จะระบุแผ่นทำความร้อนสำหรับการใช้ห้องสุญญากาศได้อย่างไร

ในห้องสุญญากาศ การไม่มีอากาศจะช่วยขจัดการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน ความร้อนจะถูกถ่ายโอนผ่านการนำ (สัมผัสชิ้นงาน) และการแผ่รังสีเท่านั้น ต้องสร้างแผ่นทำความร้อนสำหรับบริการสุญญากาศเพื่อรองรับระบบการถ่ายเทความร้อนที่ผิดปกติ และตัวมันเองจะต้องไม่กลายเป็นแหล่งของการปนเปื้อน การออกแบบแผ่นทำความร้อนสำหรับการใช้งานแบบสุญญากาศนั้นไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย เนื่องจากต้องคำนึงถึงการจัดการระบายความร้อน การปล่อยก๊าซของวัสดุ การส่งผ่านทางไฟฟ้า และความปลอดภัยของไฟฟ้าแรงสูง แผ่นที่ทำงานได้ดีในอากาศอาจมีความร้อนมากเกินไป มีแก๊สรั่ว หรือส่วนโค้งเมื่อวางไว้ใต้สุญญากาศ

การจัดการความร้อนในระบบสุญญากาศ
หากไม่มีการระบายความร้อนแบบพาความร้อน แผ่นทำความร้อนสามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าในอากาศมากด้วยกำลังไฟฟ้าที่เท่ากัน ส่วนประกอบเครื่องทำความร้อนที่ฝังอยู่ในเพลตจะต้องถูก-ประกอบเข้ากับมวลเพลทอย่างดีเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุด ข้อกังวลด้านความร้อนต่อไปนี้มีความสำคัญสำหรับการใช้งานระบบสุญญากาศ

กลไกการถ่ายเทความร้อน
การนำความร้อน - วิธีการหลักในการถ่ายเทความร้อนไปยังชิ้นงานที่สัมผัสกับแผ่น จำเป็นต้องมีการสัมผัสความร้อนที่ดี (พื้นผิวเรียบ วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่เป็นอุปกรณ์เสริม)

การแผ่รังสี – สำคัญที่อุณหภูมิจานสูงกว่า 150 องศา การส่งผ่านความร้อนจากการแผ่รังสีเป็นไปตามกฎ Stefan‐Boltzmann (q=εσ(Tp4−Tc4)) การแผ่รังสีที่พื้นผิว (ε) ของแผ่นส่งผลต่อการให้ความร้อนของบริเวณที่ไม่ได้-สัมผัสกัน

ไม่มีการพาความร้อน - ไม่มีการระบายความร้อนด้วยอากาศที่ด้านหลังหรือขอบของแผ่น ความร้อนที่ไม่ส่งไปยังชิ้นงานจะถูกเก็บไว้ในเพลตและอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น

การต่อเพลทกับฮีตเตอร์
เครื่องทำความร้อนควรเชื่อมต่อกับแผ่นอย่างถาวรและใกล้ชิดเพื่อลดความต้านทานความร้อน เครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์แบบประสานหรือแบบหนีบที่มีสารนำไฟฟ้าอุณหภูมิสูง (แบบกราไฟต์) เป็นที่นิยม เครื่องทำความร้อนที่ใช้การระบายความร้อนแบบหมุนเวียนในตัวของตัวเอง (เช่น เครื่องทำความร้อนแบบลวดเปิด) ไม่เหมาะสม ข้อแตกต่างในการออกแบบที่สำคัญประการหนึ่งคือความหนาแน่นของวัตต์ของเครื่องทำความร้อนจะต้องถูกลดระดับลงสำหรับบริการสุญญากาศ ซึ่งโดยทั่วไปคือ 30-50% ของความหนาแน่นที่ใช้กับอากาศ เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ปลอกเครื่องทำความร้อนร้อนเกินไป

การตรวจจับอุณหภูมิ
ควรฝังเซ็นเซอร์อุณหภูมิ (เทอร์โมคัปเปิลหรือ RTD) ให้ใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากที่สุด โดยควรอยู่ห่างจากพื้นผิวด้านบนไม่เกิน 2-5 มม. ในสุญญากาศ ไม่สามารถรับอุณหภูมิพื้นผิวได้จากการอ่านค่าด้านหลังหรือด้านข้างอากาศ จุดร้อนมักพบได้บ่อยกว่าหากไม่มีการปรับสมดุลการพาความร้อน และขอแนะนำให้มีเซ็นเซอร์หลายตัวกระจายอยู่รอบๆ แผ่นเพื่อระบุจุดเหล่านั้น

