Lecka­ge­ra­ten-Mes­sun­gen verstehen

Die Lecka­ge­ra­te wird in Nor­men wie der EN ISO 20484 als die Men­ge eines bestimm­ten Flu­ids defi­niert, die unter fest­ge­leg­ten Bedin­gun­gen durch ein Leck strömt. Da sie von den jewei­li­gen Betriebs­be­din­gun­gen abhängt, kann sie sich unter ande­rem durch Ände­run­gen von Druck, Tem­pe­ra­tur oder wei­te­ren Umge­bungs­fak­to­ren ver­än­dern. Die­se Unter­schei­dung ist in der Pra­xis von Bedeu­tung, denn ein Leck, das unter bestimm­ten Bedin­gun­gen trag­bar erscheint, kann unter ande­ren Umstän­den zu erheb­li­cher Inef­fi­zi­enz oder Pro­zess­in­sta­bi­li­tät füh­ren. Wer einen Vaku­um­pro­zess betreibt oder instand hält, soll­te ver­ste­hen, was die Lecka­ge­ra­te genau beschreibt, wie sie gemes­sen wird und wel­che Fak­to­ren sie beein­flus­sen. Eben­so wich­tig ist, wie sie sich auf die Pro­zess­sta­bi­li­tät und die Aus­le­gung des Sys­tems auswirkt.

Die für die Lecka­ge­ra­te am häu­figs­ten ver­wen­de­te Ein­heit ist mbar·l/s (Mil­li­bar-Liter pro Sekun­de). Um Lecka­ge­ra­ten zu ver­ste­hen, müs­sen wir zunächst das Ver­hal­ten von Gasen betrach­ten. Da sich Gase ver­dich­ten kön­nen, lässt sich die Gas­men­ge, die durch ein Leck strö­men kann, nicht allein durch Volu­men oder Druck beschrei­ben. Wenn Gas aus der Umge­bung in ein Vaku­um­sys­tem mit nied­ri­ge­rem Druck gelangt, dehnt es sich aus. Aus die­sem Grund wird die Gas­men­ge als Pro­dukt aus Druck mul­ti­pli­ziert mit dem Volu­men (p·V) in der Ein­heit mbar·l angegeben.

Zusätz­lich wird für die Lecka­ge­ra­te eine zeit­li­che Kom­po­nen­te benö­tigt, die angibt, wie viel Gas wäh­rend eines bestimm­ten Zeit­raums durch ein Leck strömt. Die ent­spre­chen­de For­mel wäre also p·V/t, aus­ge­drückt in mbar·l/s. Am Bei­spiel eines Gas­zy­lin­ders lässt sich p·V gut ver­an­schau­li­chen: Ein 50-Liter-Zylin­der mit einem Druck von 200 bar ent­hält eine Gas­men­ge von 10.000 bar·l oder 10.000.000 mbar·l. Dabei wird deut­lich, war­um Druck und Volu­men beim Ver­gleich von Gas­men­gen zusam­men betrach­tet wer­den müs­sen: Weder Volu­men noch Druck allein rei­chen aus, um eine Gas­men­ge zu beschreiben.

Bei einer Druck­an­stiegs­prü­fung ist daher das Sys­tem­vo­lu­men wesent­li­cher Teil der Berech­nung. In einer gro­ßen Kam­mer bedeu­tet der glei­che Druck­an­stieg im glei­chen Zeit­raum eine viel grö­ße­re Gas­men­ge als in einer klei­nen Kam­mer. Des­halb muss das Ergeb­nis immer im Ver­hält­nis zum geprüf­ten Volu­men inter­pre­tiert wer­den: Lecka­ge­ra­te = (ΔP × V) / t.

Hier die Aufschlüsselung:

• mbar: die Druck­kom­po­nen­te, die angibt, wie stark ver­dich­tet das Gas ist
• Liter: die Volumenkomponente
• pro Sekun­de: das Zeit­raum, inner­halb des­sen die aus­tre­ten­de Gas­men­ge gemes­sen wird

Zusätz­lich soll­te beach­tet wer­den, dass je nach Bran­che und Regi­on ande­re, äqui­va­len­te Ein­hei­ten gän­gig sind. So wer­den auch Pa·m³/s, Torr·l/s und sccm (Stan­dard-Kubik­zen­ti­me­ter pro Minu­te) ver­wen­det. Beim Ver­gleich von Spe­zi­fi­ka­tio­nen, die in unter­schied­li­chen Ein­hei­ten ange­ge­ben sind, ist Vor­sicht gebo­ten. Zur Ver­ein­fa­chung kann hier ein Ein­hei­ten­um­rech­ner ver­wen­det wer­den, um schnell zwi­schen für die Lecka­ge­ra­te gebräuch­li­chen Ein­hei­ten umzu­rech­nen und Fehl­in­ter­pre­ta­tio­nen beim Ver­gleich von Wer­ten zu vermeiden.

