การออกแบบเครื่องทำความร้อน PFA ที่ได้รับการชดเชยแรงดันสามารถป้องกันการพังทลายในระหว่างกระบวนการสุญญากาศสูง-ได้หรือไม่

กระบวนการสุญญากาศสูง- (ความดัน < 0.01 บาร์สัมบูรณ์) ทำให้เกิดความแตกต่างของความดันขนาดใหญ่ทั่วทั้งเปลือก PFA: ความดันบรรยากาศภายนอก 1 บาร์ดันเข้าด้านใน โดยมีสุญญากาศอยู่ใกล้-ภายในถัง สำหรับเครื่องทำความร้อน PFA มาตรฐาน ช่องว่างวงแหวนภายในระหว่างแกนโลหะและปลอก PFA จะอยู่ที่ความดันบรรยากาศ (1 บาร์) เนื่องจากไม่ได้ปิดผนึกจากสภาพแวดล้อม ในระหว่างการทำงานของสุญญากาศ ปลอกจะมีแรงดันเข้าด้านในสุทธิประมาณ 0.99 บาร์ ความเค้นของห่วงที่เกิดขึ้นจะเป็นแรงอัด ไม่ใช่แรงดึง PFA มีแรงอัดมากกว่าแรงตึง แต่โหมดความล้มเหลวหลักคือการโก่งงอหรือการยุบตัวของท่อที่มีผนังบาง- สำหรับท่อ PFA ผนัง OD ขนาด 25 มม. ผนัง 2 มม. แรงดันภายนอกวิกฤตสำหรับการยุบตัวจะอยู่ที่ประมาณ 2–3 บาร์ ส่วนต่าง 1 บาร์อยู่ต่ำกว่าค่านี้ ดังนั้นจึงไม่เกิดการยุบตัวที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง (80–150 องศา ) โมดูลัสของ PFA จะลดลง 50–70% และความกดทับวิกฤตอาจลดลงต่ำกว่า 1 บาร์ การออกแบบที่ชดเชยแรงดัน--โดยที่ช่องว่างวงแหวนภายในถูกอัดแรงดันด้วยไนโตรเจนแห้งเพื่อให้ตรงกับสุญญากาศภายนอก-ป้องกันการพังทลาย การออกแบบนี้เหมาะสำหรับกระบวนการสุญญากาศที่สูงกว่า 80 องศา

กลไกการล่มสลายและแรงกดดันวิกฤต

แรงดันภายนอกวิกฤตสำหรับท่อ-ที่มีผนังบางกำหนดโดย P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³ โดยที่ E คือโมดูลัสของ Young, ν คืออัตราส่วนของปัวซอง (0.45 สำหรับ PFA), t คือความหนาของผนัง และ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย ที่ 20 องศา , E=600 MPa, t=2 มม., D=23 มม., P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1,200 / 0.7975) × (0.0870)³=1,505 × 0.000658=0.99 บาร์ ที่ 20 องศา ความกดวิกฤตจะอยู่ที่ประมาณ 1 บาร์-เล็กน้อย ความไม่สมบูรณ์ใดๆ ก็ลดน้อยลง ที่ 100 องศา E ลดลงเหลือ 250 MPa P_crit=(2 × 250 / 0.7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 บาร์ ท่อ PFA มาตรฐานที่ 100 องศาจะยุบตัวภายใต้สุญญากาศที่ส่วนต่าง 0.41 บาร์ เนื่องจากส่วนต่างจริงคือ 0.99 บาร์ การล่มสลายจึงเกิดขึ้นอย่างแน่นอน หลักฐานภาคสนาม: เครื่องทำความร้อน PFA ในกระบวนการสุญญากาศที่ 80–120 องศา มักจะแสดงปลอกที่ยุบตัว-PFA ถูกแบนราบกับแกนโลหะ ซึ่งบางครั้งก็มีรอยย่นตามเส้นรอบวง การพังทลายไม่ได้ทำให้เกิดไฟฟ้าขัดข้องในทันที แต่จะสร้างความเค้นตกค้างสูง และอาจทำให้ PFA แตกร้าวในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนในภายหลัง

ความกดดัน-การออกแบบที่มีการชดเชย

เครื่องทำความร้อน PFA ที่ชดเชยแรงดัน-มีช่องว่างวงแหวนปิดผนึกระหว่างแกนโลหะและปลอก PFA ในระหว่างการผลิต ช่องว่างจะถูกอพยพออกไปและเติมไนโตรเจนแห้งกลับเข้าไปที่ความดัน 0.5–1.0 บาร์สัมบูรณ์ เครื่องปรับแรงดันขนาดเล็กหรือการซีลครั้งเดียว- (เช่น ท่อโลหะแบบจีบ) จะรักษาแรงดันภายใน เมื่อวางเครื่องทำความร้อนไว้ในห้องสุญญากาศ (เช่น 0.01 บาร์) ความดันภายใน (เช่น 0.8 บาร์) จะสร้างส่วนต่างด้านนอกเพียง 0.79 บาร์ (จากภายในสู่ภายนอก) ไม่ใช่ด้านใน ปลอก PFA ประสบกับความเค้นแรงดึงของห่วง ไม่ใช่แรงอัด ความเค้นดึงไม่ทำให้เกิดการยุบตัว แรงกดดันด้านนอกวิกฤตสำหรับการแตกจะสูงกว่ามาก (10–20 บาร์) เครื่องทำความร้อนยังคงมีเสถียรภาพ

