JP3715543B2 - 気密性能試験方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通気弁等のように、微圧条件下において漏れ量が大きく、テスト圧が降下するようなワーク（供試品）の気密性能を測定する気密性能試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の供試品の気密性能を測定する気密性能試験を行う場合には、エアリークテストによる気密性能試験の一般原理として、ボイル・シャルルの法則により、基準品と供試品との差圧からリーク量を求めている。このときのリーク量は時間とともに比例するというハーゲン・ポアズイユの法則を適用し、リーク量の算出方法としては、時間当たりのリーク量をほぼ一定とした上で算出するようにしている。
【０００３】
リークの検出方式の代表的なものとしては、封入したテスト圧に対して内圧の差圧を検出する内圧検出方式と、圧力を供給しつつ漏れ出た外圧の差圧を検出する外圧検出方式とがある。前者の内圧検出方式は、供試品内を加圧封入し、圧力降下を検出する方法であり、リーク量が微少であってリニア特性に近似可能な場合に有効である。また、この検出方式は、加圧するテスト圧が高い場合には圧力が平衡するまでに時間を必要とする、テスト圧が低い場合の圧力検出方式として有効である。
【０００４】
一方、後者の外圧検出方式は、供試品を密閉容器内に取付け、この供試品内を一定加圧して密閉容器内の圧力上昇を検出する方法で、層流を条件下とすればリーク量が多い場合においてもリニア特性として扱うことができ、また、圧力が平衡するまでの時間が短いため、内圧検出方式と比べてテスト圧が高い場合に有効である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
内圧検出方式では、加圧するテスト圧が大きく降下する程の影響を受けないような、供試品からのリーク量が微量である場合に限って時間当たりのリーク量をほぼ一定として算出することができるが、例えば、テスト圧が微圧であるときにこの圧力に比べてリーク量が大きくなる場合や、或は、バルブの内容積が小さく、その内容積に比較してリーク量の割合が大きくなる場合には、リーク量がテスト圧に与える影響を無視出来なくなるという問題があった。
【０００６】
一方、外圧検出方式は、密閉容器内の初期圧力すなわち大気圧からの圧力上昇分が小さい場合にのみ検出結果として利用でき、一方、テスト圧が微圧での圧力上昇が大きい場合には、密閉容器内圧力がテスト圧に一様となる変化を測定していることになり、大気圧下に圧力を放出するという実際の条件下におけるリーク量を正確に測定できなくなることから、内圧方式の場合と同様に時間当たりのリーク量をほぼ一定であることとして考えることが難しくなっていた。また、この検出方式は、安定した密閉度を有する容器等の試験装置である必要性があったり、或は、ワークの取付時の工数が多くなるなどの問題がある。
【０００７】
ところで、通気弁等の気密性能試験を行う場合には、実際の圧力変化が微圧であることから供給するテスト圧は微圧であることが望ましく、このため一般的には内圧検出方式が適している。しかし、内圧検出方式では、前述のとおり、リーク量が多い場合にはリニア特性になり難く、一方、外圧検出方式では上述の問題を生じていた。
【０００８】
