نقش مس به عنوان یک لایه پخش کننده حرارت در صفحات گرمایش چند ماده چیست؟

بخاری های کارتریجی عناصر گرمایش جداگانه هستند. هر عنصر یک ناحیه داغ درست بالای آن ایجاد می کند. این نقاط داغ می توانند باعث ایجاد اختلاف دمای قابل تشخیص در سراسر سطح کار در یک صفحه آلومینیومی یا فولادی ضخیم شوند. در داخل صفحه یک لایه مسی وجود دارد که به عنوان یک پخش کننده حرارت عمل می کند و این شیب ها را یکسان می کند. معماری چند{4}}متریال از هدایت حرارتی عالی مس برای ایجاد یکنواختی دمایی بیشتر در جایی که صفحات فلزی منفرد کوتاه می‌شوند، استفاده می‌کند.

چالش حرارتی: بخاری های گسسته نقاط داغ را معرفی می کنند
بیشتر صفحات گرمایش صنعتی به منابع گرمایی مجزا مانند بخاری‌های کارتریج، عناصر لوله‌ای یا سیم‌های مقاومت ریخته‌شده- مجهز هستند. این منابع گرما را در یک منطقه کوچک متمرکز می کنند. در یک صفحه همگن از آلومینیوم یا فولاد، گرما عمدتاً از طریق هدایت حرارتی ذاتی فلز منتشر می شود. با این حال، اگر فاصله بخاری خیلی زیاد باشد یا ضخامت صفحه کافی نباشد، سطح مستقیم بالای هر بخاری به طور قابل توجهی گرمتر از مناطق بین بخاری ها است. این مشخصات دمایی ناسازگار می تواند منجر به موارد زیر شود:

کیفیت نامنظم یا پایین محصول در مراحل لمینیت، پرس یا آب بندی.

گرمایش موضعی ماده در تماس با صفحه

عمل آوری یا اتصال ناهموار که منجر به کاهش عملکرد فرآیند می شود.

برای جلوگیری از این مشکل بدون افزایش فاصله بخاری (که هزینه و پیچیدگی را افزایش می‌دهد)، می‌توان یک لایه{0} رسانایی بالا برای پخش جانبی گرما قبل از رسیدن به سطح کار اضافه کرد.

هدایت حرارتی برتر مس
مس دارای بالاترین رسانایی حرارتی در بین تمام فلزات مهندسی محبوب است. آلیاژهای مس خالص مانند C11000 دارای ارزشی در حدود 400 وات بر متر بر کلوین (W/mK) هستند. به عنوان راهنما:

رسانایی حرارتی مواد (W/m·K) نسبت به مس مس (خالص) ~{0}}× (خط پایه)
آلومینیوم (6061-T6) ~ 167 ~ 0.42 × فولاد (کم کربن) ~ 45 - 50 ~ 0.12 × فولاد ضد زنگ (304) ~ 16 ~ 0.04 ×
مس رسانای گرمایی خوبی است، گرما را حدود دو برابر آلومینیوم و بیش از 20 برابر بهتر از فولاد ضد زنگ هدایت می کند. این ویژگی مس را به ماده ای عالی برای پخش گرمای جانبی تبدیل می کند-که انرژی را مستقیماً بالای بخاری از نقطه داغ دور می کند و آن را به مکان های خنک تر منتقل می کند.

نحوه عملکرد لایه پخش کننده حرارت مسی
هنگامی که صحبت از صفحات گرمایش چند ماده می شود، ساختار صفحه گرمایش پخش کننده حرارت مسی معمولاً شامل یک لایه نازک از مس (معمولاً 10-2 میلی متر ضخامت) است که بین منابع گرمایش مجزا و سطح کار قرار دارد. عناصر گرمایش در یک لایه پایه (که ممکن است آلومینیوم، فولاد یا مواد ساختاری دیگر باشد) تعبیه شده یا به آن متصل می شوند. لایه مس توسط یک صفحه بالایی (معمولاً فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم) به عنوان سطح کار نهایی پوشانده شده است.

مکانیسم ساده است:

در برخی مواقع گرمای تولید شده توسط بخاری کارتریجی به لایه مس هدایت می شود.

مس از هدایت حرارتی بسیار بالایی برخوردار است، بنابراین گرما قبل از اینکه به صورت عمودی به سطح کار برود، به سرعت از طریق مس به صورت افقی پخش می شود.

