Kako dizajnirati grijaću ploču s integriranim tekućim hlađenjem za termalni ciklus?

Mnogi proizvodni procesi-očvršćavanje kompozita, termoformiranje, ispitivanje poluprovodnika-zahtijevaju ploču koja može brzo zagrijati dio, a zatim ga brzo ohladiti kako bi se materijal stvrdnuo. Jedna ploča sa električnim grijaćim elementima i unutrašnjim kanalima za hlađenje tekućinom pruža ovu mogućnost, ali dizajn mora pažljivo upravljati toplinskim naprezanjima i zaptivanje fluida. Optimizovanodizajn ploča za grijanje i hlađenjebalansira ujednačenost grijanja, vrijeme odziva na hlađenje i dugotrajni-mehanički integritet. Ovaj vodič opisuje konstrukciju, izazove dizajna, izbor materijala i strategije rasporeda za takve ploče s dvostrukom-funkcionalnošću.

Tipična konstrukcija grijaće{0}}rashladne ploče

Kombinirana ploča za grijanje i hlađenje se obično proizvodi od jednog bloka aluminija ili čelika. Dva nezavisna termalna kola su integrisana u istu ploču:

Električni grijači elementi– Kartušni ili cevasti grejači se ubacuju u izbušene blistave rupe. Alternativno, grijači urezane folije mogu se zalijepiti na stražnju površinu za tanje ploče.

Kanali za hlađenje tekućinom– Izbušeni ili izrezani prolazi su raspoređeni da nose rashladnu tečnost (vodu ili mješavinu vode{0}}glikola) kroz ploču.

Radna površina (lice koje dodiruje dio) prima toplinu od elemenata i prenosi je na opterećenje. Tokom faze hlađenja, rashladna tečnost apsorbuje toplotu sa ploče i odvodi je, brzo snižavajući temperaturu radne površine.

U tipičnom rasporedu poprečnog-presjeka (opisano u tekstu), ploča je podijeljena u tri funkcionalne zone od radne površine prema dolje:

Radni površinski sloj– debljine 5–15 mm, ne sadrži grijače ili kanale. Ovaj sloj obezbeđuje ravnomernu raspodelu temperature na kontaktnoj površini.

Zona grijača– Kertridž grijači se postavljaju u ravnini koja je paralelna s radnom površinom, obično 10-25 mm ispod nje. Grijači su ravnomjerno raspoređeni (često u mreži ili u poređanom uzorku).

Zona kanala za hlađenje– Izbušeni kanali se nalaze 5-15 mm ispod grijača (dalje od radne površine) ili, u nekim izvedbama, isprepleteni između redova grijača. Kanali su obično 6-15 mm u prečniku.

Tačan redosled zavisi od toga da li je kritičnija brzina grejanja ili brzina hlađenja. Za aplikacije koje zahtijevaju vrlo brzo hlađenje, kanali se mogu postaviti bliže radnoj površini od grijača, iako to može stvoriti temperaturne neujednačenosti-u toku grijanja.

Izazovi i rješenja dizajna

1. Upravljanje toplinskom ekspanzijom

Ploča se širi kada se zagreje, a skuplja kada se ohladi. Tokom ponovljenih termičkih ciklusa (npr. 20 do 200 stepeni i nazad), diferencijalno širenje između materijala ploče i ugrađenih komponenti stvara naprezanja. Kertridž grijači, koji su obloženi čelikom-, šire se različitom brzinom od aluminijske ploče.

Strategije dizajna:

Patronski grijači se ugrađuju s malim zazorom (obično 0,05–0,10 mm promjera zazora) i premazani su visoko{2}}temperaturi protiv zagrijavanja- pastom ili termo provodljivom pastom. To omogućava grijaču da lagano klizi unutar svog otvora dok se ploča širi.

Kanali za hlađenje su pozicionirani dalje od otvora grijača kako bi se izbjegli tanki zidovi koji bi mogli pucati pod cikličnim naprezanjem. Preporučuje se minimalna debljina zida od 3-5 mm između bilo koje rupe i druge karakteristike (otvor za grijač ili kanal).

Ploča je-rasterećena (termički obrađena) nakon mašinske obrade, ali prije konačnog sklapanja grijača. Ovo smanjuje zaostala naprezanja koja mogu dovesti do savijanja ili pucanja.

U primjenama termičkog ciklusa, ploča je također ograničena montažnim vijcima. Koriste se rupe za montažu s prorezima ili usklađene podloške kako bi se omogućilo bočno širenje ploče bez izvijanja.

