vortrag hightemp furnaces

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German-Japanese Joint Symposium, Freiberg, 20. - 21. July 2015 Volker Uhlig, Hendrik Richter and Uwe Lohse: High temperature furnaces made from graphite materials Dr. Volker Uhlig TU Bergakademie Freiberg Institute of Thermal Engineering Gustav-Zeuner-Straße 7 D-09599 Freiberg Dr. Uwe Lohse, Dr. Hendrik Richter XERION Ofentechnik GmbH Freiberg Halsbrücker Straße 34 D-09599 Freiberg

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Camaras de vacio Diseño de resistencia de calentadores.

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Page 1: Vortrag Hightemp Furnaces

German-Japanese Joint Symposium, Freiberg, 20. - 21. July 2015

Volker Uhlig, Hendrik Richter and Uwe Lohse:

High temperature furnaces made from graphite materials

Dr. Volker Uhlig

TU Bergakademie Freiberg

Institute of Thermal Engineering

Gustav-Zeuner-Straße 7

D-09599 Freiberg

Dr. Uwe Lohse, Dr. Hendrik Richter

XERION Ofentechnik GmbH Freiberg

Halsbrücker Straße 34

D-09599 Freiberg

Page 2: Vortrag Hightemp Furnaces

2 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

09596 Freiberg I Telefonnummer: 03731 / 39-2177 I www.tu-freiberg.de I Dr.-Ing. Volker Uhlig I German-Japanese Symposium

2

Outline

1. Vacuum in graphite furnaces

2. Design of resistance heaters

3. Furnaces for special applications

Page 3: Vortrag Hightemp Furnaces

3 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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1. Vacuum in graphite furnaces

Page 4: Vortrag Hightemp Furnaces

4 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Temperatures: up to 2000 °C

Atmosphere: N2, Ar, H2

Pressure: 10-3 mbar to1000 mbar

Vacuum: Analysis of residual gas by

quadrupole mass spectrometer

Graphite furnaces for vacuum and protective gases -

analysis of (residual) gas

Page 5: Vortrag Hightemp Furnaces

5 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Vacuum furnaces - analysis of residual gas

Results

Page 6: Vortrag Hightemp Furnaces

6 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Analysis of residual gas - applications

• Degassing behavior of (new) materials

• Testing of furnaces (air leakage, water leakage)

• Testing of gas supply systems

• Process quality

• Materials research

Page 7: Vortrag Hightemp Furnaces

7 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Analysis of residual gas - applications

Degassing behavior of materials

Page 8: Vortrag Hightemp Furnaces

8 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Comparison of results in residual gas analysis

Partial pressure from 1 to 100 amu

Comparison of the spectra:

- Identical temperature time cycle

- Difference between two measurements of partial pressure

- Scaling to valur of reference cylce

pi - Partial pressure of molecular mass i

x - Sample

0 - Empty furnace

Condition: Comparable pressure ranges!

)0(p

)0(p)x(pp

i

iii,rel

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9 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Degassing of insulation material -

Hydrocarbon fragments C1…C3

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Degassing of insulation material

Cyclic hydrocarbons

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2. Design of resistance heaters

Page 12: Vortrag Hightemp Furnaces

12 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Design of resistance heaters

Basics: Surface load: < 20 W/cm²

Current density: < 5 A/mm²

Page 13: Vortrag Hightemp Furnaces

13 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Design of resistance heaters

3-phase short circuit ring Meander heater

Design similar, wiring scheme different equal quality of solution ?

XERION ADVANCED HEATING

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14 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 100 200 300 400

Voltage / V

Height of heater / mm

3 phase heater with short circuit ring

XERION ADVANCED HEATING

Page 15: Vortrag Hightemp Furnaces

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Meander heater - power concentration in u-bends

Text

Version 1 Version 2

Version 4 Version 3

Equal thickness

Equal colour = equal power density

XERION ADVANCED HEATING

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Wiring scheme delta current

1,7 I

1 I

0,5 I

XERION ADVANCED HEATING

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3. Furnaces for special applications

XERION ADVANCED HEATING

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6 phase heater with short circuit ring

XERION ADVANCED HEATING

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Graphite furnace for

chemical vapour deposition processes XERION ADVANCED HEATING

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Multi-zone furnace with

carbon fiber reinforced carbon heaters

XERION ADVANCED HEATING

Page 21: Vortrag Hightemp Furnaces

21 TU Bergakademie Freiberg I Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik | Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen I Gustav-Zeuner-Str. 7

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Hot pressing furnace

Furnace integrated in a press frame

6 phase heating

XERION ADVANCED HEATING

Page 22: Vortrag Hightemp Furnaces

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Graphite furnaces for high vacuum applications

Radiation shields: Carbon fiber reinforced carbon

XERION ADVANCED HEATING

Page 23: Vortrag Hightemp Furnaces

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Split furnace for material testing

XERION ADVANCED HEATING

Page 24: Vortrag Hightemp Furnaces

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09596 Freiberg I Telefonnummer: 03731 / 39-2177 I www.tu-freiberg.de I Dr.-Ing. Volker Uhlig I German-Japanese Symposium

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Split furnace for material testing

XERION ADVANCED HEATING

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Split furnace for material testing XERION ADVANCED HEATING

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Thank you for your attention ! XERION ADVANCED HEATING