Spezielle Atmosphäre und Ultrahochvakuum
Die Vakuum-Kammeröfen GLO, LHT, HTK, HBO, HTBL und V-L sind standardmäßig mit einer kompletten Schutzgassteuerung ausgestattet. Je nach Größe und maximaler Betriebstemperatur stehen halbautomatische Steuerungen mit Rotameter oder vollautomatische Steuerung über eine SPS mit Touchscreen und Rotameter zur Verfügung.
Alle Vakuum-Kammeröfen sind standardmäßig mit einer Schutzgasregelung ausgestattet. Zusätzliche Gasregelungen sind als Option erhältlich.
Alle Vakuum-Kammeröfen sind mit der gesamten Palette optionaler Vakuumpumpen wie Drehschieberpumpen, Wälzpumpen, Öldiffusionspumpen und Turbomolekularpumpen erhältlich. Für den sicheren Betrieb des Ofens ist in manchen Fällen eine Vakuumpumpe erforderlich.
Alle Vakuum-Kammeröfen können für ein sicheres Arbeiten unter H2, CO, CO2, H2S, H2O, CH4 oder C2H4 modifiziert werden.
Für den Einsatz von Reaktivgasen wird ein Vakuum-Kammerofen vollautomatisch betrieben und mit folgenden Komponenten ausgestattet:
Mit den im Folgenden beschriebenen vier verschiedenen Vakuumpumpentechnologien können unterschiedliche Vakuumwerte erreicht werden. Das Endvakuum kann durch ein nach der PNEUROP-Norm definiertes Standardprüfverfahren bestimmt werden, bei dem der Anschlussflansch verschlossen ist und der Druck am geschlossenen Flansch der Pumpe gemessen wird. Sobald diese Pumpe an ein Ofensystem angeschlossen wird, beeinflussen eine Reihe von Faktoren das Endvakuumniveau und die Zeit, in der dies erreicht werden kann. Dazu gehören: die vom Kunden eingebrachten Materialien; Sauberkeit; Desorptionsrate der Innenflächen; Ausgasung aus der Probe oder anderen in die Kammer eingebrachten Gegenständen und die Leckrate des Vakuumofens oder -Wärmeschranks.
Die Leckrate eines Ofens oder Wärmeschranks wird durch Carbolite Gero definiert und gemessen. Alle Dichtungen werden sorgfältig ausgewählt, um die geringstmögliche Desorptionsrate zu erreichen. Die Vakuumgeräte werden vor der Montage gereinigt. Allerdings kann die Ausgasung aus der Kundenprobe, die Sauberkeit im Labor oder die Feuchtigkeit der Umgebungsluft nicht kontrolliert werden. Carbolite Gero’s Vakuumsysteme sind so ausgelegt, dass bei sauberen, kalten, trockenen und leeren Ofenbedingungen das spezifizierte Arbeitsvakuum in einer vom Kunden definierten Zeit erreicht wird. Darüber hinaus muss ein Hochvakuumofen immer mit Schutzgas gespült werden. Der Ofen sollte so kurz wie möglich geöffnet bleiben, damit weniger Verunreinigung aus der Umgebungsluft in den Ofen gelangen können.
Die Turbomolekularpumpe besteht aus einer Abfolge von schnell rotierenden Rotoren und feststehenden Statoren. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt über 10.000 Drehungen pro Minute. Die Geschwindigkeit der Rotoren liegt im Bereich der Teilchengeschwindigkeit. Dadurch wird das Gas durch die Pumpe hindurch befördert. In Kombination mit einer Vorpumpe liegt das erreichbare Endvakuum im Hochvakuumbereich oder sogar darunter. Turbomolekularpumpen sind heutzutage die am häufigsten verwendeten Pumpen für Prozesse, die im Hochvakuumbereich stattfinden. Schwere Teilchen bewegen sich langsamer als leichte Teilchen und werden daher besser abgepumpt. Das erzeugte Vakuum ist demnach frei von Kohlenwasserstoffen und es kann eine hohe Reinheit der Ofenatmosphäre erreicht werden.
Öldiffusionspumpen enthalten keine bewegten Bauteile. Das Prinzip der Vakuumerzeugung basiert auf einem sich schnell nach unten bewegenden Öldampf, der die Luftmoleküle in Richtung Vorpumpe transportiert. Am Boden der Öldiffusionspumpe wird das Öl zunächst verdampft. Der Öldampf bewegt sich bis nach oben, wo er wieder nach unten gelenkt wird. Das Öl kondensiert an der kalten Außenwand und kann erneut verdampft werden. Mit einer sehr hohen Sauggeschwindigkeit kann ein Hochvakuum erreicht werden. Bei dieser Art von Pumpe nicht verhindert werden, dass einige Ölmoleküle in den Ofenraum gelangen.
Die Wälzkolbenpumpe ist für eine Wärmebehandlung im Feinvakuumbereich konzipiert. Das Schöpfvolumen ist fettfrei. Die beiden Drehkolben, die gegeneinander rotieren, sind sehr präzise gefertigt, damit nahezu kein Spalt zwischen ihnen und dem Schöpfvolumen entsteht. Die Wälzkolbenpumpe muss immer mit einer Vorpumpe betrieben werden.