本発明は、従来の課題点を解決するため鋭意研究の結果、開発したものであり、微圧条件下で漏れ量が大きくなりテスト圧が大きく降下するような場合でも正確な気密性能試験を行うことが可能であり、加えて、内容積、検出時間、テスト圧等の条件が変わったとしても迅速にかつ確実に試験結果を得ることのできる気密性能試験方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、基準品と供試品に微少なテスト圧を内封し、基準品と供試品との間の所定の差圧測定時間後における差圧値を測定すると共に、この差圧値と、放物線状に推移してゆく前記差圧の時間変位データとに基づいて算出した、供試品固有のリーク隙間係数により、微圧条件下においてテスト圧が大きく降下するテスト圧変化を考慮して、供試品の合格又は不合格を判定することを特徴とする気密性能試験方法である。
【００１０】
請求項２における発明は、上記テスト圧の初期値をＰ _ｔ０ 、上記差圧測定時間である t 秒後の差圧値をΔＰ _（ｔ） とし、下記数式において単位時間 dt 毎に演算し、供試品のリーク隙間係数Ｃを算出することを特徴とする気密性能試験方法である。
ΔＰ _（ｔ） ＝（Ｐ _ａｔｍ ／Ｖ）・Ｃ∫｛［（Ｐ _ｔ０ −ΔＰ _{（ｔ−ｄｔ）} ） ^２ −Ｐ _ａｔｍ ^２ ］／（２．９１×１０ ^−４ ・Ｐ _ａｔｍ ）｝ｄｔ −−−（Ｐ _ａｔｍ ：大気圧、Ｖ：供試品の内容積）
【００１１】
請求項３における発明は、算出された上記リーク隙間係数Ｃを下記数式に代入して、テスト圧Ｐにおけるリーク量Ｑａを算出し、このリーク量Ｑａにより、上記供試品の合格又は不合格を判定することを特徴とする気密性能試験方法である。
＝Ｃ（Ｐ ^２ −Ｐ _ａｔｍ ^２ ）／（２．９１×１０ ^−４ ・Ｐ _ａｔｍ ）
【００１２】
請求項４における発明は、供試品は通気弁であり、この通気弁は、取付けられた管の内圧が通常の大気圧時または正圧発生時には、本体内に設けたジスクがシール部材を介して弁座を閉止し、また排水時には、管内に生じる負圧によってジスクが開く構造であることを特徴とする気密性能試験方法である。
【００１３】
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明における気密性能試験方法を微圧条件下において行った場合の実施形態を通気弁の気密性能試験を例にフローチャート並びに実験データに基づいて詳細に説明する。
本例における通気弁（供試品）１３は、図１１に示す構造を有しており、本発明によれば、微圧条件下において漏れ量が大きくなりテスト圧が大きく降下する場合でも正確な測定を可能としている。同図において、通気弁１３は、通気管末端に取付けられ、管内圧力が通常の大気圧時には、本体２０内に設けたジスク２２がシール部材２３を介して弁座２４を閉止し、また排水時には、管内に生じる負圧によってジスク２２が開き、一方、正圧発生時には、ジスク２２が押さえ付けられ、臭気が排出されないような構造を有している。このように、通気弁は、所定の気密性能を有する必要がある。
【００１５】
図１は、本発明における気密性能試験装置の構成を示した概略図、図２は同上のシステム構成の説明図であり、本実施形態においては、内圧検出方式を基にした通気弁の気密性能試験の実施形態を示す。本発明は、テスト圧変化を考慮した発生差圧の時間変移データから、対象供試品固有のリークする隙間に関する係数を求めるようにするテスト方法である。先ず、エアリークテスタ１５の初期設定として設定値入力手段１に各種の設定値を入力する。このときの設定値としては、供試品であるワーク１３内の容積値、図示しないコンプレッサ等の圧力供給源より供給される供給圧力値、加圧時間、差圧測定時間、及び製品としての可否となるリーク量であり、独自に算出して得られるリーク量判定値についてそれぞれ入力し、これらの値は記憶手段２に記憶される。
