５分でわかる！　恒温槽の原理（仕組み）と ６つの使用上の注意

スマートフォンや家電製品などは簡単に壊れては困ります。

スマートフォンや家電製品のメーカでは製品が壊れないことを設計計算だけでなく、実際に使われる環境を想定した試験を行って確認しています。

そのような製品の試験に必須な設備が恒温恒湿槽です。

筆者（走る園児）が勤務するメーカでも恒温恒湿槽を数１００台保有しており、日々多くの技術者が恒温恒湿槽を使って新製品の評価をしています。

恒温恒湿槽の操作方法はとても簡単でなので新人技術者でも使うことができるのですが、絶対にダメな使い方があります。

絶対にダメな使い方をしてしまうと、恒温恒湿槽を壊すリスクが高まったり、製品試験の合否判定を誤ってしまうリスクがあります。

この記事を読むと、恒温恒湿槽を全く知らない方でも恒温恒湿槽の構造が理解できて、恒温恒湿槽を使う際に絶対にしてはダメなことを知ることができます。

恒温恒湿槽を普段使っている方はもちろんのこと、

将来、使う予定がある方にも有益な知識になると思います。

ぜひ、最後まで読んで頂きたいです。

走る園児

5分程度で読めます。

是非、最後まで読んでくださいね。

恒温恒湿槽とは

恒温槽　 【出展：ESPEC（株）HP】

恒温恒湿槽とは、温度（おんど）と湿度（しつど）を自由にコントロールすることが出来る装置です。

「極寒の南極」、「高温多湿のジャングル」、「高温で乾燥した砂漠」のような地球上にある厳しい環境を恒温恒湿槽１つで簡単に再現できます。

恒温恒湿槽の機能（仕様）

メーカや型式によって、コントロールできる温度や湿度の範囲は異なります。

今回は国内シャアNo.１の恒温恒湿槽メーカのエスペック（株）の製品ラインナップを例に紹介したいと思います。

温度（おんど）について

標準的な恒温恒湿槽の温度設定範囲はー４０℃～１５０℃です。

特別仕様になりますが、低温はー７０℃、高温は１８０℃まで設定できる恒温恒湿槽もあります。

ここで気づかれた方もいると思いますが、

地球上で最も気温が低い南極大陸の平均気温はー２０℃ですし、最も気温が高い砂漠地帯の平均気温は４５℃ですから、

恒温恒湿槽は―２０℃～４５℃までコントロールできれば、地球上全ての温湿度環境をカバーできるはずなのですが、

標準的な恒温恒湿槽でさえ、温度設定範囲はー４０℃～１５０℃と地球上ではあり得ない温度まで作り出すことが出来ます。

なぜ？　そんなに過剰な温度範囲までコントロールできる必要があるのか？

走る園児

それは、加速試験をするためです。

加速試験とは

製品が10年間壊れないことを確認する方法として最もシンプルな試験は、実際にその製品が使用される最高温度や最低温度の環境で10年間試験を行い、製品が壊れないことを確認すればよいのです。

