KR20110055334A - 리크 디텍터 및 누설 검출 방법 - Google Patents

리크 디텍터 및 누설 검출 방법 Download PDF

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KR20110055334A
KR20110055334A KR1020100011947A KR20100011947A KR20110055334A KR 20110055334 A KR20110055334 A KR 20110055334A KR 1020100011947 A KR1020100011947 A KR 1020100011947A KR 20100011947 A KR20100011947 A KR 20100011947A KR 20110055334 A KR20110055334 A KR 20110055334A
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타카유키 마에히라
류이찌 와카마쯔
에이이치 사토
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가부시키가이샤 알박
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Abstract

본 발명은 단시간에 효율적으로 리크 테스트할 수 있도록 한 리크 디텍터를 제공한다. 헬륨 가스를 이용해 시험체로부터의 미소한 리크의 유무를 검지하는 본 발명의 리크 디텍터(10)는 시험체(TP)가 배치되는 진공 챔버(1)로부터 진공 펌프(6)로 연결된 배기관(5) 내에 삽입되어 배치되고, 이 배기관내의 유선 방향에 대해서 열린 개구부(16a)를 갖는 가이드관(16)을 포함한다. 그리고, 헬륨을 검출하는 질량 분석관(11)을 개폐변(V3)을 통해 상기 가이드관에 접속한다.

Description

리크 디텍터 및 누설 검출 방법{LEAK DETECTOR AND METHOD OF DETECTING LEAK}
본 발명은, 기밀 용기, 배관, 또는 밸브 등에 대해 리크(leak; 누설)의 유무를 검출하기 위해서 이용되는 리크 디텍터(leak detector) 및 누설 검출 방법에 관한 것이다.
기밀 용기, 배관, 또는 밸브 등의 시험체로부터의 미소한 리크(leak)의 유무를 검출(검사)하는 리크 테스트(누설 검출 방법)에 리크 디텍터를 이용하는 것이 종래부터 알려져 있다(예를 들면, 일본특허출원공개 제1998-38746호). 리크 디텍터는, 진공중의 가스 분자를 이온화하여, 헬륨 이온만을 선별해 이온 컬렉터(collector)에 입사시켜, 이온 전류로 진공 중에 새는 헬륨 가스를 정량적으로 검출가능하도록 구성한 질량 분석기(spectrometer)를 포함한다. 질량 분석기는 진공 분위기의 형성이 가능한 진공 챔버로부터 진공 펌프로 통하는 배기관으로부터 분기한 분기관(branch pipe)에 개폐변을 개입시켜 설치된다.
여기서, 상기 종래 예의 리크 디텍터를 이용하여 탱크 등의 기밀 용기를 진공 분위기의 형성이 가능한 테스트 챔버(진공 챔버) 내에 배치해 리크 테스트하는 경우를 예를 들어 설명하면, 먼저, 시험체인 기밀 용기를 테스트 챔버 내에 수용한 후, 이 시험체 내에 헬륨 가스를 봉지하고, 아울러 테스트 챔버를 진공 배기하여 진공 분위기로 만든다. 그리고, 시험체로부터의 리크가 있었을 경우에는, 진공 분위기에 혼입하는 헬륨 가스의 유무가 리크 디텍터로 검출된다.
그러나, 상기 종래 예의 경우, 헬륨을 검출하는 감도를 높이기 위해서, 테스트 챔버 내의 압력이 소정치(예를 들면, 10 Pa)에 이르는 것을 기다려 리크 테스트를 한다. 즉, 테스트 챔버를 대기압으로부터 진공 배기할 때, 처음에는 배기관내의 흐름 상태가 점성류이며, 분기관을 거쳐 질량 분석기까지 인도되는 헬륨의 양이 적다. 따라서, 테스트 챔버 및 배기관이 소정 압력(예를 들면, 10 Pa)까지 감압되어 헬륨이 자유 확산하여, 분기관을 거쳐 질량 분석기까지 인도되는 것을 기다려 리크 테스트가 행해진다. 그 결과, 리크 테스트 개시까지 시간이 걸린다고 하는 불편함이 있다.
