صفحات گرمایش سفارشی برای اشکال و برش‌های غیر استاندارد چگونه- طراحی می‌شوند؟

صفحات گرمایش مستطیلی استاندارد برای همه کاربردها مناسب نیستند. صفحات نامنظم با سوراخ‌ها، شکاف‌ها یا سطوح پلکانی معمولاً برای ابزار ابزار پزشکی، ویفر چاک‌های نیمه‌رسانا و تجهیزات بسته‌بندی تخصصی مورد نیاز هستند. این هندسه های پیچیده با تکنیک های طراحی و ساخت سفارشی فعال می شوند. یک طراحی صفحه گرمایشی با شکل سفارشی برای قرار گرفتن در مجموعه‌های محدود یا نامنظم و برای قرار دادن مشخصات حرارتی مناسب مورد نیاز است. در این مقاله فرآیند مهندسی، انتخاب عنصر گرمایش و مسائل یکنواختی حرارتی صفحات گرمایشی غیر استاندارد-را پوشش خواهیم داد.

فرآیند طراحی سفارشی: CAD به صفحه نهایی
هر صفحه بخاری سفارشی با یک مدل CAD (-طراحی به کمک رایانه) در سه بعدی شکل دلخواه شروع می شود. مدل(ها) شامل تمام برش ها، سوراخ ها، سوراخ ها، سطوح پلکانی و ویژگی های نصب است. فرآیند طراحی معمولاً در مراحل زیر انجام می شود:

تعریف هندسه - کانتور صفحه با توجه به تجهیزات جفت گیری مشخص می شود (به عنوان مثال یک ویفر چاک، یک صفحه پرس داغ یا یک فک آب بندی).

نقشه برداری از ویژگی ها - مدل دارای تمام موانع است (سوراخ های پیچ، پورت های حسگر، کانال های خلاء، پین های تراز).

چیدمان عنصر گرمایش - عنصر گرمایش در اطراف ویژگی‌ها قرار می‌گیرد تا چگالی وات لازم و همگنی حرارتی را فراهم کند.

شبیه‌سازی حرارتی - تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA) برای تخمین توزیع دما، نقاط گرم یا سرد استفاده می‌شود.

نمونه اولیه و اعتبار سنجی - یک صفحه نمونه اولیه در شرایط کاری ساخته و آزمایش می شود.

در ساخت سفارشی، مدل CAD سند اصلی برای ماشینکاری و مسیریابی قطعات است. تغییرات شکل صفحه بلافاصله بر روند عنصر گرمایش تأثیر می گذارد.

قرار دادن منابع گرما در صفحات غیر استاندارد
سه راه اصلی با استفاده از عناصر گرمایش برای ساخت صفحات سفارشی-شکل موجود است. این تصمیم توسط دمای عملیاتی، چگالی وات مورد نظر و ضخامت صفحه تعیین می شود.

1. بخاری های لوله ای (صفحات شیاردار)
برای برنامه‌های کاربردی با تراکم وات متوسط-تا- (تا 30 وات بر سانتی‌متر مربع) یک روش استاندارد این است که یک شیار پیوسته در قسمت پشت یا پایین صفحه ماشین‌کاری شود. یک عنصر حرارتی لوله‌ای (فلز{5}}روکش شده، عموماً با روکش بیرونی Incoloy یا فولاد ضد زنگ) وارد شیار می‌شود. الگوی شیار آسیاب شده CNC در امتداد انحنای صفحه، بدون برش.

جوانب مثبت:

ظرفیت برق بالاست

توزیع یکنواخت گرما با شیارهایی با فاصله مناسب

عناصر قابل تعویض (برای صفحه قابل استفاده مجدد)

ملاحظات: *

شیارها نمی توانند از سوراخ ها یا شکاف ها عبور کنند

قسمت لوله‌ای دارای حداقل شعاع خمشی (معمولاً 3-5 برابر قطر لوله) است که گوشه‌های داخلی ناگهانی را محدود می‌کند.

2. بخاری های فویل اچ شده (به سطح آبکاری شده)
برای صفحات نازک یا در مواقعی که به واکنش سریع دما نیاز است، یک بخاری فویل حکاکی شده و به سطح صفحه چسبانده می شود. عنصر فویل (معمولاً نیکل-کروم یا مس-آلیاژ نیکل) از نظر فتوشیمیایی در یک الگوی مارپیچ خاصی که از خطوط صفحه پیروی می‌کند، حک می‌شود. فویل بین لایه‌های پلی‌آمید یا لاستیک سیلیکونی لمینت می‌شود و با چسب حساس به فشار{4} یا گیره مکانیکی روی صفحه می‌چسبد.

