Kako odrediti grijaću ploču za upotrebu u vakuumskoj komori?

U vakuumskoj komori nedostatak zraka uklanja konvekcijski prijenos topline. Toplina se prenosi samo kondukcijom (dodirom obratka) i zračenjem. Grijaće ploče za vakuumsku uslugu moraju biti izgrađene za ovaj neobičan režim prijenosa topline, a same ne smiju postati izvor kontaminacije. Dizajn grijaće ploče za vakuumske primjene nije trivijalan, jer treba uzeti u obzir upravljanje toplinom, ispuštanje plinova iz materijala, električne prolaze i sigurnost visokih napona. Ploča koja dobro radi na zraku može se pregrijati, ispustiti plin ili stvoriti luk kada se stavi pod vakuum.

Upravljanje toplinom u vakuumskim sustavima
Bez konvektivnog hlađenja grijaća ploča može doseći puno veće temperature nego u zraku za istu uloženu snagu. Komponente grijača ukopane u ploču moraju biti dobro-spojene s masom ploče kako bi se izbjeglo lokalno pregrijavanje. Sljedeća toplinska pitanja važna su za vakuumske primjene.

Mehanizmi prijenosa topline
Kondukcija - Glavna metoda prijenosa topline na radni komad u kontaktu s pločom. Potreban je dobar toplinski kontakt (ravne površine, izborni materijal toplinskog sučelja).

Zračenje – važno iznad temperature ploče od 150 stupnjeva. Prijenos topline zračenjem slijedi Stefan‐Boltzmannovo pravilo (q=εσ(Tp4−Tc4)). Površinska emisivnost (ε) ploče utječe na zagrijavanje ne-kontaktnih područja.

Nema konvekcije - Nema hlađenja zraka stražnje strane ili rubova ploče. Toplina koja nije predana izratku pohranjuje se u ploči i njezina temperatura raste.

Spajanje ploče na grijač
Grijači bi trebali biti trajno i usko povezani s pločom kako bi se smanjio otpor topline. Prednost imaju lemljeni ili stegnuti grijači uložaka s visokotemperaturnom vodljivom pastom (na bazi grafita). Grijači koji koriste konvektivno hlađenje vlastitog tijela (otvoreni žičani grijači, na primjer) nisu prikladni. Jedna od glavnih razlika u dizajnu je da se gustoća grijača u vatima mora smanjiti za vakuumsku uslugu, obično 30-50% od one koja se koristi za zrak, kako bi se izbjeglo pregrijavanje plašta grijača.

Detekcija temperature
Senzori temperature (termoparovi ili RTD) trebaju biti ugrađeni što je moguće bliže radnoj površini, po mogućnosti unutar 2-5 mm od gornje strane. U vakuumu površinska temperatura ne može se dobiti iz očitanja stražnje strane ili zračne strane. Hot spots su češći bez konvektivnog izjednačavanja i preporučuje se imati nekoliko senzora raspoređenih oko ploče kako bi ih identificirali.

Kontrola ispuštanja plinova u vakuumskim grijaćim pločama
Ispuštanje plinova, oslobađanje zarobljenih plinova, vlage ili hlapljivih tvari, nije prihvatljivo u vakuumskim operacijama, osobito u visokom ili ultra-visokom vakuumu (UHV). Svi materijali u sklopu grijaće ploče moraju imati nizak tlak pare i niske stope ispuštanja plinova.

Materijal ploče
Nehrđajući čelik (304, 316, 316L) - Standardna opcija za vakuumske grijaće ploče. Nisko ispuštanje plinova. Visoka čvrstoća. Elektropoliranje prikladno za smanjenje površine i zarobljene nečistoće.

Aluminij - Dobar za umjereni vakuum (10-3 do 10-5 Torr) ako je pravilno očišćen i eloksiran. Ali aluminij ima poroznu oksidnu prevlaku koja zadržava vlagu pa mu je potrebno dugo vremena da se ispeče.

Bakar - Ako se koristi zbog svoje dobre toplinske vodljivosti, bakar oksidira i može ispariti ako nije premazan ili vakuumski -pečen.

