Procesy s vysokým{0}}vákuom (absolútny tlak < 0,01 baru) vytvárajú veľký tlakový rozdiel v plášti PFA: vonkajší atmosférický tlak 1 bar tlačí dovnútra, pričom vo vnútri nádrže je takmer vákuum. V prípade štandardného ohrievača PFA je vnútorná prstencová medzera medzi kovovým jadrom a plášťom PFA pri atmosférickom tlaku (1 bar), pretože nie je utesnená od okolia. Počas vákuovej prevádzky je plášť vystavený čistému vnútornému tlaku približne 0,99 bar. Výsledné napätie obruče je tlakové, nie ťahové. PFA je silnejšia v tlaku ako v ťahu, ale primárnym spôsobom zlyhania je vybočenie alebo zrútenie tenkostennej rúrky{10}. Pre trubicu PFA s vonkajším priemerom 25 mm a stenou 2 mm je kritický vonkajší tlak pre kolaps približne 2–3 bary. Rozdiel 1 bar je pod touto hodnotou, takže kolaps nenastane pri izbovej teplote. Pri zvýšených teplotách (80–150 stupňov) však modul PFA klesá o 50–70 % a kritický tlak kolapsu môže klesnúť pod 1 bar. Tlakovo-kompenzovaný dizajn-, kde je vnútorná prstencová medzera natlakovaná suchým dusíkom, aby zodpovedala vonkajšiemu vákuu,-zabraňuje kolapsu. Tento dizajn sa odporúča pre vákuové procesy nad 80 stupňov.
Mechanizmus kolapsu a kritický tlak
Kritický vonkajší tlak pre tenkostennú{0}}rúru je daný vzťahom P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, kde E je Youngov modul, ν je Poissonov pomer (0,45 pre PFA), t je hrúbka steny a D je stredný priemer. Pri 20 stupňoch E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1 200 / 0,7975, 505) × 205 × 0,08 0.000658=0.99 pruh. Pri 20 stupňoch je kritický tlak približne 1 bar-medzný. Akákoľvek nedokonalosť ho znižuje. Pri 100 stupňoch E klesne na 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 pruh. Štandardná PFA trubica pri 100 stupňoch sa zrúti pod vákuom s rozdielom 0,41 bar. Keďže skutočný rozdiel je 0,99 baru, kolaps je istý. Dôkaz v teréne: Ohrievače PFA pri vákuových procesoch pri 80 – 120 stupňoch často vykazujú zborcené plášte{50}}PFA je sploštené oproti kovovému jadru, niekedy s obvodovými záhybmi. Zrútenie nespôsobí okamžite elektrické zlyhanie, ale vytvára vysoké zvyškové napätie a môže popraskať PFA počas následného tepelného cyklovania.
Tlak-kompenzovaný dizajn
Ohrievač PFA s kompenzáciou tlaku{0}} má medzi kovovým jadrom a plášťom PFA utesnenú prstencovú medzeru. Počas výroby sa medzera evakuuje a zasype suchým dusíkom na absolútny tlak 0,5–1,0 bar. Vnútorný tlak udržiava malý regulátor tlaku alebo jedno{5}}tesnenie (napr. zvlnená kovová trubica). Keď je ohrievač umiestnený vo vákuovej komore (napr. 0,01 baru), vnútorný tlak (povedzme 0,8 baru) vytvára rozdiel iba 0,79 bar smerom von (zvnútra von), nie smerom dovnútra. PFA puzdro je vystavené namáhaniu v ťahu, nie tlaku. Ťahové napätie nespôsobuje kolaps. Kritický vonkajší tlak pre prasknutie je oveľa vyšší (10–20 barov). Ohrievač zostáva stabilný.
Konštrukcia s kompenzáciou tlaku- má dve výzvy: (1) Tesnenie sa musí udržiavať počas životnosti ohrievača vrátane tepelných cyklov. Tesnenia kov-k-PFA (kompresné armatúry) majú tendenciu časom pretekať. Spoľahlivejšie je zvárané kovové vlnovcové tesnenie alebo tesnenie -na-kov. (2) Vnútorný tlak sa zvyšuje s teplotou (PV=nRT). Ohrievač naplnený na 0,8 baru pri 20 stupňoch dosiahne 1,2 baru pri 150 stupňoch. PFA musí vydržať toto dodatočné namáhanie obruče. V prípade steny s hrúbkou 2 mm, vonkajším priemerom 25 mm, vnútorným tlakom 1,2 baru je napätie v obruči=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa- zanedbateľné.
