Dauguma šildymo plokščių yra suprojektuotos taip, kad šventajam graliui būtų pasiekta visiškai vienoda temperatūra. Tačiau specializuotam procesui, tokiam kaip kontroliuojama polimero kristalizacija arba rūšinis klijų kietėjimas, reikia priešingai: apgalvoto, lygaus ir kartojamo temperatūrų skirtumo nuo vieno detalės krašto iki kito. Standartinė vienos zonos plokštelė iš esmės to nepajėgia. Kelių zonų plokštelei su atskirai valdomomis šildymo sritimis galima įsakyti sukurti tikslų, programuojamą šiluminį nuolydį, paverčiant plokščią plokštę gradiento šildytuvu. Pasirinkus avaldomos temperatūros gradiento šildymo plokštėapima zonos dizaino, šiluminės izoliacijos ir medžiagų savybių supratimą.
Kelių zonų gradiento plokštės dizainas
Plokštės padalijimas į termiškai nepriklausomas zonas
Plokštelė yra padalinta į kelias, termiškai nepriklausomas zonas, kurių kiekviena turi savo įterptą termoporą ir PID valdymo kilpą. Tipiškos konfigūracijos apima tris, penkias ar net septynias zonas, išdėstytas tiesiškai per plokštelės plotį arba ilgį. Siekiant sumažinti šoninį šilumos laidumą tarp gretimų zonų, zonas skiria siauras šiluminis tarpas{2}}, pvz., plonas oro tarpas, apdirbtas plyšys arba mažo laidumo medžiaga, pvz., keraminis įdėklas{3}}. Be šių terminių pertraukų šiluma tekėtų į šoną ir greitai išlygintų temperatūrą, nugalėdama gradientą.
Šiluminio nuolydžio programavimas
Norint sukurti linijinį šiluminį gradientą, valdiklis užprogramuojamas su didėjančiomis nuostatomis nuo vieno krašto iki kito. Pavyzdžiui, 1 zona 100 laipsnių kampu, 2 zona 120 laipsnių kampu ir 3 zona 140 laipsnių kampu. Kiekvienoje zonoje esančios PID kilpos kovoja su natūraliu plokštumos medžiagos šilumos laidumu, kad išlaikytų šį laiptuotą profilį. Rezultatas yra kontroliuojamas, pastovus gradientas per plokštelės paviršių. Specifikacijoje turi būti apibrėžtas reikiamas nuolydis (pvz., 2 laipsniai /cm) ir gradiento tikslumas (pvz., ±1 nustatytosios vertės laipsnis kiekviename matavimo taške). Plokštelė tampa šiluminio kontūro žemėlapiu, karštu, plokščiu kraštovaizdžiu su apgalvotu, suprojektuotu nuolydžiu.
Plokštės medžiagos ir konstrukcijos pasirinkimas
Mažas šilumos laidumas, kad būtų lengviau prižiūrėti gradientą
Plokštės medžiaga paprastai yra tokia, kurios šilumos laidumas yra palyginti mažas, kad būtų lengviau išlaikyti gradientą. Dažnas pasirinkimas – nerūdijantis plienas (304 arba 316 markės, šilumos laidumas ~15 W/m·K). Didesnio laidumo medžiagoms, tokioms kaip aliuminis (~ 200 W/m·K), reikėtų daug siauresnio atstumo tarp zonų ir agresyvesnio kraštų šildymo, kad būtų išlaikytas gradientas, todėl daugeliu atvejų jos būtų nepraktiškos. Labai tiksliam nuolydžiui gali būti nurodytas įrankių plienas arba nikelio lydinys.
Zonos išdėstymas ir terminės pertraukos
Šiluminės pertraukos plotis (tarpas arba izoliacinis barjeras tarp zonų) yra esminis projektinis parametras. Per siaura pertrauka leidžia per daug nutekėti šilumai, todėl gradientas išlyginamas. Per plati pertrauka sukuria šaltą vietą tarp zonų. Optimizuotose konstrukcijose naudojama baigtinių elementų analizė (FEA), kad būtų nustatytas idealus lūžio plotis ir gylis, paprastai 1–3 mm apdirbtoms nerūdijančio plieno plyšiams arba 0,5 mm oro tarpai su keraminiais tarpikliais.
