Kako oblikovati grelno ploščo z integriranim tekočinskim hlajenjem za toplotno kroženje?

Številni proizvodni procesi-sušenje kompozitov, toplotno oblikovanje, testiranje polprevodnikov-zahtevajo ploščo, ki lahko hitro segreje del in ga nato hitro ohladi, da se material strdi. Ena sama plošča z električnimi grelnimi elementi in notranjimi kanali za hlajenje s tekočino zagotavlja to zmogljivost, vendar mora zasnova skrbno obvladovati toplotne napetosti in tesnjenje tekočine. Optimiziranozasnova grelne in hladilne ploščeuravnoteži enakomernost ogrevanja, odzivni čas hlajenja in dolgoročno-mehansko celovitost. Ta vodnik opisuje konstrukcijo, izzive pri načrtovanju, izbire materialov in strategije postavitve za takšne plošče z dvojno{2}}funkcijo.

Tipična konstrukcija grelne-hladilne plošče

Kombinirana grelna in hladilna plošča je običajno izdelana iz enega bloka aluminija ali jekla. Dva neodvisna toplotna kroga sta integrirana v isto ploščo:

Električni grelni elementi– Kartušni ali cevni grelniki se vstavijo v izvrtane slepe luknje. Druga možnost je, da se grelniki iz jedkane folije prilepijo na zadnjo površino za tanjše plošče.

Kanali za hlajenje s tekočino– Izvrtani ali rezkani prehodi so urejeni za prenos hladilne tekočine (vode ali mešanice vode-glikola) skozi ploščo.

Delovna površina (ploskev, ki se dotika dela) sprejema toploto od elementov in jo prenaša na breme. Med fazo hlajenja hladilna tekočina absorbira toploto s plošče in jo odnaša ter hitro zniža temperaturo delovne površine.

Pri tipični-razporeditvi preseka (opisani v besedilu) je plošča razdeljena na tri funkcionalna območja od delovne površine navzdol:

Delovna površinska plast– Debelina 5–15 mm, ne vsebuje grelcev ali kanalov. Ta plast zagotavlja enakomerno porazdelitev temperature na kontaktni površini.

Grelna cona– Kartušni grelniki so nameščeni v ravnini, ki je vzporedna z delovno površino, običajno 10–25 mm pod njo. Grelniki so enakomerno razporejeni (pogosto v mreži ali zamaknjenem vzorcu).

Območje hladilnega kanala– Izvrtani kanali so nameščeni 5–15 mm pod grelniki (dlje od delovne površine) ali v nekaterih izvedbah vstavljeni med grelne vrste. Kanali so običajno premera 6–15 mm.

Natančen vrstni red je odvisen od tega, ali je bolj kritična hitrost ogrevanja ali hitrost hlajenja. Za aplikacije, ki zahtevajo zelo hitro hlajenje, so lahko kanali nameščeni bližje delovni površini kot grelniki, čeprav lahko to povzroči temperaturne ne-enakomernosti med segrevanjem.

Oblikovalski izzivi in ​​rešitve

1. Upravljanje toplotne ekspanzije

Plošča se pri segrevanju razširi in pri ohlajanju skrči. V ponavljajočih se termičnih ciklih (npr. 20 stopinj do 200 stopinj in nazaj) diferencialna ekspanzija med materialom plošče in vgrajenimi komponentami ustvarja napetosti. Kartušni grelniki, ki so obloženi z jeklenim-plaščem, se širijo z drugačno hitrostjo kot aluminijasta plošča.

Strategije oblikovanja:

Kartušni grelniki so nameščeni z rahlim odmikom (običajno 0,05–0,10 mm premera reže) in so prevlečeni z visoko{2}}temperaturno proti-sprijemno ali toplotno prevodno pasto. To omogoča grelniku, da rahlo zdrsne znotraj svoje luknje, ko se plošča razširi.

Hladilni kanali so nameščeni stran od grelnih lukenj, da se preprečijo tanke stene, ki bi lahko počile pod ciklično obremenitvijo. Priporočljiva je najmanjša debelina stene 3–5 mm med katero koli luknjo in drugim elementom (grelno odprtino ali kanalom).

Plošča je -razbremenjena (toplotno obdelana) po strojni obdelavi, vendar pred končno montažo grelnikov. To zmanjša preostale napetosti, ki lahko povzročijo zvijanje ali razpoke.

Pri aplikacijah termičnega cikla je plošča omejena tudi s pritrdilnimi vijaki. Pritrdilne luknje z režami ali skladne podložke se uporabljajo, da se plošča lahko bočno razširi brez upogibanja.

