จะเลือกแผ่นทำความร้อนสำหรับเครื่องอัดสุญญากาศที่ต้องใช้รอบการทำความร้อนและการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วได้อย่างไร

เครื่องอัดสุญญากาศแบบพิเศษจะต้องขึ้นรูปและบ่มชิ้นส่วนเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิตที่มีมูลค่าสูง- โดยหมุนเวียนจากอุณหภูมิเย็นจัด 50 องศาไปจนถึงอุณหภูมิร้อนจัด 400 องศา และกลับลงมาอีกครั้งในไม่กี่นาที แผ่นเหล็กขนาดใหญ่แบบคลาสสิกที่ให้ความร้อนด้วยน้ำมันจะเป็นปัญหาคอขวดด้านความร้อน ซึ่งใช้เวลานานมากในการทำให้ร้อนขึ้นและเย็นลง การหมุนเวียนความร้อนอย่างรวดเร็วทำได้โดยการออกแบบแท่นวางที่ลดมวลความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด และเพิ่มการสัมผัสระหว่างการทำความร้อนและความเย็นให้สูงสุด ตัวเลือกหลักคือแผ่นอะลูมิเนียมน้ำหนักเบาที่มีการหล่อ-ในเครื่องทำความร้อนความหนาแน่นสูง-วัตต์- และเครือข่ายของน้ำที่เจาะโดยตรง-ช่องระบายความร้อนในสภาพแวดล้อมที่สะอาดไม่-มีการพาความร้อนของสุญญากาศ

บทความนี้เสนอวิธีการที่เป็นระบบสำหรับการเลือกวงจรกดสูญญากาศแบบกดบนแท่นทำความร้อนโดยพิจารณาจากวัสดุ การบูรณาการของการทำความร้อนและความเย็น ความเข้ากันได้ของสุญญากาศ และวิธีการตรวจสอบความถูกต้อง

เหตุใดจึงนิยมใช้อลูมิเนียมสำหรับการปั่นจักรยานอย่างรวดเร็วในสุญญากาศ
มวลความร้อนต่ำเพื่อการตอบสนองที่รวดเร็ว
อะลูมิเนียมถูกเลือกเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ (ประมาณ 2,700 กก./ลบ.ม.) และความร้อนจำเพาะปานกลาง (ประมาณ 0.90kJ/(กก.·K)) ในแง่ของน้ำหนัก แผ่นอะลูมิเนียมจะมีขนาดประมาณหนึ่งในสามของแผ่นเหล็กสำหรับขนาดแผ่นที่กำหนด ความจุความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ลดลงตามลำดับ กล่าวคือ แผ่นอะลูมิเนียมให้ความร้อนได้เร็วกว่าเหล็กประมาณสามเท่าสำหรับเอาต์พุตตัวทำความร้อนเดียวกัน ในทางตรงกันข้าม หากใช้ความเย็น ความร้อนที่สะสมไว้จะกระจายไปเร็วขึ้นเนื่องจากมีพลังงานในการขจัดน้อยลง

แผ่นอะลูมิเนียมในฐานะนักกีฬาระบายความร้อน มีรูปร่างที่เบาและว่องไว หัวใจเต้นเร็ว-ที่ทรงพลัง และเครือข่ายเส้นเลือดที่เย็นลง สร้างขึ้นเพื่อวิ่งจากเย็นไปร้อนและกลับอย่างไม่เหน็ดเหนื่อย

ความเข้ากันได้ของ Outgassing และ Hoover
ปัญหาสำคัญที่เกิดขึ้นกับเครื่องปั๊มสุญญากาศ (ปกติคือ 1 มิลลิบาร์) คือการปล่อยก๊าซออกจากวัสดุ ความชื้น ไฮโดรคาร์บอน และออกไซด์อาจปล่อยออกมาจากโลหะผสมอลูมิเนียมมาตรฐาน สำหรับการบริการดูดฝุ่น ต้องใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งเข้ากันได้กับเครื่องดูดฝุ่น เมื่อทำความสะอาดอย่างเหมาะสมและอบด้วยสุญญากาศ เกรดเช่น 6061 หรือ 5083 ในเทมเปอร์ T6 ก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ชั้นอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ก่อตัวขึ้นเองบนพื้นผิวมีความเสถียรและมีการปล่อยก๊าซต่ำ ไม่อนุญาตให้ใช้สี สารเคลือบ หรือชั้นอะโนไดซ์ภายในห้องสุญญากาศ เนื่องจากยังคงมีสารระเหยอยู่