【００１６】
また、基準品となるマスタ１２と供試品となるワーク１３とを据付けると共に、レギュレータ１４の設定を行っておく。測定時には、制御手段３から信号が送られ、この信号に基づいて圧力供給手段４が作動して圧力供給が始まる。なお、圧力供給手段４としては、マスタ１２側の流路に開閉用のバルブ４ａ、また、ワーク１３側の流路にバルブ４ｂを設けている。
【００１７】
圧力供給源から圧縮エアの供給が行われ、バルブ４ａ、４ｂをそれぞれ開状態にすると、マスタ１２、及びワーク１３の各通気弁に圧力が供給され、この圧力供給源からレギュレータ１４によって予め設定された適宜の圧力による圧縮エアが供給される。
【００１８】
圧力供給は、所定時間の間継続して行われ、このときの圧力値は、圧力センサである圧力測定手段６によって測定され、ディスプレイ等の表示手段１８に表示される。加圧する時間は、計時手段５によって計時され、加圧時間が所定の時間に達すると、このときの圧力値が圧力測定手段によって測定される。
【００１９】
次に、圧力判定手段７において、測定した圧力値と、差圧を測定する際に必要な供給圧力であり、記憶手段２に記憶されている供給圧力設定値（設定圧力値）と比較するようにしている。このときの比較結果が、「測定した圧力値＜設定圧力値」の場合には、マスタ１２及びワーク１３に測定に必要な圧力が供給されていないことになるので、差圧の測定を中止する。この場合、制御手段３からの信号に基づいて表示手段１８に測定が中止される旨の表示が表示されるので、バルブ４ａとバルブ４ｂとの分岐前の流路に設けたバルブ４ｃを操作してエアリークテスタ１５全体の圧力を大気に開放する。その後、一旦ワーク１３を取り外し、ワーク１３を取付け直し、再び測定に移る。
【００２０】
供給圧力の比較結果が「測定した圧力値＝設定圧力値」である場合には、マスタ１２とワーク１３との間に生じた差圧を測定する差圧測定工程に進み、測定した差圧からリーク隙間係数Ｃを算出するようにしている。先ずバルブ４ａ、４ｂを閉状態にしてマスタ１２、ワーク１３間にそれぞれ圧力を内封した状態にする。この状態で差圧センサである差圧測定手段８によってマスタ１２とワーク１３との間の所定の差圧測定時間であるｔ秒後の差圧値ΔＰ_（ｔ）を測定し、この差圧値ΔＰ_（ｔ）は、表示手段１８に表示される。
【００２１】
次に、この確定した差圧値ΔＰ_（ｔ）を用いて、演算手段９によってリーク隙間係数Ｃ及びリーク量Ｑａを算出する。
このときの演算式を、以下に説明する。テスト圧（絶対圧）をＰ（Ｐａ），ワーク１３の内容積をＶ（ｍｌ）、テスト圧下に生じたエアのリーク量をΔＶとすると、ボイルの法則より、ＰＶ＝（Ｐ−ΔＰ）（Ｖ＋ΔＶ）が成り立ち、ΔＶ≒（ΔＰ・Ｖ）／Ｐとなる。
上式を大気圧下における圧力Ｐ_ａｔｍのリーク量ΔＶに換算すると、ΔＶ≒（ΔＰ・Ｖ）／Ｐ_ａｔｍであり、従って、【数１】の数式となる。
【数１】
ΔＰ≒（ΔＶ・Ｐ _ａｔｍ ）／Ｖ
【００２２】
ここで、ワーク１３のリーク隙間の形状を、一様な円形断面を有する毛細管と仮定し、また、流体を層流（粘性流）と仮定すると、リーク量の代表的な理論式であるハーゲン・ポアズイユの法則により次式が成り立つ。空気（圧縮流体）での時間あたりのリーク量Ｑａ（ｍ^３／ｓ）は、毛細管の穴の半径をＲ（ｍ）、穴の長さをＬ（ｍ）、空気の粘度をμａ｛１８．２×１０^−６（Ｐａ・ｓ）｝とすると、【数２】の数式となる。
【数２】
Ｑａ＝πＲ ^４ （Ｐ ^２ −Ｐ _ａｔｍ ^２ ）／（１６μａ・Ｌ・Ｐ _ａｔｍ ）
