Πώς να σχεδιάσετε μια πλάκα θέρμανσης με ενσωματωμένη υγρή ψύξη για θερμική ανακύκλωση;

Σε διάφορες διαδικασίες κατασκευής, όπως η σύνθετη σκλήρυνση, η θερμοδιαμόρφωση και η δοκιμή ημιαγωγών, απαιτείται μια πλάκα που μπορεί να θερμάνει γρήγορα το αντικείμενο και στη συνέχεια να κρυώσει γρήγορα για να σταθεροποιηθεί το υλικό. Αυτό γίνεται με μια ενιαία πλάκα που έχει τόσο ηλεκτρικά στοιχεία θέρμανσης όσο και εσωτερικά κανάλια ψύξης υγρών, αλλά ο σχεδιασμός απαιτεί προσεκτική διαχείριση των θερμικών τάσεων και στεγανοποίηση υγρών. Ο βέλτιστος σχεδιασμός της πλάκας θέρμανσης και ψύξης εξισορροπεί τις ιδιότητες της ομοιομορφίας θέρμανσης, του χρόνου απόκρισης ψύξης και της μακροπρόθεσμης μηχανικής ακεραιότητας. Αυτός ο οδηγός περιγράφει πώς κατασκευάζονται αυτές οι-πλακές διπλής λειτουργίας, τα ζητήματα σχεδιασμού, τα υλικά που χρησιμοποιούνται και οι ιδέες διάταξης.

Θέρμανση-πλάκα ψύξης, τυπική κατασκευή του
Ένας τυπικός συνδυασμός πλάκας θέρμανσης και ψύξης κατασκευάζεται από ένα μόνο κομμάτι αλουμινίου ή χάλυβα. Δύο ξεχωριστά θερμικά κυκλώματα ενσωματωμένα στην ίδια πλάκα:

Ηλεκτρικά στοιχεία θέρμανσης Οι θερμαντήρες φυσιγγίων ή οι σωληνωτές θερμάστρες τοποθετούνται σε τυφλές τρύπες. Εναλλακτικά, οι πιο λεπτές πλάκες μπορούν να χρησιμοποιούν θερμαντήρες με χαραγμένο φύλλο κολλημένου στην πίσω επιφάνεια.

Κανάλια υγρής ψύξης - Ένα ψυκτικό υγρό (νερό ή νερό-μείγμα γλυκόλης) κυκλοφορεί μέσω διάτρητων ή αλεσμένων διόδων εντός της πλάκας.

Τα στοιχεία θερμαίνουν την επιφάνεια εργασίας (το πρόσωπο σε επαφή με το εξάρτημα) και η επιφάνεια εργασίας μεταφέρει τη θερμότητα στο φορτίο. Στη λειτουργία ψύξης, το ψυκτικό απορροφά θερμότητα από την πλάκα και την αφαιρεί, μειώνοντας γρήγορα τη θερμοκρασία της επιφάνειας εργασίας.

Σε μια τυπική διατομή (που δίνεται στο κείμενο) η πλάκα χωρίζεται σε 3 λειτουργικές ζώνες από την επιφάνεια εργασίας προς τα κάτω:

Στρώμα επιφάνειας εργασίας – πάχους 5-15 mm, χωρίς θερμάστρες και κανάλια. Αυτό το στρώμα δίνει ομοιογενή κατανομή θερμοκρασίας στην επιφάνεια επαφής.

Ζώνη θέρμανσης - Οι θερμαντήρες φυσιγγίων τοποθετούνται στο επίπεδο παράλληλα με την επιφάνεια εργασίας, γενικά 10–25 mm κάτω από την επιφάνεια εργασίας. Οι θερμάστρες κατανέμονται ομοιόμορφα (συνήθως σε πλέγμα ή κλιμακωτό σχέδιο).

Ζώνη καναλιών ψύξης - Τα διάτρητα κανάλια τοποθετούνται 5–15 mm κάτω από τις θερμάστρες (πιο μακριά από την επιφάνεια εργασίας) ή σε ορισμένες διαμορφώσεις που παρεμβάλλονται μεταξύ σειρών θερμαντικών σωμάτων. Τα κανάλια έχουν συνήθως διάμετρο 6–15 mm.

Η ακριβής σειρά εξαρτάται από το αν είναι πιο σημαντικός ο ρυθμός θέρμανσης - ή ο ρυθμός ψύξης. Σε εφαρμογές όπου απαιτείται πολύ γρήγορη ψύξη, τα κανάλια μπορούν να βρίσκονται πιο κοντά στην επιφάνεια εργασίας από ό,τι οι θερμαντήρες, ωστόσο αυτό μπορεί να προκαλέσει ανομοιομορφίες θερμοκρασίας κατά τη θέρμανση.

