Kako odrediti grijaću ploču za upotrebu u vakuumskoj komori?

U vakuumskoj komori odsustvo zraka uklanja konvektivni prijenos topline. Toplota se prenosi samo kroz provodljivost (kontakt radnog predmeta) i zračenje. Grejne ploče za vakuumski servis moraju biti izgrađene za ovaj neobičan režim prenosa toplote, a da same ne postanu izvor kontaminacije. Dizajn grijaće ploče za vakuumske aplikacije nije trivijalan, jer treba uzeti u obzir upravljanje toplinom, otplinjavanje materijala, električne prolaze i sigurnost visokih napona. Ploča koja dobro radi na zraku može se pregrijati, ispariti ili ispaliti kada se stavi pod vakuum.

Upravljanje toplinom u vakuumskim sistemima
Bez konvektivnog hlađenja grijaća ploča može postići mnogo veće temperature nego u zraku za istu ulaznu snagu. Komponente grijača ukopane u ploču moraju biti dobro-povezane sa masom ploče kako bi se izbjeglo lokalizirano pregrijavanje. Sljedeći toplinski problemi su važni za primjenu vakuuma.

Mehanizmi prenosa toplote
Kondukcija - Glavna metoda prijenosa topline na radni komad u kontaktu s pločom. Potreban je dobar toplotni kontakt (ravne površine, opcioni materijal termičkog interfejsa).

Zračenje – Važno iznad temperature ploče od 150 stepeni. Prenos toplote radijacijom prati Stefan-Boltzmannovo pravilo (q=εσ(Tp4−Tc4)) . Površinska emisivnost (ε) ploče utiče na zagrijavanje ne- područja bez kontakta.

Nema konvekcije - Nema vazdušnog hlađenja zadnje strane ili ivica ploče. Toplota koja se ne predaje radnom komadu pohranjuje se u ploču i njena temperatura raste.

Spajanje ploče na grijač
Grejači treba da budu trajno i usko povezani sa pločom kako bi se smanjila otpornost na toplotu. Prednost se daje lemljenim ili stegnutim grijačima uložaka sa visokotemperaturnom provodljivom pastom (na bazi grafita). Grijači koji koriste konvektivno hlađenje vlastitog tijela (na primjer, otvoreni grijači) nisu prikladni. Jedna od glavnih razlika u dizajnu je da gustina grijača u vatima mora biti smanjena za vakuumsku upotrebu, obično 30-50% one koja se koristi za zrak, kako bi se izbjeglo pregrijavanje omotača grijača.

Detekcija temperature
Senzori temperature (termoparovi ili RTD) trebaju biti ugrađeni što bliže radnoj površini, po mogućnosti unutar 2-5 mm od gornje površine. U vakuumu se temperatura površine ne može dobiti iz očitavanja stražnje ili zračne strane. Vruće tačke su češće bez konvektivnog izjednačavanja i preporučljivo je imati nekoliko senzora raspoređenih oko ploče kako bi ih prepoznali.

Kontrola ispuštanja plinova u vakuumskim grijaćim pločama
Ispuštanje plinova, oslobađanje zarobljenih plinova, vlage ili isparljivih tvari, nije prihvatljivo u vakuumskim operacijama, posebno u visokom ili ultra{0}}visokom vakuumu (UHV). Svi materijali u sklopu grejne ploče moraju imati nizak pritisak pare i niske stope ispuštanja gasova.

Plate Material
Nerđajući čelik (304, 316, 316L) - Standardna opcija za vakuumske grejne ploče. Nisko ispuštanje gasova. Visoka čvrstoća. Elektropoliranje pogodno za minimiziranje površine i zarobljenih nečistoća.

Aluminij - Dobar za umjereni vakuum (10-3 do 10-5 Torr) ako se pravilno očisti i anodizira. Ali aluminijum ima premaz od poroznog oksida koji zadržava vlagu pa mu je potrebno dugo da se ispeče.

Bakar - Koristi se zbog svoje dobre toplotne provodljivosti, bakar oksidira i može ispuštati plinove ako nije obložen ili pečen u vakuumu{1}}.

