Как да определите нагревателна плоча за използване във вакуумна камера?

Във вакуумна камера отсъствието на въздух премахва конвективния пренос на топлина. Топлината се пренася само чрез проводимост (контакт с детайла) и излъчване. Нагревателните плочи за вакуумно обслужване трябва да бъдат изградени за този необичаен режим на топлообмен и сами по себе си да не станат източник на замърсяване. Дизайнът на нагревателна плоча за вакуумни приложения не е тривиален, тъй като трябва да вземе предвид управлението на топлината, отделянето на газ от материали, електрическите захранвания и безопасността на високо напрежение. Плоча, която работи добре на въздух, може да прегрее, да отдели газ или да образува дъга, когато е поставена под вакуум.

Термично управление във вакуумни системи
Без конвективно охлаждане нагревателната плоча може да достигне много по-високи температури, отколкото във въздуха при същата входяща мощност. Компонентите на нагревателя, заровени в плочата, трябва да бъдат добре-свързани с масата на плочата, за да се избегне локализирано прегряване. Следните термични проблеми са важни за вакуумните приложения.

Механизми на топлообмен
Провеждане - Основният метод за пренос на топлина към детайла в контакт с плочата. Изисква се добър термичен контакт (плоски повърхности, допълнителен термичен интерфейсен материал).

Радиация – Важно над температурата на плочата от 150 градуса. Лъчистото предаване на топлина следва правилото на Стефан-Болцман (q=εσ(Tp4−Tc4)). Повърхностната излъчвателна способност (ε) на плочата влияе върху нагряването на не-контактни области.

Няма конвекция - Няма въздушно охлаждане на задната страна или границите на плочата. Топлината, която не е доставена към детайла, се съхранява в плочата и нейната температура се повишава.

Свързване на плоча към нагревател
Нагревателите трябва да бъдат постоянно и тясно свързани с плочата, за да се сведе до минимум устойчивостта на топлина. Предпочитат се запоени или закрепени патронни нагреватели с високотемпературна проводяща паста (базирана на графит). Нагреватели, които използват конвективно охлаждане на собствените си тела (нагреватели с отворена тел, например) не са подходящи. Една основна разлика в дизайна е, че плътността на нагревателя във ватове трябва да бъде намалена за вакуумно обслужване, обикновено 30-50% от използваното за въздух, за да се избегне прегряване на обвивката на нагревателя.

Откриване на температура
Температурните сензори (термодвойки или RTD) трябва да бъдат вградени възможно най-близо до работната повърхност, за предпочитане в рамките на 2–5 mm от горната повърхност. Във вакуум температурата на повърхността не може да бъде получена от показанията от задната страна или от страната на въздуха. Горещите точки са по-чести без конвективно изравняване и се препоръчва да има няколко сензора, разпръснати около плочата, за да ги идентифицират.

Контрол на отделянето на газове във вакуумни нагревателни плочи
Дегазирането, освобождаването на уловени газове, влага или летливи вещества, не е приемливо при вакуумни операции, особено при висок или ултра{0}}висок вакуум (UHV). Всички материали в модула на нагревателната плоча трябва да имат ниско налягане на парите и ниски скорости на отделяне на газове.

Материал на плочата
Неръждаема стомана (304, 316, 316L) - Стандартната опция за вакуумни нагревателни плочи. Ниско отделяне на газове. Висока якост. Електрополиране, подходящо за минимизиране на повърхностната площ и уловените примеси.

Алуминий - Добър за умерен вакуум (10-3 до 10-5 Torr), ако е правилно почистен и анодиран. Но алуминият има покритие от порест оксид, което улавя влагата, така че отнема много време, за да се изпече.

Мед - Използва се поради добрата си топлопроводимост, медта се окислява и може да отделя газове, ако не е покрита или изпечена-вакуумно.

Други полимери и PTFE
PTFE покрития или твърди PTFE плочи са приемливи във вакуум, въпреки че е необходима специална обработка. PTFE има незначително отделяне на газове след първоначално изпичане,-защото абсорбира много малко влага. Въпреки това, PTFE не се препоръчва за UHV (под 10-7 Torr) поради бавното отделяне на газове на флуорни съединения. За повечето промишлени вакуумни приложения (10⁻³ до 10⁻⁶ Torr) правилно обработеният PTFE е приемлив. Изпичане преди инсталиране при 150–200 градуса за 24–48 часа под вакуум елиминира адсорбираните газове.

Изолация на проводници и лепила
Изолацията на проводника трябва да е с вакуум. Материалите, които могат да се използват са:

PTFE (тефлон) - малко отделяне на газове след изпичане Макс. температура 260 градуса.

Полиимид (Каптон) - Много добра вакуумна съвместимост, температурен рейтинг до 400C, слабо отделяне на газове.

PVC, полиетилен или найлон. Не е приемливо, те отделят пластификатори и други летливи вещества.

Епоксиди с ниско{0}}отделяне (напр. EpoTek H77, Torr Seal) трябва да се използват за закрепване на сензори или закрепване на кабели. Не използвайте силиконови-лепила или RTV уплътнители, тъй като те отделят силоксани.

Почистване и изпичане
Всички части трябва да се почистват с помощта на разтворители за вакуум (ацетон, изопропилов алкохол) и да се сглобяват в чиста среда. Преди пускането на плочата в експлоатация се препоръчва пълно изпичане-под вакуум при 100–150 градуса за 24–48 часа. Тази техника елиминира водата и летливите остатъци, отложени на повърхността.

Електрически херметични проводници
Захранващият и сензорният кабел трябва да минават през стената на вакуумната камера без течове. Стандартните електрически съединители с еластомерни уплътнения не могат да се използват във вакуум, тъй като отделят-газ и позволяват микро-течове. Необходими са херметични захранвания.

