I processi di-alto vuoto (pressione < 0,01 bar assoluto) creano un ampio differenziale di pressione attraverso la guaina in PFA: 1 bar di pressione atmosferica esterna che spinge verso l'interno, con quasi-vuoto all'interno del serbatoio. Per un riscaldatore in PFA standard, lo spazio anulare interno tra il nucleo metallico e la guaina in PFA è a pressione atmosferica (1 bar) perché non è sigillato dall'ambiente. Durante il funzionamento a vuoto, la guaina subisce una pressione interna netta di circa 0,99 bar. La sollecitazione del cerchio risultante è di compressione, non di trazione. Il PFA è più forte in compressione che in tensione, ma la modalità di cedimento principale è la deformazione o il collasso del tubo a pareti sottili. Per un tubo in PFA con diametro esterno di 25 mm e parete di 2 mm, la pressione esterna critica per il collasso è di circa 2–3 bar. Un differenziale di 1 bar è inferiore a questo, quindi il collasso non si verifica a temperatura ambiente. Tuttavia, a temperature elevate (80–150 gradi), il modulo del PFA diminuisce del 50–70% e la pressione critica di collasso può scendere al di sotto di 1 bar. Un design-con compensazione della pressione-in cui lo spazio anulare interno è pressurizzato con azoto secco per adattarsi al vuoto esterno-previene il collasso. Questo design è consigliato per processi di vuoto superiori a 80 gradi.
Meccanismo di collasso e pressione critica
La pressione esterna critica per un tubo a pareti sottili- è data da P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, dove E è il modulo di Young, ν è il rapporto di Poisson (0,45 per PFA), t è lo spessore della parete e D è il diametro medio. A 20 gradi , E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1.200 / 0,7975) × (0,0870)³=1,505 × 0.000658=0.99 barra. A 20 gradi, la pressione critica è di circa 1 bar-marginale. Qualsiasi imperfezione lo riduce. A 100 gradi, E scende a 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 barra. Un tubo PFA standard a 100 gradi collassa sotto un vuoto differenziale di 0,41 bar. Poiché il differenziale effettivo è di 0,99 bar, il collasso è certo. Prove sul campo: i riscaldatori PFA nei processi sotto vuoto a 80-120 gradi mostrano spesso guaine collassate-il PFA è appiattito contro il nucleo metallico, a volte con rughe circonferenziali. Il collasso non causa immediatamente un guasto elettrico, ma crea un elevato stress residuo e può rompere il PFA durante il successivo ciclo termico.
Design-con compensazione della pressione
Un riscaldatore in PFA-con compensazione della pressione presenta uno spazio anulare sigillato tra il nucleo metallico e la guaina in PFA. Durante la produzione, l'intercapedine viene evacuata e riempita con azoto secco ad una pressione assoluta di 0,5–1,0 bar. Un piccolo regolatore di pressione o una guarnizione monouso (ad esempio un tubo metallico aggraffato) mantiene la pressione interna. Quando il riscaldatore è posizionato in una camera a vuoto (ad esempio, 0,01 bar), la pressione interna (ad esempio 0,8 bar) crea un differenziale di soli 0,79 bar verso l'esterno (dall'interno verso l'esterno), non verso l'interno. La guaina in PFA è sottoposta a sollecitazione circolare di trazione, non di compressione. Lo stress di trazione non provoca il collasso. La pressione critica verso l'esterno per la rottura è molto più elevata (10–20 bar). Il riscaldatore rimane stabile.
Il design con compensazione della pressione- presenta due sfide: (1) La tenuta deve essere mantenuta per tutta la vita del riscaldatore, compresi i cicli termici. Le guarnizioni in metallo-to-PFA (raccordi a compressione) tendono a perdere nel tempo. Una tenuta a soffietto metallico saldato o una tenuta da vetro-a-metallo è più affidabile. (2) La pressione interna aumenta con la temperatura (PV=nRT). Un riscaldatore riempito a 0,8 bar a 20 gradi raggiungerà 1,2 bar a 150 gradi. Il PFA deve resistere a questa ulteriore sollecitazione del telaio. Per una parete di 2 mm, un diametro esterno di 25 mm, una pressione interna di 1,2 bar fornisce una sollecitazione del telaio=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-trascurabile.
