Hoe specificeer ik een verwarmingsplaat voor gebruik in een vacuümkamer?

In een vacuümkamer verwijdert de afwezigheid van lucht convectieve warmteoverdracht. Warmte wordt alleen overgedragen via geleiding (contact met het werkstuk) en straling. Verwarmingsplaten voor vacuümservice moeten worden gebouwd voor dit ongebruikelijke warmteoverdrachtsregime en mogen op zichzelf geen bron van besmetting worden. Het ontwerp van een verwarmingsplaat voor vacuümtoepassingen is niet triviaal, omdat er rekening moet worden gehouden met thermisch beheer, het ontgassen van materialen, elektrische doorvoeren en de veiligheid van hoge spanningen. Een plaat die goed in de lucht werkt, kan oververhitten, ontgassen of een vlamboog veroorzaken als hij onder vacuüm wordt geplaatst.

Thermisch beheer in vacuümsystemen
Zonder convectieve koeling kan een verwarmingsplaat bij hetzelfde opgenomen vermogen veel hogere temperaturen bereiken dan in lucht. De verwarmingscomponenten die in de plaat zijn begraven, moeten goed-worden gekoppeld aan de plaatmassa om plaatselijke oververhitting te voorkomen. De volgende thermische problemen zijn belangrijk voor vacuümtoepassingen.

Mechanismen van warmteoverdracht
Geleiding - De belangrijkste methode voor het overbrengen van warmte naar een werkstuk dat in contact staat met de plaat. Goed thermisch contact (vlakke oppervlakken, optioneel thermisch interfacemateriaal) is vereist.

Straling – Belangrijk boven plaattemperatuur van 150 graden. De transmissie van stralingswarmte volgt de regel van Stefan-Boltzmann (q=εσ(Tp4−Tc4)) . De oppervlakte-emissiviteit (ε) van de plaat beïnvloedt de verwarming van niet-gecontacteerde gebieden.

Geen convectie - Geen luchtkoeling van de achterkant of randen van de plaat. Warmte die niet aan het werkstuk wordt afgegeven, wordt in de plaat opgeslagen en de temperatuur ervan stijgt.

Koppeling van plaat aan verwarming
Verwarmingselementen moeten permanent en nauw verbonden zijn met de plaat om de hittebestendigheid te minimaliseren. Gesoldeerde of geklemde patroonverwarmers met geleidende pasta voor hoge temperaturen (op basis van grafiet) hebben de voorkeur. Verwarmingselementen die gebruik maken van convectieve koeling van hun eigen lichaam (bijvoorbeeld open draadverwarmers) zijn niet geschikt. Een belangrijk verschil in het ontwerp is dat de wattdichtheid van de verwarmer moet worden verlaagd voor vacuümgebruik, doorgaans 30-50% van de wattdichtheid die voor lucht wordt gebruikt, om oververhitting van de verwarmermantel te voorkomen.

Temperatuurdetectie
Temperatuursensoren (thermokoppels of RTD's) moeten zo dicht mogelijk bij het werkoppervlak worden ingebed, bij voorkeur binnen 2-5 mm van de bovenzijde. In vacuüm kan de oppervlaktetemperatuur niet worden verkregen uit metingen aan de achterkant of aan de luchtzijde. Hotspots komen vaker voor zonder convectieve egalisatie en het wordt aanbevolen om meerdere sensoren verspreid over de plaat te hebben om deze te identificeren.

Controle van ontgassing in vacuümverwarmingsplaten
Uitgassen, het vrijkomen van opgesloten gassen, vocht of vluchtige stoffen, is niet acceptabel bij vacuümoperaties, met name bij hoog- of ultra-hoogvacuüm (UHV). Alle materialen in de verwarmingsplaatconstructie moeten een lage dampdruk en lage ontgassingssnelheden hebben.

Plaatmateriaal
Roestvrij staal (304, 316, 316L) - De standaardoptie voor vacuümverwarmingsplaten. Lage uitgassing. Hoge sterkte. Elektrolytisch polijsten geschikt om het oppervlak en opgevangen onzuiverheden te minimaliseren.

Aluminium - Goed voor matig vacuüm (10-3 tot 10-5 Torr) indien goed gereinigd en geanodiseerd. Maar aluminium heeft een poreuze oxidelaag die vocht vasthoudt, waardoor het lang duurt om uit te bakken.

Koper - Koper wordt gebruikt vanwege zijn goede thermische geleidbaarheid. Koper oxideert en kan uitgassen als het niet wordt gecoat of vacuüm- wordt gestookt.

