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エアリークテスターの設定の基礎

1.内容積と漏れ量との関係
2.検査時間の設定
3.気体と液体の漏れ量比
4.リークキャリブレーションの実際

1.内容積と漏れ量との関係

(1) 等価内容積
ワークとテスターを含む測定系全体の内容積により、漏れによる差圧変化量は異なります。また、計測時間にも大きく関連します。
エアリークテスターではこの内容積として、計測系全体の圧力変動要因（ワークや差圧センサーの内圧による容積変化）の影響を考慮した等価内容積（Ve）と呼ぶ係数を使用します。等価内容積は次式を用いて算出することができます。またエアリークテスターの機種によっては、オートリークキャリブレーター（ALC）、またはリークマスターを使用して直接Ve値を計測することができます。
Ve=Vw+Vt+{Ks(1+Vw/Vm)+Kw}(101.3+P)
Vw=Vm（ワークとマスターの容積が同じ）
Ks=0.01mL/kPaまたは0.005mL/kPa（機種により異なる）
Kw=0mL/kPa（ワーク容積変化が無い）
上記の条件のとき
Ks(1+Vw/Vm)+Kw=2Ks
l Ks＝0.01ｍL/ｋPaのとき
Ve=Vw+Vt+0.02（101.3+P）
l Ks=0.005mL/ｋPaのとき
Ve=Vw+Vt+0.01（101.3+P）
Ve：等価内容積（mL）
Vw：ワークと配管の内容積（mL）
Vt：テスター内容積（mL）Vt = 9mL
Ks：圧力に対するセンサーの容積変化率（mL/kPa）
Kw：圧力に対するワークの容積変化率
P：テスト圧（kPa）

(2) 漏れ量
等価内容積と漏れ量Ｑの関係式

pic_setting01 Q ：漏れ量（mL/min） ΔP：差圧（Pa）
Ve：等価内容積（mL） T：検出時間（s）

例：等価内容積が800mLのとき検出時間3秒間で15Paの差圧が発生した。このときの漏れ量はいくらか。
pic_setting02

<※COMMENT>
漏れによって発生する差圧は等価内容積に
反比例します。
〔例〕
等価内容積の比が 1：5のとき同じ漏れ量での差圧は5：1になります。
Q：5mL/min
T：2s
Ve = 200 mLのとき ΔP1=85Pa
Ve = 1000 mLのとき ΔP2=17Pa		 pic_setting03

＜参考資料＞気体の圧力と性質

a.絶対圧：絶対真空を基準とした圧力
例：PaA、kg/cm2A(またはkg/cm2abs)、Torr(絶対圧力=大気圧+ゲージ圧)
b.ゲージ圧：大気圧を基準とした圧力
(正圧／負圧)例：PaG、kg/cm2G
c.差圧：二つの圧力の差例：PaD、kg/cm2D		 pic_setting04

pic_setting05

(2) 圧力の単位 1bar＝0.1MPa＝1.01972kg/cm2，1Pa=1N/m2，1Torr=1mmHg

Pa kg/cm2 mmH2O mmHg PSI
1Pa 1 1.01972×10E－5 0.101972 7.50062×10E－3 1.45038×10E－4
1kg/cm2 9.80665×10E4 1 104 735.559 14.2233
1mmH2O 9.80665 10E－4 1 7.35559×10E－2 1.42233×10E－3
1mmHg 133.322 1.35951×10E－3 13.5951 1 1.93368×10E－2
1PSI 6894.76 7.03070×10E－2 703.070 51.7149 1

注：10E-3は10の-3乗をあらわします

(3)気体の状態式
気体の圧力、容積、温度の3量間においては一定の関係があり、これらのうち２つが決まれば残りの一つは必然的に決まる。これら3量の関係を表す式を状態式といい『ボイル・シャルルの法則』より成り立っている。
PV=GRT…………(1)
初期状態 終期状態
(V1,P1,T1) → (V2,P2,T2) としたとき
pic_setting06
一定温度 T1＝T2であれば P1・V1＝P2・V2・・・・・・(2)
一定容積 V1＝V2であれば P1 / T1＝P2 / T2・・・・・・(3)
P：絶対圧力
V：容積
G：気体重量
T：絶対温度
R：気体定数