2. Tesnjenje tekočine

Hladilni kanali morajo biti -tesni, da preprečite, da bi hladilno sredstvo prišlo v stik z električnimi grelniki ali ušlo iz plošče. Puščanje tudi poslabša toplotno zmogljivost. Uporabljata se dve pogosti metodi tesnjenja:

Izvrtani in zamašeni kanali:
Kanale izvrtamo z roba plošče z dolgimi svedri. Po vrtanju so odprti konci zatesnjeni z navojnimi čepi (s PTFE trakom ali navojnim tesnilom) ali z privarjenimi pokrovi. Ta metoda proizvaja monoliten blok brez zunanjih tesnil. Je zelo zanesljiv, vendar omejuje geometrijo kanala na ravne črte.

Navzkrižna-križišča:
Kadar je potrebna mreža medsebojno povezanih kanalov (npr. serpentinast vzorec), se na površini zamašijo križne{2}}luknje. Vsak čep je potencialna točka puščanja. Uporabljajo se -O-obročki za visoke temperature (npr. iz vitona ali silikona) ali konični cevni navoji. Za kritične aplikacije so vsi čepi po namestitvi privarjeni ali spajkani.

Priključki za dovod in odvod hladilne tekočine:
Na ploščo so pritrjeni nastavki iz nerjavečega jekla ali medenine, navojni priključki NPT ali hitre-spojke. Tesnjenje se doseže z O-obročki ali stožčastimi navoji. Uravnotežena zasnova zagotavlja celovitost puščanja za tlake do 10 barov (150 psi) in temperature od -20 stopinj do 150 stopinj (za vodo-glikol) ali višje s posebnimi hladilnimi tekočinami.

3. Toplotni zamik med ogrevanjem in hlajenjem

Odziv na hlajenje je sam po sebi počasnejši od ogrevanja, ker sta pretok hladilne tekočine in koeficient prenosa toplote končna. Če so hladilni kanali nameščeni predaleč od delovne površine, se bo plošča predolgo ohladila, kar bo podaljšalo čas cikla.

Zmanjšanje toplotnega zamika:

Hladilni kanali so nameščeni čim bližje delovni površini, pri čemer ostane dovolj debel material, da se prepreči deformacija. Značilna je globina 10–20 mm od delovne površine do najbližjega roba kanala.

Gostota kanalov se poveča (manjši razmik, npr. 25–40 mm med kanali), da se zmanjša največja dolžina toplotne poti.

Spodbujevalci turbulence (npr. vložki zvitega traku ali hrapave površine kanalov) povečajo koeficient prenosa toplote na-strani hladilne tekočine in zmanjšajo zamik, ne da bi približali kanale.

Pomembno je upoštevati, da lahko namestitev hladilnih kanalov preblizu grelnih elementov povzroči motnje. Če kanal poteka neposredno ob kartušnem grelniku, bo hladilna tekočina med fazo ogrevanja odvzela toploto, zmanjšala učinkovitost in ustvarila hladno mesto. V praksi so kanali speljani med vrstami grelnikov, ne neposredno ob posameznih grelnikih.

Izbira materiala: aluminij proti jeklu

Aluminij je prednosten za večino grelnih-in-hladilnih plošč, ker njegova visoka toplotna difuzivnost omogoča hitre spremembe temperature. Aluminijasta plošča debeline 25 mm se bistveno hitreje odzove na postopno spremembo moči grelnika ali pretoka hladilne tekočine kot enakovredna jeklena plošča. Vendar pa aluminij izgubi trdnost nad 150 stopinj in lahko lezi pod dolgotrajno obremenitvijo. Za aplikacije nad 200 stopinj je kljub počasnejšemu toplotnemu odzivu potrebno jeklo ali nerjavno jeklo.

Pri uporabi nerjavečega jekla mora biti zasnova hladilnega kanala veliko bolj agresivna (manjša razdalja, večji pretok), da se kompenzira nizka toplotna prevodnost.

Izbira hladilne tekočine in integracija sistema

Za toplotno kroženje med sobno in običajno temperaturo obdelave (0–150 stopinj) je standardna mešanica deionizirane vode in etilenglikola ali propilenglikola. Koncentracija glikola je izbrana glede na najnižjo pričakovano temperaturo okolja (npr. 30 % glikola za zaščito pred zmrzovanjem -15 stopinj). Glikol tudi zavira korozijo aluminija in jekla.

Zahteve za pretok hladilne tekočine:
Potreben pretok se izračuna iz moči hlajenja (stopnja odvajanja toplote) in dovoljenega dviga temperature hladilne tekočine. Za tipično ploščo so običajni pretoki 5–20 L/min na mrežo kanalov. Uporablja se namenski hladilnik ali izmenjevalnik toplote z obtočno črpalko. Temperatura hladilne tekočine se krmili ločeno od krmiljenja grelnika.

Integracija z nadzornim sistemom:
Plošča zahteva nadzorni sistem, ki preklaplja med načinoma ogrevanja in hlajenja. Dva pogosta pristopa:

Pok-pok nadzor– Grelniki so izklopljeni in elektromagnetni ventil odpre pretok hladilne tekočine. Enostavno, vendar lahko preseže ali oscilira.