Andere polymeren en PTFE
PTFE-coatings of massieve PTFE-platen zijn acceptabel in vacuüm, hoewel speciale behandeling vereist is. PTFE heeft een verwaarloosbare ontgassing na een eerste bak-omdat het heel weinig vocht absorbeert. PTFE wordt echter niet aanbevolen voor UHV (onder 10-7 Torr) vanwege de langzame uitgassing van fluorverbindingen. Voor de meeste industriële vacuümtoepassingen (10⁻³ tot 10⁻⁶ Torr) is goed behandeld PTFE acceptabel. Een pre-installatie uitwarmen bij 150–200 graden gedurende 24–48 uur onder vacuüm elimineert geadsorbeerde gassen.

Draadisolatie en lijmen
De draadisolatie moet vacuümbestendig zijn. De materialen die gebruikt kunnen worden zijn:

PTFE (Teflon) - weinig ontgassing na uitwarmen Max. temperatuur 260 graden.

Polyimide (Kapton) - Zeer goede vacuümcompatibiliteit, temperatuurbestendigheid tot 40°C, weinig ontgassing.

PVC, polyethyleen of nylon. Niet acceptabel, ze vergassen weekmakers en andere vluchtige stoffen.

Voor het bevestigen van sensoren of het vastzetten van bedrading moeten epoxyproducten met lage-ontgassing (bijv. EpoTek H77, Torr Seal) worden gebruikt. Gebruik geen lijmen op siliconen-basis of RTV-afdichtmiddelen, aangezien deze siloxanen uitgassen.

Schoonmaken en uitbakken
Alle onderdelen moeten worden gereinigd met oplosmiddelen van vacuümkwaliteit (aceton, isopropylalcohol) en in een schone omgeving worden gemonteerd. Voordat u de plaat in gebruik neemt, wordt aangeraden de plaat volledig in elkaar te zetten-onder vacuüm bij 100–150 graden gedurende 24–48 uur. Deze techniek elimineert water en vluchtige resten die zich op het oppervlak afzetten.

Elektrische hermetische doorvoeren
De stroom- en sensordraden moeten door de wand van de vacuümkamer gaan zonder te lekken. Standaard elektrische connectoren met elastomeerafdichtingen zijn niet bruikbaar in vacuüm omdat ze-gas afvoeren en micro-lekken mogelijk maken. Hermetische doorvoer is noodzakelijk.

Verwarmingsplaten – Soorten doorvoeren
Glas-naar-metaalafdichting - Een glazen isolator is verbonden met een metalen behuizing en geleiderspennen. Geschikt voor temperaturen tot 250–400 graden, afhankelijk van het type glas. Gebruikelijk voor verwarmingsplaten met laag tot middelhoog vermogen (enkelfasig tot 10 A per pin).

Keramiek verlijmd op een metalen flens (aluminiumoxide of beryllia). Keramische tot metalen afdichtingen. Hogere temperatuurbestendigheid (500 graden +) en verbeterde vacuümintegriteit (leksnelheid < 1×10-10 atm cc/sec). Voor toepassingen met hoog vermogen of UHV.

Afdichting van compressieglas - Goedkoper, maar temperatuur beperkt tot ongeveer 150 graden.

Aantal en beoordeling van doorvoerpinnen
De specificatie van de verwarmingsplaat van de vacuümkamer moet het aantal elektrische circuits specificeren:

Voeding naar elke verwarmingszone (2 draden/zone)

Temperatuursensordraden (twee draden per thermokoppel of RTD)

Een enkele multipin-doorvoer kan meerdere pinnen hebben. Elke pin moet geschikt zijn voor een stroom groter dan de maximale verwarmingsstroom. Een verwarming van 500 W bij 120 V verbruikt bijvoorbeeld 4,2 A. Een doorvoerpin van 10 A zou voldoende zijn.

Interne bedrading
Belangrijk: Draden van de doorvoer naar de verwarmingsplaat in de vacuümkamer moeten vacuümbestendig zijn (PTFE- of Kapton-geïsoleerd) en mogen geen hete oppervlakken bevatten. Beveilig verbindingen met behulp van keramische aansluitblokken of afstandhouders. Er zijn geen plastic kabelbinders of plakband toegestaan.

