Procesele cu vid înalt-(presiune < 0,01 bar absolut) creează o diferență mare de presiune pe mantaua PFA: 1 bar presiune atmosferică externă împingând spre interior, cu aproape-vid în interiorul rezervorului. Pentru un încălzitor PFA standard, spațiul inelar intern dintre miezul metalic și mantaua PFA este la presiunea atmosferică (1 bar), deoarece nu este etanșat față de mediul ambiant. În timpul funcționării cu vid, mantaua suferă o presiune netă în interior de aproximativ 0,99 bar. Tensiunea rezultată a cercului este de compresiune, nu de tracțiune. PFA este mai puternic la compresie decât la tensiune, dar modul principal de eroare este flambajul sau prăbușirea tubului cu pereți subțiri{10}. Pentru un tub PFA de 25 mm OD, 2 mm perete, presiunea externă critică pentru colaps este de aproximativ 2-3 bar. O diferență de 1 bar este sub aceasta, astfel încât colapsul nu are loc la temperatura camerei. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate (80–150 de grade), modulul PFA scade cu 50–70%, iar presiunea critică de colaps poate scădea sub 1 bar. Un design cu presiune-compensată-în care spațiul inelar intern este presurizat cu azot uscat pentru a se potrivi cu vidul extern-previne colapsul. Acest design este recomandat pentru procesele de vid peste 80 de grade.
Mecanismul de colaps și presiunea critică
Presiunea externă critică pentru un tub cu pereți subțiri este dată de P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, unde E este modulul lui Young, ν este raportul lui Poisson (0,45 pentru PFA), t este grosimea peretelui și D este diametrul mediu. La 20 de grade , E=600 MPa, t=2 mm, D{=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1.200 / 0,7975) × (0,082 / 0,7975) × (0,082 / 0,7975) × (0,082 / 0,7975) × (0,082 / 0,7975) × (0,082 / 0,7975) × (0,082 / 0,7975) bar. La 20 de grade , presiunea critică este de aproximativ 1 bar-marginală. Orice imperfecțiune o reduce. La 100 de grade, E scade la 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 bară. Un tub PFA standard la 100 de grade se prăbușește sub un vid de 0,41 bar diferențial. Deoarece diferența reală este de 0,99 bari, colapsul este sigur. Dovezi de teren: încălzitoarele PFA în procesele de vid la 80-120 de grade prezintă adesea învelișuri prăbușite-PFA este aplatizat pe miezul metalic, uneori cu riduri circumferențiale. Prăbușirea nu provoacă imediat o defecțiune electrică, dar creează stres rezidual mare și poate sparge PFA în timpul ciclurilor termice ulterioare.
Presiune-Design compensat
Un încălzitor PFA cu presiune-compensată are un spațiu inelar etanș între miezul metalic și mantaua PFA. În timpul producției, golul este evacuat și umplut cu azot uscat la o presiune de 0,5-1,0 bar absolut. Un mic regulator de presiune sau o etanșare unică-(de exemplu, tub metalic sertizat) menține presiunea internă. Când încălzitorul este plasat într-o cameră cu vid (de exemplu, 0,01 bar), presiunea internă (să zicem 0,8 bar) creează o diferență de numai 0,79 bar spre exterior (din interior spre exterior), nu spre interior. Învelișul PFA se confruntă cu efort de tracțiune, nu compresiv. Tensiunea de tracțiune nu provoacă colaps. Presiunea exterioară critică pentru rupere este mult mai mare (10-20 bar). Încălzitorul rămâne stabil.
Designul cu presiune-compensată are două provocări: (1) Garnitura trebuie menținută pe durata de viață a încălzitorului, inclusiv ciclul termic. Garniturile din metal-la-PFA (fitinguri de compresie) tind să se scurgă în timp. O garnitură cu burduf din metal sudată sau o garnitură de sticlă-pe-metal este mai fiabilă. (2) Presiunea internă crește odată cu temperatura (PV=nRT). Un încălzitor umplut la 0,8 bar la 20 de grade va ajunge la 1,2 bar la 150 de grade. PFA trebuie să reziste la acest stres suplimentar al cercului. Pentru perete de 2 mm, OD 25 mm, presiunea internă de 1,2 bar dă stresul cercului=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-neglijabil.