Σχεδιαστικές Προκλήσεις & Λύσεις
1. Έλεγχος θερμικής διαστολής
Έτσι όταν θερμαίνεται η πλάκα διαστέλλεται. Όταν κρυώσει συστέλλεται. Λόγω της διαφορικής διαστολής του υλικού της πλάκας και των ενσωματωμένων εξαρτημάτων προκαλούνται παραμορφώσεις σε πολλαπλούς κύκλους θερμοκρασίας (π.χ.. 20 μοίρες έως 200 μοίρες και αντίστροφα). Οι θερμαντήρες φυσιγγίων είναι επενδυμένοι από χάλυβα και επεκτείνονται με διαφορετικό ρυθμό από μια πλάκα αλουμινίου.

Στρατηγικές σχεδίασης.

Οι θερμαντήρες φυσιγγίων είναι εφοδιασμένοι με ένα μικρό διάκενο (συνήθως διάκενο διαμέτρου 0,05-0,10 mm) και καλύπτονται με αντικολλητική ή θερμικά αγώγιμη πάστα υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό επιτρέπει στον θερμαντήρα να μετακινηθεί ελαφρά στην τρύπα του όταν διαστέλλεται η πλάκα.

Τα κανάλια ψύξης δεν είναι ευθυγραμμισμένα με τις οπές του θερμαντήρα για να αποφευχθούν τα λεπτά τοιχώματα που ενδέχεται να σπάσουν υπό κυκλική πίεση. Προτείνεται να διατηρείται το πάχος του τοιχώματος μεταξύ οποιασδήποτε οπής και ενός στοιχείου (οπή ή κανάλι θέρμανσης) τουλάχιστον 3-5 mm.

Μετά τη μηχανική κατεργασία αλλά πριν από την τελική συναρμολόγηση του θερμαντήρα, η πλάκα μειώνεται από την τάση (θερμική επεξεργασία). Αυτό μειώνει τις υπολειπόμενες καταπονήσεις που μπορεί να προκαλέσουν στρέβλωση ή ρωγμές.

Σε εφαρμογές θερμικής ανακύκλωσης, η πλάκα συγκρατείται επίσης με μπουλόνια στερέωσης. Η πλάκα μπορεί να εκτείνεται πλευρικά χωρίς λυγισμό, χάρη στις συμβατές ροδέλες ή τις οπές στερέωσης με σχισμή.

2. Σφράγιση υγρού
Τα κανάλια ψύξης πρέπει να είναι στεγανά για να αποφευχθεί η επαφή του ψυκτικού με τους ηλεκτρικούς θερμαντήρες ή η διαρροή έξω από την πλάκα. Οι διαρροές επηρεάζουν επίσης τη θερμική απόδοση. Χρησιμοποιούνται δύο τυπικές μέθοδοι σφράγισης:

Ανοιγμένες και γεμισμένες τρύπες:
Τα μεγάλα τρυπάνια χρησιμοποιούνται για τη διάνοιξη καναλιών από την άκρη της πλάκας. Στη συνέχεια, τα ανοιχτά άκρα κλείνονται με βύσματα με σπείρωμα (ταινία PTFE ή στεγανωτικό με σπειρώματα) ή με συγκολλημένα καπάκια μετά το τρύπημα. Αυτή η προσέγγιση έχει ως αποτέλεσμα ένα μονολιθικό μπλοκ, χωρίς εξωτερική σφράγιση. Είναι αρκετά αξιόπιστο, αν και περιορίζει τις γεωμετρίες των καναλιών σε ευθείες γραμμές.

Διασταυρούμενες-διανοιμένες διασταυρώσεις:
Εάν το μοτίβο είναι οφιοειδές και ως εκ τούτου απαιτεί ένα δίκτυο διασυνδεδεμένων καναλιών, οι διασταυρούμενες-τρύπες κλείνουν στην επιφάνεια. Κάθε βύσμα είναι μια πιθανή διαρροή. Χρησιμοποιούν δακτυλίους O- υψηλής θερμοκρασίας (όπως Viton ή σιλικόνη) ή κωνικά σπειρώματα σωλήνων. Για σημαντικές εφαρμογές, όλα τα βύσματα συγκολλούνται ή συγκολλούνται στη θέση τους μετά την εγκατάσταση.

