はじめに
ケーブル・グランド・シールは完全に気密性が高いと思っていませんか？そうではありません。この現象を理解することは、微小な漏れが災いをもたらすアプリケーションにとって極めて重要です。石油化学プラントの爆発性雰囲気から繊細な電子機器のエンクロージャーに至るまで、グランドシールの透過性特性はシステムの安全性と性能に直接影響します。
について 透過性1 ガスや蒸気に対するグランドシールの透過率とは、ガス分子がシール材を分子レベルで透過する速度のことで、単位面積、厚さ、時間、圧力差あたりの物質移動量を定量化した単位で測定される。 この特性は、機械的な隙間からの総体的な漏れとは根本的に異なるため、特殊な試験方法と材料選択戦略が必要となる。
つい先月、ミュンヘンにある半導体工場のマーカスが、"密閉された "制御盤が湿気に関連した故障に見舞われていることを発見し、私たちに連絡してきた。原因は？設計段階で誰も考慮しなかった標準的なゴム製シールからの水蒸気透過である。このような見落としは、何百万ものダウンタイムや機器の損傷につながる可能性があります。そのため、シール透過性を理解することは、重要なアプリケーションでケーブルグランドを指定するエンジニアにとって不可欠となっています。
目次
- ケーブルグランドシールにおけるガスと蒸気の透過性とは？
- 異なるシーリング材の透湿性比較
- シール透過性能に影響を与える要因とは？
- ケーブル・グランドの透磁率試験はどのように行われますか？
- 低透過シールを必要とする重要な用途とは？
- 結論
- ケーブルグランドシールの透磁率に関するFAQ
ケーブルグランドシールにおけるガスと蒸気の透過性とは？
ケーブルグランドシールにおけるガスと蒸気の透過性は、シールエレメントのバルク材を通過するガス分子の分子レベルの輸送であり、以下の式によって支配される。 溶液拡散メカニズム2 ガスがシール材に溶け込み、その分子構造を通して拡散する。
分子透過の科学
目に見える隙間や欠陥からの機械的な漏れとは異なり、浸透性はシール材のポリマーマトリックスを通して分子レベルで起こる。このプロセスには3つの段階がある：
- 吸着:ガス分子がシール材表面に溶け込む
- 拡散:溶解した分子はポリマーマトリックス中を移動する
- 脱着:分子は反対側の表面から現れる
浸透係数(P)は、溶解度と拡散効果の両方を組み合わせたもので、通常、cm³(STP)-cm/(cm²・s・cmHg)または同様の寸法分析単位で表される。
透水性と透水速度
これらの関連性はあるが異なる概念を区別することは極めて重要である：
- 透過性:形状に依存しない材料特性
- 透過率:特定のシール構成を通過する実際のガス流量
Beptoでは、ケーブルグランドシールの両パラメータを測定するための専門試験プロトコルを開発し、お客様が特定の用途に関する包括的な透過データを得られるようにしています。
一般的なガスとその透過特性
同じシール材でも、ガスによって透過速度は大きく異なる：
| ガス・タイプ | 相対透過性 | 重要なアプリケーション |
|---|---|---|
| 水素 | 非常に高い（100倍） | 燃料電池システム、製油所 |
| ヘリウム | 高（50倍） | リークテスト、極低温システム |
| 水蒸気 | 可変（湿度による） | エレクトロニクス、食品加工 |
| 酸素 | ミディアム (5倍) | 医薬品、食品包装 |
| 窒素 | 低い（基準値の1倍） | 不活性雰囲気システム |
| 二酸化炭素 | ミディアム（3倍） | 飲料産業、温室 |
アブダビで水素製造施設を管理するハッサンは、ケーブルグランドに標準的なEPDMシールを使用していたため、水素の透過が著しく、安全性に懸念があったことから、この教訓を痛感しました。私たちは協力して、水素透過を90%以上減少させるフルオロカーボンシールを指定し、彼の施設が厳格な安全基準を満たすようにしました。
異なるシーリング材の透湿性比較
シーリング材によって透過率は大きく異なり、フッ素ゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、天然ゴムの順となっている。
素材性能ランキング
Beptoの材料研究所での広範なテストに基づき、一般的なケーブルグランドシール材のガスバリア性のランクを示します：
優れたバリア性能（低透過性）：
- フルオロカーボン (FKM/Viton)3:優れた耐薬品性と低透過性
- クロロプレン（CR/ネオプレン）:優れた汎用バリア特性
- ニトリル（NBR）:耐炭化水素性に優れ、適度な透湿性を持つ。
中程度のバリア性能：
