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 シースが破損し、発熱体が脱イオン水に接触する地絡状況では、脱イオン水の抵抗率が高いため、漏れ電流は水道水よりもはるかに低くなります。標準的な 30 mA GFCI (地絡回路遮断器) は、DI 水を通る漏れ電流が 30 mA のしきい値に達するにはわずか 5 ～ 15 mA-しかないため、トリップしない可能性があります。ヒーターは潜在的な障害を抱えたまま動作し続け、金属コアは数週間または数か月かけてゆっくりと腐食します。最終的には、腐食生成物によって導電経路が形成されたり、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場合、GFCI トリップしきい値は 30 mA ではなく 5 ～ 10 mA である必要があります。一部の管轄区域では、高抵抗流体での機器保護のために 5 mA が許可されています。-

純水の導電率と漏れ電流

露出した発熱体 (AC120 V) から脱イオン水を通ってアースに流れる漏れ電流は、I=V / R です。ここで、R は水路の抵抗です。抵抗 R=ρ × L / A、ここで、ρ は抵抗率 (Ω・cm)、L は経路長 (cm)、A は断面積 (cm²) - です。 ρ=1 MΩ・cm (1,000,000 Ω・cm)、L=10 cm、A=1 cm²、R=1,000,000 × 10 / 1=10,000,000 Ωの脱イオン水の場合。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。ただし、露出面積が大きく（A=100 cm²）、経路が短い（L=1 cm）場合、R=1,000,000 × 1 / 100=10,000 Ω、I=120 / 10,000=12 mA。これは 5 mA を超え、30 mA 未満です。 30 mA GFCI はトリップしません。 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 で始まる小さな障害は、24 ～ 48 時間で 30 mA に増加する可能性があります。その間、ヒーターは作動し続け、金属イオンが脱イオン水を汚染します。半導体または製薬の DI システムでは、ppb レベルの金属イオンでも製品を損なう可能性があります。障害がまだ小さい場合、5 mA GFCI がトリップし、汚染を最小限に抑えます。

脱イオン水の GFCI トリップ閾値の比較

Ultra Pure DI に関する特別な考慮事項-

-超純度の DI 水（18 MΩ・cm、半導体製造工場で使用）では、ヒーターの故障からの漏れ電流は通常 1 mA 未満です。 30 mA と 5 mA の GFCI はトリップしません。このようなシステムの場合、ヒーターは複数のバリア (二重 PFA シースなど) で設計するか、別の加熱方法 (- インライン石英ヒーターなど) を使用する必要があります。一部の施設では、GFCI の代わりに絶縁抵抗モニタリング (IRM) を使用しています。システムは、発熱体と地面の間の抵抗を継続的に測定します。抵抗がしきい値（たとえば、超高純度 DI の場合は 10 MΩ）を下回ると、アラームが鳴ります。- IRM は、漏れ電流が低すぎるため (240 kΩ を介して 120 V で 0.5 mA? お待ちください: I=120/10e6=0.012 mA)、GFCI を決してトリップしないような障害を検出できます。実際には、10 MΩ は 0.012 mA を与え、高感度の IRM では検出可能ですが、GFCI では検出できません。 1 ～ 10 MΩ の IRM しきい値が使用されます。

ほとんどの脱イオン水システム (非-半導体) では、抵抗率は 0.5 ～ 5 MΩ·cm で、5 ～ 10 mA GFCI が有効です。半導体の超高純度 DI の場合は、IRM (1 ～ 10 MΩ のアラーム) と二重バリア構造を使用してください。-

法規と管轄区域に関する考慮事項

NEC (NFPA 70) 第 426 条では、固定電気加熱装置の地絡保護を義務付けています。水中ヒーターの場合、人員保護のため最大トリップしきい値は 30 mA です。ただし、第 427 条では、人員の保護が主な関心事ではない場合（例: アクセス可能だがユーザーが接触しないエリアにあるヒーターなど）、機器保護のために低いしきい値（最低 5 mA）を許可しています。--純水システムの場合は、トリップしきい値が 5 ～ 10 mA の「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 μS/cm 未満の水のヒーターには 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 DI 水タンクを 30 mA GFCI に改造する場合は、5 mA GFCI に置き換えます。ユニットは交換可能 (同じフォームファクター) で、コストは 50 ～ 100 ドルで、1 回の汚染イベントのコストよりもはるかに安価です。

フィールドの例

半導体工場の DI 水研磨ループでは、30 mA GFCI の PFA ヒーターが使用されていました。 2 年間にわたって、3 つのヒーターで小規模な地絡 (漏れ電流 10 ～ 20 mA) が発生しましたが、30 mA GFCI はトリップしませんでした。オペレーターは警報がないことに気づきました。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 に急上昇し、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。その後のヒーターの故障は 5 mA で即座にトリップし、汚染は無視できるレベルに限定されました。この工場では、超高純度ループ用に 10 MΩ アラームしきい値を備えた IRM も追加しました。-

結論: 脱イオン水には 5 ～ 10 mA GFCI を使用してください

Deionized water's low conductivity limits ground fault currents to 5–20 mA for typical breach sizes. A standard 30 mA GFCI may not trip, leaving the heater operating with a latent fault, corroding the core, and contaminating the bath. For DI water systems (0.5–5 MΩ·cm resistivity), specify a GFCI with 5–10 mA trip threshold. For ultra-pure DI water (>10 MΩ・cm) の場合は、GFCI の代わりに絶縁抵抗モニタリングを使用します。 5 mA GFCI のコストは、汚染のコストと比較すると最小限です。 30 mA GFCI を備えた脱イオン水サービス用の PFA ヒーターを出荷しないでください。下位を指定してください。早めに旅行し、頻繁に旅行しましょう。お風呂を守る、製品を守る。