Com especificar una placa de calefacció per a l'ús de la càmera de buit?

En una cambra de buit, l'absència d'aire elimina la transferència de calor convectiva. La calor només es transfereix per conducció (contacte amb la peça) i radiació. Les plaques de calefacció per al servei al buit s'han de construir per a aquest règim de transferència de calor inusual i no es converteixen en una font de contaminació. El disseny d'una placa calefactora per a aplicacions al buit no és trivial, ja que cal tenir en compte la gestió tèrmica, la desgasificació de materials, les alimentacions elèctriques i la seguretat de les altes tensions. Una placa que funciona bé a l'aire pot sobreescalfar-se, sortir de gas o arc quan es col·loca al buit.

Gestió tèrmica en sistemes de buit
Sense refrigeració per convecció, una placa calefactora pot arribar a temperatures molt més grans que a l'aire amb la mateixa potència d'entrada. Els components de l'escalfador enterrats a la placa han d'estar ben-acoblats a la massa de la placa per evitar un sobreescalfament localitzat. Les següents preocupacions tèrmiques són importants per a aplicacions de buit.

Mecanismes de transferència de calor
Conducció - El mètode principal per transferir calor a una peça de treball en contacte amb la placa. Es requereix un bon contacte tèrmic (superfícies planes, material d'interfície tèrmica opcional).

Radiació: important per sobre de la temperatura de la placa de 150 graus. La transmissió de calor radiant segueix la regla de Stefan-Boltzmann (q=εσ(Tp4−Tc4)) . L'emissivitat superficial (ε) de la placa afecta l'escalfament de regions no-contactes.

Sense convecció - Sense refrigeració per aire de la part posterior ni de les vores de la placa. La calor que no es lliura a la peça s'emmagatzema a la placa i la seva temperatura augmenta.

Acoblament de la placa a l'escalfador
Els escalfadors han d'estar permanentment i estretament connectats a la placa per minimitzar la resistència a la calor. S'afavoreixen els escalfadors de cartutxos soldats o subjectats amb pasta conductora d'alta temperatura (a base de grafit). Els escalfadors que utilitzen la refrigeració convectiva dels seus propis cossos (escalfadors de cable obert, per exemple) no són adequats. Una diferència important de disseny és que la densitat de watts de l'escalfador s'ha de reduir per al servei al buit, normalment entre un 30 i un 50% de la que s'utilitza per a l'aire, per evitar el sobreescalfament de la funda de l'escalfador.

Detecció de temperatura
Els sensors de temperatura (termoparells o RTD) han d'estar encastats tan a prop com sigui possible de la superfície de treball, preferiblement a 2-5 mm de la cara superior. Al buit, la temperatura superficial no es pot obtenir a partir de les lectures de la part posterior o de l'aire. Els punts calents són més freqüents sense equalització convectiva i es recomana tenir diversos sensors dispersos al voltant de la placa per identificar-los.

Control de desgasificació en plaques de calefacció al buit
La desgasificació, l'alliberament de gasos atrapats, humitat o substàncies volàtils, no és acceptable en operacions de buit, especialment en buit alt o ultra{0}} (UHV). Tots els materials del conjunt de la placa de calefacció han de tenir baixa pressió de vapor i baixes taxes de desgasificació.

Material de la placa
Acer inoxidable (304, 316, 316L) - L'opció estàndard per a plaques de calefacció al buit. Baixa desgasificació. Alta resistència. Electropolit adequat per minimitzar la superfície i les impureses atrapades.

Alumini - Ideal per a un buit moderat (de 10-3 a 10-5 Torr) si es neteja i anoditza correctament. Però l'alumini té un recobriment d'òxid porós que atrapa la humitat, de manera que triga molt de temps a coure.

Coure - S'utilitza a causa de la seva bona conductivitat tèrmica, el coure s'oxida i pot desgasificar-se si no es recobreix o es treu al buit-.

