Mnogi proizvodni procesi-stvrdnjavanje kompozita, termoformiranje, testiranje poluvodiča-zahtijevaju ploču koja može brzo zagrijati dio, a zatim ga brzo ohladiti da se materijal stvrdne. Jedna ploča s električnim grijaćim elementima i unutarnjim tekućinskim kanalima za hlađenje pruža ovu mogućnost, ali dizajn mora pažljivo upravljati toplinskim naprezanjima i brtvljenjem tekućine. Optimiziranodizajn ploče za grijanje i hlađenjeuravnotežuje jednolikost grijanja, vrijeme odziva hlađenja i dugoročnu mehaničku cjelovitost-. Ovaj vodič opisuje konstrukciju, izazove dizajna, odabire materijala i strategije izgleda za takve dvo-funkcionalne ploče.
Tipična konstrukcija grijaće-ploče za hlađenje
Kombinirana ploča za grijanje i hlađenje obično se izrađuje od jednog bloka aluminija ili čelika. Dva neovisna toplinska kruga integrirana su u istu ploču:
Električni grijaći elementi– Patronski grijači ili cijevni grijači umeću se u izbušene slijepe rupe. Alternativno, grijači od ugravirane folije mogu se zalijepiti na stražnju površinu za tanje ploče.
Kanali za hlađenje tekućinom– Izbušeni ili mljeveni prolazi raspoređeni su za provođenje rashladne tekućine (vode ili mješavine vode-glikola) kroz ploču.
Radna površina (lice koje dodiruje dio) prima toplinu od elemenata i predaje je teretu. Tijekom faze hlađenja, rashladno sredstvo apsorbira toplinu s ploče i odnosi je, brzo snižavajući temperaturu radne površine.
U tipičnom rasporedu-presjeka (opisanom u tekstu), ploča je podijeljena u tri funkcionalne zone od radne površine prema dolje:
Sloj radne površine– 5–15 mm debljine, ne sadrži grijače i kanale. Ovaj sloj osigurava ravnomjernu raspodjelu temperature na kontaktnoj površini.
Zona grijača– Patronski grijači postavljaju se u ravnini paralelnoj s radnom površinom, obično 10–25 mm ispod nje. Grijači su ravnomjerno raspoređeni (često u mreži ili raspoređeni).
Zona kanala za hlađenje– Izbušeni kanali nalaze se 5-15 mm ispod grijača (dalje od radne površine) ili u nekim izvedbama umetnuti između redova grijača. Kanali su obično 6-15 mm u promjeru.
Točan redoslijed ovisi o tome je li kritičnija brzina grijanja ili brzina hlađenja. Za primjene koje zahtijevaju vrlo brzo hlađenje, kanali se mogu postaviti bliže radnoj površini nego grijači, iako to može stvoriti ne-ujednačenost temperature tijekom zagrijavanja.
Dizajn izazovi i rješenja
1. Upravljanje toplinskim širenjem
Ploča se zagrijavanjem širi, a hlađenjem skuplja. Tijekom ponovljenih toplinskih ciklusa (npr. 20 stupnjeva do 200 stupnjeva i natrag), diferencijalno širenje između materijala ploče i ugrađenih komponenti stvara naprezanja. Grijači uložaka, koji su presvučeni čeličnim-plaštom, šire se različitom brzinom od aluminijske ploče.
Strategije dizajna:
Grijači uložaka ugrađuju se s malim razmakom (obično 0,05–0,10 mm promjera razmaka) i obloženi su visoko{2}}temperaturnom-zaštitnom pastom ili pastom koja provodi toplinu. To omogućuje grijaču da lagano klizi unutar svoje rupe dok se ploča širi.
Kanali za hlađenje postavljeni su dalje od otvora grijača kako bi se izbjegli tanki zidovi koji bi mogli popucati pod cikličkim stresom. Preporuča se minimalna debljina stjenke od 3-5 mm između bilo koje rupe i druge značajke (otvor ili kanal grijača).
Ploča je-oslobođena (toplinski obrađena) nakon strojne obrade, ali prije konačne montaže grijača. Time se smanjuju zaostala naprezanja koja mogu dovesti do savijanja ili pucanja.
U primjenama toplinskog ciklusa, ploča je također ograničena montažnim vijcima. Montažne rupe s prorezima ili kompatibilne podloške koriste se kako bi se ploča mogla širiti bočno bez savijanja.
2. Brtvljenje tekućinom
Kanali za hlađenje moraju biti-nepropusni kako bi se spriječilo da rashladna tekućina dođe u kontakt s električnim grijačima ili izađe iz ploče. Propuštanje također pogoršava toplinsku izvedbu. Koriste se dvije uobičajene metode brtvljenja:
Izbušeni i začepljeni kanali:
Kanali se buše s ruba ploče pomoću dugih svrdla. Nakon bušenja, otvoreni krajevi su zabrtvljeni čepovima s navojem (PTFE trakom ili sredstvom za brtvljenje navoja) ili zavarenim čepovima. Ova metoda proizvodi monolitni blok bez vanjskih brtvi. Vrlo je pouzdan, ali ograničava geometriju kanala na ravne linije.
