CN1720432B - 用于密封物品中大泄漏检测的方法和装置 - Google Patents

用于密封物品中大泄漏检测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供了用于检测密封物品中的大泄漏的方法和装置。用于检漏的装置包括：被配置来接收包含示踪气体的试件的第一可密封室、第二可密封室、耦合在第一与第二室之间的第一阀、具有测试端口的检漏仪、耦合在第二室与检漏仪的测试端口之间的示踪气体可透过构件、具有入口的真空泵以及耦合在第二室与真空泵的入口之间的第二阀。可透过构件可以是石英，当被加热时其对于氦是可透过的。检漏仪可以是离子泵或者氦质谱检漏仪。

Description

用于密封物品中大泄漏检测的方法和装置
技术领域
本发明涉及密封物品中的泄漏检测，更具体地说，涉及用于具有小内部容积的气密密封物品中的大泄漏检测的方法和装置。
背景技术
氦质谱仪检漏是周知的检漏技术。氦被用作示踪气体，其穿过密封试件漏缝中最小的漏缝。在穿过漏缝后，包含氦的试样被吸入到检漏仪器中并被测量。该仪器的重要部件是质谱管，质谱管检测并测量氦。输入试样被电离并且由质谱管对其进行质量分析，以分离氦成分。在一种方法中，使用氦对试件加压。连接到检漏仪测试端口的检漏探头(sniffer probe)围绕试件外部移动。氦穿过试件中的漏缝，被吸入探头并且被检漏仪测量。在另一种方法中，试件内部被耦合到检漏仪的测试端口，并且被抽真空。氦被喷射到试件外部，透过漏缝被吸入内部，并且被检漏仪测量。
氦质谱仪检漏的一个难点是质谱管入口必须保持相对低压，一般是2×10-4托。在所谓的传统检漏仪中，连接到试件或检漏探头的测试端口必须保持相对低压。这样，真空抽气周期相对长。另外，在带漏洞或大容积的部件的测试中，可能难以或者不可能达到所需的压强水平。如果能够达到所需的压强水平，抽气周期也是非常长的。
现有技术已经提出了用于解决该难点的技术。1972年9月12日向Briggs授权的美国专利No.3,690,151中公开了一种逆流检漏仪，其利用氦通过扩散泵向质谱仪反向流动的技术。检漏仪测试端口可以在扩散泵前级管线的压强下工作。一种相似的方法利用氦通过涡轮分子泵的反向流动。1988年4月5日向Fruzzetti授权的美国专利No.4,735,084公开了一种用于粗检漏的技术。示踪气体反向通过机械真空泵的一级或二级。这些技术允许测试端口的压强高于用于传统检漏仪的压强。虽然如此，当测试大容积、不洁的部件或者具有大的泄漏的部件时，达到该较高的测试端口压强可能仍是困难的。
在传统氦检漏中，如果在气密密封的小部件中出现大的泄漏，则在初步抽气(rough pump)周期期间，氦可以被快速抽走，以至于不能发现泄漏，并且接受了该泄漏部件。这种问题在工业界已经存在了长时间。已对某些应用使用了下述具有有限成效的方法：(1)测量泄漏部件和非泄漏部件之间的抽真空时间差，和(2)体膨胀方法。这两种技术都没有提供足够的分辨力。1997年4月29日向Mahoney等授权的美国专利No.5,625,141公开了与体积膨胀技术相结合的氦质谱检漏仪，用于粗检漏。
1990年1月31日公布的欧洲专利申请No.0352371公开了包括离子泵的氦检漏仪，该离子泵被连接到硅玻璃毛细管形式的探头。该硅玻璃管被加热到300℃到900℃之间的温度，从而变得能够能够透过氦。1994年7月5日向De Simon授权的美国专利No.5,325,708公开了一种氦检测单元，该氦检测单元使用石英毛细管膜、用于对该膜进行加热的灯丝和离子泵。1997年8月26日向Bohm等授权的美国专利No.5,661,229公开了一种检漏仪，该检漏仪具有聚合物或者被加热的石英窗口，用于有选择地将氦传送到耗气真空计(gas-consuming vacuum gauge)。
所有现有技术的氦检漏仪都具有一个或多个缺点，包括受限的压强范围、易受污染性和/或高成本。因此，需要改进的方法和装置来检漏。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于检漏的装置。所述装置包括：被配置来接收包含示踪气体的试件的可密封的第一室、可密封的第二室、耦合在第一与第二室之间的第一阀、具有测试端口的检漏仪、耦合在第二室与检漏仪的测试端口之间的示踪气体可透过构件、具有入口的真空泵、耦合在第二室与真空泵的入口之间的第二阀、控制器。在第二室中相对高压时，控制器将可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在第二室中相对低压时，控制器将可透过构件控制在低示踪气体透过率。
