Leckrate messen: acht Dekaden zwischen Druckabfall und Helium

Kaum eine Anforderung wird so oft ohne Nachdenken übernommen wie die Dichtheitsforderung. „Leckrate kleiner 10⁻³" steht im Pflichtenheft, und niemand fragt: bei welchem Prüfdruck, mit welchem Gas, über welche Zeit, bei welcher Temperaturstabilität. Genau diese vier Angaben entscheiden aber darüber, ob die Forderung mit einem Druckabfallprüfstand für zehntausend Euro oder mit einem Heliumlecksucher für das Zehnfache zu erfüllen ist.

Dieser Beitrag ordnet die Verfahren nach ihrer belegbaren Nachweisgrenze, erklärt die Umrechnungen zwischen Gasen und Einheiten, und zeigt an einem gerechneten Beispiel, warum die dominierende Fehlerquelle beim meistgenutzten Verfahren nicht das Leck ist, sondern die Temperatur.

01 · Was eine Leckrate ist

Die Definition ist unspektakulär und wird trotzdem selten sauber angewendet: Eine Leckrate von 1 mbar·l/s liegt vor, wenn in einem geschlossenen, evakuierten Behälter von einem Liter Volumen der Druck um ein Millibar je Sekunde steigt.^[1] Die Leckrate ist also ein pV-Durchsatz und keine Masse — sie hängt damit von Temperatur und Gasart ab, und beide gehören in die Angabe.

Als Standardbedingungen gelten üblicherweise ein Eintrittsdruck von 1013,25 hPa gegen etwa null hPa Austrittsdruck bei Raumtemperatur.^[2] Hier liegt bereits der erste Stolperstein: Die Vakuumtechnik rechnet meist bei 20 bis 25 °C, die ASTM-Praktiken für Massenspektrometer nennen Standardkubikzentimeter bei 0 °C.^[3] Zwischen beiden liegen sieben bis neun Prozent. Bei einem Abnahmegrenzwert ist das kein akademischer Punkt.

Wie dicht ist dicht genug?

Für die Einordnung hat sich eine Kriterientabelle eingebürgert, die in der Vakuumliteratur seit Jahrzehnten weitergereicht wird.^[1] Sie ist keine Norm, aber sie ordnet die Größenordnungen richtig ein:

Die letzte Zeile verdient eine Anmerkung. Am unteren Ende der Nachweisbarkeit, bei etwa 10⁻¹² mbar·l/s, entspräche das rechnerisch einer Öffnung von einem Ångström.^[1] Dort misst kein Verfahren mehr einen Materialfehler, sondern den Durchtritt von Gas durch die intakte Wand. Eine Dichtheitsforderung in dieser Größenordnung ist damit eine Werkstoff- und keine Fertigungsanforderung.

02 · Die Normenlage — und ihre Lücken

Wer sich auf eine Norm beruft, sollte prüfen, ob es sie noch gibt. Die europäische Normenfamilie zur Dichtheitsprüfung ist seit 2017 gespalten: Ein Teil wurde auf ISO-Ebene gehoben, ein Teil steht unverändert auf dem Stand von 1999 und 2001.

Auf der amerikanischen Seite sind die Praktiken für Massenspektrometer aktuell und nennen ausdrücklich Empfindlichkeitsbereiche: ASTM E493/E493M für das Inside-Out-Verfahren mit 10⁻¹⁰ bis 10⁻⁶ Pa·m³/s für Helium^[3], ASTM E498/E498M für die Prüfgassonde ab 1 · 10⁻⁸ Pa·m³/s^[16] und ASTM E499/E499M für die Schnüffelsonde ab 1 · 10⁻⁷ Pa·m³/s.^[17] Der oft zitierte Leitfaden ASTM E479 zur Erstellung einer Dichtheitsprüfvorschrift ist dagegen inaktiv.^[18]

03 · Die Verfahren und ihre Nachweisgrenzen

Die folgende Übersicht führt Werte aus drei unabhängigen Herstellerkompendien und einer Fachveröffentlichung zusammen.^{[1] [2] [4] [19]} Sie streuen teilweise um eine Dekade — das ist selbst ein Ergebnis und kein Mangel der Darstellung. Wo eine Quelle zwischen theoretischer und praktisch erreichter Grenze unterscheidet, ist beides eingetragen.