مقداری گرما به صورت جانبی منتقل می شود بنابراین دمای مستقیم بالای بخاری کاهش می یابد.

این پراکندگی جانبی به دره های بین بخاری ها مقداری گرمای اضافی می دهد که دمای آنها را افزایش می دهد.

نتیجه توزیع یکنواخت تر دما در کل سطح کار است. در صفحات پخش مسی که به خوبی طراحی شده‌اند، اختلاف دما بین داغ‌ترین نقطه (بیش از یک بخاری) و خنک‌ترین نقطه (وسط بین بخاری‌ها) در مقایسه با یک صفحه آلومینیومی یکپارچه با همان ضخامت و فاصله بخاری، می‌تواند 50 تا 80 درصد کاهش یابد.

اجرای عملی: پیوند مس با فلزات دیگر
ادغام یک لایه مس در یک صفحه حرارتی چند{0}}مواد نیاز به یک فرآیند قوی برای اتصال مس به لایه های مجاور (معمولا آلومینیوم یا فولاد) دارد. تعدادی از تکنیک ها استفاده می شود:

لحیم کاری - مس و آلومینیوم یا مس و فولاد با لحیم کاری با استفاده از فلزات پرکننده خاص به یکدیگر متصل می شوند. این یک اتصال فلزی پیوسته با مقاومت حرارتی کم را فراهم می کند. با این حال، لحیم کاری به دماهای بالا و مدیریت دقیق عدم تطابق در انبساط حرارتی نیاز دارد.

اتصال انفجاری (روکش فلزی) - یک ورق نازک مس به صورت انفجاری به یک صفحه نگهدارنده از یک ماده ضخیم تر (فولاد یا آلومینیوم) متصل می شود. صفحه روکش شده حاصل از نظر متالورژی با مقاومت سطحی تقریباً صفر به هم چسبیده است. باندینگ انفجاری برای صفحات بزرگ مقرون به صرفه است اما نیاز به امکانات خاصی دارد.

چسباندن مکانیکی با مواد رابط حرارتی ورق مس به صفحه پایه گیره یا پیچ می شود. یک خمیر یا پد رسانای حرارتی (مثلاً مواد مبتنی بر گرافیت یا سیلیکون) شکاف های میکروسکوپی را پر می کند. این یک راه ساده تر است اما مقاومت حرارتی بیشتری را در رابط اضافه می کند.

ریخته‌گری - این شامل قرار دادن درج‌های مسی در قالب و ریخته‌گری آلومینیوم در اطراف آنها است. همانطور که انجماد انجام می شود، آلومینیوم به مس منقبض می شود تا یک پیوند مکانیکی و حرارتی ایجاد کند. این با صفحات سفارشی شکل طبیعی است.

توجه به این نکته مهم است که پیوند بین مس و فلز همسایه باید چرخه دمایی مکرر را بدون لایه‌برداری یا تشکیل فضای خالی تحمل کند. اتصال ضعیف منجر به ایجاد شکاف هوا، یک عایق حرارتی می شود که مزیت لایه مس را نفی می کند.

تخفیف-: هزینه، وزن و گسترش حرارتی
افزودن یک لایه پخش کننده حرارت مسی مستلزم چند معامله-است که باید با یکنواختی دمای مورد نیاز متعادل شوند.

هزینه - مس به طور قابل توجهی گرانتر از آلومینیوم در هر کیلوگرم است. هزینه مواد و پیچیدگی ساخت (فرایندهای پیوند) با یک لایه مس 5 میلی متری افزایش می یابد. افزایش هزینه اغلب در کاربردهای با دقت بالا که یکنواختی بسیار مهم است توجیه می شود.

وزن - چگالی مس تقریباً 8.96 گرم بر سانتی متر مکعب است در مقابل 2.70 گرم بر سانتی متر مکعب برای آلومینیوم و 7.85 گرم بر سانتی متر مکعب برای فولاد. پوشش مس وزن زیادی را اضافه می کند. این ممکن است به محرک‌ها یا سیستم‌های پشتیبانی قوی‌تری برای صفحات متحرک یا گرمکن‌های عمودی نیاز داشته باشد.

