Πώς να καθορίσετε μια πλάκα θέρμανσης για χρήση θαλάμου κενού;

Σε ένα θάλαμο κενού η απουσία αέρα αφαιρεί τη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή. Η θερμότητα μεταφέρεται μόνο μέσω αγωγιμότητας (επαφή τεμαχίου εργασίας) και ακτινοβολίας. Οι θερμαντικές πλάκες για την υπηρεσία κενού πρέπει να κατασκευάζονται για αυτό το ασυνήθιστο καθεστώς μεταφοράς θερμότητας και να μην γίνονται οι ίδιες πηγή μόλυνσης. Ο σχεδιασμός μιας θερμαντικής πλάκας για εφαρμογές κενού δεν είναι τετριμμένος, καθώς χρειάζεται να λαμβάνεται υπόψη η θερμική διαχείριση, η εξάτμιση των υλικών, οι ηλεκτρικές διοχετεύσεις και η ασφάλεια των υψηλών τάσεων. Μια πλάκα που λειτουργεί καλά στον αέρα μπορεί να υπερθερμανθεί, να εξέλθει από αέριο ή να σχηματιστεί τόξο όταν τοποθετηθεί υπό κενό.

Θερμική Διαχείριση σε Συστήματα Κενού
Χωρίς συναγωγή ψύξης μια θερμαντική πλάκα μπορεί να φτάσει σε πολύ μεγαλύτερες θερμοκρασίες από ό,τι στον αέρα για την ίδια είσοδο ισχύος. Τα εξαρτήματα του θερμαντήρα που είναι θαμμένα στην πλάκα πρέπει να είναι καλά-ζευγμένα με τη μάζα της πλάκας για να αποφευχθεί η τοπική υπερθέρμανση. Οι ακόλουθες θερμικές ανησυχίες είναι σημαντικές για εφαρμογές κενού.

Μηχανισμοί Μεταφοράς Θερμότητας
Αγωγή - Η κύρια μέθοδος μεταφοράς θερμότητας σε ένα τεμάχιο εργασίας σε επαφή με την πλάκα. Απαιτείται καλή θερμική επαφή (επίπεδες επιφάνειες, προαιρετικό υλικό θερμικής διεπαφής).

Ακτινοβολία – Σημαντική θερμοκρασία πάνω από την πλάκα των 150 βαθμών. Η μετάδοση ακτινοβολίας θερμότητας ακολουθεί τον κανόνα Stefan‐Boltzmann (q=εσ(Tp4−Tc4)) . Η επιφανειακή εκπομπή (ε) της πλάκας επηρεάζει τη θέρμανση περιοχών που δεν έρχονται- σε επαφή.

Χωρίς μεταφορά - Χωρίς ψύξη αέρα στην πίσω πλευρά ή στα περιγράμματα της πλάκας. Η θερμότητα που δεν παρέχεται στο τεμάχιο εργασίας αποθηκεύεται στην πλάκα και η θερμοκρασία του αυξάνεται.

Σύζευξη πλάκας σε θερμάστρα
Οι θερμαντήρες πρέπει να είναι μόνιμα και στενά συνδεδεμένοι με την πλάκα για να ελαχιστοποιηθεί η αντίσταση στη θερμότητα. Ευνοούνται οι θερμαντήρες φυσιγγίων με χαλκοσυγκόλληση ή με σύσφιξη με αγώγιμη πάστα υψηλής θερμοκρασίας (με βάση τον γραφίτη). Οι θερμαντήρες που χρησιμοποιούν συναγωγική ψύξη των δικών τους σωμάτων (για παράδειγμα, θερμαντήρες ανοιχτού σύρματος) δεν είναι κατάλληλοι. Μια σημαντική διαφορά σχεδιασμού είναι ότι η πυκνότητα watt του θερμαντήρα πρέπει να μειωθεί για τη λειτουργία κενού, συνήθως 30-50% αυτής που χρησιμοποιείται για τον αέρα, για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του περιβλήματος του θερμαντήρα.

Ανίχνευση θερμοκρασίας
Οι αισθητήρες θερμοκρασίας (θερμοστοιχεία ή RTD) θα πρέπει να είναι ενσωματωμένοι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην επιφάνεια εργασίας, κατά προτίμηση σε απόσταση 2–5 mm από την επάνω επιφάνεια. Στο κενό η θερμοκρασία της επιφάνειας δεν μπορεί να ληφθεί από τις μετρήσεις της πίσω πλευράς ή του αέρα. Τα καυτά σημεία είναι πιο κοινά χωρίς εξισορρόπηση με συναγωγή και συνιστάται η διάχυση πολλών αισθητήρων γύρω από την πλάκα για την αναγνώριση τους.

