Els processos d'alt{0}}buit (pressió < 0,01 bar absoluts) creen un gran diferencial de pressió a través de la funda de PFA: 1 bar de pressió atmosfèrica externa empenyent cap a l'interior, amb gairebé-buit dins del dipòsit. Per a un escalfador de PFA estàndard, el buit anular intern entre el nucli metàl·lic i la funda de PFA està a pressió atmosfèrica (1 bar) perquè no està segellat a l'ambient. Durant l'operació al buit, la funda experimenta una pressió interior neta d'aproximadament 0,99 bar. La tensió del cèrcol resultant és de compressió, no de tracció. El PFA és més fort en compressió que en tensió, però el mode de fallada principal és el trencament o l'enfonsament del tub de paret{10}prima. Per a un tub PFA de paret de 25 mm de diàmetre exterior de 2 mm, la pressió externa crítica per al col·lapse és d'aproximadament 2-3 bar. Un diferencial d'1 bar està per sota, de manera que no es produeix un col·lapse a temperatura ambient. Tanmateix, a temperatures elevades (80-150 graus), el mòdul del PFA cau entre un 50 i un 70% i la pressió crítica de col·lapse pot caure per sota d'1 bar. Un disseny-compensat per pressió-on l'espai anular intern es pressuritza amb nitrogen sec perquè coincideixi amb el buit extern-evita el col·lapse. Aquest disseny es recomana per a processos de buit per sobre dels 80 graus.
Mecanisme de col·lapse i pressió crítica
La pressió externa crítica per a un tub de paret -prima ve donada per P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, on E és el mòdul de Young, ν és la relació de Poisson (0,45 per a PFA), t és el gruix de la paret i D és el diàmetre mitjà. A 20 graus, 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 5}}, 0.45) bar. A 20 graus, la pressió crítica és d'aproximadament 1 bar-marginal. Qualsevol imperfecció la redueix. A 100 graus, E baixa a 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 barra. Un tub de PFA estàndard a 100 graus es col·lapsa sota un buit de 0,41 bar diferencial. Com que el diferencial real és de 0,99 bar, el col·lapse és segur. Evidència de camp: els escalfadors de PFA en processos al buit a 80-120 graus sovint mostren beines col·lapsades-el PFA s'aplana contra el nucli metàl·lic, de vegades amb arrugues circumferencials. El col·lapse no provoca immediatament una fallada elèctrica, però crea una gran tensió residual i pot trencar el PFA durant el cicle tèrmic posterior.
Pressió{0}Disseny compensat
Un escalfador de PFA-compensat per pressió té un buit anular segellat entre el nucli metàl·lic i la funda de PFA. Durant la fabricació, el buit s'evacua i s'omple amb nitrogen sec a una pressió de 0,5-1,0 bar absolut. Un petit regulador de pressió o un-segell d'una sola vegada (p. ex., un tub metàl·lic plegat) manté la pressió interna. Quan l'escalfador es col·loca en una cambra de buit (per exemple, 0,01 bar), la pressió interna (per exemple, 0,8 bar) crea un diferencial de només 0,79 bar cap a l'exterior (de dins a l'exterior), no cap a dins. La funda de PFA experimenta una tensió del cèrcol de tracció, no una compressió. L'esforç de tracció no provoca col·lapse. La pressió exterior crítica per a la ruptura és molt més alta (10-20 bar). L'escalfador es manté estable.
El disseny-compensat per pressió té dos reptes: (1) El segell s'ha de mantenir durant la vida útil de l'escalfador, inclòs el cicle tèrmic. Els segells de metall-a-PFA (accessoris de compressió) tendeixen a filtrar-se amb el pas del temps. Un segell de manxa de metall soldat o un segell de vidre-a-metall és més fiable. (2) La pressió interna augmenta amb la temperatura (PV=nRT). Un escalfador ple a 0,8 bar a 20 graus arribarà a 1,2 bar a 150 graus. El PFA ha de suportar aquesta tensió addicional del cèrcol. Per a paret de 2 mm, 25 mm de dia exterior, 1,2 bar de pressió interna dóna una tensió del cèrcol=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa- insignificant.
