PTFE ヒーター シースの機械的強度に対する動作温度の影響は何ですか?

PTFE は室温で強力で耐久性のある素材です。ただし、温度が上昇すると、その機械的性質は劇的に変化します。 PTFE 浸漬ヒーターを設計範囲内で適切に動作させるには、これらの変化を理解することが重要です。 PTFE ヒーターのシースは、耐薬品性を提供するだけではありません。また、周囲の液体の圧力に耐え、時間の経過による変形に耐え、その形状を維持する必要もあります。これらの機械的機能はすべて、温度の上昇とともに低下します。したがって、PTFE 浸漬ヒーターを指定、設置、または操作する人にとって、PTFE の機械的強度に対する温度の影響は重要な懸念事項です。

温度が PTFE の分子構造に与える影響
PTFE は半結晶性ポリマーです。アモルファス（無秩序な）部分が点在する結晶部分では、分子鎖は室温で密に詰め込まれています。この構造により、PTFE にその典型的な強度、低摩擦、化学的不活性が与えられます。温度が上昇すると、分子振動が増加し、結晶部分が溶ける前に非晶質部分が軟化し始めます。

一般的に合意されている浸漬ヒーター使用における PTFE の最大連続使用温度は 110℃です。この制限は気まぐれなものではありません。この温度では、次の 3 つの別々の機械的変化が急速に発生します。

引張強度の低下 - PTFE シースを引き伸ばしたり引き裂いたりするのに必要な力が大幅に減少します。

クリープの増加 - 一定の荷重 (液体の圧力や抵抗線からの内力など) がかかると、PTFE は時間の経過とともにゆっくりと曲がります。

• 耐圧性が低い - シースは、差圧下で潰れたり膨張したりしやすくなります。

PTFE は 327 度まで溶けないが、その機械的用途はそれよりずっと前に終わっていることがわかりました。浸漬ヒーター用途の場合、連続動作の実現可能な上限は 110 度です。

温度による引張強さの変化
引張強さは、材料が破損するまでにかかる最大の引張 (伸張) 応力です。 PTFE の場合、この特性は温度とともに単調に減少します。以下の表は、従来の試験手順 (ASTM D638) からの近似値に関連しています。

温度 ( 度 ) 温度 ( 華氏 ) おおよその引張強さ (MPa) 室温での値のおおよその引張強さ psi%
23 73 21 – 28 3050 – 4060 100% 50 122 16 – 22 2320 – 3190 75 – 80% 80 176 12 – 16 1740 – 2320 55 – 60% 100 212 9 – 13 1305 – 1885 45 – 50% 110 230 7 – 11 1015 – 1595 35 – 45% 120 248 5 – 8 725 – 1160 25 – 30% 
注: 値は目安であり、実際の引張強さは PTFE グレード、結晶化度、および試験条件によって異なります。

PTFEの100度での引張強さは23度の引張強さの約半分になります。 110 度では、周囲温度値の約 40% に下がります。液体の圧力、熱膨張、取り扱いによるものであっても、機械的応力が大幅に軽減されるため、高温での損傷がはるかに起こりやすくなります。

クリープと荷重変形
高温における PTFE の大きな欠点の 1 つは、クリープが発生する傾向があることです。クリープは、一定の荷重下での時間の経過に伴う物質の歪みです。金属のクリープ温度は低いですが、PTFE は周囲温度を超えるどの温度でもクリープします。クリープ速度は温度とともに指数関数的に増加します。

PTFE ヒーター シースの場合、適用可能な荷重は次のとおりです。

外部液体圧力 - 深いタンク内の静水圧は、深さ 1 メートルあたり 0.1 bar にも達することがあります。この圧力は 2 ～ 3 メートルで最小ですが、温度の上昇と組み合わせると、シースがゆっくりと潰れたり、くぼみができたりすることがあります。

抵抗線による内部ひずみ - 金属発熱体は PTFE に埋め込まれています。金属と PTFE の熱膨張差により、内部張力が発生します。高温では、PTFE はシースの形状を変える可能性があるクリープによってこれらの応力を緩和します。

クランプ力または取り付け力 - ヒーター (ブラケット、フランジ、サポートなど) に適用される機械的拘束は、局所的な応力集中を引き起こす可能性があります。クリープにより PTFE が高圧箇所から流出し、緩みやシールの破損が発生する可能性があります。

実際には、クリープが短期的に壊滅的な影響を与えることはほとんどありません。 105 度のヒーターでは、数か月、場合によっては数年間、明らかな歪みが見られないことがあります。しかし、時間の経過とともにクリープが発生すると、特定の場所でシースが薄くなり、絶縁耐力と機械的保護が低下する可能性があります。さらに重要なのは、PTFE シースと端子シールの間の接触部分でのクリープにより、水分や腐食性蒸気がヒーターに到達する通路ができる可能性があることです。

崩壊または膨張のリスクと圧力への耐性
PTFE ヒーター シースは圧力の容器ではありません。これらは、内部および外部が大気圧またはそれに近い圧力で動作するように設計されています。抵抗線が配置されている内部チャンバーは加圧されておらず、PTFE または周囲圧力の空気で満たされています。圧力に関連する 2 つの故障メカニズムは次のとおりです。

外部圧力による崩壊 - 液体の外部圧力が内部圧力よりはるかに高い場合、シースが内側に崩壊する可能性があります。高温では PTFE の弾性率 (剛性) が低下するため、この可能性が高くなります。潰れは通常、シースの平坦な部分またはへこみのある部分を意味すると解釈されます。