可透过构件对于氦可以是可透过的，并且可透过构件的示踪气体透过率可以是可控的。在某些实施例中，可透过构件包括石英构件。装置还可以包括与石英构件热接触的加热元件，以及配置来控制加热元件的控制器。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于检漏的装置。所述装置包括：被配置来接收包含示踪气体的试件的可密封的第一室、可密封的第二室、耦合在第一与第二室之间的第一阀、包括测试端口和真空泵的检漏仪、耦合在第二室与检漏仪的测试端口之间的第二阀、耦合在第二室与检漏仪的测试端口之间的示踪气体可透过构件、控制器。在第二室中相对高压时，控制器将可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在第二室中相对低压时，控制器将可透过构件控制在低示踪气体透过率。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于检漏的方法。所述方法包括：提供可密封的第一室、可密封的第二室和耦合在第一室和第二室之间的第一阀；在第一阀关闭的情况下，将包含示踪气体的试件放置到第一室中；在第一阀关闭的情况下，对第二室真空抽气；开启第一阀，其中第一室中的气体膨胀到第二室中；提供耦合到第二室的示踪气体可透过构件；通过感测穿过可透过构件的示踪气体，检测试件中的泄漏；在第一阀开启的情况下，对第二室真空抽气，并感测从第二室所抽的示踪气体，以检测小泄漏；以及在第二室中相对高压时，将可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在第二室中相对低压时，将可透过构件控制在低示踪气体透过率。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于检漏的装置。所述装置包括：被配置来接收包含示踪气体的试件的可密封的第一室、可密封的第二室、耦合在第一与第二室之间的第一阀、包括测试端口和真空泵的第一检漏仪、耦合在第二室与第一检漏仪的测试端口之间的第二阀、具有测试端口的第二检漏仪、耦合在第二室与第二检漏仪的测试端口之间的示踪气体可透过构件、控制器。在第二室中相对高压时，控制器将可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在第二室中相对低压时，控制器将可透过构件控制在低示踪气体透过率。
附图说明
为了更好地理解本发明，参考附图，附图通过参考被结合于此，其中：
图1是根据本发明第一实施例的检漏装置的示意性框图；
图1A是图1的检漏装置的简化的局部截面图，其示出了可透过构件；
图2是根据本发明第二实施例的检漏装置的示意性框图；
图3是根据本发明第三实施例的检漏装置的示意性框图；
图4是根据本发明实施例的用于检漏的方法的简化流程图；和
图5是现有技术的检漏仪的示意性框图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例的检漏装置的示意性框图。第一可密封室10容纳有试件12。试件12的内部空间利用氦被加压，或者在被插入到检漏装置的第一室10之前，被暴露给高氦浓度。通过第一阀16，第二可密封室14连接到第一室10。通过第二阀22，具有入口21的真空泵20连接到第二室14。真空泵20可以是能够将压强抽真空至大约100毫巴的任何类型的真空泵。
氦检测器组件30经由真空法兰32连接到第二室14。氦检测器组件30包括离子泵34、离子泵控制器36和示踪气体可透过构件40。离子泵34和可透过构件40安装在密封壳42中，其中可透过构件40置于第二室14和离子泵34之间。经由真空馈通(vacuum feedthrough)38，控制器36连接到离子泵34。控制器36向离子泵供电，并感测离子泵电流。