Aus der Abbildung lassen sich drei Konsensbereiche ablesen, die man guten Gewissens in ein Lastenheft schreiben kann. Das Druckabfallverfahren mit Luft erreicht theoretisch rund 10⁻⁴ mbar·l/s, industriell realistisch aber eher 10⁻³ bis 10⁻² mbar·l/s.^[4] Die Helium-Schnüffelprüfung liegt bei 10⁻⁷ bis 10⁻⁶ mbar·l/s. Die Helium-Integralprüfung in der Vakuumkammer erreicht rund 10⁻¹² mbar·l/s — übereinstimmend von allen drei Kompendien genannt.^{[1] [2] [4]}

Die Eigenheiten der einzelnen Verfahren

Druckabfall. Einfach, schnell, billig — und temperaturempfindlich bis zur Unbrauchbarkeit. Dazu Abschnitt 04. Weitere belegte Einschränkungen: Wasserkondensation verfälscht die Messung, und in der Vakuumtechnik ist das Verfahren praktisch bedeutungslos.^[1]

Druckanstieg im Vakuum. Vermeidet nach Herstellerangabe die Temperatureffekte^[4], handelt sich dafür aber die Wandausgasung ein. Das Unterscheidungskriterium ist elegant und gehört in jede Prüfvorschrift: Bleibt die Zeit für einen bestimmten Druckanstieg konstant, liegt ein Leck vor. Wird sie länger, war es Ausgasung.^[1]

Blasenprüfung. Anschaulich und normativ abgedeckt, aber mit zwei Haken. Das nasse Prüfteil muss anschließend getrocknet werden^[4] — bei getakteter Fertigung ein realer Zeitfaktor. Und beim Schaumsprühen hängt das Ergebnis von der Aufmerksamkeit des Prüfers ab^[4]; ein prozessfähiges Verfahren ist das nicht.

Schallemission. ISO 18081 nennt eine physikalisch grundlegende Einschränkung: Turbulente Strömung erzeugt detektierbare Emissionen, laminare Strömung in der Regel nicht.^[15] Gaslecks liefern stärkere Signale als Flüssigkeitslecks. Bei Zweiphasenströmung erzeugt Kavitation Signalspitzen, die um mindestens eine Größenordnung über den Turbulenzsignalen liegen.^[15]

Formiergas statt Helium. Ein Gemisch aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff erreicht Lecks von 5 · 10⁻⁷ mbar·l/s und hat gegenüber Helium drei nachweisbare Vorteile: Der atmosphärische Untergrund liegt bei 0,5 ppm gegenüber 5 ppm für Helium — also ein zehnfach besserer Ausgangspunkt für das Signal-Rausch-Verhältnis. Die dynamische Viskosität beträgt 8,7 µPa·s gegenüber 19,4 µPa·s bei Helium. Und das Gas haftet nicht an Oberflächen und lässt sich deutlich schneller ausspülen, was Verschleppung und Spülzeiten reduziert. Das Gemisch ist nach ISO 10156 als nicht brennbar eingestuft und kostet einen Bruchteil von Helium.^[19]

Farbeindringprüfung. Sie gehört systematisch nicht hierher. ISO 3452-1 ist ein Oberflächenrissprüfverfahren^[20] und liefert keine quantitative Leckrate — sie lokalisiert, sie misst nicht.