본 발명은 상기 설명한 문제에 대해, 단시간에 효율적으로 리크 테스트할 수 있도록 한 리크 디텍터 및 누설 검출 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 헬륨 가스를 이용해 시험체로부터의 미소한 리크의 유무를 검출하는 리크 디텍터로서, 시험체가 배치되는 진공 챔버로부터 진공 펌프로 통하는 배기관 내에 삽입되고 이 배기관내의 유선 방향으로 통하는 개구부를 갖는 가이드관, 및 이 가이드관에 개폐변을 통해 접속되어 헬륨을 검출하는 질량 분석기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 시험체 내에 헬륨 가스를 봉지하고, 이 시험체를 진공 챔버 내에 배치한 후, 또는, 시험체를 진공 챔버 내에 배치한 후에 이 시험체에 헬륨 가스를 봉입하는 조작과 동시에, 진공 챔버 내를 진공 배기해 진공 분위기를 형성한다. 이때, 시험체에 리크가 있으면, 이 시험체로부터 누설한 헬륨이 진공 챔버를 거쳐 배기관으로 인도된다. 여기서, 본 발명에서는, 배기관에 가이드관이 삽입되어 있기 때문에, 진공 배기를 개시한 직후부터 배기관에 인도된 헬륨의 일부가 가이드 관내로 인도된다. 이 상태로, 진공 챔버내의 압력이 소정치까지 감압된 후에 개폐변을 열면, 가이드 관내의 헬륨은 질량 분석기로 인도되게 된다. 그 결과, 시험체로부터 누설한 헬륨의 자유 확산을 기다리는 것 없이, 소정 감도에서의 리크 테스트를 할 수 있는 양의 헬륨이 질량 분석기로 도달하게 된다.
이와 같이 본 발명은, 진공 챔버의 진공 배기 개시와 함께 배기관으로 인도된 헬륨을 배기관내의 가이드관을 통해 질량 분석기로 효율적으로 인도하여, 조기에 리크 테스트를 할 수 있다. 이 때문에, 헬륨의 자유 확산을 기다리는 종래 기술과 비교해, 리크 테스트 개시까지의 시간을 단축가능하고, 나아가서는, 시험체의 리크 테스트에 필요로 하는 시간을 대폭 단축할 수 있다. 덧붙여 본 발명에 있어서의 시험체란, 탱크나 패키지등의 기밀 용기, 배관, 또는 밸브 등의 기밀성이 요구되는 부품을 말하며, 진공 챔버 자체의 누설 검출에도 본 발명의 리크 디텍터는 이용가능하다.
또한, 본 발명은 바람직하게는 상기 가이드관은 소정 길이의 통부(tubular portion)를 가지며, 이 통부가 상기 배기관에 동심으로 배치된다. 이것에 의하면, 가이드관의 통부와 배기관 내벽과의 사이에 소정 길이의 배기 통로가 이루어져 등방 배기되는 것으로, 배기 속도의 저하량을 줄일 수 있다.
게다가 본 발명은 바람직하게는, 상기 통부의 개구부가 그 단부로 향해 확장된다. 이것에 의하면, 배기관으로 인도된 헬륨을 한층 효율적으로 가이드관을 지나 질량 분석기로 인도할 수 있다. 덧붙여 본 발명은 바람직하게는, 배기 속도의 저하를 억제하기 위해서, 가이드관의 외경은, 배기관의 내경의 1/5~1/4배의 범위, 예를 들면 1/4배 정도이고, 또한, 가이드관 첨단의 개구부의 외경은, 배기관의 내경의 1/4~1/3배 정도이다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 누설 검출 방법은, 헬륨 가스를 봉입한 시험체를 진공 챔버 내에 배치하고 이 진공 챔버를 진공이 되게 하거나, 시험체를 진공 챔버 내에 배치하고 이 시험체에 헬륨 가스를 봉입하면서 진공 챔버내를 진공이 되게 하는 단계, 및 진공 챔버의 진공 배기 개시와 함께, 진공 챔버로부터 진공 펌프에 통하는 배기관으로 인도된 헬륨의 일부를 질량 분석기로 인도하여, 헬륨의 자유 확산을 기다리는 것 없이 리크 테스트를 개시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
덧붙여 리크 테스트를 개시할 때의 진공 챔버의 압력을 100~10 Pa의 범위, 바람직하게는 100 Pa정도로 하는 것이 유리하다. 이러한 압력 범위외에서는, 진공 펌프로서 터보 분자 펌프(turbo molecular pump)를 이용하는 경우에, 이 터보 분자 펌프에 과부하가 생긴다.
