リークとは何ですか?また、真空システムのリーク率を測定する方法は何ですか?

真空システム自体およびその構造で使用される個々のコンポーネント（真空チャンバー、配管、バルブ、着脱式[フランジ]接続部、測定機器など）とは別に、産業や研究で見られる多数のシステムや製品が存在します。リークやいわゆる「密封した」シールの作成に関する厳しい要件を満たす必要があります。中でも、自動車および冷凍産業の多くの組立やプロセスがありますが、他の多くの産業分野でも同様です。この場合の運転圧力は、多くの場合、周囲圧力よりも高くなります。ここでは、「密閉」は、相対的な「リークがない」と定義されています。「検出可能なリークがない」や「リーク率ゼロ」など、一般的な記述は、受け入れテストの十分な根拠ではありません。経験豊富なエンジニアなら誰でも、適切に策定された受入仕様は、定められた条件下で一定のリーク率（下記参照）を示すものであることを知っています。どのリーク率が許容されるかは、用途自体によっても決まります。

リークの種類

材料の性質または接合不良に応じて、次のようにリークが区別されます。

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：はんだと溶接の継ぎ目、接着ジョイント
多孔性リーク：特に多結晶材料および鋳造部品の機械的変形（曲げ!）または熱加工の後
熱水リーク（可逆的）：極端な温度負荷（熱/冷）がかかると開く、特にはんだジョイント
見かけの（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、ジョイントから大量のガスが放出される（液体の蒸発による）。
間接リーク：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）
「シリアルリーク」：これは、複数の「直列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します
「一方向リーク」：これらは、ガスが一方向に通過することを可能にしますが、他の方向には気密性があります（非常に稀）。気密ではないが、欠陥が存在するという意味で漏れのない領域は
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透過性（天然透過性）です（これらの部品がもろくなって「漏れる」場合を除く）。

リーク率、リークサイズ、および質量フローを計算

真空装置やシステムは、完全に真空気密ということはあり得ませんし、実際にそうである必要もありません。簡単に言えば、真空容器内の必要な運転圧力、ガスバランス、および到達圧力に影響を与えない程度に、リーク率が低いことです。従って、装置の気密性に関する要求は、要求される圧力レベルが低いほど厳しくなります。リークを定量的に登録するために、「リーク率」の概念と記号Q_Lが導入されました。測定単位はmbar · l/sまたはcm³/s（STP）です。体積が1 lの密閉された真空容器において、1秒間に1 mbarの圧力上昇、または容器内に陽圧がある場合は1 mbarの圧損があった場合、Q_L = 1 mbar · l/sのリーク率となります。リーク率の指標として定義されるリーク率Q_Lは、通常、測定単位mbar · l/sで指定されます。温度Tとガスの種類Mを与えれば、状態方程式（1.7）を用いてQ_Lを計算することができ、これを質量フローとして定量的に、例えばg/s測定単位で登録できます。このとき、適切な関係式は、次のとおりです。

（1.7）

（5.1）

ここで、R = 83.14 mbar · l/mol · K、T =温度（K）、M =モル質量（g/mole）、Δm（質量）（g）、Δt =時間（秒）です。式5.1を使用して、
a）Δp · V/Δtの既知のpVガスフローにおける質量フローΔm / Δtを決定します（この文脈の圧力上昇テストのページを参照）、または
b）質量フローが既知のpVリークガスフローを決定します（以下の例を参照）。
上記のb）の例：
フロン（R 12）を使用した冷凍システムでは、年に1gのフロンの冷媒損失が発生します（25°C（77℉））。リークガスフローQ_Lの大きさはどれくらいですか? M(R12) = 121 g/moleの方程式5.1によると、以下のとおりです。

したがって、フレオン損失はQ_L = 6.5 · 10^–6 mbar · l/sになります。以下に示す高真空システムの「経験則」に従って、この例で説明する冷却システムは、非常にタイトと見なされる場合があります。第9章の表VIIaおよびVIIbには、Q_Lの追加変換が示されています。