离子泵34一般仪由控制器36提供的大约在2000到9000伏特之间的高电压被赋能。离子泵电流与离子泵内部的真空压强成比例。透过可透过构件40的氦以与泄漏率成比例的速率影响真空压强。因此，离子泵电流与泄漏率成比例。
示踪气体可透过构件40位于第二室14和离子泵34之间。可透过构件40是检漏装置中所使用的示踪气体(一般是氦)在指定条件下可透过的材料。可透过构件40基本上使示踪气体通过或者透过，而阻挡其他气体、液体和微粒。从而，在允许示踪气体通过而阻止其他气体、液体和微粒的意义上，可透过构件40充当示踪气体窗口。可透过构件40可以具有例如盘状的形状。
石英或者硅玻璃是能够透过氦的材料的例子。具体地说，石英的氦透过率随温度而变化。在被升高到300℃到900℃范围内的温度处，石英具有相对高的氦透过率。在室温处，石英具有相对低的氦透过率。如图1A所示，检漏装置可以配备加热元件50，其与石英可透过构件40相热接触。加热元件对石英材料进行加热，以增大氦透过率，同时石英有选择地阻挡大多其他气体、水蒸汽和微粒。石英对于给定的温度具有恒定的透过率。可以调节温度来控制透过率，从而控制灵敏度。可以由控制器52向加热元件50赋能。通过控制可透过构件40的温度，提供了氦窗口。在相对高的温度处(例如300℃到600℃)，氦透过率高，氦窗口打开。在相对低的温度处(例如室温)，氦透过率低，氦窗口关闭。可以通过电阻加热、辐射加热或者任何其他合适的加热技术来对可透过构件40进行加热。
可透过构件40可以用能够透过示踪气体(一般是氦)的任何合适的材料制成，并且可以具有任何形状和尺寸。合适材料的示例包括石英和可透过聚合物，例如商标为Teflon的四氟乙烯。在可透过聚合物的情形中，不需要加热元件。可透过构件可以在真空、大气压或者稍高于大气压的压强下工作。可透过构件可以在包含有气体、微粒的气氛中以及在潮湿的环境中工作。
在图1的实施例中，真空泵20被单独使用，其不是检漏仪的一部分。在这种实施例中，不在大泄漏测试之后执行精细泄漏测试。
图2示出了根据本发明第二实施例的检漏装置的示意性框图。图1和图2中相似的元件具有相同的标号。在图2的实施例中，通过第二阀22，检漏仪24的测试端口连接到第二室14。在图2的实施例中，省略了真空泵20，并且检漏仪24包括通过阀22可连接到第二室14的适当的真空泵。在这种实施例中，可以在大泄漏测试之后可选地执行精细泄漏测试。检漏仪24可以是包括真空泵的任何检漏仪。适合的检漏仪的例子示出在图5中，并且在下面将对其进行描述。然而，检漏仪并不限于图5所示的例子。
室10和室14由第一阀16互连，并且真空泵20通过第二阀22连接到第二室14。氦检测器组件30连接到第二室14。利用关闭第一阀16来将室10和室14相互分离，试件12被置于第一室10中。在测试开始时，第一室10中的氦浓度处于环境水平，或者可以使用冲氮操作来降低氦的浓度，以便增强大泄漏测量的灵敏度。
在第一阀16关闭的情况下，将第二阀22向真空泵20开启，使得将第二室14抽至期望的真空水平。然后将阀22关闭，以不再对任一个室抽气。然后将室10和室14之间的阀16打开，并且允许室10中的气体流动到室14中，直到达到压强平衡。从试件12泄漏的氦进入到第二室14中，并增加了真空环境中的氦浓度，直到达到压强平衡。现在可以测量第二室14中得到的氦浓度。
只有氦穿过可透过构件40，并且增加了离子泵34中的压强。氦压强的增加导致离子泵电流的增加，其与氦压强的增加成比例，并与泄漏率成比例。氦除了穿过可透过构件40的氦之外，检测仪组件30在第二室14中具有基本为零的抽气速率，并且不象现有技术设备中那样从第二室14移除气体。氦检测仪组件30检测氦泄漏，但并不将氦抽走，所以可以比现有技术的方法更精确、更可靠，并且灵敏度更高地检测大的泄漏。
在图1的实施例中，在对离子泵电流进行测量，并且确定是否存在大的泄漏之后，过程结束。在检漏仪24通过第二阀22被连接到第二室14的图2的实施例中，如果由氦检测仪组件30没有检测出大泄漏，则可以使用检漏仪24来检测小的泄漏。第二阀22被开启，并且第二室14被抽气至适于检漏仪24工作的压强水平。然后，使用检漏仪24来检测在试件12中是否存在小的泄漏。
