Mnoho výrobních procesů-vytvrzování kompozitů, tvarování za tepla, testování polovodičů- vyžaduje desku, která dokáže součást rychle zahřát a poté rychle zchladit, aby materiál ztuhl. Tuto schopnost poskytuje jediná deska s elektrickými topnými prvky a vnitřními kanály chlazení kapalinou, ale konstrukce musí pečlivě zvládat tepelné namáhání a těsnění kapaliny. Optimalizovanýkonstrukce topných a chladicích desekvyvažuje rovnoměrnost ohřevu, dobu odezvy chlazení a dlouhodobou-mechanickou integritu. Tato příručka popisuje konstrukci, designové výzvy, výběr materiálů a strategie rozvržení pro takovéto duální -funkční desky.
Typická konstrukce topné-chladicí desky
Kombinovaná topná a chladicí deska je obvykle vyrobena z jednoho bloku hliníku nebo oceli. Dva nezávislé tepelné okruhy jsou integrovány do stejné desky:
Elektrická topná tělesa– Patronové ohřívače nebo trubkové ohřívače se vkládají do vyvrtaných slepých otvorů. Alternativně mohou být leptané fóliové ohřívače připojeny k zadnímu povrchu pro tenčí desky.
Kapalinové chladicí kanály– Vyvrtané nebo vyfrézované průchody jsou uspořádány tak, aby vedly chladicí kapalinu (vodu nebo směs vody-glykolu) skrz desku.
Pracovní plocha (plocha, která se dotýká součásti) přijímá teplo z prvků a předává je zátěži. Během fáze ochlazování chladivo absorbuje teplo z desky a odvádí ho pryč, čímž rychle snižuje teplotu pracovního povrchu.
V typickém-příčném uspořádání (popsaném v textu) je deska rozdělena do tří funkčních zón od pracovní plochy směrem dolů:
Pracovní povrchová vrstva– Tloušťka 5–15 mm, neobsahuje žádné ohřívače ani kanály. Tato vrstva zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty na kontaktní ploše.
Ohřívací zóna– Ohřívače patron jsou umístěny v rovině rovnoběžné s pracovní plochou, obvykle 10–25 mm pod ní. Ohřívače jsou rozmístěny rovnoměrně (často v mřížce nebo střídavě).
Zóna chladicího kanálu– Vrtané kanály jsou umístěny 5–15 mm pod ohřívači (dále od pracovní plochy) nebo u některých provedení proloženy mezi řadami ohřívačů. Kanály mají obvykle průměr 6–15 mm.
Přesné pořadí závisí na tom, zda je důležitější rychlost ohřevu nebo rychlost chlazení. U aplikací vyžadujících velmi rychlé chlazení mohou být kanály umístěny blíže k pracovnímu povrchu než ohřívače, ačkoli to může způsobit nerovnoměrnosti teploty během ohřevu.
Návrhové výzvy a řešení
1. Řízení tepelné expanze
Deska se při zahřívání roztahuje a při ochlazení smršťuje. Během opakovaných tepelných cyklů (např. 20° až 200° a zpět) vytváří rozdílná expanze mezi materiálem desky a vloženými součástmi napětí. Ohřívače kazet, které mají ocelový-oplášť, se roztahují jinou rychlostí než hliníková deska.
Strategie designu:
Ohřívače kazet se instalují s mírnou vůlí (obvykle 0,05–0,10 mm průměr mezery) a jsou potaženy vysokoteplotní pastou proti zadření nebo tepelně vodivou pastou-. To umožňuje ohřívači lehce klouzat ve svém otvoru, když se deska roztahuje.
Chladicí kanály jsou umístěny mimo otvory ohřívače, aby se zabránilo tenkým stěnám, které by mohly prasknout při cyklickém namáhání. Doporučuje se minimální tloušťka stěny 3–5 mm mezi kterýmkoli otvorem a dalším prvkem (ohřívací otvor nebo kanál).
Deska je po opracování, ale před konečnou montáží ohřívačů, zbavena pnutí (tepelně zpracována). To snižuje zbytková napětí, která by mohla vést k deformaci nebo prasknutí.
V aplikacích tepelného cyklování je deska také omezena montážními šrouby. Pro umožnění bočního roztažení desky bez vybočení se používají drážkové montážní otvory nebo vyhovující podložky.
