Voor toepassingen met hoog{0}}vacuüm die een druk van slechts 0,01 mbar (10⁻⁵ bar) vereisen, is een enkele O--ringafdichting op een montageflens van een PFA-verwarmer vaak onvoldoende vanwege permeatie door het elastomeer en micro-lekkage op het grensvlak. Een dubbel O--afdichtingssysteem met een tussenliggende vacuümpoort (een "gepompte" dubbele afdichting) kan de leksnelheid verlagen van 10⁻³–10⁻⁴ mbar·L/s (enkele afdichting) tot 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s, wat acceptabel is voor de meeste hoge-vacuümprocessen. De twee O-ringen creëren een bewaakt volume; al het gas dat langs de eerste O-ring lekt, wordt door een vacuümpomp verwijderd voordat het de tweede O-ring kan bereiken. Voor de hoogste vacuümniveaus (10⁻⁷ mbar en lager) is een metalen-afgedichte flens (ConFlat-stijl) vereist. Het dubbele O--ringsysteem is geen volledige eliminatie, maar een dramatische vermindering. Het is zeer effectief voor middelhoog tot hoog vacuüm (10⁻³ tot 10⁻⁶ mbar). Voor PFA-verwarmers is de extra complexiteit alleen gerechtvaardigd als het proces een leksnelheid van minder dan 10⁻⁵ mbar·L/s vereist.
Lekkagepaden en dubbele afdichtingsfunctie
Bij een enkele O{0}}-ringafdichting (Viton of FFKM) treedt lekkage op via drie routes: (1) permeatie van gas door het elastomeer (10⁻⁵–10⁻⁷ mbar·L/s per cm afdichtingslengte), (2) micro-kanalen bij de O-ring-flensinterface (10⁻⁴–10⁻³ mbar·L/s voor een flens van 100 mm), en (3) de PFA-metalen interface zelf (de verwarmingsmantel die door de flens gaat). Eén enkele afdichting bereikt doorgaans een leksnelheid van 10⁻³–10⁻⁴ mbar·L/s – te hoog voor een hoog-vacuüm.
Een dubbel O--ringsysteem voegt een tweede O--ring en een vacuümpoort ertussen toe. De ruimte tussen de O--ringen wordt geëvacueerd door een kleine hulpvacuümpomp. Elk gas dat langs de eerste O--ring lekt, wordt onmiddellijk weggepompt en bereikt nooit de tweede O--ring. Het effectieve lekpercentage wordt het product van: (lekpercentage van eerste afdichting) × (lekpercentage van tweede afdichting) / (pompsnelheid). In de praktijk zijn leksnelheden van 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s haalbaar.
Vergelijking van lekpercentages voor 50 mm PFA-verwarmingsflens
| Afdichtingsconfiguratie | Materialen | Bereikbaar lekpercentage (mbar·L/s) | Geschikt vacuümniveau | Kostenstijging (%) |
|---|---|---|---|---|
| Enkele O--ring (compressie) | FKM | 10⁻³–10⁻⁴ | 1–10 mbar (ruwvacuüm) | 0% |
| Enkele O--ring (FFKM, Kalrez) | FFKM | 10⁻⁴–10⁻⁵ | 0,1–1 mbar | +10% |
| Enkele O-ring met groefafdichtmiddel (vacuümvet) | FKM + vet | 10⁻⁵–10⁻⁶ | 0,01–0,1 mbar | +15% |
| Dubbele O-ring (niet-gepompt) | FKM + FKM | 10⁻⁴–10⁻⁵ | 0,1–1 mbar | +20% |
| Dubbele O-ring (gepompt, ruwe pomp) | FKM + FKM | 10⁻⁶–10⁻⁷ | 10⁻⁵–10⁻⁴ mbar | +35% |
| Dubbele O-ring (gepompt, turbopomp) | FFKM + FFKM | 10⁻⁸–10⁻⁹ | 10⁻⁷–10⁻⁶ mbar | +50% |
| Metalen afdichting (ConFlat, koperen pakking) | Koper of aluminium | <10⁻¹⁰ | Ultra-hoog vacuüm | +100% |
| Gelaste PFA-aan-metaalovergang (hermetisch) | PFA gelast aan metalen flens | <10⁻¹⁰ (through PFA) | Beperkt door PFA-permeatie | +200% |
Praktische installatie voor een PFA-kachel
Om een dubbele O--ringafdichting te implementeren op een PFA-verwarmingsflens voor hoog-vacuüm:
Flens ontwerp: De PFA-flens moet twee concentrische O--ringgroeven hebben (gescheiden door 15–25 mm) aan de tankzijde. Het gebied tussen de O--ringen heeft een poort (1/4 inch of 6 mm) die is aangesloten op een vacuümpomp (roterende schoep, geschikt voor 10⁻² mbar).