04 · Das Druckabfallverfahren und die Temperatur

Die Grundgleichung ist trivial: Aus einem Volumen V entweicht bei einer Leckrate q in der Zeit Δt ein Druckäquivalent Δp = q · Δt / V.^[1] Die Schwierigkeit liegt woanders — nämlich darin, dass eine Temperaturänderung im geschlossenen Volumen denselben Effekt erzeugt wie ein Leck, nur mit umgekehrtem Vorzeichen und meist größer.

Aus dem idealen Gasgesetz bei konstantem Volumen folgt unmittelbar Δp/p = ΔT/T. Bei Raumtemperatur sind das 0,34 % des Absolutdrucks je Kelvin — ein Wert, den zwei unabhängige Quellen bestätigen.^{[21] [22]} Bei einem Prüfdruck von 1 bar absolut entspricht ein Kelvin also rund 3,4 mbar, bei 2 bar absolut rund 6,8 mbar.

Wie sich das in einer realen Prüfung auswirkt, zeigt ein durchgerechnetes Beispiel: Prüfvolumen 110 cm³, Prüfdruck 2000 mbar absolut, 23 °C, zulässige Leckage 0,5 cm³/min, Prüfzeit 5 s.^[21]

Die zweite Grenze: die Auflösung des Sensors

Selbst ohne Temperaturdrift endet das Verfahren an der Auflösung des Druckaufnehmers. Ein Anwendungsbericht formuliert das an einem Beispiel unmissverständlich: Ein errechneter Druckabfall von 7,2 · 10⁻⁴ mbar ist auf einer Skala von 5 bar nicht darstellbar, weil Messgeräte mit dieser Auflösung nicht verfügbar sind.^[23] Als praktische Untergrenze werden rund 0,1 Pa genannt, also 0,001 mbar.^[24]

Daraus folgt unmittelbar — und das ist unsere Herleitung, keine Formel aus einer Norm — die kleinste nachweisbare Leckrate zu q_min = V · Δp_Auflösung / Δt. Sie ist proportional zum Prüfvolumen, umgekehrt proportional zur Prüfzeit und proportional zur Sensorauflösung. Genau deshalb bricht das Verfahren bei großen Volumina zusammen, und genau deshalb ist bei großen Prüflingen das Nachströmverfahren im Vorteil: Dort bestimmt die Drosselwirkung des laminaren Strömungselements die Prüfzeit und nicht mehr das Volumen.^[22]

05 · Umrechnen zwischen Gasen, Einheiten und Medien

Einheiten

Von Gas zu Gas

Welches Gesetz gilt, hängt vom Strömungsregime im Leck ab.^[1] Bei laminar-viskoser Strömung verhalten sich die Leckraten umgekehrt proportional zur dynamischen Viskosität, bei molekularer Strömung umgekehrt proportional zur Wurzel der Molmasse. Der Übergang liegt grob zwischen 10⁻⁶ und 10⁻⁴ mbar·l/s^[1]; eine zweite Quelle nennt als Mitte dieses Bereichs 10⁻⁴ mbar·l/s.^[2]

Für das gebräuchlichste Paar sind die Faktoren belegt: laminar gilt q_Luft = 1,08 · q_Helium, molekular q_Luft = 0,37 · q_Helium.^[2] Anders gelesen und für die Praxis wichtiger: Im molekularen Bereich ist die gemessene Heliumleckrate rund 2,7-mal größer als die entsprechende Luftleckrate. Wer eine Luftanforderung mit einem Heliumlecksucher prüft, muss diesen Faktor kennen — sonst lehnt er Teile ab, die die Anforderung erfüllen.

