Процеси високого-вакууму (тиск < 0,01 бар абсолютного) створюють велику різницю тиску в оболонці PFA: 1 бар зовнішнього атмосферного тиску, що штовхає всередину, з майже-вакуумом усередині бака. Для стандартного нагрівача PFA внутрішній кільцевий зазор між металевим сердечником і оболонкою PFA знаходиться під атмосферним тиском (1 бар), оскільки він не захищений від навколишнього середовища. Під час роботи у вакуумі оболонка відчуває чистий внутрішній тиск приблизно 0,99 бар. Результуюче кільцеве напруження є стискаючим, а не розтягуючим. PFA сильніше стискається, ніж розтягується, але основним типом руйнування є вигин або згортання тонкостінної{10}}труби. Для труби PFA з зовнішнім діаметром 25 мм і стінкою 2 мм критичний зовнішній тиск для згортання становить приблизно 2–3 бари. Різниця в 1 бар нижче цього, тому колапс не відбувається при кімнатній температурі. Однак при підвищених температурах (80–150 градусів) модуль PFA падає на 50–70%, а критичний тиск руйнування може впасти нижче 1 бар. Конструкція-з компенсацією тиску-де внутрішній кільцевий зазор створюється під тиском сухим азотом, щоб відповідати зовнішньому вакууму-запобігає колапсу. Ця конструкція рекомендована для вакуумних процесів вище 80 градусів.
Механізм колапсу та критичний тиск
Критичний зовнішній тиск для тонкостінної -трубки визначається P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, де E – модуль Юнга, ν – коефіцієнт Пуассона (0,45 для PFA), t – товщина стінки, а D – середній діаметр. При 20 градусах, E=600 МПа, t=2 мм, D=23 мм, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1200 / 0,7975) × (0,0870)³=1,505 × 0.000658=0.99 панель. При 20 градусах критичний тиск становить приблизно 1 бар-граничний. Будь-яка недосконалість зменшує його. При 100 градусах E падає до 250 МПа. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 бар. Стандартна трубка PFA при 100 градусах руйнується під вакуумом 0,41 бар. Оскільки фактичний диференціал становить 0,99 бар, крах неминучий. Польові дані: нагрівачі PFA у вакуумних процесах при 80–120 градусах часто демонструють згорнуті оболонки-PFA сплющені на металевому сердечнику, іноді зі зморшками по окружності. Згортання не відразу викликає електричний збій, але створює високу залишкову напругу та може розтріскати PFA під час наступного термічного циклу.
Конструкція-з компенсацією тиску
Нагрівач із PFA-з компенсацією тиску має герметичний кільцевий зазор між металевим сердечником і оболонкою з PFA. Під час виробництва щілину відкачують і заповнюють сухим азотом під тиском 0,5–1,0 бар абсолютного. Невеликий регулятор тиску або-одноразове ущільнення (наприклад, гофрована металева трубка) підтримує внутрішній тиск. Коли нагрівач поміщають у вакуумну камеру (наприклад, 0,01 бар), внутрішній тиск (скажімо, 0,8 бар) створює різницю лише 0,79 бар назовні (зсередини назовні), а не всередину. Оболонка з ПФА відчуває навантаження на розтяг, а не на стиснення. Напруга розтягування не викликає колапсу. Критичний зовнішній тиск для розриву набагато вищий (10–20 бар). Нагрівач залишається стабільним.
Конструкція з-компенсацією тиску має дві проблеми: (1) Герметичність має зберігатися протягом усього терміну служби обігрівача, включно з температурним циклом. Металеві ущільнення-–-PFA (компресійні фітинги) мають тенденцію до витоку з часом. Зварене металеве сильфонне ущільнення або ущільнення зі скла--метал є більш надійним. (2) Внутрішній тиск зростає з температурою (PV=nRT). Нагрівач, наповнений під тиском 0,8 бар при 20 градусах, досягне 1,2 бар при 150 градусах. PFA має витримувати цю додаткову напругу кільця. Для стінки 2 мм, зовнішнього діаметра 25 мм, внутрішнього тиску 1,2 бар дає кільцеве напруження=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 МПа-незначне.
