Proses vakum-tinggi (tekanan < 0.01 bar mutlak) mencipta perbezaan tekanan yang besar merentasi sarung PFA: 1 bar tekanan atmosfera luaran menolak ke dalam, dengan hampir-vakum di dalam tangki. Untuk pemanas PFA standard, jurang anulus dalaman antara teras logam dan sarung PFA adalah pada tekanan atmosfera (1 bar) kerana ia tidak dimeterai dari ambien. Semasa operasi vakum, sarung mengalami tekanan masuk bersih kira-kira 0.99 bar. Tegasan gelung yang terhasil adalah mampatan, bukan tegangan. PFA lebih kuat dalam pemampatan daripada ketegangan, tetapi mod kegagalan utama ialah lengkok atau runtuh tiub berdinding{10}nipis. Untuk tiub PFA dinding 25 mm OD, 2 mm, tekanan luaran kritikal untuk keruntuhan adalah lebih kurang 2–3 bar. Perbezaan 1 bar adalah di bawah ini, jadi keruntuhan tidak berlaku pada suhu bilik. Walau bagaimanapun, pada suhu tinggi (80–150 darjah ), modulus PFA menurun sebanyak 50–70%, dan tekanan runtuh kritikal boleh jatuh di bawah 1 bar. Satu tekanan-reka bentuk pampasan-di mana jurang anulus dalaman diberi tekanan dengan nitrogen kering untuk dipadankan dengan vakum luaran-menghalang keruntuhan. Reka bentuk ini disyorkan untuk proses vakum melebihi 80 darjah .
Mekanisme Runtuh dan Tekanan Kritikal
Tekanan luaran kritikal untuk tiub berdinding-nipis diberikan oleh P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, di mana E ialah modulus Young, ν ialah nisbah Poisson (0.45 untuk PFA), t ialah ketebalan dinding, dan D ialah diameter purata. Pada 20 darjah , E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1,200 / 0.7975) × (0.075) × (0.075) × (0.075) × (0.082) 0.000658=0.99 bar. Pada 20 darjah , tekanan kritikal adalah lebih kurang 1 bar-marginal. Sebarang ketidaksempurnaan mengurangkannya. Pada 100 darjah, E turun kepada 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0.7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 bar. Tiub PFA standard pada 100 darjah runtuh di bawah vakum pembezaan 0.41 bar. Memandangkan pembezaan sebenar ialah 0.99 bar, keruntuhan adalah pasti. Bukti lapangan: Pemanas PFA dalam proses vakum pada 80–120 darjah sering menunjukkan sarung yang runtuh-PFA diratakan pada teras logam, kadangkala dengan kedutan lilitan. Runtuhan tidak serta-merta menyebabkan kegagalan elektrik, tetapi ia mewujudkan tegasan sisa yang tinggi dan mungkin retak PFA semasa kitaran haba berikutnya.
Tekanan-Reka Bentuk Pampasan
Pemanas PFA yang diberi pampasan-tekanan mempunyai jurang anulus tertutup antara teras logam dan sarung PFA. Semasa pembuatan, jurang dikosongkan dan diisi semula dengan nitrogen kering kepada tekanan mutlak 0.5–1.0 bar. Pengatur tekanan kecil atau pengedap-sekali (cth, tiub logam berkelim) mengekalkan tekanan dalaman. Apabila pemanas diletakkan di dalam ruang vakum (cth, 0.01 bar), tekanan dalaman (katakan 0.8 bar) mencipta perbezaan hanya 0.79 bar ke luar (dari dalam ke luar), bukan ke dalam. Sarung PFA mengalami tegasan gelung tegangan, bukan mampatan. Tegasan tegangan tidak menyebabkan keruntuhan. Tekanan luar kritikal untuk pecah adalah lebih tinggi (10–20 bar). Pemanas kekal stabil.
Reka bentuk pampasan-tekanan mempunyai dua cabaran: (1) Pengedap mesti dikekalkan sepanjang hayat pemanas, termasuk kitaran haba. Logam-ke-Kedap PFA (pelengkapan mampatan) cenderung bocor dari semasa ke semasa. Kedap belos logam yang dikimpal atau kedap logam-ke-kaca adalah lebih dipercayai. (2) Tekanan dalaman meningkat dengan suhu (PV=nRT). Pemanas yang diisi pada 0.8 bar pada 20 darjah akan mencapai 1.2 bar pada 150 darjah . PFA mesti menahan tekanan gelung tambahan ini. Untuk dinding 2 mm, 25 mm OD, tekanan dalaman 1.2 bar memberikan tegasan gelung=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-diabaikan.