Die Rate, mit der Gas durch ein Leck strömt, ist kein fes­ter Wert. Sie ändert sich mit den Betriebs­be­din­gun­gen und wird von meh­re­ren Fak­to­ren beein­flusst. Betrei­ber soll­ten sich des­sen bewusst sein, um Mes­sun­gen kor­rekt zu inter­pre­tie­ren und kei­ne fal­schen Schlüs­se zu ziehen.

Die Druck­dif­fe­renz an einem Leck ist der Unter­schied zwi­schen dem Druck inner­halb des Vaku­um­sys­tems und dem Druck außer­halb. Dies gilt natür­lich auch für druck­be­auf­schlag­te Sys­te­me gegen Atmo­sphä­ren­druck oder einem redu­zier­ten Druck. Gene­rell lässt sich sagen: Je höher die Druck­dif­fe­renz, des­to höher die Lecka­ge­ra­te, da die Druck­dif­fe­renz den Gas­fluss antreibt. Der Zusam­men­hang ist jedoch nicht ganz so ein­fach. Mit zuneh­men­dem Vaku­um steigt die Lecka­ge­ra­te nicht unbe­grenzt wei­ter an.

Ab einem bestimm­ten kri­ti­schen Wert bestimmt die Druck­dif­fe­renz nicht län­ger den Gas­fluss. Nach dem Über­gang in den Bereich der soge­nann­ten “ver­block­ten Strö­mung” wird der Durch­fluss durch eine wei­te­re Druck­re­du­zie­rung nicht mehr erhöht. Dabei ist jedoch zu beach­ten, dass sich ein­tre­ten­des Gas mit zuneh­men­dem Vaku­um auf ein grö­ße­res Volu­men aus­dehnt, sodass die Vaku­um­pum­pe einen höhe­ren Volu­men­strom bewäl­ti­gen muss.

Die Tem­pe­ra­tur wirkt sich in zwei­er­lei Hin­sicht auf die Lecka­ge­ra­te aus: durch das Gas selbst und durch das Mate­ri­al der Bau­tei­le im Sys­tem. Gas­mo­le­kü­le bewe­gen sich bei höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren schnel­ler, wodurch sich der Durch­fluss durch einen bestimm­ten Leck­pfad erhöht. Vor allem aber deh­nen sich Dich­tungs­ma­te­ria­li­en tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig aus bzw. zie­hen sich zusam­men, zum Bei­spiel O‑Ringe, Dich­tun­gen und Poly­mer­schläu­che: Bei Käl­te wer­den sie hart und zie­hen sich zusam­men, bei Wär­me wer­den sie weich und kön­nen sich ver­for­men. Auch auf die Durch­läs­sig­keit der in Vaku­um­sys­te­men ver­wen­de­ten Mate­ria­li­en hat die Tem­pe­ra­tur Ein­fluss. Dies fällt beson­ders bei Elas­to­me­ren ins Gewicht, deren Per­mea­bi­li­tät mit stei­gen­der Tem­pe­ra­tur deut­lich zuneh­men kann.

Ein Sys­tem kann bei Umge­bungs­tem­pe­ra­tur dicht erschei­nen, wäh­rend bei nor­ma­ler Betriebs­tem­pe­ra­tur eine mess­ba­re Lecka­ge auf­tritt – oder umge­kehrt. Sys­te­me, die gro­ße Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de durch­lau­fen, soll­ten immer unter reprä­sen­ta­ti­ven Betriebs­be­din­gun­gen geprüft werden.

Wäh­rend die Vaku­um­pum­pe aktiv pumpt, herrscht im Sys­tem ein Druck­gra­di­ent, bei dem der Druck am Pump­en­ein­lass am nied­rigs­ten ist und zum Pro­zess­ende hin all­mäh­lich ansteigt. In kom­pak­ten Sys­te­men mit kur­zen Rohr­lei­tun­gen ist das Druck­ge­fäl­le mini­mal, bei län­ge­ren oder enge­ren Rohr­lei­tun­gen ist es stär­ker ausgeprägt.

Ein Leck in der Nähe des Pump­en­ein­las­ses weist daher die größ­te Dif­fe­renz zwi­schen inter­nem Druck und Atmo­sphä­ren­druck und ent­spre­chend die höchs­te Lecka­ge­ra­te bei glei­cher Defekt­grö­ße auf. Ein ähn­li­cher Defekt, der sich näher am Pro­zess befin­det, wo der Druck höher und die Druck­dif­fe­renz gerin­ger ist, lässt weni­ger Gas hindurch.