しかし、これでは合否の結果がわかるまでに10年もかかってしまいます。

試験に10年もかけていたのでは、どんなに魅力的な製品でも陳腐化してしまい商売になりません。

そこで、10年かかる試験を短時間で評価するために考え出された試験が加速試験いいます。

加速試験は、実際に使用される温度よりも更に厳しい温度で試験を行うことで、試験時間を短縮する考え方です。

加速試験条件を検討するうえで多く用いられているのが、「１０℃２倍則」と呼ばれている加速試験の目安的な考えです。

走る園児

１０℃２倍則は、温度が１０℃上昇（下降）すると、

材料の劣化のスピードが２倍・寿命が半減するという考え方です。

具体的な例を挙げて説明します。

20℃の環境で５年間使う製品の加速試験を検討することとします。

１０℃２倍則の考え方を使えば、20℃に10℃足した30℃で試験を行えば5年の１／２（２年半）に試験時間を短縮（加速）できます。

20℃に60℃足した80℃で試験を行えば、

5年の1/2×1/2×1/2×1/2×1/2×1/2になるので、

5年×1/64＝約２９日に試験時間を大幅に短縮（加速）できます。

５年の評価時間をたった１カ月に短縮できるのです。

走る園児

恒温恒湿槽を購入する際には加速試験を想定して

製品の使用温度範囲よりもさらに高低温まで設定できる恒温恒湿槽を選ぶことをおすすめします。

湿度（しつど）について

湿度に関しても恒温恒湿槽の型式によって異なりますが、

一般的な恒温恒湿槽では最低湿度は５％Rh～最高湿度は９８％Rhの範囲で設定できます。

％Rhとは相対湿度（Relative humidity）のことです。

 恒温恒湿槽の構造（原理）

恒温恒湿槽は試験槽エリアと温調機器エリアの２つのエリアで構成されています。

試験槽エリアは試料を入れて実際に試験をする空間です。

温調機器エリアは試験槽エリアの温度、湿度を作り出す機器が収まっている空間です。

試験槽エリアと温調機器エリア以外のスペースには電気機器や圧縮機などが収まっています。

試験槽エリアの温度や湿度は、試験槽エリアにある乾球温度センサと湿球温度センサで検知し、設定された温度や湿度になるようにセンシングしているのです。

例えば、気温を85℃、湿度85%Rhに設定した場合、温湿度調整機器エリア内のヒータが加熱、加湿水を加湿ヒータで加熱蒸発させて、試験槽エリアと温湿度調整機器エリアの空気を循環させることで温度と湿度を高めていきます。

恒温恒湿槽の温湿度調節の肝は空気の循環なのです。

乾湿球温度センサーとは

恒温恒湿槽試験槽エリアの上部通気口に設置されている２対の白金抵抗体温度センサーです。

1本のセンサーは空気温度をそのまま測定（乾球）しているのに対して、

もう1本は湿ったガーゼ（ウィッグ）がセンサーを覆っています。

湿度が低い場合は湿ったガーゼの水が蒸発し易いので、水の蒸発とともに熱を奪います（気化熱）。

このように湿球は周囲の湿度に依存して温度が変化するので、同じ部屋の温度を乾球と湿球で測定しても温度が異なり、この温度差から湿度を計算で求めることが出来るのです。

このような原理で恒温恒湿槽は槽内の温度と湿度を測定しています。

絶対ダメな６つの使い方

走る園児

とても便利で製品開発には無くてはならない恒温恒湿槽ですが、絶対にダメな６つの使い方があります。

走る園児

これら６つのダメな使い方について

くわしく解説しますね

水は純水を使うこと（水道水、超純水はダメ）

加湿用の水に水道水を使っては絶対にダメです。

水道水には不純物（シリカ）が含まれているからです。

シリカを多く含んだ水道水を加湿用の水タンクに入れてしまうと加湿運転で水道水が蒸発したあとには加湿ヒータの表面にシリカが残留してしまいます。

これを何度も繰り返すことで加湿ヒータの表面には分厚いシリカの層が堆積します。

シリカは熱伝導率が低いので、加湿ヒータの熱が水に伝わりにくくなり、加湿効率が下がってしまいます。

また、水に熱が伝わらないということは反対に加湿ヒータの温度が高くなってしまい加湿ヒータの寿命が低下しますので、加湿ヒータの故障リスクが高まってしまいます。

走る園児

恒温恒湿槽には絶対に水道水を

使わないようにしましょう。

水道水がダメならどんな水を使ったらよいか？

加湿用の水にはシリカが含まれていない純水（電気伝導率（導電率）が０．１～１０μＳ／ｃｍ）を使ってください。

それなら純水の不純物をさらに取り除いた超純水（電気伝導率（導電率）が０．１μＳ／ｃｍ未満）の方がより良いのでは？と思われるかもしれませんが、超純水は恒温槽には使えません。

