Jak specifikovat topnou desku pro použití ve vakuové komoře?

Ve vakuové komoře nepřítomnost vzduchu odstraňuje konvekční přenos tepla. Teplo se přenáší pouze vedením (kontaktem s obrobkem) a sáláním. Topné desky pro vakuový provoz musí být stavěny pro tento neobvyklý režim přenosu tepla a samy se nestávají zdrojem kontaminace. Konstrukce topné desky pro vakuové aplikace není triviální, protože potřebuje vzít v úvahu tepelné řízení, odplyňování materiálů, elektrické průchodky a bezpečnost vysokého napětí. Destička, která dobře funguje na vzduchu, se může přehřívat, uvolňovat plyny nebo svařovat, když je umístěna ve vakuu.

Tepelný management ve vakuových systémech
Bez konvekčního chlazení může topná deska dosáhnout mnohem vyšších teplot než ve vzduchu při stejném příkonu. Komponenty ohřívače uložené v desce musí být dobře-propojeny s hmotou desky, aby se zabránilo místnímu přehřátí. Pro vakuové aplikace jsou důležité následující tepelné problémy.

Mechanismy přenosu tepla
Vedení - Hlavní metoda přenosu tepla na obrobek v kontaktu s deskou. Je vyžadován dobrý tepelný kontakt (rovné povrchy, volitelný materiál tepelného rozhraní).

Radiace – Důležité nad teplotou desky 150 stupňů. Prostup sálavého tepla se řídí Stefanovým‐Boltzmannovým pravidlem (q=εσ(Tp4−Tc4)) . Povrchová emisivita (ε) desky ovlivňuje zahřívání ne-kontaktních oblastí.

Žádná konvekce - Žádné vzduchové chlazení zadní strany nebo okrajů desky. Teplo, které není odevzdáno obrobku, se ukládá v desce a její teplota se zvyšuje.

Připojení desky k ohřívači
Ohřívače by měly být trvale a těsně spojeny s deskou, aby se minimalizoval tepelný odpor. Upřednostňují se pájené nebo upnuté kazetové ohřívače s vysokoteplotní vodivou pastou (na bázi grafitu). Ohřívače, které využívají konvekční chlazení vlastního těla (např. otevřené drátěné ohřívače), nejsou vhodné. Jedním z hlavních konstrukčních rozdílů je, že wattová hustota ohřívače musí být snížena pro provoz vakua, obvykle o 30-50 % hustoty používané pro vzduch, aby se zabránilo přehřátí pláště ohřívače.

Detekce teploty
Teplotní senzory (termočlánky nebo RTD) by měly být zapuštěny co nejblíže k pracovní ploše, nejlépe do 2–5 mm od horní plochy. Ve vakuu nelze získat povrchovou teplotu ze zadní strany nebo ze strany vzduchu. Horká místa jsou běžnější bez konvekční ekvalizace a doporučuje se mít několik senzorů rozmístěných kolem desky pro jejich identifikaci.

Řízení odplyňování ve vakuových topných deskách
Odplyňování, uvolňování zachycených plynů, vlhkosti nebo těkavých látek, není přijatelné ve vakuových provozech, zejména ve vysokém nebo ultra{0}}vysokém vakuu (UHV). Všechny materiály v sestavě topné desky musí mít nízký tlak par a nízkou rychlost odplyňování.

Materiál desky
Nerezová ocel (304, 316, 316L) - Standardní volba pro vakuové topné desky. Nízké odplynění. Vysoká pevnost. Elektroleštění vhodné pro minimalizaci plochy povrchu a zachycených nečistot.

Hliník - Vhodné pro střední vysávání (10-3 až 10-5 Torr), pokud je řádně vyčištěno a eloxováno. Ale hliník má porézní oxidový povlak, který zadržuje vlhkost, takže jeho vypálení trvá dlouho.

Měď - Používá se kvůli své dobré tepelné vodivosti, měď oxiduje a může odplyňovat, pokud není potažena nebo vypálena ve vakuu-.