Unakr-izbušena raskrižja:
Kada je potrebna mreža međusobno povezanih kanala (npr. zmijoliki uzorak), križno{2}}izbušene rupe začepljuju se na površini. Svaki čep je potencijalna točka curenja. Koriste se O-O-prstenovi za visoke temperature (npr. Viton ili silikon) ili konusni cijevni navoj. Za kritične primjene, svi čepovi su zavareni ili lemljeni nakon instalacije.
Priključci za ulaz i izlaz rashladnog sredstva:
Na ploču su pričvršćeni bodljikavi priključci od nehrđajućeg čelika ili mesinga, priključci s NPT navojem ili brze{0}}spojnice. Brtvljenje se postiže O-prstenovima ili konusnim navojima. Uravnoteženi dizajn postiže cjelovitost curenja za tlakove do 10 bara (150 psi) i temperature od -20 stupnjeva do 150 stupnjeva (za vodu-glikol) ili više sa posebnim rashladnim tekućinama.
3. Toplinsko kašnjenje između grijanja i hlađenja
Hlađenje je inherentno sporije od grijanja jer su brzina protoka rashladnog sredstva i koeficijent prijenosa topline konačni. Ako su kanali za hlađenje postavljeni predaleko od radne površine, ploči će trebati previše vremena da se ohladi, povećavajući vrijeme ciklusa.
Minimiziranje toplinskog kašnjenja:
Kanali za hlađenje postavljeni su što je moguće bliže radnoj površini, a ostavljaju dovoljnu debljinu materijala kako bi se izbjegla deformacija. Tipična je dubina od 10-20 mm od radne površine do najbližeg ruba kanala.
Povećava se gustoća kanala (manji razmak, npr. 25–40 mm između kanala) kako bi se smanjila maksimalna duljina toplinskog puta.
Pokretači turbulencije (npr. upletene trake ili hrapave površine kanala) povećavaju koeficijent prijenosa topline-strane rashladnog sredstva, smanjujući kašnjenje bez približavanja kanala.
Važno je napomenuti da postavljanje rashladnih kanala preblizu grijaćih elemenata može stvoriti smetnje. Ako kanal prolazi neposredno pored patronskog grijača, rashladna tekućina će izvlačiti toplinu tijekom faze grijanja, smanjujući učinkovitost i stvarajući hladno mjesto. U praksi se kanali postavljaju između redova grijača, a ne izravno uz pojedinačne grijače.
Odabir materijala: aluminij naspram čelika
| Materijal | Toplinska vodljivost (W/m·K) | Toplinska difuznost (mm²/s) | Relativni toplinski odgovor | Čvrstoća na visokoj temperaturi | Otpornost na koroziju |
|---|---|---|---|---|---|
| Aluminij (6061-T6) | 167 | 68 | Brzo | Umjereno (snižava se iznad 150 stupnjeva) | Umjereno (anodizirano poboljšava) |
| Čelik (A36) | 45 | 12 | Usporiti | Visoka (do 400 stupnjeva +) | Niska (hrđa, zahtijeva premaz) |
| Nehrđajući čelik (304) | 16 | 4.2 | Vrlo sporo | Visoka (do 500 stupnjeva +) | Izvrsno |
Aluminij je poželjan za većinu grijaćih-i-ploča za hlađenje jer njegova visoka toplinska difuznost omogućuje brze promjene temperature. Aluminijska ploča debljine 25 mm reagira na postupnu promjenu snage grijača ili protoka rashladnog sredstva znatno brže od ekvivalentne čelične ploče. Međutim, aluminij gubi čvrstoću iznad 150 stupnjeva i može puzati pod dugotrajnim opterećenjem. Za primjene iznad 200 stupnjeva potreban je čelik ili nehrđajući čelik unatoč sporijem toplinskom odzivu.
Kada se koristi nehrđajući čelik, dizajn kanala za hlađenje mora biti mnogo agresivniji (manji razmak, veći protok) kako bi se kompenzirala niska toplinska vodljivost.
Odabir rashladnog sredstva i integracija sustava
Za toplinske cikluse između ambijentalne i tipične temperature obrade (0–150 stupnjeva), standardna je mješavina deionizirane vode i etilen glikola ili propilen glikola. Koncentracija glikola odabire se na temelju najniže očekivane temperature okoline (npr. 30% glikola za -15 stupnjeva zaštite od smrzavanja). Glikol također inhibira koroziju aluminija i čelika.
Zahtjevi za protok rashladnog sredstva:
Potrebna brzina protoka izračunava se iz snage hlađenja (brzina odvođenja topline) i dopuštenog porasta temperature rashladnog sredstva. Za tipičnu ploču, uobičajene su brzine protoka od 5-20 L/min po mreži kanala. Koristi se namjenski hladnjak ili izmjenjivač topline s cirkulacijskom pumpom. Temperatura rashladne tekućine kontrolira se odvojeno od kontrole grijača.