Ostali polimeri i PTFE
PTFE premazi ili čvrste PTFE ploče su prihvatljive u vakuumu, iako je potrebno posebno rukovanje. PTFE ima zanemarivo ispuštanje plinova nakon početnog pečenja-jer apsorbira vrlo malo vlage. Međutim, PTFE se ne preporučuje za UHV (ispod 10-7 Torr) zbog sporog otpuštanja jedinjenja fluora. Za većinu industrijskih vakuumskih aplikacija (10⁻³ do 10⁻⁶ Torr) prihvatljiv je pravilno tretirani PTFE. Pečenje pre instalacije na 150-200 stepeni tokom 24-48 h pod vakuumom eliminiše adsorbovane gasove.

Izolacija žice i ljepila
Izolacija žice mora biti vakumska. Materijali koji se mogu koristiti su:

PTFE (teflon) - malo ispuštanja plina nakon pečenja Maks. temperatura 260 stepeni.

Poliimid (Kapton) - Vrlo dobra vakuumska kompatibilnost, temperatura do 400C, malo ispuštanja plinova.

PVC, polietilen ili najlon. Nije prihvatljivo, ispuštaju plastifikatore i druge isparljive tvari.

Za pričvršćivanje senzora ili pričvršćivanje ožičenja moraju se koristiti epoksidi sa niskim-otplinjavanjem (npr. EpoTek H77, Torr Seal). Nemojte koristiti ljepila na bazi silikona- ili RTV zaptivke jer ispuštaju siloksane.

Očistite i ispecite
Sve dijelove treba očistiti pomoću rastvarača za vakuum (aceton, izopropil alkohol) i sastaviti u čistom okruženju. Prije puštanja ploče u rad, savjetuje se pečenje-potpune montaže pod vakuumom na 100–150 stepeni 24–48 sati. Ova tehnika eliminiše vodu i isparljive ostatke taložene na površini.

Električni hermetički prolazi
Žice napajanja i senzora moraju proći kroz zid vakuumske komore bez curenja. Standardni električni konektori sa elastomernim brtvama nisu upotrebljivi u vakuumu jer ispuštaju-gas i dozvoljavaju mikro-propuštanje. Neophodni su hermetički dovodni kanali.

Grijaće ploče – vrste prolaza
Brtvljenje stakla-na-metal - Stakleni izolator je vezan za metalno kućište i pinove provodnika. Pogodan za temperature do 250-400 stepeni u zavisnosti od vrste stakla. Uobičajeno za grijaće ploče male do srednje snage (jednofazne do 10 A po pinu).

Keramika zalijepljena na metalnu prirubnicu (aluminij ili beril). Zaptivke od keramike do metala. Veća temperatura (500 stepeni +) i poboljšan integritet vakuuma (brzina curenja < 1×10-10 atm cc/sec). Za aplikacije velike snage ili UHV.

Zaptivanje kompresionog stakla - Jeftinije, ali temperatura je ograničena na otprilike 150 stepeni.

Broj i ocjena kontaktnih pinova
Specifikacija ploče za grijanje vakuumske komore mora specificirati broj električnih krugova:

Napajanje svake zone grijanja (2 žice/zona)

Žice senzora temperature (dvije žice po termoparu ili RTD)

Jedan višepinski prolaz može imati nekoliko pinova. Svaki pin mora biti ocijenjen za struju veću od maksimalne struje grijača. Na primjer, grijač od 500 W na 120 V koristi 4,2 A. Došao bi i pin od 10 A.

Unutrašnje ožičenje
Važno: Žice od prolaza do grejne ploče u vakuumskoj komori moraju biti vakumske (izolovane od PTFE ili kaptonom) i bez vrućih površina. Osigurajte spojeve pomoću keramičkih terminalnih blokova ili postolja. Nisu dozvoljene plastične vezice za kablove ili ljepljive trake.