도 1은 본 발명의 리크 디텍터를 이용해 시험체의 리크 테스트를 실시하는 설비를 도시하는 개략도이다.
도 2는　도 1의 일부분의 확대도이다.
도 3은　본 발명의 리크 디텍터에 의한 리크 테스트 개시를 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조해, 탱크등의 기밀 용기를 시험체(TP)로 하여, 이 시험체(TP)를 진공 분위기의 형성이 가능한 테스트 챔버(진공 챔버) 내에 설치해 리크 테스트를 실시하는 경우를 예로 하여 본 발명의 실시 형태의 리크 디텍터를 설명한다.
도 1을 참조하면, 1은 시험체(TP)의 리크 테스트를 하는 테스트 챔버(진공 챔버)이다. 테스트 챔버(1)는, 소정 용적을 가지며, 그 저면에는 시험체(TP)를 보관 유지하는 보관 유지대(2)가 설치되어 있다. 테스트 챔버(1)의 측면에는, 도시되지 않은 O링등의 진공 씰(seal)을 개입시켜 가요성(flexible)을 가지는 배관(3)이 끼워 넣어져 있다. 테스트 챔버(1) 내에 존재하는 배관(3)의 일단은 보관 유지대(2)에 보관 유지된 시험체(TP)에, 예를 들면, 도시되지 않은 O링 첨부 플랜지를 통해 접속할 수 있게 되어 있다. 한편, 테스트 챔버(1) 외부에 존재하는 배관(3)의 타단은 개폐변(V1)을 개입시켜 헬륨 가스를 저장한 헬륨 가스원(도시되지 않음)에 접속되어 있다. 덧붙여 배관(3)에는 전환 밸브를 통해, 도시되지 않은 다른 배관 및 진공 펌프가 설치되어 시험체(TP)에 공기나 불활성 가스의 공급과 시험체(TP)내의 배기를 할 수 있도록 구성되어 있다. 이 경우, 배기용의 배관은 후술의 진공 펌프에 접속해 1개의 진공 펌프로 테스트 챔버(1) 내의 배기와 겸용할 수 있도록 구성할 수 있다.
테스트 챔버(1)에는 배기구(1a)가 형성되어 있다. 이 배기구(1a)에는, 개폐변(V2)이 설치된 배기관(5)이 접속되어 이 배기관(5)이 진공 펌프 P1에 연결되어 있다. 진공 펌프(P1)는 테스트 챔버(1)의 용적이나 리크 테스트시의 테스트 챔버(1) 내의 압력 범위에 응해 로터리 펌프나 터보 분자 펌프 등으로부터 적당히 선택된다. 또한, 테스트 챔버(1)에는 피라니(pirani) 게이지나 이온 게이지 등의 테스트 챔버용의 진공계(G1)가 설치되어 있다. 그리고 배기관(5)에 리크 디텍터(10)의 질량 분석기(11)가 장착되어 있다. 이하, 본 실시 형태의 리크 디텍터(10)의 구성을 설명한다.
