Sistema a ultra alto vuoto (UHV)

Panoramica
Le seguenti opzioni sono quelle più comuni ed utilizzate con atmosfere speciali e alto vuoto:

• Atmosfera di gas inerte completamente controllata in forni a camera per utilizzo in vuoto
• Opzione gas reattivi (H2, CO, CO2, H2S, H2O, CH4 & C2H4 e altri su richiesta)
• Opzioni di pompe a vuoto
• Opzione di pressione parziale
• Opzione di post combustore (termale, catalitico o con fiamma attiva del gas propano)
• Atmosfera modificata con storte metalliche nei forni a camera standard
• Piastrelle in SiC per la protezione degli elementi nei forni a camera standard

1. Atmosfera di gas inerte completamente controllata
I forni a camera per utilizzo in vuoto (es. GLO, LHT, HTK, HBO, HTBL, V-L) sono dotati di sistemi di controllo del gas inerte. Sono disponibili controlli semi-automatici con misuratori di portata o controlli completamente automatizzati tramite PLC con touchscreen e misuratori di portata massica. Tutti i forni a camera per utilizzo in vuoto hanno controllo del gas inerte; si possono aggiungere controlli gas opzionali e l'intera gamma di pompe opzionali per vuoto (pompe rotative, Roots, diffusione, turbomolecolari), a seconda dell'applicazione.

2. Opzione gas reattivi
Tutti i forni a camera per utilizzo in vuoto possono essere modificati per funzionare in sicurezza con H2, CO, CO2, H2S, H2O, CH4, C2H4 e altri gas su richiesta. Un forno con gas reattivi è in genere completamente automatizzato e dotato di:

• Controllo SIEMENS S7-300 (TP1900 o WinCC)
• Installazione per gas inerte (es. azoto o argon) controllati da MFC (controller di flusso di massa)
• Installazione per gas reattivo controllato da MFC
• Sensore del gas reattivo
• Postcombustore attivo per combustione sicura
• Serbatoio di spurgo di sicurezza
• Conformità alle norme di sicurezza (es. SIL 2 per parti relative alla sicurezza)

Per sicurezza la fornitura di gas è progettata secondo EN 746-3: il forno deve essere privo di ossigeno atmosferico prima del riscaldamento e dell'introduzione di gas combustibili; tutti gli stati di sicurezza sono monitorati e in caso di pericolo vengono avviate contromisure (es. spurgo con gas inerte immagazzinato).

3. Opzioni di pompe a vuoto
Quattro diverse tecnologie di pompe consentono di raggiungere diversi livelli di vuoto; il livello finale dipende anche da materiali introdotti, pulizia, degassamento dei campioni e tasso di perdita del forno. Le pompe descritte includono:

• Pompa turbomolecolare: rotori ad alta velocità (>90.000 rpm), usata con pompa di pre-vuoto per vuoto elevato/altissimo; rimuove idrocarburi pesanti e mantiene purezza dell'atmosfera
• Pompe a diffusione: senza parti mobili, basate su vapore d'olio evaporato; possono lasciare tracce di olio nella camera
• Pompa Roots: per vuoto fine, necessita di pompa di pre-vuoto; camera non lubrificata
• Pompa rotativa (pompa di pre-vuoto): singola o doppia stadio, camera lubrificata con olio, utilizzata per evacuazione iniziale

Su richiesta si possono configurare pompe speciali (senza lubrificazione, a membrana, criopompe, pompe ioniche, ecc.). Per forni ad alto vuoto è sempre richiesto lo spurgo con gas inerte e minimizzare il tempo di apertura per ridurre contaminazione atmosferica.

4. Opzione di pressione parziale
La pressione parziale consente un flusso di gas definito a una pressione di vuoto prefissata all'interno del forno. Richiede PLC Siemens con regolatore di flusso di massa e valvola di uscita regolabile. Il flusso e la pressione in ingresso sono regolabili dall'operatore tramite PLC; una valvola pneumatica davanti alla pompa rotativa mantiene la pressione richiesta. La pressione può essere impostata tra 10 e 1000 mbar; su richiesta si possono utilizzare altre pompe per controllo parziale della pressione.

5. Opzione di post combustore
Sono disponibili soluzioni di postcombustori (termale, catalitico o con fiamma attiva di metano/propano) per il trattamento sicuro dei gas di scarico. Per i forni a camera in vuoto il postcombustore attivo con fiamma è la soluzione consigliata; si suggerisce un tubo di uscita gas riscaldato tra forno e postcombustore per evitare condensazione e ridurre le esigenze di sistema di scarico.

6. Atmosfera modificata con storte metalliche
Per forni non a tenuta di gas o forni a camera l'uso di atmosfere modificate è limitato. Tramite spurgo con gas inerte la concentrazione di ossigeno può essere ridotta (es. forni HTMA standard fino a 700°C possono raggiungere ~50 ppm O2). Sono disponibili storte metalliche a tenuta per forni CWF e GPC fino a 1150°C (pressione atmosferica) che consentono livelli di ossigeno fino a ~30 ppm; la storta è sigillata da una porta isolata removibile e i collegamenti gas sono accessibili frontalmente. Storta e forno devono essere ordinati insieme poiché il forno viene modificato per l'uso con la storta.

7. Piastrelle in SiC per protezione degli elementi
Piastrelle in carburo di silicio possono essere montate nei forni standard per proteggere gli elementi riscaldanti dal degassamento dei campioni.

Esempi
La pagina riporta esempi di applicazioni e forni specifici (es. forno HTK conformità EN 746-3 e SIL2 per funzionamento fino al 100% di idrogeno fino a 2200°C; forno tubolare HTRH per idrogeno fino a 1800°C; modelli GPCMA con storta per debinding e sinterizzazione; forni tubolari AZ con turbopompa opzionale; HZS 12/600 con opzione turbopompa e controllo gas).

Caratteristiche / Specifiche tecniche

• Sistemi di controllo: PLC Siemens S7-300, TP1900, WinCC
• Controller gas: MFC (mass flow controllers) per gas inerti e reattivi
• Conformità norme: EN 746-3 per sicurezza gas; parti di sicurezza conformi a SIL 2
• GAS supportati: gas inerti (es. N2, Ar); gas reattivi H2, CO, CO2, H2S, H2O, CH4, C2H4; possibilità di altri gas su richiesta
• Pompe disponibili: turbomolecolari, pompe a diffusione, pompe Roots, pompe rotative di pre-vuoto; opzioni speciali su richiesta (pompe a membrana, criopompe, pompe ioniche)
• Controllo pressione parziale: range tipico 10–1000 mbar
• Livelli di ossigeno ottenibili: esempio HTMA fino a 700°C ≈ 50 ppm; storta metallica CWF/GPC fino a 1150°C ≈ 30 ppm
• Esempi di temperature massime indicate in esempi: fino a 2200°C (HTK con H2), 1800°C (HTRH operazione con H2), 1350°C (AZ tubolare), HZS 12/600 come forno tubolare standard
• Accessori: postcombustori (termale/catalitico/fiamma), tubi di scarico riscaldati, piastrelle in SiC