Kuinka suunnitella lämmityslevy, jossa on integroitu nestejäähdytys lämpöpyöräilyyn?

Useissa valmistusprosesseissa, kuten komposiittikovetuksessa, lämpömuovauksessa ja puolijohteiden testauksessa, tarvitaan levy, joka voi nopeasti lämmittää kohteen ja sitten nopeasti jäähtyä materiaalin kovettamiseksi. Tämä tehdään yhdellä levyllä, jossa on sekä sähköiset lämmityselementit että sisäiset nestejäähdytyskanavat, mutta suunnittelu vaatii huolellista lämpöjännityksen hallintaa ja nestetiivistystä. Lämmitys- ja jäähdytyslevyn optimaalinen muotoilu tasapainottaa lämmityksen tasaisuuden, jäähdytyksen vasteajan ja pitkän -mekaanisen eheyden ominaisuudet. Tässä oppaassa käsitellään näiden-kaksoistoimintojen rakentamista, suunnittelukysymyksiä, käytettyjä materiaaleja ja asetteluideoita.

Lämmitys-jäähdytyslevy, tyypillinen rakenne
Tyypillinen yhdistelmälämmitys- ja jäähdytyslevy on koneistettu yhdestä alumiini- tai teräspalasta. Kaksi erillistä lämpöpiiriä integroituna samalle levylle:

Sähkölämmityselementit Patruunalämmittimet tai putkilämmittimet asennetaan porattuihin umpireikiin. Vaihtoehtoisesti ohuemmissa levyissä voidaan käyttää etsattuja kalvolämmittimiä, jotka on liimattu kääntöpintaan.

Nestejäähdytyskanavat - Jäähdytysnestettä (vesi tai vesi-glykoliseos) kierrätetään levyn sisällä olevien porattujen tai jyrsittyjen kanavien kautta.

Elementit lämmittävät työpintaa (osan kanssa kosketuksissa olevaa pintaa) ja työpinta siirtää lämmön kuormaan. Jäähdytystilassa jäähdytysneste imee lämpöä levyltä ja poistaa sen alentaen nopeasti työpinnan lämpötilaa.

Tyypillisessä poikkileikkauksessa (ilmoitettu tekstissä) levy on jaettu kolmeen toiminnalliseen vyöhykkeeseen työpinnasta alaspäin:

Työpintakerros – 5-15 mm paksu, ilman lämmittimiä ja kanavia. Tämä kerros antaa tasaisen lämpötilajakauman kontaktipinnalla.

Lämmitinvyöhyke - Patruunalämmittimet on sijoitettu työpinnan suuntaiseen tasoon, yleensä 10–25 mm työpinnan alapuolelle. Lämmittimet ovat jakautuneet tasaisesti (tyypillisesti ristikkona tai porrastettuna).

Jäähdytyskanavavyöhyke - Poratut kanavat asetetaan 5–15 mm lämmittimien alapuolelle (edemmälle työtasosta) tai tietyissä kokoonpanoissa lämmitinrivien väliin. Kanavien halkaisija on yleensä 6–15 mm.

Tarkka järjestys riippuu siitä, onko tärkeämpi - lämmitysnopeus vai jäähdytysnopeus. Sovelluksissa, joissa vaaditaan erittäin nopeaa jäähdytystä, kanavat voivat sijaita lähempänä työpintaa kuin lämmittimet, mutta tämä voi aiheuttaa lämpötilan epätasaisuutta lämmityksen aikana.

Suunnittelun haasteet ja ratkaisut
1. Lämpölaajenemisen ohjaus
Joten kuumennettaessa levy laajenee. Jäähtyessään se supistuu. Levymateriaalin ja upotettujen komponenttien erilaisesta laajenemisesta johtuen jännitykset indusoituvat useiden lämpötilajaksojen aikana (esim. . 20 astetta 200 asteeseen ja takaisin). Patruunalämmittimet on päällystetty teräksellä ja ne laajenevat eri tahtia kuin alumiinilevy.

Suunnittelustrategiat.

Patruunalämmittimet on varustettu pienellä välyksellä (yleensä halkaisijaltaan 0,05{1}}0,10 mm:n rako) ja peitetty korkean -lämpötilojen tarttumista estävällä tai lämpöä johtavalla tahnalla. Tämä sallii lämmittimen liikkua hieman reiässään, kun levy laajenee.

