真空）リークテストでヘリウムを節約する方法
リーク検査では、主にその理想的な特性から、トレーサーガスとしてヘリウムを使用するのが一般的である。ヘリウムがトレーサーガスとして好まれる理由は以下の通りである：
- 空気中のナチュラルバックグラウンドが低いため、漏えいガスが周囲の空気と確実に区別できる。
- 不活性で、他のいかなる媒体とも反応しない。
- 一般的な工業試験場には排出されない。
- 健康に害がなく、環境にも優しい。
しかし、ヘリウムの消費量は運用コストに影響する。そのため、多くのユーザーが真空リークテストでヘリウムを節約する方法を探している。この記事では、ヘリウムを節約する方法、そのために必要な手順、注意点について説明します。
低濃度のヘリウムでの作業
多くの工業用途では、純粋なヘリウムで作業する必要はない。不活性ガスであるヘリウムを空気と混合するだけで、その混合物をリークテストに使用することができる。しかし、そのためにはいくつかの点を考慮する必要がある。
ミックス中のヘリウム濃度の適切なコントロール
リークテストで正確な結果を得るためには、使用するトレーサーガスのヘリウム濃度を適切に管理することが必須です。濃度に偏差があれば、リーク率にも偏差が生じ、通常は増幅されます。
例 リークテストには、空気中に10％のヘリウムを混ぜたものを使用します。ヘリウム濃度が±1％変動すると（ヘリウム濃度が9～11％の間で変動する）、検出されるリーク率の偏差は±10％（＝1％／10％）となる。 |
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正確なリーク検知のためには、ヘリウム混合液の濃度を絶対濃度の5％の範囲で管理する必要がある。(すなわち、ヘリウム濃度10%の例では、濃度は常に9.5～10.5%の間であるべきである）。リーク率に5%の偏差があるということは、例えば、2-10-5 mbar・l/sのリーク率を2.1-10-5 mbar・l/sのリーク率と表示することを意味する。
十分な感度を持つリークディテクターの使用
希釈ヘリウムを使用したい場合、リークディテクターはトレーサーガスのヘリウム部分にしか反応しないことを考慮する必要があります。そのため、少量のヘリウムでも確実に検知できることを確認する必要があります。例えば、トレーサーガス混合物中に10％のヘリウムを使用して作業する場合、リークディテクターは、検出される実際のリーク率より10分の1小さいリーク（この場合、リーク率の10分の1）を検出できなければなりません。
リーク検知プロセスを希釈ヘリウムに適応させる方法
希釈ヘリウムを使用する場合は、リークディテクターの標準操作手順でこれを考慮する必要があります。これは主に、リークディテクターの校正方法とトリガーレベルの設定方法に影響します。トリガー値を調整するか、較正ルーチンでリーク率を調整することで、低いヘリウム濃度を補正することができます。
ヒント INFICONのスニファー式リークディテクターはリークディテクターのメニューに使用するヘリウムの濃度を入力することができ、リークディテクターソフトウェアはすべての調整を自動的に行います。 (INFICONのスニファー式リークディテクターを使用する場合、この章の残りを読み飛ばして次の見出しに進むことができます。） |
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トリガー値を調整するには、新しいトリガーレベルを元の値にヘリウム濃度を掛けた値に設定する必要がある。
例 2-10-5 mbar-l/sの不合格リーク率をテストしたい場合、10%のヘリウムのみで作業するつもりであれば、トリガーレベルを以下のように調整する必要があります。 2 · 10-5 mbar·l/s · 10% = 2 · 10-6 mbar · l/s 不合格リーク率が3～10-6 mbar-l/sで、30%ヘリウムのみを使用する場合、トリガーレベルを以下のように調整する必要があります。o 3 · 10-5 mbar·l/s · 30% = 9 · 10-6 mbar · l/s |
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あるいは、校正中にヘリウム濃度を補正したい場合、最もわかりやすい方法は、後でリークテスト工程に使用するヘリウム濃度も充填されたテストリークで校正することでしょう。しかし、純粋なヘリウムで満たされた校正用リークで適切に校正することもできます。これを行うには、校正リーク率をヘリウムのパーセンテージで調整するだけです。校正設定で使用するリーク率は、テストリークのリーク率をヘリウム濃度で割ったものでなければなりません。
例 校正には3-10-6 mbar-l/sの校正用リークを使用する。システムは、空気中に10％のヘリウムを混合したものを使用する。つまり、リークから漏れるガスの10%だけがヘリウムになります。その場合、リーク率設定を 3 · 10-6 mbar . l/s / 10% = 3 · 10-5 mbar · l/s |
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較正ルーチンで、システムは較正後、検出されたすべてのリーク率を正しく表示します。
同じ較正リークを使用する場合でも、30％のヘリウムを使用する場合は、較正設定を以下のように変更する必要があります。
3 · 10-5 mbar . l/s / 30% = 1 · 10-4 mbar · l/s
このアプローチでは、トリガー値を元の値から変更してはならないことに注意してください。
良好な直線性を持つリークディテクターの使用
より低いヘリウム濃度で作業する場合、リークディテクターのヘリウム信号はリークディテクターの検出限界に近づきます。この場合、例えばリジェクトリーク率と同等のリーク率など、小さすぎるリークで校正しないことが特に重要です。リジェクトリーク率に相当するリーク率は、リークディテクターの検出限界に近くなり、正確な較正ができなくなります（詳しくは、最初のヒント "キャリブレーションにおける間違いトップ5とその回避方法.")