การทำความร้อนแบบรวม การหล่อ-เครื่องทำความร้อนแบบความหนาแน่นสูง-วัตต์-
เหตุใดจึงต้องเลือก-เครื่องทำความร้อนในเครื่องทำความร้อน:
หน้าสัมผัสความร้อนระหว่างเครื่องทำความร้อนและแท่นวางควรใกล้เคียงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้ความร้อนเร็วขึ้น ช่องว่างอากาศหรือเครื่องทำความร้อนแบบตลับที่กด-พอดีทำให้เกิดความต้านทานต่อการสัมผัส ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการถ่ายเทความร้อนและส่งผลให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิ ทางออกที่ดีที่สุดคือการหล่อเครื่องทำความร้อนแบบท่อเข้ากับตัวเครื่องอะลูมิเนียมโดยตรง ในขั้นตอนนี้ เครื่องทำความร้อน (โดยปกติคือองค์ประกอบที่มีเปลือก Incoloy- องค์ประกอบที่มีความหนาแน่น-วัตต์-สูง) จะถูกติดตั้งในแม่พิมพ์หล่อ และเทอะลูมิเนียมหลอมเหลวรอบๆ ตัวทำความร้อน อลูมิเนียมจะแข็งตัวเมื่อสัมผัสใกล้ชิดกับปลอกเครื่องทำความร้อน ทำให้เกิดส่วนต่อประสานการระบายความร้อน-ที่ปราศจากโมฆะ ต่ำ-

เครื่องทำความร้อนที่หล่อทั้งหมดจะต้องปิดสนิทและไม่มีช่องว่าง ความพรุนหรือช่องว่างระหว่างเครื่องทำความร้อนและอลูมิเนียมทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน และทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่นและอัตราการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพลดลง ความสมบูรณ์ของการห่อหุ้มจะถูกตรวจสอบโดยการตรวจด้วยรังสีเอกซ์-หรืออัลตราโซนิกหลังการหล่อ

ความหนาแน่นวัตต์สูงเพื่อการป้อนพลังงานที่รวดเร็ว
เพื่อให้ความร้อนเร็วขึ้น- (เช่น 50 องศาต่อนาทีหรือเกินกว่านั้น) ความหนาแน่นวัตต์ของเครื่องทำความร้อนจะต้องสูง เครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์มาตรฐานสำหรับอะลูมิเนียมถูกจำกัดไว้ที่ 10–15 W/cm2 แต่เครื่องทำความร้อนแบบหล่อในท่อที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ-สามารถทำงานได้ที่ 20–30 W/cm2 หรือสูงกว่า เนื่องจากการหล่ออะลูมิเนียมช่วยให้กระจายความร้อนได้ดีเยี่ยม และกำจัดความร้อนจากปลอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น (มากกว่า 300 องศา) ความหนาแน่นของวัตต์จะต้องลดลงเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ปลอกเกิดความร้อนสูงเกินไป เปลือก Incoloy (พิกัด 750 องศา ) จำเป็นสำหรับเป้าหมาย 400 องศา และความหนาแน่นของวัตต์จะถูกเก็บไว้ที่ 20 วัตต์/ซม.2

การแบ่งเขตและเค้าโครงเครื่องทำความร้อน
แท่นวางถูกหล่อด้วยโซนทำความร้อนอิสระหลายโซนเพื่อให้สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ดีและเพื่อชดเชยการสูญเสียของคมตัด โดยทั่วไป โซนหลักจะล้อมรอบพื้นที่ทำงานหลัก โดยโซนปริมณฑลจะร้อนกว่าเล็กน้อยเพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อนที่ขอบ เครื่องทำความร้อนได้รับการจัดวางในรูปแบบคดเคี้ยวหรือแบบกริดเพื่อสร้างฟลักซ์ความร้อนที่เป็นเนื้อเดียวกัน การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ความร้อน (FEA) ถูกนำมาใช้เพื่อปรับระยะห่างและการกระจายพลังงานให้เหมาะสม

