ヘリウム 101: 微量を最大限に活用する

表 1: 地球の大気の組成

表 3: 最も一般的な微量ガス試験方法

表 2: 最も一般的なリークディテクタ

図 4: 死角をマッピングするためのアキュムレーション チャンバー内の部品の気流 CFD 解析

図 3: 蓄積リークテストシステム

(左) 図 5: キャリアガス試験システム

(右) 図 6: 窒素パージ技術

ヘリウムリークテストは、微量ガスベースのリークテスト方法の中で最も古く、最も開発されたものの 1 つです。 タイトルに「ヘリウム」という単語が含まれていますが、この記事は微量ガス法一般の概要を目的としています。

トレースガス法は漏れを直接測定します。つまり、試験対象の部品から漏れる物質の量を測定することを目的としています。 これは、漏れの影響を測定する他の非微量ガスベースの方法（圧力減衰漏れ試験の場合など）とは対照的です。 このため、これらの方法は通常、非常に小さな漏れを測定でき、部品の体積がテストの信頼性に直接影響しないため、大型または複雑な部品のテストに使用できます。

ヘリウムは長年にわたって主要な微量ガスとして選択されてきました。 ここ数十年、時折の品不足と価格高騰により、リーク検査業界は水素/窒素混合物、SF6、さまざまな冷媒などの代替品を探す必要に迫られました。

理想的なトレースガスは次のとおりです。

このリストの中で、最後の 2 つを除いて、ヘリウムに匹敵するものはありません。 大気中に 5ppm 存在し、不活性な性質、原子寸法が非常に小さいため、微量ガスとしての使用に理想的です。

まずリークテストシステムがどのように構築されているかを見て、一般的に使用される微量ガスベースのテスト方法を確認しましょう。

トレースガスリークテスターに​​は 2 つの主要コンポーネントがあります。

リークテストの精度は、部品内の微量ガスの濃度と均一性に大きく依存します。 最も一般的な課題は、部品がリークテストステーションに入るときに通常、部品に空気が含まれていることです。 部品が真空に対応できる場合、専用の真空源 (真空ポンプ、空気駆動の真空発生器など) を使用してこの残留空気を排気することが、高い微量ガス濃度を確保する最良の方法です。 これが不可能な場合、他のオプションは、微量ガスが部品を通過できるようにすることです (できれば充電ポートから最も離れた場所から排出されます)。 後者の方法は、微量ガスの消費量が大幅に増加する可能性があるため、通常は最後の手段として選択されます。

一般的な充電シーケンスは次のとおりです。

ガス管理、特に排気段階でのガス管理は非常に重要です。高濃度の微量ガスを漏れ検出システムから遠ざけることが、テスト結果の再現性を確保する最良の方法です。

チャージシステムは、テストラインを介してテスト部品に手動で接続されるマニホールド上のいくつかの手動バルブから、完全に自動化されたバルブ制御や部品接続ツールまで多岐にわたります。

堅牢で信頼性の高いツーリング設計は、特に部品接続の場合に非常に重要です。 それは、あらゆる漏れが部品の漏れに追加され、誤った不合格が非常に簡単に発生する可能性があるためです。

これらのシステムの最も重要なコンポーネントは漏れ検出器です。 選択肢は多数ありますが、適切なものを選択するには、テスト要件とコストを慎重に検討する必要があります。 最も一般的に使用される検出器タイプのいくつかを表 2 にまとめます。

リークディテクタの感度によって、検出できるリーク量の範囲が決まります。 テスト方法によっては、リークディテクタの全範囲がテストシステムの検出範囲と等しくない場合があります。 ほとんどの検出システムでは、漏れ検出器はガスをサブサンプリングするため、トレースガス信号の一部が失われます。 典型的な例は、ヘリウム質量分析計が真空チャンバーに入るヘリウムの一部のみを検出するハード真空リークテストシステムです。

たとえば、燃料タンクテスターなどの大型の真空チャンバーを考えてみましょう。 真空チャンバーへの 10-5 std.cm3/秒の漏れのうち、チャンバー排気ポンプによる信号の損失により、質量分析計に到達するのは 10-7 std.cm3/秒のみです。

検出システムのその他の重要な部分は、収集エリア (真空チャンバーとポンプ、蓄積チャンバーなど)、サンプリング回路、および補助機能を提供する関連機器 (キャリアガス回路など) です。 これらについては、個々のテスト方法に関するセクションで詳しく説明します。