Von Gas zu Flüssigkeit — das Kapillarkriterium

Eine Umrechnung Gasleckrate zu Wasserleckrate existiert in der Literatur nicht, und das ist physikalisch konsequent: Für Flüssigkeiten gilt keines der beiden Gasströmungsgesetze. Stattdessen greift ein Kapillarkriterium für den größten Leckdurchmesser, den eine Flüssigkeit noch zurückhält:^[2]

Die belegten Zahlenbeispiele machen den Unterschied greifbar: Bei 0,3 MPa Druckdifferenz hält Wasser in Lecks unter etwa 1 µm Durchmesser, eine Harnstofflösung wie AdBlue dagegen erst unter 0,2 µm — ihre Oberflächenspannung liegt um mehr als den Faktor 50 unter der von Wasser. Sie kriecht damit durch Öffnungen, die von Wasser verschlossen werden.^[2]

Kältemittelverlust in Leckrate

Für Kälte- und Wärmepumpenanwendungen wird die Anforderung meist als Massenverlust pro Jahr formuliert. Die Umrechnung erfolgt über q = (m/M) · R · T / t. Für R134a nennt eine Quelle 1 g pro Jahr entsprechend 7,6 · 10⁻⁶ mbar·l/s^[4], eine andere 6,5 · 10⁻⁶ mbar·l/s.^[1] Die Nachrechnung mit den in der zweiten Quelle selbst angegebenen Größen — Molmasse 102,03 g/mol, 298 K — ergibt 7,7 · 10⁻⁶ mbar·l/s und stützt damit den ersten Wert.

06 · Kalibrierung: das Prüfleck

Jede quantitative Leckratenmessung hängt an einem Referenzleck. ISO 20486 regelt dessen Kalibrierung^[14] und liefert die für die Praxis wichtigsten Zahlen:

Der Unterschied im Temperaturkoeffizienten beträgt eine Größenordnung und ist damit das wichtigste Auswahlkriterium: Ein Permeationsleck in einer nicht klimatisierten Halle handelt sich bei ±5 K bereits ±17,5 % Unsicherheit ein — mehr als die typische Kalibrierunsicherheit. Das NIST bestätigt die Größenordnung unabhängig mit bis zu 4 % je Grad Celsius für Helium-Permeationslecks.^[25]

ISO 20486 nennt außerdem Handhabungsvorschriften, die in der Praxis regelmäßig unterlaufen werden: Temperaturangleich mindestens zwölf Stunden vor der Messung, Aufwärmzeit des Lecksuchers mindestens zwei Stunden, und bei Vakuumbetrieb mindestens 30 Minuten Abpumpen, um akkumuliertes Prüfgas zu entfernen.^[14] Als Referenzbedingungen gelten 20 °C und 1000 mbar Auslassdruck.

Zur erreichbaren Unsicherheit: Ein Hersteller gibt für ein kalibriertes Heliumleck bei 23 °C eine erweiterte Messunsicherheit von ±5,7 % bei 95 % Überdeckungswahrscheinlichkeit an, bei einem Toleranzband der Spezifikation von 20 % — daraus ein Testunsicherheitsverhältnis von 3,5 zu 1. Das Zertifikat gilt mindestens ein Jahr; die Leckrate sinkt jährlich um einen kleinen Prozentsatz, weil der Partialdruckunterschied zur Umgebung abnimmt.^[26]

Rückführbar sind solche Lecks über die nationalen Metrologieinstitute. Das NIST kalibriert Lecknormale von 1 · 10⁻⁶ bis 1 · 10⁻¹³ mol/s, mit temperaturabhängigen Messungen über 0 bis 50 °C.^[25]

07 · Was in unseren Feldern gefordert wird

Kälte und Wärmepumpen: die F-Gas-Verordnung

Die Verordnung (EU) 2024/573 ist am 11. März 2024 in Kraft getreten.^[27] Für Betreiber ortsfester Anlagen legt sie Dichtheitskontrollen mit gestaffelten Intervallen fest:^[28]

Ab 500 t CO₂-Äquivalent ist ein Leckage-Erkennungssystem verpflichtend, das den Betreiber oder ein Serviceunternehmen alarmiert; es ist mindestens jährlich zu überprüfen.^[28] Für die Prüfstandsauslegung folgt daraus eine Beobachtung, die selten ausgesprochen wird: Die Eintrittsschwelle von 5 t CO₂-Äquivalent wirkt bei modernen Kältemitteln völlig unterschiedlich. Bei R1234yf mit sehr niedrigem Treibhauspotenzial wird sie faktisch nie erreicht, bei älteren Gemischen schon bei wenigen Kilogramm.

