Kako določiti grelno ploščo za uporabo v vakuumski komori?

V vakuumski komori odsotnost zraka odstrani konvektivni prenos toplote. Toplota se prenaša samo s prevodnostjo (stikom obdelovanca) in sevanjem. Grelne plošče za vakuumske storitve morajo biti zgrajene za ta nenavaden režim prenosa toplote in same ne smejo postati vir kontaminacije. Zasnova grelne plošče za uporabo v vakuumu ni nepomembna, saj je treba upoštevati toplotno upravljanje, izločanje plinov iz materialov, električne dovode in varnost visokih napetosti. Plošča, ki dobro deluje na zraku, se lahko pregreje, izpusti plin ali povzroči oblok, če jo postavite pod vakuum.

Toplotno upravljanje v vakuumskih sistemih
Brez konvektivnega hlajenja lahko grelna plošča doseže veliko višje temperature kot v zraku za isto vhodno moč. Komponente grelnika, vkopane v ploščo, morajo biti dobro-povezane z maso plošče, da se prepreči lokalno pregrevanje. Naslednji toplotni vidiki so pomembni za uporabo v vakuumu.

Mehanizmi prenosa toplote
Prevod - Glavna metoda prenosa toplote na obdelovanec v stiku s ploščo. Potreben je dober toplotni stik (ravne površine, izbirni material toplotnega vmesnika).

Sevanje – pomembno nad temperaturo plošče 150 stopinj. Prenos sevalne toplote sledi Stefan-Boltzmannovemu pravilu (q=εσ(Tp4−Tc4)). Površinska emisivnost (ε) plošče vpliva na segrevanje območij brez -stika.

Ni konvekcije - Ni zračnega hlajenja hrbtne strani ali robov plošče. Toplota, ki ni dovedena obdelovancu, se shrani v plošči in njena temperatura se poveča.

Priključitev plošče na grelec
Grelniki morajo biti trajno in tesno povezani s ploščo, da zmanjšate toplotno odpornost. Prednost imajo spajkani ali vpeti kartušni grelci z visokotemperaturno prevodno pasto (na osnovi grafita). Grelniki, ki uporabljajo konvektivno hlajenje lastnega telesa (npr. grelniki z odprto žico), niso primerni. Ena večjih konstrukcijskih razlik je, da je treba vatno gostoto grelnika zmanjšati za uporabo v vakuumu, običajno 30–50 % tiste, ki se uporablja za zrak, da se izognemo pregretju ovoja grelnika.

Zaznavanje temperature
Senzorji temperature (termoelementi ali RTD) morajo biti vgrajeni čim bližje delovni površini, po možnosti znotraj 2–5 mm od zgornje strani. V vakuumu površinske temperature ni mogoče pridobiti iz odčitkov hrbtne strani ali zračne strani. Vroče točke so pogostejše brez konvektivne izravnave, zato je priporočljivo imeti več senzorjev, razpršenih okoli plošče, da jih prepoznate.

Nadzor izpuščanja plinov v vakuumskih grelnih ploščah
Izpuščanje plinov, sproščanje ujetih plinov, vlage ali hlapljivih snovi, ni sprejemljivo pri vakuumskih postopkih, zlasti pri visokem ali ultra{0}}visokem vakuumu (UHV). Vsi materiali v sklopu grelne plošče morajo imeti nizek parni tlak in nizko stopnjo izločanja plinov.

Material plošče
Nerjaveče jeklo (304, 316, 316L) - Standardna možnost za vakuumske grelne plošče. Nizko izločanje plinov. Visoka trdnost. Elektropoliranje, primerno za zmanjšanje površine in ujetih nečistoč.

Aluminij - Primeren za zmeren vakuum (10-3 do 10-5 Torr), če je pravilno očiščen in eloksiran. Toda aluminij ima porozno oksidno prevleko, ki zadržuje vlago, zato traja dolgo časa, da se izprazni.

Baker - Baker, ki se uporablja zaradi svoje dobre toplotne prevodnosti, oksidira in lahko sprošča pline, če ni prevlečen ali-pečen v vakuumu.