2. Zaptivanje fluida

Kanali za hlađenje moraju biti nepropusni{0}}kako bi se spriječilo da rashladna tekućina dođe u kontakt sa električnim grijačima ili da izađe iz ploče. Curenja također smanjuju termičke performanse. Koriste se dvije uobičajene metode zaptivanja:

Probušeni i začepljeni kanali:
Kanali se buše od ruba ploče dugim svrdlima. Nakon bušenja, otvoreni krajevi se zatvaraju čepovima s navojem (sa PTFE trakom ili zaptivnim sredstvom za navoje) ili zavarenim kapama. Ova metoda proizvodi monolitni blok bez vanjskih brtvi. Veoma je pouzdan, ali ograničava geometriju kanala na prave linije.

Poprečne-izbušene raskrsnice:
Kada je potrebna mreža međusobno povezanih kanala (npr. serpentinasti uzorak), poprečno-izbušene rupe se začepe na površini. Svaki čep je potencijalno mjesto curenja. Koriste se -o-prstenovi za visoke temperature (npr. Viton ili silikon) ili konusni navoji za cijevi. Za kritične primjene, svi čepovi su nakon ugradnje zavareni ili lemljeni.

Priključci za ulaz i izlaz rashladne tečnosti:
Fitingi od nerđajućeg čelika ili mesinga, NPT navojni priključci ili spojnice za brzo{0}} povezivanje su pričvršćene na ploču. Zaptivanje se postiže O-prstenovima ili konusnim navojima. Uravnotežen dizajn postiže integritet curenja za pritiske do 10 bara (150 psi) i temperature od -20 stepeni do 150 stepeni (za vodu-glikol) ili više sa specijalizovanim rashladnim tečnostima.

3. Toplotni kašnjenje između grijanja i hlađenja

Reakcija na hlađenje je sama po sebi sporija od grijanja jer su brzina protoka rashladne tekućine i koeficijent prijenosa topline konačni. Ako su rashladni kanali postavljeni predaleko od radne površine, ploči će biti potrebno previše vremena da se ohladi, povećavajući vrijeme ciklusa.

Minimiziranje termičkog kašnjenja:

Kanali za hlađenje se postavljaju što bliže radnoj površini, a pritom ostavljaju dovoljnu debljinu materijala kako bi se izbjegla izobličenja. Tipična je dubina od 10-20 mm od radne površine do najbližeg ruba kanala.

Gustina kanala je povećana (manji razmak, npr. 25–40 mm između kanala) da bi se smanjila maksimalna dužina toplotnog puta.

Promotori turbulencije (npr. uvrnuti umetci trake ili hrapave površine kanala) povećavaju koeficijent prenosa toplote na strani rashladnog sredstva-, smanjujući kašnjenje bez približavanja kanala.

Važno je napomenuti da postavljanje rashladnih kanala preblizu grijaćih elemenata može stvoriti smetnje. Ako kanal prolazi direktno pored grijača kertridža, rashladna tečnost će izvući toplotu tokom faze grejanja, smanjujući efikasnost i stvarajući hladno mesto. U praksi se kanali usmjeravaju između redova grijača, a ne direktno uz pojedinačne grijače.

Izbor materijala: Aluminij naspram čelika

Aluminij je poželjniji za većinu grijaćih-i-ploča za hlađenje jer njegova visoka termička difuzivnost omogućava brze promjene temperature. Aluminijska ploča debljine 25 mm reagira na korak promjene snage grijača ili protoka rashladne tekućine znatno brže od ekvivalentne čelične ploče. Međutim, aluminijum gubi snagu iznad 150 stepeni i može da puzi pod stalnim opterećenjem. Za primjene iznad 200 stupnjeva potreban je čelik ili nehrđajući čelik uprkos sporijoj termičkoj reakciji.

Kada se koristi nerđajući čelik, dizajn kanala za hlađenje mora biti mnogo agresivniji (manji razmak, veći protok) da bi se kompenzovala niska toplotna provodljivost.

Izbor rashladne tečnosti i integracija sistema

Za termički ciklus između ambijentalne i tipične temperature obrade (0-150 stepeni), standardna je mješavina dejonizirane vode i etilen glikola ili propilen glikola. Koncentracija glikola se bira na osnovu najniže očekivane temperature okoline (npr. 30% glikola za zaštitu od smrzavanja od -15 stepeni). Glikol takođe sprečava koroziju aluminijuma i čelika.

Zahtjevi za protok rashladne tekućine:
Potrebna brzina protoka se izračunava iz radnog opterećenja (brzina uklanjanja topline) i dozvoljenog porasta temperature rashladnog sredstva. Za tipičnu ploču, uobičajene su brzine protoka od 5-20 L/min po kanalskoj mreži. Koristi se namjenski hladnjak ili izmjenjivač topline s cirkulacijskom pumpom. Temperatura rashladne tečnosti se kontroliše odvojeno od kontrole grejača.