Perbandingan Pencegahan Runtuh
| Reka Bentuk Pemanas | Tekanan Jurang Dalaman (bar abs) | Vakum Luaran (bar abs) | Perbezaan Bersih (bar) | Arah | Runtuh pada 20 darjah ? | Runtuh pada 100 darjah? | Sesuai untuk Vakum Tinggi? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standard (vented) | 1.0 | 0.01 | 0.99 ke dalam | Mampat | Tidak (marginal) | Ya (runtuh) | Tidak (melebihi 50 darjah) |
| Standard (vented) dengan dinding tebal (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0.99 ke dalam | Mampat | Tidak | Tidak (P_crit{1}} bar pada 100 darjah ) | Ya, tetapi pemindahan haba yang berat dan lemah |
| Tekanan-dikompensasikan (dimeterai, isian 0.5 bar) | 0.5 | 0.01 | 0.49 ke luar | Tegangan | Tidak | Tidak | Ya (semua suhu) |
| Tekanan-dikompensasikan (dimeterai, isian 0.8 bar) | 0.8 | 0.01 | 0.79 ke luar | Tegangan | Tidak | Tidak | Ya (reka bentuk standard) |
| Tekanan-diimbangi dengan rujukan vakum | 1.0 (dikawal selia untuk dipadankan dengan luaran) | 0.01 | 0 (seimbang) | tiada | Tidak | Tidak | Ideal (kompleks) |
| Dinding-berganda (PFA atas teras logam, tiada jurang) | T/A (tiada jurang) | N/A | N/A | N/A | Tidak | Tidak | Ya (teras menyokong PFA) |
Panduan Permohonan untuk Proses Vakum
Untuk proses vakum di bawah 50 darjah , pemanas PFA standard (dinding 2 mm) boleh diterima kerana E kekal tinggi (≈ 500 MPa) dan P_crit ≈ 0.8 bar-masih di bawah perbezaan 0.99 bar? Sebenarnya 0.8 < 0.99, jadi runtuh masih mungkin. Marginnya kecil. Untuk kebolehpercayaan, gunakan tekanan-yang diberi pampasan untuk sebarang vakum di bawah 0.1 bar.
Untuk proses vakum melebihi 50 darjah , pemanas bertekanan{1}}diperlukan. Tanpa pampasan, keruntuhan adalah pasti dalam beberapa jam atau hari. Gejala runtuh: (1) Pemanas terasa rata atau berkedut; (2) Rintangan penebat jatuh apabila PFA retak; (3) Pemanas mengeluarkan arus yang lebih tinggi (bahagian teras-dikurangkan? Tidak mungkin). Gantikan pemanas yang runtuh dengan segera.
Untuk proses vakum melebihi 150 darjah , walaupun tekanan-PFA pampasan mungkin tidak mencukupi disebabkan oleh rayapan. Pada 150 darjah , E=150 MPa, PFA masih boleh menyokong tekanan luar, tetapi menjalar dari semasa ke semasa boleh menyebabkan sarung menjadi belon. Gunakan reka bentuk dinding-berganda yang mana PFA disokong oleh tiub logam berlubang. Tiub logam membawa beban tekanan; PFA menyediakan rintangan kimia.
Contoh Medan
Kebuk pengeringan vakum semikonduktor beroperasi pada 120 darjah, 0.01 bar. Pemanas PFA standard runtuh dalam masa 2 bulan, menunjukkan sarung berkedut. Loji itu bertukar kepada tekanan-pemanas pampasan (0.8 bar nitrogen dalaman, dimeterai). Pemanas telah beroperasi selama 3 tahun tanpa runtuh. Kos tambahan (30% premium) telah dipulihkan dalam tempoh 6 bulan melalui masa henti yang dihapuskan.
Kesimpulan: Pampasan Tekanan Menghalang Runtuh dalam-Vakum Tinggi
Pemanas PFA standard runtuh di bawah vakum tinggi pada suhu melebihi 50 darjah kerana modulus PFA menurun, mengurangkan tekanan luaran kritikal di bawah perbezaan 1 bar. Tekanan-reka bentuk pampasan-di mana jurang anulus dalaman dimeterai dan diberi tekanan dengan nitrogen kering hingga 0.5–0.8 bar-menghalang keruntuhan dengan mencipta pembezaan tekanan luar kecil (tegasan gelung tegangan) dan bukannya ke dalam (mampatan). Untuk sebarang proses vakum di bawah 0.1 bar mutlak dan melebihi 50 darjah , nyatakan tekanan{11}}pemanas PFA pampasan. Untuk suhu melebihi 150 darjah , gunakan dua-logam dinding-yang disokong PFA. Jangan risiko runtuh. Pemanas yang runtuh ialah pemanas yang gagal. Gantikan tekanan, atau vakum akan meruntuhkan pemanas anda. Pilih pampasan.
