Vakum Odası Kullanımı için Isıtma Plakası Nasıl Belirlenir?

Bir vakum odasında havanın olmaması konvektif ısı transferini ortadan kaldırır. Isı yalnızca iletim (iş parçası teması) ve radyasyon yoluyla aktarılır. Vakum hizmetine yönelik ısıtma plakaları bu alışılmadık ısı transfer rejimine uygun şekilde üretilmeli ve kendileri bir kirlilik kaynağı haline gelmemelidir. Vakum uygulamaları için bir ısıtma plakasının tasarımı önemsiz değildir; çünkü termal yönetimin, malzemelerin gaz çıkışının, elektrik geçişlerinin ve yüksek voltaj güvenliğinin dikkate alınması gerekir. Havada iyi çalışan bir plaka, vakum altına yerleştirildiğinde aşırı ısınabilir, gaz çıkarabilir veya ark meydana gelebilir.

Vakum Sistemlerinde Termal Yönetim
Konvektif soğutma olmadan, bir ısıtma plakası aynı güç girişi için havadakinden çok daha yüksek sıcaklıklara ulaşabilir. Plakaya gömülü ısıtıcı bileşenlerinin, lokal aşırı ısınmayı önlemek için plaka kütlesine-iyi bir şekilde bağlanması gerekir. Aşağıdaki termal kaygılar vakum uygulamaları için önemlidir.

Isı Transferinin Mekanizmaları
İletim - Plakayla temas halindeki bir iş parçasına ısı aktarmanın ana yöntemi. İyi termal temas (düz yüzeyler, isteğe bağlı termal arayüz malzemesi) gereklidir.

Radyasyon – Plaka sıcaklığının 150 derecenin üzerinde olması önemlidir. Radyant ısı iletimi Stefan‐Boltzmann kuralını izler (q=εσ(Tp4−Tc4)) . Plakanın yüzey emisyonu (ε), temas etmeyen bölgelerin ısınmasını etkiler-.

Konveksiyon yok - Plakanın arka tarafında veya kenarlarında hava soğutması yok. İş parçasına iletilmeyen ısı plakada depolanır ve sıcaklığı artar.

Plakanın Isıtıcıya Bağlanması
Isı direncini en aza indirmek için ısıtıcılar plakaya kalıcı ve yakından bağlanmalıdır. Yüksek sıcaklık iletken macunlu (grafit bazlı) lehimli veya kelepçeli kartuş ısıtıcıları tercih edilir. Kendi gövdelerinin konvektif soğutmasını kullanan ısıtıcılar (örneğin açık telli ısıtıcılar) uygun değildir. Önemli bir tasarım farklılığı, ısıtıcı kılıfının aşırı ısınmasını önlemek amacıyla, vakum hizmeti için ısıtıcı watt yoğunluğunun, tipik olarak hava için kullanılanın %30-50'si kadar düşürülmesi gerektiğidir.

Sıcaklık Algılama
Sıcaklık sensörleri (termokupllar veya RTD'ler) çalışma yüzeyine mümkün olduğu kadar yakın bir yere, tercihen üst yüzden 2-5 mm mesafeye yerleştirilmelidir. Vakumda yüzey sıcaklığı arka taraftan veya hava tarafından okunarak elde edilemez. Sıcak noktalar, konvektif dengeleme olmadan daha yaygındır ve bunları tanımlamak için plakanın etrafına dağıtılmış birkaç sensörün bulunması tavsiye edilir.

Vakumlu Isıtma Plakalarında Gaz Çıkışının Kontrolü
Sıkışmış gazların, nemin veya uçucu maddelerin salınımı olan gaz çıkışı, özellikle yüksek veya ultra-yüksek vakum (UHV) olmak üzere vakum işlemlerinde kabul edilemez. Isıtma plakası düzeneğindeki tüm malzemeler düşük buhar basıncına ve düşük gaz çıkış oranlarına sahip olacaktır.

Plaka Malzemesi
Paslanmaz çelik (304, 316, 316L) - Vakumlu ısıtma plakaları için standart seçenek. Düşük gaz çıkışı. Yüksek mukavemet. Yüzey alanını ve sıkışan yabancı maddeleri en aza indirmek için uygun elektro-parlatma.

Alüminyum - Düzgün bir şekilde temizlenip anodize edilmesi durumunda orta dereceli vakum için iyidir (10-3 ila 10-5 Torr). Ancak alüminyumun nemi hapseden gözenekli bir oksit kaplaması vardır, dolayısıyla pişmesi uzun zaman alır.

Bakır - İyi ısı iletkenliği nedeniyle kullanılır, bakır oksitlenir ve kaplanmadığı veya vakumla-ateşlenmediği takdirde gazı çıkabilir.