超純水を使用すると恒温恒湿槽の水回路の金属部品が溶けるリスクがあります。

金属部品が溶けると最悪の場合は穴が開いて水漏れが起こることもあります。

空気の流れを妨げないように試料を置くこと

恒温恒湿槽の原理で解説したように、恒温恒湿槽は空気を循環させることで槽内の温度と湿度をコントロールしています。

空気の流れが滞ると温度や湿度のコントロールができなくなってしまいます。

この使い方の厄介なことは、恒温恒湿槽の温度センサーは1か所にしかありませんから、槽内全体の温湿度のコントロールが出来ていないことを検知することはできないので、アラームや異常表示などは発報されず使用者は異常な試験をしていることに最後まで気付かない可能性が高いのです。

試料に通電しながら恒温恒湿槽で試験を行う場合、このミスを犯す技術者が多いです。

金属製の試料棚への漏電を防止するためのゴムなどの絶縁材を試料棚に敷くことが多いですが、絶縁材を試料棚全面に敷き詰めている技術者をよく見かけます。

試料棚全面を絶縁材で覆ってしまうと槽内の空気の流れが悪くなるので、設定した温度、湿度に制御できず正しい試験が出来ていないです。

空気の流れを妨げる要因としては、試料が大きい、または試料の数が多くて空気の流れを塞いでしまう事例もよく聞きます。

試料を並べる際には槽内の空気の流れが円滑になるよう十分配慮しましょう。

走る園児

槽内の空気の流れが滞るように試料やマットなどを置かないようにしましょう。

試料以外の高分子材料（ゴム、プラスチック、木材）は入れてはダメ！

試料棚は風通しを良くするために、金属製（SUS製）の網棚になっているので、試料棚は電気を通します。

試料に通電しながら試験を行う場合には試料棚に絶縁のためにゴムやプラスチック、木材などの高分子材料には様々な添加剤や薬剤が入っている場合が多く、気温が高くなればなるほどそれらの物質がガス化（アウトガス）やブルームするなど高分子材料から出てきます。

アウトガスやブルームする物質は様々ですが、試料の金属部が腐食したり、接点部が絶縁されて通電不良になるなどの不具合を起こします。

また、アウトガスが恐ろしいのは知らず知らずのうちに恒温恒湿槽の湿度が不正確になってしまうことがあります。

これは、湿球のガーゼ（ウィッグ）にアウトガスで汚染され目詰まりすることで、蒸発し易さが異なってしまうためです。

出来る限り、試料以外の高分子材料は恒温恒湿槽に入れないようにするべきですが、試料に通電する場合にはどうしても金属棚を絶縁するために高分子材料が必要です。

そのような場合には、アウトガスやブルームが少ない安定した熱硬化性プラスチックを使うようにしましょう。

熱硬化性プラスチックでも過信は禁物です。

厳密には微量のアウトガスが発生します。

熱硬化性プラスチックを使う場合でも、前処理として試験温度以上の温度に数時間さらして、アウトガスを抜いてあげることが重要です。

試料を床に直置きしないこと

恒温槽の壁や床は厳しい温度、湿度環境にも腐食せずに耐えられるようにステンレスで作られており熱容量も大きいのです。

そのため、温度変化を伴う条件の試験を行った場合には、壁や床は試験温度（空気温度）に比べて温度の変化が緩やかになってしまいます。

そんな床に試料を直置きすると試料の温度変化も緩やかになりますので、定められた試験条件で試験を行えていないことになりますので、試験結果の判断を見誤ってしまいます。

試料の温度が緩やかになってしまった結果、試料が結露してしまうこともあります。

低温から高温高湿環境に変化するような試験の場合、床に試料を直置きしたことで試料はなかなか温まらず冷たいままになり、槽内の高温高湿の空気が試料の表面で冷やされて結露が生じてしてしまうこともあります。