Integracija sa kontrolnim sistemom:
Ploča zahtijeva kontrolni sistem koji se prebacuje između grijanja i hlađenja. Dva uobičajena pristupa:

Bang{0}}kontrola praska– Grijači su isključeni i elektromagnetni ventil otvara protok rashladne tekućine. Jednostavno, ali može preskočiti ili oscilirati.

PID sa izlazom za hlađenje– PID kontroler ima dva izlaza: jedan za snagu grijača (preko SSR) i jedan za modulirajući ventil rashladne tekućine ili brzinu pumpe. Ovo obezbeđuje glatke prelaze i čvrstu kontrolu temperature.

U oba slučaja, sigurnosna blokada sprječava da grijači budu pod naponom dok je rashladna tekućina isključena i ploča je iznad bezbedne temperature (kako bi se izbjeglo pregrijavanje ustajale rashladne tekućine).

Primjer rasporeda: grijači uložaka sa zmijoličnim kanalima za hlađenje

Razmotrimo kvadratnu ploču 400 mm × 400 mm za termoformiranje termoplastičnih limova. Zahtevi: zagrejati na 180 stepeni za 5 minuta, ohladiti na 50 stepeni za 8 minuta. Debljina ploče: 40 mm (aluminij 6061).

Raspored grijača:

Kartridž grijači (prečnik 10 mm, dužina 300 mm, svaki od 500 W) se ubacuju u slijepe rupe sa stražnje strane.

Rupe za grijače su raspoređene u obliku mreže: 6 redova × 6 stupaca (ukupno 36 grijača). Razmak: 65 mm između centara.

Vrhovi grijača su pozicionirani 15 mm od suprotne (radne) strane.

Raspored kanala za hlađenje:

Mreža serpentinastih kanala se buši jednom kontinuiranom putanjom. Prečnik kanala: 12 mm.

Kanali se nalaze 20 mm ispod radne površine (tj. 20 mm od gornje strane, sa 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 (centar-do-centar) je 65 mm, poravnat sa prazninama između redova grijača. Nijedan kanal ne prolazi direktno preko grijača.

Ulazni i izlazni spojevi su montirani na rubu ploče.

Opis poprečnog presjeka (tekstualni dijagram):

Od radne površine prema dolje (vertikalna udaljenost):

0–15 mm: Čvrsti aluminijum (bez karakteristika) – osigurava ujednačenost temperature površine.

15–27 mm: Rashladni kanali (prečnik 12 mm) centrirani na dubini od 21 mm.

27–35 mm: Puni aluminijumski kanali za odvajanje od grejača.

35–45 mm: Rupe za grijač patrone (prečnik 10 mm) centrirane na dubini od 40 mm (sa stražnje strane). Grijači se ubacuju odozdo.

Ovakav raspored postavlja kanale za hlađenje 6 mm bliže radnoj površini od grijača, što pogoduje brzom hlađenju. Tokom zagrevanja, deo toplote se vodi prema kanalima, ali čvrst aluminijumski sloj ispod njih i rashladna tečnost isključena (nema protoka) minimiziraju gubitke. Kada hlađenje počne, rashladna tečnost teče i izvlači toplotu sa radne površine kroz tanak čvrsti sloj od 15 mm.

Dodatna razmatranja za aplikacije visokog{0}}ciklusa

Vek trajanja toplotnog zamora– Svaki ciklus grijanja{0}}hlađenja izaziva naprezanje u materijalu ploče. Aluminijum ima dobru otpornost na toplotni zamor do oko 10.000 ciklusa između 20 stepeni i 200 stepeni. 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 megoma). Preporučljiv je sistem za detekciju kvara na zemlji.

Ravnost površine– Termički ciklusi mogu uzrokovati postepeno savijanje. Ploču treba povremeno provjeravati i obnavljati ako ravnost prelazi 0,05 mm po radnoj površini.

Zaključak

Integrisane ploče za grijanje i hlađenje omogućavaju brzo vrijeme ciklusa u procesima koji zahtijevaju i brzo zagrijavanje i kontrolirano hlađenje. A uravnotežendizajn ploča za grijanje i hlađenjeupravlja termičkim širenjem, zaptivanje fluida i termičko kašnjenje. Aluminij je poželjniji za brzu termičku reakciju, dok se čelik bira za više temperature ili veću izdržljivost. Kertridž grijači pružaju robusne, zamjenjive izvore topline, a izbušeni kanali za hlađenje (sa odgovarajućim čepom i spojevima) pružaju pouzdano hlađenje tekućinom. Raspored grijača i kanala mora biti optimiziran za specifične zahtjeve ciklusa, s kanalima postavljenim bliže radnoj površini radi bržeg hlađenja. Prilagođena termalna rješenja su neophodna za zahtjevne proizvodne cikluse, a dobro-dizajnirana ploča za grijanje-rashladne ploče može isporučiti hiljade pouzdanih ciklusa kada se pažnja posveti upravljanju naprezanjem i odabiru materijala.