Diğer Polimerler ve PTFE
PTFE kaplamalar veya katı PTFE plakalar, özel işlem gerektirmesine rağmen vakumda kabul edilebilir. PTFE, çok az nemi emdiği için ilk fırından- sonra ihmal edilebilir düzeyde gaz çıkışı gösterir. Bununla birlikte, flor bileşiklerinin yavaş gaz çıkışı nedeniyle UHV (10-7 Torr'un altında) için PTFE önerilmez. Çoğu endüstriyel vakum uygulaması için (10⁻³ ila 10⁻⁶ Torr) uygun şekilde işlenmiş PTFE kabul edilebilir. Kurulum öncesi vakum altında 24-48 saat boyunca 150-200 derecede pişirme işlemi, emilen gazları ortadan kaldırır.

Tel İzolasyon ve Yapıştırıcılar
Tel yalıtımı vakum derecesine sahip olmalıdır. Kullanılabilecek malzemeler şunlardır:

PTFE (Teflon) - pişirildikten sonra az miktarda gaz çıkışı Maks. sıcaklık 260 derece.

Poliimid (Kapton) - Çok iyi vakum uyumluluğu, 400C'ye kadar sıcaklık derecesi, çok az gaz çıkışı.

PVC, polietilen veya naylon. Kabul edilemez; plastikleştiricileri ve diğer uçucu maddeleri dışarı atıyorlar.

Sensörleri takmak veya kabloları sabitlemek için düşük-gaz çıkışı sağlayan epoksiler (örneğin, EpoTek H77, Torr Seal) kullanılmalıdır. Siloksan gazı çıkardıkları için silikon-bazlı yapıştırıcılar veya RTV sızdırmazlık malzemeleri kullanmayın.

Temizleme ve pişirme
Tüm parçalar vakum sınıfı solventler (aseton, izopropil alkol) kullanılarak temizlenmeli ve temiz bir ortamda monte edilmelidir. Plakayı hizmete koymadan önce, tüm montajın vakum altında-100-150 derecede 24-48 saat süreyle pişirilmesi tavsiye edilir. Bu teknik yüzeyde biriken su ve uçucu kalıntıları ortadan kaldırır.

Elektrikli Hermetik Geçişler
Güç ve sensör kabloları vakum odasının duvarından sızıntı yapmadan geçmelidir. Elastomer contalı standart elektrik konnektörleri, gaz çıkardıkları ve mikro-sızıntılara izin verdikleri için vakumda kullanılamazlar. Hermetik besleme gereklidir.

Isıtma Plakaları – Geçiş Türleri
Cam--metal-mühürleme - Bir cam yalıtkan, metal bir mahfazaya ve iletken pimlere bağlanmıştır. Camın cinsine göre 250-400 dereceye kadar olan sıcaklıklara uygundur. Düşük ila orta güçlü ısıtma plakaları için ortaktır (pin başına 10 A'ya kadar tek faz).

Metal bir flanşa (alümina veya berilya) yapıştırılmış seramik. Seramikten metale contalar. Daha yüksek sıcaklık derecesi (500 derece +) ve geliştirilmiş vakum bütünlüğü (sızıntı oranı < 1×10-10 atm cc/sn). Yüksek güç veya UHV uygulamaları için.

Sıkıştırılmış cam sızdırmazlık - Daha ucuzdur, ancak sıcaklık kabaca 150 derece ile sınırlıdır.

Geçiş pinlerinin sayısı ve derecesi
Vakum odası ısıtma plakası spesifikasyonu, elektrik devrelerinin sayısını belirtecektir:

Her ısıtma bölgesine güç (2 kablo/bölge)

Sıcaklık sensörü kabloları (termokupl veya RTD başına iki kablo)

Tek bir çok pinli geçişin birden fazla pini olabilir. Her pin, maksimum ısıtıcı akımından daha büyük bir akım için derecelendirilmelidir. Örneğin, 120 V'taki 500 W'lık bir ısıtıcı 4,2 A kullanır. 10 A'lik bir geçiş pimi bunu yapar.

Dahili Kablolama
Önemli: Besleme hattından vakum odasındaki ısıtma plakasına giden kablolar vakum dereceli (PTFE veya Kapton yalıtımlı) olmalı ve sıcak yüzeylerden arındırılmış olmalıdır. Bağlantıları seramik terminal blokları veya ayırıcılar kullanarak güvenli hale getirin. Plastik kablo bağlarına veya yapışkan bantlara izin verilmez.