Συνδέσεις για την είσοδο και την έξοδο ψυκτικού:
Η πλάκα παρέχεται με ράβδους από ανοξείδωτο χάλυβα ή ορείχαλκο, θύρες με σπείρωμα NPT ή συνδέσμους ταχείας σύνδεσης. Η σφράγιση γίνεται με Ο-δαχτυλίδια ή με κωνικά νήματα. Ένας ισορροπημένος σχεδιασμός επιτυγχάνει ακεραιότητα διαρροής για πιέσεις έως 10 bar (150 psi) και θερμοκρασίες από -20 βαθμούς έως 150 βαθμούς (για νερό-γλυκόλη) ή υψηλότερες με εξειδικευμένα ψυκτικά.

3. Θερμική καθυστέρηση μεταξύ θέρμανσης και ψύξης
Η απόκριση ψύξης είναι εγγενώς πιο αργή από τη θέρμανση επειδή ο ρυθμός ροής του ψυκτικού και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι πεπερασμένοι. Εάν τα κανάλια ψύξης τοποθετηθούν πολύ μακριά από την επιφάνεια εργασίας, η πλάκα θα χρειαστεί υπερβολικό χρόνο για να κρυώσει, αυξάνοντας τον χρόνο κύκλου.

Ελαχιστοποίηση της θερμικής καθυστέρησης:

Τα κανάλια ψύξης τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στην επιφάνεια εργασίας, ενώ εξακολουθούν να αφήνουν αρκετό πάχος υλικού για την αποφυγή παραμόρφωσης. Ένα βάθος 10–20 mm από την επιφάνεια εργασίας μέχρι το πλησιέστερο άκρο του καναλιού είναι χαρακτηριστικό.

Η πυκνότητα των καναλιών αυξάνεται (μικρότερη απόσταση, π.χ. 25–40 mm μεταξύ των καναλιών) για να μειωθεί το μέγιστο μήκος διαδρομής θερμότητας.

Προαγωγείς στροβιλισμού (π.χ. στριμμένα ένθετα ταινίας ή τραχιές επιφάνειες καναλιών) ενισχύουν τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στην πλευρά του ψυκτικού υγρού, μειώνοντας την καθυστέρηση χωρίς να μετακινούνται τα κανάλια πιο κοντά.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η τοποθέτηση των καναλιών ψύξης πολύ κοντά στα θερμαντικά στοιχεία μπορεί να δημιουργήσει παρεμβολές. Εάν ένα κανάλι περνάει ακριβώς δίπλα από έναν θερμαντήρα φυσιγγίων, το ψυκτικό θα εξάγει θερμότητα κατά τη φάση θέρμανσης, μειώνοντας την απόδοση και δημιουργώντας ένα ψυχρό σημείο. Στην πράξη, τα κανάλια δρομολογούνται μεταξύ σειρών θερμαντικών σωμάτων, όχι απευθείας δίπλα σε μεμονωμένους θερμαντήρες.

Επιλογή υλικού: Αλουμίνιο εναντίον χάλυβα
Θερμική αγωγιμότητα υλικού (W/m·K) Θερμική διάχυση (mm²/s) Σχετική θερμική ισχύς απόκρισης σε υψηλή θερμοκρασία Αντοχή στη διάβρωση
Αλουμίνιο (6061-T6) 167 68 Γρήγορο μέτριο (μειώνεται πάνω από 150 μοίρες ) Μέτριο (ανοδιωμένο βελτιώνεται)
Χάλυβας (A36) 45 12 Αργό Υψηλό (έως 400 μοίρες +) Χαμηλό (σκουριάζει, απαιτεί επίστρωση)
Ανοξείδωτο ατσάλι (304) 16 4.2 Πολύ αργό Υψηλό (έως 500 μοίρες +) Εξαιρετικό
Το αλουμίνιο προτιμάται για τις περισσότερες πλάκες θέρμανσης{-και-ψύξης, επειδή η υψηλή θερμική του διάχυση επιτρέπει γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας. Μια πλάκα αλουμινίου πάχους 25 mm ανταποκρίνεται σε μια σταδιακή αλλαγή της ισχύος του θερμαντήρα ή της ροής του ψυκτικού υγρού σημαντικά πιο γρήγορα από μια ισοδύναμη χαλύβδινη πλάκα. Ωστόσο, το αλουμίνιο χάνει αντοχή πάνω από 150 μοίρες και μπορεί να ερπυσθεί υπό παρατεταμένο φορτίο. Για εφαρμογές άνω των 200 μοιρών, απαιτείται χάλυβας ή ανοξείδωτος χάλυβας παρά την πιο αργή θερμική απόκριση.

Όταν χρησιμοποιείται ανοξείδωτος χάλυβας, ο σχεδιασμός του καναλιού ψύξης πρέπει να είναι πολύ πιο επιθετικός (μικρότερες αποστάσεις, υψηλότεροι ρυθμοί ροής) για να αντισταθμιστεί η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα.