Comparació de prevenció de col·lapses
| Disseny d'escalfadors | Pressió de bretxa interna (bar abs) | Buit extern (bar abs) | Diferencial net (barra) | Direcció | Col·lapse a 20 graus? | Col·lapse a 100 graus? | Apte per al buit alt? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Estàndard (ventilat) | 1.0 | 0.01 | 0,99 cap a dins | Compressiva | No (marginal) | Sí (col·lapse) | No (per sobre de 50 graus) |
| Estàndard (ventilat) amb paret gruixuda (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 cap a dins | Compressiva | No | No (P_crit=1.4 barra a 100 graus) | Sí, però transferència de calor pesada i deficient |
| Pressió-compensada (segellat, farciment de 0,5 bar) | 0.5 | 0.01 | 0,49 cap a fora | Tracció | No | No | Sí (totes les temperatures) |
| Pressió-compensada (segellat, farciment de 0,8 bar) | 0.8 | 0.01 | 0,79 cap a fora | Tracció | No | No | Sí (disseny estàndard) |
| Pressió{0}}compensada amb referència de buit | 1.0 (regulat per coincidir amb l'exterior) | 0.01 | 0 (equilibrat) | Cap | No | No | Ideal (complex) |
| Doble-paret (PFA sobre nucli metàl·lic, sense buit) | N/A (sense buit) | N/A | N/A | N/A | No | No | Sí (el nucli és compatible amb PFA) |
Guia d'aplicació per a processos de buit
Per als processos de buit per sota de 50 graus, un escalfador estàndard de PFA (paret de 2 mm) és acceptable perquè E continua sent alt (≈ 500 MPa) i P_crit ≈ 0,8 bar-encara per sota del diferencial de 0,99 bar? En realitat 0,8 < 0,99, de manera que el col·lapse encara és possible. El marge és petit. Per a la fiabilitat, utilitzeu una pressió-compensada per a qualsevol buit inferior a 0,1 bar.
Per als processos de buit per sobre de 50 graus, cal un escalfador-compensat per pressió. Sense compensació, el col·lapse és segur en hores o dies. Símptomes de col·lapse: (1) L'escalfador se sent pla o té arrugues; (2) La resistència a l'aïllament cau a mesura que el PFA s'esquerda; (3) L'escalfador consumeix un corrent més alt (secció transversal-del nucli reduïda? Poc probable). Substituïu els escalfadors col·lapsats immediatament.
Per als processos de buit per sobre de 150 graus, fins i tot el PFA-compensat per pressió no és suficient a causa de la fluència. A 150 graus, E=150 MPa, el PFA encara pot suportar la pressió exterior, però la fluïdesa amb el pas del temps pot fer que la funda s'inflami. Utilitzeu un disseny de doble-paret on el PFA estigui recolzat per un tub metàl·lic perforat. El tub metàl·lic porta la càrrega de pressió; el PFA proporciona resistència química.
Exemple de camp
Una cambra d'assecat al buit de semiconductors funcionava a 120 graus, 0,01 bar. Els escalfadors estàndard de PFA es van col·lapsar en 2 mesos, mostrant beines arrugues. La planta va passar a escalfadors-compensats a pressió (0,8 bar de nitrogen intern, segellats). Els escalfadors han funcionat durant 3 anys sense col·lapse. El cost addicional (30% de prima) es va recuperar en 6 mesos mitjançant l'eliminació del temps d'inactivitat.
Conclusió: la compensació de pressió evita el col·lapse en el buit{0}alt
Els escalfadors de PFA estàndard col·lapsen sota un buit elevat a temperatures superiors als 50 graus perquè el mòdul del PFA baixa, reduint la pressió externa crítica per sota del diferencial d'1 bar. Els dissenys-compensats per pressió-en què la bretxa anular interna està segellada i pressuritzada amb nitrogen sec a 0,5-0,8 bar-eviten el col·lapse creant un petit diferencial de pressió cap a l'exterior (estrès del cèrcol de tracció) en lloc de cap a dins (compressiu). Per a qualsevol procés de buit per sota de 0,1 bar absoluts i per sobre de 50 graus , especifiqueu escalfadors de PFA-compensats per pressió. Per a temperatures superiors a 150 graus , utilitzeu PFA de doble-paret metàl·lica-admesa. No arrisquis a col·lapse. Un escalfador col·lapsat és un escalfador fallit. Compenseu la pressió o el buit col·lapsarà l'escalfador. Trieu la compensació.