Paschen Yasası (Vakumda Elektriksel Arıza)
Paschen yasasına göre iki iletken arasındaki kırılma gerilimi basınca ve mesafeye bağlıdır. Atmosfer basıncında, yüksek voltajlarda (küçük boşluklar için kV aralığı) arıza meydana gelir. Arıza voltajı orta dereceli vakumda (10-1 ila 10-3 Torr) büyük ölçüde azalır - bazı durumlarda 1 mm'lik bir boşluk için birkaç yüz volta kadar. Yüksek vakumda (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Vakumla ısıtılan plakalar için aşağıdaki önlemler gereklidir:

Topraklanmış yüzeylerden aktif iletkenlere (örn. ısıtıcı terminalleri, geçiş pimleri) kadar yeterli mesafeyi koruyun. 240 V ac için minimum 5 mm veya daha yüksek voltajlar için 10 mm önerilir.

Keskin kenarlardan kaçının - Keskin noktalar elektrik alanını yoğunlaştırır ve arıza voltajını azaltır. Tercih edilenler yuvarlak terminaller ve düzgün iletken yollarıdır.

Uzun iç hatlar olması durumunda, bölme geçişinde topraklanmış, korumalı kablolar kullanın.

Tam güç uygulamasından önce izolasyon direncini vakum altında test edin.

Vakum Tasarımı Kontrol Listesi – Sıcak Plakalar
Aşağıda, bir vakum odası ısıtma plakasının spesifikasyonuna dahil edilmesi gereken ana noktaların bir özeti bulunmaktadır.

Kategori GereksinimiNormal Çözüm
Plaka malzemesi 316 paslanmaz çelik, düşük gaz çıkışı, elektro-parlatılmış, temizlenebilir
Isıtıcı tipi Plakaya yakın bağlantı; vakumBrazed kartuş ısıtıcıları için azaltılmış (Incoloy ceket)
Watt Yoğunluğu Aşırı ısınmayı önlemek için azaltıldı 5 W/cm2'ye eşit veya daha az (havada 8-10 W/cm2'ye kıyasla)
Sıcaklık algılama Çalışma yüzeyine yakın gömülü Tip K termokupl veya PT100 RTD
Tel izolasyonu PTFE (Teflon) veya Kapton Düşük gaz çıkışı, vakum dereceli
Sızdırmazlık malzemeleri / yapıştırıcılarDüşük gaz çıkışı sağlayan epoksi EpoTek H77, Torr Seal (silikonsuz)
Elektrik geçişleri Hermetik, sızdırmaz-Camdan-metale-veya seramikten metale sızıntı
Geçiş akımı değeri Isıtıcı yükünü aşar Tipik 1‑2 kW plakalar için güç pimi başına 10 A'ya eşit veya daha büyük
Yüksek voltaj boşluğu Paschen arızasını önler 5 mm'ye eşit veya daha büyük boşluk (240 V), yuvarlak terminaller
Servis öncesi pişirme 24‑48 saat boyunca vakum altında 100‑150 derecelik adsorbe edilmiş gazları giderir
Özel Durumlar: Radyant Isıtma Plakaları
Bazı vakum proseslerinde ısıtma plakasının iş parçasına doğrudan temas etmesi amaçlanmamıştır. Bunun yerine plaka ısıyı bir boşluk boyunca iş parçasına yayar. Bu konfigürasyonda plakanın yüzey emisyonu kritik hale gelir. Radyant ısı transferini artırmak için yüksek emisyonlu bir kaplama (örn. alüminyum üzerine siyah anotlama veya paslanmaz çelik üzerine Pyromark 2500) uygulanır. Ancak kaplamaların vakumla uyumlu olması ve gaz çıkışı olmaması gerekir. Seramik bazlı bir kaplama olan Pyromark 2500, genellikle 600 dereceye kadar vakumlu radyant ısıtıcılarda kullanılır.

Çözüm
Vakum odası ısıtma plakaları, termal yönetim ve kirlilik kontrolü için özel tasarım gerektirir. Konvektif soğutmanın olmaması, ısıtıcıların plakaya iyi bir şekilde bağlanması ve azaltılmış watt yoğunluğunda çalıştırılması gerektiği anlamına gelir. Gaz çıkışı, düşük buhar basınçlı malzemeler (paslanmaz çelik, PTFE, Kapton) seçilerek ve servis öncesi pişirme işlemi gerçekleştirilerek kontrol edilir. Oda bütünlüğünü korumak için hermetik elektrik geçişleri (camdan metale veya seramikten metale) zorunludur. Paschen yasası, orta dereceli vakum seviyelerinde ark oluşumunu önlemek için boşluk gerekliliklerini empoze eder. Uygulama ortamı-vakum seviyesi, sıcaklık aralığı ve proses hassasiyeti-tasarım özelliklerini belirler. Uygun şekilde belirlenmiş bir vakumlu ısıtma plakası, konveksiyonun olmadığı ve her malzeme seçiminin önemli olduğu bir ortamda güvenilir, kirlenmeden ısı transferi sağlar.