Ostali polimeri i PTFE
PTFE premazi ili čvrste PTFE ploče prihvatljivi su u vakuumu, iako je potrebno posebno rukovanje. PTFE ima zanemarivo ispuštanje plinova nakon početnog pečenja-jer upija vrlo malo vlage. Međutim, PTFE se ne preporučuje za UHV (ispod 10-7 Torr) zbog sporog ispuštanja plinova iz spojeva fluora. Za većinu industrijskih vakuumskih primjena (10⁻³ do 10⁻⁶ Torr) prihvatljiv je pravilno tretiran PTFE. Pečenje prije instalacije na 150–200 stupnjeva 24–48 h pod vakuumom eliminira adsorbirane plinove.

Izolacija žice i ljepila
Izolacija žice mora biti otporna na vakuum. Materijali koji se mogu koristiti su:

PTFE (teflon) - malo ispuštanje plina nakon pečenja Max. temperatura 260 stupnjeva.

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

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

Za pričvršćivanje senzora ili učvršćivanje ožičenja moraju se koristiti -epoksidi koji ne ispuštaju plin (npr. EpoTek H77, Torr Seal). Nemojte koristiti ljepila na bazi-silikona ili RTV brtvila jer ispuštaju plinove siloksane.

Očistiti i ispeći
Sve dijelove treba očistiti vakuumskim otapalima (aceton, izopropilni alkohol) i sastaviti u čistom okruženju. Prije stavljanja ploče u rad, savjetuje se da se cijeli sklop -peče pod vakuumom na 100–150 stupnjeva 24–48 sati. Ova tehnika eliminira vodu i hlapljive ostatke nataložene na površini.

Električni hermetički prolazi
Žice napajanja i senzora moraju proći kroz stijenku vakuumske komore bez curenja. Standardni električni priključci s elastomernim brtvama ne mogu se koristiti u vakuumu jer izlaze-gas i dopuštaju mikro-curenja. Neophodan je hermetički feedthrus.

Grijaće ploče – Vrste prolaza
Brtvljenje-na-metal - Stakleni izolator spojen je na metalno kućište i igle vodiča. Prikladno za temperature do 250-400 stupnjeva, ovisno o vrsti stakla. Uobičajeno za grijaće ploče male do srednje snage (jednofazni do 10 A po pinu).

Keramika zalijepljena na metalnu prirubnicu (aluminij ili berilij). Brtve od keramike do metala. Viša temperaturna ocjena (500 stupnjeva +) i poboljšana cjelovitost vakuuma (brzina curenja < 1×10-10 atm cc/sec). Za aplikacije velike snage ili UHV.

Kompresijsko brtvljenje stakla - Jeftinije, ali temperatura je ograničena na otprilike 150 stupnjeva.

Broj i ocjena prolaznih pinova
Specifikacija grijaće ploče vakuumske komore navodi broj električnih krugova:

Napajanje svake grijaće zone (2 žice/zona)

Žice senzora temperature (dvije žice po termoparu ili RTD-u)

Jedan višepinski prolaz može imati nekoliko pinova. Svaka igla mora biti ocijenjena za struju veću od maksimalne struje grijača. Na primjer, grijač od 500 W na 120 V koristi 4,2 A. Dovoljan bi bio prolazni klin od 10 A.

Unutarnje ožičenje
Važno: žice od prolaza do grijaće ploče u vakuumskoj komori moraju biti označene vakuumom (PTFE ili Kapton izolirane) i bez vrućih površina. Osigurajte spojeve pomoću keramičkih terminalnih blokova ili držača. Nisu dopuštene plastične kabelske vezice ili ljepljive trake.