しかし、本実施形態のように、微少なテスト圧Ｐに対してリーク量が多く、テスト圧Ｐの変化が無視できない場合、すなわち上式のテスト圧Ｐが変化してしまう場合は、時間の経過とともに、時間あたりのリーク量Ｑａも刻々変化することになる。そこで、このテスト圧Ｐの変化を考慮したリーク量の算出が必要となる。そこで、リーク隙間係数Ｃ＝πＲ^４／Ｌとすると、【数２】は【数３】となる。
【数３】
Ｑａ＝Ｃ（Ｐ ^２ −Ｐ _ａｔｍ ^２ ）／（２．９１×１０ ^−４ ・Ｐ _ａｔｍ ）
この【数３】において、圧力検出に要する時間がｔのとき、初期テスト圧をＰ_ｔ０とすると、積算リーク量ΔＶ_（ｔ）は、次のように考えられる。
【数４】
ΔＶ_（ｔ）＝Ｃ∫｛［（Ｐ_ｔ０−ΔＰ_{（ｔ−ｄｔ）}）^２−Ｐ_ａｔｍ ^２］／（２．９１×１０^−４ ・Ｐ_ａｔｍ）｝ｄｔ
従って、発生差圧ΔＰ_（ｔ）については、圧力検出時間ｔを考慮した【数１】ΔＰ_（ｔ）＝（ΔＶ_（ｔ）・Ｐ_ａｔｍ）／Ｖと、【数４】から次のような数式が成り立つ。
【数５】
ΔＰ_（ｔ）＝（Ｐ_ａｔｍ／Ｖ）・Ｃ∫｛［（Ｐ_ｔ０−ΔＰ_{（ｔ−ｄｔ）}）^２−Ｐ_ａｔｍ ^２］／（２．９１×１０^−４・Ｐ_ａｔｍ）｝ｄｔ
この【数５】におけるΔＰ_（ｔ）に、時間ｔ（ｓ）後の差圧測定値を代入して、リーク隙間係数Ｃの値を逆算する。すなわちテスト圧変化を考慮した発生差圧の時間変位データから、対象供試品固有のリークする隙間に関する係数Ｃを求める。
【００２３】
ここで、【数５】を用いて、任意のリーク隙間係数Ｃにおける発生差圧の変化を計算すると、図５に示したグラフのように表すことができる。このとき、ｔ＝０のとき、ΔＶ_ｔ＝０＝０とし、ワーク内容積Ｖ＝７６７（ｍｌ）、テスト圧Ｐ_ｔ０＝４００（Ｐａ）としている。このグラフにおいて、同一ワーク１３においてリーク隙間計数Ｃを変化させると、リーク隙間係数Ｃが小さい場合は、発生差圧はリニア特性に近似しているが、リーク隙間係数Ｃが大きくなると、発生差圧は放物線状に推移していく。本発明は、このように発生差圧が放物線状に推移していく供試品に対して有効な気密性能試験である。
【００２４】
なお、図６は、上述した数式の検証を行ったものであり、初期テスト圧がＰ_ｔ０＝４００（Ｐａ）の場合の内容積の異なるワーク１３においてリーク量（発生差圧）を測定し、各ワークごとに時間ｔ（ｓ）に対するリーク量の変化の実測値と理論値を比較可能にグラフ上に示したものであり、本例においては、図に示すようにワーク１３の内容積Ｖがそれぞれ５２４、７６７、１５７５（ｍｌ）の場合における発生差圧Ｐａを実測した実測値と、リーク隙間係数Ｃから計算した理論値の比較を示したものである。測定した実測値におけるリーク量と圧力変化の関係式を検討した結果、実測値は理論値の線図にほぼ一致し、従って、上述した数式を用いてリーク量を算出することができることが証明された。
【００２５】
次に、算出されたリーク隙間係数Ｃ、及びテスト圧Ｐを【数３】に代入して、リーク量Ｑａを算出する。このように、確定した差圧値ΔＰ_（ｔ）を用いて、演算手段９によって算出されたリーク量Ｑａは、リーク量判定手段１０によって記憶手段２に記憶されている基準値であるリーク量判定値と比較され、「実際の算出リーク量≦リーク量判定値」である場合にはワーク１３は、所定の気密性能を有していると判断され、表示手段８において合格である旨の表示内容が表示される。
【００２６】
また、「実際の算出リーク量＞リーク量判定値」である場合には、ワーク１３は、所定の気密性能を有していないと判断され、表示手段８には不合格である旨の表示内容が表示される。
【００２７】