- EPDM:耐オゾン性に優れるが、ガス透過性が高い。
- ポリウレタン:配合により性能が異なる
バリア性能の低さ（透水性の高さ）：
- シリコーン:優れた温度範囲と高いガス透過性
- 天然ゴム:機械的特性は良いが、ガスバリア性に劣る
材料性能に対する温度の影響
ほとんどのエラストマーにおいて、透過性は温度によって指数関数的に増加する。当社のテストでは
- 25°C～75°C:ほとんどの材料で透過性が3～5倍向上
- 75°C～125°C:2～3倍増
- 150℃以上:劇的な増加、素材に依存
化学的適合性に関する考察
どんなに優れたバリア材でも、使用環境に化学的に適合しなければ意味がありません。私たちは、エンジニアが選択した低透過性材料がケミカル・アタックによって故障し、結局、高透過性だが耐ケミカル性のある代替品よりも性能が低下したケースを見てきました。
シール透過性能に影響を与える要因とは？
シールの透過性能は、温度、圧力差、シールの形状、材料の厚さ、経年変化、透過するガスや蒸気の分子サイズや溶解度によって影響を受けます。
主な影響要因
温度への影響：
温度は透過性に影響を与える最も重要な要因である。温度が高くなると、分子運動とポリマー鎖の運動性が高まり、ガス拡散のための自由体積が大きくなる。私たちのデータによると、ほとんどのエラストマーにおいて、温度が10℃上昇するごとに透過性はおよそ2倍になる。
圧力差：
ほとんどのガスでは、透過速度は圧力差に対して直線的に増加するが、一部の材料では、可塑化効果やポリマーマトリックスの構造変化により、高圧では非直線的な挙動を示す。
シールの形状と厚さ：
透過率はシール厚さに反比例する。シール厚を2倍にすると透過率は半分になり、低透過率用途では重要な設計パラメータとなる。
副次的要因
老化と環境暴露：
紫外線暴露、オゾン、化学薬品との接触はポリマー構造を変化させる可能性があり、通常、時間の経過とともに透過性が増加します。重要な用途では、シールの劣化を監視するため、定期的な透過性試験をお勧めします。
圧縮と応力状態：
機械的圧縮は、ポリマーマトリックス中の自由体積を減少させることによって透過性を減少させることができるが、過度の圧縮は、機械的経路を通じて透過性を増加させる応力亀裂を引き起こす可能性がある。
湿度と含水率：
水蒸気は多くのエラストマーを可塑化し、他のガスに対する透過性を高める。これは屋外用途や高湿度環境では特に重要である。
実際の使用例
先に紹介したミュンヘンの半導体施設のマーカスは、湿気の問題は水蒸気の透過だけではないことに気づいた。湿気が他の汚染ガスに対するシールの透過性を高め、クリーンルーム環境を損なう連鎖的な効果を生み出していたのです。私たちは、ケーブルグランドアセンブリに乾燥剤チャンバー内蔵のフルオロカーボンシールを指定することでこれを解決しました。
ケーブル・グランドの透磁率試験はどのように行われますか？
ケーブルグランドの透磁率試験は、以下のような標準化された方法で実施される。 ASTM D14344 これは、温度、圧力、湿度を制御した条件下で、シール材を通過する特定のガスの定常状態での透過率を測定するものである。
標準試験法
ASTM D1434 - ガス透過性の標準試験方法：
この方法は、ガス圧の上昇を試験片の低圧側で測定するマノメトリック技術を使用する。この試験は、標準単位で透水係数を提供し、工学計算に広く受け入れられています。
ISO 2556 - プラスチック - ガス透過率の決定：
ASTM D1434に類似しているが、試験片の作成方法と計算方法が若干異なる。この規格は欧州市場でより一般的に使用されている。
ASTM F1249 - 水蒸気透過率：
水蒸気透過性試験用に特別に設計されたこの方法は、水分の浸入が主な懸念事項である用途に極めて重要である。
ベプトの試験能力
私たちは最先端の浸透性試験装置に投資し、これを可能にしました：
- 40°Cから+200°Cの温度でのテスト
- 最大10 barまでの圧力差を評価
- 20種類以上のガスと蒸気の透過率を測定
- 長期的な性能を予測するための加速老化試験を実施する
試験片の準備
正確な結果を得るためには、適切な検体調製が重要である：
- 素材コンディショニング試験条件における24時間の平衡化
- 厚さ測定:複数のポイントで均一性を確保
- 表面処理:クリーンで欠陥のない表面
- 取り付け:エッジ効果を防ぐ適切なシーリング
データの解釈と報告
検査結果は適切に正規化され、適切な単位で報告されなければなりません。当社では、以下のような包括的なレポートをお客様に提供しています：
- 特定ガスの透過係数
- 温度依存性データ
- 業界ベンチマークとの比較