PID s hladilno močjo– PID regulator ima dva izhoda: enega za moč grelnika (prek SSR) in enega za modulacijski ventil hladilne tekočine ali hitrost črpalke. To zagotavlja gladke prehode in strog nadzor temperature.

V obeh primerih varnostna zapora preprečuje vklop grelnikov, medtem ko je hladilna tekočina izklopljena in je plošča nad varno temperaturo (da preprečite pregrevanje stoječe hladilne tekočine).

Primer postavitve: grelniki kartuš s kačastimi hladilnimi kanali

Razmislite o kvadratni plošči 400 mm × 400 mm za termooblikovanje termoplastičnih plošč. Zahteve: segrejte na 180 stopinj v 5 minutah, ohladite na 50 stopinj v 8 minutah. Debelina plošče: 40 mm (aluminij 6061).

Postavitev grelnika:

Kartušne grelnike (premer 10 mm, dolžina 300 mm, vsak po 500 W) vstavimo v slepe luknje s hrbtne strani.

Luknje za grelnike so razporejene v mrežnem vzorcu: 6 vrstic × 6 stolpcev (skupno 36 grelnikov). Razmik: 65 mm med središči.

Konice grelca so nameščene 15 mm od nasprotne (delovne) strani.

Postavitev hladilnega kanala:

Serpentinasto kanalsko omrežje je izvrtano z eno samo neprekinjeno potjo. Premer kanala: 12 mm.

Kanali se nahajajo 20 mm pod delovno površino (tj. 20 mm od zgornje ploskve, z grelci 25 mm pod delovno površino – grelci so pri tej izvedbi dejansko 5 mm pod kanali, zato so kanali bližje delovni površini).

Razmik med kanali (od sredine-do-centra) je 65 mm, poravnan z režami med grelnimi vrstami. Noben kanal ne poteka neposredno preko grelnika.

Vhodni in odvodni priključki so nameščeni na robu plošče.

Prečni-opis preseka (besedilni diagram):

Od delovne površine navzdol (navpična razdalja):

0–15 mm: Trden aluminij (brez posebnosti) – zagotavlja enakomerno površinsko temperaturo.

15–27 mm: Hladilni kanali (premer 12 mm) s središčem na globini 21 mm.

27–35 mm: Masivni aluminijasti ločevalni kanali od grelnikov.

35–45 mm: luknje za grelnik kartuše (premer 10 mm), centrirane na globini 40 mm (s hrbtne strani). Grelniki so vstavljeni od spodaj.

Ta razporeditev postavi hladilne kanale 6 mm bližje delovni površini kot grelniki, kar omogoča hitro hlajenje. Med segrevanjem se nekaj toplote vodi proti kanalom, vendar trdna aluminijasta plast pod njimi in izključeno hladilno sredstvo (brez pretoka) zmanjšujeta izgubo. Ko se začne hlajenje, steče hladilna tekočina in odvaja toploto delovni površini skozi tanko 15 mm trdno plast.

Dodatni premisleki za visoko{0}}ciklične aplikacije

Življenjska doba toplotne utrujenosti– Vsak cikel segrevanja-hlajenja povzroči napetost v materialu plošče. Aluminij ima dobro odpornost na toplotno utrujenost do približno 10.000 ciklov med 20 in 200 stopinjami. Za večje število ciklov se priporoča jeklo ali inconel.

Električna izolacija – If the plate is used in contact with sensitive electronics (e.g., semiconductor test), the plate should be grounded and the heaters should have high insulation resistance (>10 megaomov). Priporočljiv je sistem za odkrivanje ozemljitvene napake.

Ravnost površine– Toplotno kroženje lahko povzroči postopno zvijanje. Ploščo je treba redno preverjati in ponovno nanesti površino, če ravnost presega 0,05 mm po delovnem območju.

Zaključek

Integrirane grelne in hladilne plošče omogočajo hitre čase ciklov v procesih, ki zahtevajo tako hitro segrevanje kot nadzorovano hlajenje. Uravnoteženzasnova grelne in hladilne ploščeupravlja toplotno raztezanje, tesnjenje tekočine in toplotno zakasnitev. Aluminij je prednosten zaradi hitre toplotne odzivnosti, medtem ko je jeklo izbrano za višje temperature ali večjo vzdržljivost. Kartušni grelniki zagotavljajo robustne, zamenljive vire toplote, izvrtani hladilni kanali (z ustreznimi čepi in priključki) pa zagotavljajo zanesljivo hlajenje s tekočino. Razporeditev grelnikov in kanalov mora biti optimizirana za posebne zahteve cikla, pri čemer so kanali nameščeni bližje delovni površini za hitrejše hlajenje. Toplotne rešitve po meri so bistvenega pomena za zahtevne proizvodne cikle, dobro-zasnovana ogrevalna-hladilna plošča pa lahko zagotovi na tisoče zanesljivih ciklov, ko je pozornost namenjena obvladovanju napetosti in izbiri materiala.