리크 디텍터(10)는 케이스(10a)를 가지며, 이 케이스(10a) 내에는, 질량 분석기(11)와 이 질량 분석기(11)에 배기관(12)을 통해 접속된 터보 분자 펌프(진공 펌프)(P2)가 내장되고, 이러한 부품을 포함한 리크 디텍터(10)의 작동은 마이크로 컴퓨터 등을 갖춘 제어 유닛(13)에 의해 총괄 제어된다. 덧붙여 터보 분자 펌프에는 로터리 펌프 등의 백 펌프(P3)가 접속된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 질량 분석기(11)는 실질적으로 L자 모양에 굴곡 된 본체(11a)를 포함한다. 본체(11a) 내에는 후술하는 도입관에 연결되는 가스 도입구(11b)를 통해 도입된 진공 중의 가스 분자를 이온화하는 이온 소스(11c)와, 이 이온 소스(11c)로부터 일정한 가속 전압하에서 방출된 이온을 질량수에 대응해 편향시키는 자장을 형성하기 위한 자석(11d)으로 헬륨 이온을 포집하는 이온 컬렉터(11e)를 포함한다. 그리고, 자석(11d)으로 편향시킨 가스 이온 중 헬륨 이온만이 슬릿판(11f)을 거쳐 이온 컬렉터(11e)에 이르도록 구성되어 이온 컬렉터(11e)를 흐르는 이온 전류가 도시되지 않은 전류계에서 검출되어 그 때의 이온 전류치가 제어 수단(13)으로 출력된다. 이 때의 이온 전류치로부터 헬륨의 누설량이 검출된다. 이 경우, 디스플레이(14)를 설치하여 헬륨의 누설량을 표시할 수 있다. 덧붙여 도 1 중에서, 일점쇄선은 제어 유닛(13)과 각 부품과의 제어 신호선이다.
또한, 질량 분석기(11)의 가스 도입구(11b)에는 개폐변(V3)이 개설된 배관 (15)이 접속되며, 이 배관(15)에는 배기관(5) 내에 끼워진 이 배기관(5) 내의 유선 방향(도 1중, 화살표로 가리키는 방향)에 대응하는 열린 개구부(16a)를 갖춘 가이드관(16)이 접속되어 있다. 배관(15)에는 피라니 게이지나 이온 게이지등의 진공계(G2)가 설치되어 질량 분석관(11)으로 통하는 배관(15) 내의 압력을 측정할 수 있게 되어 있다. 가이드관(16)은 배기관(5)에 동심으로 배치된 소정 길이의 통부(16b)를 가지며, 이 통부(16b)의 일측은 굴곡 되어 배기관(5)을 관통해 배기관(5) 외측까지 늘어난다. 또한, 통부(16b)의 타측인 개구부(16a)는, 그 첨단 방향을 향해, 즉, 배기구(1a) 방향을 향해 확장된다. 이것에 의해, 테스트 챔버(1)를 진공 배기했을 때에 배기관(5)으로 인도되는 헬륨 가스가 질량 분석기(11)로 적극적으로 인도되게 되어 있다. 이 경우, 가이드관(16)의 통부(16b)의 외경은 배기관(5)의 내경의 1/5~1/4배 정도의 범위(예를 들면, 1/4배)가 바람직하고, 또한, 개구부(16a) 첨단의 외경은, 배기관(5)의 내경의 1/4~1/3배 정도가 바람직하다.
이하에, 상기 리크 디텍터(10)를 이용한 본 발명의 누설 검출 방법인 리크 테스트에 대해 설명한다. 먼저, 대기 상태의 테스트 챔버(1) 내의 보관 유지대(2) 상에 시험체(TP)를 설치하고, 이 시험체(TP)에 배관(3)의 일단을 접속한다. 이 상태로, 시험체(TP)에 대해서 대략적(gross) 리크 테스트를 실시한다. 대략적 리크 테스트는, 시험체(TP)내에, 배관(3)을 개입시켜 질소나 공기 등의 기체를 도입하고 시험체(TP)내를 가압하여, 그 때, 도입하는 기체의 압력 변동을 이용하여 행해진다.