このような問題を起こさないためにも試料は試料棚に風通し良い専用棚に置くことが重要です。

高温高湿試験では、先ず温度だけを上げること！湿度は温度に十分になってから！

高湿度試験では試験サンプルを結露水で濡らしてしまっている人をよく見かけます。

これは、試験装置（恒温恒湿槽）の不具合ではありません。

恒温恒湿試験の立ち上げ方法の誤りです。

高温高湿度試験（60℃、95%Rh）をする場合を想定して、実際の試験手順にそって試験方法のダメなところを説明します。

高温高湿試験（60℃95%Rh）の間違った試験手順

恒温恒湿槽内に試験サンプルを設置。

（試験サンプルは試料棚に置きましょう）

つぎに恒温恒湿槽の電源を入れて60℃95%Rhに設定し、恒温恒湿槽を運転させます。

試験開始時は恒温恒湿槽内や試験サンプルは常温ですが、恒温恒湿槽が運転することで、槽内の空気温度や湿度は急速に設定した試験温湿度（60℃95%Rh）に変化していきます。

それに対して、試験サンプルは熱容量があるので、槽内の空気温度よりも温度上昇が緩やかになるため、槽内空気に対して試験サンプルの温度は低い状態になります。

そのような状態にもかかわらず、槽内の湿度も設定した95%Rh近くの高湿度環境になっています。

槽内空気の湿度が非常に高い状態で冷たい試験サンプルがあると、試験サンプルで結露が起こって試験サンプルがドボドボに濡れてしまうのです。

特に高温高湿バイアス試験のように高温高湿環境で試験サンプルに通電する試験では結露水でドボドボになっているとイオンマイグレーションやトラッキングなど正しい試験では起こらない不具合が起こってしまいます。

正しい試験手順

高温高湿試験を行うときは、温度と湿度を同時に設定して恒温恒湿槽を運転させるのではなく、

まず、温度だけを設定して運転させて、試験サンプルも含めて恒温槽内が十分に設定温度になった上で、

次に湿度も設定して運転するようにしましょう。

もし、試験サンプルに通電する試験の場合は、温度に続いて湿度も十分に安定してから通電しましょう。

手間暇かかるので大変だと思われた方も多いと思いますが、

この手間を惜しんだ結果、試験のやり直しをすることになった技術者を多く見ています。

走る園児

この手間は必要と割り切って、

正確な試験を行いましょう。

高温試験に使う電線は塩ビの被覆はダメ！

恒温恒湿槽内で試験サンプルに通電しながら環境試験を行うケースは多いのですが、使用する電線の素材は要注意です。

多くの場合、電線の被覆は塩ビ（塩化ビニル：PVC）が使われていることが多いのですが、塩ビの許容温度は、およそー15℃～60℃です。

-15℃～60℃であれば南極のような極寒の場所でなければ、世界中どこでも塩ビの許容温度範囲内なのですが、恒温恒湿槽を使った環境試験となると話は違ってきます。

環境試験では実際の使用環境よりも厳しい温度で試験を行うので、塩ビの許容温度60℃を超えてしまうのです。

許容温度を超えて塩ビの被覆の電線を長時間使い続けると、可塑剤が抜けてどんどん硬く、そして脆くなってしまったり、ガスが発生し試験サンプルや恒温恒湿槽のウィックを汚染するなど様々などトラブルの原因になります。

また、高温高湿試験では塩ビが加水分解する危険も生じてしまいます。

走る園児

環境試験では塩ビ被覆の電線は使わない方が

安全ですね。

環境試験でお勧めの電線被覆は、架橋ポリエチレン（耐熱温度150℃）やフッ素樹脂が良いでしょう。

走る園児

開発、評価に必須の恒温恒湿槽の原理や使用上の注意事項を解説しましたがいかがでしたか？

恒温恒湿槽を使った試験は長時間必要な試験が多いです。

試験が終わってから失敗に気づく前に、注意するポイントを守って正確な試験を行いましょう。

 

恒温恒湿槽に入れる試料は識別のために数字や記号をマーキングが必須です。

正しいマーキング方法にもノウハウがあります。

良ければ以下のリンクから読んで下さいね。