عدم تطابق انبساط حرارتی مس دارای ضریب انبساط حرارتی (CTE) تقریباً 17×10-6/درجه است در حالی که آلومینیوم با 23×10-6/درجه و فولاد در 12×10-6/ درجه منبسط می شود. انبساط دیفرانسیل در طول چرخه های گرمایش و سرمایش باعث ایجاد تنش برشی در فصل مشترک در هنگام اتصال به یکدیگر می شود. پیوندها ممکن است با دوچرخه سواری مکرر خسته شده یا لایه لایه شوند. طراحی باید چنین عدم تطابقی را با بهینه‌سازی ضخامت لایه، مواد چسبنده سازگار یا لایه‌های مسی تقسیم‌بندی شده جبران کند.

برنامه های کاربردی در کدام اسپریدرهای مسی اکسل
در کاربردهای گرمایشی با دقت بالا، لایه پخش کننده حرارت مس زمانی بیشترین ارزش را دارد که:

فاصله بخاری باید بزرگ باشد - به عنوان مثال در صفحات بسیار بزرگ زمانی که افزودن بخاری های کارتریج بیشتر بسیار گران یا از نظر مکانیکی پیچیده است.

یکنواختی دمای سطح کار: ± 1 درجه یا بهتر. چنین تلورانس‌هایی در پردازش نیمه‌رسانا، ساخت دستگاه‌های پزشکی یا لمینیت نوری ضروری است.

چرخه‌های گرمایش و سرمایش سریع - نفوذ قوی مس به صفحه کمک می‌کند تا به سرعت نسبت به تغییرات نقطه تنظیم واکنش نشان دهد، و باعث کاهش بیش‌ازحد و پایین آمدن شود.

سطح کار از فولاد ضد زنگ است - فولاد ضد زنگ به دلیل رسانایی کم (16 W/m·K) پخش کننده حرارت بدی است. سطح فولاد ضد زنگ توسط یک لایه مس پشتیبانی می شود که یکنواختی را تا حد زیادی افزایش می دهد، بدون اینکه مقاومت در برابر سایش و خوردگی فولاد را قربانی کند.

با این حال، کاربردهایی با بخاری های نزدیک، الزامات یکنواختی کم یا حساسیت هزینه بالا ممکن است نیازی به لایه مس نداشته باشند. اگر به درستی طراحی شود، یک صفحه آلومینیومی با ضخامت کافی اغلب می تواند یکنواختی مناسب را بدون پیچیدگی اضافی ایجاد کند.

مثال طراحی: چیدمان پخش کننده مسی معمولی
یک مجموعه پلی{0}}از پایین به بالا عبارت است از:

لایه پایه (ساختاری) - آلومینیوم یا فولاد، ضخامت 15-30 میلی متر، سوراخ شده برای بخاری های کارتریجی.

لایه پخش مسی - مس خالص، به ضخامت 3-8 میلی متر، متصل به لایه فونداسیون.

لایه سطح کار فولاد ضد زنگ با ضخامت - 5-10 میلی متر (مقاومت در برابر سایش) یا آلومینیوم (وزن کم) متصل به مس.

لایه مس تا حد امکان به منبع گرما نزدیک است تا حداکثر پخش جانبی را قبل از رسیدن گرما به سطح کار نهایی امکان پذیر کند. آنالیز المان محدود (FEA) معمولاً برای بهینه‌سازی ضخامت مس و قرارگیری بخاری استفاده می‌شود.

نتیجه گیری: یک راه حل خوب برای یکنواختی بهتر دما
لایه پخش کننده حرارت مسی یک روش مهندسی موثر برای تحقق همگنی دمایی بهتر صفحات با وسایل گرمایش جداگانه است. مس تقریبا دو برابر آلومینیوم و بیش از 20 برابر رسانای حرارتی فولاد ضد زنگ است، با رسانایی حرارتی در حدود 400 W/m·K، انتشار سریع حرارت جانبی را برای کاهش نقاط داغ و پر کردن دره های حرارتی روی سطح کار امکان پذیر می کند.

مس موانعی در هزینه، وزن و انبساط حرارتی دارد، اما مزایای قابل توجهی در کاربردهای{0}دقت بالا ارائه می‌کند. ادغام قابل اعتماد در صفحات چند-موادی را می توان با روش های پیوند مانند لحیم کاری، روکش های انفجاری یا بستن مکانیکی با مواد رابط حرارتی انجام داد. انتخاب مواد و طراحی به دلیل نیاز به یکنواختی حرارتی تعیین می شود. در کاربردهایی که نیاز به یکنواختی شدید دارند، یک لایه پخش کننده حرارت مسی یک رویکرد اثبات شده و از نظر فنی سالم است.