How to measure the vapor permeation amount with respect to the material

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は材料に対する蒸気の透過量を測定する方法に関する。 ここでの”蒸気”という用語は、蒸発あるいはその他のプロセスを介して空気中に浮遊する水蒸気など、非常に広範囲の微粒子を含んでいる。 これには、酸素や窒素などの天然ガスは含まれない。 さらに詳しくは、この発明は非常に大きな浸透性を有する材料、すなわち、かなり多孔質であり、従ってかなり大量の蒸気が単位時間当りに材料の中を通過することができるような材料に対する蒸気透過量を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】材料に対する蒸気及び気体の透過量を測定するための現在のシステムは、材料に対する透過量が平方メートル当り1 日約500 グラム以下であるときには非常に正確な測定を行うことができる。 こうしたシステムにおいては、試験装置を通る蒸気流に対する抵抗は、
試験される材料によって主に支配される。 というのは、
観測される蒸気透過量が比較的小さくなるのは、材料に起因する蒸気流に対する抵抗のためであり、試験配置内部のエアーギャップによる流れ抵抗にはほとんど影響されないからである。

【０００３】この発明の目的に対しては、平方メートル当り1 日0 〜500 グラムの範囲の透過量を有する材料は低透過量材料と考えられる。 高透過量材料は、平方メートル当り１日500 グラムを越える透過量で蒸気が通過できるような材料として定義される。 こうした材料に対しては、測定される全蒸気流量は、試験される材料に起因する流れ抵抗とともに、試験装置内のエアーギャップに起因する流れ抵抗によっても影響を受ける。

【０００４】蒸気の透過量を測定するためのどんなシステムにおいても、蒸気透過量に影響する重要なパラメータの制御には非常に注意する必要がある。 典型的な試験装置においては、試験される材料は蒸気源に対する遮蔽物となるように設置され、ある形の蒸気検出器がこの遮蔽物の下流側に配置されて遮蔽物の中を通過する蒸気を測定するようになっている。 蒸気を発生する駆動力は圧力と温度であり、従ってこれらのパラメータを注意深く制御しなければならない。 典型的な試験装置においては、駆動力は大気圧及び温度によって決まる液体の蒸気圧である。 この駆動力によって、液体からの蒸気は閉じたチャンバ内部に拡散し、最終的には測定される材料の中に拡散する。 透過量が非常に小さい場合には、蒸気圧は液体の表面と、測定しようとする材料の表面の両方で同じであると仮定することができ、また一般に蒸気検出器は材料と反対側で大気圧になっている。 従って、試験材料での圧力低下は、単に、試験装置の周囲温度において蒸気を作っている液体の蒸気圧と仮定することができる。 この仮定は蒸気透過量が平方メートル当り1 日約50
0 グラム以下に対しては一般に有効である。 しかし、透過量がこの値よりも大きくなると、液体とテスト材料との間の閉じたチャンバ内部のエアーギャップが、測定で考慮しなければならない要因となる。 テスト材料の表面における圧力は液体の表面における蒸気圧とは同じでは
ない 。 というのは、蒸気透過量が大きいために、液体表面と材料表面との間には未知の圧力勾配が形成されるからである。 透過量が平方メートル当り1 日約500 グラムを越えると、この未知の圧力勾配は測定プロセスに対してより重大なものとなり、従って、非常に不正確な蒸気測定結果をもたらす。

【０００５】材料に対する蒸気透過量を大きな透過量において測定しようとするときに遭遇する前述した不正確さのために、こうした条件において正確な測定データを得ることは極めて困難である。 これまでに試みられた方法の中に重量法がある。 この重量法では、最初に、透過測定を行いたい材料によってシールされた容器の中に収容されている液体の重量を非常に感度のよい秤で測定する。 液体が蒸発したあと、同じ配置の重量を再び測定する。 次に重量の損失を計算する。 この計算によって単位時間当りの透過量が導かれる。 この方法によれば、材料に対する蒸気透過量を表す値を計算することができるが、試験条件、すなわち試験を行っている材料における圧力及び温度の条件に関して大きな不確実性が残る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、測定プロセスを非常に正確に決定することができ、測定配置を即座にかつ簡便に構築することのできるような、材料に対する蒸気透過量を測定する方法を提供すれば利点があろう。
この発明は、この目的を非常に有効に実現しており、当該分野における著しい進歩を提供している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のテスト材料に対する蒸気透過量を測定する方法は、種々の材料を選択できる少なくとも一つの壁を有するチャンバ内に液体源を閉じ込める段階と、材料の壁の外側に、不活性ガス源へ連結された入口を有するとともに蒸気検出器へ連結された出口を有する別のチャンバを形成する段階と、チャンバーをシールする壁について周知のタイプの第１のサンプル材料を選択し、チャンバと第１の材料の中に蒸気を拡散させ、蒸気検出器を用いて透過量を測定する段階と、この第１の材料とすぐ隣接させた状態でテスト材料を取り付けてチャンバ壁を形成し、蒸気を材料とチャンバの組合せの中を通して蒸気検出器まで再び拡散させる段階と、試験サンプルに対する透過量を式

