Nowe techniki identyfikacji i pomiaru wycieków w systemie próżniowym

Wyobraź sobie starannie skonstruowany system próżniowy, który powinien być idealnie szczelny, a mimo to konsekwentnie nie udaje się osiągnąć pożądanego poziomu próżni. Podobnie jak skrupulatnie zaprojektowana łódź podwodna, która przecieka w krytycznych momentach, ten frustrujący scenariusz często sprowadza się do jednego winowajcy: wycieków gazu.

W zastosowaniach przemysłowych i naukowych — od samych systemów próżniowych po komponenty motoryzacyjne i chłodnicze — szczelność jest najważniejsza. Doświadczeni inżynierowie rozumieją, że proste stwierdzenia takie jak „brak wykrywalnych wycieków” lub „zerowa szybkość wycieku” są niewystarczające jako kryteria akceptacji. Właściwe specyfikacje muszą jasno określać dopuszczalne szybkości wycieku w określonych warunkach, przy czym akceptowalne poziomy różnią się w zależności od zastosowania.

Co dokładnie jest wyciekiem?

Wyciek reprezentuje naruszenie bariery materiałowej, umożliwiające niezamierzone przejście ciał stałych, cieczy lub gazów.

Wycieki objawiają się w różnych formach w zależności od materiałów i typów połączeń. Zrozumienie tych kategorii pomaga w rozwiązywaniu problemów:

Siedem typowych rodzajów wycieków

• Wycieki w połączeniach rozłącznych:Występują w kołnierzach, powierzchniach przylgowych lub pokrywach, gdzie uszczelnienia (uszczelki, O-ringi) zawodzą z powodu nieprawidłowej instalacji, degradacji materiału lub uszkodzenia powierzchni.
• Wycieki w połączeniach stałych:Występują w spawach, połączeniach lutowanych lub połączeniach klejonych, które zostały naruszone przez słabą produkcję lub starzenie.
• Wycieki porowatości:Występują w materiałach polikrystalicznych i odlewach po naprężeniach mechanicznych (zginaniu) lub obróbce cieplnej, gdzie mikroskopijne pory się ze sobą łączą.
• Wycieki termiczne:Pojawiają się w ekstremalnych temperaturach, gdy zróżnicowana rozszerzalność cieplna obciąża połączenia lutowane, poszerzając szczeliny.
• Wycieki wirtualne (pozorne):Nie są to fizyczne naruszenia, ale uwięziony gaz w zagłębieniach/ślepych otworach lub parujące ciecze, które stopniowo się uwalniają, naśladując prawdziwe wycieki.
• Wycieki pośrednie:Wynikają z naruszonych linii użytkowych (woda, sprężone powietrze), wprowadzających obce substancje do systemów próżniowych.
• Wycieki kaskadowe:Wiele połączonych ze sobą wycieków, takich jak uszczelnienia olejowe zawodzące w zbiornikach pomp łopatkowych, umożliwiające wnikanie oleju.

Dodatkowo,dyfuzja— dyfuzja gazu przez materiały takie jak węże gumowe — technicznie nie jest wyciekiem, ale wpływa na wydajność próżni.

Ilościowe określanie wycieków: Standard szybkości wycieku

Bezwzględne uszczelnienie hermetyczne jest niepraktyczne i niepotrzebne. Kluczowym czynnikiem jest utrzymanie szybkości wycieku na tyle niskiej, aby zachować wymagania dotyczące ciśnienia roboczego. Związek ten jest określany ilościowo jako:

Szybkość wycieku (q_L) = 1 mbar·l/soznacza: W uszczelnionym naczyniu o pojemności 1 litra ciśnienie wzrasta/spada o 1 mbar na sekundę.

W przypadku systemów wysokiej próżni praktyczne punkty odniesienia to:

• q_L(powietrze) < 10^-6mbar·l/s → „Wyjątkowo szczelne”
• q_L(powietrze) < 10^-5mbar·l/s → „Odpowiednio szczelne”
• q_L(powietrze) > 10^-4mbar·l/s → „Nieszczelne”

Wykrywanie wycieków: Lokalizacja vs. pomiar

Testowanie szczelności służy dwóm głównym celom:

1. Lokalizowanie wyciekóww systemach
2. Precyzyjne mierzenie szybkości wyciekuMetody różnią się w zależności od warunków ciśnienia:

Metoda próżniowa:

• Wykrywa przepływ do wewnątrz (ciśnienie zewnętrzne > próżnia wewnętrzna)Metoda ciśnieniowa:
• Identyfikuje przepływ na zewnątrz (wewnętrzne ciśnienie)Wysoka szybkość dyfuzji helu sprawia, że ​​jest on idealny do wykrywania wycieków, a nowoczesne detektory są w stanie zidentyfikować wycieki o średnicy zaledwie 1 Å (10

-10^m).Gdy systemy próżniowe działają poniżej oczekiwań, istnieją dwie prawdopodobne przyczyny: prawdziwe wycieki lub odgazowywanie z powierzchni. Spektrometria masowa lub testy wzrostu ciśnienia w czasie pomagają odróżnić je od siebie, a detektory wycieków helu oferują szybką lokalizację.