Kaip pritaikytos šildymo plokštės skirtos ne{0}}standartinėms formoms ir išpjovoms?

Standartinės stačiakampės šildymo plokštės netinka visoms reikmėms. Netaisyklingos formos plokštės su skylutėmis, plyšiais arba laiptuotais paviršiais paprastai reikalingos medicinos prietaisų įrankiams, puslaidininkiniams plokšteliniams griebtuvams ir specialiai pakavimo įrangai. Šias sudėtingas geometrijas įgalina pritaikyti projektavimo ir gamybos būdai. Reikia individualios formos šildymo plokštės dizaino, kad tilptų į suvaržytas arba netaisyklingos formos mazgus ir atitiktų atitinkamą šiluminį profilį. Šiame straipsnyje aptarsime nestandartinių kaitinimo plokščių inžinerinį procesą, kaitinimo elementų pasirinkimą ir šiluminio vienodumo problemas.

Individualizuoto projektavimo procesas: nuo CAD iki baigtos plokštės
Kiekviena pagal užsakymą pagaminta šildytuvo plokštė prasideda nuo CAD (kompiuterinio{0}}projektavimo) modelio, kurio trijų matmenų norima forma. Modelis (-iai) apima visus pjūvius, kiaurymes, įdubas, pakopinius paviršius ir tvirtinimo ypatybes. Projektavimo procesas paprastai vyksta šiais etapais:

Geometrijos apibrėžimas - Plokštės kontūras nurodomas atsižvelgiant į sujungimo įrangą (pvz., vaflinį griebtuvą, karšto presavimo plokštelę arba sandarinimo žandikaulį).

Funkcijų atvaizdavimas – modelis turi visas kliūtis (varžtų skyles, jutiklių prievadus, vakuuminius kanalus, išlyginimo kaiščius).

Šildymo elemento išdėstymas - Šildymo elementas nukreipiamas aplink elementus, kad būtų užtikrintas reikiamas vatų tankis ir šiluminis homogeniškumas.

Terminis modeliavimas - Baigtinių elementų analizė (FEA) naudojama temperatūros pasiskirstymui, karštoms arba šaltoms dėmėms įvertinti.

Prototipas ir patvirtinimas – Prototipo plokštė pagaminta ir išbandyta darbo sąlygomis.

Gaminant pagal užsakymą, CAD modelis yra pagrindinis komponentų apdirbimo ir maršruto dokumentas. Plokštės formos pokyčiai iš karto įtakoja kaitinimo elemento eigą.

Šilumos šaltinių talpinimas ne{0}}standartinėse plokštėse
Galimi trys pagrindiniai būdai, kaip naudoti kaitinimo elementus, kad būtų galima gaminti pasirinktines{0}}formos plokštes. Sprendimą lemia darbinė temperatūra, norimas vatų tankis ir plokštės storis.

1. vamzdiniai šildytuvai (plokštės su grioveliais)
Vidutinio{0}}–-didelio vatų tankio (iki 30 W/cm2) atveju standartinis metodas yra ištisinis griovelis plokštės galinėje arba apatinėje pusėje. Vamzdinis kaitinimo elementas (metalinis{5}}apvalkalas, paprastai su Incoloy arba nerūdijančio plieno išoriniu apvalkalu) įkišamas į griovelį. CNC frezuotas griovelio raštas išilgai plokštės išlinkimo, be įpjovimų.

Privalumai:

Galios talpa didelė

Tolygus šilumos paskirstymas tinkamai išdėstytais grioveliais

Keičiami elementai (daugkartinei plokštei)

Pasvarstymai: *

Grioveliai negali eiti per skylutes ar plyšius

Vamzdinė dalis turi minimalų lenkimo spindulį (paprastai 3-5x vamzdžio skersmuo), kuris riboja staigius vidinius kampus

2. Priklijuoti ėsdintos folijos šildytuvai (prie padengto paviršiaus)
Plonoms plokštėms arba kai reikalingas greitas temperatūros atsakas, folijos šildytuvas yra išgraviruotas ir pritvirtinamas prie plokštės paviršiaus. Folijos elementas (dažniausiai nikelio -chromas arba vario -nikelio lydinys) fotochemiškai išgraviruotas į specifinį serpentino raštą, kuris atitinka plokštės kontūrą. Folija laminuojama tarp poliimido arba silikoninės gumos sluoksnių ir priklijuojama prie plokštės slėgiui jautriais klijais arba mechaniniu spaustuku.