การระบายความร้อนแบบบูรณาการ: ทางเดินน้ำโดยตรง
ช่องระบายความร้อนเจาะใกล้กับพื้นผิวการทำงาน
เพื่อให้เย็นเร็วคุณต้องกระจายความร้อนได้ดี วิธีที่ดีที่สุดคือการหมุนเวียนของเหลวหล่อเย็น (โดยปกติคือน้ำ) โดยตรงผ่านช่องที่เจาะในแท่นวาง ช่องเหล่านี้ตั้งอยู่ใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากที่สุด โดยปกติจะอยู่ห่างจากพื้นผิวด้านบนไม่เกิน 5-15 มม. ทำให้สามารถดึงความร้อนออกจากชิ้นงานได้อย่างรวดเร็ว โดยปกติแล้วช่องดังกล่าวจะเจาะแบบขนานหรือแบบเกลียว และเชื่อมต่อกับท่อร่วมภายนอก

ระบบน้ำหล่อเย็นของเครื่องปั๊มสุญญากาศจะต้องปิดสนิทและไม่มีการรั่วไหล น้ำที่รั่วเข้าไปในห้องสุญญากาศจะทำให้กระบวนการล้มเหลวทันที และอาจสร้างความเสียหายให้กับปั๊มสุญญากาศได้ ดังนั้น ช่องระบายความร้อนจะถูกตัดเฉือน (เจาะ) หลังจากที่หล่อแท่นวางแล้ว และปลายของช่องระบายความร้อนจะถูกปิดผนึกด้วยปลั๊กแบบเชื่อมหรือด้วยข้อต่อที่กำหนดระดับสุญญากาศ- วงจรทำความเย็นที่สมบูรณ์คือการทดสอบการรั่วของฮีเลียมในอัตราต่ำกว่า 1 x 10-8 mbar.L/s

ปัญหาอัตราการทำความเย็น
อัตราความเย็นที่เป็นไปได้-ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของน้ำ อุณหภูมิที่ทางเข้า และค่าการนำความร้อนของอะลูมิเนียม (ประมาณ 167 วัตต์/(m·K) สำหรับ 6061) อลูมิเนียมมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมเพื่อช่วยถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วจากพื้นผิวการทำงานไปยังช่องระบายความร้อน ด้วยช่องที่ออกแบบอย่างเหมาะสม แผ่น 400 องศาสามารถทำให้เย็นลงถึง 100 องศาใน 5-10 นาที ขึ้นอยู่กับความหนา

รอบที่เร็วที่สุดจะใช้น้ำหล่อเย็นที่อัตราการไหลสูง (การไหลแบบปั่นป่วน) และอาจถูกทำให้เย็นลงล่วงหน้า- (เช่น ถึง 10–20 องศา ) อย่างไรก็ตาม จะต้องคำนึงถึงความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอะลูมิเนียมด้วย การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วจากอุณหภูมิสูงอาจทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน การออกแบบควรอนุญาตให้มีทางลาดควบคุมได้ แทนที่จะดับอย่างรวดเร็ว

การตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบทางกลและทางความร้อน
FEA ความร้อนสำหรับการทำนายการบิดเบี้ยวและความเครียด
วงจรการให้ความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็วทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิภายในแท่นวางอย่างมาก ซึ่งนำไปสู่การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่ไม่ตรงกันและความตึงเครียดภายใน หากความเค้นเหล่านี้เกินกำลังครากของอะลูมิเนียม (ซึ่งตกลงที่อุณหภูมิสูง) แท่นวางอาจบิดเบี้ยวอย่างถาวร FEA ความร้อนใช้เพื่อจำลองการกระจายอุณหภูมิชั่วคราวระหว่างรอบมาตรฐาน บทวิเคราะห์คาดการณ์ว่า:

การไล่ระดับอุณหภูมิสูงสุด (เช่น ระหว่างพื้นผิวการทำงานและด้านหลัง)

ส่งผลให้เกิดการโก่งตัวและความเครียดจากความร้อน

ต้องใช้น้ำหล่อเย็นก่อน-ให้ความร้อนหรือระบายความร้อนตามขั้นตอนเพื่อลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน

ผลลัพธ์ของ FEA ใช้เพื่อปรับตำแหน่งของเครื่องทำความร้อนและช่องระบายความร้อนให้เหมาะสมเพื่อลดการไล่ระดับสี แท่นวางถูกสร้างขึ้นแบบสมมาตร (เครื่องทำความร้อนและรูปแบบช่องสัญญาณสะท้อนไปรอบระนาบกลาง-) เพื่อลดการโค้งงอ