Ostatní polymery a PTFE
PTFE povlaky nebo pevné PTFE desky jsou přijatelné ve vakuu, i když je vyžadována speciální manipulace. PTFE má zanedbatelné odplynění po prvním vypálení-, protože absorbuje velmi málo vlhkosti. PTFE se však nedoporučuje pro UHV (pod 10-7 Torr), protože dochází k pomalému odplyňování sloučenin fluoru. Pro většinu průmyslových vakuových aplikací (10⁻³ až 10⁻⁶ Torr) je přijatelný správně upravený PTFE. Vypalování před instalací při 150–200 stupních po dobu 24–48 hodin ve vakuu eliminuje adsorbované plyny.

Izolace drátů a lepidla
Izolace drátu musí být podtlaková. Materiály, které lze použít, jsou:

PTFE (teflon) - malé odplynění po vypálení Max. teplota 260 stupňů.

Polyimid (Kapton) - Velmi dobrá vakuová kompatibilita, teplotní odolnost do 400 C, malé odplyňování.

PVC, polyethylen nebo nylon. Nepřijatelné, odplyňují změkčovadla a jiné těkavé látky.

Pro připevnění senzorů nebo zajištění kabeláže je nutné použít epoxidy s nízkým{0}}odplyněním (např. EpoTek H77, Torr Seal). Nepoužívejte lepidla na bázi silikonu{5}} nebo RTV tmely, protože uvolňují siloxany.

Čištění a vypečení
Všechny díly by měly být čištěny pomocí vakuových rozpouštědel (aceton, isopropylalkohol) a smontovány v čistém prostředí. Před uvedením desky do provozu se doporučuje vypálit celou sestavu-ve vakuu při 100–150 stupních po dobu 24–48 hodin. Tato technika eliminuje vodu a těkavé zbytky usazené na povrchu.

Elektrické hermetické průchodky
Napájecí a senzorové vodiče musí procházet stěnou vakuové komory bez úniku. Standardní elektrické konektory s elastomerovým těsněním nejsou použitelné ve vakuu, protože odvádějí-plyn a umožňují mikro-úniky. Hermetický posuv je nezbytný.

Topné desky – typy průchodek
Těsnění sklo-na{1}}kov - Skleněný izolátor je spojen s kovovým pouzdrem a kolíky vodiče. Vhodné pro teploty do 250–400 stupňů v závislosti na typu skla. Společné pro topné desky s nízkým až středním výkonem (jednofázové až 10 A na kolík).

Keramika nalepená na kovovou přírubu (oxid hlinitý nebo beryllia). Keramické až kovové těsnění. Vyšší teplotní hodnocení (500 stupňů +) a zlepšená vakuová integrita (rychlost úniku < 1×10-10 atm cc/s). Pro aplikace s vysokým výkonem nebo UHV.

Těsnění kompresního skla - Levnější, ale teplota omezená na zhruba 150 stupňů.

Počet a hodnocení pinů průchodů
Specifikace topné desky vakuové komory musí specifikovat počet elektrických obvodů:

Napájení každé topné zóny (2 vodiče/zóna)

Vodiče snímače teploty (dva vodiče na termočlánek nebo RTD)

Jedna vícekolíková průchodka může mít několik kolíků. Každý kolík musí být dimenzován na proud větší, než je maximální proud ohřívače. Například 500 W ohřívač při 120 V používá 4,2 A. Postačí 10 A průchodkový kolík.

Vnitřní elektroinstalace
Důležité: Vodiče od průchodky k topné desce ve vakuové komoře musí být podtlakové (izolace PTFE nebo Kapton) a bez horkých povrchů. Zajistěte připojení pomocí keramických svorkovnic nebo distančních sloupků. Nejsou povoleny žádné plastové stahovací pásky nebo lepicí pásky.