表VIIa 処理量（Q_pv）単位の変換；（リーク率）単位

表VIIb 処理量（Q_pV）単位の変換；（リーク率）単位

総リーク率< 10^-6 mbar · l/s：装置は、非常に密閉されています
総リーク率10^-5 mbar：装置は、十分に密閉されています
総リーク率> 10^-4 mbar · l/s：装置にリークがあります

実際には、十分な容量のポンプによってリークを「克服」することができます。これは、次のことが真実であるためです（たとえば、到達圧力p_endで、内面から解放されるガスを無視した場合）。

（5.2）

（Q_Lリーク率、Seff圧力容器の有効ポンプ速度）

Seffが十分に大きい場合、リーク率Q_Lの値に関係なく、常にpendの事前に決定された到達圧力を達成することが可能です。しかし実際には、Seffを無限に増やすと、経済的および工学的な制限（システムに必要なスペースなど）にぶつかります。

装置内で目的の到達圧力を達成できない場合は、通常、容器の壁やシーラントからリークやガスの発生という2つの原因が考えられます。
質量分析計または圧力上昇法を使用した部分圧力分析を使用して、これら2つの原因を区別できます。圧力上昇法では、装置内の位置を示さずにリークがあることを証明するだけであるため、リークをより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。

穴の幾何学径と関連するリーク率の間の相関関係の概要を得るために、次の概算に基づいて操作することができます。真空容器の壁の直径1 cmの円形の穴をゲートバルブで塞ぎます。外は大気圧で、内部は真空です。バルブが突然開いたときに、直径1cm（0.39インチ）、高さ330m（1082フィート）のシリンダ内のすべての空気分子が、1秒以内に音速330 m/sで穴に「落下」します。1秒ごとに容器に流入する量は、シリンダ容積の10¹³ mbar倍になります（図5.1を参照）。その結果、直径1 cmの穴の場合、Q_L（空気）は2.6 · 10⁴ mbar · l/sになります。他のすべての条件が同一であり、ヘリウムが970 m/sの音速度で穴に流入できる場合、同様に、Q_L（ヘリウム）は7.7 · 10⁺⁴ mbar · l/sになります。または、970 / 330 = 2.94倍のpVリークガスの流れが発生することになります。このヘリウムの「感度」が高いことは、リーク検知に使用され、高感度リークディテクターの開発と大量生産につながりました（質量分析計付きリークディテクターのページを参照）。

図5.1 リーク率と穴径の相関関係

図5.1に示すのは、空気のリーク率と穴径の相関関係で、Q_L（空気）の近似値は「1 cmの穴」で10_⁺⁴ mbar · l/sです。この表は、穴の直径が1 μm（= 0.001 mm）に縮小されると、リーク率が10^-4 mbar · l/sになることを示しています。この値は、真空技術ではすでに大きなリークを表しています（上記の経験則を参照）。リーク率10^-12mbar·l/sは、穴径1 Å に相当します。これは最新のヘリウムリークディテクターの検出下限値です。多くの固体のグリッド定数は複数のÅになり、小分子や原子（H₂、He）の直径は約1 Åです。ヘリウムリークディテクターを使用して、固体による固有の透過を計量的に登録することが可能です。これにより、非常に少量のリーク率で較正された基準リークが開発されました（リークディテクターの較正に関するページを参照）。これは測定可能な「気密性の欠如」であり、材料またはジョイントの欠陥であるという意味では「リーク」ではありません。原子、分子、ウイルス、細菌などのサイズの推定または測定では、「水密」や「細菌の気密」などの日常用語がしばしば使用されています。表5.1を参照してください。

図5.2にまとめられているのは、頻繁に使用されるリーク検知方法の性質と検出限界です。

Table 5.1_Estimating borderline leak rates

表5.1 境界リーク率の推定。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、細菌やウイルスにも当てはまります。

