כיצד לציין פלטת חימום לשימוש בתא ואקום?

בתא ואקום היעדר אוויר מסיר העברת חום הסעה. חום מועבר רק באמצעות הולכה (מגע עם חלק) וקרינה. לוחות חימום לשירות ואקום חייבים להיבנות עבור משטר העברת חום יוצא דופן זה, ולא להפוך למקור זיהום. העיצוב של פלטת חימום ליישומי ואקום אינו טריוויאלי, שכן הוא צריך לקחת בחשבון ניהול תרמי, הוצאת גז של חומרים, הזנה חשמלית ובטיחות של מתחים גבוהים. צלחת שעובדת היטב באוויר עלולה להתחמם יתר על המידה, לצאת מגז או להתקשת כאשר היא ממוקמת תחת ואקום.

ניהול תרמי במערכות ואקום
ללא קירור הסעה פלטת חימום יכולה להגיע לטמפרטורות גבוהות בהרבה מאשר באוויר עבור אותה קלט כוח. רכיבי המחמם הטמונים בצלחת צריכים להיות מחוברים היטב- למסת הצלחת כדי למנוע התחממות יתר מקומית. החששות התרמיים הבאים חשובים ליישומי ואקום.

מנגנוני העברת חום
הולכה - השיטה העיקרית להעברת חום לחומר במגע עם הצלחת. נדרש מגע תרמי טוב (משטחים שטוחים, חומר ממשק תרמי אופציונלי).

קרינה - חשוב מעל טמפרטורת הצלחת של 150 מעלות. העברת חום קרינה עוקבת אחר כלל סטפן-בולצמן (q=εσ(Tp4−Tc4)) . פליטת פני השטח (ε) של הלוח משפיעה על החימום של אזורים ללא מגע.

אין הסעה - אין קירור אוויר של הצד האחורי או גבולות הצלחת. חום שלא מועבר לחומר מאוחסן בצלחת והטמפרטורה שלו עולה.

צימוד של פלטה למחמם
תנורי חימום צריכים להיות מקושרים באופן קבוע והדוק לצלחת כדי למזער את עמידות החום. מועדפים מחממי מחסנית מולחמים או מהודקים עם משחה מוליכה בטמפרטורה גבוהה (על בסיס גרפיט). תנורי חימום המשתמשים בקירור הסעה של גופם (מחממי חוט פתוחים, למשל) אינם מתאימים. הבדל עיצובי עיקרי אחד הוא שיש להפחית את צפיפות הוואטים של המחמם עבור שירות ואקום, בדרך כלל 30-50% מזה המשמש לאוויר, כדי למנוע התחממות יתר של מעטפת המחמם.

זיהוי טמפרטורה
חיישני טמפרטורה (צמדים תרמיים או RTDs) צריכים להיות מוטבעים קרוב ככל האפשר למשטח העבודה, רצוי במרחק של 2-5 מ"מ מהפנים העליון. בוואקום לא ניתן לקבל את טמפרטורת פני השטח מקריאות הצד האחורי או האוויר. נקודות חמות נפוצות יותר ללא השוואת הסעה ומומלץ לפזר מספר חיישנים סביב הצלחת כדי לזהות אותם.

בקרת יציאת גז בפלטות חימום ואקום
הוצאת גזים, שחרור של גזים כלואים, לחות או חומרים נדיפים, אינה מקובלת בפעולות ואקום, במיוחד ואקום גבוה או אולטרה-גבוה (UHV). כל החומרים במכלול לוחות החימום יהיו בעלי לחץ אדים נמוך ושיעורי יציאות נמוכים.

חומר צלחת
נירוסטה (304, 316, 316L) - האפשרות הסטנדרטית לפלטות חימום ואקום. יציאת גז נמוכה. חוזק גבוה. ליטוש אלקטרו מתאים למזער שטח פנים וזיהומים כלואים.

אלומיניום - טוב לוואקום מתון (10-3 עד 10-5 טור) אם מנוקה ומאוגד כהלכה. אבל לאלומיניום יש ציפוי תחמוצת נקבובי אשר לוכד לחות כך שלוקח זמן רב לאפייה.

נחושת - בשימוש בגלל המוליכות התרמית הטובה שלה, נחושת מתחמצנת ועלולה לצאת גז אם לא מצופה או -תורה בוואקום.