更に、次のワーク１３について気密性能試験を行う場合には、バルブ４ａ、４ｂを開くと共に、バルブ４ｃを開状態になるように操作してマスタ１２、ワーク１３間に内封されている圧力を大気に排気した後に、ワーク１３を取り外し、新規に測定するワーク１３を取付け、同様に差圧値の測定を行う。
【００２８】
図７は、【数５】をグラフ化したものであり、初期テスト圧をＰ_ｔ０＝４００（Ｐａ）とし、差圧測定時間をｔ＝１０（ｓ）とした時の発生差圧とリーク隙間係数Ｃとの関係を示したものである。リーク隙間係数Ｃは、供試品固有の値であるから、具体的なリーク量を算出しなくとも、供試品の気密性能の合否判定ができる。例えば、リーク量判定基準値、すなわちリーク隙間係数基準値を１．８２×１０^−８と設定した場合、サイズ５０Ａの供試品において差圧実測値が約７０（Ｐａ）であれば隙間係数Ｃの値は約１．０×１０^−８であるから合格と判定する。一方、得られた差圧が約２２０（Ｐａ）であれば隙間係数Ｃの値は約４×１０^−８であり、不合格と判定する。
【００２９】
図８は、図７を基に発生差圧とリーク量との関係を示したものである。なお、このグラフは圧力供給時において常時４００（Ｐａ）を加えた時のものである。あらかじめリーク量判定基準値を０．０５（ｍｌ／ｓ）と設定した場合、サイズ５０Ａの供試品において差圧実測値が約１００（Ｐａ）であればリーク量は約０．０４（ｍｌ／ｓ）であるから、合格と判定する。一方、得られた差圧が約２１０（Ｐａ）であれば、リーク量は約０．１（ｍｌ／ｓ）であり、不合格と判定する。
【００３０】
なお、供試品が通気弁である場合、サイズによって内容積値が異なるが、内容積値が異なっても、リーク量Ｑａとリーク隙間係数Ｃとは、図９に示すようなリニア関係にあり、リーク隙間係数Ｃよりリーク量Ｑａを容易に算出することができる。また、発生差圧と、前述のリーク隙間係数Ｃとワーク内容積値の比率Ｃ／Ｖとの関係をグラフに示すと、内容積値が異なっても、図１０に示すような一定の関係を示し、差圧からリーク隙間係数Ｃが逆算できることを裏付けている。図９、１０は、初期テスト圧Ｐ_ｔ０＝４００（Ｐａ）のものであり、図１０における差圧値は、１０秒経過後のものである。
【００３１】
このように、本発明においては、発生差圧のデータより対象となるワーク１３がもつ固有の隙間に関するリーク隙間係数Ｃを求めることができ、この係数Ｃから一定圧力を供給した時の時間当たりの一定リーク量を求めて、判定基準との比較を行うことができる。本発明においては、あらかじめ検出した発生差圧からリーク隙間係数Ｃの値を特定することができるので、このリーク隙間係数Ｃを利用してほぼ正確なリーク量Ｑａをもとめることができる。
【００３２】
また、他の発明は、検出時間における発生差圧データから、テスト圧変化を考慮しつつ、対象供試品固有のリークする隙間に関する係数を求め、この係数から、一定圧力供給時の時間当たりの一定リーク量を求めて判断基準との比較を行うことにより微圧条件下で気密性能の試験を行うようにしたものである。これは、図５を用いて説明すると、例えば時間ｔ＝２０（ｓ）の時の発生差圧ΔＰ_{（ｔ＝２０）}の値が実測により得られれば、【数５】に基づき、リーク隙間係数Ｃを一義的に求められ、この係数Ｃを用いて判断基準との比較を行うことを意味している。
【００３３】