表 3 は、最も一般的な微量ガスベースの方法とその機能、関連するシステムコスト、およびメンテナンス要件をまとめたものです。

これは最も伝統的で最も正確なテスト方法です。 非常に小さな漏れ、場合によっては 10-9 std.cm3/秒の範囲まで測定できます。 部品は真空チャンバー内に配置され、真空ポンプを使用して真空チャンバーが排気されます。 チャンバーの圧力が十分に低くなったら、質量分析計または残留ガス分析装置をチャンバーに接続します。 チャンバー内の微量ガスのレベルがテストを開始できるほど低くなると、部品は微量ガスで加圧され、テスト中は圧力下に保持されます。 微量ガスのレベルはチャンバー内で継続的に監視され、限界値を超えた場合、テスト部品は不合格になります。

これは非常に成熟したテクノロジーです。 重要なシステム コンポーネントの誤動作を検出するために、システムには多くの安全装置が組み込まれています。 サイクル時間は 20 ～ 30 秒と短く、利用可能なテスト方法の中で最も迅速です。

もちろん、これにはすべてコストがかかります。ハード真空システムは通常、最も高価であり、最も熟練したメンテナンスを必要とします。 車両と同様に、定期的なメンテナンスを行うことは、テスターの動作を維持するのに非常に役立ちます。 現在、現場で使用されているハード真空リークテスタは 30 年以上経過し、何度も再調整され、依然としてこれまでと同様に信頼性の高い動作をしているものが数多くあります。

なぜヘリウムを使用するのですか? ハード真空リークテスターの約 99% がヘリウムを使用しているのは、単に過去数十年にわたって「工業化」されたヘリウム質量分析計リークディテクターが広く入手可能になったためです。 真空中で水素を使用することは、よく言っても困難です。なぜなら、最も一般的に使用される金属は、製造プロセス中に金属に吸収された大量の水素をガスとして放出するからです。 これにより、非常に高レベルの不安定なバックグラウンドレベルが生成され、小さな漏れを検出することが不可能になります。 リークディテクターが残留ガス分析装置 (RGA) である場合、冷媒などの他のガスが使用されます。 これは、広範囲の原子質量単位 (AMU) のガスを分析できる本格的な質量分析計です。

ハード真空テスターで最も一般的な問題は、非常に高い周波数で動作し、場合によっては 30 秒ごとに大気圧と高真空の間を繰り返す高真空システムを維持する必要があることです。

その名前が示すように、蓄積法は密閉空間内に蓄積された微量ガスを測定します。 より正確には、テストチャンバー内の微量ガスの濃度を経時的に監視します。 濃度の変化率はリーク速度に直接関係しており、リーク速度が高いほど、濃度はより速く増加します。 一部のシステムでは、非常に短い時間間隔で変化率を計算し、実際のリーク率の読み取り値に近い値が得られます。 他の人は、テストの期間を待って、単に集中力の全体的な増加を観察します。

何らかの理由でシステムの感度が失われないようにすることが非常に重要です。 テストの整合性を検証するために、一部のシステムではチャレンジ パーツ (既知のリーカー) を定期的に実行する必要があります。 もう 1 つのオプションは、いわゆるバックグラウンド リークを使用することです。 これはテストチャンバーに常に接続されている漏れであり、テストを成功させるにはテストの最後に検出する必要があります。

このバックグラウンド リークは通常、不合格レベルの 10 ～ 20% です。 テストの最後に「健全性チェック」が行われるだけでなく、限界部分の問題も排除されます。 部品が不合格限度の 90% でリークしている場合、20% のバックグラウンド リークを追加すると、その部品は不合格になります。 バックグラウンドのレベルは、一連の要因（部品のばらつき、テストパラメータの不確実性など）を考慮して決定する必要があります。

蓄積チャンバー内の空気は通常、ファンを使用するか、システムに空気再循環ループを追加することによって撹拌されます。 再循環アプローチの利点は、チャンバー全体の雰囲気がある時点で強制的に循環する空気流の閉ループを作成することです。 再循環ループをサンプリングすることにより、チャンバー内のすべての空気が確実にサンプリングされることができます。

すべての大気リーク試験方法と同様に、チャンバー内の空気の流れのパターンを考慮し、「死角」や部品の周囲の空気の流れが制限される領域がないことを確認することが非常に重要です。