Techninis tikslumas: kraštų praradimo įveikimas ir lygaus nuolydžio užtikrinimas
Pakankama krašto zonos galia
Kraštinių zonų galios turi pakakti, kad būtų galima įveikti didesnius šilumos nuostolius plokštės kraštuose. Išorinės zonos praranda šilumą į aplinkos orą ir bet kokias konstrukcines atramas, o centrinę zoną supa kitos šildomos zonos. Todėl kraštinių kaitinimo elementų tankis paprastai yra 30–50 % didesnis nei centrinės zonos. Tai užtikrina, kad kraštinės zonos gali pasiekti ir išlaikyti savo nustatytąją vertę, nesumažinant šilumos nuostolių.
Terminis FEA sklandžiam gradientams
Zonos turi būti kruopščiai suprojektuotos naudojant terminį FEA, kad gradientas būtų lygus, o ne laiptuotas. Paprastas pakopinis nustatytosios vertės profilis (pvz., 100 laipsnių, 120 laipsnių, 140 laipsnių) sukurtų temperatūros pasiskirstymą laiptais, jei zonos būtų puikiai izoliuotos. Tačiau natūralus šoninis laidumas per šiluminius lūžius išlygina laiptelius į ištisinį nuolydį. FEA numato faktinį paviršiaus temperatūros profilį ir leidžia sureguliuoti valdymo nuostatas (pvz., 105 laipsnių, 120 laipsnių, 135 laipsnių), kad būtų pasiektas tobulai tiesinis gradientas. Be FEA reikalingas eksperimentinis bandymų ir klaidų derinimas.
Zonų skaičius ir gradiento skiriamoji geba
Nuo zonų skaičiaus priklauso pasiekiama gradiento skiriamoji geba. Trijų zonų plokštelė gali sukurti paprastą tiesinį nuolydį. Penkių arba septynių zonų plokštelė leidžia kurti sudėtingesnius profilius, tokius kaip kreivė (pvz., parabolinis gradientas) arba plokščia centrinė sritis su stačiais kraštais. Daugumai pramoninių procesų pakanka trijų iki penkių zonų. Kiekviena papildoma zona padidina valdiklio sudėtingumą ir kainą.
Praktiniai atrankos kriterijai
Nurodant gradiento šildymo plokštę, reikia apibrėžti šiuos parametrus:
Gradiento tipas: linijinė, parabolinė arba tinkinta forma.
Gradiento dydis: Temperatūros skirtumas atstumo vienetui (pvz., 5 laipsniai virš 100 mm).
Absoliutus temperatūros diapazonas: Minimali ir maksimali temperatūra visoje plokštelėje.
Gradiento stabilumas: leistinas poslinkis laikui bėgant (pvz., ±0,5 laipsnio bet kuriuo momentu per 1 valandą).
Plokštelės dydis ir kraštinių santykis: Didesnėms plokštelėms reikia daugiau zonų.
Proceso aplinka: Atviras oras, vakuumas arba inertinės dujos (turi įtakos krašto šilumos nuostoliams).
Specifikacijos pavyzdys
Įprastas reikalavimas gali būti toks: "Nerūdijančio plieno plokštė, 300 mm × 300 mm, su penkiomis nepriklausomai valdomomis zonomis, išdėstytomis linijiškai. Zonos nustatytos vertės: 100, 120, 140, 120, 100 laipsnių, kad būtų sukurtas simetriškas gradientas, kurio smailė centre. Didžiausia krašto galia nuo idealaus laipsnio ± 1 laipsnio gradientas: 1 laipsnis. interpoliacija tarp nustatytų verčių, išmatuotų paviršiuje pastoviomis būsenos sąlygomis.
Išvada: inžinerinio nevienodumo menas
Gradiento kaitinimo plokštelė yra sudėtingas, kelių zonų šiluminis prietaisas,{0}}įrankis, sukuriantis apgalvotą, kontroliuojamą šiluminį nuolydį sudėtingiausioms ir specifinėms medžiagų apdorojimo užduotims atlikti. Padalijus plokštę į nepriklausomai valdomas zonas, atskirtas šiluminėmis pertraukomis, naudojant mažo laidumo medžiagą, pvz., nerūdijantį plieną, ir kompensuojant krašto šilumos nuostolius, galima pasiekti tikslų ir pakartojamą temperatūros gradientą. Pažangiausia gamyba kartais reikalauja visiškai nevienodo karščio, o kelių zonų gradiento plokštelė užtikrina būtent tai.
