316 ステンレス鋼シースの壁の厚さは、高湿度環境における漏電電流経路と絶縁抵抗の劣化にどのような影響を及ぼしますか?{1}}

屋外用途、食品加工、医薬品製造などで電気浸漬ヒーターを扱う電気安全検査官や品質保証エンジニアは、高湿度環境での絶縁抵抗の劣化を常に懸念しています。抵抗線の周囲の酸化マグネシウム絶縁体は吸湿性があり、シースが完全に密閉されていない場合、ヒーターに通電していないときに空気中の水分を吸収します。水分を吸収すると絶縁抵抗が低下します。これにより漏れ電流が流れ、地絡防止システムが作動し、極端な状況では感電の危険が生じる可能性があります。 316 ステンレス鋼のシース材料の壁の厚さは、水分の侵入率と漏れ電流の電気チャネル長の両方に影響します。この記事では、シースの壁の厚さ、湿気の拡散、絶縁抵抗の劣化の関係を評価し、高湿度環境での使用に向けた選択の提案を提供します。

316SS シースとエンドシールを介した水分拡散
水蒸気は 316 ステンレス鋼のシース壁を通って、または抵抗線がシースから出るエンドシールを通って拡散し、MgO 絶縁体に浸透する可能性があります。 316 ステンレス鋼の水蒸気の透過性は非常に低いですが、ゼロではありません。厚さ 1.0 mm の 316 を通る 40 度、相対湿度 100% での定常状態の水蒸気透過率は約 0.001 g/m2/日です。これは、1 年間にシース表面 1 平方メートル当たり拡散する水は 0.4 グラム未満であり、通常のヒーター サイズでは無視できる程度です。水分の主な侵入メカニズムは、エンドシール、特にシース、MgO、およびセラミック端子ビーズ間の接触部の微細な細孔を介するものです。 1.0 mm 未満の薄壁シースの場合、シースの機械的コンプライアンスにより、熱サイクル中にわずかな変形が許容され、端部シールの隙間が開いたり閉じたりして、湿った空気が MgO に送り込まれます。ただし、1.8 mmを超える厚肉シースでは剛性が高いため、このポンピング作用が妨げられ、湿気の侵入速度が5〜10倍減少します。したがって、水分侵入に対する壁厚の影響は間接的ですが重要です。壁が厚いほど、熱サイクル下でもエンドシールの完全性がよりよく保持されます。

シース肉厚と漏れ電流の経路長
水分子が MgO 粒子の表面に沿って導電チャネルを形成するため、水分子が MgO に浸透すると、絶縁抵抗が低下します。抵抗線から接地された 316 シースへの漏れ電流は、MgO 層を通って放射状に誘導されました。この経路の抵抗は R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L) です。ここで、rho は湿った MgO の抵抗率、r2 と r1 は MgO 層の外半径と内半径、L は加熱された長さです。シースの壁の厚さを増やすと、シースが半径方向のスペースをより多く占めるため、特定の外側シース直径と固定抵抗線の直径については、実際には MgO 層の厚さが減少します。壁が厚くなると、ワイヤとシース間の MgO が少なくなります。この半径方向の距離が小さくなると、所定の含水量に対する絶縁抵抗が低下し、漏れ電流の問題が悪化します。たとえば、外径 10 mm のシースと直径 3 mm の抵抗線について考えてみましょう。 MgO層の厚さは10 - 2×1.0 - 3=5 mmで、壁の厚さは1.0 mmです。壁厚が 2.0 mm の場合、MgO 層の厚さは 10 - 4 - 3=3 mm です。 MgO 層が薄いと、同じ MgO 抵抗率の場合、半径方向の絶縁抵抗が約 40% 減少します。したがって、壁の厚いシースは、漏れ電流チャネルを妨げる MgO が少ないため、湿気が浸入した場合に絶縁抵抗が低下しやすくなります。

エンドシールの完全性にとって重要な壁の厚さ
次の表は、予想される熱サイクル周波数と、長期間の保管またはアイドル時間の後に必要な絶縁抵抗に応じて、高湿度状況用の電気浸漬ヒーターに推奨される 316 シースの壁厚を示しています。値は、セラミック ビーズとエポキシまたはシリコーン シールを使用した一般的なエンド シール構造を想定しています。

湿度環境 予想される年間熱サイクル数 推奨最小 316 壁厚 推奨最大 316 壁厚 高湿度で 1 年後の予想絶縁抵抗 水分浸透 2. 支配的なメカニズム
時折の高湿度 (時間の 50% 未満) 100 0.8 mm 未満 1.6 mm 100 メガオーム以上 エンドシールの拡散
一定の高湿度 (80 ～ 100% RH) 100 1.0 mm 未満 2.0 mm 50 - 200 メガオーム未満 拡散エンドシール
毎日の熱サイクルによる一定の高湿度 200 – 500 1.4 mm 2.5 mm 10 – 100 MΩ エンドシールでの熱ポンピング
結露湿度 (頻繁な洗浄または結露) 100 – 300 1.6 mm 2.5 mm 5 – 50 MΩ 熱ポンピングおよび直接入口
湿気圧縮圧力洗浄任意 2.0 mm 2.5 mm 1 – 20 メガオーム 気密シールが必要、直接水の入口
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1,000 メガオーム 熱により水分が除去されます。劣化なし
ただし、MgO 層の厚さが薄くなったとしても、継続的に高湿度で温度サイクルが頻繁に行われる用途では、1.6 mm 以上の厚さの 316 シースをお勧めします。エンドシールの完全性という利点は、漏れ経路の長さの短縮という欠点を克服します。このような設定では、エンジニアは耐湿性エンドシール設計、たとえばガラス-対金属シール、または中間乾燥チャンバーを備えた二重エポキシバリアなどの設計も指定する必要があります。

薄肉シースの絶縁抵抗を改善するための設計変更-
薄肉の 316 シースが使用される高湿条件では、-<1.2 mm is generally employed for thermal response reasons, three design adjustments exist for maintaining insulation resistance. The first is to apply a moisture barrier coating over the whole sheath and end seal assembly. A conformal coating of parylene or silicone, 50 to 100 microns thick, reduces moisture intrusion by a factor of 10 to 50. The second change is the fitting of a low wattage stand-by heater circuit to maintain the sheath temperature at 50-60 deg C when idling. This keeps the MgO heated enough to avoid condensation of moisture and chases off any water that has been absorbed. Normally the power required is 5-10% of the full heater rating. The third change is the addition of a desiccant filled breather vent to the terminal housing. The desiccant takes moisture before it can get to the end seals. A color-indicating desiccant will change colour when saturated, so that it may be seen inspected and replaced in a timely manner. For essential applications where insulation resistance below 1 megohm can pose a safety threat, engineers should design a heater-service-rated ground fault circuit interrupter. If the MgO insulation has decayed, this provides some protection if there is a leakage over 5-30 mA the GFCI trips. When ordering heaters for high humidity locations, always obtain the insulation resistance test results after 48 hours exposure to 95% relative humidity at 40°C. Most industrial uses call for a heater that will hold 10 megohms or higher under these conditions. If the heater is below 1 megohm it may need more sealing or a different wall thickness.