HVACR 제조 분야에서 적합한 누설 검사 방법을 선택하는 방법

가장 오래된 방법 중 하나이자 여전히 널리 사용되는 방식은 ‘수중 침지법’으로, ‘수조 시험’ 또는 ‘기포 시험’이라고도 불립니다. 원리는 간단합니다. 부품을 가압한 뒤 물에 담그고, 작업자가 기포가 수면으로 올라오는지 확인하는 것입니다. 이 원리는 자전거 타이어에 펑크가 났는지 확인하는 것과 비슷해 매우 직관적입니다.
실제로 수조 시험을 통해 약 5×10⁻² mbar l/s 수준의 누설률을 감지할 수 있으며, 이는 느리지만 육안으로 확인할 수 있는 기포 흐름으로 나타납니다. 그러나 누설률이 1×10⁻⁴ mbar l/s가 되면 기포 형성이 극도로 느려져, 기포 하나가 나타나는 데 약 30초가 걸립니다.

이론상의 검출 한계는 이보다 훨씬 낮지만, 실제 환경에서는 시편의 형상에 따라 검출 성능이 현저히 저하됩니다. 개방된 수역에서는 자유롭게 떠오르는 기포라도, 복잡한 형상의 부품에서는 쉽게 분리되지 않을 수 있습니다. 또 다른 단점은 이 방법이 수분과 접촉해서는 안 되는 부품에는 적용할 수 없다는 점입니다.

마지막으로 인적 요인이 있습니다. 기포가 감지되는지 여부는 전적으로 해당 날의 작업자의 주의력과 상태에 달려 있습니다. 그 결과, 수조법을 사용할 경우 위음성 결과가 나올 위험이 상대적으로 높습니다.

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이 방법은 간단하고 비교적 비용이 저렴하지만, 그 효과는 작업자의 주의력과 숙련도에 크게 좌우됩니다. 이론적으로 비누 스프레이 검사는 1×10⁻³ mbar l/s 정도의 미세한 누설도 감지할 수 있습니다. 그러나 실제로는 수조 검사보다 감도가 낮아, 현실적인 감지 한계는 약 5×10⁻² mbar l/s 수준입니다.
비누 스프레이 검사에는 특정한 문제점도 있습니다. 공기가 거품을 날려버려 누설 부위가 밀폐된 것처럼 보일 수 있기 때문에 큰 누설은 감지되지 않을 수 있습니다. 또한, 누설 감지 스프레이가 표면에 잘 달라붙지 않고 흘러내릴 경우, 부품의 밑면과 같은 특정 부위는 검사하기가 특히 어려워집니다.

압력 변화를 모니터링하여 누설을 감지하는 주요 기술로는 압력 강하법, 차압법, 압력 상승법 등 세 가지가 있습니다. 이 세 가지 방법 모두 일체형 누 검사에 널리 사용되며, 그중에서도 압력 강하법이 산업 현장에서 가장 흔히 사용됩니다.

압력 강하 시험

압력 강하 시험에서는 부품을 설정된 과압 상태로 채운 후 안정화되도록 기다린 다음, 압력 저하 여부를 모니터링합니다. 압력이 감소하면 누설이 있는 것입니다. 이론적 검출 한계는 약 1×10⁻³ mbar l/s이지만, 실제로는 온도 변동으로 인해 감도가 대개 1×10⁻² mbar l/s에 가깝습니다. 온도 변동은 누설과 유사한 압력 변화를 일으키거나 실제 누설을 감추는 원인이 될 수 있습니다. 

차압 시험

차압 시험은 시험 대상 부품을 누설이 없는 기준 부품과 비교함으로써 감도를 높입니다. 이러한 방식을 통해 미세한 압력 차이까지 감지할 수 있으며, 이론적 한계치는 1×10⁻⁴ mbar l/s이고 실제 측정값은 약 1×10⁻³ mbar l/s 수준입니다.