Jäähdytyskanavia ei ole kohdistettu lämmittimen reikien kanssa ohuiden seinien estämiseksi, jotka voivat särkyä syklisessä rasituksessa. On suositeltavaa pitää seinämän paksuus minkä tahansa reiän ja kohteen (lämmittimen reikä tai kanava) välillä vähintään 3-5 mm.

Koneistuksen jälkeen, mutta ennen lopullista lämmittimen asennusta, levy on jännitetty (lämpökäsitelty). Tämä vähentää jäännösjännitystä, joka voi aiheuttaa vääntymistä tai halkeilua.

Lämpökiertosovelluksissa levy on myös kiinnitetty kiinnityspulteilla. Levy voi ulottua sivusuunnassa ilman nurjahdusta yhteensopivien aluslevyjen tai urillisten kiinnitysreikien ansiosta.

2. Nesteen tiiviste
Jäähdytyskanavien tulee olla tiiviitä, jotta jäähdytysneste ei pääse kosketuksiin sähkölämmittimien kanssa tai vuodot ulos levystä. Myös vuodot vaikuttavat lämpötehoon. Käytetään kahta tyypillistä tiivistysmenetelmää:

Poratut ja täytetyt reiät:
Pitkiä poranteriä käytetään kanavien poraamiseen levyn reunasta. Avoimet päät suljetaan sitten kierretulpilla (PTFE-teippi tai kierretiiviste) tai hitsatuilla korkilla porauksen jälkeen. Tämä lähestymistapa johtaa monoliittiseen lohkoon ilman ulkoista tiivistystä. Se on melko luotettava, vaikka se rajoittaa kanavien geometriat suoriin linjoihin.

Poikki{0}}poratut risteykset:
Jos kuvio on kiemurteleva ja vaatii siksi toisiinsa yhdistettyjen kanavien verkoston, ristiin{0}}poratut reiät suljetaan pinnalla. Jokainen tulppa on mahdollinen vuoto. Niissä käytetään korkean lämpötilan O-renkaita (kuten Viton tai silikoni) tai kartiomaisia ​​putkikierteitä. Tärkeissä sovelluksissa kaikki tulpat hitsataan tai juotetaan paikoilleen asennuksen jälkeen.

Jäähdytysnesteen tulon ja ulostulon liitännät:
Levy toimitetaan ruostumattomasta teräksestä tai messingistä valmistettujen väkästen, NPT-kierreporttien tai pikaliittimien kanssa. Tiivistys tehdään O-renkailla tai kartiomaisilla kierteillä. Tasapainoinen rakenne takaa vuotojen eheyden jopa 10 baarin (150 psi) paineille ja -20 - 150 asteen lämpötiloille (vesi-glykolille) tai korkeammille erikoisjäähdytysnesteillä.

3. Lämpöviive lämmityksen ja jäähdytyksen välillä
Jäähdytysvaste on luonnostaan ​​hitaampi kuin lämmitys, koska jäähdytysnesteen virtausnopeus ja lämmönsiirtokerroin ovat rajalliset. Jos jäähdytyskanavat sijoitetaan liian kauas työpinnasta, levyn jäähtyminen kestää liikaa, mikä lisää syklin aikaa.

Minimoi lämpöviive:

Jäähdytyskanavat sijoitetaan mahdollisimman lähelle työskentelypintaa jättäen silti riittävästi materiaalin paksuutta vääristymien välttämiseksi. Tyypillinen syvyys työpinnasta lähimpään kanavan reunaan on 10–20 mm.

Kanavien tiheyttä kasvatetaan (pienempi etäisyys, esim. 25–40 mm kanavien välillä) maksimilämpötien pituuden pienentämiseksi.

Turbulenssin edistäjät (esim. kierretyt teippisisäkkeet tai karhennetut kanavapinnat) parantavat jäähdytysnesteen-puolen lämmönsiirtokerrointa vähentäen viivettä siirtämättä kanavia lähemmäksi.

On tärkeää huomata, että jäähdytyskanavien sijoittaminen liian lähelle lämmityselementtejä voi aiheuttaa häiriöitä. Jos kanava kulkee suoraan patruunalämmittimen vieressä, jäähdytysneste poistaa lämpöä lämmitysvaiheen aikana, mikä vähentää tehokkuutta ja luo kylmän pisteen. Käytännössä kanavat reititetään kiuasrivien väliin, ei suoraan yksittäisten lämmittimien viereen.