การทดสอบการรั่วของฮีเลียม
ในทางตรงกันข้าม เครื่องอัดสุญญากาศจะทำงานที่สุญญากาศสูง (โดยทั่วไปคือ 0.1 มิลลิบาร์) และการรั่วไหลใดๆ ในแท่นวาง ไม่ว่าจะจากช่องว่างการหล่อที่เชื่อมต่อกับพื้นผิวหรือจากการเชื่อมในช่องระบายความร้อนจะถือเป็นหายนะ ชิ้นส่วนแท่นวางทั้งหมดได้รับการทดสอบการรั่วของฮีเลียมหลังการผลิต แท่นวางถูกใส่ไว้ในห้องสุญญากาศหรือติดกับเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลฮีเลียม ฮีเลียมถูกฉีดเข้าไปรอบๆ ช่องรั่วที่เป็นไปได้ทั้งหมด (ปลายเครื่องทำความร้อน ปลั๊กช่องระบายความร้อน พอร์ตเซ็นเซอร์) อัตราการรั่วไหลจะต้องต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด โดยทั่วไปสำหรับการใช้งานสุญญากาศสูง- 1×10−81×10−8 mbar·L/s

การเลือกใช้วัสดุเพื่อความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง
อลูมิเนียมอัลลอยด์มาตรฐาน (เช่น 6061-T6) จะสูญเสียความแข็งแรงเป็นสัดส่วนมากที่ 400 องศา อารมณ์ของ T6 ได้รับการผ่อนคลายและมากเกินไป เพื่อการทำงานที่ยั่งยืนที่อุณหภูมิสูงกว่า 250 องศา จำเป็นต้องใช้โลหะผสมที่มีความเสถียรทางความร้อนมากขึ้น หรือ AA 2618 หรือ AA 2219 .เหล่านี้เป็นอัลลอยด์ชุบแข็งด้วยการตกตะกอน พวกมันจะรักษาความแข็งแกร่งได้ดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง อีกทางเลือกหนึ่งอาจใช้โลหะผสมอะลูมิเนียมหล่อสุญญากาศที่มีการเติมทองแดงและแมกนีเซียม (เช่น 354 หรือ 355) โลหะผสมที่เลือกต้องไม่มีองค์ประกอบ (เช่น สังกะสีหรือตะกั่ว) ที่ปล่อยก๊าซในสุญญากาศ

ส่วนประกอบและการบูรณาการอื่น ๆ
เซ็นเซอร์อุณหภูมิ
แท่นวางประกอบด้วยเทอร์โมคัปเปิล Type K หรือ N จำนวนหนึ่งเพื่อการควบคุมรอบที่รวดเร็วอย่างแม่นยำ ควรตั้งอยู่ใกล้กับพื้นผิวการทำงานและใกล้กับช่องระบายความร้อน เทอร์โมคัปเปิ้ลต้องใช้ปลอกโลหะหุ้มแร่-ที่เหมาะสมกับสุญญากาศ (อินโคเนลหรือสเตนเลส) และมีการปิดผนึกฟีดทรูไว้ที่ด้านนอกของห้องสุญญากาศ

ฮีตเตอร์และคูลลิ่งไลน์ป้อนสูญญากาศ
พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่ส่งไปยังเครื่องทำความร้อนและท่อของเหลวทั้งหมดสำหรับทำความเย็นจะต้องไหลผ่านผนังของห้องสุญญากาศผ่านการป้อนเข้าที่ปิดผนึกอย่างแน่นหนา เครื่องทำความร้อนไฟฟ้าใช้ขั้วต่อเซรามิกแบบปิดผนึกหลาย- การระบายความร้อนด้วยน้ำต้องใช้เครื่องเป่าลมแบบเชื่อมหรืออุปกรณ์สูญญากาศแบบบีบอัด (เช่น VCR หรือ ConFlat) ฟีดทรูเหล่านี้จะต้องได้รับการตรวจสอบการรั่วไหลของฮีเลียมด้วย

ฉนวนกันความร้อนและป้องกันรังสี
ในสุญญากาศ การถ่ายเทความร้อนทำได้โดยการแผ่รังสีและการนำผ่านหน้าสัมผัสที่เป็นของแข็งเท่านั้น แผ่นป้องกันรังสี (เหล็กสแตนเลสขัดเงาหรือแผ่นอะลูมิเนียม) ได้รับการติดตั้งไว้รอบๆ แท่นวาง เพื่อลดการสูญเสียความร้อนที่ผนังของห้องสุญญากาศ และเพื่อปกป้องส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน แท่นวางได้รับการรองรับโดยมีค่าการนำความร้อนต่ำ (เช่น เซรามิกหรือ PEEK) เพื่อลดการสูญเสียความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