图3示出了根据本发明第三实施例的检漏装置的示意性框图。图2和图3中相似的元件具有相同的标号。在图3的实施例中，省略了离子泵34和离子泵控制器36，并且壳42通过导管60被连接到检漏仪24的测试端口。
为了执行大泄漏测试，试件12被置于第一室10中，并且第一阀16被关闭。第二阀22被开启，并且用真空泵对第二室14抽气，其中真空泵是检漏仪24的一部分。然后，第二阀22关闭，并且第一阀16被开启。这允许使第一室10与第二室14之间的压强相等。从试件12泄漏的氦穿过可透过构件40、壳42和导管60到达检漏仪24。氦被检漏仪24检测，并且确定出是否存在泄漏。因为在大泄漏检测期间第二阀22是关闭的，所以除了穿过可透过构件40的氦之外，第二室14中的压强被保持。结果，氦没有快速地被抽去，并且可以被检测。
图4示出了根据本发明实施例的用于检漏的方法的简化流程图。参考图1～图3所示并且在上面描述的检漏装置描述该方法。在步骤100中，试件12被置于第一室10中。在步骤102中，第一室10与第二室14之间的阀16被关闭。然后，在步骤104中，开启阀22，并且第二室14被真空抽气。在步骤106中，将阀22关闭，并且开启第一室和第二室之间的阀16。这允许第一室10中的气体膨胀到第二室14，从而使第一室和第二室中的压强平衡。如果该装置包括如图1A所示的加热元件50，则可以向该加热元件赋能，来增加可透过构件40的氦透过率。在步骤108中，在第二阀22关闭的情况下，感测第二室14中的氦。在图2和图2的实施例中，在步骤108中通过离子泵34感测氦。在图3的实施例中，在步骤108中通过检漏仪24感测氦。在步骤110中，基于所感测的穿过可透过构件40的氦，作出在试件12中是否存在大泄漏的判断。大泄漏检测步骤110结束图1的实施例的过程。在图2和图3的实施例中，在步骤112中将阀22开启，并且第二室14被真空抽气至较低的压强水平，以允许小泄漏检测。在包括用于对可透过构件40加热的加热元件50的实施例中，可以在步骤112中对加热元件去能。在步骤114中，由检漏仪24执行泄漏测试，并且在步骤116中检测是否存在小泄漏。
图5示出了现有技术检漏仪的一种实施例，其适于在图2和图3的检漏装置中使用。通过粗调阀(roughing valve)232，测试端口230耦合到低真空泵(roughing pump)234。测试端口230还通过测试阀236被耦合到高真空泵240的前级管线238。真空泵240可以是涡轮分子泵、扩散泵，或者包括有轴向泵浦级和分子拖曳级的混和涡轮分子泵。前级管线238还被耦合到前级泵242，该前级泵维持前级管线238处所需的工作压强。真空泵240的入口耦合到质谱管244的入口。
在工作中，低真空泵234最初将测试端口230和第二室14抽真空至在100毫托到300毫托范围内的压强。然后将测试阀236开启，通过测试端口230吸入的氦示踪气体以相反的方向穿过真空泵240到质谱管244。由于真空泵240对于样本中较重的气体具有低得多的反向流率，所以其阻挡了这些气体到质谱管244，从而有效地将示踪气体分离。
已经如此描述了各种示例性的非限定实施例及其各个方面，但是对于本领域的技术人员来说，各种修改和替换是明显的。这些修改和替换将被包括在本公开中，本公开的目的是示例和解释，而不是要定义本发明的限制。本发明的范围应当由所附权利要求及其等同物的正确解释来确定。

Claims (13)

1.一种用于检漏的装置，包括：
可密封的第一室，被配置以接收包含示踪气体的试件；
可密封的第二室；
第一阀，耦合在所述第一与第二室之间；
具有测试端口的检漏仪，所述检漏仪包括离子泵；
示踪气体可透过构件，耦合在所述第二室与所述检漏仪的所述测试端口之间，所述示踪气体可透过构件允许所述示踪气体通过并阻挡其他气体、液体和微粒；
具有入口的真空泵；
第二阀，耦合在所述第二室与所述真空泵的入口之间；和
控制器，在所述第二室中相对高压时，所述控制器将所述可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在所述第二室中相对低压时，所述控制器将所述可透过构件控制在低示踪气体透过率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可透过构件对于氦是可透过的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可透过构件包括石英构件，所述装置还包括与所述石英构件热接触的加热元件，其中，所述控制器被配置为控制所述加热元件。