Materiaalin valinta: alumiini vs. teräs
Materiaalin lämmönjohtavuus (W/m·K) lämpödiffuusio (mm²/s) Suhteellinen lämpövasteen lujuus korkean lämpötilan korroosionkestävyydessä
Alumiini (6061-T6) 167 68 Nopea Keskitaso (halkaisu yli 150 astetta ) Keskitaso (anodisoitu parannuksia)
Teräs (A36) 45 12 Hidas Korkea (400 asteeseen +) Matala (ruostuu, vaatii pinnoituksen)
Ruostumaton teräs (304) 16 4.2 Erittäin hidas Korkea (500 asteeseen +) Erinomainen
Alumiinia suositellaan useimpiin lämmitys{0}}ja-jäähdytyslevyihin, koska sen korkea lämpödiffuusio mahdollistaa nopeat lämpötilan muutokset. 25 mm paksu alumiinilevy reagoi lämmittimen tehon tai jäähdytysnesteen virtauksen porrastettuun muutokseen huomattavasti nopeammin kuin vastaava teräslevy. Alumiini kuitenkin menettää lujuutta yli 150 astetta ja voi hiipiä jatkuvassa kuormituksessa. Yli 200 asteen käyttökohteisiin tarvitaan terästä tai ruostumatonta terästä hitaammasta lämpövasteesta huolimatta.

Kun käytetään ruostumatonta terästä, jäähdytyskanavan suunnittelun on oltava paljon aggressiivisempi (pienempi väli, suurempi virtausnopeus) alhaisen lämmönjohtavuuden kompensoimiseksi.

Jäähdytysnesteen valinta ja järjestelmän integrointi
Lämpökiertoon ympäristön ja tyypillisten prosessointilämpötilojen (0–150 astetta) välillä deionisoidun veden ja etyleeniglykolin tai propyleeniglykolin seos on vakiona. Glykolipitoisuus valitaan alimman odotetun ympäristön lämpötilan perusteella (esim. 30 % glykolia -15 asteen pakkassuojaan). Glykoli estää myös alumiinin ja teräksen korroosiota.

Jäähdytysnesteen virtausvaatimukset:
Vaadittu virtausnopeus lasketaan jäähdytystehosta (lämmönpoistonopeus) ja jäähdytysnesteen sallitusta lämpötilan noususta. Tyypilliselle levylle virtausnopeudet 5–20 l/min kanavaverkkoa kohti ovat yleisiä. Käytetään erillistä jäähdytintä tai lämmönvaihdinta, jossa on kiertovesipumppu. Jäähdytysnesteen lämpötilaa ohjataan erillään lämmittimen ohjauksesta.

Integrointi ohjausjärjestelmään:
Levy vaatii ohjausjärjestelmän, joka vaihtaa lämmitys- ja jäähdytystilan välillä. Kaksi yleistä lähestymistapaa:

Bang-bang control – Lämmittimet sammutetaan ja magneettiventtiili avaa jäähdytysnesteen virtauksen. Yksinkertainen, mutta voi ylittää tai värähtää.

PID jäähdytyslähdöllä – PID-säätimessä on kaksi lähtöä: yksi lämmittimen teholle (SSR:n kautta) ja toinen moduloivalle jäähdytysnesteventtiilille tai pumpun nopeudelle. Tämä tarjoaa sujuvat siirtymät ja tiukan lämpötilan hallinnan.

Kummassakin tapauksessa turvalukitus estää lämmittimiä kytkemästä virtaa, kun jäähdytysneste on pois päältä ja levy on turvallisen lämpötilan yläpuolella (joka estää seisovan jäähdytysnesteen ylikuumenemisen).

Asetteluesimerkki: Patruunalämmittimet, joissa on Serpentine-jäähdytyskanavat
Harkitse 400 mm × 400 mm neliömäistä levyä termoplastisten levyjen lämpömuovaukseen. Vaatimukset: lämmitä 180 asteeseen 5 minuutissa, jäähdytä 50 asteeseen 8 minuutissa. Levyn paksuus: 40 mm (alumiini 6061).

Lämmittimen asettelu:

Patruunalämmittimet (halkaisija 10 mm, pituus 300 mm, kukin 500 W) asetetaan takapinnasta umpireikiin.