- アプリケーション固有の要件に関する推奨事項
低透過シールを必要とする重要な用途とは？
低透過性シールを必要とする重要な用途には、危険区域での設置、製薬クリーンルーム、半導体製造、改質雰囲気下での食品加工、微量ガス汚染が安全性や製品品質を損なう可能性のあるあらゆる用途が含まれます。
防爆および危険区域アプリケーション
爆発性雰囲気では、微量の可燃性ガスの透過でも安全上の危険が生じます。当社の防爆型ケーブルグランドは、特殊なフルオロカーボンシールを使用しており、長年の使用後でも透過率を限界値以下に維持します。
主な要件
- ほとんどの用途で水素透過量 < 10-⁸ cm³/s
- 過酷な化学環境下での長期安定性
- ATEX、IECEx、NEC規格への準拠
製薬・バイオテクノロジー
クリーンルーム環境では、汚染を最小限に抑えながら特定の大気組成を維持する必要がある。水蒸気や酸素の透過は、無菌状態や製品の安定性を損なう可能性があります。
ハッサンの経験は石油化学にとどまらず、中東全域の製薬施設のコンサルティングにも及んでいる。クウェートでは、微量の酸素透過でも温度に敏感な製品を劣化させるワクチン製造施設のケーブルグランドを指定するお手伝いをしました。私たちのソリューションは、標準的な材料の50倍低い酸素透過率を測定した特注のフルオロカーボン製シールでした。
半導体製造
半導体工場の超クリーンな環境では、いかなる汚染も許されない。 アウトガス5 やケーブルグランドシールからの浸透により、歩留まりを低下させる粒子や化学汚染物質が混入する可能性がある。
重要なパラメーター
- 10-⁸Torr・L/s・cm²未満のアウトガス発生率
- 最小限のイオン汚染
- 微粒子発生＜0.1個/cm²・時
食品・飲料加工
変性雰囲気パッケージングと制御された発酵プロセスには、正確なガス組成が要求されます。ケーブルグランドシールからの透過は、これらの雰囲気を変化させ、製品の品質や保存期間に影響を与えます。
分析・実験機器
精密分析機器は、しばしば制御された雰囲気や真空状態を必要とします。少量の空気の透過でも、測定精度と装置の性能を損なう可能性があります。
結論
ケーブルグランドシールのガスや蒸気に対する透過性を理解することは、大気の制御が最も重要なクリティカルアプリケーションに携わるエンジニアにとって不可欠です。シール材を通過するガスの分子レベルの輸送は予測可能な物理法則に従いますが、適切な材料選択、試験、適用には深い技術的知識が必要です。Beptoでは、包括的な透過性試験能力と広範な材料データベースにより、お客様の特定の要件に適合したシール性能を備えたケーブルグランドをお届けします。爆発性雰囲気、クリーンルーム環境、または精密分析アプリケーションのいずれを扱う場合でも、適切なシール材と適切な透過性特性評価が、システムの成功とコストのかかる失敗の分かれ目となります。
ケーブルグランドシールの透磁率に関するFAQ
Q: ケーブルグランドシールにおける透磁率とリーク率の違いは何ですか？
A: 透過性とはバルクシール材を介した分子レベルのガス輸送であり、リークとは機械的な隙間や欠陥を介したガス流である。透過性は完全なシールでも発生し、機械的なリークとは異なる物理法則に従う。
Q: ケーブルグランドシールを通過する実際のガス流量はどのように計算するのですか？
A: 材料透過係数をシール面積で掛け、厚さで割り、圧力差を掛ける。単位を統一し、温度の影響を考慮してください。当社の技術チームは、特定の用途に関する計算支援を提供することができます。
Q: ケーブルグランドシールにおいて、透磁率を完全になくすことはできますか？
A: いいえ、すべての材料はある程度の透過性を示します。これは基本的な分子特性です。しかし、適切な材料を選択することで、ほとんどの用途で透過性を無視できるレベルまで下げることができます。フルオロカーボンシールは、ほとんどのガスに対して最も低い透過性を示します。
Q: 実際の用途において、温度はシール透過性にどのような影響を与えますか？
A: 通常、温度が10℃上昇するごとに透過率は2倍になる。高温用途では慎重な材料選択が必要であり、許容透過率を維持するために、より厚いシールや複数のバリア層が必要となる場合がある。
Q: ケーブル・グランド・シールの透湿度には、どのような試験規格を指定する必要がありますか？
A: 一般的なガス透過性についてはASTM D1434、水蒸気についてはASTM F1249が最も一般的です。使用する温度と圧力に合った試験条件を指定してください。ヨーロッパの用途では、ASTM規格の代わりにISO 2556を使用することが多い。