Altres polímers i PTFE
Els recobriments de PTFE o les plaques sòlides de PTFE són acceptables al buit, tot i que es requereix una manipulació especial. El PTFE té una desgasificació insignificant després d'una primera cocció-perquè absorbeix molt poca humitat. Tanmateix, el PTFE no es recomana per a UHV (per sota de 10-7 Torr) a causa de la lenta emissió de gasos dels compostos de fluor. Per a la majoria d'aplicacions de buit industrial (de 10⁻³ a 10⁻⁶ Torr) s'accepta el PTFE tractat adequadament. Una cocció prèvia a la instal·lació a 150-200 graus durant 24-48 h al buit elimina els gasos adsorbits.

Aïllament de filferro i adhesius
L'aïllament del cable ha de tenir una classificació de buit. Els materials que es poden utilitzar són:

PTFE (tefló) - petita desgasificació després d'enfornar Màx. temperatura 260 graus.

Poliimida (Kapton) - Molt bona compatibilitat amb el buit, classificació de temperatura fins a 400 °C, poca desgasificació.

PVC, polietilè o niló. No és acceptable, desgasten plastificants i altres volàtils.

S'han d'utilitzar epoxis de baixa-desgasificació (p. ex., EpoTek H77, Torr Seal) per connectar sensors o assegurar el cablejat. No utilitzeu adhesius-de silicona ni segelladors RTV, ja que gasten els siloxans.

Neteja i forn
Totes les peces s'han de netejar amb dissolvents al buit (acetona, alcohol isopropílic) i muntar-les en un entorn net. Abans de posar la placa en servei, s'aconsella un conjunt complet de coure-al buit a 100-150 graus durant 24-48 hores. Aquesta tècnica elimina l'aigua i els residus volàtils dipositats a la superfície.

Passants elèctrics hermètics
Els cables d'alimentació i sensor han de travessar la paret de la cambra de buit sense fuites. Els connectors elèctrics estàndard amb segells d'elastòmer no es poden utilitzar al buit perquè surten-gasos i permeten micro-fuites. És necessari un pas hermètic.

Plaques calefactores: tipus de pas
Segellat-de vidre a-metall - Un aïllant de vidre està unit a una carcassa de metall i agulles conductores. Apte per a temperatures de fins a 250-400 graus, depenent del tipus de vidre. Comú per a plaques de calefacció de baixa a mitjana potència (monofàsica fins a 10 A per pin).

Ceràmica enganxada a una brida metàl·lica (alúmina o beril·lia). Segells de ceràmica a metall. Valoració de temperatura més alta (500 graus +) i integritat del buit millorada (taxa de fuites < 1 × 10-10 atm cc/seg). Per a aplicacions d'alta potència o UHV.

Segellat de vidre de compressió - Més barat, però la temperatura limitada a uns 150 graus aproximadament.

Nombre i classificació de pins de pas
L'especificació de la placa de calefacció de la cambra de buit ha d'especificar el nombre de circuits elèctrics:

Alimentació a cada zona de calefacció (2 cables/zona)

Cables del sensor de temperatura (dos cables per termoparell o RTD)

Un únic pas multipunt pot tenir diverses agulles. Cada pin s'ha de classificar per a un corrent superior al corrent màxim de l'escalfador. Per exemple, un escalfador de 500 W a 120 V utilitza 4,2 A. Un passador de 10 A seria adequat.

Cablejat intern
Important: els cables des de l'entrada fins a la placa calefactora de la cambra de buit han de tenir una classificació de buit (aïllament de PTFE o Kapton) i lliures de superfícies calentes. Assegureu les connexions mitjançant blocs de terminals o separadors de ceràmica. No es permeten brides de plàstic ni cintes adhesives.

