누출의 정의는 무엇이며 진공 시스템에서 누출률을 측정하는 방법은 무엇입니까?
진공 시스템 자체와 해당 구조에 사용되는 개별 구성 요소(진공 챔버, 파이프, 밸브, 탈착식 [플랜지] 연결부, 측정 기구 등)와는 별개로 산업 및 연구 분야에서 많은 다른 시스템과 제품은 누출 또는 "밀폐"의 생성과 관련하여 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 그 가운데 특히 자동차 및 냉장 산업에서는 많은 조립 및 공정이 있으며, 다른 많은 산업 분야에서도 이러한 공정을 사용하고 있습니다. 이 경우 작동 압력은 종종 주변 압력보다 높습니다. 여기서 "밀폐"는 상대적 "누출 없음"으로 정의됩니다. "감지 가능한 누출 없음" 또는 "누출률 0"과 같은 일반적인 문장은 수용 테스트에 대한 적절한 근거를 나타내지 않습니다. 모든 숙련된 엔지니어는 적절한 제조 허용 사양으로 지정된 조건 하에서 특정 누출률(아래 참조)을 나타낼 것임을 알고 있습니다. 허용 가능한 누출률은 분야에 따라 결정됩니다.
누출 유형
물질의 특성 또는 접합 결합에 따라 다음과 같은 누출에서 차이가 발생합니다.
- 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(역회전식): 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": 기체가 한 방향으로 통과할 수 있지만 다른 방향으로는 막혀 있습니다(매우 드문 경우). 기체가 밀폐된 영역은 아니지만 결함이 존재한다는 의미에서 누출이 없는 영역입니다
- 고무 호스, 탄성체 씰 등과 같은 물질을 통과하는 기체의 투과(자연 투과성) (이러한 부품이 부서져서 "누출"이 되는 경우 제외)
누출률, 누출 크기 및 질량 유동 계산
진공 장치 또는 시스템은 절대 진공 밀폐가 될 수 없으며 실제로 그럴 필요도 없습니다. 필요한 작동 압력, 기체 균형 및 진공 용기의 최종 압력에 영향을 미치지 않을 만큼 누출률이 낮기만 하면 됩니다. 장비의 기체 밀폐성과 관련된 요구 사항을 따르는 것이 보다 엄격하며 필요한 압력은 더 낮습니다. 누출을 정량적으로 기록하기 위해 기호 QL을 사용하는 "누출률"이라는 개념이 도입되었고, 측정 단위 mbar · l/s 또는 cm3/s(STP)로 측정됩니다. 1l의 밀폐 및 배출된 용기에서 QL = 1mbar · l/s의 누출률이 발생하는 경우 초당 1mbar의 압력이 증가하고, 용기 안에서 양압이 있는 경우 압력이 1mbar 감소합니다. 누출 측정으로 정의된 누출률 QL은 일반적으로 mbar · l/s 측정 단위로 지정됩니다. 상태 등식 (1.7)의 도움을 받아 온도 T와 기체 유형 M이 제공되면 QL을 계산하고 이를 질량 유동으로 정량적으로 기록할 수 있습니다(예: g/s 측정 단위). 이후 다음 관계가 설정됩니다.
(1.7)
(5.1)
여기서 R = 83.14 mbar · l/mol · K, T = 온도(K), M = 몰 질량(g/mole), Δm은 질량(g), Δt는 시간(초)입니다. 이후 등식 5.1이 사용됩니다.
a) Δp · V/Δt의 알려진 pV 기체 유동에서 질량 유동 Δm / Δt 결정(압력 상승 테스트에 관한 페이지 참조) 또는
b) 질량 유동이 알려진 pV 누출 기체 유동 확인(다음 예 참조).
위 b)의 예시:
프레온(R 12)을 사용하는 냉장 시스템은 (77°F 또는 25°C) 1년에 1g의 프레온 냉매가 손실됩니다. 누출 기체 유동 QL은 얼마나 됩니까? M(R12) = 121g/mole에서 등식 5.1에 따르면,
따라서 프레온 손실은 QL = 6.5 · 10–6mbar · l/s입니다. 아래 제시된 고진공 시스템의 "모범 사례"에 따르면 이 예제에 언급된 냉장 시스템은 매우 엄격한 것으로 간주될 수 있습니다. QL의 추가 변환은 9장의 표 VIIa 및 VIIb에 나와 있습니다.
표 VIIa 처리량 변환(Qpv) 단위, (누출률) 단위
표 VIIb 처리량 변환(QpV) 단위, (누출률) 단위
총 누출률 < 10-6mbar · l/s: 장비의 밀폐도가 매우 높음
총 누출률 10-5mbar · l/s: 장비의 밀폐도가 충분함
총 누출률 > 10-4mbar · l/s: 장비에 누출이 있음
실제로 누출은 충분한 용량의 펌프로 "극복"할 수 있습니다(예: 최종 압력 pend와 내부 표면에서 배출되는 기체를 무시할 경우).