2. Tekuté těsnění
Chladicí kanály musí být těsné-, aby se zabránilo kontaktu chladicí kapaliny s elektrickými ohřívači nebo úniku z desky. Netěsnosti také zhoršují tepelný výkon. Používají se dva běžné způsoby těsnění:
Vrtané a zapojené kanály:
Kanály se vrtají od okraje desky pomocí dlouhých vrtáků. Po vyvrtání se otevřené konce utěsní závitovými zátkami (s PTFE páskou nebo závitovým těsněním) nebo navařenými uzávěry. Tato metoda vytváří monolitický blok bez vnějších těsnění. Je vysoce spolehlivý, ale omezuje geometrii kanálu na rovné linie.
Křížové-křižovatky:
Je-li vyžadována síť vzájemně propojených kanálů (např. hadovitý vzor), křížem{2}}vyvrtané otvory se ucpou na povrchu. Každá zátka představuje potenciální místo úniku. Používají se vysokoteplotní O-kroužky (např. Viton nebo silikon) nebo kuželové trubkové závity. Pro kritické aplikace jsou všechny zástrčky po instalaci svařeny nebo připájeny.
Armatury pro vstup a výstup chladicí kapaliny:
K desce jsou připevněny nerezové nebo mosazné ostnaté fitinky, NPT závitové porty nebo rychlospojky-. Těsnění je dosaženo pomocí O-kroužků nebo kuželových závitů. Vyvážená konstrukce zajišťuje integritu úniku pro tlaky až 10 bar (150 psi) a teploty od -20 stupňů do 150 stupňů (pro vodu-glykol) nebo vyšší se specializovanými chladicími kapalinami.
3. Tepelná prodleva mezi ohřevem a chlazením
Odezva chlazení je ze své podstaty pomalejší než topení, protože průtok chladicí kapaliny a koeficient přenosu tepla jsou konečné. Pokud jsou chladicí kanály umístěny příliš daleko od pracovní plochy, bude talíři trvat příliš dlouho, než se ochladí, čímž se prodlouží doba cyklu.
Minimalizace tepelného zpoždění:
Chladicí kanály jsou umístěny co nejblíže k pracovní ploše, přičemž je stále ponechána dostatečná tloušťka materiálu, aby nedošlo k deformaci. Typická je hloubka 10–20 mm od pracovní plochy k nejbližší hraně kanálu.
Hustota kanálů je zvýšena (menší vzdálenost, např. 25–40 mm mezi kanály), aby se zkrátila maximální délka tepelné cesty.
Promotory turbulence (např. zkroucené páskové vložky nebo zdrsněné povrchy kanálů) zvyšují koeficient přenosu tepla na straně chladicí kapaliny-, čímž snižují prodlevu, aniž by se kanály přibližovaly.
Je důležité si uvědomit, že umístění chladicích kanálů příliš blízko k topným prvkům může způsobit rušení. Pokud kanál prochází přímo vedle topného tělesa, chladicí kapalina odebírá teplo během fáze zahřívání, čímž se snižuje účinnost a vytváří se studený bod. V praxi jsou kanály vedeny mezi řadami ohřívačů, nikoli přímo vedle jednotlivých ohřívačů.
Výběr materiálu: hliník vs. ocel
| Materiál | Tepelná vodivost (W/m·K) | Tepelná difuzivita (mm²/s) | Relativní tepelná odezva | Pevnost při vysoké teplotě | Odolnost proti korozi |
|---|---|---|---|---|---|
| Hliník (6061-T6) | 167 | 68 | Rychle | Střední (snížení nad 150 stupňů) | Střední (eloxování se zlepšuje) |
| Ocel (A36) | 45 | 12 | Pomalý | Vysoká (až 400 stupňů +) | Nízká (rez, vyžaduje nátěr) |
| Nerezová ocel (304) | 16 | 4.2 | Velmi pomalu | Vysoká (až 500 stupňů +) | Vynikající |
Pro většinu topných-a{1}}chladicích desek je preferován hliník, protože jeho vysoká tepelná difuzivita umožňuje rychlé změny teploty. Hliníková deska o tloušťce 25 mm reaguje na skokovou změnu výkonu topení nebo průtoku chladicí kapaliny výrazně rychleji než ekvivalentní ocelová deska. Hliník však ztrácí pevnost nad 150° a může se při trvalém zatížení posunout. Pro aplikace nad 200 stupňů je vyžadována ocel nebo nerezová ocel i přes pomalejší tepelnou odezvu.
Při použití nerezové oceli musí být konstrukce chladicího kanálu mnohem agresivnější (menší rozteč, vyšší průtoky), aby se kompenzovala nízká tepelná vodivost.
Výběr chladicí kapaliny a integrace systému
Pro tepelné cyklování mezi teplotou okolí a typickými teplotami zpracování (0–150 stupňů) je standardní směs deionizované vody a ethylenglykolu nebo propylenglykolu. Koncentrace glykolu se volí na základě nejnižší očekávané okolní teploty (např. 30% glykol pro ochranu proti mrazu -15 stupňů). Glykol také zabraňuje korozi hliníku a oceli.