Drugi polimeri in PTFE
Prevleke iz PTFE ali trdne plošče iz PTFE so sprejemljive v vakuumu, čeprav je potrebno posebno ravnanje. PTFE ima zanemarljivo sproščanje plinov po začetnem pečenju,-ker vpije zelo malo vlage. Vendar PTFE ni priporočljiv za UHV (pod 10-7 Torr) zaradi počasnega izločanja fluorovih spojin. Za večino industrijskih vakuumskih aplikacij (10⁻³ do 10⁻⁶ Torr) je sprejemljiv ustrezno obdelan PTFE. Pečenje pred namestitvijo pri 150–200 stopinjah 24–48 ur pod vakuumom odstrani adsorbirane pline.

Izolacija in lepila za žice
Izolacija žice mora biti ocenjena na vakuum. Materiali, ki jih je mogoče uporabiti, so:

PTFE (teflon) - malo izločanja plinov po izgorevanju Maks. temperatura 260 stopinj.

Poliimid (Kapton) - Zelo dobra združljivost z vakuumom, temperaturna ocena do 400 C, malo sproščanja plinov.

PVC, polietilen ali najlon. Ni sprejemljivo, izpuščajo mehčala in druge hlapne snovi.

Za pritrjevanje senzorjev ali pritrditev ožičenja je treba uporabiti epokside z nizkim-izločanjem plinov (npr. EpoTek H77, Torr Seal). Ne uporabljajte lepil-na osnovi silikona ali RTV tesnilnih mas, ker sproščajo siloksane.

Čiščenje in pečenje
Vse dele je treba očistiti z vakuumskimi topili (aceton, izopropil alkohol) in sestaviti v čistem okolju. Preden damo ploščo v uporabo, priporočamo, da se celoten sklop -peče pod vakuumom pri 100–150 stopinjah 24–48 ur. Ta tehnika odstrani vodo in hlapne ostanke na površini.

Električni hermetični prehodi
Napajalna in senzorska žica morata potekati skozi steno vakuumske komore brez puščanja. Standardni električni priključki z elastomernimi tesnili niso uporabni v vakuumu, ker izpuščajo-plin in omogočajo mikro-puščanja. Potreben je hermetični dovajalnik.

Grelne plošče – ​​vrste prehodov
Tesnjenje stekla--kovine - Stekleni izolator je vezan na kovinsko ohišje in zatiče prevodnika. Primerno za temperature do 250–400 stopinj, odvisno od vrste stekla. Običajno za grelne plošče nizke do srednje moči (enofazni do 10 A na zatič).

Keramika prilepljena na kovinsko prirobnico (aluminijev oksid ali berilij). Tesnila od keramike do kovine. Višja temperaturna ocena (500 stopinj +) in izboljšana celovitost vakuuma (hitrost puščanja < 1×10-10 atm cc/s). Za aplikacije visoke moči ali UHV.

Tesnjenje kompresijskega stekla - Cenejše, vendar je temperatura omejena na približno 150 stopinj.

Število in ocena pretočnih zatičev
Specifikacija grelne plošče vakuumske komore določa število električnih tokokrogov:

Napajanje za vsako grelno cono (2 žici/cono)

Žice senzorja temperature (dve žici na termočlen ali RTD)

Posamezen večpinski prehod ima lahko več nožic. Vsak zatič mora biti ocenjen za tok, ki je večji od največjega toka grelnika. Na primer, grelnik z močjo 500 W pri 120 V porabi 4,2 A. Primeren bi bil dovodni zatič z močjo 10 A.

Notranje ožičenje
Pomembno: Žice od dovoda do grelne plošče v vakuumski komori morajo biti označene z vakuumom (izolacija PTFE ali Kapton) in brez vročih površin. Zavarujte povezave s keramičnimi sponkami ali stojali. Plastične kabelske vezice ali lepilni trakovi niso dovoljeni.

