Korkea-tyhjiöprosessit (paine < 0,01 bar absoluuttinen) luovat suuren paine-eron PFA-vaipan poikki: 1 baarin ulkoinen ilmanpaine työntyy sisäänpäin ja lähes -tyhjiö säiliön sisällä. Tavallisessa PFA-lämmittimessä metalliytimen ja PFA-vaipan välinen sisäinen rengasmainen rako on ilmakehän paineessa (1 bar), koska sitä ei ole suljettu ympäristöltä. Tyhjiötoiminnan aikana vaippaan kohdistuu noin 0,99 baarin nettopaine. Tuloksena oleva vannejännitys on puristavaa, ei vetoa. PFA on puristuksessa vahvempi kuin jännitys, mutta ensisijainen vikatila on ohutseinämäisen putken nurjahdus tai romahdus. Ulkohalkaisijaltaan 25 mm, seinämäisen PFA-putken osalta kriittinen ulkoinen paine romahtamiseen on noin 2–3 baaria. 1 baarin ero on tämän alapuolella, joten romahdus ei tapahdu huoneenlämpötilassa. Korkeissa lämpötiloissa (80–150 astetta) PFA:n moduuli kuitenkin laskee 50–70 % ja kriittinen romahduspaine voi laskea alle 1 barin. Painekompensoitu-rakenne-jossa sisäinen rengasmainen rako paineistetaan kuivalla typellä, jotta se vastaa ulkoista tyhjiötä,{27}}estää romahtamisen. Tätä mallia suositellaan yli 80 asteen tyhjiöprosesseihin.
Romahdusmekanismi ja kriittinen paine
Ohutseinämäisen -putken kriittinen ulkoinen paine saadaan kaavalla P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, jossa E on Youngin moduuli, ν on Poissonin suhde (0,45 PFA:lle), t on seinämän paksuus ja D on keskihalkaisija. 20 asteessa, E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1 200 / 0,7975) {7 2 × 5,0,0,8 0.000658=0.99 baari. 20 asteessa kriittinen paine on noin 1 bar{29}}marginaali. Mikä tahansa epätäydellisyys vähentää sitä. 100 asteessa E laskee 250 MPa:iin. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 bar. Tavallinen PFA-putki 100 asteen kulmassa romahtaa 0,41 baarin paineen alipaineessa. Koska todellinen ero on 0,99 baaria, romahdus on varma. Kenttätodisteet: 80–120 asteen tyhjiöprosesseissa PFA-lämmittimissä näkyy usein kokoon painuneita vaippoja{50}}PFA on litistynyt metalliydintä vasten, joskus kehässä on ryppyjä. Romahdus ei aiheuta välittömästi sähkövikaa, mutta se aiheuttaa suuren jäännösjännityksen ja voi halkeilla PFA:n myöhemmän lämpösyklin aikana.
Painekompensoitu{0}}suunnittelu
Painekompensoidussa -PFA-lämmittimessä on tiivis rengasmainen rako metalliytimen ja PFA-vaipan välillä. Valmistuksen aikana rako tyhjennetään ja täytetään kuivalla typellä 0,5–1,0 baarin absoluuttiseen paineeseen. Pieni paineensäädin tai -kertakäyttöinen tiiviste (esim. puristettu metalliputki) ylläpitää sisäistä painetta. Kun lämmitin sijoitetaan tyhjiökammioon (esim. 0,01 bar), sisäinen paine (esimerkiksi 0,8 bar) luo vain 0,79 baarin eron ulospäin (sisältä ulos), ei sisäänpäin. PFA-vaippa kokee vetovanteen jännitystä, ei puristavaa. Vetojännitys ei aiheuta romahtamista. Kriittinen ulospäin repeytymispaine on paljon korkeampi (10–20 bar). Lämmitin pysyy vakaana.
Painekompensoidulla-rakenteella on kaksi haastetta: (1) Tiiviste on säilytettävä lämmittimen käyttöiän ajan, mukaan lukien lämpökierto. Metalli---PFA-tiivisteet (puristusliittimet) pyrkivät vuotamaan ajan myötä. Hitsattu metallipaljetiiviste tai lasi-metalli-tiiviste on luotettavampi. (2) Sisäinen paine kasvaa lämpötilan myötä (PV=nRT). Lämmitin, joka on täytetty 0,8 baarilla 20 asteessa, saavuttaa 1,2 baarin 150 asteessa. PFA:n on kestettävä tämä ylimääräinen vannerasitus. 2 mm:n seinälle, 25 mm ulkohalkaisijalle, 1,2 baarin sisäinen paine antaa vanteen jännityksen=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-olemattoman.
