PFA ヒーターの漏電遮断器のトリップしきい値が純水に対して 30mA 未満である必要があるのはなぜですか?

脱イオン（DI）水の電気伝導率は非常に低く、水道水の電気伝導率は 500～1,000 μS/cm ですが、{0}通常は 0.1-10 μS/cm です。 PFA シースが損傷し、発熱体が脱イオン水に触れた場合の地絡は、脱イオン水の抵抗率が高いため、水道水よりも大幅に漏れ電流が小さくなります。通常の 30 mA GFCI (地絡回路遮断器) は、DI 水からの漏れがわずか 5 ～ 15 mA で、30 mA のしきい値を通過するには低すぎるため、作動しない場合があります。ヒーターは潜在的な故障を抱えたまま動作しており、金属コアは数週間または数か月かけて徐々に腐食します。最終的には、腐食生成物が導電性チャネルを形成したり、コアがフェールオープンしたりする可能性がありますが、遅延によりバスが汚染される可能性があります。脱イオン水システムの GFCI トリップは 30 mA ではなく 5 ～ 10 mA である必要があります。一部の国では、機器保護のために高抵抗流体で 5 mA が許可されています。

脱イオン水の漏れ電流と導電率
露出した発熱体 (AC120 V) から脱イオン水を介してアースに流れる漏れ電流は、I=V / R で与えられます。ここで、R は水路の抵抗です。抵抗 R=ρ × L / A ここで、ρ=抵抗率 (Ω・cm) L=経路長 (cm) A=断面積 (cm 2) ρ=1 MΩ-cm (1,000,000 Ω-cm) L=10 cm A の純水の場合= 1 cm2 R=1,000,000 x 10 / 1=10,000,000 Ω 漏れ電流 I=120 / 10,000、000=0.012 mA- はどのしきい値よりもはるかに低い。しかし、開口面積が大きく（A=100 cm 2 ）、経路が短い（L=1 cm）場合、R=1,000,000 x 1 / 100=10,000 オーム I=120 / 10,000=12 mA となります。これは5mA以上30mA未満です。 30 mA GFCI はトリップしませんが、5 mA GFCI は 200 ～ 300 ミリ秒以内にトリップします。

ヒーターコアが腐食すると、金属イオン（ニッケル、鉄、クロム）が脱イオン水に溶解し、導電率が増加します。 12 mA で始まる小さな欠陥は、24 ～ 48 時間で 30 mA に増加する可能性があります。この間、ヒーターはオンのままであり、DI 水は金属イオンで汚染されます。 ppb 量の金属イオンであっても、半導体または製薬の DI システムでは製品を破壊する可能性があります。 5 mA GFCI は故障が大きくなりすぎる前にトリップし、汚染を最小限に抑えます。

DI 水 GFCI トリップ閾値の比較
水の種類 導電率 (μS/cm) 小さな故障からの標準的な漏れ電流 (mA) 30 mA GFCI トリップ? 10mA GFCI トリップ? 5 mA GFCI トリップ?未検出の故障リスク
水道水 500 50-200 はい (即時) はい はい 低い
RO 水 10-50 10-50 時々（わずか） はい（ほとんどの場合） はい 中等度
DI water (1 MΩ·cm) 1 1-15 Rare (only huge faults) Sometimes Yes (for faults >5 mA) High with 30 mA-超高純度 DI (18 MΩ・cm) 0.055 0.1-2 × × (故障)<10 mA) No (faults <5 mA) Very high (GFCI may never trip)
Ultra Pure DI に関する特別な考慮事項-
超純水（半導体製造工場で使用される 18 MΩ・cm）- 内のヒーターの欠陥からの漏れ電流は通常、<1 mA. "30 mA or 5 mA GFCI's will not trip." For such systems the heater has to be developed with numerous barriers (e.g. double PFA sheaths) or with a different heating mechanism (e.g. in-line quartz heater). Some facilities employ insulation resistance monitoring (IRM) instead of GFCI: the system continually measures resistance between the heating element and earth ground. If the resistance is below a certain threshold (e.g. 10 MΩ for ultra-pure DI), an alarm is raised. IRM can detect GFC issues that would never trip a GFCI because the leakage current is too low (0.5 mA at 120 V through 240 kΩ? Wait: I=120/10e6=0.012 mA). Actually, at 10 MΩ you get 0.012 mA that the IRM can detect but the GFCI cannot. 1–10 MΩ IRM thresholds are utilised.

ほとんどの脱イオン水システム (非-半導体) の抵抗率は 0.5 ～ 5 MΩ·cm で、5 ～ 10 mA GFCI が使用されます。半導体超高純度DIには、IRM（1～10MΩでアラーム）＋ダブルバリア構造を採用。

法規と管轄区域への影響
NEC (NFPA 70) 3. 第 426 条は、設置された電気加熱装置の地絡防止を求めています。作業員の安全のための水中ヒーターの最大トリップ設定は 30 mA です。ただし、第 427 条は、人員の保護が主な優先事項ではない場合 (例: ユーザーとの接触がないアクセス可能なエリアのヒーター)、機器保護のための低いしきい値 (5 mA まで) を規定しています。純水システムの場合は、5 ～ 10 mA のトリップしきい値で「機器保護 GFCI」を指定します。一部の管轄区域では、導電率が 100 マイクロジーメンス/cm 未満の水中ヒーターには 5 mA GFCI が必要です。 「ローカルコードを確認してください。

既存の純水タンクを交換する場合は、30 mA GFCI の代わりに 5 mA GFCI を使用してください。ユニットは交換可能 (同一のフォームファクター) で、コストは 50 ～ 100 ドルで、1 回の汚染が発生した場合のコストよりも大幅に低くなります。

フィールドの例
30 mA GFCI は、半導体工場の DI 水研磨ループの PFA ヒーターに採用されました。 3 つのヒーターは 2 年間にわたって小さな地絡 (漏れ電流 10 ～ 20 mA) を発生しましたが、30 mA GFCI はトリップしませんでした。オペレーターからアラームは報告されませんでした。金属イオン (鉄、ニッケル) が脱イオン水に浸出し、抵抗率が 18 MΩ * cm から 2 MΩ * cm に増加し、ウェーハのバッチが汚染されました。工場は 5 mA GFCI に切り替えました。その後、ヒーターの故障が 5 mA で急速に発生し、汚染は無視できるレベルまで減少しました。この工場には、非常に純粋なループを実現するため、10 MΩ のアラートしきい値を備えた IRM も組み込まれています。

結論: 脱イオン水には 5 ～ 10 mA GFCI
The poor conductivity of deionised water restricts ground fault currents to 5 to 20 mA for normal breach sizes. A 30 mA GFCI may not trip, and the heater continues to run with an undetected fault, which can corrode the core and contaminate the bath. For DI water systems (0.5 to 5 MΩ·cm resistivity) provide a GFCI with a 5 to 10 mA trip point . For ultra-pure DI water (>10 MΩ-cm) では、GFCI ではなく絶縁抵抗モニタリングが使用されます。 5 mA GFCI のコストは、汚染のコストに比べて非常に低いです。 30 mA GFCI を備えた PFA ヒーターを脱イオン水サービスに送らないでください。下は、早めに旅行する、頻繁に旅行するを指定します。お風呂を守る 製品を守る。