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

V številnih proizvodnih procesih, kot so utrjevanje kompozitov, termooblikovanje in testiranje polprevodnikov, je potrebna plošča, ki lahko hitro segreje predmet in nato hitro ohladi, da se material strdi. To se naredi z eno ploščo, ki ima tako električne grelne elemente kot notranje kanale za hlajenje s tekočino, vendar zasnova zahteva skrbno upravljanje toplotnih napetosti in tesnjenje tekočine. Optimalna zasnova grelne in hladilne plošče uravnoteži lastnosti enakomernosti ogrevanja, odzivnega časa hlajenja in dolgoročne-mehanske celovitosti. Ta vodnik razpravlja o tem, kako so izdelane plošče z dvojno-funkcijo, o težavah pri načrtovanju, uporabljenih materialih in zamislih za postavitev.

Grelna-hladilna plošča, tipična konstrukcija
Tipična kombinirana grelna in hladilna plošča je strojno izdelana iz enega samega kosa aluminija ali jekla. Dve različni toplotni vezji, integrirani na isti plošči:

Električni grelni elementi Kartušni grelniki ali cevni grelniki so vstavljeni v izvrtane slepe luknje. Druga možnost je, da tanjše plošče uporabljajo grelnike z jedkano folijo, ki so prilepljeni na hrbtno površino.

Kanali za tekoče hlajenje - Hladilno sredstvo (voda ali mešanica vodo-glikola) kroži skozi izvrtane ali rezkane prehode znotraj plošče.

Elementi segrevajo delovno površino (ploskev v stiku z delom), delovna površina pa predaja toploto bremenu. V načinu hlajenja hladilna tekočina absorbira toploto s plošče in jo odvaja, kar hitro zniža temperaturo delovne površine.

V značilnem prerezu (podan v besedilu) je plošča od delovne površine navzdol razdeljena na 3 funkcionalne cone:

Delovna površina sloja – debeline 5-15 mm, brez grelcev in kanalov. Ta plast zagotavlja homogeno porazdelitev temperature na kontaktni površini.

Grelna cona - Kartušni grelci so nameščeni v ravnini, ki je vzporedna z delovno površino, običajno 10–25 mm pod delovno površino. Grelniki so enakomerno porazdeljeni (običajno v mreži ali zamaknjeni izvedbi).

Cona hladilnih kanalov - Izvrtane kanale postavimo 5–15 mm pod grelnike (dlje od delovne površine) ali v določenih konfiguracijah vstavimo med vrste grelnikov. Kanali imajo običajno premer 6–15 mm.

Natančen vrstni red je odvisen od tega, ali je pomembnejša - hitrost ogrevanja ali hitrost hlajenja. Pri aplikacijah, kjer je potrebno zelo hitro hlajenje, so lahko kanali nameščeni bližje delovni površini kot grelniki, vendar lahko to povzroči temperaturne ne-enakomernosti med segrevanjem.

Oblikovalski izzivi in ​​rešitve
1. Nadzor toplotnega raztezanja
Tako se plošča pri segrevanju razširi. Ko se ohladi, se skrči. Zaradi diferencialne ekspanzije materiala plošče in vgrajenih komponent pride do napetosti v več temperaturnih ciklih (npr. . 20 stopinj do 200 stopinj in nazaj). Kartušni grelniki so obloženi z jeklom in se širijo z drugačno hitrostjo kot aluminijasta plošča.

Oblikovalske strategije.

Kartušni grelniki so opremljeni z majhno zračnostjo (običajno reža premera 0,05-0,10 mm) in prekriti z visoko{2}}temperaturno pasto proti zaslepljenju ali toplotno prevodno pasto. To omogoča grelniku, da se rahlo premakne v svoji luknji, ko se plošča razširi.

Hladilni kanali niso poravnani z luknjami grelnika, da preprečijo tanke stene, ki se lahko razbijejo pod ciklično obremenitvijo. Priporočljivo je, da je debelina stene med katero koli luknjo in elementom (grelno luknjo ali kanalom) najmanj 3-5 mm.

Po strojni obdelavi, vendar pred končno montažo grelnika, je plošča razbremenjena (toplotno obdelana). To zmanjša preostale napetosti, ki lahko povzročijo zvijanje ali razpoke.

Pri aplikacijah toplotnega cikla je plošča pritrjena tudi s pritrdilnimi vijaki. Zahvaljujoč združljivim podložkam ali luknjam za montažo z režami se plošča lahko raztegne stransko brez upogiba.

2. Tesnilo tekočine
Hladilni kanali morajo biti neprepustni, da preprečite stik hladilne tekočine z električnimi grelniki ali puščanje iz plošče. Puščanje vpliva tudi na toplotno učinkovitost. Uporabljata se dve tipični metodi tesnjenja:

Izvrtane in zapolnjene luknje:
Dolgi svedri se uporabljajo za vrtanje kanalov z roba plošče. Odprti konci se nato po vrtanju zaprejo z navojnimi čepi (PTFE trak ali tesnilo za navoje) ali z privarjenimi pokrovi. Rezultat tega pristopa je monoliten blok brez zunanjega tesnjenja. Je precej zanesljiv, čeprav omejuje geometrijo kanalov na ravne črte.

Križno-izvrtana stičišča:
Če je vzorec serpentinast in zato zahteva mrežo medsebojno povezanih kanalov, se navzkrižno izvrtane luknje zaprejo na površini. Vsak čep je možno puščanje. Uporabljajo visokotemperaturne O-obroče (kot so Viton ali silikon) ali stožčaste cevne navoje. Za pomembne aplikacije so vsi čepi po namestitvi privarjeni ali spajkani.

Priključki za dovod in odvod hladilne tekočine:
Plošča je dobavljena z nastavki iz nerjavečega jekla ali medenine, navojnimi odprtinami NPT ali hitrimi spojkami. Tesnjenje se izvede z O-obročki ali s 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, s čimer zmanjšajo zamik brez približevanja kanalov.

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

Izbira materiala: aluminij proti jeklu
Toplotna prevodnost materiala (W/m·K) Toplotna difuzivnost (mm²/s) Relativna toplotna odzivna moč pri visoki temperaturi Odpornost proti koroziji
Aluminij (6061-T6) 167 68 Hitro Zmerno (zmanjša nad 150 stopinj) Zmerno (eloksiran izboljša)
Jeklo (A36) 45 12 Počasno Visoko (do 400 stopinj +) Nizko (rjavi, zahteva premaz)
Nerjavno jeklo (304) 16 4.2 Zelo počasno Visoko (do 500 stopinj +) Odlično
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:

Bang-bang control – grelniki se izklopijo in elektromagnetni ventil odpre pretok hladilne tekočine. Enostavno, vendar lahko preseže ali oscilira.

PID s hladilnim izhodom – PID krmilnik 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 odvaja 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 zaradi 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.

Electrical isolation – 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 – termično kroženje lahko povzroči postopno zvijanje. Ploščo je treba redno preverjati in ponovno nanesti površino, če ravnost presega 0,05 mm na delovnem območju.

Zaključek
Integrirane grelne in hladilne plošče omogočajo hitre čase ciklov v procesih, ki zahtevajo tako hitro segrevanje kot nadzorovano hlajenje. Uravnotežena zasnova grelne in hladilne plošče obvladuje toplotno raztezanje, tesnjenje tekočine in toplotni zamik. 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 in dobro-zasnovana ogrevalna-hladilna plošča lahko zagotovi na tisoče zanesljivih ciklov, ko je pozornost namenjena obvladovanju napetosti in izbiri materiala.