Llei de Paschen (avaria elèctrica al buit)
Segons la llei de Paschen, la tensió de ruptura entre dos conductors depèn de la pressió i la distància. A la pressió atmosfèrica es produeix una ruptura a altes tensions (rang de kV per a petits buits). La tensió de ruptura es redueix molt al buit moderat (de 10-1 a 10-3 Torr), en determinats casos fins a uns quants centenars de volts per a un espai d'1 mm. a alt buit (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

Les precaucions següents són necessàries per a les plaques escalfades al buit:

Mantenir una separació suficient de les superfícies posades a terra als conductors actius (per exemple, terminals de l'escalfador, agulles de pas). Es recomana un mínim de 5 mm per a 240 V ca o 10 mm per a tensions més grans.

Eviteu vores afilades - Les puntes afilades concentren el camp elèctric i redueixen la tensió d'avaria. Es prefereixen els terminals arrodonits, les vies de conductor llises.

En el cas de línies internes llargues, utilitzeu cables apantallats, connectats a terra a l'entrada de la cambra.

Abans d'aplicar tota la potència, proveu la resistència d'aïllament al buit.

Llista de comprovació del disseny del buit: plaques calents
A continuació es mostra un resum dels punts principals que cal incloure en una especificació per a una placa de calefacció de cambra de buit.

Categoria Requisit Solució normal
Material de la placa d'acer inoxidable 316, baixa desgasificació, electropolit, netejable
Tipus d'escalfador Acoblament íntim a placa; rebaixat per al buit. Escalfadors de cartutxos soldats (jaqueta Incoloy)
Densitat de watts reduïda per evitar el sobreescalfament Menys o igual a 5 W/cm2 (en comparació amb 8-10 W/cm2 a l'aire)
Detecció de temperatura Incrustada prop de la superfície de treball Termopar tipus K o RTD PT100
Aïllament de filferro PTFE (tefló) o Kapton Baixa desgasificació, classificada al buit
Segelladors / adhesius Epoxi de baixa desgasificació EpoTek H77, Torr Seal (sense silicones)
Passejades elèctriques Hermètics,-estanques Vidre-a-metall o ceràmica a metall
Valor nominal de corrent d'alimentació Supera la càrrega de l'escalfador Major o igual a 10 A per pin d'alimentació per a plaques típiques d'1-2 kW
Espai lliure d'alta tensió Evita l'avaria de Paschen Espai superior o igual a 5 mm (240 V), terminals arrodonits
Fornada prèvia al servei Elimina els gasos adsorbits 100-150 graus sota buit durant 24-48 h
Casos especials: Plaques de calefacció radiant
En alguns processos de buit, la placa de calefacció no està pensada per contactar directament amb la peça de treball. En canvi, la placa irradia calor a la peça a través d'un buit. En aquesta configuració, l'emissivitat superficial de la placa esdevé crítica. S'aplica un recobriment d'alta emissivitat (per exemple, anoditzat negre sobre alumini o Pyromark 2500 sobre acer inoxidable) per augmentar la transferència de calor radiant. Tanmateix, els recobriments han de ser compatibles amb el buit i no sortir de gas. Pyromark 2500, un recobriment a base de ceràmica, s'utilitza sovint per a escalfadors radiants al buit de fins a 600 graus.

Conclusió
Les plaques de calefacció de cambra de buit requereixen un disseny especialitzat per a la gestió tèrmica i el control de la contaminació. L'absència de refrigeració convectiva significa que els escalfadors han d'estar ben acoblats a la placa i funcionar amb una densitat de watts reduïda. La desgasificació es controla seleccionant materials de baixa pressió de vapor (acer inoxidable, PTFE, Kapton) i realitzant la cocció prèvia al servei. Els passos elèctrics hermètics (vidre-metall o ceràmica-metall) són obligatoris per mantenir la integritat de la cambra. La llei de Paschen imposa requisits d'autorització per evitar l'arc a nivells de buit moderats. L'entorn de l'aplicació-nivell de buit, l'interval de temperatura i la sensibilitat del procés-dicta les especificitats del disseny. Una placa d'escalfament al buit adequadament especificada proporciona una transferència de calor fiable i lliure de contaminació en un entorn on no hi ha convecció i totes les opcions de material són importants.