Paschenov zakon (električni proboj u vakuumu)
Prema Paschenovom zakonu probojni napon između dva vodiča ovisi o tlaku i udaljenosti. Pri atmosferskom tlaku do proboja dolazi pri visokim naponima (raspon kV za malene razmake). Probojni napon je znatno smanjen pri umjerenom vakuumu (10-1 do 10-3 Torr) - u određenim slučajevima na nekoliko stotina volti za razmak od 1 mm. U visokom vakuumu (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Za ploče s vakuumskim grijanjem potrebne su sljedeće mjere opreza:

Održavajte dovoljnu udaljenost od uzemljenih površina do aktivnih vodiča (npr. terminali grijača, prolazne igle). Preporuča se najmanje 5 mm za 240 V ac ili 10 mm za veće napone.

Izbjegavajte oštre rubove - Oštri vrhovi koncentriraju električno polje i smanjuju probojni napon. Poželjni su zaobljeni terminali, glatke rute vodiča.

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

Prije primjene pune snage, ispitajte izolacijski otpor pod vakuumom.

Kontrolni popis dizajna vakuuma – grijaće ploče
Dolje je sažetak glavnih točaka koje treba uključiti u specifikaciju za grijaću ploču vakuumske komore.

Zahtjev za kategoriju Normalno rješenje
Materijal ploče 316 nehrđajući čelik, slabo ispuštanje plinova, elektropolirano, može se čistiti
Vrsta grijača Intimno spajanje na ploču; smanjeno za vakuumsko lemljene grijače uložaka (Incoloy plašt)
Gustoća u vatima Smanjena kako bi se izbjeglo pregrijavanje Manje od ili jednako 5 W/cm2 (nasuprot 8-10 W/cm2 u zraku)
Detekcija temperature Ugrađen blizu radne površine Termopar tipa K ili PT100 RTD
Izolacija žice PTFE (teflon) ili Kapton Nisko ispuštanje plinova, ocijenjeno vakuumom
Brtvila / ljepila Epoksi EpoTek H77 s malim ispuštanjem plinova, Torr brtva (bez silikona)
Električni prolazi Hermetički, nepropusno-nepropusno staklo-na-metal ili keramika na metal
Nazivna struja prolaza Prekoračuje opterećenje grijača Veće ili jednako 10 A po priključku napajanja za tipične ploče od 1-2 kW
Visokonaponski razmak Sprječava Paschenov kvar Veći ili jednak 5 mm razmaka (240 V), zaobljeni terminali
Pečenje prije usluge Uklanja adsorbirane plinove 100-150 stupnjeva pod vakuumom 24-48 h
Posebni slučajevi: grijaće ploče
U nekim vakuumskim procesima, grijaća ploča nije namijenjena izravnom kontaktu s izratkom. Umjesto toga, ploča zrači toplinu na radni komad preko razmaka. U ovoj konfiguraciji, emisivnost površine ploče postaje kritična. Premaz visoke emisije (npr. crno eloksiranje na aluminiju ili Pyromark 2500 na nehrđajućem čeliku) nanosi se kako bi se povećao prijenos topline zračenjem. Međutim, premazi moraju biti kompatibilni s vakuumom, a ne ispuštati plin. Pyromark 2500, premaz na bazi keramike, često se koristi za vakuumske grijače zračenja do 600 stupnjeva.

Zaključak
Grijaće ploče vakuumske komore zahtijevaju poseban dizajn za upravljanje toplinom i kontrolu kontaminacije. Odsutnost konvektivnog hlađenja znači da grijači moraju biti dobro spojeni na ploču i raditi na smanjenoj gustoći vata. Ispuštanje plinova kontrolira se odabirom materijala s niskim tlakom pare (nerđajući čelik, PTFE, Kapton) i izvođenjem pečenja prije upotrebe. Hermetički električni prolazi (staklo-metal ili keramika-metal) obavezni su za održavanje cjelovitosti komore. Paschenov zakon nameće zahtjeve za razmakom kako bi se spriječilo stvaranje luka pri umjerenim razinama vakuuma. Okruženje primjene-razina vakuuma, raspon temperature i osjetljivost procesa-diktiraju specifičnosti dizajna. Pravilno specificirana vakuumska grijaća ploča osigurava pouzdan prijenos topline bez kontaminacije u okruženju u kojem nema konvekcije i svaki izbor materijala je važan.