(5.2)
(QL 누출률, 압력 용기에서의 유효 펌핑 속도 Seff)
Seff가 충분히 큰 경우 누출률 QL에 대한 값과 무관하게 항상 미리 결정된 최대 압력 pend를 달성할 수 있습니다. 하지만 실제로 Seff의 무한한 증가는 경제성 및 엔지니어링 측면의 제한(시스템에 필요한 공간 등)과 충돌합니다.
장치에서 원하는 최종 압력을 달성할 수 없을 때마다 일반적으로 두 가지 원인이 있는데, 누출 및/또는 기체가 용기 벽과 씰런트에서 방출되는 것입니다.
질량 분광계 또는 압력 상승 방법을 사용한 부분 압력 분석은 이러한 두 가지 원인을 구분하는 데 사용될 수 있습니다. 압력 상승 방법은 장치에 누출 위치를 나타내는 것이 아니라 누출의 존재 여부만 입증하므로, 일반적으로 누출을 훨씬 더 빨리 찾을 수 있는 헬륨 누출 감지기를 사용하는 것이 좋습니다.
구멍의 기하학적 크기와 관련 누출률 사이의 상관관계를 개략적으로 확인하려면 다음과 같은 대략적인 추정치를 기반으로 작동할 수 있습니다. 진공 용기 벽의 직경 1cm 크기의 원형 구멍이 게이트 밸브로 폐쇄됩니다. 외부에서는 대기 압력이, 내부에서는 진공이 발생합니다. 밸브가 갑자기 개방되면 직경이 1cm(0.39인치), 높이가 330m(1,082ft) 실린더에서 모든 공기 분자가 1초 내에 음속(330m/s)으로 구멍에 들어갑니다. 매초 용기로 흐르는 양은 실린더 부피의 1013mbar 배입니다(그림 5.1). 그에 따라 직경 1cm의 구멍 QL(공기)은 2.6 · 104mbar · l/s입니다. 다른 모든 조건이 동일하게 유지되고 헬륨이 970m/s의 음속으로 구멍으로 흐를 수 있는 경우, 이와 유사한 방식으로 QL(헬륨)은 7.7 · 10+4mbar, 또는 970 / 330 = 2.94의 계수로 더 큰 pV 누출 기체 전류입니다. 이 헬륨의 "감도"는 누출 감지 연습에서 사용되며 매우 민감한 헬륨 기반 누출 감지기의 개발 및 대량 생산으로 이어졌습니다(질량 분광계를 이용한 누출 감지기 페이지 참조).
그림 5.1 누출률과 구멍 크기 사이의 상관관계
그림 5.1은 "1cm 구멍"에 대한 10+4mbar · l/s의 Q L(공기) 근사값에서 공기에 대한 누출률과 구멍 크기 사이의 상관관계를 보여줍니다. 표에서 구멍 직경이 1μm(= 0.001mm)로 감소하면 누출률은 10-4mbar · l/s가 되며, 이 값은 진공 기술에서 이미 중대한 누출을 나타냅니다(위 모범 사례 참조). 10-12mbar · l/s의 누출률은 1Å의 구멍 직경에 해당하며, 최신 헬륨 누출 감지의 검출 하한입니다. 많은 고체의 그리드 상수가 몇 Å이고 작은 분자 및 원자(H2, He)의 직경이 약 1Å에 이르기 때문입니다. 고체에 의한 고유한 투과는 헬륨 누출 감지기를 사용하여 도량형 방식으로 기록할 수 있습니다. 이로 인해 누출률로 검교정된 기준 누출의 개발로 이어졌습니다(누출 감지기 검교정 페이지 참조). 이는 측정 가능한 "밀폐도 부족"이지만 재질이나 접합부의 결함 측면에서 "누출"은 아닙니다. 원자, 분자, 바이러스, 박테리아 등의 크기 추정이나 측정에 따라 종종 "방수" 또는 "박테리아 방지"와 같은 일상적인 용어의 사용이 이루어집니다(표 5.1 참조).
그림 5.2는 자주 사용되는 누출 감지 방법의 특성과 감지 한계를 보여줍니다.
표 5.1 경계선 누출률 추정. 증기와 반대로 친수성 고형물과 소수성 고형물을 구별해야 합니다. 이는 주로 용액으로 운반되기 때문에 박테리아와 바이러스에도 적용됩니다.
그림 5.2 다양한 누출 감지 공정 및 장치에 대한 누출률 범위
표준 헬륨 누출률
누출의 명백한 정의에 필요한 것은 먼저 파티션의 어느 한 쪽에서 발생하는 압력의 사양이고, 두 번째는 해당 파티션을 통과하는 매체의 특성(점도) 또는 그 분자 질량입니다. "헬륨 표준 누출"(He Std)은 실제로 자주 발견되는 상황을 나타내기 위해 관례적으로 지정되었으며, 여기서 테스트는 (외부) 기압과 시스템 내부의 진공(내부, p < 1mbar) 사이에서 1bar 차이가 있는 헬륨을 사용하여 실시됩니다. "헬륨 표준 누출률"은 관례적으로 지정됩니다. 표준 헬륨 조건에서 헬륨을 사용한 검사에 대한 거부율을 나타내려면 먼저 실제 사용 조건을 헬륨 표준 조건으로 변환해야 합니다(아래 변환 등식 관련 섹션 참조). 이러한 변환의 예는 그림 5.3에 나와 있습니다.