Έλεγχος Εξαερίωσης σε Πλάκες Θέρμανσης Κενού
Η απελευθέρωση αερίων, η απελευθέρωση παγιδευμένων αερίων, υγρασίας ή πτητικών ουσιών, δεν είναι αποδεκτή στις εργασίες κενού, ιδιαίτερα σε υψηλό ή εξαιρετικά{0}}υψηλό κενό (UHV). Όλα τα υλικά στο συγκρότημα της θερμαντικής πλάκας πρέπει να έχουν χαμηλή πίεση ατμών και χαμηλούς ρυθμούς εκροής αερίων.

Υλικό πλάκας
Ανοξείδωτος χάλυβας (304, 316, 316L) - Η τυπική επιλογή για πλάκες θέρμανσης κενού. Χαμηλή εξάτμιση. Υψηλή αντοχή. Ηλεκτρογυάλισμα κατάλληλο για ελαχιστοποίηση της επιφάνειας και των παγιδευμένων ακαθαρσιών.

Αλουμίνιο - Καλό για μέτρια υποπίεση (10-3 έως 10-5 Torr) εάν καθαριστεί και ανοδιωθεί σωστά. Αλλά το αλουμίνιο έχει μια επίστρωση πορώδους οξειδίου που παγιδεύει την υγρασία και έτσι χρειάζεται πολύς χρόνος για να ψηθεί.

Χαλκός - Χρησιμοποιείται λόγω της καλής θερμικής αγωγιμότητάς του, ο χαλκός οξειδώνεται και μπορεί να βγει αέριο εάν δεν επικαλυφθεί ή δεν τροφοδοτηθεί με κενό-.

Άλλα πολυμερή και PTFE
Οι επιστρώσεις PTFE ή οι συμπαγείς πλάκες PTFE είναι αποδεκτές στο κενό, αν και απαιτείται ειδικός χειρισμός. Το PTFE έχει αμελητέα εξάτμιση αερίου μετά από ένα αρχικό ψήσιμο-γιατί απορροφά πολύ λίγη υγρασία. Ωστόσο, το PTFE δεν συνιστάται για UHV (κάτω από 10-7 Torr) λόγω της αργής απαέρωσης των ενώσεων φθορίου. Για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές κενού (10-3 έως 10-6 Torr) είναι αποδεκτό το σωστά επεξεργασμένο PTFE. Ένα bake-out προεγκατάστασης στους 150–200 βαθμούς για 24–48 ώρες υπό κενό εξαλείφει τα προσροφημένα αέρια.

Μόνωση & Κόλλες Συρμάτων
Η μόνωση του σύρματος πρέπει να είναι βαθμολογημένη με κενό. Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι:

PTFE (τεφλόν) - λίγο εξάτμιση αερίου μετά το ψήσιμο Μέγ. θερμοκρασία 260 βαθμούς.

Πολυιμίδιο (Kapton) - Πολύ καλή συμβατότητα υπό κενό, βαθμολογία θερμοκρασίας έως 400C, μικρή εξάτμιση αερίων.

PVC, πολυαιθυλένιο ή νάιλον. Δεν είναι αποδεκτό, εκλύουν πλαστικοποιητές και άλλα πτητικά.

Εποξειδικά υλικά χαμηλής-αερίου (π.χ. EpoTek H77, Torr Seal) πρέπει να χρησιμοποιούνται για την προσάρτηση αισθητήρων ή τη στερέωση καλωδίων. Μην χρησιμοποιείτε κόλλες με βάση τη σιλικόνη- ή στεγανωτικά RTV καθώς υπεραερώνουν τις σιλοξάνες.

Καθαρισμός και ψήσιμο
Όλα τα εξαρτήματα θα πρέπει να καθαρίζονται χρησιμοποιώντας διαλύτες ποιότητας κενού (ακετόνη, ισοπροπυλική αλκοόλη) και να συναρμολογούνται σε καθαρό περιβάλλον. Πριν θέσετε το πιάτο σε λειτουργία, συνιστάται ψήσιμο σε πλήρη συναρμολόγηση- υπό κενό στους 100–150 βαθμούς για 24–48 ώρες. Αυτή η τεχνική εξαλείφει το νερό και τα πτητικά υπολείμματα που εναποτίθενται στην επιφάνεια.

Electrical Hermetic Feedthroughs
Τα καλώδια τροφοδοσίας και αισθητήρα πρέπει να διέρχονται από το τοίχωμα του θαλάμου κενού χωρίς διαρροή. Οι τυπικοί ηλεκτρικοί σύνδεσμοι με ελαστομερή στεγανοποιήσεις δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο κενό επειδή απελευθερώνουν-αέριο και επιτρέπουν μικρο-διαρροές. Η ερμητική τροφοδοσία είναι απαραίτητη.