_RT ＝テストサンプルに対する透過量 Ｔ

_TOT ＝サンプルとエアーギャップの両方に対する測定された全蒸気透過量 Ｔ

_RA ＝周知のサンプルとエアーギャップに対する測定された全蒸気透過量 この方法は、エアーギャップに原因する蒸気流に対する抵抗が両方の場合に同じであると仮定している。 この２

−ステッププロセスによれば、蒸気流に対する未知の抵抗を、蒸気透過量計算のために作られた二つの式から差し引くことが可能である。

【０００８】この発明の主な目的は、特定の選択された材料の蒸気透過量を測定する方法を提供することである。 この発明の別の目的及び利点は、容易にかつ迅速に実行することのできるような、材料に対する透過量を測定する方法を提供することである。 この発明のさらに別の目的及び利点は、大きな蒸気透過量を高い精度で測定する方法を提供することである。 上述した目的及び利点や、その他の目的及び利点は、以下の説明や特許請求の範囲から、また添付図面を参照することによって明かになろう。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。 図１は材料に対する蒸気透過量を測定する方法を実施するための典型的な試験装置を示している。 テストチャンバ１０は下側コンパートメント１２と上側コンパートメント１４を有している。 コンパートメント１２、１４はそれぞれ一体にクランプされており、これらのコンパートメント１２、１４の間にはサンプルの膜１６がクランプされている。 液体源２０
が下側コンパートメントの内部に収容されている。 一般に、液体源２０から発した蒸気は、膜１６と下側コンパートメント１２との間に形成されたチャンバ全体に拡散する。 下側コンパートメント１２の壁を小さな通気用の開口部１１が貫いており、コンパートメント１２内部の全体の圧力がテスト装置の外側の大気圧と同じになるようになっている。 この開口部１１の断面積は膜１６の断面積に比べて非常に小さく、ほぼ1.59mm（1/16インチ）
である。

【００１０】上側コンパートメント１４はガス入口２２
とガス出口２４を有している。 適当な蒸気検出器３０がガス出口２４の中に収容されているか、あるいはこれと連繋されている。 膜１６と上側コンパートメント１４との間に形成される上側チャンバの中へ窒素などの不活性キャリヤーガスが入口２２を介して流入し、出口２４から流出する。 キャリヤーガスは上側チャンバ内に拡散した蒸気を集めて、それらを蒸気検出器３０まで運ぶ。 図１に示されている試験装置は一般に制御された温度及び圧力の環境内に閉じこめられており、一連の試験は一定の温度及び圧力の条件のもとで実施される。

【００１１】図２は図１の物理的な試験配置の電気的表現を示しており、この発明の方法を電気的に表している。 電圧源Ｖ ₁は液体源２０の表面における蒸気圧駆動力の電気的相似物である。 試験装置の周囲圧力及び温度における液体蒸気圧は既知の量、あるいは導出可能な量である。 電圧源Ｖ2 は蒸気検出器３０において測定される蒸気圧の電気的相似物である。 抵抗Ｒ ₁は、テストチャンバ１０内部にあるエアーギャップによって生じる、
拡散に対する抵抗の電気的相似物であり、この抵抗によってテスト領域に未知の圧力勾配がもたらされる。 抵抗Ｒ _sは、蒸気がその中を拡散するサンプル膜１６の電気的相似物である。 電流値Ｉ ₁は、一定の速度でテストチャンバの中を流れ蒸気を蒸気検出器３０まで運ぶ蒸気流の電気的相似物である。 電気用語においては、値”Ｒ”
はそれぞれの物理量のアドミッタンスの逆数に等しく、
これは試験装置については透過量の逆数に等しい。 従って、値Ｒ ₁は試験装置のエアーギャップの透過量の逆数である。 値Ｒ _sは膜１６に対する透過量の逆数である。
Ｒ ₁とＲ _sの和はエアーギャップと膜１６を含めた全体の透過量の逆数に等しい。