2.検査時間の設定

(1)検出時間の設定とリーク規格値の算出
等価内容積Veを使用してリーク規格値Qに相当する差圧値と検出時間（T3）を求め設定します。一般的には検出時間2～10s、設定差圧値ΔPは±10～100Paの範囲の設定が適当です。

pic_setting07 Q ：漏れ量 (mL/min)
Ve ：等価内容積 (mL)
ΔP：差圧 (Pa)
T ：検出時間 (s)
漏れ量直読表示機能のあるリークテスターを使用の場合は差圧の設定の必要はありません。
(2)加圧・平衡時間の求め方目安の時間：
インテリジェント 1 エア回路のとき
加圧時間（CHG）：平衡時間（BAL）＝ 3:1 又は 4:1
インテリジェント 2 エア回路のとき
加圧時間(CHG)：平衡1(BAL1)：平衡2(BAL2)＝5：5：1
注意：ワーク容積が小さい時は、等圧時間は不要です。BAL1=0秒に設定します。
これらの時間は通常、実際の機械装置治具の状態やワークの特性に従いますので、実験により求める必要があります。なお、過去に実績のあるワークについては推定することもできます。
必要な加圧安定時間（加圧時間CHG＋平衡時間BAL）→

pic_setting08

※上図に検出時間は含んでいません。
※要求される精度によっても時間は変ります。
※低圧←テスト圧→高圧
pic_setting09
低圧（10～100kPa）高圧（100～600kPa）
<※COMMENT>
実験や立ち上げ調整時に計測時間を設定するときは、まずワークや治具に確実に漏れのないことを確認します。その後、最初は加圧時間を十分に長くとりデータ取りを行います。徐々にこの時間を短くしてデータがゼロ近くで安定している最短の加圧、平衡時間を求めます。

3.気体と液体の漏れ量比

(1)実際の気体と液体の漏れ量比
一般的にエアーと液体（水、油）の漏れ量はハーゲンポアズィユの法則に従い粘度と圧力により決まります。但し、漏れ穴が円管で表面が滑らかな条件としています。現実には巣漏れや溶接不良によるピンホールは凹凸やくびれがある複雑な形状の粗面です。このような場合は気体と液体の相関は完全に理論式にあてはまるとは限りません。
実際には微小漏れにおいては、エアーで漏れても液体では漏れないという現象がおきます。多くの場合微小漏れではエアーと液体の漏れ量は理論以上の大きな漏れ量比となります。これは液体と漏れ穴内面に表面張力が働き流量抵抗が増大するためと考えられます。
<※COMMENT>
※漏れ量比較実験の注意点
気体と液体の漏れ量は異物が原因となり相関がとれてないことが多くあります。特に一度液体で漏れた漏れ穴に対しエアーで計測すると漏れ量が小さくなったり止まったり再現性を得ることは困難になります。漏れ量の比較実験を行う場合には必ずエアーでの試験を最初に行うようにして下さい。
<※COMMENT>
ハーゲンポアズィユ(Hagen Poiseuille)の式

  • 気体の場合（圧縮性がある）
  • 液体の場合（圧縮性がない）
  • pic_setting11いずれも近似式です。
  • 記号
  • pic_setting12
  • リーク量 : Q[atm mL/s]
    大気圧 : P0 = 1.013 × 105[Pa abs]
    細管入り口圧力 : P1[Pa abs]
    細管出口圧力 : P2[Pa abs]
    平均圧力 : －P[Pa abs]
    穴の直径 : 2 a[m]
    穴の長さ : L[m]
    流体の粘度係数 : η[Pa・s]
    1 Pa・s = 1 kg/m・s = 1 N・s/m2 = 1000 cP = 10 Poise 又は g/cm・s
(2)気体と液体の漏れ量比を求める理論式

pic_setting13
Qa：エアー漏れ量（atm ｍL/s）
Ql：液体漏れ量（atm ｍL/s）
ηa：エアー粘度（Pa・ｓ）
ηl：液体粘度（Pa・ｓ）
Pa：エアーテスト圧（kPa）
Pl：液体テスト圧（kPa）		 pic_setting14