รายการตรวจสอบการเลือกที่มีประโยชน์
เมื่อออกแบบแผ่นทำความร้อนสำหรับการกดสุญญากาศด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว-รอบขึ้นและเย็นลง- ควรมีการบันทึกพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

พารามิเตอร์ ค่าทั่วไป / จำเป็น
วัสดุแผ่น อะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่เหมาะกับสุญญากาศ (เช่น. 2618, 2219 หรือ 6061 ที่มีการอนุมัติอุณหภูมิสูง-)
ประเภทเครื่องทำความร้อน หล่อใน หุ้มอินโคลอย- มีเปลือก ความหนาแน่นสูง-วัตต์- ( น้อยกว่าหรือเท่ากับ 20 วัตต์/ซม.2 ที่ 400 องศา )
การห่อหุ้มเครื่องทำความร้อนไม่มีช่องว่าง การตรวจสอบรังสีเอกซ์-หรืออัลตราโซนิกได้รับการตรวจสอบแล้ว
ช่องระบายความร้อน: เจาะ 5-15 มม. ใต้พื้นผิวการทำงาน ระบายความร้อนด้วยน้ำ
อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด 400 องศา (หรือตามต้องการ)
ความร้อนเป้าหมาย-อัตราเพิ่มขึ้น เช่น. 50 องศา /นาที จาก 50 องศาเป็น 400 องศา
อัตราความเย็นเป้าหมาย- เช่น . 30 องศา /นาที จาก 400 องศาถึง 100 องศา (ระบายความร้อนด้วยน้ำ)
อัตราการรั่วไหล < 1×10⁻8 mbar L/s (การทดสอบการรั่ว)
การตรวจสอบความถูกต้องของความร้อน FEAN จำเป็นเพื่อพิจารณาการไล่ระดับของอุณหภูมิและความเครียด
เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิหลายโซน เทอร์โมคัปเปิลหุ้มฉนวนแร่- (ประเภท K หรือ N)
การป้อนผ่านสุญญากาศการรั่วของฮีเลียมได้รับการตรวจสอบอย่างแน่นหนา
สรุป: การออกแบบแบบบูรณาการเพื่อความคล่องตัวทางความร้อน
แผ่นอะลูมิเนียมน้ำหนักเบาพร้อมระบบทำความร้อนและความเย็นในตัวเป็นแผ่นรองในอุดมคติสำหรับการกดสุญญากาศแบบหมุนเร็ว ซึ่งเป็นการออกแบบที่ให้ความคล่องตัวทางความร้อนเหนือสิ่งอื่นใด เนื่องจากมีมวลความร้อนต่ำ อะลูมิเนียมจึงให้ความร้อน-ขึ้นและเย็นลง-ได้อย่างรวดเร็ว เครื่องทำความร้อนที่มีความหนาแน่นวัตต์สูง-ช่วยให้สามารถป้อนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและช่องน้ำที่เจาะโดยตรงจะระบายความร้อนออกอย่างรวดเร็ว ต้องเลือกวัสดุอย่างระมัดระวังเพื่อให้เข้ากันได้กับสุญญากาศ เครื่องทำความร้อนจะต้องห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ และทดสอบการรั่วของฮีเลียมด้วยมาตรฐานระดับสูง อุณหภูมิ FEA ใช้เพื่อตรวจสอบว่าแท่นวางไม่บิดเบี้ยวหรือเกิดความเค้นที่ยอมรับไม่ได้ด้วยรอบอุณหภูมิที่รวดเร็ว รอบการระบายความร้อนที่เร็วที่สุดนั้นเกิดจากเครื่องมือที่เบาที่สุดและผสานรวมอย่างแน่นหนาที่สุด คู่มือการเลือกนี้จะช่วยคุณในการระบุแผ่นทำความร้อนที่ให้การตอบสนองต่อความร้อนที่รวดเร็วและทำซ้ำได้ สำหรับการขึ้นรูปคอมโพสิตขั้นสูงและการกดสุญญากาศที่มีความต้องการอื่นๆ