内部圧力の膨張 - ガスの放出や閉じ込められたガスの膨張により内部キャビティが加圧されると、熱くなって軟化した PTFE が外側に膨張する可能性があります。あまり一般的ではありませんが、ヒーター内の湿気が蒸気になることで発生する可能性があります。

どちらの破損タイプも、PTFE の機械的強度の温度の影響によって直接制御されます。 PTFE は 23 度で数 bar の差圧に永久変形することなく耐えることができます。 110 度では、同じ差圧によって瞬間的な崩壊またはバルーニングが発生する可能性があります。したがって、PTFE ヒーターは高圧用途や急速な圧力変化が発生する可能性がある場所には使用しないでください。

連続110度制限を超えた場合の影響
110 度をわずかに超える程度の短時間の移動は、急激な故障なしに許容される場合があります。ただし、この制限を繰り返したり、長期間超えたりすると、永続的な損傷が発生する可能性があります。観察された結果には次のものが含まれます。

シースの薄化と局所的なホットスポット: クリープにより PTFE が最も高温の領域から流れ出し、シースが薄化します。薄い領域は熱伝導率が高くなります。この正のフィードバック ループにより、局所的なホット スポットがより速く加熱されます。

絶縁耐力の低下 - シースの部分が薄くなると、電気絶縁マージンが減少し、絶縁破壊の危険性が高まります。

永久変形 - PTFE が変形または変形すると、冷却しても元の形状に戻りません。潰れたり膨張したシースを修復する方法はありません。

シールの不良 - コールド ゾーンのシールは、PTFE シースと端子アセンブリの間の良好な嵌合に依存します。クリープによってこの嵌合が緩み、液体や蒸気が侵入する可能性があります。

110 度の制限は PTFE シース温度に対するものであり、必ずしもバルク液体温度ではないことに注意してください。正しく構築されたヒーターでは、抵抗線から液体への熱の効果的な伝達により、シース温度は液体温度よりわずかに高くなります。しかし、ワット密度 (単位表面積あたりの電力) が高い場合、または液体レベルが加熱部品よりも低い場合、たとえ液体自体が 110 度未満であっても、シース温度が液体温度を大幅に超える可能性があります。

高温-ワット密度の定格-
PTFE の機械的強度は温度に依存し、これが材料の応力耐性に影響します。このため、110 度近くで動作する浸漬ヒーターは、より低い温度で使用されるヒーターよりもワット密度が低くなければなりません。{0}}ワット密度は加熱面の面積あたりの出力であり、通常はワット/平方インチ (W/in 2 ) またはワット/平方センチメートル (W/cm 2 ) で表されます。

PTFE 浸漬ヒーターの一般的なガイドラインは次のとおりです。

許容可能なワット密度は、60 度 (140 度 F) までの温度で 25 ～ 30 W/in2 (3.9 ～ 4.7 W/cm2) までです。

60 ～ 90 度 (140 ～ 194 度 F) – 15 ～ 20 W/in 2 (2.3 ～ 3.1 W/cm 2 ) の低ワット密度。

90 ～ 110 度 (194 ～ 230 度 F) – ワット密度を 10 ～ 15 W/in² (1.6 ～ 2.3 W/cm²) までさらに下げる必要があります。

110 度 (230 度 F) を超える - PTFE 浸漬ヒーターは、多くの場合、長時間の使用をお勧めしません。

実際には、これらの値は特定のアプリケーションに合わせて調整する必要があります。熱伝達係数が高い撹拌浴では、より高いワット密度が許容されます。停滞した液体や粘性のある液体には、より低いワット密度が必要です。目的は、内部抵抗線近くの最も高温の場所であっても、PTFE シースの温度が 110 度を超えないことを保証することです。

保護としての温度管理
110度の限界を守るには、正確な温度測定と確実な制御が必要です。浸漬ヒーターには、発熱体のできるだけ近く、または PTFE シースの内側に温度センサー (熱電対または RTD) が必要です。コントローラの最大許容温度制限へのバックアップとして、上限安全カットアウトを追加します。-

PTFE ヒーターの早期故障の大部分は、設定温度が高すぎることによって引き起こされるのではなく、局所的な過熱によって引き起こされることが判明しています。局所的な過熱を引き起こす要因:

液面が低いため、加熱されたシースの一部が空気にさらされています。

シース表面に汚れが付着し、熱伝達が低下します。

ヒーター周囲の空気の流れが悪く、滞留領域が発生します。

ワット密度が高いため、内部ワイヤとシースの表面の間に高い温度勾配が生じます。

これらの条件のいずれかが発生すると、バルク液体温度が 110 度未満であっても、シース温度が有害なレベルまで上昇する可能性があります。

結論
動作温度は、PTFE シースの機械的完全性に直接影響します。 PTFE の機械的強度に対する温度の影響により、周囲温度を超えると材料の引張強度が低下し、クリープしやすくなり、耐圧性が低下します。 110 度の連続使用限界では、PTFE は室温での引張強さの約 40% しか保持せず、クリープ速度は長期間の変形を引き起こすのに十分なほど大きくなります。

110℃の制限は任意の数値ではなく、機械的な制限です。この制限を超えると、シースの崩壊、バルーニング、薄化、シールの破損、および最終的な電気的破壊が発生する可能性があります。したがって、温度制御と正しいワット密度は、ヒーターの寿命を維持するために非常に重要です。設計された温度環境内で許容可能な熱伝達条件で動作させた場合、PTFE シースは機械的強度を維持し、長年にわたる信頼性の高い動作のために内部の発熱体を保護します。