Kuidas on kohandatud kütteplaadid mõeldud mitte{0}}standardse kuju ja väljalõigete jaoks?

Tavalised ristkülikukujulised kütteplaadid ei sobi kõikidele rakendustele. Ebakorrapärase kujuga aukude, pilude või astmeliste pindadega plaate on tavaliselt vaja meditsiiniseadmete tööriistade, pooljuhtvahvlite padrunite ja spetsiaalsete pakkimisseadmete jaoks. Need keerulised geomeetriad on võimaldatud kohandatud disaini- ja valmistamistehnikatega. Vaja on kohandatud kujuga kütteplaadi konstruktsiooni, et see sobiks piiratud või ebakorrapärase kujuga sõlmedesse ja sobiks sobiva termilise profiiliga. Selles artiklis käsitleme mittestandardsete kütteplaatide tehnilist protsessi, kütteelementide valikut ja termilise ühtluse probleeme.

Kohandatud disainiprotsess: CAD-st valmis plaadini
Iga eritellimusel valmistatud kütteplaat algab CAD-mudeliga (arvuti{0}}abiga projekteerimine) soovitud kujuga kolmes mõõtmes. Mudel(id) sisaldavad kõiki lõikeid, läbivaid auke, vastuavasid, astmelisi pindu ja paigaldusfunktsioone. Projekteerimisprotsess toimub tavaliselt järgmistes etappides:

Geomeetria määratlus - Plaadi kontuur määratakse vastavalt paaritusseadmetele (nt vahvlipadrun, kuumpressiplaat või tihenduslõug).

Funktsioonide kaardistamine – mudelil on kõik takistused (poldiaugud, andurite pordid, vaakumkanalid, joondustihvtid).

Kütteelemendi paigutus - Kütteelement on paigutatud ümber funktsioonide, et tagada vajalik vattihedus ja termiline homogeensus.

Termiline simulatsioon - Lõplike elementide analüüsi (FEA) kasutatakse temperatuurijaotuse, kuumade või külmade kohtade hindamiseks.

Prototüüp ja valideerimine – Prototüüpplaat valmistatakse ja testitakse töötingimustes.

Eritellimusel valmistamisel on CAD-mudel põhidokument nii komponentide töötlemiseks kui ka marsruutimiseks. Plaadivormi muutused mõjutavad koheselt kütteelemendi kulgu.

Soojusallikate paigutamine mittestandardsetesse{0}}plaatidesse
Kohandatud -kujuliste plaatide valmistamiseks on kütteelementide abil saadaval kolm peamist võimalust. Otsuse määravad töötemperatuur, soovitud vattihedus ja plaadi paksus.

1. torukujulised küttekehad (soonega plaadid)
Keskmise -kuni-suure vattihedusega rakenduste (kuni 30 W/cm2) puhul on standardne meetod pideva soone töötlemine plaadi taga- või alumisse külge. Torukujuline kütteelement (metallist{5}}ümbrisega, tavaliselt Incoloy või roostevabast terasest väliskestaga) surutakse soonde sisse. CNC freesitud soonmuster piki plaadi kumerust, ilma lõigeteta.

Plussid:

Võimsusvõimsus on suur

Ühtlane soojusjaotus õigete vahedega soontega

Vahetatavad elemendid (korduvkasutatava plaadi jaoks)

Kaalutlused: *

Sooned ei saa läbida auke ega pilusid

Torukujulisel osal on minimaalne painderaadius (tavaliselt 3-5x toru läbimõõt), mis piirab järske sisenurki

2. Liimitud söövitatud fooliumist küttekehad (plaaditud pinnale)
Õhukeste plaatide puhul või kui on vaja kiiret temperatuurireaktsiooni, söövitatakse fooliumsoojendi ja liimitakse see plaadi pinnale. Fooliumelement (tavaliselt nikkel-kroom või vask-niklisulam) söövitatakse fotokeemiliselt spetsiifiliseks serpentiinmustriks, mis järgib plaadi kontuuri. Foolium lamineeritakse polüimiid- või silikoonkummikihtide vahele ja liimitakse plaadile survetundliku liimiga või mehaanilise klambriga.