Integracija sa sustavom upravljanja:
Ploča zahtijeva kontrolni sustav koji se prebacuje između načina grijanja i hlađenja. Dva uobičajena pristupa:
Bang-bang kontrola– Grijači su isključeni i elektromagnetski ventil otvara protok rashladne tekućine. Jednostavno, ali može pretjerati ili oscilirati.
PID s izlazom hlađenja– PID regulator ima dva izlaza: jedan za snagu grijača (preko SSR-a) i jedan za modulirajući ventil rashladnog sredstva ili brzinu pumpe. To omogućuje glatke prijelaze i čvrstu kontrolu temperature.
U oba slučaja, sigurnosna blokada sprječava uključivanje grijača dok je rashladna tekućina isključena i ploča je iznad sigurne temperature (kako bi se izbjeglo pregrijavanje ustajale rashladne tekućine).
Primjer rasporeda: patronski grijači sa zmijolikim kanalima za hlađenje
Razmotrite kvadratnu ploču 400 mm × 400 mm za termooblikovanje termoplastičnih ploča. Zahtjevi: zagrijte na 180 stupnjeva za 5 minuta, ohladite na 50 stupnjeva za 8 minuta. Debljina ploče: 40 mm (aluminij 6061).
Raspored grijača:
Patronski grijači (promjer 10 mm, duljina 300 mm, 500 W svaki) umetnuti su u slijepe rupe sa stražnje strane.
Rupe grijača raspoređene su u rešetkastom uzorku: 6 redaka × 6 stupaca (ukupno 36 grijača). Razmak između centara: 65 mm.
Vrhovi grijača su postavljeni 15 mm od suprotne (radne) strane.
Raspored rashladnih kanala:
Serpentinska mreža kanala izbušena je jednom kontinuiranom stazom. Promjer kanala: 12 mm.
Kanali se nalaze 20 mm ispod radne površine (tj. 20 mm od gornje strane, s grijačima 25 mm ispod radne površine – grijači su zapravo 5 mm ispod kanala u ovom dizajnu, tako da su kanali bliže radnoj površini).
Razmak kanala (od sredine-do-centra) je 65 mm, poravnat s razmacima između redova grijača. Nijedan kanal ne prolazi izravno preko grijača.
Ulazni i izlazni priključci montirani su na rubu ploče.
Opis-presjeka (tekstualni dijagram):
Od radne površine prema dolje (vertikalna udaljenost):
0–15 mm: Čvrsti aluminij (bez značajki) – osigurava ujednačenost površinske temperature.
15–27 mm: Kanali za hlađenje (promjer 12 mm) centrirani na dubini od 21 mm.
27–35 mm: Čvrsti aluminijski kanali za odvajanje od grijača.
35–45 mm: Rupe grijača uloška (promjer 10 mm) centrirane na dubini od 40 mm (sa stražnje strane). Grijači su umetnuti s donje strane.
Ovakav raspored postavlja kanale za hlađenje 6 mm bliže radnoj površini od grijača, pogodujući brzom hlađenju. Tijekom grijanja, dio topline se odvodi prema kanalima, ali čvrsti aluminijski sloj ispod njih i rashladna tekućina koja je isključena (nema protoka) smanjuju gubitak na najmanju moguću mjeru. Kada počne hlađenje, rashladna tekućina teče i oduzima toplinu s radne površine kroz tanki čvrsti sloj od 15 mm.
Dodatna razmatranja za aplikacije s visokim-ciklusima
Trajnost toplinskog zamora– Svaki ciklus grijanja-hlađenja izaziva naprezanje u materijalu ploče. Aluminij ima dobru otpornost na toplinski zamor do oko 10 000 ciklusa između 20 stupnjeva i 200 stupnjeva. Za veći broj ciklusa preporučuje se čelik ili 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 megaoma). Preporuča se sustav detekcije kvara na zemlji.
Ravnost površine– Toplinski ciklusi mogu uzrokovati postupno savijanje. Ploču treba povremeno provjeravati i obnoviti površinu ako ravnost prelazi 0,05 mm preko radnog područja.
Zaključak
Integrirane grijaće i rashladne ploče omogućuju brza vremena ciklusa u procesima koji zahtijevaju i brzo zagrijavanje i kontrolirano hlađenje. Uravnoteženadizajn ploče za grijanje i hlađenjeupravlja toplinskim širenjem, brtvljenjem tekućine i toplinskim kašnjenjem. Aluminij je poželjan za brzu toplinsku reakciju, dok se čelik bira za više temperature ili veću izdržljivost. Patronski grijači pružaju robusne, zamjenjive izvore topline, a izbušeni rashladni kanali (s odgovarajućim čepovima i priključcima) osiguravaju pouzdano hlađenje tekućinom. Raspored grijača i kanala mora biti optimiziran za specifične zahtjeve ciklusa, s kanalima postavljenim bliže radnoj površini radi bržeg hlađenja. Prilagođena toplinska rješenja ključna su za zahtjevne proizvodne cikluse, a dobro-dizajnirana ploča za grijanje-hlađenje može pružiti tisuće pouzdanih ciklusa kada se pažnja posveti upravljanju stresom i odabiru materijala.