図5.2 さまざまなリーク検知プロセスおよびデバイスのリーク率範囲

標準ヘリウムリーク率

リークの明確な定義に必要なのは、まず、パーティションの両側にある圧力の仕様、次に、そのパーティションを通過する媒体の性質（粘度）またはそのモル質量です。「ヘリウム標準リーク」（He Std）という名称は、実際に頻繁に見られる状況を表すために慣用的に使用されています。（外部の）大気圧とシステム内部の真空（内部、p < 1 mbar）との差1 barのヘリウムを用いて試験を行う場合、「ヘリウム標準リーク率」という呼称が慣用的に使用されています。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、まず実際の使用条件をヘリウム標準条件に変換する必要があります（以下の変換方程式のセクションを参照）。このような変換の例を図5.3に示します。

図5.3 ヘリウム標準リーク率への変換例

変換式

圧力関係とガスの種類（粘度）を計算する際には、異なる方程式が層流と分子流に適用されることに留意する必要があります。これらの領域間の境界は確認が非常に困難です。ガイドラインとして、Q_L > 10^-5 mbar · l/sのリーク率では層流が、Q_L < 10_^-7 mbar · l/sのリーク率では分子フローが存在すると仮定することができます。中間の範囲では、製造者（保証条件の下で責任を負う者）は、安全側の値を想定する必要があります。その方程式を表5.2に示します。
ここでは、「I」と「II」というインデックスは、どちらか一方の圧力比を指し、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。

表5.2 圧力およびガスの種類の変化に関する変換式

用語と定義

リークを検索する場合、通常は2つの作業を区別する必要があります。

リークの場所と
リーク率の測定。
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片に入ります（試験片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）。液体が試験片の内側から外側に流出します（試験片内の圧力が周囲圧力よりも大きい）。

試験片は、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。真空用部品は真空法で、内部が加圧される部品は陽圧法で測定します。リーク率を測定する場合、以下のように区別して登録します。
a. 個別リーク（局所測定）–図5.4のスケッチbとd、および登録
b. 試験片のすべてのリークの合計（積分測定）–図5.4のスケッチaおよびc。

図5.4 リークテスト技術および用語。

a：一体型リーク検知；試料内部の真空
b：局所リーク検知；試料内部の真空
c：一体型リーク検知（エンクロージャー内のテストガスの濃縮）；試料内部の加圧テストガス
d：局所リーク検知；試料内部の加圧テストガス

許容仕様に基づき、許容できなくなったリーク率は、不良率と呼ばれます。この計算は、試験片が計画された使用期間中にリークによる障害によって不良にならない可能性があり、これがある程度確実であるという条件に基づいています。多くの場合、決定されるのは通常の動作条件下での試験片のリーク率ではなく、試験条件下での試験ガス（主にヘリウム）の処理率です。このようにして得られた値は、試験片の内外の圧力および処理されるガス（または液体）の種類に関する実際の適用状況に対応するように変換する必要があります。

試験片の内部が真空（p < 1 mbar）、外部が大気圧で、試験ガスにヘリウムが使用されている場合、標準的ヘリウム条件を指します。システムがリークディテクターに接続され、ヘリウムで噴霧されている（スプレー技術）場合、高真空システムのヘリウムリーク検知中は標準的ヘリウム条件が常に存在します。試料がリークディテクターだけによって排出された場合は、リークディテクターが直接フローモードで動作していると考えられます。試験片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操作されている場合、1つは部分フローモードを指します。1つは、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の部分流モードを指すこともあります。

陽圧法を使用すると、試験片を囲むエンベロープでリーク率を感知することは可能ですが、直接測定することは現実的でない、あるいは不可能な場合があります。そのエンベロープをリークディテクターに接続するか、エンベロープ内に試験ガスを蓄積（濃度を増加）することで測定が可能です。「爆撃テスト」は集積テストの特別バージョンです（一体型テストおよび産業用テストのページを参照）。いわゆるスニファ技術とは、陽圧法とは別の方法で、リークから発生する（テスト）ガスを特殊な装置で採取（抽出）し、リークディテクターに供給する方法です。この方法には、ヘリウムや冷媒、SF₆などをテストガスとして使用して実行できます。

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