פולימרים אחרים ו-PTFE
ציפוי PTFE או לוחות PTFE מוצקים מקובלים בוואקום, אם כי נדרש טיפול מיוחד. ל-PTFE יש פליטת גזים זניחה לאחר אפייה- ראשונית מכיוון שהוא סופג מעט מאוד לחות. עם זאת, PTFE אינו מומלץ ל-UHV (מתחת ל-10-7 טור) בגלל היציאה האיטית של תרכובות פלואור. עבור רוב יישומי הוואקום התעשייתיים (10⁻³ עד 10⁻⁶ Tor) PTFE מטופל כהלכה מקובל. אפייה מוקדמת להתקנה ב-150-200 מעלות למשך 24-48 שעות תחת ואקום מבטלת גזים נספגים.

בידוד חוטים ודבקים
בידוד החוט חייב להיות מדורג בוואקום. החומרים בהם ניתן להשתמש הם:

PTFE (טפלון) - מעט גז לאחר אפייה מקסימום. טמפרטורה 260 מעלות.

פוליאמיד (קפטון) - תאימות ואקום טובה מאוד, דירוג טמפרטורה ל-400C, מעט יציאת גזים.

PVC, פוליאתילן או ניילון. לא מקובל, הם יוצאים מפלסטיקים וחומרים נדיפים אחרים.

יש להשתמש באפוקס-נמוך (למשל, EpoTek H77, Torr Seal) לחיבור חיישנים או אבטחת חיווט. אל תשתמש בדבקים על בסיס-סיליקון או בחומרי איטום RTV מכיוון שהם יוצאים מהגזים של סילוקסאנים.

מנקים ואופים
יש לנקות את כל החלקים באמצעות ממיסים בדרגת ואקום (אצטון, איזופרופיל אלכוהול) ולהרכיב אותם בסביבה נקייה. לפני הכנסת הצלחת לשימוש, מומלץ לאפות-מכלול מלא תחת ואקום ב-100-150 מעלות למשך 24-48 שעות. טכניקה זו מבטלת מים ושאריות נדיפות המופקדות על פני השטח.

הזנות הרמטיות חשמליות
חוטי החשמל והחיישן חייבים לעבור דרך דופן תא הוואקום מבלי לדלוף. מחברים חשמליים סטנדרטיים עם אטמי אלסטומר אינם ניתנים לשימוש בוואקום מכיוון שהם יוצאים-גז ומאפשרים דליפות מיקרו-. הזנה הרמטית נחוצה.

לוחות חימום - סוגי הזנות
איטום זכוכית-ל-מתכת - מבודד זכוכית מחובר לבית מתכת ולפיני מוליכים. מתאים לטמפרטורות של עד 250-400 מעלות, תלוי בסוג הזכוכית. נפוץ לפלטות חימום בעוצמה נמוכה עד בינונית (חד פאזי עד 10A לכל פין).

קרמיקה מודבקת על אוגן מתכת (אלומינה או בריליה). אטמים קרמיים למתכת. דירוג טמפרטורה גבוה יותר (500 מעלות +) ושלמות ואקום משופרת (קצב דליפה < 1×10-10 atm cc/sec). עבור יישומי הספק גבוה או UHV.

איטום זכוכית דחיסה - זול יותר, אך הטמפרטורה מוגבלת ל-150 מעלות בערך.

מספר ודירוג של סיכות הזנות
מפרט לוח החימום של תא ואקום יציין את מספר המעגלים החשמליים:

מתח לכל אזור חימום (2 חוטים/אזור)

חוטי חיישן טמפרטורה (שני חוטים לכל צמד תרמי או RTD)

הזנה מרובה פינים בודדת עשויה להיות בעלת מספר פינים. כל סיכה חייבת להיות מדורגת עבור זרם גדול יותר מזרם המחמם המרבי. לדוגמה, תנור חימום של 500 וולט ב-120 וולט משתמש ב-4.2 A. סיכת הזנה של 10 A תתאים.

חיווט פנימי
חשוב: חוטים מההזנה לצלחת החימום בתא הוואקום חייבים להיות בדירוג ואקום (מבודד PTFE או Kapton) וללא משטחים חמים. חיבורים מאובטחים באמצעות בלוקים קרמיים או ניתוקים. אין להכניס קשרי כבלים מפלסטיק או סרטי דבק.