より良い方法は、正確で再現性のある校正のために、より大きなリークで校正することです。しかし、これには測定信号の良好な直線性が必要です。希釈ヘリウムを使用する場合は、高精度のリークテスト機器を使用することがさらに重要です。不合格リーク率と同等のリーク率を持つ検証リークは、試験システムの適格性確認または工場承認試験に使用することができます。
真空リーク検出におけるダイナミックバックグラウンド抑制の使用
希釈ヘリウムを使用することで、体積の大きい部品を最も節約することができます。しかし真空リークテストでは、低濃度のヘリウムで作業する際にバックグラウンドレベルが下がるのを待つ必要があるため、チャンバーの排気プロセスに少し時間がかかります。この問題を克服するために、INFICONは（特許出願中）I-Zeroダイナミックバックグラウンド抑制を導入しました。LDS3000検出システムの優れた再現性と直線性は、インテリジェントソフトウェアアルゴリズムがこれを考慮できるように、バックグラウンド信号がどのように減少するかを正確に予測することを可能にします。I-Zeroは、リークを見逃すことなく、減少し続けるバックグラウンドで小さなリーク率を確実に測定することを可能にします。I-Zeroバックグラウンド予測は、スループットを犠牲にすることなく、莫大なヘリウム節約を可能にする迅速な測定開始を可能にします。
ヘリウムの回収と再利用
多くの工業プロセスにおいて、ヘリウムの消費を抑えるためにヘリウム回収を利用することができる。ヘリウム回収では、リーク検出工程の後、ヘリウムが検査対象部品から回収される。通常、ヘリウム充填の過圧部分のみが回収される。すなわち、リークテストのために部品に5バールのヘリウムが充填された場合、部品内の圧力が大気圧まで下がるまで、ヘリウムはトレーサーガス供給システムにベントバックされる。この場合、4/5＝80％のヘリウムを回収することができる。残りのヘリウムは、部品に充填されたまま配送されます。
ヘリウム回収システムでは、試験サイクルごとにシステム内のヘリウム量が減少します。そのため、ヘリウム回収システムは、ヘリウム濃度を一定に保つために新鮮なヘリウムで埋め戻す必要があります。この例では、試験サイクルごとに、システム内容積の20％のヘリウムを補給する必要があります。
ヘリウム回収システムは希釈ヘリウムでも使用できる。その場合、システムに充填するヘリウムの量は大幅に少なくなります。空気中に10％のヘリウムを使用する場合、各試験サイクルで必要なヘリウム量は、内部容積の20％＝内部容積の2％の10％のヘリウムでシステムを埋め戻すだけです。
使用ヘリウムの品質
ヘリウムにはさまざまな純度のグレードがある：
| ヘリウム・グレード | ヘリウムの純度 |
|---|---|
| ヘリウム5.0 | 99.999%のヘリウムと0.001%の不純物 |
| ヘリウム4.0 | 99.99%のヘリウムと0.01%の不純物 |
| ヘリウム3.0 | 99.9%のヘリウムと0.1%の不純物 |
| ヘリウム2.0 | ヘリウム99%、不純物1 |
| ヘリウム 3.5 | 99.95%のヘリウムと0.05%の不純物 |
最も純度の低いヘリウムでも不純物は1%しかないため、リーク率に1%の誤差が生じる。この低純度ヘリウムを空気と10％混合して使用しても、不純物によるリーク率の誤差は1％にしかならない。
一般的に、純度の低いグレードほど低価格で販売されています。ヘリウム2.0までであれば、どのグレードのヘリウムでも問題なく漏洩検知に使用できます。ですから、単純に最低価格で提供されているグレードを使用してください。
部品の充填圧力を下げる
一部のユーザーからは、部品の充填圧力を下げて（充填にかかるヘリウム量が少なくなるように）、リーク率が下がるかどうかテストしてほしいという要望がありました。リーク率は通常、圧力の2乗で変化します。つまり、充填圧力を半分にすると、リーク率は約1/4にしかなりません。
これは数学的には正しいが、リーク率に影響する要因は他にもある。より高い圧力でしか開かないリークがあり、そのため、低い充填圧力ではリーク率が非常に低くても、使用圧力ではリーク率がはるかに大きくなることがあります。従って、トレーサーガスの充填圧力は、常に使用圧力と同等にしてテストすることをお勧めします。
結論
希釈ヘリウムの使用とヘリウム回収を組み合わせると、ヘリウムの総使用量を90％以上削減できることが多い。そのためには、高感度で正確なリークディテクターだけでなく、ヘリウム濃度の適切なコントロールが必要です。
ヘリウム消費量の削減をお望みでしたら、ぜひご相談ください！専門家が喜んでお手伝いいたします！