Leckrate Berechnen Vakuum

Leckagerate

Der Leckrate (auch: Leckrate) ist ein Mass für die Grösse einer Leckage. Die Leckrate ist in der Vakuumtechnologie wie folgt definiert: Der Leckrate ist der Anteil des pV-Wertes eines Gasstromes, der während einer vorgegebenen Zeitdauer durch einen Linienquerschnitt fließt. Der pV-Wert ist das Ergebnis von Luftdruck und Rauminhalt einer gewissen Gasmenge bei der vorherrschenden Raumtemperatur.

In der Regel gelten folgende Bedingungen: Gassorte Heißgas, Druckunterschied 1013 Stunden, 20 °C. Q oder QL wird üblicherweise als Symbol für die Leckrate benutzt.

Die folgenden Messeinheiten werden üblicherweise für die Leckrate verwendet: Die Leckrate von 1 Pa*m3/s ist angegeben, wenn der Luftdruck in einem geschlossenen, entleerten Container mit einem Fassungsvermögen von einem m3 um einen Pascal pro Sek. zunimmt. Die folgende Grobabschätzung gibt einen Überblick über den Zusammenhänge zwischen der geometrischen Bohrlochgröße und der damit verbundenen Leckrate: Es handelt sich um einen großen Container mit einer runden Bohrung mit einem Durchmesser von 1 m.

Ausserhalb des Containers herrschen atmosphärischer Druck, innerhalb des Vakuums. Danach würden alle Luft-Moleküle in einem 1 Millimeter großen und 330 Meter hohen Behälter "über" dem Bohrloch mit der Geschwindigkeit des Schalls (330 m/s) in einer einzigen Minute "fallen". Ausgehend von dieser Schätzung und der Grösse von Computerviren und Keimen können auch die gebräuchlichen Begriffe "bakteriendicht" und "virendicht" mit entsprechenden Grenzwerten versehen werden:

Mit modernen Helium-Lecksuchgeräten können Leckagen von bis zu 5*10-13 Pa*m3/s detektiert werden.

Konversionsfaktoren für unterschiedliche Gasarten

Soll der durch ein in einem anderen als dem gemessenen Messgas ausgedrücktes Loch verursachte äquivalente Durchfluss bestimmt werden, so ist eine Konvertierung vorzunehmen. Hierfür ist es jedoch notwendig, den zu berücksichtigenden Durchfluss apriorisch zu wissen oder zu errechnen. In der Laminarströmung ist durch die Einbeziehung aller Moleküle eine deutliche Abhängikeit von der Dynamik des eingesetzten Gasgemisches zu erkennen.

Wenn der durch ein Loch entstehende Betrag bekannt ist, kann das äquivalent eines anderen Gases (dessen dynamischer Viskositätswert bekannt ist) mit der unten angegebenen Gleichung berechnet werden: Sie wird verwendet, wenn die Durchflussmenge laminar ist. Eine Heliumströmung in die Strömungen anderer Gasarten bei Laminarströmung umzuwandeln:

In der Molekularströmung wandern die Teilchen getrennt von einander, weshalb statt der Gesamtgasmenge die Bewegungen der Einzelteilchen berücksichtigt werden müssen. Daraus ergibt sich folgender Begriff, der von der Molmasse der eingesetzten Gasen abhängt: Um einen Heliumstrom in den Strom anderer Molekülgase umzuwandeln:

Ab einer Leckrate von mehr als 10-2 mbarL/s kann auch eine Turbulenzströmung errechnet werden. Dieser Durchfluss ist charakteristisch für große Leckagen und große Drücke. Laut Bibliografie wird bei der einfachen Rechnung, bei der ein bestimmter Geometrieleitwert berücksichtigt wird, gezeigt, dass Ströme unter 10-6, manchmal unter 10-7 mbar-L/s als Molekularströmungen, während Ströme über 10-4 mbar-L/s als Laminarströmungen angesehen werden.

Echte Leckagen sind in der Realität jedoch nie durch einen einzigen, räumlich begrenzten Leckagekanal charakterisiert. In Laborversuchen konnte nachgewiesen werden, dass sich Leckagen mit Strömen unter 10-4 mbar-L/s (manchmal bis zu 10-3 mbar-L/s) nach den Gesetzmäßigkeiten der molekularen und nicht der viskosen Strömungsverhältnisse ausrichten. Dies liegt daran, dass der Leckstrom durch eine Vielzahl von parallelen Kanälen (Rissen) entsteht, in denen die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich geringer und zuverlässiger ist.

Eine weitere wesentliche Besonderheit der Gasen ist zu beachten: Bei gleicher Belastung streuen die leichteren Gasen rascher als die schweren. Nach dem Grahamschen Prinzip ist die Gasdiffusion invers zu deren relativer Molmasseproportioniert. Hier sind einige Streuwerte der bedeutendsten Gas- und Kältemittel:: Bei kleinen Leckagen und langen Prüfzeiten kann sich die Durchdringung auf die Helium-Lecksuche ungünstig auswirkt.