なお、本実施形態以外にも、エアリークテスタ１５自体に演算機能を設けることにより、テスト圧、内容積データ、及び検出時間等の設定条件が変更となった場合においても即座に対応できる。また、図７、図８のグラフを数値としてあらかじめ演算手段９に入力しておいてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によると、微圧条件下において漏れ量が大きくなりテスト圧が大きく降下するような場合でも正確な気密性能試験を行うことが可能であり、特に、通気弁の気密性能試験には好適であり、発生差圧からリーク隙間係数をもとめることによってリーク量が算出できるので、例えば、内容積、検出時間、テスト圧等の設定条件が変わったとしても迅速に試験結果を得ることのできる気密性能試験方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における気密性能試験装置の構成を示した概略図である。
【図２】 本発明の気密性能試験のシステム構成を示す説明図である。
【図３】 本発明の気密性能試験の作業工程を示したフローチャートである。
【図４】 本発明の気密性能試験の作業工程を示したフローチャートである。
【図５】 理論式における任意のリーク隙間係数Ｃの発生差圧変化を示したグラフである。
【図６】 内容積の異なるワークの発生差圧変化実測値と理論上の線図を示すグラフである。
【図７】 発生差圧からリーク隙間係数を換算した際にこれらの関係を示したグラフである。
【図８】 発生差圧からリーク量を換算した際にこれらの関係を示したグラフである。
【図９】 一定圧力供給時のリーク量とリーク隙間係数との関係を示したグラフである。
【図１０】 発生差圧とリーク隙間係数／内容積との関係を示したグラフである。
【図１１】 本発明において試験を行う通気弁（供試品）の一例を示す半截断面図である。
【符号の説明】
１３ 供試品（ワーク）
１５ エアリークテスタ
Ｃ リーク隙間係数
Ｑａ リーク量
ΔＰ_ｔ 差圧値
Ｐ_ｔ０ 初期テスト圧

Claims (4)

1. 基準品と供試品に微少なテスト圧を内封し、基準品と供試品との間の所定の差圧測定時間後における差圧値を測定すると共に、この差圧値と、放物線状に推移してゆく前記差圧の時間変位データとに基づいて算出した、供試品固有のリーク隙間係数により、微圧条件下においてテスト圧が大きく降下するテスト圧変化を考慮して、供試品の合格又は不合格を判定することを特徴とする気密性能試験方法。
2. 上記テスト圧の初期値をＰ _ｔ０ 、上記差圧測定時間である t 秒後の差圧値をΔＰ _（ｔ） とし、下記数式において単位時間 dt 毎に演算し、供試品のリーク隙間係数Ｃを算出することを特徴とする請求項１に記載の気密性能試験方法。
   ΔＰ _（ｔ） ＝（Ｐ _ａｔｍ ／Ｖ）・Ｃ∫｛［（Ｐ _ｔ０ −ΔＰ _{（ｔ−ｄｔ）} ） ^２ −Ｐ _ａｔｍ ^２ ］／（２．９１×１０ ^−４ ・Ｐ _ａｔｍ ）｝ｄｔ −−−（Ｐ _ａｔｍ ：大気圧、Ｖ：供試品の内容積）
3. 算出された上記リーク隙間係数Ｃを下記数式に代入して、テスト圧Ｐにおけるリーク量Ｑａを算出し、このリーク量Ｑａにより、上記供試品の合格又は不合格を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の気密性能試験方法。
   Ｑａ＝Ｃ（Ｐ ^２ −Ｐ _ａｔｍ ^２ ）／（２．９１×１０ ^−４ ・Ｐ _ａｔｍ ）
4. 供試品は通気弁であり、この通気弁は、取付けられた管の内圧が通常の大気圧時または正圧発生時には、本体内に設けたジスクがシール部材を介して弁座を閉止し、また排水時には、管内に生じる負圧によってジスクが開く構造であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の気密性能試験方法。

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