【００１２】Ｖ ₁は液体源２０の表面における蒸気圧に等しく、試験温度及び圧力における100%の相対湿度であると仮定される。 液体が水であると仮定すると、Ｖ ₁は試験装置の周囲圧力及び温度における水の蒸気圧である。 この場合には、Ｖ ₂は、液体の蒸気圧（Ｖ ₁ ）に、
試験温度及び圧力におけるキャリヤ流の相対湿度を掛けたものに等しい。 電流値Ｉ ₁は、試験温度及び圧力における蒸気の単位時間当りの体積流量の電気的相似物である。 試験温度及び圧力が既知であり、液体源の中の液体が既知であるときには、Ｖ ₁は既知量である。 Ｖ ₂は既知量である。 なぜなら、これは出口２４における相対湿度を測定し、この値にＶ ₁を掛けることによって計算できるからである。

【００１３】Ｒ ₁及びＲ _sは両方とも未知である。 というのは、エアーギャップにおける圧力勾配は最初は未知の値だからである。 Ｉ ₁の値に対する物理的な等価量は、上側チャンバの中を通過する流出ガスの経路の中に設置された蒸気検出器によって測定することができる。
例えば、テスト液体として水を利用している試験装置においては、蒸気検出器３０は相対湿度を測定するための装置でよい。 キャリヤーガスは一般に窒素であり、キャリヤーガスの流量は注意深く制御され、既知である。 従って、電流値Ｉ ₁に等価な物理量は、単位時間当りの体積流量でキャリヤーガス流量を測定し、それに蒸気検出器３０によって測定される相対湿度を掛け、変数Ｋ
（Ｔ，Ｐ）を掛けることによって計算することができる。 変数Ｋ（Ｔ，Ｐ）は水の100%相対湿度において決定され、温度及び圧力についての試験条件における立方センチメートル（ｃｃ）当りの蒸気の重量である。 変数Ｋ
（Ｔ，Ｐ）は化学あるいは物理のハンドブックから求めたり、計算したりすることが可能である。

【００１４】上述した既知量及び測定量によって図１の試験装置における全蒸気透過量（Ｔ _RA ）が計算される。

【００１５】上述した解析は膜１６の蒸気透過量そのものを与えるのではなく、チャンバのエアーギャップと膜１６を含めた全体のテストセルに対する蒸気透過量を与えるにすぎないことに留意すべきである。 この限界は、
エアーギャップにおいて生じる未知の圧力勾配のために、膜１６の表面における蒸気圧を測定することが不可能であることから生じる。 もちろん、膜１６は既知のタイプの大きな透過量の膜であると仮定しており、特定の蒸気透過量を求めることにはここでは関心はない。

【００１６】図３及び図４は、蒸気透過量を知りたいテスト膜に対して蒸気透過量を計算するのに必要なプロセスのステップを示している。 図３は同じテストセル１０
と、同じ液体源２０を示しており、ガス入口２２と出口２４と蒸気検出器３０とが設けられている。 図３の実施形態においては、テストセルの構成は、テスト膜４０がサンプル膜１６の上に重ねられていることと、両方の膜が上側と下側のハウジング１４、１２の間にクランプされていることを除けば、図１に示されているものと同じである。 図１の試験装置に関係して述べたように、同じ条件が図３の試験装置に適用される。 蒸発条件が安定化したあと、蒸気検出器３０を使用して出口２４から出る蒸気を測定する。 液体源２０の中に収容される液体として水を用いてテストを行う場合には、蒸気検出器３０は相対湿度センサである。

