Έρευνα σχετικά με την ελαφρύνση των ψυκτικών πλακών

Εν μέσω εντεινόμενου ανταγωνισμού στην αγορά, τα περιθώρια κέρδους για τα ψυγεία πλάκας-πτερυγίου μειώνονται. Ορισμένοι συμβατικοί τύποι ψυγείων τιμολογούνται ακόμη και με βάση το βάρος. Για να αυξηθεί η κερδοφορία, οι εταιρείες χρησιμοποιούν κάθε δυνατή μέθοδο για τη μείωση του βάρους των προϊόντων ως μέσο μείωσης του κόστους. Ο πυρήνας ενός ψυγείου είναι η δομή του πυρήνα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η οποία αντιπροσωπεύει έως και το 80% του συνολικού βάρους. Επομένως, η μείωση του βάρους του πυρήνα γίνεται κρίσιμο μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού για την ελαφρότητα. Πώς, λοιπόν, μπορεί να γίνει ο πυρήνας ελαφρύτερος;

                                           Σχήμα 1: Διάγραμμα Δομής Ψυγείου

Ο πυρήνας, που λειτουργεί ως η καρδιά του εναλλάκτη θερμότητας, αποτελείται από πτερύγια, επικαλυμμένα φύλλα και μπάρες στεγανοποίησης. Μια βασική μονάδα σχηματίζεται τοποθετώντας ένα πτερύγιο σε ένα επικαλυμμένο φύλλο, καλύπτοντάς το με ένα άλλο επικαλυμμένο φύλλο και σφραγίζοντας τις πλευρές με μπάρες στεγανοποίησης, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 2. Ο πυρήνας ενός εναλλάκτη θερμότητας πλάκας-πτερυγίου συναρμολογείται από πολλές τέτοιες βασικές μονάδες. Με βάση αυτή τη δομή πυρήνα, η επίτευξη μείωσης βάρους απαιτεί τον ελαφρύ σχεδιασμό των συστατικών του μερών: μπάρες στεγανοποίησης, διαχωριστικές πλάκες και πτερύγια.

                                         Σχήμα 2: Βασική Μονάδα της Δομής Πυρήνα

Οι μπάρες στεγανοποίησης βρίσκονται και στις δύο πλευρές κάθε διόδου ροής σε έναν εναλλάκτη θερμότητας πλάκας-πτερυγίου. Έχουν διάφορες δομικές μορφές, με κοινά πλάτη που κυμαίνονται από 6 έως 10 mm. Ένα μικρότερο πλάτος οδηγεί σε χαμηλότερο βάρος, αλλά μπορεί επίσης να επηρεάσει το ποσοστό επιτυχίας της συγκόλλησης. Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται συνήθως κοίλες μπάρες στεγανοποίησης για τη μείωση του βάρους, διατηρώντας επαρκή περιοχή συγκόλλησης.

Τα επικαλυμμένα φύλλα είναι οι επίπεδες μεταλλικές πλάκες που βρίσκονται μεταξύ δύο στρωμάτων πτερυγίων, γνωστές και ως επικαλυμμένα φύλλα διπλής όψης. Αποτελούνται από ένα βασικό κράμα (συνήθως κράμα αλουμινίου-μαγγανίου) επικαλυμμένο στη μία ή και στις δύο πλευρές με ένα κράμα πληρωτικό συγκόλλησης. Κατά τη διαδικασία συγκόλλησης, αυτό το πληρωτικό κράμα λιώνει, συνδέοντας τα πτερύγια και τις επίπεδες πλάκες σε ένα ενιαίο σύνολο. Το πληρωτικό κράμα είναι γενικά ένα κράμα αλουμινίου-πυριτίου που περιέχει 5~12% πυρίτιο, με σημείο τήξης συνήθως περίπου 40°C χαμηλότερο από αυτό του βασικού υλικού. Επί του παρόντος, το πάχος των επικαλυμμένων φύλλων έχει μειωθεί από 0,8 mm σε 0,5 mm. Περαιτέρω μείωση περιορίζεται από τις απαιτήσεις αντοχής στην πίεση και τις τρέχουσες δυνατότητες της διαδικασίας. Σε απαιτητικές εφαρμογές όπως η αεροδιαστημική και η οικονομία χαμηλού υψομέτρου, το πάχος των επικαλυμμένων φύλλων έχει μειωθεί σε 0,45 mm ή ακόμη και 0,4 mm, αν και αυτό επιβάλλει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις στη διαδικασία συγκόλλησης.

