真空加热中的常见障碍可以带来教好的工艺

对于工艺工程师来说，满足干燥、固化和烘烤温度敏感组件的要求可能具有挑战性。当升高温度不是一种选择时，降低压力可能是一种有效的工艺工具。在真空烘箱中使用低压条件可以通过在较低温度下排出滞留的水分和气体来抵消热量限制的限制。为了获得最佳的排气和干燥效果，需要加热和真空的结合。

真空干燥和排气在制药、电子、医疗设备和航空航天工业中很常见，在这些行业中，脆弱的有机化合物、塑料部件、树脂和聚合物设备必须在没有高温加工的破坏性影响的情况下进行干燥和固化。真空炉处理虽然有效，但也充满了障碍。真空是一种不良的热导体，因此它是地球上最有效的绝缘体。换句话说，辅助干燥过程的真空也阻碍了热量传递到您的产品。

1. 加热对真空干燥、脱气至关重要

在环境温度下将组件暴露在真空中会很快导致样品本身低于环境温度。随着压力下降，分子会挥发并被真空泵排出。从液体到气体的相变消耗了热能，从而降低了样品的温度。随着排气的继续，温度继续下降并形成冰袋。一旦水结冰，就很难将其从样品中去除。出于这个原因，单独的真空处理很少足以完全脱气或干燥样品。利用增加热量和减少压力的真空炉是对这些温度敏感样品进行一致、彻底处理的关键。

传热的方式主要有对流、传导和辐射三种。篝火很好地说明了热量的三种移动方式。大多数过程加热应用依赖于对流，就像在篝火上烤棉花糖一样。询问任何 Eagle Scout 或热力学专家，他都会告诉您将棉花糖放在火焰上方的加热空气中，使其完全烘烤而不会燃烧。不是火本身，而是火上方的热空气正在烤制即将到来的食物。

如果你拿着一根一端在火中的金属串烧几分钟，你会注意到把手很快摸起来很烫。金属本身通过第二种最常见的传热方法：传导沿整个长度传递热量。最后，坐在篝火旁，你会感觉到四面八方散发的温暖是由于辐射。

最有效和最有效的传热方法是对流。在干燥应用中，热空气在产品周围循环，加热产品并导致滞留的水分和气体随着时间的推移而挥发。对流烤箱具有金属架或穿孔搁架以促进空气流通，因为这是热传递的主要热源。这种传热方法在真空加工中不起作用。缺乏气氛会阻止对流传热。随着对流的取消，真空过程依赖于传导，在较小程度上依赖于辐射将热量传递给样品。

2. 不只是大量的热空气

传导是第二个最有效的传热形式。传导需要两个相互接触的物体，以便热量从一个物体传递到另一个物体。在真空炉处理的情况下，热量从搁板表面传递到样品。为了最大限度地提高传导热传递的效率，为架子结构仔细选择正确的金属是很重要的。热导率表示为由于温度梯度而通过单位厚度传递的热量。换句话说，热导率是对热量在任何给定材料上移动的均匀性和效率的计算。花岗岩具有 1.7 W/(m·K) 的低导电性能。在光谱的另一端，金刚石是 1000 W/(m·K) 的最佳热导体。银等金属，

为了在真空烤箱中进行高效且经济实惠的热传递，铝是搁板结构的最佳选择。最糟糕的选择是不锈钢。高品质真空烤箱始终配备坚固的铝制搁板，以促进最大程度的热传递。

热导率值不仅对热传递很重要，而且对敏感产品的保护也很重要。不具有高导热性的材料（如不锈钢）会不均匀地传递热量，从而导致热点、温度峰值和不均匀的批处理。

最后一种传热方法是辐射。与依靠原子传递热量的对流和传导不同，辐射使用沿红外光谱的电磁波来传递热量。太阳通过辐射将热量通过太空真空传递到地球。我们的太阳是一个巨大的核反应堆，重 2x1030 公斤，每秒发出 3.86 x 1027 千瓦的功率。在称为真空炉的小金属盒中很难重现这种水平的热传递。尽管来自太阳的所有热能都通过辐射传递到地球表面，但主要是通过传导和对流将热量传递到空气中。

尽管是效率最低、速度最慢的传热方式，但辐射只是真空处理等式的一小部分。热量将通过来自实际热源（通常是均匀放置在容器外部的辐射加热器）和腔室内其他表面的辐射传递。这就是事情变得棘手的地方。依靠辐射来持续加热您的样品需要您了解样品的确切传热系数及其接触的一切。如果烤箱中的样品——例如电路板——放在一个坚固的架子上，它的底面会受到热辐射的影响。这意味着顶部将以不同的速率处理。如果电路板在电线架上——比如对流烤箱架——电路板将比在坚固的架子上暴露得更多，但与线架接触的地方不会受到辐射，会受热不均。样品和架子是黑色、白色、抛光还是哑光？所有这些变量都会影响热传递。

样本随时间的变化也会产生影响。对于酚醛树脂，传热系数会随着样品从液态变为固态而发生变化。高导热货架可以通过在货架上均匀传导热量来减轻辐射传热的破坏性影响。

3. 热源优化布置

对流烤箱可以使用在腔室周围循环的大量热空气来均匀地为样品加热。腔室中快速流动的空气使加热器的分布和放置成为整体加热器功率和气流的次要问题。纯粹就温度均匀性而言，一个较大的加热器与多个较小的加热器一样有效。然而，在真空炉中，加热器的分布和放置至关重要。因为我们几乎完全依赖传导，所以加热器在腔室周围良好分布并将热量均匀地传递到架子上是很重要的。加热器瓦数应均匀分布在容器的两侧，因为货架上的水平传输是加热的主要载体。

尽管由于腔室中缺乏空气，腔室顶部的热空气池不是问题，但加热器的顶部安装是最不理想的位置。在样品上方加热容器的顶部安装的加热器将无法有效地在多个架子上均匀地驱动热量。此外，来自加热器的辐射可能对最上面的样品产生不利影响，而根本不向下部搁架提供任何热量。

4. 做一个控制狂

如果控制回路无效，正确的架子、加热器放置和加热器瓦数都只是喋喋不休。标准温度探头在真空烤箱中将无效，因为没有空气对其进行加热。理想情况下，探头应从导电表面之一进行测量。通过将温度探头靠近货架放置，我们可以确保控制回路跟踪实际内部温度。PID 应在控制器内使用，以防止温度峰值和波动。由于真空而导致的响应时间缓慢将使自动调谐无用。控制参数必须手动设计。正确的控制回路将有一个与架子接触的内部探头和一个具有专为真空应用设计的 PID 值的稳健控制器。

总之，优秀的供应商不仅仅​​为您提供优质的设备和材料。寻求与充分了解其产品的供应商合作，以提供深入的流程分析并提出解决方案。在产品开发周期和构建新生产线时使用主要供应商，以便您可以从他们的特定知识中受益。您无需成为真空烤箱专家；你只需要知道在哪里可以找到一个。