<※COMMENT>
同じ気体でテスト圧を変更した時、変更後の漏れ量は次の式で求めることができます。
pic_setting15
漏れ量の式
P1：変更前のテスト圧(kPa)
P2：変更後のテスト圧(kPa)
Q1：変更前の漏れ量(mL/min)
Q2：変更後の漏れ量(mL/min)
パッキンによるシール部分の漏れのようにテスト圧を変えると漏れ穴の形状が変わる可能性のある場合の漏れ量比は理論式と異なります。

4.リークキャリブレーションの実際

差圧を漏れ量単位で表示するため、等価内容積を計測する必要があります。このことをリークキャリブレーションと言いリークテスターにとって重要な要素です。
1 容積変化方式のリークキャリブレーターによる等価内容積（Ve）の計測（特許）
リークテスターをキャリブレーションモードで起動させ、検出時間中にワーク測定系に対し一定の容積変化(ΔV)を発生させます。ここで発生する差圧(ΔP)を検出し対象となる測定系の等価内容積(Ve)値を自動的に算出します。計測したVeを使って漏れ量単位(例えばmL/min)で表示することができます。
 

pic_setting16 Ve：等価内容積(mL)
ΔV：容積変化量(mL)
ΔP：差圧(Pa)
P：テスト圧(kPa)

pic_setting17

<※COMMENT>
オートリークキャリブレーターに関する特許内容の要約 （特許第1775588号）

  • 1 ワーク側の等価内容積を算出し表示する。
  • 2 この等価内容積算出手段によって漏れ検査装置を校正する手段をもつ。（Kチェック）
  • 3 漏れによる差圧だけでなく漏れ量として表示する
  • 4 差圧だけでなく、漏れ量による合否判定機能を持つ。
2 リークキャリブレーターの選定
リークキャリブレーターはテスト条件に応じ次の計算式から容積変化量を求め、形式を選択します。全自動で作動するオートリークキャリブレーターと手動で作動させるマニュアルキャリブレーター（LCタイプ、QLCタイプ）があります。

pic_setting18 ΔV：容積変化量（mL）
Ve ：推定の等価内容積（mL）
P ：テスト圧（kPa）
ΔP：差圧（Pa）最大1000Paです。
pic_setting19 オートリークキャリブレーター
リークテスターに内蔵され全自動で動作します。
pic_setting20 LCタイプ
検出時にダイアルを回転させ容積変化を発生させます。テスト圧によっては操作できません。
pic_setting21 QLCタイプ
ワンタッチで任意の容積変化を発生させることができます。操作が簡単で日常点検にも便利です。テスト圧を加えた状態で操作が可能です。

ΔPが1000Paのときに求まるΔVフルスケールの値に最も近い（フルスケール以上でも以下でもよい）リークキャリブレーターを選択します。
※F.S=フルスケール

テスト条件 オートリークキャリブレーター マニュアルリークキャリブレーター
LCタイプ QLCタイプ
ワーク容積 テスト圧 型式 F.S. 型式 F.S.* 型式 F.S.*
小容積 中・高圧 ALC-05 0.5mL － － QLC-0021 0.2mL
小・中容積 低・中・高圧 ALC-1 1mL LC-12 1mL QLC-0101 1mL
小・中・大容積 低・中圧 － － LC-22 2mL － －
中・大容積 低・中圧 ALC-4 4mL LC-42 4mL QLC-0401 4mL
大容積(ｵﾌﾟｼｮﾝ) 低・中圧 ALC-10 10mL － － QLC-1001 10mL

3. リークマスターを使用したＫ(Ve)キャリブレーション
一定の漏れをワーク測定系に与え等価内容積を求める機能です。
リークマスターを校正ポートに接続し、キャリブレーションモードで起動すればＫ(Ve)を算出し表示します。LS-1881、LS-R900 、LS-R700でこの機能が可能です。LS-1866では、リークマスターを使用して流量係数を算出し、差圧を漏れ量に変換します。

pic_setting22