Eelised:

Üliõhuke profiil (üldpaksus 0,5-1,5 mm)

Vältides täpselt väljalõikeid, saab graveerida keerukaid kujundusi

Madal termiline mass=kiire kuumutamine ja jahutamine

Kaalutlused:

Madalam maksimaalne temperatuur (200–250 kraadi polüimiidi puhul üldiselt)

Kõrge vibratsioon või temperatuuri tsüklid võivad põhjustada sideme purunemise

3. Paindlikud silikoonsoojendid (plaadi külge kinnitatud)
Väga ebakorrapärase 3D pinnaga plaatide puhul või kui soovitakse olemasolevaid komponente tagantjärele paigaldada, saab plaadi kuju järgi vormida painduva silikoonkummist küttekeha. Küttekeha on klaaskiuga tugevdatud silikoonkummist maatriks, millesse on integreeritud takistustraat või söövitatud foolium. Seejärel kinnitatakse see plaadile liimi või survega.

Plussid:

Kohandub kõverate, astmeliste või ebatasaste pindadega

Keerukate konstruktsioonide jaoks odav võrreldes töödeldud soontega

Paljudel rakendustel on hea keemiline vastupidavus

Mõtted:

Madalam maksimaalne temperatuur (tavaliselt 230 ° C)

Väiksem võimsustihedus (W/cm2<= 5, usually)

Võimalik, et selle kontakti hoidmiseks tuleb seda täiendavalt kinnitada.

Mittestandardsete geomeetriate -soojusühtluse probleemid
Tavalistel ristkülikukujulistel plaatidel on prognoositavad servakaod. Mitteregulaarne geomeetria, eriti sisemiste lõigete, väljaulatuvate sõrmede või gradueeritud paksustega, on termilise homogeensuse seisukohast keeruline.

Serva kadumise mõju
Kõik avatud pinnad kaotavad soojust ümbritsevale. Näiteks õhuke osa või kitsas väljaulatuv osa eraldab soojust kiiremini pinnaühiku kohta kui paks keskosa. Tulemuseks on külmad laigud peentel osadel ja kuumad kohad paksudel isoleeritud osadel. Väljalõiked (augud või pilud) lõhuvad juhtiva soojuskanali ja panevad soojuse voolama ümber ava. See võib põhjustada külma alasid otse väljalõike kõrval.

Optimeerimine lõplike elementide analüüsiga (FEA)
Kohandatud kujuga kütteplaatide projekteerimisetapis on vajalik termosimulatsioon FEA-ga. Simulatsioon lahendab soojusjuhtivuse võrrandi kogu plaadi geomeetria ulatuses ja võtab arvesse:

Ristlõike ja paksuse muutuja-

Soojuskaod keskkonnast (konvektsioon ja kiirgus)

Elemendi paigutuse lokaalne soojussisend

Plaadi materjali (nt alumiinium, vask või roostevaba teras) soojusjuhtivus

FEA mudel loob temperatuurikontuuri kaardi. Seejärel muudab disainer kütteelemendi vattihedust või vahekaugust, et kompenseerida oodatavaid jahedaid või kuumaid alasid. Näiteks võib elementide vahekaugus kitsastes osades või lõigete lähedal olla kitsam ja paksudes, kõrge isolatsiooniga piirkondades laiem.

Mõnikord kasutatakse mitut eraldi reguleeritavat küttetsooni. Võimalik on keskse auguga plaat, millel on sisemine ja välimine tsoon, mõlemal on oma temperatuuriandur ja kontroller. See võimaldab häiritud soojusvoogu täpselt kompenseerida.

Mittestandardsete kütteplaatide projekteerimise kaalutlused
Kohandatud kütteplaatide valmistamisel arvestage järgmiste teguritega:

Kaalutlused Standardlahendus
Plaadi materjal Alumiinium (kõrge soojusjuhtivus, lihtne töödelda) või vask (suurem juhtivus, raskem) Korrosioonikindel roostevaba teras, kuid nõuab suuremat elemendi tihedust, kuna juhtivus on vähenenud.
Max töötemperatuur Alumiinium on piiratud ~400 kraadiga (paljude sulamite puhul pehmenemine üle 200 kraadi). Incoloy või keraamilised plaadid kõrgemate temperatuuride jaoks
Väljalõigete suurus ja asend Kui väljalõiked eemaldavad rohkem kui 30% plaadi ristlõikest, tuleb kas kasutada täiendavat kuumutamist või on vaja ava ümber paksemaid osi.
Pinnakate PTFE või fluoropolümeeriga kaetud korrosioonikindluse tagamiseks karmides olukordades Anodeeritud alumiiniumplaadid kulumise ja elektriisolatsiooni parandamiseks
±1 kraadi või parem mitme-tsooni juhtimine ja FEA optimeerimine termilise ühtluse tagamiseks. Kohandatud soonmuster ühes-tsoonis võib saavutada rangemad tolerantsid (±5 kraadi).
Kokkupanek ja soojuspaisumine Plaadid on varustatud piludega aukude või ühilduvate alustega, mis võimaldavad plaadi ja ümbritsevate seadmete vahelist erinevat paisumist.
Materjalivalik: miks alumiinium on lemmik?
Kohandatud kütteplaadid on sageli valmistatud alumiiniumist (sulam 6061 või 7075). Põhjused, miks:

Kõrge soojusjuhtivus (~160-200 W/m·K) – aitab temperatuuri ühtlaselt jaotada.

Suurepärane töödeldavus - Keerulisi kujundeid, auke ja pilusid saab töödelda CNC-pinkidega suure täpsusega.

Kerge kaal - minimeerib seadmete mehaanilise koormuse.

madal hind võrreldes vase või spetsiaalsete sulamitega

Viimistletud alumiiniumplaat on saadaval karmide seadete jaoks PTFE-kattega või tugeva anodeerimisega. PTFE-katted on keemiliselt vastupidavad kuni 260 kraadi ja pakuvad mittenakkuvat pinda. Anodeeritud katted on elektriliselt isoleerivad ja kulumiskindlad, kuid mitte nii keemiliselt vastupidavad kui PTFE.

Copper plates are employed when remarkable homogeneity or rapid heat response is required but at a higher cost and weight (thermal conductivity ~380 W/m·K). Aluminum plates are used for general use, stainless steel plates are used for very high temperatures (>400 kraadi) või kohtadesse, kus alumiiniumi korrosioon ei ole vastuvõetav.

Praktiline näide: Keskse auguga kütteplaat
Mõelge pooljuhtvahvli padrunile kuumutusplaadile. Plaat on ümmargune, tsentraalse 50 mm läbimõõduga läbi-ava (vaakumjuurdepääs) ja nelja kinnituspiluga. Soovitatav padruni pinnatemperatuuri ühtlus on ±2 kraadi 150 kraadi juures.

Disaini lähenemine:

Keskne auk ja pilud on lõigatud alumiiniumist (6061) plaadile.

Torukujuline kütteseade on paigutatud spiraali kujul, mille spiraali raadius laieneb avast väljapoole. Ükski soontest ei ületa auku. Element lõpeb, seejärel algab teiselt poolt uuesti.

FEA simulatsioon näitab, et auku ümbritsev ala on 5 kraadi külmem kui välimine äär, kuna juhtivus ja kohalik konvektsioon ava kaudu on häiritud.

Selle kompenseerimiseks tõstetakse elemendi vattihedust kahes sisemises spiraalpöördes, kasutades väiksema läbimõõduga toru, millel on suurem takistus meetri kohta, või lisades sisemise piirkonna jaoks teise sõltumatu küttetsooni.

Ava serva lähedale on sisestatud termopaar ja sekund välisraadiuses. Kahe-tsooni kontroller juhib sisemist ja välimist tsooni eraldi.

Valmis plaat on PTFE{0}}kattega, et vältida protsessigaaside keemilist rünnakut.

Kokkuvõte
Kohandatud-kujulised kütteplaadid võivad täpselt termiliselt hallata konkreetseid seadmeid, mis ei sobi tüüpiliste ristkülikukujuliste kujundustega. Disainiprotsess algab CAD-mudeliga, millel on kõik-väljalõiked ja funktsioonid. Kütteelementide integreerimine on võimalik läbi torukujuliste küttekehade, söövitatud fooliumide või painduvate silikoonküttekehade, millel kõigil on oma eelised. Üks olulisi väljakutseid mitte-standardsete konstruktsioonide puhul on termiline ühtlus ning FEA simulatsiooni kasutatakse elementide asukoha ja vattiheduse jaotuse parandamiseks. Levinuim plaadimaterjal on alumiinium, mis on tavaliselt korrosioonikindluse tagamiseks kaetud PTFE-ga. Kohandatud projekteerimine ületab lõhe standardtoodete ja ainulaadsete protsessinõuete vahel. Hästi kavandatud kohandatud kujuga kuumutusplaadi disain tagab usaldusväärse, homogeense soojuse kuni keerukate geomeetriateni, alates meditsiinilistest tööriistadest kuni pooljuhtpadruniteni.