การควบคุมการปล่อยก๊าซออกในแผ่นทำความร้อนสุญญากาศ
การปล่อยแก๊สออก การปล่อยก๊าซที่ติดอยู่ ความชื้น หรือสารระเหย เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ในการทำงานสุญญากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสุญญากาศสูงหรือสูงพิเศษ- (UHV) วัสดุทั้งหมดในชุดแผ่นทำความร้อนจะต้องมีความดันไอต่ำและมีอัตราการปล่อยก๊าซต่ำ

วัสดุแผ่น
สแตนเลส (304, 316, 316L) - ตัวเลือกมาตรฐานสำหรับแผ่นทำความร้อนแบบสุญญากาศ การปล่อยก๊าซออกต่ำ มีความแข็งแรงสูง การขัดเงาด้วยไฟฟ้าเหมาะที่จะลดพื้นที่ผิวและสิ่งสกปรกที่ติดอยู่

อะลูมิเนียม - เหมาะสำหรับสุญญากาศระดับปานกลาง (10-3 ถึง 10-5 Torr) หากทำความสะอาดและชุบอโนไดซ์อย่างเหมาะสม แต่อลูมิเนียมมีการเคลือบออกไซด์ที่มีรูพรุนซึ่งกักความชื้นไว้จึงใช้เวลานานในการอบ

ทองแดง - ใช้เนื่องจากมีการนำความร้อนที่ดี ทองแดงจึงออกซิไดซ์และอาจปล่อยก๊าซออกมาหากไม่ได้เคลือบหรือยิงด้วยสุญญากาศ-

โพลีเมอร์อื่นๆ และ PTFE
การเคลือบ PTFE หรือแผ่น PTFE แบบแข็งสามารถยอมรับได้ในสุญญากาศ แม้ว่าจะต้องมีการจัดการเป็นพิเศษก็ตาม PTFE มีการปล่อยก๊าซออกมาเล็กน้อยหลังจากการอบครั้งแรก- เนื่องจากดูดซับความชื้นได้น้อยมาก อย่างไรก็ตาม ไม่แนะนำให้ใช้ PTFE สำหรับ UHV (ต่ำกว่า 10-7 Torr) เนื่องจากการจ่ายก๊าซของสารประกอบฟลูออรีนช้าลง สำหรับการใช้งานสูญญากาศทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ (10⁻³ ถึง 10⁻⁶ Torr) PTFE ที่ผ่านการบำบัดอย่างเหมาะสมเป็นที่ยอมรับได้ การอบก่อนการติดตั้งที่อุณหภูมิ 150–200 องศา เป็นเวลา 24–48 ชั่วโมงภายใต้สุญญากาศจะช่วยขจัดก๊าซที่ถูกดูดซับ

ฉนวนลวดและกาว
ฉนวนสายไฟจะต้องได้รับการจัดอันดับสุญญากาศ วัสดุที่สามารถใช้ได้คือ:

PTFE (เทฟลอน) - มีก๊าซออกมาเล็กน้อยหลังจากอบออกมา อุณหภูมิ 260 องศา .

โพลิอิไมด์ (Kapton) - เข้ากันได้ดีมากกับสุญญากาศ ระดับอุณหภูมิถึง 400C มีการปล่อยแก๊สออกมาเพียงเล็กน้อย

พีวีซี โพลีเอทิลีน หรือไนลอน ไม่เป็นที่ยอมรับ พวกมันปล่อยก๊าซพลาสติไซเซอร์และสารระเหยอื่นๆ

ต้องใช้อีพอกซีที่ปล่อยก๊าซต่ำ- (เช่น EpoTek H77, Torr Seal) เพื่อติดเซ็นเซอร์หรือยึดสายไฟ อย่าใช้กาวที่มีซิลิโคน-หรือสารเคลือบหลุมร่องฟัน RTV เนื่องจากสารเหล่านี้จะปล่อยก๊าซไซลอกเซนออกมา

ทำความสะอาดและอบ
ควรทำความสะอาดชิ้นส่วนทั้งหมดโดยใช้ตัวทำละลายระดับสุญญากาศ (อะซิโตน ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์) และประกอบในสภาพแวดล้อมที่สะอาด ก่อนนำจานเข้าใช้งาน แนะนำให้อบส่วนประกอบทั้งหมด-ภายใต้สุญญากาศที่ 100–150 องศาเป็นเวลา 24–48 ชั่วโมง เทคนิคนี้จะช่วยขจัดน้ำและสารระเหยที่เกาะอยู่บนพื้นผิว

การป้อนผ่านสุญญากาศทางไฟฟ้า
สายไฟและสายเซ็นเซอร์ต้องผ่านผนังห้องสุญญากาศโดยไม่รั่วซึม ขั้วต่อไฟฟ้ามาตรฐานที่มีซีลอีลาสโตเมอร์ไม่สามารถใช้งานได้ในสุญญากาศ เนื่องจากมีการปล่อย-ก๊าซและปล่อยให้-รั่วไหลระดับไมโคร จำเป็นต้องมีการป้อนแบบสุญญากาศ