Επιλογή ψυκτικού και ενσωμάτωση συστήματος
Για θερμικό κύκλο μεταξύ της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και της τυπικής θερμοκρασίας επεξεργασίας (0–150 μοίρες), ένα μείγμα απιονισμένου νερού και αιθυλενογλυκόλης ή προπυλενογλυκόλης είναι στάνταρ. Η συγκέντρωση γλυκόλης επιλέγεται με βάση τη χαμηλότερη αναμενόμενη θερμοκρασία περιβάλλοντος (π.χ. 30% γλυκόλη για προστασία κατά ψύξης -15 βαθμούς). Η γλυκόλη αναστέλλει επίσης τη διάβρωση του αλουμινίου και του χάλυβα.

Απαιτήσεις ροής ψυκτικού:
Ο απαιτούμενος ρυθμός ροής υπολογίζεται από τη λειτουργία ψύξης (ρυθμός αφαίρεσης θερμότητας) και την επιτρεπόμενη αύξηση της θερμοκρασίας του ψυκτικού. Για μια τυπική πλάκα, οι ρυθμοί ροής 5–20 L/min ανά δίκτυο καναλιών είναι συνήθεις. Χρησιμοποιείται ειδικός ψύκτης ή εναλλάκτης θερμότητας με αντλία κυκλοφορίας. Η θερμοκρασία του ψυκτικού ελέγχεται χωριστά από τον έλεγχο του θερμαντήρα.

Ενοποίηση με σύστημα ελέγχου:
Η πλάκα απαιτεί ένα σύστημα ελέγχου που εναλλάσσει τις λειτουργίες θέρμανσης και ψύξης. Δύο κοινές προσεγγίσεις:

Έλεγχος κτυπήματος- – Οι θερμαντήρες είναι απενεργοποιημένοι και μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα ανοίγει τη ροή του ψυκτικού. Απλό αλλά μπορεί να υπερβεί ή να ταλαντώνεται.

PID με έξοδο ψύξης – Ένας ελεγκτής PID έχει δύο εξόδους: μία για την ισχύ του θερμαντήρα (μέσω SSR) και μία για μια ρυθμιζόμενη βαλβίδα ψυκτικού ή ταχύτητα αντλίας. Αυτό παρέχει ομαλές μεταβάσεις και αυστηρό έλεγχο θερμοκρασίας.

Σε κάθε περίπτωση, ένα κλείδωμα ασφαλείας εμποδίζει την ενεργοποίηση των θερμαντήρων όταν το ψυκτικό υγρό είναι απενεργοποιημένο και η πλάκα είναι πάνω από μια ασφαλή θερμοκρασία (για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του στάσιμου ψυκτικού υγρού).

Παράδειγμα διάταξης: Θερμαντήρες φυσιγγίων με κανάλια ψύξης Serpentine
Θεωρήστε μια τετράγωνη πλάκα 400 mm × 400 mm για τη θερμοδιαμόρφωση θερμοπλαστικών φύλλων. Απαιτήσεις: θέρμανση στους 180 βαθμούς σε 5 λεπτά, ψύξη στους 50 βαθμούς σε 8 λεπτά. Πάχος πλάκας: 40 mm (αλουμίνιο 6061).

Διάταξη θερμαντήρα:

Οι θερμαντήρες φυσιγγίων (διάμετρος 10 mm, μήκος 300 mm, 500 W το καθένα) εισάγονται σε τυφλές οπές από την πίσω όψη.

Οι τρύπες του θερμαντήρα είναι διατεταγμένες σε πλέγμα: 6 σειρές × 6 στήλες (36 θερμαντήρες συνολικά). Απόσταση: 65 mm μεταξύ των κέντρων.

Οι άκρες του θερμαντήρα είναι τοποθετημένες 15 mm από την απέναντι (εργαζόμενη) επιφάνεια.

Διάταξη καναλιού ψύξης:

Ένα οφιοειδές δίκτυο καναλιών ανοίγεται με μια ενιαία συνεχή διαδρομή. Διάμετρος καναλιού: 12 mm.

Τα κανάλια βρίσκονται 20 mm κάτω από την επιφάνεια εργασίας (δηλαδή, 20 mm από την επάνω όψη, με θερμάστρες 25 mm κάτω από την επιφάνεια εργασίας - οι θερμάστρες είναι στην πραγματικότητα 5 mm κάτω από τα κανάλια σε αυτόν τον σχεδιασμό, επομένως τα κανάλια είναι πιο κοντά στην επιφάνεια εργασίας).