مزایا:

پروفایل بسیار نازک (ضخامت کلی 0.5-1.5 میلی متر)

با اجتناب از بریدگی دقیقاً می توان طرح های پیچیده را حکاکی کرد

جرم حرارتی کم=گرمایش و سرمایش سریع

ملاحظات:

حداکثر دمای پایین تر (200-250 درجه برای پلی آمید به طور کلی)

چرخه ارتعاش یا دمای بالا ممکن است باعث شکسته شدن پیوند شود

3. بخاری های سیلیکونی انعطاف پذیر (به صفحه چسبانده شده است)
در مورد صفحاتی با سطوح سه بعدی بسیار نامنظم یا در مواردی که نیاز به مقاوم سازی اجزای موجود است، می توان یک بخاری لاستیکی سیلیکونی انعطاف پذیر را به شکل صفحه قالب گیری کرد. بخاری یک ماتریس لاستیکی سیلیکونی تقویت شده با فایبرگلاس است که یک سیم مقاومتی یا فویل حکاکی شده در آن تعبیه شده است. سپس توسط چسب یا فشرده سازی به صفحه می چسبد.

جوانب مثبت:

سازگار با سطوح منحنی، پلکانی یا ناهموار

ارزان برای طرح های پیچیده در مقایسه با شیارهای ماشین کاری شده

بسیاری از کاربردها مقاومت شیمیایی خوبی دارند

افکار:

حداکثر دمای پایین تر (به طور کلی 230 درجه سانتیگراد)

چگالی توان کمتر (W/cm2<= 5, usually)

ممکن است نیاز به بستن بیشتر باشد تا در تماس بماند.

مشکلات یکنواختی حرارتی هندسه‌های غیر استاندارد-
صفحات مستطیلی معمولی تلفات لبه قابل پیش بینی دارند. هندسه‌های غیر منظم، به‌ویژه با برش‌های داخلی، انگشتان برجسته یا ضخامت‌های مدرج از نظر همگنی حرارتی چالش برانگیز هستند.

تاثیر از دست دادن لبه
تمام سطوح در معرض حرارت از دست دادن گرما به محیط اطراف. به عنوان مثال یک قسمت نازک یا یک برجستگی باریک گرما را در واحد سطح سریعتر از یک ناحیه مرکزی ضخیم می ریزد. نتیجه لکه های سرد در قسمت های ظریف و نقاط داغ در بخش های ضخیم و عایق شده است. برش ها (سوراخ ها یا شکاف ها) کانال حرارتی رسانا را می شکنند و باعث جریان گرما در اطراف دهانه می شوند. این می تواند باعث ایجاد مناطق سرد در کنار بریدگی شود.

بهینه سازی با تحلیل المان محدود (FEA)
شبیه سازی حرارتی با FEA در مرحله طراحی صفحات گرمایشی با شکل سفارشی مورد نیاز است. شبیه سازی معادله هدایت گرما را در سراسر هندسه صفحه حل می کند و در نظر می گیرد:

متغیر مقطع-و ضخامت

تلفات حرارتی از محیط اطراف (همرفت و تشعشع)

ورودی گرمای موضعی آرایش المنت

هدایت حرارتی مواد صفحه (مانند آلومینیوم، مس یا فولاد ضد زنگ)

مدل FEA یک نقشه کانتور دما را تولید می کند. سپس طراح چگالی وات یا فاصله عنصر گرمایش را تغییر می‌دهد تا مناطق سرد یا گرم مورد انتظار را جبران کند. برای مثال، فاصله عناصر ممکن است در قسمت‌های باریک یا نزدیک برش‌ها تنگ‌تر و در مناطق ضخیم و بسیار عایق‌شده گسترده‌تر باشد.

گاهی اوقات، چندین منطقه گرمایش تنظیم شده جداگانه استفاده می شود. می توان صفحه ای با سوراخ مرکزی داشت که دارای یک ناحیه داخلی و یک ناحیه بیرونی است که هر کدام سنسور و کنترل کننده دمای خود را دارند. این اجازه می دهد تا جریان گرمای مختل به طور دقیق جبران شود.

ملاحظات طراحی برای صفحات گرمایش غیر استاندارد
هنگام تولید صفحات گرمایش سفارشی، عوامل زیر را در نظر بگیرید:

ملاحظات راه حل استاندارد
مواد صفحه آلومینیوم (رسانایی حرارتی بالا، ماشینکاری آسان) یا مس (رسانایی بیشتر، سنگین تر) فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی، اما به دلیل کاهش رسانایی به چگالی عنصر بالاتری نیاز دارد.
حداکثر دمای کارآلومینیوم به ~400 درجه محدود می شود (نرم شدن بالای 200 درجه برای بسیاری از آلیاژها). صفحات بی رنگ یا سرامیکی برای دماهای بالاتر
اندازه و موقعیت برش اگر برش‌ها بیش از 30 درصد از سطح مقطع صفحه را حذف کنند، یا باید از گرمایش اضافی استفاده کرد یا قطعات ضخیم‌تری در اطراف سوراخ مورد نیاز است.
پوشش سطح PTFE یا فلوئوروپلیمر برای مقاومت در برابر خوردگی در شرایط سخت آنودایز صفحات آلومینیومی برای بهبود سایش و عایق الکتریکی
±1 درجه یا بهتر کنترل چند ناحیه ای و بهینه سازی FEA برای نیاز یکنواختی حرارتی. الگوی شیار سفارشی در یک-منطقه تکی می‌تواند به تلورانس‌های سخت‌تر (±۵ درجه) دست یابد.
مونتاژ و انبساط حرارتی صفحات دارای سوراخ های شکاف دار یا پایه های منطبق هستند تا امکان انبساط متفاوت بین صفحه و تجهیزات اطراف را فراهم کنند.
انتخاب مواد: چرا آلومینیوم مورد علاقه است؟
صفحات گرمایش سفارشی اغلب از آلومینیوم (آلیاژ 6061 یا 7075) ساخته می شوند. دلایل:

هدایت حرارتی بالا (~160-200 W/m·K) - به توزیع یکنواخت دما کمک می کند.

ماشینکاری عالی - اشکال پیچیده، سوراخ‌ها و شکاف‌ها را می‌توان روی ماشین‌های CNC با دقت بالا ماشینکاری کرد.

وزن سبک - بار مکانیکی روی تجهیزات را به حداقل می رساند.

هزینه کم در مقابل مس یا آلیاژهای تخصصی

صفحه آلومینیومی تمام شده با پوشش PTFE یا آنودایز قوی برای تنظیمات سخت موجود است. پوشش‌های PTFE تا 260 درجه از نظر شیمیایی مقاوم هستند و سطحی نچسب دارند. پوشش های آنودایز عایق الکتریکی و مقاوم در برابر سایش هستند اما از نظر شیمیایی به اندازه PTFE مقاوم نیستند.

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 درجه) یا برای مکان هایی که خوردگی آلومینیوم قابل قبول نیست.

مثال عملی: صفحه گرمایش با سوراخ مرکزی
به یک صفحه داغ برای یک ویفر چاک نیمه هادی فکر کنید. صفحه گرد با یک سوراخ مرکزی به قطر 50 میلی متر (دسترسی خلاء) و چهار شکاف نصب است. یکنواختی دمای سطح چاک توصیه شده 2± درجه در 150 درجه است.

رویکرد طراحی:

سوراخ مرکزی و شیارها در یک صفحه آلومینیومی (6061) بریده شده است.

بخاری لوله ای به صورت مارپیچی با شعاع مارپیچ که از سوراخ به سمت بیرون منبسط می شود، چیده شده است. هیچ یک از شیارها از سوراخ عبور نمی کند. عنصر به پایان می رسد، سپس دوباره از طرف دیگر شروع می شود.

شبیه‌سازی FEA نشان می‌دهد که ناحیه بلافاصله اطراف سوراخ 5 درجه سردتر از لبه بیرونی است به دلیل اختلال در رسانش و همرفت موضعی از طریق سوراخ.

برای جبران، چگالی وات عنصر در دو پیچ مارپیچ داخلی با استفاده از یک لوله با قطر کمتر با مقاومت بالاتر در هر متر، یا با افزودن یک منطقه گرمایش دوم مستقل برای ناحیه داخلی افزایش می‌یابد.

در نزدیکی لبه سوراخ یک ترموکوپل و یک دوم در شعاع بیرونی وارد شده است. یک کنترل کننده منطقه{1} دوگانه، ناحیه داخلی و خارجی را به طور جداگانه کنترل می کند.

صفحه تکمیل شده از جنس PTFE{0}}برای جلوگیری از حمله شیمیایی توسط گازهای فرآیندی پوشیده شده است.

خلاصه
صفحات گرمایشی با{0}شکل سفارشی ممکن است تجهیزات خاصی را که نمی‌توانند طرح‌های مستطیلی معمولی را در خود جای دهند، دقیقاً به صورت حرارتی مدیریت کنند. فرآیند طراحی با یک مدل CAD با تمام برش‌ها-و ویژگی‌ها شروع می‌شود. ادغام عناصر گرمایشی از طریق بخاری‌های لوله‌ای روت‌شده، فویل‌های حکاکی شده یا بخاری‌های سیلیکونی انعطاف‌پذیر امکان‌پذیر است که همگی مزایای خاص خود را دارند. یکی از چالش‌های مهم برای طراحی‌های غیر استاندارد، یکنواختی حرارتی است و شبیه‌سازی FEA برای بهبود مکان عنصر و توزیع چگالی وات استفاده می‌شود. متداول ترین مواد صفحه آلومینیوم است که به طور معمول با PTFE برای مقاومت در برابر خوردگی پوشش داده می شود. مهندسی سفارشی شکاف بین محصولات استاندارد و الزامات فرآیند منحصر به فرد را پر می کند طراحی صفحه گرمایشی با شکل سفارشی به خوبی طراحی شده، گرمای قابل اعتماد و همگن را به هندسه های پیچیده، از ابزار پزشکی گرفته تا چاک های نیمه هادی، می دهد.