การออกแบบที่ชดเชยแรงดัน-มีความท้าทายสองประการ: (1) จะต้องรักษาซีลไว้ตลอดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน รวมถึงการหมุนเวียนความร้อนด้วย ซีลโลหะ-ถึง-PFA (ข้อต่อการบีบอัด) มีแนวโน้มที่จะรั่วซึมเมื่อเวลาผ่านไป ซีลสูบลมโลหะแบบเชื่อมหรือซีลจากแก้ว-ถึง-มีความน่าเชื่อถือมากกว่า (2) ความดันภายในเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ (PV=nRT) เครื่องทำความร้อนที่เติมอุณหภูมิ 0.8 บาร์ที่ 20 องศาจะสูงถึง 1.2 บาร์ที่ 150 องศา PFA จะต้องทนต่อความเครียดของห่วงเพิ่มเติมนี้ สำหรับผนัง 2 มม. OD 25 มม. แรงดันภายใน 1.2 บาร์ทำให้เกิดความเค้นห่วง=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-เล็กน้อย

การเปรียบเทียบการป้องกันการล่มสลาย

คำแนะนำการใช้งานสำหรับกระบวนการสุญญากาศ

สำหรับกระบวนการสุญญากาศที่อุณหภูมิต่ำกว่า 50 องศา สามารถใช้เครื่องทำความร้อน PFA มาตรฐาน (ผนัง 2 มม.) ได้ เนื่องจาก E ยังคงสูง (ประมาณ 500 MPa) และ P_crit ความเข้มข้น 0.8 บาร์-ยังต่ำกว่าค่าส่วนต่าง 0.99 บาร์ใช่หรือไม่ จริงๆ แล้ว 0.8 < 0.99 จึงยังยุบได้ ขอบมีขนาดเล็ก เพื่อความน่าเชื่อถือ ให้ใช้แรงดัน-ที่ได้รับการชดเชยสำหรับสุญญากาศใดๆ ที่ต่ำกว่า 0.1 บาร์

สำหรับกระบวนการสุญญากาศที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 50 องศา ต้องใช้เครื่องทำความร้อนแบบชดเชยแรงดัน- หากไม่มีการชดเชย การล่มสลายจะเกิดขึ้นภายในไม่กี่ชั่วโมงหรือหลายวัน อาการของการพัง: (1) ฮีตเตอร์รู้สึกแบนหรือมีริ้วรอย; (2) ความต้านทานของฉนวนลดลงเมื่อ PFA แตก (3) เครื่องทำความร้อนดึงกระแสไฟที่สูงกว่า (หน้าตัดแกน-ลดลงหรือไม่ ไม่น่าจะเป็นไปได้) เปลี่ยนเครื่องทำความร้อนที่พังทันที

สำหรับกระบวนการสุญญากาศที่สูงกว่า 150 องศา แม้แต่ PFA ที่ชดเชยแรงดัน-ก็อาจไม่เพียงพอเนื่องจากการคืบ ที่ 150 องศา E=150 MPa PFA ยังคงสามารถรองรับแรงกดดันภายนอกได้ แต่การคืบคลานเมื่อเวลาผ่านไปอาจทำให้ปลอกบอลลูน ใช้การออกแบบผนังสองชั้น-โดยที่ PFA รองรับด้วยท่อโลหะที่มีรูพรุน ท่อโลหะรับภาระแรงดัน PFA ให้ความทนทานต่อสารเคมี

ตัวอย่างภาคสนาม

ห้องอบแห้งสุญญากาศเซมิคอนดักเตอร์ทำงานที่ 120 องศา 0.01 บาร์ เครื่องทำความร้อน PFA มาตรฐานพังทลายลงภายใน 2 เดือน เผยให้เห็นเปลือกยับ โรงงานเปลี่ยนมาใช้เครื่องทำความร้อนแบบชดเชยแรงดัน (ไนโตรเจนภายใน 0.8 บาร์ ปิดผนึก) เครื่องทำความร้อนใช้งานได้ 3 ปีโดยไม่มีการพังทลาย ต้นทุนเพิ่มเติม (พรีเมียม 30%) ได้รับคืนภายใน 6 เดือนผ่านการลดเวลาหยุดทำงาน

สรุป: การชดเชยแรงดันป้องกันการยุบตัวในสภาวะสุญญากาศสูง-

เครื่องทำความร้อน PFA มาตรฐานจะพังทลายลงภายใต้สุญญากาศสูงที่อุณหภูมิสูงกว่า 50 องศา เนื่องจากโมดูลัสของ PFA ลดลง ส่งผลให้แรงดันภายนอกวิกฤตต่ำกว่าค่าส่วนต่าง 1 บาร์ แรงดัน-การออกแบบที่ได้รับการชดเชย-โดยที่ช่องว่างวงแหวนภายในถูกผนึกและอัดแรงดันด้วยไนโตรเจนแห้งเป็น 0.5–0.8 บาร์- ป้องกันการพังทลายโดยการสร้างส่วนต่างของแรงดันด้านนอกเล็กน้อย (ความเค้นแรงดึงของห่วงดึง) แทนที่จะเป็นด้านใน (แรงอัด) สำหรับกระบวนการสุญญากาศใดๆ ที่ต่ำกว่า 0.1 บาร์สัมบูรณ์และสูงกว่า 50 องศา ให้ระบุเครื่องทำความร้อน PFA ที่ชดเชยแรงดัน- สำหรับอุณหภูมิสูงกว่า 150 องศา ให้ใช้ PFA ที่รองรับ-ผนังโลหะ- ไม่ต้องเสี่ยงล้ม. เครื่องทำความร้อนที่พังคือเครื่องทำความร้อนที่ล้มเหลว ชดเชยแรงดัน ไม่เช่นนั้นสุญญากาศจะทำให้ฮีตเตอร์พัง เลือกค่าตอบแทน