Paschenov zakon (električni kvar u vakuumu)
Prema Paschenovom zakonu, probojni napon između dva provodnika zavisi od pritiska i udaljenosti. Pri atmosferskom pritisku dolazi do sloma pri visokim naponima (kV opseg za male praznine). Probojni napon se značajno smanjuje pri umjerenom vakuumu (10-1 do 10-3 Torr) - u određenim slučajevima do nekoliko stotina volti za razmak od 1 mm. Pri visokom vakuumu (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Sljedeće mjere opreza su neophodne za ploče zagrijane pod vakuumom:

Održavajte dovoljno odvajanje od uzemljenih površina do aktivnih provodnika (npr. terminala grijača, prolaznih pinova). Predlaže se minimalno 5 mm za 240 V ac ili 10 mm za veće napone.

Izbjegavajte oštre ivice - Oštre tačke koncentrišu električno polje i smanjuju probojni napon. Poželjni su zaobljeni terminali, glatki putevi provodnika.

U slučaju dugih unutrašnjih vodova, koristite oklopljene žice, uzemljene na prolazu komore.

Prije primjene pune snage, testirajte otpor izolacije pod vakuumom.

Kontrolna lista dizajna vakuuma – Grejne ploče
Ispod je sažetak glavnih tačaka koje treba uključiti u specifikaciju ploče za grijanje vakuumske komore.

Zahtjev za kategorijuNormalno rješenje
Materijal ploče nerđajući čelik 316, nisko ispuštanje gasova, elektropolirano, može se čistiti
Vrsta grijača Intimna spojnica na ploču; smanjeni za vakuum Lemljeni grijači uložaka (Incoloy jakna)
Gustoća u vatima smanjena kako bi se izbjeglo pregrijavanje Manje od ili jednako 5 W/cm2 (u odnosu na 8-10 W/cm2 u zraku)
Detekcija temperature Ugrađen blizu radne površine Tip K termoelementa ili PT100 RTD
Izolacija žica PTFE (teflon) ili kapton Nisko ispuštanje plinova, s vakumom
Zaptivne mase / ljepila Epoxy EpoTek H77 s niskim ispuštanjem plina, Torr Seal (bez silikona)
Električni vodi Hermetički, nepropusni{0}}Staklo-na-metal ili keramika na metal
Nazivna struja prolaza Prekoračuje opterećenje grijača Veća ili jednaka 10 A po priključku napajanja za tipične ploče od 1-2 kW
Visokonaponski zazor Sprečava Paschenov kvar Veći ili jednak razmaku od 5 mm (240 V), zaobljeni terminali
Pečenje prije servisiranja Uklanja adsorbirane plinove 100-150 stepeni pod vakuumom 24-48 h
Posebni slučajevi: Radiant grijaće ploče
U nekim vakuumskim procesima, grijaća ploča nije namijenjena direktnom kontaktu s obratkom. Umjesto toga, ploča zrači toplinu na radni komad preko razmaka. U ovoj konfiguraciji, površinska emisivnost ploče postaje kritična. Premaz visoke emisije (npr. crna anodizirana boja na aluminiju, ili Pyromark 2500 na nehrđajućem čeliku) nanosi se za povećanje prijenosa topline zračenja. Međutim, premazi moraju biti kompatibilni s vakuumom i ne moraju biti ispušni. Pyromark 2500, premaz na bazi keramike, često se koristi za vakuumske radijacijske grijače do 600 stepeni.

Zaključak
Grijaće ploče s vakuumskom komorom zahtijevaju specijalizirani dizajn za upravljanje toplinom i kontrolu kontaminacije. Odsustvo konvektivnog hlađenja znači da grijači moraju biti dobro povezani sa pločom i raditi sa smanjenom gustoćom u vatima. Otplinjavanje se kontrolira odabirom materijala s niskim tlakom pare (nehrđajući čelik, PTFE, kapton) i izvođenjem pečenja prije servisiranja. Hermetički električni vodi (od stakla do metala ili od keramike do metala) su obavezni za održavanje integriteta komore. Paschenov zakon nameće zahtjeve za zazor kako bi se spriječilo stvaranje luka na umjerenim nivoima vakuuma. Okruženje aplikacije-nivo vakuuma, temperaturni opseg i osjetljivost procesa-diktira specifičnosti dizajna. Pravilno specificirana ploča za vakuumsko grijanje osigurava pouzdan prijenos topline bez kontaminacije u okruženju u kojem je konvekcija odsutna i svaki izbor materijala je bitan.