Τα πτερύγια είναι το πιο θεμελιώδες στοιχείο ενός εναλλάκτη θερμότητας πλάκας-πτερυγίου, υπεύθυνα κυρίως για τη μεταφορά θερμότητας. Συνήθως κατασκευάζονται είτε με μεθόδους κοπής είτε με μεθόδους διαμόρφωσης με κύλιση. Στην παραγωγή, τα πτερύγια με χαμηλότερο ύψος και μεγαλύτερη απόσταση παράγονται γενικά με διαμόρφωση με κύλιση (χρησιμοποιώντας μηχανή διαμόρφωσης με κύλιση), ενώ τα πτερύγια με μεγαλύτερο ύψος και μικρότερη απόσταση παράγονται συνήθως με κοπή (χρησιμοποιώντας μηχανή κυματοειδούς διαμόρφωσης). Η κοπή προσφέρει χαμηλότερη αποδοτικότητα παραγωγής σε σύγκριση με την υψηλότερη αποδοτικότητα της διαμόρφωσης με κύλιση. Τα κοινά πάχη φύλλων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται είναι 0,15 mm, 0,17 mm και 0,2 mm.

Επί του παρόντος, τα ψυγεία έχουν επιτύχει σε μεγάλο βαθμό πλήρη κατασκευή αλουμινίου. Το φύλλο αλουμινίου που χρησιμοποιείται για τα πτερύγια γίνεται προοδευτικά λεπτότερο, με επικρατούν πάχος 0,17 mm επί του παρόντος, φτάνοντας μερικές φορές τα 0,15 mm. Σε μικρότερες συναρμολογήσεις πυρήνα, το πάχος του φύλλου μπορεί να φτάσει ακόμη και τα 0,12 mm. Καθώς το πάχος του φύλλου των πτερυγίων μειώνεται, η αντίστασή του στην παραμόρφωση εξασθενεί. Η συγκόλληση σε κενό περιλαμβάνει θερμοκρασίες πολύ κοντά στο σημείο τήξης του υλικού, καθιστώντας το υλικό επιρρεπές σε μαλάκυνση και παραμόρφωση. Κατάρρευση του πυρήνα και παραμόρφωση που οδηγεί σε απόρριψη μπορεί να συμβεί κατά τη διαδικασία συγκόλλησης σε υψηλή θερμοκρασία, η οποία αποτελεί σημαντική αιτία μαλάκυνσης των πτερυγίων. Με βάση τις τρέχουσες δυνατότητες συγκόλλησης σε κενό, το βιομηχανικό πρότυπο πάχος είναι 0,17 mm, με 0,15 mm να είναι εφικτό για μικρότερους πυρήνες. Γίνονται πειραματικές προσπάθειες για περαιτέρω μείωση του πάχους των πτερυγίων σε 0,12 mm, αλλά αυτό εφαρμόζεται επί του παρόντος μόνο σε κρίσιμες για το βάρος αεροδιαστημικές εφαρμογές και δεν έχει ακόμη υιοθετηθεί ευρέως στη βιομηχανία.

Οι προηγμένες διαδικασίες κατασκευής είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη ελαφρών σχεδίων.

Τεχνολογία Συγκόλλησης σε Κενό: Αυτή είναι μια βασική διαδικασία για την κατασκευή ψυγείων αλουμινίου πλάκας-πτερυγίου. Επιτρέπει μεταλλουργική σύνδεση μεταξύ πτερυγίων και διαχωριστικών πλακών σε περιβάλλον κενού χωρίς την ανάγκη ροής, με αποτέλεσμα μια ισχυρή, καθαρή, στεγανή ενιαία δομή.

Συνεχής Συγκόλληση Noclock: Η μετάβαση από τη συγκόλληση σε κενό στη συνεχή συγκόλληση Noclock διερευνάται ως μέσο μείωσης του κόστους.

Η επιλογή διαφορετικών τύπων πτερυγίων (όπως απλά, οδοντωτά ή κυματιστά) επιτρέπει την εξισορρόπηση της απαγωγής θερμότητας, της ταχύτητας ροής και της πτώσης πίεσης. Για παράδειγμα, τα οδοντωτά πτερύγια ενισχύουν τη μεταφορά θερμότητας διαταράσσοντας το θερμικό όριο. Ορισμένα κορυφαία στην αγορά εξαιρετικά λεπτά ψυγεία πλήρως αλουμινίου χρησιμοποιούν ιδιόκτητες δομές προώθησης στροβιλισμού επίπεδων σωλήνων και πυκνές διαμορφώσεις πτερυγίων για τη βελτίωση της απόδοσης ανταλλαγής θερμότητας.

Η τεχνολογική ανάπτυξη συνεχίζει να εστιάζει στην περαιτέρω μείωση του βάρους. Για παράδειγμα, ορισμένες πατέντες προτείνουν το σχεδιασμό αυλακώσεων σχήματος V και προεξοχών σε κοντές μπάρες στεγανοποίησης για τη μείωση του βάρους των εξαρτημάτων, διατηρώντας παράλληλα την αντοχή, προωθώντας έτσι την ελαφρότητα των ψυγείων.