In der Serienfertigung von Kälte- und Klimageräten hat sich als Zielgröße ein Kältemittelverlust von 0,5 g pro Jahr etabliert, entsprechend dem mittleren 10⁻⁶-Bereich in Standardkubikzentimetern pro Sekunde — anschaulich etwa eine Blase von drei Millimetern Durchmesser unter Wasser, alle 1,2 Stunden.^[29]

Flüssigkeitsgekühlte Elektronik

Das Open Compute Project verlangt für Kaltplatten eine Druckabfallprüfung nach EN 1779 mit dem Akzeptanzkriterium eines Druckabfalls unter 0,5 %, ergänzt durch eine Tauchbad-Blasenprüfung. Hinzu kommen eine hydrostatische Prüfung beim maximalen Betriebsdruck über fünf Minuten und eine Berstprüfung beim dreifachen Betriebsdruck über zwei Minuten.^[30] Die zugehörige Anforderungsspezifikation stellt zwei Regelwerke gegenüber: IEC 62368-1 verlangt Dichtheitsprüfungen beim dreifachen Normalbetriebsdruck und beim zweifachen Druck im Fehlerfall, ASME B31.3 beim 1,5-fachen Auslegungsdruck.^[31]

08 · Wie man eine Dichtheitsforderung schreibt

Aus dem Vorstehenden ergibt sich eine kurze Liste. Sie ist unsere Schlussfolgerung, nicht die einer Norm.

1. Zahlenwert mit Einheit und Prüfgas. „10⁻³ mbar·l/s Helium" und „10⁻³ mbar·l/s Luft" sind im molekularen Bereich um den Faktor 2,7 verschiedene Anforderungen.^[2]
2. Prüfdruck und Druckrichtung. Überdruck von innen oder Vakuum von außen — das ändert Verfahren und Ergebnis.
3. Prüfzeit und Beruhigungszeit. Beim Druckabfallverfahren bestimmen beide zusammen mit dem Volumen die Nachweisgrenze.
4. Temperaturbedingung. Zulässige Drift während der Prüfung, in Kelvin. Ohne diese Angabe ist eine Druckabfallforderung unter etwa 10⁻² mbar·l/s nicht prüfbar.^[21]
5. Bezugstemperatur der Leckratenangabe. 0 °C oder 20 °C — der Unterschied beträgt sieben bis neun Prozent.^[3]
6. Kalibriernachweis. Prüfleckart, Kalibrierintervall und Temperaturkoeffizient. Bei einem Permeationsleck gehört die Umgebungstemperatur in die Prüfvorschrift.^[14]
7. Reihenfolge im Prüfablauf. Dichtheitsprüfung vor jeder Nassprüfung.^[2]

Und eine Empfehlung zur Verfahrenswahl: Wer eine Anforderung unterhalb von etwa 10⁻³ mbar·l/s stellt, sollte den Druckabfall nicht mehr in Betracht ziehen. Die Lücke zwischen den druckbasierten und den prüfgasbasierten Verfahren ist real und beträgt mehrere Dekaden — sie lässt sich nicht durch längere Prüfzeiten schließen, sondern nur durch ein anderes Verfahren.

09 · Quellen

Alle Fundstellen wurden im August 2026 abgerufen. Wo Normtexte hinter Bezahlschranken liegen, sind die Katalogeinträge der Herausgeber angegeben; Zahlenwerte aus solchen Normen stammen aus frei zugänglichen Vorschaufassungen und sind vor einer verbindlichen Verwendung am Originalexemplar zu prüfen.