Paschenov zakon (električni preboj v vakuumu)
Po Paschenovem zakonu je prebojna napetost med dvema vodnikoma odvisna od tlaka in razdalje. Pri atmosferskem tlaku pride do razpada pri visokih napetostih (razpon kV za majhne reže). Prebojna napetost se močno zmanjša pri zmernem vakuumu (10-1 do 10-3 Torr) - v nekaterih primerih na nekaj sto voltov za režo 1 mm. Pri visokem vakuumu (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Pri vakuumsko ogrevanih ploščah so potrebni naslednji varnostni ukrepi:

Vzdržujte zadostno ločitev od ozemljenih površin do aktivnih vodnikov (npr. sponk grelnika, dovodnih zatičev). Predlaga se najmanj 5 mm za 240 V ac ali 10 mm za višje napetosti.

Izogibajte se ostrim robom - Ostre konice koncentrirajo električno polje in zmanjšajo prebojno napetost. Prednostne so zaobljene sponke, gladke poti vodnikov.

V primeru dolgih notranjih vodov uporabite oklopljene žice, ozemljene na prehodu komore.

Pred uporabo polne moči preverite izolacijsko upornost pod vakuumom.

Kontrolni seznam za načrtovanje vakuuma – grelne plošče
Spodaj je povzetek glavnih točk, ki jih je treba vključiti v specifikacijo za grelno ploščo vakuumske komore.

Kategorija ZahtevaNormalna rešitev
Material plošče 316 nerjaveče jeklo, nizko izločanje plinov, elektropolirano, čistilno
Vrsta grelnika Intimna spojka s ploščo; zmanjšano za vakuumsko spajkane kartušne grelnike (plašč Incoloy)
Watt gostota Zmanjšana, da se prepreči pregrevanje Manj kot ali enako 5 W/cm2 (v primerjavi z 8-10 W/cm2 v zraku)
Zaznavanje temperature Vgrajen blizu delovne površine Termočlen tipa K ali PT100 RTD
Izolacija žice PTFE (teflon) ali Kapton Nizko sproščanje plinov, ocenjeno na vakuum
Tesnilne mase / lepila Epoksi EpoTek H77 z nizkim sproščanjem plinov, Torr Seal (brez silikonov)
Električni vodi Hermetično, neprepustno-steklo-na-kovino ali keramika na kovino
Nazivni pretočni tok Presega obremenitev grelnika Večji ali enak 10 A na napajalni zatič za tipične plošče 1–2 kW
Visokonapetostna zračnost Preprečuje Paschenov razpad Večja ali enaka 5 mm reže (240 V), zaobljene sponke
Pečenje pred uporabo Odstrani adsorbirane pline 100–150 stopinj pod vakuumom 24–48 ur
Posebni primeri: sevalne grelne plošče
Pri nekaterih vakuumskih postopkih grelna plošča ni namenjena neposrednemu stiku z obdelovancem. Namesto tega plošča seva toploto na obdelovanec čez režo. V tej konfiguraciji postane površinska emisijska sposobnost plošče kritična. Nanese se visokoemisivna prevleka (npr. črna anodizacija na aluminiju ali Pyromark 2500 na nerjavnem jeklu), da se poveča prenos toplote. Vendar morajo biti premazi združljivi z vakuumom in ne smejo izpuščati plinov. Pyromark 2500, premaz na keramični osnovi, se pogosto uporablja za vakuumske sevalne grelnike do 600 stopinj.

Zaključek
Grelne plošče z vakuumsko komoro zahtevajo posebno zasnovo za upravljanje toplote in nadzor kontaminacije. Odsotnost konvektivnega hlajenja pomeni, da morajo biti grelniki dobro povezani s ploščo in delovati pri zmanjšani vatni gostoti. Izpuščanje plinov je nadzorovano z izbiro materialov z nizkim parnim tlakom (nerjaveče jeklo, PTFE, kapton) in izvedbo izgorevanja pred uporabo. Hermetični električni dovajalniki (steklo-kovina ali keramika-kovina) so obvezni za ohranitev celovitosti komore. Paschenov zakon nalaga zahteve glede odmika za preprečevanje iskrenja pri zmernih ravneh vakuuma. Okolje uporabe-raven vakuuma, temperaturno območje in občutljivost procesa-narekuje posebnosti načrtovanja. Pravilno določena vakuumska grelna plošča zagotavlja zanesljiv prenos toplote brez kontaminacije v okolju, kjer ni konvekcije in je vsaka izbira materiala pomembna.