Comparație pentru prevenirea colapsului
| Design încălzitor | Presiune internă internă (bar abs) | Aspirator extern (bar abs) | Diferenţial net (bară) | Direcţie | Prăbușire la 20 de grade? | Colaps la 100 de grade? | Potrivit pentru vid înalt? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standard (aerisit) | 1.0 | 0.01 | 0,99 spre interior | Compresivă | Nu (marginal) | Da (colaps) | Nu (peste 50 de grade) |
| Standard (aerisit) cu perete gros (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 spre interior | Compresivă | Nu | Nu (P_crit=1.4 bar la 100 de grade) | Da, dar transfer de căldură greu și slab |
| Presiune-compensată (sigilat, umplere de 0,5 bar) | 0.5 | 0.01 | 0,49 spre exterior | De tracţiune | Nu | Nu | Da (toate temperaturile) |
| Presiune-compensată (sigilat, umplere de 0,8 bar) | 0.8 | 0.01 | 0,79 spre exterior | De tracţiune | Nu | Nu | Da (design standard) |
| Presiune-compensată cu referință de vid | 1.0 (reglementat pentru a se potrivi extern) | 0.01 | 0 (echilibrat) | Nici unul | Nu | Nu | Ideal (complex) |
| Perete dublu-(PFA peste miez metalic, fără gol) | N/A (fără decalaj) | N/A | N/A | N/A | Nu | Nu | Da (nucleul acceptă PFA) |
Ghid de aplicare pentru procesele de vid
Pentru procesele cu vid sub 50 de grade, un încălzitor standard PFA (perete de 2 mm) este acceptabil deoarece E rămâne ridicat (≈ 500 MPa) și P_crit ≈ 0,8 bar-încă sub diferența de 0,99 bar? De fapt, 0,8 < 0,99, deci colapsul este încă posibil. Marja este mică. Pentru fiabilitate, utilizați presiune-compensată pentru orice vid sub 0,1 bar.
Pentru procesele cu vid peste 50 de grade , este necesar un încălzitor cu presiune-compensată. Fără compensare, colapsul este sigur în câteva ore sau zile. Simptome de colaps: (1) Încălzitorul se simte plat sau are riduri; (2) Rezistența de izolație scade pe măsură ce PFA crapă; (3) Încălzitorul consumă un curent mai mare (secțiunea transversală-miezului este redusă? Puțin probabil). Înlocuiți imediat încălzitoarele prăbușite.
Pentru procesele cu vid peste 150 de grade, chiar și PFA-compensat cu presiunea poate să nu fie suficient din cauza fluajului. La 150 de grade, E=150 MPa, PFA poate suporta în continuare presiunea exterioară, dar fluajul în timp poate face ca teaca să se baloneze. Utilizați un design cu perete dublu-în care PFA este susținut de un tub metalic perforat. Tubul metalic suportă sarcina de presiune; PFA oferă rezistență chimică.
Exemplu de câmp
O cameră de uscare sub vid a semiconductorilor a funcționat la 120 de grade, 0,01 bar. Încălzitoarele PFA standard s-au prăbușit în decurs de 2 luni, arătând învelișuri încrețite. Instalația a trecut la încălzitoare cu presiune-compensată (0,8 bari de azot intern, etanș). Încălzitoarele au funcționat timp de 3 ani fără prăbușire. Costul suplimentar (prima de 30%) a fost recuperat în 6 luni prin eliminarea timpului de nefuncționare.
Concluzie: compensarea presiunii previne prăbușirea în vid-înalt
Încălzitoarele PFA standard se prăbușesc sub vid înalt la temperaturi de peste 50 de grade, deoarece modulul PFA scade, reducând presiunea externă critică sub diferența de 1 bar. Proiectele cu presiune-compensată-în care spațiul inelar intern este etanșat și presurizat cu azot uscat la 0,5–0,8 bar-prevenind prăbușirea prin crearea unei mici diferențe de presiune spre exterior (stresul de tracțiune al cercului) în loc de către interior (compresivă). Pentru orice proces de vid sub 0,1 bar absolut și peste 50 de grade , specificați încălzitoare PFA cu presiune-compensată. Pentru temperaturi peste 150 de grade , utilizați PFA cu perete dublu-metalic-acceptat. Nu riscați să vă prăbușiți. Un încălzitor prăbușit este un încălzitor defect. Compensați presiunea, altfel vidul vă va prăbuși încălzitorul. Alege compensația.