Confronto sulla prevenzione del collasso
| Progettazione del riscaldatore | Pressione gap interna (bar assoluti) | Vuoto esterno (bar abs) | Differenziale netto (bar) | Direzione | Collasso a 20 gradi? | Collasso a 100 gradi? | Adatto per alto vuoto? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standard (ventilato) | 1.0 | 0.01 | 0,99 verso l'interno | Compressivo | No (marginale) | Sì (comprimi) | No (sopra i 50 gradi) |
| Standard (ventilato) con parete spessa (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 verso l'interno | Compressivo | NO | No (barra P_crit=1.4 a 100 gradi) | Sì, ma trasferimento di calore pesante e scarso |
| Pressione-compensata (sigillata, riempimento a 0,5 bar) | 0.5 | 0.01 | 0,49 in uscita | Trazione | NO | NO | Sì (tutte le temperature) |
| Pressione-compensata (sigillata, riempimento a 0,8 bar) | 0.8 | 0.01 | 0,79 in uscita | Trazione | NO | NO | Sì (design standard) |
| Pressione-compensata con riferimento al vuoto | 1.0 (regolamentato per adattarsi all'esterno) | 0.01 | 0 (bilanciato) | Nessuno | NO | NO | Ideale (complesso) |
| Doppia-parete (PFA su anima in metallo, senza spazi vuoti) | N/A (nessun intervallo) | N/A | N/A | N/A | NO | NO | Sì (il core supporta PFA) |
Guida applicativa per i processi con vuoto
Per i processi di vuoto inferiori a 50 gradi, un riscaldatore PFA standard (parete di 2 mm) è accettabile perché E rimane elevato (≈ 500 MPa) e P_crit ≈ 0,8 bar-ancora al di sotto del differenziale di 0,99 bar? In realtà 0,8 < 0,99, quindi il collasso è ancora possibile. Il margine è piccolo. Per maggiore affidabilità, utilizza la compensazione della pressione-per qualsiasi vuoto inferiore a 0,1 bar.
Per i processi di vuoto superiori a 50 gradi, è necessario un riscaldatore con compensazione della pressione-. Senza risarcimento, il collasso è certo nel giro di poche ore o giorni. Sintomi di collasso: (1) Il riscaldatore sembra piatto o presenta pieghe; (2) La resistenza di isolamento diminuisce quando il PFA si rompe; (3) Il riscaldatore assorbe una corrente maggiore (sezione trasversale del nucleo-ridotta? Improbabile). Sostituire immediatamente i riscaldatori guasti.
Per i processi di vuoto superiori a 150 gradi, anche il PFA con compensazione della pressione- potrebbe non essere sufficiente a causa dello scorrimento viscoso. A 150 gradi, E=150 MPa, il PFA può ancora supportare la pressione verso l'esterno, ma lo scorrimento nel tempo può causare il rigonfiamento della guaina. Utilizza un design a doppia parete- in cui il PFA è supportato da un tubo metallico perforato. Il tubo metallico sostiene il carico di pressione; il PFA fornisce resistenza chimica.
Esempio di campo
Una camera di essiccazione sotto vuoto a semiconduttore funzionava a 120 gradi, 0,01 bar. I riscaldatori PFA standard crollano entro 2 mesi, mostrando le guaine spiegazzate. L'impianto è passato ai riscaldatori-compensati a pressione (azoto interno da 0,8 bar, sigillati). I riscaldatori hanno funzionato per 3 anni senza collassi. Il costo aggiuntivo (premio del 30%) è stato recuperato entro 6 mesi grazie all'eliminazione dei tempi di inattività.
Conclusione: la compensazione della pressione previene il collasso in condizioni di vuoto- elevato
I riscaldatori PFA standard collassano sotto vuoto spinto a temperature superiori a 50 gradi perché il modulo del PFA diminuisce, riducendo la pressione esterna critica al di sotto del differenziale di 1 bar. I design-compensati a pressione-dove lo spazio anulare interno è sigillato e pressurizzato con azoto secco a 0,5–0,8 bar-prevengono il collasso creando un piccolo differenziale di pressione verso l'esterno (sollecitazione circolare di trazione) invece che verso l'interno (compressione). Per qualsiasi processo di vuoto inferiore a 0,1 bar assoluto e superiore a 50 gradi, specificare i riscaldatori PFA con compensazione della pressione. Per temperature superiori a 150 gradi, utilizzare PFA supportato da doppia-parete metallica-. Non rischiare il collasso. Un riscaldatore collassato è un riscaldatore guasto. Compensa la pressione, altrimenti il vuoto farà collassare il riscaldatore. Scegli il compenso.