Romahduksen ehkäisyn vertailu
| Lämmittimen suunnittelu | Sisäinen välipaine (bar abs) | Ulkoinen tyhjiö (bar abs) | Nettoero (palkki) | Suunta | Kaatua 20 asteen lämpötilassa? | Kaatua 100 asteessa? | Sopiiko suurtyhjiöön? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vakio (tuuletettu) | 1.0 | 0.01 | 0,99 sisäänpäin | Puristava | Ei (marginaali) | Kyllä (tiivistää) | Ei (yli 50 astetta) |
| Vakio (tuuletettu), paksu seinämä (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 sisäänpäin | Puristava | Ei | Ei (P_crit=1.4 palkki 100 asteessa) | Kyllä, mutta raskas ja huono lämmönsiirto |
| Paine-kompensoitu (suljettu, 0,5 baarin täyttö) | 0.5 | 0.01 | 0,49 ulospäin | Vetovoima | Ei | Ei | Kyllä (kaikki lämpötilat) |
| Paine{0}}kompensoitu (tiivistetty, 0,8 baarin täyttö) | 0.8 | 0.01 | 0,79 ulospäin | Vetovoima | Ei | Ei | Kyllä (vakiomuotoilu) |
| Paine{0}}kompensoitu tyhjiövertailulla | 1.0 (säädetty vastaamaan ulkoista) | 0.01 | 0 (tasapainotettu) | Ei mitään | Ei | Ei | Ihanteellinen (monimutkainen) |
| Kaksinkertainen-seinä (PFA metalliytimen päällä, ei rakoa) | N/A (ei aukkoa) | N/A | N/A | N/A | Ei | Ei | Kyllä (ydin tukee PFA:ta) |
Tyhjiöprosessien sovellusohjeet
Alle 50 asteen tyhjiöprosesseissa tavallinen PFA-lämmitin (2 mm seinä) on hyväksyttävä, koska E pysyy korkeana (≈ 500 MPa) ja P_crit ≈ 0,8 bar{5}}edelleen 0,99 baarin eron alapuolella? Itse asiassa 0,8 < 0,99, joten romahtaminen on edelleen mahdollista. Marginaali on pieni. Luotettavuuden vuoksi käytä painetta{11}}kompensoituna alle 0,1 baarin tyhjiössä.
Yli 50 asteen tyhjiöprosesseihin tarvitaan paine{1}}painekompensoitu lämmitin. Ilman korvausta romahtaminen on varmaa tunneissa tai päivissä. Romahduksen oireet: (1) Lämmitin tuntuu litteältä tai siinä on ryppyjä; (2) Eristysvastus laskee PFA:n halkeilun myötä; (3) Lämmitin käyttää suurempaa virtaa (sydämen poikkileikkaus-pieni? Epätodennäköistä). Vaihda romahtaneet lämmittimet välittömästi.
Yli 150 asteen tyhjiöprosesseissa tasainen paine-kompensoitu PFA ei välttämättä ole riittävä virumisen vuoksi. 150 astetta , E=150 MPa, PFA voi silti tukea ulospäin suuntautuvaa painetta, mutta hiipuminen ajan myötä voi saada vaipan paisumaan ilmapalloon. Käytä kaksinkertaista-seinärakennetta, jossa PFA on tuettu rei'itetyllä metalliputkella. Metalliputki kantaa painekuorman; PFA tarjoaa kemiallisen kestävyyden.
Esimerkki kentästä
Puolijohteinen tyhjökuivauskammio toimi 120 asteessa, 0,01 baarissa. Tavalliset PFA-lämmittimet romahtivat kahdessa kuukaudessa ja niiden vaipat olivat ryppyisiä. Laitos siirtyi paine{5}}painekompensoituihin lämmittimiin (0,8 barin sisäinen typpi, suljettu). Lämmittimet ovat toimineet 3 vuotta ilman romahtamista. Lisäkustannukset (30 %:n palkkio) saatiin takaisin 6 kuukaudessa eliminoitujen seisokkien ansiosta.
Johtopäätös: paineen kompensointi estää romahtamisen korkeassa{0}}tyhjössä
Tavalliset PFA-lämmittimet romahtavat suuressa tyhjiössä yli 50 asteen lämpötiloissa, koska PFA:n moduuli putoaa, mikä pienentää kriittistä ulkoista painetta alle 1 baarin eron. Painekompensoidut-mallit-, joissa sisäinen rengasmainen rako on tiivistetty ja paineistettu kuivalla typellä 0,5–0,8 baariin-estävät romahtamisen luomalla pienen ulospäin suuntautuvan paine-eron (vetoluvan jännitys) sisäänpäin (puristusvoiman) sijaan. Määritä painekompensoidut PFA-lämmittimet kaikille tyhjiöprosesseille, joiden absoluuttinen paine on alle 0,1 baaria ja yli 50 astetta. Käytä yli 150 asteen lämpötiloissa kaksinkertaisen-seinämetallin-tuettua PFA:ta. Älä vaaranna romahdusta. Kokoonpainunut lämmitin on viallinen lämmitin. Kompensoi painetta, tai tyhjiö romahtaa lämmittimesi. Valitse korvaus.