Porovnanie prevencie kolapsu
| Dizajn ohrievača | Vnútorný tlak v medzere (bar abs) | Vonkajšie vákuum (bar abs) | Čistý diferenciál (bar) | Smer | Zrútiť sa pri 20 stupňoch? | Zrútiť sa pri 100 stupňoch? | Vhodné pre vysoké vákuum? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Štandardné (vetrané) | 1.0 | 0.01 | 0,99 smerom dovnútra | Kompresívne | Nie (okrajové) | Áno (zbaliť) | Nie (nad 50 stupňov) |
| Štandardné (vetrané) s hrubou stenou (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 smerom dovnútra | Kompresívne | Nie | Nie (P_crit=1.4 pruh pri 100 stupňoch) | Áno, ale ťažký a zlý prenos tepla |
| Kompenzovaný-tlak (utesnené, plnenie 0,5 baru) | 0.5 | 0.01 | 0,49 smerom von | Ťahový | Nie | Nie | Áno (všetky teploty) |
| Kompenzovaný-tlak (utesnené, plnenie 0,8 baru) | 0.8 | 0.01 | 0,79 smerom von | Ťahový | Nie | Nie | Áno (štandardné prevedenie) |
| Tlak-kompenzovaný referenčným vákuom | 1.0 (regulované tak, aby zodpovedali externému) | 0.01 | 0 (vyvážené) | žiadne | Nie | Nie | Ideálne (komplexné) |
| Dvojitá-stena (PFA nad kovovým jadrom, bez medzery) | N/A (žiadna medzera) | N/A | N/A | N/A | Nie | Nie | Áno (jadro podporuje PFA) |
Aplikačná príručka pre vákuové procesy
Pre vákuové procesy pod 50 stupňov je prijateľný štandardný ohrievač PFA (2 mm stena), pretože E zostáva vysoké (≈ 500 MPa) a P_crit ≈ 0,8 bar-je stále pod rozdielom 0,99 baru? V skutočnosti 0,8 < 0,99, takže kolaps je stále možný. Okraj je malý. Pre spoľahlivosť použite tlak{11}}kompenzovaný pre akékoľvek vákuum pod 0,1 baru.
Pri vákuových procesoch nad 50 stupňov je potrebný tlak{1}}kompenzovaný ohrievač. Bez kompenzácie je kolaps istý v priebehu niekoľkých hodín alebo dní. Príznaky kolapsu: (1) Ohrievač je plochý alebo má vrásky; (2) Izolačný odpor klesá, keď PFA praská; (3) Ohrievač odoberá vyšší prúd (zníženie prierezu jadra-? Nepravdepodobné). Zrútené ohrievače okamžite vymeňte.
Pre procesy vákua nad 150 stupňov nemusí byť dokonca ani tlak{1}}kompenzovaný PFA dostatočný z dôvodu tečenia. Pri 150 stupňoch, E=150 MPa, môže PFA stále podporovať vonkajší tlak, ale tečenie v priebehu času môže spôsobiť nafúknutie puzdra. Použite dizajn s dvojitou -stenou, kde je PFA podopretá perforovanou kovovou rúrkou. Kovová rúrka nesie tlakové zaťaženie; PFA poskytuje chemickú odolnosť.
Príklad poľa
Polovodičová vákuová sušiaca komora pracovala pri 120 stupňoch, 0,01 bar. Štandardné ohrievače PFA sa zrútili do 2 mesiacov a vykazovali zvrásnené plášte. Zariadenie prešlo na tlakovo{5}}kompenzované ohrievače (0,8 bar vnútorný dusík, utesnené). Ohrievače fungovali 3 roky bez kolapsu. Dodatočné náklady (30 % prémia) sa vrátili do 6 mesiacov vďaka eliminácii prestojov.
Záver: Kompenzácia tlaku zabraňuje kolapsu vo vysokom-vákue
Štandardné ohrievače PFA sa zrútia pod vysokým vákuom pri teplotách nad 50 stupňov, pretože modul PFA klesá, čím sa znižuje kritický vonkajší tlak pod rozdiel 1 bar. Tlakovo-kompenzované konštrukcie-, kde je vnútorná prstencová medzera utesnená a natlakovaná suchým dusíkom na 0,5 – 0,8 bar-zabraňujú kolapsu vytváraním malého vonkajšieho tlakového rozdielu (napätie v ťahu) namiesto vnútorného (kompresného). Pre akýkoľvek proces vákua pod 0,1 bar absolútne a nad 50 stupňov špecifikujte ohrievače PFA s kompenzáciou tlaku{11}}. V prípade teplôt nad 150 stupňov použite PFA s dvojitou -kovovou{15}}stenou. Neriskujte kolaps. Zrútený ohrievač je neúspešný ohrievač. Kompenzujte tlak, inak vákuum zrúti váš ohrievač. Vyberte kompenzáciu.