O-materiaal van de O-ringen: Gebruik FFKM (Kalrez, Chemraz) voor chemische compatibiliteit met agressieve media. FKM (Viton) is acceptabel voor niet-agressieve dampen.
Koppel: Draai de flensbouten gelijkmatig aan (sterpatroon) om de O--ringen met 20-25% van hun dwarsdoorsnedediameter- samen te drukken.
Pompen: Het volume tussen de afdichtingen moet tijdens bedrijf continu worden gepompt. Een speciale kleine vacuümpomp (10 l/min) is voldoende.
Verwarmingsmantel: Het PFA-naar-uitgangspunt van de metalen kern aan het koude uiteinde is een ander potentieel lekpad. Gebruik een siliconen overmold (zie artikel #87) of een gelaste metalen balgafdichting.
Veldvoorbeeld
Voor een halfgeleideronderzoekskamer was een PFA-verwarmer nodig om 80 graden onder hoog vacuüm (10⁻⁵ mbar) te handhaven. Een enkele O--ringafdichting veroorzaakte drukpieken (10⁻³ mbar) als gevolg van lekkage rond de verwarmingsflens. Het systeem werd geüpgraded naar een gepompte dubbele O--ringafdichting (twee FKM O--ringen, tussenpoort aangesloten op een kleine membraanpomp). De kamerdruk bleef gedurende 6 maanden stabiel op 2×10⁻⁶ mbar. De verwarmer werd met succes gebruikt voor meerdere depositieruns. De extra kosten bedroegen $ 500 voor de flensaanpassing en pomp.
Beperkingen van PFA in hoogvacuüm
Zelfs met perfecte afdichtingen ontgast de PFA-mantel zelf (geeft geabsorbeerd water en resterende oplosmiddelen vrij) en is doorlaatbaar voor gassen. Bij een druk lager dan 10⁻⁶ mbar wordt de achtergronddruk beperkt door ontgassing uit de PFA (doorgaans 10⁻⁶–10⁻⁷ mbar). Voor ultra-hoog vacuüm (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.
Conclusie: dubbele O--ring met pomp vermindert lekkage tot 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s
Voor toepassingen met hoog-vacuüm tot 0,01 mbar (10⁻⁵ bar) reduceert een dubbel O--ringafdichtingssysteem op een PFA-verwarmermontageflens, waarbij het inter-afdichtingsvolume wordt afgevoerd door een pomp, de leksnelheid van 10⁻³–10⁻⁴ mbar·L/s (enkele afdichting) tot 10⁻⁶–10⁻⁸ mbar·L/s. Dit is voldoende voor de meeste midden- en hoogvacuümprocessen. Het systeem elimineert lekkage niet volledig, maar vermindert deze met 2 tot 4 ordes van grootte. Voor drukken lager dan 10⁻⁶ mbar kunt u metalen afdichtingen of hermetische PFA-naar-metaalovergangen overwegen. De dubbele afdichting is een praktische oplossing voor vacuümovens, coatingkamers en ontgassingssystemen. Het transformeert een problematische flens in een betrouwbare barrière. Niet perfect, maar dichtbij. Voor de meeste hoge-vacuümbehoeften is dit voldoende.
