什麼是洩漏，如何測量真空系統中的洩漏率？

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除了真空系統本身及其結構中使用的個別元件 (真空室、管路、閥門、可拆卸 [法蘭] 連接、測量儀器等) 以外，工業與研究中的大量其他系統與產品必須符合有關洩漏或建立所謂「密封」的嚴格要求。其中尤其包括汽車與製冷工業的許多組件與製程，但也包括許多其他工業分支的組件與製程。在此情況下，工作壓力通常高於環境壓力。此處的「密封」僅定義為相對「無洩漏」。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 (參見下文)。可接受的洩漏率也會由應用本身決定。

洩漏類型

根據材料特性或連結故障，區分以下洩漏：

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 (可逆)：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
氣體通過橡皮軟管、彈性密封件等材料的滲透 (自然滲透性) (除非這些零件變脆並因此「洩漏」)。

計算洩漏率、洩漏尺寸與質流

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 Q_L 的「洩漏率」概念；測量單位為 mbar · l/s or cm³/s (STP)。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，壓力下降 1 mbar 時，洩漏率為 Q_L = 1 mbar · l/s。洩漏率 Q_L 定義為對洩漏性的測量，指定的測量單位通常為 mbar · l/s。在狀態方程式 (1.7) 的協助下，當提供溫度 T 與氣體類型 M，並將其定量記錄為質流時，可以計算 Q_L，例如以 g/s 為測量單位。適當的關係為：

(1.7)

(5.1)

其中 R = 83.14 mbar · l/mol · K，T = 溫度 (單位為 K)；M = 莫耳質量 (單位為 g/mole)；Δm 表示質量 (單位為 g)；Δt 是以秒為單位的時段。然後，使用方程式 5.1
a) 確定已知 pV 氣體流量為 Δp · V/Δt 時的質流 Δm / Δt (請參閱本文脈絡中有關升壓測試的頁面) 或
b) 確定已知質流的 pV 漏氣流量 (請參閱下列範例)。
上述案例 b) 的範例：
使用氟氯烷 (R 12) 的製冷系統每年 (在 77°F 或 25°C 下) 損失 1 g 的氟氯烷冷媒。漏氣流量 Q_L 有多大？根據方程式 5.1，M(R12) = 121 g/mole：

因此，氟氯烷損耗為 Q_L = 6.5 · 10^–6 mbar · l/s。根據下文提供的高真空系統的「經驗法則」，此範例中所述的製冷系統可能會被視為非常緊密。Q_L 的其他轉換顯示在第 9 章的表 VIIa 與 VIIb 中。

表 VIIa 輸送量 (Q_pv) 單位的轉換；(洩漏率) 單位

表 VIIb 輸送量 (Q_pV) 單位的轉換：(洩漏率) 單位

總洩漏率 < 10^-6 mbar · l/s：設備非常緊密
總洩漏率 10^-5 mbar · l/s：設備足夠緊密
總洩漏 > 10^-4 mbar · l/s：設備洩漏

事實上，洩漏可透過具有足夠容量的幫浦「克服」，因為 (例如，在極限壓力 p_end 下，忽略從內部表面釋放的氣體)：

(5.2)

(Q_L 洩漏率，Seff 即壓力容器的有效幫浦抽氣速度)

如果 Seff 足夠大，則無論洩漏率 Q_L 的值為何，一律都可以達到預先定義的極限壓力 pend。但是，實務上，Seff 的無限增加將遇到經濟與工程限制 (例如系統所需的空間)。

當無法達到設備中的所需極限壓力時，通常有兩個原因：容器壁與密封劑洩漏與/或氣體釋放。
可使用質譜儀或升壓法進行分壓分析，以區分這兩個原因。由於升壓法只會證明存在洩漏，而不指示其在設備中的位置，因此建議使用氦氣測漏儀，其通常也可以更快地找到洩漏。

