Per le applicazioni ad alto- vuoto che richiedono pressioni fino a 0,01 mbar (10⁻⁵ bar), una singola guarnizione O-ring su una flangia di montaggio del riscaldatore PFA è spesso insufficiente a causa della permeazione attraverso l'elastomero e delle micro-perdite all'interfaccia. Un sistema di tenuta a doppio O-ring con una porta per vuoto intermedia (una doppia tenuta "pompata") può ridurre i tassi di perdita da 10⁻³–10⁻⁴ mbar·L/s (tenuta singola) a 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s, che è accettabile per la maggior parte dei processi-a vuoto elevato. I due O-ring creano un volume protetto; l'eventuale gas che fuoriesce dal primo O-ring viene rimosso da una pompa a vuoto prima che possa raggiungere il secondo O-ring. Per i livelli di vuoto più elevati (10⁻⁷ mbar e inferiori), è necessaria una flangia a tenuta metallica-(stile ConFlat). Il sistema a doppio O-ring non rappresenta un'eliminazione completa ma una riduzione drastica. È altamente efficace per il vuoto medio-alto (da 10⁻³ a 10⁻⁶ mbar). Per i riscaldatori PFA, la complessità aggiuntiva è giustificata solo quando il processo richiede tassi di perdita inferiori a 10⁻⁵ mbar·L/s.
Percorsi di perdita e funzione di doppia tenuta
In una singola guarnizione O-ring (Viton o FFKM), la perdita avviene attraverso tre percorsi: (1) permeazione del gas attraverso l'elastomero (10⁻⁵–10⁻⁷ mbar·L/s per cm di lunghezza della guarnizione), (2) micro-canali sull'interfaccia della flangia dell'O-ring-(10⁻⁴–10⁻³ mbar·L/s per una flangia da 100 mm) e (3) l'interfaccia metallica PFA- stessa (la guaina del riscaldatore che passa attraverso la flangia). Una singola tenuta raggiunge tipicamente un tasso di perdita di 10⁻³–10⁻⁴ mbar·L/s – troppo alto per un vuoto elevato-.
Un sistema a doppio O-ring aggiunge un secondo O-ring e una porta per il vuoto tra di loro. Lo spazio tra gli O-ring viene evacuato da una piccola pompa a vuoto ausiliaria. Qualsiasi gas che fuoriesce dal primo O-ring viene immediatamente pompato via, senza mai raggiungere il secondo O-ring. Il tasso di perdita effettivo diventa il prodotto di: (tasso di perdita della prima tenuta) × (tasso di perdita della seconda tenuta) / (velocità di pompaggio). In pratica, sono ottenibili tassi di perdita di 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s.
Confronto del tasso di perdita per la flangia del riscaldatore PFA da 50 mm
| Configurazione della tenuta | Materiali | Tasso di perdita raggiungibile (mbar·L/s) | Livello di vuoto adeguato | Aumento dei costi (%) |
|---|---|---|---|---|
| O-ring singolo (compressione) | FKM | 10⁻³–10⁻⁴ | 1–10 mbar (vuoto spinto) | 0% |
| O-ring singolo (FFKM, Kalrez) | FFKM | 10⁻⁴–10⁻⁵ | 0,1–1 mbar | +10% |
| O-ring singolo con sigillante per scanalature (grasso per vuoto) | FKM + grasso | 10⁻⁵–10⁻⁶ | 0,01–0,1 mbar | +15% |
| Doppio O-ring (non-pompato) | FKM+FKM | 10⁻⁴–10⁻⁵ | 0,1–1 mbar | +20% |
| Doppio O-ring (pompata, pompa grezza) | FKM+FKM | 10⁻⁶–10⁻⁷ | 10⁻⁵–10⁻⁴ mbar | +35% |
| Doppio O-ring (pompato, pompa turbo) | FFKM + FFKM | 10⁻⁸–10⁻⁹ | 10⁻⁷–10⁻⁶ mbar | +50% |
| Tenuta metallica (ConFlat, guarnizione in rame) | Rame o alluminio | <10⁻¹⁰ | Vuoto ultra-alto | +100% |
| Transizione saldata da PFA-a-metallo (ermetica) | PFA saldato alla flangia metallica | <10⁻¹⁰ (through PFA) | Limitato dalla permeazione del PFA | +200% |
Installazione pratica per un riscaldatore PFA
Per implementare una doppia tenuta O-ring su una flangia del riscaldatore PFA per servizi ad alto-vuoto:
Progettazione della flangia: La flangia PFA deve avere due scanalature concentriche per O-ring (separate da 15–25 mm) sul lato del serbatoio. La regione tra gli O-ring ha una porta (1/4 di pollice o 6 mm) collegata a una pompa a vuoto (a palette rotanti, con capacità di 10⁻² mbar).