Privalumai:

Itin plonas profilis (bendras storis 0,5–1,5 mm)

Tiksliai išvengiant išpjovų, galima išgraviruoti sudėtingus dizainus

Maža šiluminė masė=greitas kaitinimas ir vėsinimas

Svarstymai:

Žemesnė maksimali temperatūra (paprastai poliimidui 200–250 laipsnių)

Dėl didelės vibracijos arba temperatūros svyravimų ryšys gali nutrūkti

3. Lankstūs silikoniniai šildytuvai (priklijuoti prie plokštės)
Plokštėms su labai netaisyklingais 3D paviršiais arba kai norima modifikuoti esamus komponentus, lankstus silikoninės gumos šildytuvas gali būti suformuotas pagal plokštės formą. Šildytuvas yra stiklo pluoštu sustiprinta silikoninės gumos matrica su atsparia viela arba išgraviruota folija. Tada jis priklijuojamas prie plokštės klijais arba suspaudimu.

Privalumai:

Prisitaiko prie lenktų, laiptuotų ar nelygių paviršių

Pigus sudėtingoms konstrukcijoms, palyginti su apdirbtais grioveliais

Daugelis programų turi gerą cheminį atsparumą

Mintys:

Žemesnė maksimali temperatūra (paprastai 230 laipsnių C)

Mažesnis galios tankis (W/cm2<= 5, usually)

Gali prireikti papildomai prispausti, kad išlaikytų ryšį.

Nestandartinių geometrijų šiluminio vienodumo- problemos
Įprastos stačiakampės plokštės turi nuspėjamus kraštų nuostolius. Netaisyklingos geometrijos, ypač su vidiniais pjūviais, išsikišusiais pirštais ar graduotais storiais, yra sudėtingas terminio homogeniškumo požiūriu.

Krašto praradimo poveikis
Visi atviri paviršiai praranda šilumą aplinkai. Pavyzdžiui, plona dalis arba siaura iškyša greičiau išskirs šilumą ploto vienetui nei stora centro sritis. Rezultatas yra šaltos dėmės ties smulkiais bruožais ir karštos dėmės storose, izoliuotose dalyse. Išpjovos (skylės arba plyšiai) sulaužo laidų šilumos kanalą ir priverčia šilumą tekėti aplink angą. Dėl to šalia išpjovos gali atsirasti šaltų vietų.

Optimizavimas naudojant baigtinių elementų analizę (FEA)
Šiluminis modeliavimas su FEA reikalingas individualios formos šildymo plokščių projektavimo etape. Modeliavimas išsprendžia šilumos laidumo lygtį visoje plokštės geometrijoje ir atsižvelgia į:

Skerspjūvio ir storio kintamasis-

Šilumos nuostoliai iš aplinkos (konvekcija ir radiacija)

Lokalizuotas elementų išdėstymo šilumos įėjimas

Plokštės medžiagos (pvz., aliuminio, vario arba nerūdijančio plieno) šilumos laidumas

FEA modelis sukuria temperatūros kontūro žemėlapį. Tada dizaineris pakeis vatų tankį arba atstumą tarp šildymo elemento, kad kompensuotų vėsias ar karštas zonas, kurių tikimasi. Pavyzdžiui, atstumas tarp elementų gali būti mažesnis siaurose vietose arba šalia įpjovimų, o platesnis storose, labai izoliuotose vietose.

Kartais naudojamos kelios atskirai reguliuojamos šildymo zonos. Galima turėti plokštę su centrine anga, kuri turi vidinę ir išorinę zoną, kiekviena su savo temperatūros jutikliu ir valdikliu. Tai leidžia tiksliai kompensuoti sutrikusį šilumos srautą.

Nestandartinių šildymo plokščių projektavimo svarstymai
Gamindami individualias šildymo plokštes, atsižvelkite į šiuos veiksnius:

Svarstymai Standartinis sprendimas
Plokštės medžiaga Aliuminis (didelis šilumos laidumas, lengvas apdirbimas) arba varis (didesnis laidumas, sunkesnis) Atsparus korozijai nerūdijantis plienas, tačiau dėl sumažėjusio laidumo reikalingas didesnis elemento tankis.
Maks. darbinė temperatūra Aliuminis ribojamas iki ~400 laipsnių (daugelio lydinių minkštėjimas virš 200 laipsnių). Incoloy arba keraminės plokštės aukštesnėms temperatūroms
Išpjovos dydis ir padėtisJei išpjovos pašalina daugiau nei 30 % plokštės skerspjūvio-, reikia naudoti papildomą šildymą arba reikia storesnių dalių aplink angą.
Paviršiaus danga PTFE arba fluoropolimeras, padengtas atsparumu korozijai sunkiose situacijose Anoduotos aliuminio plokštės, skirtos susidėvėjimui ir elektros izoliacijai pagerinti
±1 laipsnis arba geresnis kelių zonų valdymas ir FEA optimizavimas, kad būtų užtikrintas šiluminio tolygumo poreikis. Pritaikius tinkintą griovelio modelį vienoje-zonoje, galima pasiekti didesnių nuokrypių (±5 laipsniai).
Surinkimas ir šiluminis plėtimasis Plokštelėse yra įpjovos skylės arba suderinami laikikliai, kad būtų galima diferencijuoti plokštės ir aplinkinės įrangos plėtimąsi.
Medžiagos pasirinkimas: kodėl aliuminis yra mėgstamiausias
Individualizuotos šildymo plokštės dažnai gaminamos iš aliuminio (6061 arba 7075 lydinio). Priežastys, kodėl:

Didelis šilumos laidumas (~160-200 W/m·K) – padeda tolygiai paskirstyti temperatūrą.

Puikus apdirbamumas - Sudėtingos formos, skylės ir plyšiai gali būti apdirbami CNC staklėmis labai tiksliai.

Lengvas svoris - sumažina mechaninę įrangos apkrovą.

maža kaina, palyginti su vario ar specializuotų lydinių

Užbaigta aliuminio plokštę galima įsigyti su PTFE danga arba stipriu anodavimu atšiauriems nustatymams. PTFE dangos yra chemiškai atsparios iki 260 laipsnių ir pasižymi nepridegančiu paviršiumi. Anoduotos dangos yra elektriškai izoliuojančios ir atsparios dilimui, bet ne tokios atsparios chemiškai kaip 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 laipsnių) arba vietose, kur aliuminio korozija yra nepriimtina.

Praktinis pavyzdys: Šildymo plokštė su centrine anga
Pagalvokite apie kaitlentę puslaidininkiniam griebtuvui. Plokštė yra apvali, su centrine 50 mm skersmens skyle (vakuuminė prieiga) ir keturiomis tvirtinimo angomis. Rekomenduojamas griebtuvo paviršiaus temperatūros vienodumas yra ±2 laipsniai esant 150 laipsnių.

Dizaino metodas:

Centrinė anga ir plyšiai išpjauti aliuminio (6061) plokštelėje.

Vamzdinis šildytuvas yra išdėstytas spirale, o spiralės spindulys plečiasi į išorę nuo skylės. Nė vienas iš griovelių nekerta skylės. Elementas baigiasi, tada vėl prasideda kitoje pusėje.

FEA modeliavimas rodo, kad aplink skylę esantis plotas yra 5 laipsniais šaltesnis nei išorinis kraštas dėl sutrikusio laidumo ir vietinės konvekcijos per skylę.

Norėdami kompensuoti, elemento vatų tankis padidinamas dviejuose vidiniuose spiraliniuose posūkiuose, naudojant mažesnio skersmens vamzdį, kurio atsparumas vienam metrui didesnis, arba pridedant antrą nepriklausomą vidinės srities šildymo zoną.

Netoli skylės krašto įkišama termopora, o antroji - išoriniame spinduliu. Dviejų-zonų valdiklis valdo vidinę ir išorinę zonas atskirai.

Užbaigta plokštė yra padengta PTFE{0}}, kad būtų išvengta cheminio proceso dujų atakos.

Santrauka
Individualios -formos šildymo plokštės gali tiksliai termiškai valdyti konkrečią įrangą, kuri negali pritaikyti tipiškų stačiakampių dizainų. Projektavimo procesas prasideda nuo CAD modelio su visomis -išpjovomis ir funkcijomis. Šildymo elementus galima integruoti naudojant vamzdinius šildytuvus, išgraviruotas folijas arba lanksčius silikoninius šildytuvus, kurie turi savų pranašumų. Vienas iš svarbių iššūkių ne-standartinių konstrukcijų atveju yra terminis vienodumas, o FEA modeliavimas naudojamas elementų vietai ir vatų tankio pasiskirstymui pagerinti. Labiausiai paplitusi plokščių medžiaga yra aliuminis, kuris paprastai yra padengtas PTFE, kad būtų atsparus korozijai. Individualiai pritaikyta inžinerija užpildo atotrūkį tarp standartinių gaminių ir unikalių proceso reikalavimų. Gerai suprojektuotos individualios formos šildymo plokštės konstrukcija užtikrina patikimą, vienodą šilumą iki sudėtingų geometrijų, nuo medicininių įrankių iki puslaidininkinių griebtuvų.