なぜヘリウムを使用するのでしょうか? 簡単な答えは、その必要はないということです。 匂いを嗅いだ後、非ヘリウム陣営に入る2番目の方法は蓄積試験でした。 バックグラウンドレベルが適切に制御されていれば、フォーミングガス (広く入手可能な 5% 水素/95% 窒素混合物) を微量ガスとして使用できます。 試験環境に炭化水素の発生源 (天然ガスを動力とするフォークリフトなど) が存在しない状態に保たれている場合、フォーミングガスは優れた代替手段となります。

アキュムレーションテスターは通常、リアルタイムのリークレート情報を提供せず、アキュムレーションチャンバー内およびその周囲の大気中の微量ガスのバックグラウンドレベルの変化に対する感度が比較的高いという問題もあります。

代わりに、キャリアガス漏れテストをより小さな部品に使用できます。 この方法では、テストボリューム内に微量ガスが蓄積されません。 むしろ、微量ガスを含まないガス (窒素など) の流れを使用してチャンバーを掃引します。 チャンバーから出たキャリアガスはリークディテクタによってサンプリングされ、キャリアストリーム中の微量ガスの濃度を測定することにより、テスト部品のリークレートを計算できます。

蓄積テストで使用するのと同じ予防策 (バックグラウンド リークの追加など) を強くお勧めします。

蓄積に対するこのテストの大きな利点は 2 つあります。それは、リアルタイムのリーク情報を提供し、蓄積のバックグラウンド依存性を排除することです。

課題は、テストチャンバーのサイズと検出可能な漏れ率が関連していることです。 テストチャンバーが大きくなるほど、すべての領域をタイムリーにサンプリングするために必要な流量が増加します。 ただし、キャリアガス流量が多くなると、微量ガス信号が弱まり、測定がより困難になります。

この方法は通常、より小さな部品やアセンブリに適用されます。

なぜヘリウムを使用するのですか? 繰り返しになりますが、答えは通常は必要ありません。 この方法は、リーク検出器のサンプル流量が十分に大きい場合には、他の微量ガスの使用にも簡単に役立ちます。

キャリアガス試験は、より大きな部品の試験領域に容易に役立ちます。 課題は封印です。 この技術は、潜在的に汚染された空気が試験に干渉するのを防ぐ、十分に密閉された試験室を前提としています。 実稼働環境でこのシールを達成することは、必ずしも現実的であるとは限らず、可能であるとは限りません。

窒素パージ技術を採用すれば、この問題は解決されます。 テストチャンバー間のシールとして微量ガスを含まないガスを使用することにより、テストチャンバーを外界から隔離することがそれほど困難ではなくなります。

テストの開始時に、チャンバーは大量の窒素でパージされます。 これにより、大気の空気が強制的に排出されます。 チャンバーの周囲にガスの「カーテン」を維持することで、テスト中は空気が遮断され、バックグラウンドの問題が排除されます。

元々、スニファーは上記の方法の 1 つの付属品であり、主に漏洩場所を特定するために使用されていました。 近年、業界全体がコスト意識をますます高め、ロボット工学の進歩に伴い、漏れを定量化する方法としてスニッフィングが普及してきました。

スニッフィング活動を成功させる鍵となるのは、ガスの管理です。 エリア内で考えられる微量ガス発生源をすべて排除し、常に十分な量の新鮮な空気を利用できるようにする必要があります。 多くのアプリケーションには、テストエリアを生産フロアの他の部分から隔離する、いわゆるスニファーブースが含まれます。

中世の支配者の場合と同様、ヘリウムの継承プロセスも波乱万丈の出来事でした。 この記事の執筆時点では、微量ガスベースのリークテストに代わる一般的に受け入れられる代替手段は見つかっていません。 ヘリウムは大気中での存在が比較的少なく、その不活性な性質と非常に小さい原子寸法により、微量ガスとしての使用に理想的です。 適切な回収方法を使用することで、ヘリウムの調達が時折困難になることがあっても、ヘリウムは依然として最良の解決策となり得ます。

この記事が、ヘリウム リーク テストの初心者にとって、その利点、一般的に使用される微量ガス ベースのテスト方法、および信頼性と再現性の高いテストを達成する最善の方法をよりよく理解するための適切な入門書として役立つことを願っています。テスト。

Peter Bonyhati は、Cincinnati Test Systems (CTS) のシステム エンジニアです。 CTS は、パートナー企業であるドイツの CTS-Schreiner およびカナダの Sciemetric とともに、TASI グループのプロダクト インテグリティ組織の一部です。 詳細については、[email protected] に電子メールでお問い合わせいただくか、www.cincinnati-test.com にアクセスしてください。