De wet van Paschen (elektrische storing in vacuüm)
Volgens de wet van Paschen is de doorslagspanning tussen twee geleiders afhankelijk van druk en afstand. Bij atmosferische druk treedt doorslag op bij hoge spanningen (kV-bereik voor kleine openingen). De doorslagspanning wordt sterk verminderd bij een gematigd vacuüm (10-1 tot 10-3 Torr) - in bepaalde gevallen tot een paar honderd volt voor een opening van 1 mm. Bij hoog vacuüm (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

De volgende voorzorgsmaatregelen zijn nodig voor vacuümverwarmde platen:

Zorg voor voldoende afstand tussen geaarde oppervlakken en actieve geleiders (bijv. verwarmingsklemmen, doorvoerpinnen). Een minimum van 5 mm voor 240 V AC of 10 mm voor hogere spanningen wordt aanbevolen.

Vermijd scherpe randen - Scherpe punten concentreren het elektrische veld en verminderen de doorslagspanning. De voorkeur gaat uit naar afgeronde terminals en gladde geleidingsroutes.

Gebruik bij lange interne leidingen afgeschermde draden, geaard bij de kamerdoorvoer.

Test de isolatieweerstand onder vacuüm voordat u het volledige vermogen inschakelt.

Controlelijst vacuümontwerp – kookplaten
Hieronder vindt u een samenvatting van de belangrijkste punten die u moet opnemen in een specificatie voor een verwarmingsplaat in een vacuümkamer.

Categorie VereisteNormale oplossing
Plaatmateriaal RVS 316, lage ontgassing, elektrolytisch gepolijst, reinigbaar
Type verwarming Intieme koppeling aan plaat; verlaagd voor vacuümgesoldeerde patroonverwarmers (Incoloy-mantel)
Wattdichtheid Gereduceerd om oververhitting te voorkomen Minder dan of gelijk aan 5 W/cm2 (versus 8-10 W/cm2 in lucht)
Temperatuurdetectie Ingebed dicht bij het werkoppervlak Type K thermokoppel of PT100 RTD
Draadisolatie PTFE (Teflon) of Kapton Lage ontgassing, vacuümbestendig
Kitten / lijmenLaag uitgassende epoxy EpoTek H77, Torr Seal (geen siliconen)
Elektrische doorvoeren Hermetisch, lek-dichtGlas-naar-metaal of keramiek naar metaal
Doorvoerstroom Overschrijdt de belasting van het verwarmingselement Groter dan of gelijk aan 10 A per voedingspin voor typische 1-2 kW-platen
Hoge spanningsvrijheid Voorkomt doorslag van Paschen Groter dan of gelijk aan 5 mm opening (240 V), afgeronde aansluitingen
Uitbakken vóór gebruik Verwijdert geadsorbeerde gassen 100-150 graden onder vacuüm gedurende 24-48 uur
Speciale gevallen: stralingsverwarmingsplaten
Bij sommige vacuümprocessen is het niet de bedoeling dat de verwarmingsplaat rechtstreeks in contact komt met het werkstuk. In plaats daarvan straalt de plaat via een opening warmte uit naar het werkstuk. In deze configuratie wordt de oppervlakte-emissiviteit van de plaat kritisch. Er wordt een coating met een hoge emissiviteit (bijvoorbeeld zwart geanodiseerd op aluminium of Pyromark 2500 op roestvrij staal) aangebracht om de overdracht van stralingswarmte te vergroten. Coatings moeten echter vacuümcompatibel zijn en mogen niet uitgassen. Pyromark 2500, een coating op keramische basis, wordt vaak gebruikt voor vacuümstralers tot 600 graden.

Conclusie
Verwarmingsplaten voor vacuümkamers vereisen een gespecialiseerd ontwerp voor thermisch beheer en verontreinigingsbeheersing. De afwezigheid van convectieve koeling betekent dat verwarmingstoestellen goed aan de plaat moeten worden gekoppeld en moeten werken met een lagere wattdichtheid. Het ontgassen wordt gecontroleerd door materialen met lage dampdruk te selecteren (roestvrij staal, PTFE, Kapton) en uitbakken vóór gebruik uit te voeren. Hermetische elektrische doorvoeren (glas-naar-metaal of keramiek-naar-metaal) zijn verplicht om de integriteit van de kamer te behouden. De wet van Paschen stelt eisen aan de vrije ruimte om vonkoverslag bij gematigde vacuümniveaus te voorkomen. De toepassingsomgeving-het vacuümniveau, het temperatuurbereik en de procesgevoeligheid-dicteren de ontwerpspecificaties. Een goed gespecificeerde vacuümverwarmingsplaat zorgt voor een betrouwbare, contaminatievrije warmteoverdracht in een omgeving waar convectie afwezig is en elke materiaalkeuze ertoe doet.