4.一种用于检漏的装置，包括：
可密封的第一室，被配置以接收包含示踪气体的试件；
可密封的第二室；
第一阀，耦合在所述第一与第二室之间；
检漏仪，包括测试端口和真空泵；
第二阀，耦合在所述第二室与所述检漏仪的所述测试端口之间；
示踪气体可透过构件，与所述第二阀并行地耦合在所述第二室与所述检漏仪的所述测试端口之间，所述示踪气体可透过构件允许所述示踪气体通过并阻挡其他气体、液体和微粒；和
控制器，在所述第二室中相对高压时，所述控制器将所述可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在所述第二室中相对低压时，所述控制器将所述可透过构件控制在低示踪气体透过率。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二阀在所述第二室中相对高压时关闭，并且其中，所述第二阀在所述第二室中相对低压时开启。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述可透过构件包括石英构件，所述装置还包括与所述石英构件热接触的加热元件，其中，所述控制器被配置为控制所述加热元件。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述可透过构件对于氦是可透过的。
8.一种用于检漏的方法，包括：
提供可密封的第一室、可密封的第二室和耦合在所述第一和第二室之间的第一阀；
在所述第一阀关闭的情况下，将包含示踪气体的试件放置到所述第一室中；
在所述第一阀关闭的情况下，对所述第二室真空抽气；
开启所述第一阀，其中所述第一室中的气体膨胀到所述第二室中；
提供耦合到所述第二室的示踪气体可透过构件，所述示踪气体可透过构件允许所述示踪气体通过并阻挡其他气体、液体和微粒；
通过利用离子泵感测穿过所述可透过构件的所述示踪气体以及监视离子泵电流，检测所述试件中的泄漏；
在所述第一阀开启的情况下，对所述第二室真空抽气，并感测从所述第二室所抽的所述示踪气体，以检测小泄漏；以及
在所述第二室中相对高压时，将所述可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在所述第二室中相对低压时，将所述可透过构件控制在低示踪气体透过率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，控制所述可透过构件包括控制对所述可透过构件的加热。
10.一种用于检漏的装置，包括：
可密封的第一室，被配置以接收包含示踪气体的试件；
可密封的第二室；
第一阀，耦合在所述第一与第二室之间；
第一检漏仪，包括测试端口和真空泵；
第二阀，耦合在所述第二室与所述第一检漏仪的所述测试端口之间；
具有测试端口的第二检漏仪，所述第二检漏仪包括离子泵；
示踪气体可透过构件，耦合在所述第二室与所述第二检漏仪的所述测试端口之间，所述示踪气体可透过构件允许所述示踪气体通过并阻挡其他气体、液体和微粒；和
控制器，在所述第二室中相对高压时，所述控制器将所述可透过构件控制在高示踪气体透过率，并且在所述第二室中相对低压时，所述控制器将所述可透过构件控制在低示踪气体透过率。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第二阀在所述第二室中相对高压时关闭，并且其中，所述第二阀在所述第二室中相对低压时开启。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述可透过构件包括石英构件，所述装置还包括与所述石英构件热接触的加热元件，其中，所述控制器被配置为控制所述加热元件。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述可透过构件对于氦是可透过的。
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