Πλάκες θέρμανσης – Τύποι διοχετεύσεων
Σφράγιση-σε-μέταλλο - Ένας γυάλινος μονωτήρας είναι κολλημένος σε μεταλλικό περίβλημα και πείρους αγωγού. Κατάλληλο για θερμοκρασίες έως 250–400 βαθμούς, ανάλογα με τον τύπο του γυαλιού. Συνήθης για θερμαντικές πλάκες χαμηλής έως μέσης ισχύος (μονοφασικές έως 10 A ανά ακίδα).

Κεραμικό κολλημένο σε μεταλλική φλάντζα (αλουμίνα ή βηρύλλια). Τσιμούχες από κεραμικό σε μέταλλο. Υψηλότερη βαθμολογία θερμοκρασίας (500 βαθμοί +) και βελτιωμένη ακεραιότητα κενού (ρυθμός διαρροής < 1×10-10 atm cc/sec). Για εφαρμογές υψηλής ισχύος ή UHV.

Σφράγιση γυαλιού συμπίεσης - Φθηνότερη, αλλά η θερμοκρασία περιορίζεται περίπου στους 150 βαθμούς .

Αριθμός και Βαθμολογία καρφιτσών Feedthroughs
Η προδιαγραφή της πλάκας θέρμανσης του θαλάμου κενού πρέπει να προσδιορίζει τον αριθμό των ηλεκτρικών κυκλωμάτων:

Τροφοδοσία σε κάθε ζώνη θέρμανσης (2 καλώδια/ζώνη)

Καλώδια αισθητήρα θερμοκρασίας (δύο καλώδια ανά θερμοστοιχείο ή RTD)

Μια τροφοδοσία πολλαπλών ακίδων μπορεί να έχει πολλές ακίδες. Κάθε ακροδέκτης πρέπει να είναι ονομαστική για ρεύμα μεγαλύτερο από το μέγιστο ρεύμα θερμαντήρα. Για παράδειγμα, ένας θερμαντήρας 500 W στα 120 V χρησιμοποιεί 4,2 A. Μια ακίδα τροφοδοσίας 10 A θα έκανε.

Εσωτερική καλωδίωση
Σημαντικό: Τα καλώδια από την τροφοδοσία προς την πλάκα θέρμανσης στο θάλαμο κενού πρέπει να είναι ονομαστικής ισχύος (μόνωση PTFE ή Kapton) και χωρίς καυτές επιφάνειες. Ασφαλίστε τις συνδέσεις χρησιμοποιώντας κεραμικά μπλοκ ακροδεκτών ή βάσεις. Δεν επιτρέπονται πλαστικοί δεσμοί καλωδίων ή κολλητικές ταινίες.

Νόμος του Paschen (Ηλεκτρική Βλάβη στο Κενό)
Σύμφωνα με το νόμο του Paschen, η τάση διάσπασης μεταξύ δύο αγωγών εξαρτάται από την πίεση και την απόσταση. Στην ατμοσφαιρική πίεση η διάσπαση συμβαίνει σε υψηλές τάσεις (εύρος kV για μικροσκοπικά κενά). Η τάση διάσπασης μειώνεται σημαντικά σε μέτριο κενό (10-1 έως 10-3 Torr) - σε ορισμένες περιπτώσεις σε μερικές εκατοντάδες βολτ για διάκενο 1 mm. Σε υψηλό κενό (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Οι ακόλουθες προφυλάξεις είναι απαραίτητες για θερμαινόμενες πλάκες υπό κενό:

Διατηρήστε επαρκή διαχωρισμό από τις γειωμένες επιφάνειες στους ενεργούς αγωγούς (π.χ. ακροδέκτες θερμαντήρα, ακίδες τροφοδοσίας). Προτείνεται τουλάχιστον 5 mm για 240 V ac ή 10 mm για μεγαλύτερες τάσεις.

Αποφύγετε τις αιχμηρές άκρες - Τα αιχμηρά σημεία συγκεντρώνουν το ηλεκτρικό πεδίο και μειώνουν την τάση διάσπασης. Προτιμώνται οι στρογγυλεμένοι ακροδέκτες, οι ομαλές διαδρομές αγωγών.

Στην περίπτωση μεγάλων εσωτερικών γραμμών, χρησιμοποιήστε θωρακισμένα καλώδια, γειωμένα στην τροφοδοσία του θαλάμου.

Πριν από την πλήρη εφαρμογή ισχύος, δοκιμάστε την αντίσταση μόνωσης υπό κενό.

Λίστα ελέγχου σχεδίασης κενού – Θερμές πλάκες
Παρακάτω είναι μια περίληψη των βασικών σημείων που πρέπει να συμπεριληφθούν σε μια προδιαγραφή για μια πλάκα θέρμανσης θαλάμου κενού.