【００１７】図４は図３の物理的構成の電気的表現を示しており、さらに別の抵抗Ｒ _Tが回路に挿入されていることを除けば図２の回路図と同じである。 Ｖ ₁はこの場合にも液体源２０の表面における蒸気圧駆動力を表しており、電圧Ｖ ₂ 'は出口２４における蒸気圧駆動力を表している。 Ｖ ₂ 'は、Ｖ ₁に、蒸気検出器３０によって検出された相対湿度測定値を掛けることによって計算される。 この相対湿度の測定値は、図１及び図２に関連した解析ステップのときに測定される相対湿度とは十分に異なる可能性がある。 同様に、電流Ｉ ₂は、キャリヤーガスの流量に、測定された相対湿度パーセンテージと変数Ｋ（Ｔ，Ｐ）を掛けることによって計算される。 温度及び圧力に関するテスト条件は、図１及び図２に関して行った解析の試験条件と同じと仮定している。 上述した既知量及び測定量によって、図３の試験配置の蒸気透過量（Ｔ _TOT ）が計算される。

₁ ＋Ｒ

_s ）は前の計算からわかっているため、Ｒ

_Tを求めることができる。

【００１８】Ｔ _RTはテスト膜４０に対する蒸気透過量であり、通常、水銀圧力ミリメートル当りの単位時間当りのグラムで表される。 図５は上述したプロセスのフローチャートである。 ステップ１０１においては、既知のサンプル材料をテストチャンバの中に設置し、下側テストチャンバの中に収容されている液体の蒸発プロセスを行わせ、キャリヤーガスを上側チャンバを通じて供給する。 周囲温度及び圧力の条件は一定に保たれていると仮定されている。 キャリヤーガスの流量を注意深く測定する。 蒸発プロセスは条件が安定するまで続く。

【００１９】ステップ１０２においては、蒸気検出器の測定値を読み取り、キャリヤーガスの流量をモニタする。 ステップ１０３においては、キャリヤーガスの流量に蒸気検出器の測定値と変数Ｋ（Ｔ，Ｐ）を掛けて、テストセルの出口を通過する単位時間当りの蒸気の重量で表した第１の蒸気流量を求める。

【００２０】ステップ１０４においては、第１の蒸気透過量の逆数を求める計算を行う。 この値は、蒸気圧駆動力と相対湿度測定値の積を蒸気圧駆動力から差し引き、
その結果を、計算した蒸気流量Ｉ ₁で割ることによって求められる。 ステップ１０５においては、テストチャンバを開き、テストチャンバの中にまえもって設置されているサンプル材料とすぐ隣接させた状態でテスト材料をテストチャンバの中へ設置する。 再び、安定した条件が得られるまで装置をモニタする。

【００２１】ステップ１０６においては、蒸気検出器による測定を行い、キャリヤーガスの流量を注意深くモニタする。 ステップ１０７においては、新しい試験配置によって生じるテスト条件を用いて、蒸気流量（Ｉ ₂ ）の新たな計算を行う。 ステップ１０８においては、第２の蒸気透過量の逆数を、第１の透過量に関して前述したのと同じ方法によって計算する。

【００２２】ステップ１０９においては、第２の蒸気透過量の逆数を、第１の蒸気透過量の逆数から差し引くことによってテスト材料の透過量の逆数を計算する。 最後に、ステップ１１０において、ステップ１０９において得られた結果の逆数をとって、テスト材料の透過量を求める。 この発明はその精神もしくは本質から逸脱しない限り他の形態によって実現することが可能である。 従って、上述した実施の形態は単に説明のためのものであり、発明を限定するものではない。 この発明の範囲に関しては、上述した説明よりも、特許請求の範囲を参照すべきである。

【００２３】なお、本願明細書において括弧書の数値とともに示した数値は括弧内の数値の換算値であり、不一致がある場合は括弧内の数値が正しいものとみなされるべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】単一の材料サンプルを測定するためのテストセルを示す図である。

【図２】図１の装置の電気回路表現である。

【図３】材料サンプルとテストサンプルを組み合わせたものに対する拡散率を測定するためのテストセルを示す図である。

【図４】図３の装置の電気回路表現である。

【図５】プロセスのフローチャートである。

【符号の説明】

１０ テストチャンバ １１ 開口部 １２、１４ コンパートメント １６ 膜 ２０ 液体源 ２２ 入口 ２４ 出口 ３０ 蒸気検出器 ４０ テスト膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステファン・ディ−・ツオメラ アメリカ合衆国 55128 ミネソタ，オ ークデイル，ヘレナ・ロード・ノース 4526 (72)発明者 ガス・エル・クレイク アメリカ合衆国 55423 ミネソタ，リ ッチフィールド，ハリエット・アヴェニ ュー・サウス 6939 (58)調査した分野(Int.Cl. ⁶ ，ＤＢ名) G01N 15/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)