대략적 리크 테스트가 종료하면, 예를 들면, 개폐변(V2)의 닫힌 상태로, 도시되지 않은 시험체(TP) 배기용의 진공 펌프를 작동하여 시험체(TP)내로부터 이 기체를 진공 배기해, 시험체 내의 압력이 소정치(예를 들면, 1000 Pa)에 이르면, 진공 배기를 정지한 후, 배관(3)을 개입시켜 헬륨 가스를 시험체(TP)내에 봉입한다. 그리고, 소정 압력까지 헬륨이 도입되면, 개폐변(V1)을 닫아서 시험체(TP)내에 헬륨을 봉지한다. 이 조작과 병행해, 개폐변(V2)를 열어 진공 펌프(P1)에 의해 테스트 챔버(1) 내를 진공 배기한다.
한편, 리크 디텍터(10)는 제어 유닛(13)에 의해 개폐변(V3)의 닫힌 상태로 진공 펌프(P2)를 작동시켜 질량 분석기(11) 내를 배기한 후, 공지의 방법으로 질량 분석기(11)의 교정이 수행되고, 스탠바이 상태로 유지된다. 테스트 챔버(1) 내의 압력이 소정치에 이르면, 개폐변(V3)을 열어 리크 테스트가 개시된다. 덧붙여 리크 테스트 개시시(즉, 개폐변(V3)을 열 때)의 테스트 챔버(1)의 압력은 100~10 Pa의 범위, 바람직하게는 100 Pa정도로 한다. 이러한 압력 범위외에서는, 터보 분자 펌프(P2)에 과부하가 생긴다. 그리고, 시험체(TP)로부터 헬륨이 누설하고 있는 경우, 테스트 챔버(1)의 진공 배기 개시 직후부터, 배기관(5)으로 인도된 헬륨이 가이드관(16)을 통해 질량 분석기(11)로 적극적으로 인도되어 질량 분석기(11)의 이온 컬렉터(11e)에 포집되어 이 이온 컬렉터(11e)를 흐르는 이온 전류가 전류계에서 검출되어 제어 유닛(13)으로 출력되고, 이때의 이온 전류치로부터 헬륨의 누설량이 검출된다.
시험체(TP)의 리크 테스트가 종료하면, 개폐변(V3)을 닫고, 리크 디텍터(10)는 스탠바이 상태로 돌아온다. 한편으로, 테스트 챔버(1)에서는 배관(3)의 개폐변(V1)이 닫혀 도시되지 않은 벤트(vent) 밸브가 작동해 대기 상태에 되돌려진다.
여기서, 도 3을 참조해 설명하면, 상기 종래 예의 리크 디텍터에서는 테스트 챔버를 대기압으로부터 진공 배기할 때, 처음에는 배기관내의 흐름 상태가 점성류이며, 분기관을 거쳐 질량 분석관까지 인도되는 헬륨의 양이 적다. 이 때문에, 진공 챔버 및 배기관이 소정 압력(예를 들면, 10 Pa)까지 감압되어 헬륨이 자유 확산해, 분기관을 거쳐 질량 분석관까지 인도되는 되는 것을 기다려 리크 테스트를 한다.
이와 관련하여, 본 실시 형태의 리크 디텍터(10) 및 누설 검출 방법에서는 테스트 챔버(1)을 진공 배기했을 때에 시험체(TP)에 리크가 있으면, 이 시험체(TP)로부터 누설한 헬륨은 테스트 챔버(1)의 배기 직후부터 테스트 챔버(1)를 거쳐 배기관(5)으로 인도된다. 이때, 이 배기관(5)으로 인도된 헬륨의 일부가 가이드관(16)을 통해 질량 분석기(11)로 인도된다. 그 결과, 시험체(TP)로부터 누설한 헬륨의 자유 확산을 기다리는 것 없이, 소정 감도에서의 누설 검출을 할 수 있는 양의 헬륨이 질량 분석기(11)로 도달하게 된다. 그 결과, 헬륨이 자유 확산하는 압력까지 테스트 챔버(1)나 배기관(5)이 진공 배기되기 전의 소정 압력(예를 들면, 100 Pa)으로 리크 테스트를 개시할 수가 있고, 나아가서는 시험체(TP)의 리크 테스트에 필요로 하는 시간을 대폭 단축할 수 있다. 또한, 테스트 챔버(1)로부터 진공 펌프(P1)로 통하는 배기관(5)에 질량 분석기(11)를 다는 구성으로 했기 때문에, 테스트 챔버(1)에 질량 분석기(11)의 설치용 플랜지등을 형성해 둘 필요가 없고, 테스트 챔버(1)의 구성도 간소화할 수가 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 가이드관(16)이 소정 길이의 통부(16b)를 가지며, 이 통부(16b)가 배기관(5)에 동심으로 배치되고 있기 때문에, 이 통부(16b)와 배기관(5) 내벽과의 사이에 소정 길이의 배기 통로가 형성되어 등방(isotropic) 배기되며, 배기 속도의 저하량을 줄일 수 있다. 한편, 개구부(16a)의 첨단이 확장되어, 배기관(5)으로 인도된 헬륨을 한층 효율적으로 가이드관(16)을 통해 질량 분석기(11)로 인도할 수가 있다.