חוק פאשן (תקלה חשמלית בוואקום)
לפי חוק פאשן מתח השבר בין שני מוליכים תלוי בלחץ ובמרחק. בלחץ אטמוספרי מתרחשת התמוטטות במתחים גבוהים (טווח קילו-וולט עבור פערים זעירים). מתח התמוטטות מופחת מאוד בוואקום מתון (10-1 עד 10-3 טור) - במקרים מסוימים לכמה מאות וולט עבור פער של 1 מ"מ. בוואקום גבוה (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

אמצעי הזהירות הבאים נחוצים עבור צלחות מחוממות בוואקום:

שמור על הפרדה מספקת בין משטחים מוארקים למוליכים פעילים (כגון מסופי חימום, פיני הזנה). מוצע מינימום של 5 מ"מ עבור 240 V ac או 10 מ"מ עבור מתחים גדולים יותר.

הימנע מקצוות חדים - נקודות חדות מרכזות את השדה החשמלי ומפחיתות את מתח ההתמוטטות. מועדפים מסופים מעוגלים, מסלולי מוליכים חלקים.

במקרה של קווים פנימיים ארוכים, השתמש בחוטים ממוגנים, מוארקים בהזנה של החדר.

לפני יישום כוח מלא, בדוק את עמידות הבידוד תחת ואקום.

רשימת בדיקה לעיצוב ואקום - פלטות חמות
להלן סיכום של הנקודות העיקריות שיש לכלול במפרט עבור פלטת חימום של תא ואקום.

דרישת קטגוריה פתרון רגיל
חומר פלטה 316 נירוסטה, יציאת גז נמוכה, מלוטשת אלקטרו, ניתנת לניקוי
סוג המחמם צימוד אינטימי לצלחת; מופחת עבור מחממי מחסנית מוחים בוואקום (מעיל Incoloy)
צפיפות וואט מופחתת כדי למנוע התחממות יתר פחות או שווה ל-5 W/cm2 (לעומת 8-10 W/cm2 באוויר)
זיהוי טמפרטורה מוטבע קרוב למשטח עבודה צמד תרמי מסוג K או PT100 RTD
בידוד תיל PTFE (טפלון) או Kapton Low outgasing, דירוג ואקום
חומרי איטום / דבקים אפוקסי בעל גז נמוך EpoTek H77, Torr Seal (ללא סיליקונים)
הזנה חשמלית הרמטית, דליפה-tightGlass-ל-מתכת או קרמיקה למתכת
דירוג זרם הזנה עולה על עומס המחמם גדול או שווה ל-10 A לכל פין חשמל עבור לוחות טיפוסיים של 1-2 קילוואט
מרווח מתח גבוה מונע התמוטטות פסח גדול או שווה לרווח של 5 מ"מ (240 וולט), מסופים מעוגלים
אפייה לפני שירות מסיר גזים נספגים ב-100-150 מעלות תחת ואקום למשך 24-48 שעות
מקרים מיוחדים: לוחות חימום קורנים
בחלק מתהליכי ואקום, לוח החימום אינו מיועד ליצור קשר ישיר עם חומר העבודה. במקום זאת, הצלחת מקרינה חום לחומר העבודה על פני מרווח. בתצורה זו, פליטת פני השטח של הצלחת הופכת קריטית. ציפוי בעל פליטה גבוהה (למשל, אנודייז שחור על אלומיניום, או Pyromark 2500 על נירוסטה) מוחל כדי להגביר את העברת החום הזוהר. עם זאת, ציפויים חייבים להיות תואמים לוואקום ולא לצאת מגז. Pyromark 2500, ציפוי על בסיס קרמי, משמש לעתים קרובות עבור מחממי קרינת ואקום עד 600 מעלות.

מַסְקָנָה
לוחות חימום תאי ואקום דורשים תכנון מיוחד לניהול תרמי ובקרת זיהום. היעדר קירור הסעה אומר שמחממים חייבים להיות מחוברים היטב לצלחת ומופעלים בצפיפות וואט מופחתת. הוצאת הגז נשלטת על ידי בחירת חומרים בלחץ אדים נמוך (נירוסטה, PTFE, Kapton) וביצוע אפייה לפני שירות. הזנה חשמלית הרמטית (זכוכית למתכת או קרמיקה למתכת) היא חובה כדי לשמור על שלמות החדר. חוק Paschen מטיל דרישות אישור למניעת קשתות ברמות ואקום מתונות. סביבת האפליקציה-רמת הוואקום, טווח הטמפרטורות ורגישות התהליך-מכתיבה את העיצוב הספציפי. פלטת חימום ואקום שצוינה כהלכה מספקת העברת חום אמינה ונטולת זיהום בסביבה שבה אין הסעה וכל בחירת חומר חשובה.