แผ่นทำความร้อน – ประเภทของการป้อนผ่าน
การปิดผนึกแก้ว-ถึง-โลหะ - ฉนวนแก้วถูกเชื่อมเข้ากับตัวเรือนโลหะและหมุดตัวนำ เหมาะกับอุณหภูมิสูงถึง 250–400 องศา ขึ้นอยู่กับชนิดของกระจก ทั่วไปสำหรับแผ่นทำความร้อนพลังงานต่ำถึงปานกลาง (เฟสเดียวสูงถึง 10 A ต่อพิน)

เซรามิกติดกับหน้าแปลนโลหะ (อลูมินาหรือเบริลเลีย) ซีลเซรามิกถึงโลหะ ระดับอุณหภูมิที่สูงขึ้น (500 องศา +) และความสมบูรณ์ของสุญญากาศที่ดีขึ้น (อัตราการรั่วไหล < 1×10-10 atm ซีซี/วินาที) สำหรับการใช้งานกำลังสูงหรือ UHV

การซีลกระจกแบบอัด - ถูกกว่า แต่จำกัดอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 150 องศา

จำนวนและการจัดอันดับของพินฟีดทรู
ข้อกำหนดแผ่นทำความร้อนห้องสุญญากาศต้องระบุจำนวนวงจรไฟฟ้า:

จ่ายไฟให้กับแต่ละโซนทำความร้อน (2 สาย/โซน)

สายเซ็นเซอร์อุณหภูมิ (สองสายต่อเทอร์โมคัปเปิลหรือ RTD)

ฟีดทรูแบบหลายพินเดียวอาจมีหลายพิน แต่ละพินจะต้องได้รับการจัดอันดับสำหรับกระแสที่ใหญ่กว่ากระแสฮีตเตอร์สูงสุด ตัวอย่างเช่น เครื่องทำความร้อน 500 W ที่ 120 V ใช้กระแสไฟ 4.2 A โดยพินฟีดทรูขนาด 10 A ก็ใช้ได้

สายไฟภายใน
ข้อสำคัญ: สายไฟจากทางป้อนเข้าไปยังแผ่นทำความร้อนในห้องสุญญากาศจะต้องมีระดับสุญญากาศ (หุ้มฉนวน PTFE หรือ Kapton) และไม่มีพื้นผิวที่ร้อน การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยโดยใช้แผงขั้วต่อเซรามิกหรือแผงกั้น ไม่อนุญาตให้ใช้สายรัดพลาสติกหรือเทปกาว

กฎของ Paschen (การพังทลายของไฟฟ้าในสุญญากาศ)
ตามกฎของปาเชน แรงดันพังทลายระหว่างตัวนำสองตัวขึ้นอยู่กับแรงดันและระยะห่าง ที่แรงดันบรรยากาศสลายจะเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าสูง (ช่วง kV สำหรับช่องว่างเล็กๆ) แรงดันพังทลายจะลดลงอย่างมากที่สุญญากาศระดับปานกลาง (10-1 ถึง 10-3 Torr) - ในบางกรณีอาจเหลือสองสามร้อยโวลต์สำหรับช่องว่าง 1 มม. ที่สุญญากาศสูง (<10^5 Torr) the breakdown voltage increases again.

ข้อควรระวังต่อไปนี้จำเป็นสำหรับแผ่นทำความร้อนแบบสุญญากาศ:

รักษาระยะห่างจากพื้นผิวที่ต่อสายดินไปยังตัวนำที่ใช้งานอยู่อย่างเพียงพอ (เช่น ขั้วต่อเครื่องทำความร้อน หมุดป้อนผ่าน) แนะนำให้ใช้อย่างน้อย 5 มม. สำหรับ 240 V ac หรือ 10 มม. สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า

หลีกเลี่ยงขอบแหลมคม - จุดที่แหลมคมรวมศูนย์สนามไฟฟ้าและลดแรงดันไฟฟ้าพัง ที่ต้องการคือขั้วต่อแบบโค้งมน เส้นทางตัวนำเรียบ

ในกรณีที่มีเส้นภายในยาว ให้ใช้สายไฟที่มีฉนวนหุ้ม โดยต่อสายดินไว้ที่ช่องป้อนเข้าของห้องเพาะเลี้ยง

ก่อนใช้งานเต็มกำลัง ให้ทดสอบความต้านทานของฉนวนภายใต้สุญญากาศ

รายการตรวจสอบการออกแบบสุญญากาศ – จานร้อน
ด้านล่างนี้คือบทสรุปของประเด็นสำคัญที่จะรวมไว้ในข้อกำหนดสำหรับแผ่นทำความร้อนห้องสุญญากาศ