Lämmittimen reiät on järjestetty ruudukkokuvioon: 6 riviä × 6 saraketta (yhteensä 36 lämmitintä). Etäisyys: 65 mm keskipisteiden välillä.

Lämmittimen kärjet on sijoitettu 15 mm:n etäisyydelle vastakkaisesta (työ)pinnasta.

Jäähdytyskanavan asettelu:

Käärmeväyläverkko porataan yhdellä jatkuvalla polulla. Kanavan halkaisija: 12 mm.

Kanavat sijaitsevat 20 mm työpinnan alapuolella (eli 20 mm yläpinnasta, lämmittimet 25 mm työpinnan alapuolella – tässä mallissa lämmittimet ovat itse asiassa 5 mm kanavien alapuolella, joten kanavat ovat lähempänä työpintaa).

Kanavien etäisyys (keskeltä-keskelle-keskipisteeseen) on 65 mm, ja se on kohdistettu lämmitinrivien välisiin rakoihin. Yksikään kanava ei kulje suoraan lämmittimen yli.

Tulo- ja ulostuloliittimet on asennettu levyn reunaan.

Poikkileikkauskuvaus-(tekstikaavio):

Työpinnasta alaspäin (pystysuora etäisyys):

0–15 mm: Kiinteä alumiini (ei ominaisuuksia) – varmistaa pinnan lämpötilan tasaisuuden.

15–27 mm: Jäähdytyskanavat (halkaisija 12 mm) keskitettyinä 21 mm syvyyteen.

27–35 mm: Kiinteät alumiiniset erotuskanavat lämmittimistä.

35–45 mm: Patruunan lämmittimen reiät (halkaisija 10 mm) keskitetty 40 mm syvyyteen (takapuolelta). Lämmittimet asennetaan pohjasta.

Tämä järjestely sijoittaa jäähdytyskanavat 6 mm lähemmäs työpintaa kuin lämmittimet, mikä suosii nopeaa jäähdytystä. Lämmityksen aikana jonkin verran lämpöä johdetaan kanavia kohti, mutta niiden alla oleva kiinteä alumiinikerros ja jäähdytysnesteen pois jääminen (ei virtausta) minimoi hävikin. Kun jäähdytys alkaa, jäähdytysneste virtaa ja ottaa lämpöä työpinnalta ohuen 15 mm kiinteän kerroksen läpi.

Muita huomioitavaa{0}}korkean syklin sovelluksissa
Lämpöväsymisikä – Jokainen lämmitys-jäähdytysjakso aiheuttaa rasitusta levymateriaaliin. Alumiinilla on hyvä lämpöväsymiskestävyys noin 10 000 sykliin asti 20 asteen ja 200 asteen välillä. Suurempiin jaksolukuihin suositellaan terästä tai Inconelia.

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 megaohmia). Maadoitusvian havaitsemisjärjestelmä on suositeltavaa.

Pinnan tasaisuus – Lämpökierto voi aiheuttaa asteittaista vääntymistä. Levy tulee tarkastaa säännöllisesti ja pinnoittaa uudelleen, jos tasaisuus ylittää 0,05 mm työalueen poikki.

Johtopäätös
Integroidut lämmitys- ja jäähdytyslevyt mahdollistavat nopeat kiertoajat prosesseissa, jotka vaativat sekä nopeaa lämmitystä että hallittua jäähdytystä. Tasapainoinen lämmitys- ja jäähdytyslevyrakenne hallitsee lämpölaajenemista, nestetiivistystä ja lämpöviivettä. Alumiinia suositellaan nopeaan lämpövasteeseen, kun taas terästä valitaan korkeampiin lämpötiloihin tai kestävyyteen. Patruunalämmittimet tarjoavat kestäviä, vaihdettavia lämmönlähteitä, ja poratut jäähdytyskanavat (oikeilla tulpilla ja liittimillä) takaavat luotettavan nestejäähdytyksen. Lämmittimien ja kanavien järjestely on optimoitava syklin erityisvaatimuksia varten siten, että kanavat on sijoitettava lähemmäs työpintaa jäähdytyksen nopeuttamiseksi. Räätälöidyt lämpöratkaisut ovat välttämättömiä vaativissa tuotantosykleissä, ja hyvin -suunniteltu lämmitys-jäähdytyslevy voi tuottaa tuhansia luotettavia syklejä, kun kiinnitetään huomiota jännityksen hallintaan ja materiaalien valintaan.