Порівняння запобігання колапсу
| Дизайн обігрівача | Тиск внутрішнього зазору (бар абс.) | Зовнішній вакуум (штанга прес) | Чистий диференціал (бар) | Напрямок | Згортання при 20 градусах? | Згорнути на 100 градусів? | Підходить для високого вакууму? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Стандартний (вентильований) | 1.0 | 0.01 | 0,99 всередину | Компресійний | Ні (граничний) | Так (згорнути) | Ні (вище 50 градусів) |
| Стандартний (вентильований) з товстою стінкою (3 мм) | 1.0 | 0.01 | 0,99 всередину | Компресійний | немає | Ні (P_crit=1.4 бар при 100 градусах) | Так, але важка і погана теплопередача |
| З-компенсацією тиску (герметичний, наповнення 0,5 бар) | 0.5 | 0.01 | 0,49 назовні | Розтягнення | немає | немає | Так (всі температури) |
| З-компенсацією тиску (герметичний, наповнення 0,8 бар) | 0.8 | 0.01 | 0,79 назовні | Розтягнення | немає | немає | Так (стандартний дизайн) |
| Тиск-компенсований еталонним вакуумом | 1.0 (відповідає зовнішньому) | 0.01 | 0 (збалансований) | Жодного | немає | немає | Ідеальний (складний) |
| Подвійна -стінка (PFA поверх металевого сердечника, без зазору) | Н/З (без розриву) | N/A | N/A | N/A | немає | немає | Так (ядро підтримує PFA) |
Керівництво із застосування для вакуумних процесів
Для вакуумних процесів нижче 50 градусів стандартний PFA нагрівач (стінка 2 мм) є прийнятним, тому що E залишається високим (≈ 500 МПа), а P_crit ≈ 0,8 бар-все ще нижче різниці в 0,99 бар? Насправді 0,8 < 0,99, тому крах все ще можливий. Маржа невелика. Для надійності використовуйте тиск,-компенсований для будь-якого вакууму нижче 0,1 бар.
Для вакуумних процесів вище 50 градусів потрібен нагрівач-з компенсацією тиску. Без компенсації крах неминучий протягом кількох годин або днів. Симптоми колапсу: (1) Нагрівач на дотик плоский або має зморшки; (2) Опір ізоляції падає, коли PFA тріскається; (3) Нагрівач споживає більший струм (поперечний-переріз сердечника зменшився? Малоймовірно). Негайно замініть зруйновані обігрівачі.
Для вакуумних процесів вище 150 градусів навіть PFA з-компенсацією тиску може бути недостатнім через повзучість. При 150 градусах, E=150 МПа, PFA все ще може підтримувати зовнішній тиск, але повзучість з часом може призвести до роздування оболонки. Використовуйте конструкцію з подвійною-стінкою, де PFA підтримується перфорованою металевою трубкою. Металева труба несе навантаження тиску; PFA забезпечує хімічну стійкість.
Приклад поля
Напівпровідникова вакуумна сушильна камера працювала при 120 градусах, 0,01 бар. Стандартні нагрівачі PFA зруйнувалися протягом 2 місяців, показавши зморшкуваті оболонки. Завод перейшов на нагрівачі-з компенсацією тиску (0,8 бар внутрішнього азоту, герметичні). Обігрівачі пропрацювали 3 роки без збоїв. Додаткові витрати (30% премії) були відшкодовані протягом 6 місяців завдяки усуненню простоїв.
Висновок: компенсація тиску запобігає колапсу у високому-вакуумі
Стандартні нагрівачі PFA руйнуються під високим вакуумом при температурах вище 50 градусів, тому що модуль PFA падає, знижуючи критичний зовнішній тиск нижче різниці в 1 бар. Конструкції-з компенсацією тиску-де внутрішній кільцевий зазор герметично закритий і створюється тиск сухим азотом до 0,5–0,8 бар-запобігає руйнуванню шляхом створення невеликої різниці зовнішнього тиску (напруга розтягування) замість внутрішнього (стиску). Для будь-якого вакуумного процесу нижче 0,1 бар абсолютного значення та вище 50 градусів укажіть нагрівачі PFA з-компенсацією тиску. Для температур вище 150 градусів використовуйте подвійну-металеву-стінну PFA. Не ризикуйте крахом. Зруйнований нагрівач - це несправний нагрівач. Компенсуйте тиск, інакше вакуум зруйнує ваш обігрівач. Виберіть компенсацію.