그림 5.3 헬륨 표준 누출률 변환의 예
변환 등식
압력 관계 및 기체 유형(점도)을 계산할 때 층류 및 분자 유동에 다른 등식이 적용된다는 점을 염두에 두어야 합니다. 이러한 영역 사이의 경계는 확정하기가 매우 어렵습니다. 지침으로 층류 유동이 QL > 10-5mbar · l/s인 누출률에 존재하고 분자 유동이 QL < 10-7mbar · l/s인 누출률에 존재한다고 가정할 수 있습니다. 중간 범위에서 제조자(보증 조건에 따라 책임을 갖는 자)는 안전한 측의 값을 가정해야 합니다. 등식은 표 5.2에 나열되어 있습니다.
여기서 "I" 및 "II"는 하나 또는 다른 압력 비율을 나타내고 "1" 및 "2"는 각각 누출 지점의 내부 및 외부를 나타냅니다.
표 5.2 압력 및 기체 유형의 변화에 대한 변환 공식
용어 및 정의
누출을 찾을 때 일반적으로 두 가지 작업을 구분해야 합니다.
- 누출 위치 확인
- 누출률 측정
또한 유체의 흐름 방향을 기준으로 다음을 구분합니다
a. 진공 방법("외부-내부 누출"이라고도 함), 흐름 방향이 테스트 표본으로 들어가는 경우(표본 내부 압력이 주변 압력보다 낮음)
b. 양압법("내부-외부 누출"이라고도 함), 유체가 테스트 표본 안쪽에서 바깥쪽으로 통과하는 경우(표본 내부 압력이 주변 압력보다 큼).
표본은 진공 방법을 사용하고 내부에서 가압될 부품에 대해 양압법을 사용하는 진공 작업의 구성 요소, 즉 이후의 응용 분야에 해당하는 구성으로 검사해야 합니다. 누출률을 측정할 때 기록 간에 차이가 있습니다
a. 개별 누출(국소 측정) – 그림 5.4에서 b 및 d 스케치와
b. 테스트 표본의 모든 누출의 합계(적분 측정) – 그림 5.4의 a 및 c 스케치.
그림 5.4 누출 테스트 기법 및 용어.
a: 적분 누출 감지, 표본 내 진공
b: 국소 누출 감지, 표본 내 진공
c: 적분 누출 감지(외함 내부의 테스트 기체 농축), 표본 내부의 가압된 테스트 기체
d: 국소 누출 감지, 표본 내 가압된 테스트 기체
허용 사양에 따라 더 이상 용인할 수 없는 누출률을 거부율이라고 합니다. 이 계산은 누출에 따른 결함으로 인해 테스트 표본이 계획된 사용 기간 동안 고장이 발생할 수 없는 상태 및 확실성에 따라 결정됩니다. 보통 정상 작동 조건에서 테스트 표본의 누출률이 아니라 테스트 조건에서 테스트 기체(주로 헬륨)의 처리량 비율로 결정되는 경우가 많습니다. 따라서 발견된 값은 테스트 표본 내부 및 외부의 압력과 처리 중인 기체(또는 액체) 유형에 대한 실제 적용 상황에 맞게 변환되어야 합니다.
테스트 표본 내부에 진공이 있고(p < 1mbar), 외부에는 대기 압력이 있고, 헬륨이 테스트 기체로 사용되는 경우 이를 표준 헬륨 조건이라 합니다. 시스템이 누출 감지기에 연결되어 헬륨이 분사될 때(분사 기법) 고진공 시스템에 대한 헬륨 누출 감지 중에는 항상 표준 헬륨 조건이 유지됩니다. 누출 감지기에서만 표본을 배출하는 경우 누출 감지기가 직접 유동 모드에서 작동 중임을 나타냅니다. 표본 자체가 자체 진공 펌프가 있는 완전한 진공 시스템이고 누출 감지기가 시스템 펌프와 병렬로 작동하는 경우 이를 부분 유동 모드라 합니다. 또한 별도의 보조 펌프가 누출 감지기와 병렬로 사용될 때를 부분 스트림 모드라 합니다.
양압법을 사용할 때 경우에 따라 테스트 표본을 둘러싸는 엔벨로프에 확실히 감지될 수도 있지만 누출률을 직접 측정하는 것이 실용적이지 않거나 사실상 불가능합니다. 엔벨로프를 누출 감지기에 연결하거나 엔벨로프 내부에 테스트 기체를 농축(농도 증가)하여 측정할 수 있습니다. "폭파 테스트"는 농축 테스트의 특수 버전(적분 및 산업 테스트 페이지 참조)입니다. 양압법의 또 다른 변형인 소위 스니퍼 기법에서 누출로부터 발생한 (테스트) 기체는 특수 장비에 의해 수집(추출)되고 누출 감지기로 공급됩니다. 이 절차는 헬륨 또는 냉매나 SF6를 테스트 기체로 사용하여 실시할 수 있습니다.