Auch die Gas­art spielt eine Rol­le – inwie­fern, hängt vom Druck im Sys­tem ab. Bei höhe­rem Druck, wenn die Gas­mo­le­kü­le sich dicht bei­ein­an­der befin­den und sich zusam­men bewe­gen, bestimmt die Vis­ko­si­tät des Gases, wie leicht es durch eine Lecka­ge strö­men kann. Bei nied­ri­ge­rem Druck, wenn sich die Mole­kü­le unab­hän­gi­ger und in grö­ße­rem Abstand zuein­an­der bewe­gen, wird das Mole­ku­lar­ge­wicht zum ent­schei­den­den Fak­tor, da leich­te­re Mole­kü­le auch leich­ter durch das Leck strömen.

Dies ist beson­ders rele­vant bei Pro­zes­sen, in denen ande­re Gase als Luft ver­wen­det wer­den, also zum Bei­spiel Stick­stoff, Argon, Käl­te­mit­tel, Was­ser­stoff oder ande­re Inertga­se, da die tat­säch­li­che Lecka­ge­ra­te in die­sen Fäl­len vom Ergeb­nis einer Prü­fung mit Luft abwei­chen kann.

Da sowohl Druck als auch Tem­pe­ra­tur Aus­wir­kun­gen auf die Lecka­ge­ra­te haben und bei­de Grö­ßen in den meis­ten Anwen­dun­gen nicht kon­stant blei­ben, ist die effek­ti­ve Lecka­ge­ra­te kein Fest­wert. Mit sich ändern­den Betriebs­be­din­gun­gen ver­än­dert sich auch die Lecka­ge­ra­te. Dies führt zu Schwan­kun­gen im Pro­zess, deren Ursa­che oft­mals schwer zu ermit­teln ist.

Die Aus­wir­kun­gen die­ser Varia­bi­li­tät unter­schei­den sich je nach Pro­zess. Bei der Wär­me­be­hand­lung führt eine zwi­schen den Char­gen schwan­ken­de Lecka­ge­ra­te zu Ver­än­de­run­gen der Atmo­sphä­re in der Kam­mer. Die Fol­ge kön­nen eine unein­heit­li­che Oxi­da­ti­on und eine schwan­ken­de Ober­flä­chen­qua­li­tät sein. In che­mi­schen Pro­zes­sen bedeu­tet eine schwan­ken­de Lecka­ge­ra­te gering­fü­gig unter­schied­li­che Vaku­um­be­din­gun­gen zwi­schen Char­gen, was die Reak­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten und Pro­dukt­kon­sis­tenz beein­träch­ti­gen kann.

Nicht jedes Leck ver­ur­sacht sofort einen Pro­zess­aus­fall, was ein fal­sches Gefühl der Sicher­heit ver­mit­teln kann. Wenn das Sys­tem wei­ter­hin funk­tio­niert, wird das Leck oft als akzep­ta­bel betrach­tet und nicht wei­ter beachtet.

Was dabei außer Acht gelas­sen wird, ist die Aus­le­gungs­re­ser­ve. Vaku­um­pro­zes­se wer­den mit einem gewis­sen Reser­ve-Saug­ver­mö­gen zur Berück­sich­ti­gung rea­ler Betriebs­be­din­gun­gen aus­ge­legt. Ein Leck zehrt die­se Reser­ve schlei­chend auf. Das Sys­tem funk­tio­niert wei­ter­hin, jedoch mit gerin­ge­rer Tole­ranz gegen­über allen ande­ren Fak­to­ren, die zusätz­li­che Anfor­de­run­gen bedeu­ten kön­nen, wie zum Bei­spiel eine nach­las­sen­de Dich­tung an ande­rer Stel­le, eine Ände­rung der Pro­zess­be­din­gun­gen, etwa eine erhöh­te Dampf­be­las­tung, oder ein­fach der fort­schrei­ten­de Ver­schleiß ande­rer Bauteile.

Bis das Leck ein merk­li­ches Pro­blem ver­ur­sacht, ist die Reser­ve bereits auf­ge­braucht. Und was als akzep­ta­ble Lecka­ge­ra­te begann, ist zu dem Grund gewor­den, aus dem das Sys­tem nicht mehr läuft. Ein Leck führt nicht zwangs­läu­fig zu einem Aus­fall. Doch es zehrt an der Sicher­heits­re­ser­ve, bis ein Aus­fall unver­meid­bar wird.

Die Lecka­ge­ra­te ist kein ein­zel­ner, fest­ste­hen­der Wert. Sie wird von ver­schie­de­nen Fak­to­ren beein­flusst, dar­un­ter Druck, Tem­pe­ra­tur, Stel­le der Lecka­ge und Gas­art. Ein Leck, das unter bestimm­ten Bedin­gun­gen unbe­deu­tend erscheint, kann sich unter ande­ren Umstän­den als kri­tisch erwei­sen. Nur wer die Fak­to­ren ver­steht, die die Lecka­ge­ra­te bedin­gen, kann die­se wirk­sam beheben.