Materiale dell'O-ring: Utilizzare FFKM (Kalrez, Chemraz) per la compatibilità chimica con fluidi aggressivi. FKM (Viton) è accettabile per vapori non-aggressivi.
Coppia: Stringere i bulloni della flangia in modo uniforme (modello a stella) per comprimere gli O-ring del 20–25% del loro diametro della sezione trasversale-.
Pompaggio: Il volume tra le-guarnizioni deve essere pompato continuamente durante il funzionamento. È sufficiente una piccola pompa a vuoto dedicata (10 L/min).
Guaina riscaldante: Il punto di uscita dal PFA-al-nucleo metallico all'estremità fredda è un altro potenziale percorso di perdita. Utilizzare un sovrastampaggio in silicone (vedi articolo n. 87) o una guarnizione a soffietto metallico saldata.
Esempio di campo
Una camera di ricerca sui semiconduttori richiedeva un riscaldatore PFA per mantenere una temperatura di 80 gradi sotto vuoto spinto (10⁻⁵ mbar). Un singolo O-ring ha causato picchi di pressione (10⁻³ mbar) dovuti a perdite attorno alla flangia del riscaldatore. Il sistema è stato aggiornato a una tenuta a doppio O-ring pompato (due O-ring in FKM, porta intermedia collegata a una piccola pompa a membrana). La pressione della camera è rimasta stabile a 2×10⁻⁶ mbar per 6 mesi. Il riscaldatore è stato utilizzato con successo per più cicli di deposizione. Il costo aggiuntivo era di $ 500 per la modifica della flangia e della pompa.
Limitazioni del PFA nell'alto vuoto
Anche con guarnizioni perfette, la guaina stessa in PFA degasa (rilascia acqua assorbita, solventi residui) ed è permeabile ai gas. A pressioni inferiori a 10⁻⁶ mbar, la pressione di fondo sarà limitata dal degassamento del PFA (tipicamente 10⁻⁶–10⁻⁷ mbar). Per il vuoto ultra-alto (UHV,<10⁻⁸ mbar), PFA cannot be used regardless of sealing. For medium to high vacuum (10⁻³ to 10⁻⁶ mbar), PFA with a double O-ring seal is acceptable.
Conclusione: il doppio O-ring con pompaggio riduce le perdite a 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s
Per applicazioni ad alto- vuoto fino a 0,01 mbar (10⁻⁵ bar), un sistema di tenuta a doppio O-ring su una flangia di montaggio del riscaldatore PFA, con il volume tra le-tenute evacuato da una pompa, riduce i tassi di perdita da 10⁻³–10⁻⁴ mbar·L/s (tenuta singola) a 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s. Ciò è sufficiente per la maggior parte dei processi-a vuoto medio e alto. Il sistema non elimina completamente le perdite ma le riduce di 2-4 ordini di grandezza. Per pressioni inferiori a 10⁻⁶ mbar, prendere in considerazione le guarnizioni metalliche o le transizioni ermetiche da PFA-a-metallo. La doppia tenuta è una soluzione pratica per forni a vuoto, camere di rivestimento e sistemi di degasaggio. Trasforma una flangia problematica in una barriera affidabile. Non perfetto, ma vicino. Per la maggior parte delle esigenze di vuoto-elevato, è sufficiente.