Paschenův zákon (Elektrický průraz ve vakuu)
Podle Paschenova zákona závisí průrazné napětí mezi dvěma vodiči na tlaku a vzdálenosti. Při atmosférickém tlaku dochází při vysokých napětích k průrazu (rozsah kV pro malé mezery). Průrazné napětí je výrazně sníženo při mírném vakuu (10-1 až 10-3 Torr) – v určitých případech na několik set voltů pro mezeru 1 mm. Při vysokém vakuu (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Pro vakuově vyhřívané desky jsou nutná následující opatření:

Udržujte dostatečnou vzdálenost od uzemněných povrchů k aktivním vodičům (např. svorky topení, průchozí kolíky). Doporučuje se minimálně 5 mm pro 240 V AC nebo 10 mm pro vyšší napětí.

Vyhněte se ostrým hranám - Ostré body koncentrují elektrické pole a snižují průrazné napětí. Preferovány jsou zaoblené koncovky, hladké trasy vodičů.

V případě dlouhých vnitřních vedení použijte stíněné vodiče, uzemněné na průchodce komory.

Před použitím plného výkonu vyzkoušejte izolační odpor ve vakuu.

Kontrolní seznam vakuového designu – varné desky
Níže je uveden souhrn hlavních bodů, které je třeba zahrnout do specifikace pro topnou desku vakuové komory.

Kategorie PožadavekNormální řešení
Materiál desky 316 nerezová ocel, nízké odplynění, elektrolyticky leštěná, čistitelná
Typ ohřívače Intimní připojení k desce; snížené pro vakuové pájené kazetové ohřívače (pláště Incoloy)
Snížená hustota wattů, aby se zabránilo přehřátí Méně než nebo rovno 5 W/cm2 (oproti 8-10 W/cm2 ve vzduchu)
Detekce teploty Vestavěný blízko pracovní plochy termočlánek typu K nebo PT100 RTD
Izolace drátu PTFE (teflon) nebo Kapton Low odplynění, podtlaková
Tmely / lepidla EpoTek H77 s nízkým odvodem plynů, těsnění Torr (bez silikonů)
Elektrické průchodky Hermetické, nepropustné-Sklo-na-kov nebo keramika na kov
Jmenovitý proud průchodu Překračuje zatížení ohřívače Větší nebo rovno 10 A na napájecí kolík pro typické 1–2 kW desky
Vysokonapěťová vůle Zabraňuje Paschenově průrazu Mezera větší nebo rovna 5 mm (240 V), zaoblené svorky
Předservisní vypálení Odstraňuje adsorbované plyny 100–150 stupňů ve vakuu po dobu 24–48 hodin
Speciální případy: Sálavé topné desky
U některých vakuových procesů není topná deska určena pro přímý kontakt s obrobkem. Místo toho deska vyzařuje teplo do obrobku přes mezeru. V této konfiguraci se emisivita povrchu desky stává kritickou. Pro zvýšení přenosu sálavého tepla je aplikován vysoce emisní povlak (např. černý elox na hliníku nebo Pyromark 2500 na nerezové oceli). Nátěry však musí být kompatibilní s vakuem a nesmí odplyňovat. Pyromark 2500, povlak na bázi keramiky, se často používá pro vakuové sálavé ohřívače až do 600 stupňů.

Závěr
Topné desky vakuové komory vyžadují speciální design pro tepelné řízení a kontrolu kontaminace. Absence konvekčního chlazení znamená, že ohřívače musí být dobře připojeny k desce a provozovány při snížené wattové hustotě. Odplyňování je řízeno výběrem nízkotlakých materiálů (nerezová ocel, PTFE, Kapton) a provedením předservisního vypálení. Hermetické elektrické průchodky (sklo-kov nebo keramika-kov) jsou povinné pro zachování integrity komory. Paschenův zákon ukládá požadavky na vůli, aby se zabránilo oblouku při středních úrovních vakua. Prostředí aplikace-úroveň vakua, teplotní rozsah a citlivost procesu-určuje specifika návrhu. Správně specifikovaná vakuová topná deska poskytuje spolehlivý přenos tepla bez kontaminace v prostředí, kde chybí konvekce a záleží na každém výběru materiálu.