatz eines Helium-Lecksuchers, mit dem Lecks im Allgemeinen viel schneller lokalisiert werden können.

Um sich einen Überblick über den Zusammenhang zwischen der geometrischen Größe des Lochs und der damit verbundenen Leckrate zu verschaffen, kann man von der folgenden, groben Schätzung ausgehen: Ein kreisrundes Loch von 1 cm Durchmesser in der Wand eines Vakuumbehälters wird mit einem Schieberventil verschlossen. Außen herrscht atmosphärischer Druck, innen ein Vakuum. Wenn das Ventil plötzlich geöffnet wird, würden alle Luftmoleküle in einem Zylinder mit einem Durchmesser von 1 cm (0,39 Zoll) und einer Höhe von 330 m (1082 Fuß) innerhalb von 1 Sekunde mit Schallgeschwindigkeit (330 m/s) in das Loch „fallen“. Die pro Sekunde in den Behälter strömende Menge ist 10¹³ mbar mal Zylindervolumen (siehe Abb. 5.1). Daraus ergibt sich, dass für ein Loch von 1 cm Durchmesser Q_{_L} (Luft) 2,6 10⁴ mbar l/s beträgt. Wenn alle anderen Bedingungen gleich bleiben und man Helium mit seiner Schallgeschwindigkeit von 970 m/s in das Loch strömen lässt, strömen, so ergibt sich analog Q_L (Helium) von 7,7 10^⁺⁴ mbar l/s oder ein p_V-Leckgasstrom, der um den Faktor 970/330 = 2,94 größer ist. Diese höhere Empfindlichkeit für Helium wird in der Praxis der Dichtheitsprüfung genutzt und hat zur Entwicklung und Massenproduktion von hochempfindlichen Lecksuchern auf Heliumbasis geführt (siehe Seite über Lecksucher mit Massenspektrometern).

Abb. 5.1 Zusammenhang zwischen Leckrate und Lochgröße

In Abbildung 5.1 ist der Zusammenhang zwischen der Leckrate und der Lochgröße für Luft mit dem Näherungswert Q_{_L} (Luft) von 10_^⁺⁴ mbar l/s für das 1-cm-Loch dargestellt. Die Tabelle zeigt, dass bei einer Verkleinerung des Lochdurchmessers auf 1 μm (= 0,001 mm) die Leckrate bei 10^{^-4} mbar l/s liegt, ein Wert, der in der Vakuumtechnik bereits ein großes Leck darstellt (siehe Faustregel oben). Eine Leckrate von 10^{^-12} mbar l/s entspricht einem Lochdurchmesser von 1 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 (H_₂, He) etwa 1 Å beträgt, kann die inhärente Durchlässigkeit von Feststoffen mit Helium-Lecksuchern messtechnisch erfasst werden. Dies hat zur Entwicklung von kalibrierten Referenzlecks mit sehr kleinen Leckraten geführt (siehe Seite zur Kalibrierung von Lecksuchern). 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. Schätzungen oder Messungen der Größe von Atomen, Molekülen, Viren, Bakterien usw. haben oft zu alltäglichen Begriffen wie „wasserdicht“ oder „bakteriendicht“ geführt; siehe Tabelle 5.1.

In Abbildung 5.2 sind Art und Nachweisgrenzen häufig verwendeter Dichtheitsprüfungsmethoden zusammengestellt.

Table 5.1_Estimating borderline leak rates

Tabelle 5.1: Schätzung der grenzwertigen Leckraten. Im Gegensatz zu Dampf muss zwischen hydrophilen und hydrophoben Feststoffen unterschieden werden. Dies gilt auch für Bakterien und Viren, da sie hauptsächlich in Lösungen transportiert werden.

Abb. 5.2 Leckratenbereiche bei verschiedenen Dichtheitsprüfungsprozessen und -geräte

Die Helium-Standard-Leckrate

Für eine eindeutige Definition eines Lecks sind erstens Angaben zu den auf beiden Seiten der Trennwand herrschenden Drücken und zweitens zur Beschaffenheit des Mediums, das diese Trennwand durchströmt (Viskosität), oder seine molare Masse erforderlich. Zur Bezeichnung einer in der Praxis häufig anzutreffenden Situation, in der mit Helium bei 1 bar Differenz zwischen (externem) atmosphärischem Druck und dem Vakuum im Inneren eines Systems (intern, p < 1 mbar) geprüft wird, hat sich die Bezeichnung „Helium-Standard-Leckrate“ durchgesetzt. Um die Rückweisrate bei einer Prüfung mit Helium unter Helium-Standard-Bedingungen anzugeben, müssen zunächst die realen Einsatzbedingungen in Helium-Standard-Bedingungen umgerechnet werden (siehe den Abschnitt über Umrechnungsgleichungen unten). Einige Beispiele für solche Umrechnungen finden Sie in Abbildung 5.3.