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：使用閘閥關閉真空容器壁上直徑為 1 cm 的圓孔。外部為大氣壓力，內部為真空。當閥門突然開啟，直徑為 0.39 英吋 (1cm) 且高度為 1082ft (330m) 之氣缸中的所有空氣分子將在 1 秒鐘內以聲速 (330 m/s)「落入」孔中。每秒流入容器的數量將為 10¹³ mbar 乘以氣缸體積 (見圖 5.1)。結果是，針對直徑為 1 cm 的孔，Q_L (空氣) 將為 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，則以類似的方式，Q_L (氦氣) 將為 7.7 · 10⁺⁴ mbar · l/s，或 pV 洩漏氣流的係數將大於 970 / 330 = 2.94。氦氣這種更高的「靈敏度」用於測漏實踐，並導致開發並大量生產高靈敏度氦基測漏儀 (請參閱關於具有質譜儀之測漏儀的頁面)。

圖 5.1 洩漏率與孔尺寸之間的關聯

圖 5.1 顯示的是空氣的洩漏率與孔尺寸之間的關聯，「1 cm 孔」的 Q_L(空氣) 近似值為 10_⁺⁴ mbar · l/s。表格顯示，當孔直徑減小到 1 μm (= 0.001 mm) 時，洩漏率將達到 10^-4 mbar · l/s，在真空技術中，該值已經表示嚴重洩漏 (參見上述經驗法則)。10^-12 mbar · l/s 的洩漏率對應於 1 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，較小分子與原子 (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滲透。這讓我們開發了洩漏率非常小的校正參考洩漏 (請參閱有關校正測漏儀的頁面)。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」。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；參見表 5.1。

圖 5.2 所示為常用測漏法的特性與偵測限制。

Table 5.1_Estimating borderline leak rates

表 5.1 估計邊界洩漏率。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。

圖 5.2 各種測漏製程與裝置的洩漏率範圍

標準氦氣洩漏率

明確定義洩漏率所需的條件包括，第一，隔板兩側主要壓力的規格，第二，通過該隔板的介質特性 (黏度) 或其莫耳質量。「氦氣標準洩漏」(He Std) 已成為慣例，可指定實踐中經常出現的情況，如果在 (外部) 大氣壓力與系統內的真空 (內部，p < 1 mbar) 之間相差 1 bar 的條件下使用氦氣進行測試，則「氦氣標準洩漏率」已成為慣例。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條件轉換為氦氣標準條件 (參見下文中有關轉換方程式的章節)。圖 5.3 中顯示此類轉換的一些範例。

圖 5.3 轉換為氦氣標準洩漏率的範例

轉換方程式

當計算壓力關係與氣體類型 (黏度) 時，必須記住不同方程式適用於層流與分子流；這些領域之間的界線很難確定。作為準則，可以假設在 Q_L > 10^-5 mbar · l/s 的洩漏率下存在層流，在 Q_L < 10_^-7 mbar · l/s 的洩漏率下存在分子流。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。方程式在表 5.2 中列出。
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。

圖 5.2 壓力與氣體類型變更的轉換公式

術語與定義

搜尋洩漏時，通常必須區分兩個任務：

找到洩漏與
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」)，流動方向為進入試樣 (樣品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」)，流體從試樣內部向外流動 (樣品內部壓力大於環境壓力)。

在可能的情況下，應在與樣品隨後的應用對應的配置中對樣品進行檢查 - 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) - 圖 5.4 中的草圖 b 與 d，並記錄
b. 試樣中所有洩漏的總數 (整體測量) - 圖 5.4 中的草圖 a 與 c。

圖 5.4 洩漏測試技術與術語。

a：整體測漏；樣品內部的真空
b：局部測漏；樣品內部的真空
c：整體測漏 (外殼內部的測試氣體富集)；樣品內部的加壓測試氣體
d：局部測漏；樣品內部的加壓測試氣體

根據驗收規格，不再容許的洩漏率稱為拒絕率。其計算依據的條件為，試樣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試樣的洩漏率，而是測試條件下測試氣體 (主要是氦氣) 的通量率。由此得出的值必須轉換為與試樣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。

如果試樣內部存在真空 (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並噴氦氣 (噴射技術) 時，一律存在標準氦氣條件。如果樣品僅由測漏儀抽真空，則可以說測漏儀在直流模式下運作。如果樣品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。「轟炸測試」是積聚測試的特殊版本 (請參閱有關整體與工業測試的頁面)。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。此程序可使用氦氣、冷媒或 SF₆ 作為測試氣體來執行。

部落格與 Wiki 滲漏檢測洩漏類型與洩漏率真空基礎說明