Die Drehschieberpumpeist eine Vorvakuumpumpe, die am häufigsten eingesetzt wird. Diese Pumpe ist in einstufiger oder zweistufiger Ausführung erhältlich. Es ist möglich, direkt gegen den Atmosphärendruck zu pumpen. Der Drehschieber rotiert dabei mit circa 1.500 Umdrehungen pro Minute. Das Schöpfvolumen innerhalb der Pumpe ist mit Öl geschmiert und ein radial beweglicher Schieber befördert das Gas zum Auslassstutzen. Im Ofen wird ein Grobvakuum oder bestenfalls der Anfang des Feinvakuumbereichs erreicht.
Auf Anfrage können auch spezielle Pumpstände verwendet werden. Es ist beispielsweise möglich, komplett fettfreie Pumpstände zu adaptieren. Für Sonderanwendungen können beispielsweise Membran-, Kryo-, oder Ionengetterpumpen geliefert werden.
Unter dem Begriff Partialdruck versteht man einen definierten Gasstrom bei einem definierten Vakuumdruck im Ofen. Dazu ist eine Siemens SPS mit Durchflussmesser und einem einstellbaren Gasauslassventil erforderlich.
Der eingehende Gasfluss und -druck kann vom Bediener über die SPS eingestellt werden. Ein Durchflussmesser regelt den Gasfluss. Der erforderliche Vakuumdruck im Ofen wird über das Schließen und Öffnen eines Pneumatikventils vor der zweistufigen Drehschieberpumpe aufrechterhalten. Der Druck kann zwischen 10 und 1000 mbar eingestellt werden. Auf Wunsch können auch andere Pumpen zur Partialdruckregelung eingesetzt werden, was zu einem niedrigeren Druck während des Gasflusses führt. Zur Partialdruckregelung des Gases werden in der Regel ein- oder zweistufige Drehschieberpumpen eingesetzt.
Schematische Darstellung der Partialdruckanordnung in einem automatischen Ofen. Die Software stellt den Öffnungswinkel des pneumatisch angetriebenen Kugelhahns so ein, dass der vom Vakuummessgerät gemessene Druck während des Wärmebehandlungsprozesses aufrecht erhalten bleibt. Auf diese Weise können sowohl der Vakuumdruck als auch der Gasfluss vom Bediener über die SPS individuell eingestellt werden.
Für die meisten Öfen stehen mehrere Nachverbrennungslösungen zur Verfügung. Die sicherste Abgasbehandlung für Vakuum-Kammeröfen ist die aktive Nachverbrennung mit einer Methan- oder Propanflamme. Dazu empfehlen wir ein beheiztes Gasauslassrohr zwischen Ofen und Nachbrenner, um eine Kondensation der Verbrennungs- oder Pyrolysegase zu vermeiden. Dadurch wird ein minimaler Wartungsaufwand der Abgasanlage erreicht, was eine bequeme Lösung für die Produktion darstellt.
Bei nicht gasdichten Wärmeschränken und Öfen, ist die Qualität einer Schutzgasatmosphäre begrenzt. Die Atmosphäre in der Kammer wird durch das Spülen mit Schutzgas über einen optionalen Gaseinlass erreicht. Mit dieser Methode ist es nicht möglich den Sauerstoffgehalt beliebig weit zu reduzieren.
Die HTMA-Wärmeschränke bis 700 °C ermöglichen die Reduktion des Sauerstoffgehalts bis zu 50 ppm. Diese Wärmeschränke verfügen über eine gasdichte, vollnahtgeschweißte Innenkammer, zwei Nadelventile mit Durchflussmesser und ein Rückschlagventil als Gasauslassventil.
Für Standard-Kammeröfen CWF und Großraum-Kammeröfen GPC sind gasdichte metallische Retorten für den Betrieb bis 1150 °C, unter Atmosphärendruck erhältlich. Die metallische Retorte wird durch eine gasdichte Platte verschlossen. Gaseinlass und -auslass sind an der Vorderseite der Retorte leicht zugänglich. Ein Sauerstoffgehalt von 30ppm ist nach einer entsprechenden Spülzeit möglich. Der Kammerofen und die Retorte müssen gemeinsam bestellt werden, da der Ofen an die Retorte angepasst werden muss. Danach ist ein Einsatz mit und ohne Retorte gleichermaßen möglich.
Die metallische Retorte besteht aus einem flachen, abnehmbaren Deckel auf dem Retortenunterbau. Sie ist für Standard-Kammeröfen CWF und Großraum-Kammeröfen GPC erhältlich. Der Deckel liegt auf einer mit Zirkoniumoxidpulver gefüllten Nut auf. Gase können in geringer Menge durch die Nut entweichen. Gasein- und auslass werden durch die normale Ofentür nach außen geführt. Der Kammerofen und die Retorte müssen gemeinsam bestellt werden, da der Ofen an die Retorte angepasst werden muss. Danach ist ein Einsatz mit und ohne Retorte gleichermaßen möglich.
In diesem Standardofen wurden Siliziumkarbid-Schutzplatten angebracht, um die Heizelemente vor Ausgasungen von Proben zu schützen.
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