Κατηγορία ΑπαίτησηΚανονική λύση
Υλικό πλάκας 316 από ανοξείδωτο χάλυβα, χαμηλής απαέρωσης, ηλεκτρογυαλισμένο, καθαριζόμενο
Τύπος θερμαντήρα Εσωτερική σύζευξη με πλάκα. διαβαθμισμένο για θερμαντήρες κασετίνας με κενό αέρος (μπουφάν Incoloy)
Μειωμένη πυκνότητα Watt για αποφυγή υπερθέρμανσης Λιγότερο ή ίσο με 5 W/cm2 (έναντι 8-10 W/cm2 στον αέρα)
Ανίχνευση θερμοκρασίας Ενσωματωμένο κοντά στην επιφάνεια εργασίας Θερμοστοιχείο τύπου K ή PT100 RTD
Μόνωση σύρματος PTFE (Teflon) ή Kapton Χαμηλή απαέρωση, ονομαστική υποπίεση
Σφραγιστικά / κόλλες Εποξειδική χαμηλής απαέρωσης EpoTek H77, Torr Seal (χωρίς σιλικόνες)
Ηλεκτρική τροφοδοσία Ερμητικό, διαρροή-σφιχτό γυαλί-σε-μέταλλο ή κεραμικό σε μέταλλο
Ονομασία ρεύματος τροφοδοσίας Υπέρβαση φορτίου θερμαντήρα Μεγαλύτερο ή ίσο με 10 A ανά ακίδα ισχύος για τυπικές πλάκες 1-2 kW
Διάκενο υψηλής τάσης Αποτρέπει τη βλάβη Paschen Μεγαλύτερο ή ίσο με διάκενο 5 mm (240 V), στρογγυλεμένοι ακροδέκτες
Bake-out πριν από την υπηρεσία Αφαιρεί τα προσροφημένα αέρια 100-150 μοίρες υπό κενό για 24-48 ώρες
Ειδικές θήκες: Πλάκες ακτινοβολίας
Σε ορισμένες διεργασίες κενού, η θερμαντική πλάκα δεν προορίζεται να έρθει σε άμεση επαφή με το τεμάχιο εργασίας. Αντίθετα, η πλάκα εκπέμπει θερμότητα στο τεμάχιο εργασίας κατά μήκος ενός κενού. Σε αυτή τη διαμόρφωση, η ικανότητα εκπομπής της επιφάνειας της πλάκας γίνεται κρίσιμη. Εφαρμόζεται μια επίστρωση υψηλής εκπομπής (π.χ. μαύρο ανοδίωση σε αλουμίνιο ή Pyromark 2500 σε ανοξείδωτο χάλυβα) για την αύξηση της μεταφοράς θερμότητας ακτινοβολίας. Ωστόσο, οι επικαλύψεις πρέπει να είναι συμβατές με το κενό και όχι με αέριο. Το Pyromark 2500, μια επίστρωση με βάση το κεραμικό, χρησιμοποιείται συχνά για θερμαντήρες ακτινοβολίας κενού έως 600 μοίρες.

Σύναψη
Οι πλάκες θέρμανσης θαλάμου κενού απαιτούν εξειδικευμένο σχεδιασμό για τη θερμική διαχείριση και τον έλεγχο της μόλυνσης. Η απουσία συναγωγής ψύξης σημαίνει ότι οι θερμαντήρες πρέπει να είναι καλά συνδεδεμένοι με την πλάκα και να λειτουργούν με μειωμένη πυκνότητα watt. Η εκροή αερίων ελέγχεται επιλέγοντας υλικά χαμηλής πίεσης ατμών (ανοξείδωτο ατσάλι, PTFE, Kapton) και εκτελώντας το bake-out πριν από τη συντήρηση. Οι ερμητικές ηλεκτρικές διοχετεύσεις (γυαλί σε μέταλλο ή κεραμικό σε μέταλλο) είναι υποχρεωτικές για τη διατήρηση της ακεραιότητας του θαλάμου. Ο νόμος του Paschen επιβάλλει απαιτήσεις για την αποφυγή δημιουργίας τόξων σε μέτρια επίπεδα κενού. Το περιβάλλον εφαρμογής-το επίπεδο κενού, το εύρος θερμοκρασίας και η ευαισθησία διεργασίας-υπαγορεύουν τις ιδιαιτερότητες του σχεδιασμού. Μια σωστά καθορισμένη θερμαντική πλάκα κενού παρέχει αξιόπιστη, χωρίς ρύπους μεταφορά θερμότητας σε περιβάλλον όπου η μεταφορά απουσιάζει και κάθε επιλογή υλικού έχει σημασία.