Η απόσταση καναλιών (κέντρο-προς-κέντρο) είναι 65 mm, ευθυγραμμισμένη με τα κενά μεταξύ των σειρών του θερμαντήρα. Κανένα κανάλι δεν περνάει απευθείας πάνω από μια θερμάστρα.

Τα εξαρτήματα εισόδου και εξόδου είναι τοποθετημένα στην άκρη της πλάκας.

Διατομεακή-περιγραφή (διάγραμμα κειμένου):

Από την επιφάνεια εργασίας προς τα κάτω (κάθετη απόσταση):

0–15 mm: Συμπαγές αλουμίνιο (χωρίς χαρακτηριστικά) – εξασφαλίζει ομοιομορφία θερμοκρασίας επιφάνειας.

15–27 mm: Κανάλια ψύξης (διάμετρος 12 mm) με κέντρο σε βάθος 21 mm.

27–35 mm: Στερεά κανάλια αλουμινίου διαχωρισμού από θερμάστρες.

35–45 mm: Τρύπες θερμαντήρα φυσιγγίων (διάμετρος 10 mm) κεντραρισμένες σε βάθος 40 mm (από την πίσω πλευρά). Οι θερμαντήρες εισάγονται από κάτω.

Αυτή η διάταξη τοποθετεί τα κανάλια ψύξης 6 mm πιο κοντά στην επιφάνεια εργασίας από τους θερμαντήρες, ευνοώντας την ταχεία ψύξη. Κατά τη θέρμανση, λίγη θερμότητα διοχετεύεται προς τα κανάλια, αλλά το συμπαγές στρώμα αλουμινίου κάτω από αυτά και το ψυκτικό που είναι απενεργοποιημένο (χωρίς ροή) ελαχιστοποιεί τις απώλειες. Όταν ξεκινά η ψύξη, το ψυκτικό ρέει και εξάγει θερμότητα από την επιφάνεια εργασίας μέσω του λεπτού στερεού στρώματος 15 mm.

Πρόσθετα ζητήματα για εφαρμογές υψηλού-κύκλου
Διάρκεια θερμικής κόπωσης – Κάθε κύκλος θέρμανσης-ψύξης προκαλεί καταπόνηση στο υλικό της πλάκας. Το αλουμίνιο έχει καλή αντοχή στη θερμική κόπωση έως περίπου 10.000 κύκλους μεταξύ 20 μοιρών και 200 ​​μοιρών. Για υψηλότερους αριθμούς κύκλων, συνιστάται χάλυβας ή 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 megohms). Συνιστάται ένα σύστημα ανίχνευσης σφαλμάτων γείωσης.

Επιπεδότητα επιφάνειας – Η θερμική ανακύκλωση μπορεί να προκαλέσει σταδιακή παραμόρφωση. Η πλάκα θα πρέπει να ελέγχεται περιοδικά και να βγαίνει ξανά στην επιφάνεια εάν η επιπεδότητα υπερβαίνει τα 0,05 mm σε όλη την περιοχή εργασίας.

Σύναψη
Οι ενσωματωμένες πλάκες θέρμανσης και ψύξης επιτρέπουν γρήγορους χρόνους κύκλου σε διαδικασίες που απαιτούν ταχεία θέρμανση και ελεγχόμενη ψύξη. Ένας ισορροπημένος σχεδιασμός πλάκας θέρμανσης και ψύξης διαχειρίζεται τη θερμική διαστολή, τη σφράγιση υγρού και τη θερμική καθυστέρηση. Το αλουμίνιο προτιμάται για γρήγορη θερμική απόκριση, ενώ ο χάλυβας επιλέγεται για υψηλότερες θερμοκρασίες ή μεγαλύτερη αντοχή. Οι θερμαντήρες φυσιγγίων παρέχουν ισχυρές, αντικαταστάσιμες πηγές θερμότητας και τα κανάλια ψύξης με διάτρηση (με κατάλληλα βύσματα και εξαρτήματα) παρέχουν αξιόπιστη υγρή ψύξη. Η διάταξη των θερμαντήρων και των καναλιών πρέπει να βελτιστοποιηθεί για τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του κύκλου, με κανάλια τοποθετημένα πιο κοντά στην επιφάνεια εργασίας για ταχύτερη ψύξη. Οι προσαρμοσμένες θερμικές λύσεις είναι απαραίτητες για απαιτητικούς κύκλους παραγωγής και μια καλά σχεδιασμένη-θέρμανση-ψύξη πλάκας μπορεί να προσφέρει χιλιάδες αξιόπιστους κύκλους όταν δίνεται προσοχή στη διαχείριση της πίεσης και στην επιλογή υλικού.