압력 상승 시험

압력 상승 시험은 진공 밀폐 부품에 사용됩니다. 부품 내부에 진공 상태를 조성한 후, 압력이 상승하는 속도를 통해 누설률을 측정합니다. 이론상 감도는 1×10⁻⁴ mbar l/s이지만, 실제로는 대개 1×10⁻³ mbar l/s 정도의 누설을 감지합니다.

이 세 가지 방법은 산업 현장에서의 통합 누설 검사에 신뢰할 수 있는 대안을 제공하지만, 적절한 방법을 선택할 때는 온도 영향, 장비 설치, 부품 제약 조건과 같은 실질적인 한계를 반드시 고려해야 합니다.

헬륨은 가장 널리 사용되는 추적 가스입니다. 화학적 비활성, 무독성, 불연성 특성을 지니고 있으며 분자량이 4로 낮아 누설 검사에 특히 적합합니다. 또 다른 주요 장점은 낮은 배경 농도입니다. 헬륨은 공기 중에서 자연적으로 약 5ppm 정도만 존재합니다.
진공 챔버에서 수행하는 통합 헬륨 누설 검사에서는, 검사 대상물을 수동으로 또는 로봇 팔과 같은 장치를 통해 자동으로 챔버에 배치합니다. 펌프를 사용하여 진공을 생성한 후, 검사 대상물 내부의 공기를 먼저 배출하고 헬륨 추적 가스로 채웁니다. 이 방법은 엄격한 기밀성 요구 사항과 진공 펌프의 비용으로 인해 비교적 복잡하지만, 중요한 이점을 제공합니다.

진공 챔버에서 수행하는 헬륨 검사는 모든 추적 가스 방법 중 가장 민감한 방식입니다. 검출에 사용되는 질량 분석기는 최적의 조건에서 1×10⁻¹² mbar l/s에 이르는 누설률을 측정할 수 있습니다. 진공 방식은 제조된 모든 부품에 대해 통합 누설 검사를 실시하는 자동화 생산 공정에서의 인라인 테스트에 특히 적합합니다. 짧은 테스트 주기와 빠른 처리 속도는 특히 완전 자동화 작업 환경에서 주요한 장점입니다. 또한 높은 감도 덕분에 헬륨 농도를 10% 수준까지 대폭 낮출 수 있어, 테스트 가스 비용을 그만큼 절감할 수 있습니다.

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냉매를 추적 가스로 사용하기

HVACR 생산 과정에서 냉장고나 열교환기 같은 부품들은 종종 최종 라인 테스트 단계에서 이미 냉매가 충전된 상태입니다. 제조업체들은 별도의 추적 가스를 주입하는 대신, 이러한 점을 활용하여 기존에 충전된 기체 상태의 냉매를 누설 검출용 추적 가스로 사용할 수 있습니다. 이러한 경우, R1234yf(2,3,3,3-테트라플루오로프로펜)와 같은 합성 화합물부터 R290(프로판), R600a(이소부탄), R744(CO₂)와 같은 천연 냉매에 이르기까지 다양한 냉매가 추적 가스로 사용될 수 있습니다.

최신 누설 감지기는 이러한 다양한 상황을 처리할 수 있도록 설계되었습니다. 일부 다중 가스 시스템은 여러 냉매를 동시에 감지할 수도 있어, 서로 다른 가스가 사용되는 복합 생산 라인에 이상적입니다. 냉매 기반 누 감지의 목적은 주로 완제품의 주요 연결 부위가 밀폐되어 있는지 확인하는 데 있습니다. 그러나 이 방법은 생산 과정에서 검사에 불합격하여 라인에서 제외된 부품의 누설 위치를 파악하는 데에도 활용될 수 있으며, 이를 통해 재작업 단계에서 해당 부품을 수리할 수 있게 해줍니다.

Ecotec 4000과 같은 매우 민감한 다중 가스 누설 감지기는 연간 0.05g에 불과한 R600a 누설도 감지할 수 있습니다. 이러한 높은 감도 덕분에 제품이 공장을 출하하기 전에 아주 미세한 누도 확실히 파악할 수 있습니다.