Abb. 5.3 Beispiele für die Umrechnung in Helium-Standard-Leckraten

Umrechnungsgleichungen

Bei der Berechnung von Druckverhältnissen und Gasarten (Viskosität) ist zu beachten, dass für laminare und molekulare Strömungen unterschiedliche Gleichungen gelten; die Grenze zwischen diesen Bereichen ist sehr schwer zu bestimmen. Als Richtlinie kann man davon ausgehen, dass bei Leckraten von Q_L > 10^-5 mbar · l/s eine laminare Strömung und bei Leckraten von Q_L < 10_^-7 mbar · l/s eine molekulare Strömung vorliegt. Im Zwischenbereich muss der (Garantie leistende) Hersteller den sichereren Wert annehmen. Die Gleichungen sind in Tabelle 5.2 aufgeführt.
Hierbei beziehen sich die Indizes „I“ und „II“ jeweils auf das eine oder das andere Druckverhältnis und die Indizes „1“ und „2“ beziehen sich jeweils auf die Innen- und Außenseite der Leckstelle.

Tabelle 5.2 Umrechnungsformeln für Druck- und Gasartänderungen

Terminologie und Definitionen

Bei der Lecksuche muss man in der Regel zwischen zwei Aufgaben unterscheiden:

die Lokalisierung von Lecks und
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 den Prüfling verläuft (der Druck im Prüfling ist geringer als der Umgebungsdruck), und
b. Überdruckmethode (oft als „Inside-out Leak“ bezeichnet), bei der das Fluid vom Inneren des Prüflings nach außen strömt (der Druck im Prüfling ist höher als der Umgebungsdruck).

Die Prüflinge 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. einzelner Lecks (lokale Messung) – Skizzen b und d in Abbildung 5.4 – und der Erfassung
b. der Summe aller Lecks im Prüfling (integrale Messung) – Skizzen a und c in Abbildung 5.4.

Abb. 5.4 Dichtheitsprüfungsverfahren und -begriffe.

a: Integrale Dichtheitsprüfung; Vakuum im Prüfling
b: Lokale Dichtheitsprüfung; Vakuum im Prüfling
c: Integrale Dichtheitsprüfung (Anreicherung des Prüfgases im Gehäuse); unter Druck stehendes Prüfgas im Prüfling
d: Lokale Dichtheitsprüfung; unter Druck stehendes Prüfgas im Prüfling

Die laut Abnahmevorschriften nicht mehr tolerierbare Leckrate wird als Rückweisrate bezeichnet. Ihre Berechnung basiert auf der Bedingung, dass der Prüfling während seiner geplanten Einsatzzeit mit einer bestimmten Sicherheit nicht – wegen durch Lecks verursachten Fehlern – ausfallen darf. Oft wird nicht die Leckrate des Prüflings unter normalen Betriebsbedingungen bestimmt, sondern die Durchsatzrate eines Prüfgases – zumeist Helium – unter Testbedingungen. Die auf diese Weise ermittelten Werte müssen entsprechend der tatsächlichen Einsatzbedingungen in Bezug auf die Drücke innerhalb und außerhalb des Prüflings und die Art des zu handhabenden Gases (oder der Flüssigkeit) umgerechnet werden.

Wenn im Prüfling ein Vakuum (p < 1 mbar) und außen atmosphärischer Druck herrscht und Helium als Prüfgas verwendet wird, spricht man von Helium-Standard-Bedingungen. Helium-Standard-Bedingungen liegen bei der Helium-Dichtheitsprüfung für ein Hochvakuumsystem immer dann vor, wenn das System an einen Lecksucher angeschlossen ist und mit Helium besprüht wird (Sprühtechnik). Wenn die Probe nur durch den Lecksucher evakuiert wird, so spricht man vom Hauptstrombetrieb des Lecksuchers. Wenn der Prüfling selbst ein komplettes Vakuumsystem mit einer eigenen Vakuumpumpe ist und der Lecksucher parallel zu den Systempumpen betrieben wird, spricht man vom Partialstrombetrieb. Man spricht auch von Partialstrombetrieb, wenn eine separate Hilfspumpe parallel zum Lecksucher eingesetzt wird.

Bei Verwendung der Überdruckmethode ist es manchmal nicht praktikabel oder unmöglich, die Leckrate direkt zu messen, wohl aber kann sie an einer den Prüfling umgebenden Hülle gemessen werden. Die Messung kann durchgeführt werden, indem diese Hülle an den Lecksucher angeschlossen oder indem das Prüfgas im Inneren der Hülle angereichert wird (Konzentrationserhöhung). Der Bombing-Test ist eine Sonderform der Anreicherungsmethode (siehe Seite Integrale und industrielle Prüfungen). Beim sogenannten Schnüffelverfahren, einer weiteren Variante der Überdrucktechnik, wird das aus Lecks austretende (Prüf-)Gas durch einen Sonderapparat aufgefangen (abgesaugt) und dem Lecksucher zugeführt. Dieses Verfahren kann entweder mit Helium, Kältemittel oder mit SF₆ als Prüfgas durchgeführt werden.

Blog und Wiki Dichtheitsprüfung Lecktypen und -raten Basiswissen über Vakuum