ความต้องการหมวดหมู่โซลูชันปกติ
วัสดุแผ่น 316 สแตนเลส ปล่อยก๊าซน้อย ขัดด้วยไฟฟ้า ทำความสะอาดได้
ประเภทของเครื่องทำความร้อน การมีเพศสัมพันธ์แบบใกล้ชิดกับจาน; ลดพิกัดสำหรับสุญญากาศเครื่องทำความร้อนแบบตลับแบบประสาน (แจ็คเก็ต Incoloy)
ความหนาแน่นของวัตต์ ลดลงเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไป น้อยกว่าหรือเท่ากับ 5 วัตต์/ซม.2 (เทียบกับ 8-10 วัตต์/ซม.2 ในอากาศ)
การตรวจจับอุณหภูมิ ฝังไว้ใกล้กับพื้นผิวการทำงาน เทอร์โมคัปเปิ้ล Type K หรือ PT100 RTD
ฉนวนหุ้มสายไฟ PTFE (เทฟล่อน) หรือ Kapton ปล่อยก๊าซออกต่ำ พิกัดสุญญากาศ
ยาแนว / กาวอีพ๊อกซี่ปล่อยแก๊สต่ำ EpoTek H77, Torr Seal (ไม่มีซิลิโคน)
การป้อนผ่านไฟฟ้าแบบสุญญากาศ รั่ว-กระจกแน่น-กับ-โลหะหรือเซรามิกกับโลหะ
อัตรากระแสไฟป้อนเข้าเกินภาระของเครื่องทำความร้อน มากกว่าหรือเท่ากับ 10 A ต่อพินกำลังสำหรับเพลตขนาด 1-2 kW ทั่วไป
ระยะห่างไฟฟ้าแรงสูงป้องกันการชำรุดของ Paschen ช่องว่างมากกว่าหรือเท่ากับ 5 มม. (240 V) ขั้วต่อแบบโค้งมน
การอบก่อนบริการ ขจัดก๊าซที่ถูกดูดซับ 100-150 องศา ภายใต้สุญญากาศ เป็นเวลา 24-48 ชั่วโมง
กรณีพิเศษ: แผ่นทำความร้อนแบบกระจาย
ในกระบวนการสุญญากาศบางกระบวนการ แผ่นทำความร้อนไม่ได้ตั้งใจให้สัมผัสกับชิ้นงานโดยตรง แต่แผ่นจะแผ่ความร้อนไปยังชิ้นงานผ่านช่องว่างแทน ในการกำหนดค่านี้ การแผ่รังสีที่พื้นผิวของเพลตจะมีความสำคัญ มีการใช้การเคลือบที่มีการแผ่รังสีสูง (เช่น อโนไดซ์สีดำบนอะลูมิเนียม หรือ Pyromark 2500 บนสแตนเลส) เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี อย่างไรก็ตาม สารเคลือบต้องเข้ากันกับระบบสุญญากาศและไม่ใช่ก๊าซหมด Pyromark 2500 ซึ่งเป็นสารเคลือบเซรามิก มักใช้กับเครื่องทำความร้อนแบบกระจายสุญญากาศที่อุณหภูมิสูงถึง 600 องศา

บทสรุป
แผ่นทำความร้อนในห้องสุญญากาศต้องมีการออกแบบเฉพาะสำหรับการจัดการความร้อนและการควบคุมการปนเปื้อน การไม่มีการระบายความร้อนแบบพาความร้อนหมายความว่าเครื่องทำความร้อนจะต้องเชื่อมต่อกับแผ่นอย่างดีและทำงานที่ความหนาแน่นของวัตต์ลดลง การควบคุมแก๊สออกโดยการเลือกวัสดุที่มีความดันไอต่ำ (สแตนเลส, PTFE, Kapton) และดำเนินการอบก่อนการบริการ จำเป็นต้องมีการป้อนผ่านไฟฟ้าแบบ Hermetic (แก้วกับโลหะหรือเซรามิกกับโลหะ) เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของห้องเพาะเลี้ยง กฎของ Paschen กำหนดข้อกำหนดในการกวาดล้างเพื่อป้องกันการเกิดประกายไฟในระดับสุญญากาศปานกลาง สภาพแวดล้อมการใช้งาน-ระดับสุญญากาศ ช่วงอุณหภูมิ และความไวของกระบวนการ-เป็นตัวกำหนดการออกแบบเฉพาะ แผ่นทำความร้อนแบบสุญญากาศที่ระบุอย่างถูกต้องช่วยให้ถ่ายเทความร้อนได้อย่างน่าเชื่อถือและปราศจากการปนเปื้อนในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีการพาความร้อน และการเลือกใช้วัสดุทุกประเภทก็มีความสำคัญ