Нагревателни плочи – видове захранващи канали
Уплътнение от-към-метал - Стъклен изолатор е свързан към метален корпус и проводникови щифтове. Подходящ за температури до 250–400 градуса, в зависимост от вида на стъклото. Обичайни за нагревателни плочи с ниска до средна мощност (монофазни до 10 A на щифт).

Керамика, залепена към метален фланец (алуминиев оксид или берилий). Пломби от керамика към метал. По-висок температурен рейтинг (500 градуса +) и подобрена цялост на вакуума (скорост на изтичане < 1×10-10 atm cc/sec). За приложения с висока мощност или UHV.

Компресионно запечатване на стъкло - По-евтино, но температурата е ограничена до приблизително 150 градуса.

Брой и рейтинг на пропускащите щифтове
Спецификацията на нагревателната плоча на вакуумната камера трябва да посочва броя на електрическите вериги:

Захранване към всяка нагревателна зона (2 проводника/зона)

Проводници на температурен сензор (два проводника на термодвойка или RTD)

Едно многощифтово захранване може да има няколко щифта. Всеки щифт трябва да бъде номинален за ток, по-голям от максималния ток на нагревателя. Например, 500 W нагревател при 120 V използва 4,2 A. 10 A преминаващ щифт би свършил работа.

Вътрешно окабеляване
Важно: Проводниците от захранващия канал до нагревателната плоча във вакуумната камера трябва да са с оценка на вакуума (PTFE или Kapton изолация) и без горещи повърхности. Осигурете връзки с помощта на керамични клеми или опори. Не са разрешени пластмасови кабелни връзки или залепващи ленти.

Закон на Пашен (електрически пробив във вакуум)
Съгласно закона на Пашен пробивното напрежение между два проводника зависи от налягането и разстоянието. При атмосферно налягане разрушаване възниква при високи напрежения (kV диапазон за малки празнини). Пробивното напрежение е значително намалено при умерен вакуум (10-1 до 10-3 Torr) - в някои случаи до няколкостотин волта за 1 mm междина. При висок вакуум (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Необходими са следните предпазни мерки за плочи с вакуумно нагряване:

Поддържайте достатъчно разстояние от заземените повърхности до активните проводници (напр. клеми на нагревателя, преминаващи щифтове). Препоръчват се минимум 5 mm за 240 V променлив ток или 10 mm за по-високи напрежения.

Избягвайте остри ръбове - Острите върхове концентрират електрическото поле и намаляват пробивното напрежение. Предпочитат се заоблени клеми, гладки проводници.

В случай на дълги вътрешни линии, използвайте екранирани проводници, заземени при преминаването на камерата.

Преди прилагане на пълна мощност, проверете съпротивлението на изолацията под вакуум.

Контролен списък за проектиране на вакуум – котлони
По-долу е обобщено основните точки, които трябва да се включат в спецификация за нагревателна плоча за вакуумна камера.

Изискване за категория Нормално решение
Материал на плочата 316 неръждаема стомана, ниско отделяне на газове, електрополирана, почистваща се
Тип нагревател Интимно свързване към плоча; понижени за вакуумно запоени патронни нагреватели (кожух от инколой)
Плътност във ватове Намалена, за да се избегне прегряване По-малко или равно на 5 W/cm2 (срещу 8-10 W/cm2 във въздуха)
Откриване на температура Вградена близо до работната повърхност Термодвойка тип K или PT100 RTD
Изолация на проводника PTFE (тефлон) или каптон Ниско отделяне на газове, вакуумна оценка
Уплътнители / лепила Епоксидна смола с ниско отделяне на газове EpoTek H77, Torr Seal (без силикони)
Електрически захранващи канали Херметични, непроницаеми-Стъкло-към-метал или керамика към метал
Номинален ток на преминаване Превишава натоварването на нагревателя По-голямо или равно на 10 A на захранващ щифт за типични 1-2 kW плочи
Хлабина при високо напрежение Предотвратява пробив на Paschen По-голяма или равна на 5 mm междина (240 V), заоблени клеми
Изпичане преди обслужване Отстранява адсорбираните газове 100-150 градуса под вакуум за 24-48 часа
Специални случаи: Лъчисти нагревателни плочи
При някои вакуумни процеси нагревателната плоча не е предназначена да контактува директно с детайла. Вместо това плочата излъчва топлина към детайла през празнина. В тази конфигурация повърхностната излъчвателна способност на плочата става критична. Покритие с висока емисионност (напр. черно анодизиране върху алуминий или Pyromark 2500 върху неръждаема стомана) се прилага за увеличаване на преноса на лъчиста топлина. Покритията обаче трябва да са съвместими с вакуум и да не отделят газове. Pyromark 2500, покритие на основата на керамика, често се използва за вакуумни лъчисти нагреватели до 600 градуса.

Заключение
Нагревателните плочи с вакуумна камера изискват специализиран дизайн за управление на топлината и контрол на замърсяването. Липсата на конвективно охлаждане означава, че нагревателите трябва да бъдат добре свързани към плочата и да работят при намалена плътност на вата. Отделянето на газове се контролира чрез избор на материали с ниско налягане на парите (неръждаема стомана, PTFE, Kapton) и извършване на изпичане преди обслужването. Херметичните електрически захранвания (стъкло-метал или керамика-метал) са задължителни за поддържане на целостта на камерата. Законът на Paschen налага изисквания за хлабина, за да се предотврати образуването на дъга при умерени нива на вакуум. Средата на приложение-ниво на вакуум, температурен диапазон и чувствителност на процеса-диктуват спецификата на дизайна. Правилно определената вакуумна нагревателна плоча осигурява надежден пренос на топлина без замърсяване в среда, в която липсва конвекция и всеки избор на материал има значение.