덧붙여 상기 실시 형태에서는, 가이드관(16)이 통부(16b)를 갖추는 것을 예로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 배기관(5)으로 인도된 헬륨 가스를 테스트 챔버(1)의 배기 직후부터 질량 분석기(11)로 인도할 수 있다면, 그 형상 등은 문제가 되지 않는다.
또한, 테스트 챔버(1)에 배관(3)을 설치하고, 시험체(TP)를 설치한 상태로 이 테스트 챔버(1)의 진공 배기와 병행해서, 시험체(TP)에의 헬륨 가스의 봉입 조작을 할 수 있도록 구성되어 있지만, 시험체(TP)에 헬륨을 봉지한 상태로 테스트 챔버(1)에 이송해 리크 테스트를 실시하여도 괜찮다.
또한, 상기 실시 형태에서는 테스트 챔버(1)에 시험체(TP)를 수용하고, 이 시험체(TP)의 리크 테스트를 실시하는 것을 예로 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 스퍼터링(sputtering) 장치나 에칭(etching) 장치의 처리 챔버를 시험체로 해, 그 리크 테스트를 실시하는 것 같은 경우에도 본 발명은 적용할 수 있다.
1: 테스트 챔버(진공 챔버)
5: 배기관
10: 리크 디텍터
11: 질량 분석기
16: 가이드관
16a: 개구부
16b: 통부
P1, P2: 진공 펌프
TP: 시험체

Claims (5)

  1. 헬륨 가스를 이용하여 시험체로부터의 미소한 리크(leak; 누설)의 유무를 검출하는 리크 디텍터(leak detector)에 있어서,
    시험체가 배치되는 진공 챔버로부터 진공 펌프로 통하는 배기관 내에 삽입되고, 상기 배기관내의 유선 방향으로 열린 개구부를 갖는 가이드관; 및
    상기 가이드관에 개폐변을 통해 접속되며, 헬륨을 검출하는 질량 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 리크 디텍터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드관은 소정 길이의 통부를 포함하고, 상기 통부는 상기 배기관에 동심으로 배치된 것을 특징으로 하는 리크 디텍터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 통부의 개구부는 그 배기관의 단부를 향해 직경 방향으로 확장된 것을 특징으로 하는 리크 디텍터.
  4. 누설 검출 방법에 있어서,
    헬륨 가스를 봉지한 시험체가 배치된 진공 챔버를 진공 배기(evacuating)하거나, 시험체가 배치된 진공 챔버를 진공 배기하면서 상기 시험체에 헬륨 가스를 봉입하는 단계; 및
    상기 진공 챔버의 진공 배기 개시와 동시에 상기 진공 챔버로부터 진공 펌프로 연결된 배기관으로 인도된 헬륨의 일부를 질량 분석기로 인도하여, 상기 헬륨의 자유 확산을 기다리지 않고 누설 검출을 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 검출 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    리크 테스트(leak test)를 개시할 때의 상기 진공 챔버의 압력이 100 Pa 내지 10 Pa의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는 누설 검출 방법.
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