Požadavky na průtok chladicí kapaliny:
Požadovaný průtok se vypočítá z výkonu chlazení (rychlost odvodu tepla) a povoleného nárůstu teploty chladicí kapaliny. Pro typickou desku jsou běžné průtoky 5–20 l/min na kanálovou síť. Používá se vyhrazený chladič nebo výměník tepla s oběhovým čerpadlem. Teplota chladicí kapaliny je řízena odděleně od ovládání topení.
Integrace s řídicím systémem:
Deska vyžaduje řídicí systém, který přepíná mezi režimy vytápění a chlazení. Dva běžné přístupy:
Bang{0}}bang ovládání– Topení jsou vypnutá a elektromagnetický ventil otevírá průtok chladicí kapaliny. Jednoduché, ale může přestřelovat nebo oscilovat.
PID s výstupem chlazení– PID regulátor má dva výstupy: jeden pro napájení topení (přes SSR) a jeden pro modulovaný ventil chladicí kapaliny nebo otáčky čerpadla. To zajišťuje hladké přechody a těsnou regulaci teploty.
V obou případech bezpečnostní blokování zabraňuje zapnutí ohřívačů, když je chladicí kapalina vypnutá a deska je nad bezpečnou teplotou (aby se zabránilo přehřátí stojaté chladicí kapaliny).
Příklad uspořádání: Ohřívače kazet s hadovitými chladicími kanály
Uvažujme čtvercovou desku 400 mm × 400 mm pro tvarování termoplastických desek za tepla. Požadavky: zahřejte na 180 stupňů za 5 minut, ochlaďte na 50 stupňů za 8 minut. Tloušťka plechu: 40 mm (hliník 6061).
Rozložení ohřívače:
Ohřívače patron (průměr 10 mm, délka 300 mm, každý 500 W) se vkládají do slepých otvorů ze zadní strany.
Otvory ohřívačů jsou uspořádány v mřížkovém vzoru: 6 řad × 6 sloupců (celkem 36 ohřívačů). Rozteč: 65 mm mezi středy.
Topné hroty jsou umístěny 15 mm od protilehlé (pracovní) plochy.
Uspořádání chladicího kanálu:
Síť hadovitých kanálů je vyvrtána jedinou souvislou cestou. Průměr kanálu: 12 mm.
Kanály jsou umístěny 20 mm pod pracovní plochou (tj. 20 mm od horního čela, u ohřívačů 25 mm pod pracovní plochou – v tomto provedení jsou ohřívače ve skutečnosti 5 mm pod kanály, takže kanály jsou blíže k pracovní ploše).
Rozteč kanálů (od středu-do{1}}středu) je 65 mm, zarovnáno s mezerami mezi řadami ohřívačů. Žádný kanál neprochází přímo nad topným tělesem.
Vstupní a výstupní armatury jsou namontovány na okraji desky.
Popis průřezu (textový diagram):
Od pracovní plochy směrem dolů (vertikální vzdálenost):
0–15 mm: Masivní hliník (bez prvků) – zajišťuje rovnoměrnost povrchové teploty.
15–27 mm: Chladicí kanály (průměr 12 mm) vystředěné v hloubce 21 mm.
27–35 mm: Pevné hliníkové oddělovací kanály od topných těles.
35–45 mm: Otvory ohřívače patron (průměr 10 mm) vystředěné v hloubce 40 mm (ze zadní strany). Topná tělesa se vkládají ze spodní strany.
Toto uspořádání umisťuje chladicí kanály o 6 mm blíže k pracovní ploše než ohřívače, což podporuje rychlé chlazení. Během zahřívání je určité teplo vedeno směrem ke kanálům, ale pevná hliníková vrstva pod nimi a chladicí kapalina je vypnutá (žádný průtok) minimalizuje ztráty. Na začátku chlazení proudí chladicí kapalina a odebírá teplo z pracovní plochy přes tenkou 15 mm pevnou vrstvu.
Další úvahy pro aplikace s vysokým{0}}cyklem
Životnost tepelné únavy– Každý ohřívací-chladicí cyklus vyvolává napětí v materiálu desky. Hliník má dobrou odolnost proti tepelné únavě až do asi 10 000 cyklů mezi 20 a 200 stupni. Pro vyšší počty cyklů se doporučuje ocel nebo Inconel.
Elektrická izolace – 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 megaohmů). Doporučuje se systém detekce zemního spojení.
Rovinnost povrchu– Tepelné cykly mohou způsobit postupné deformace. Deska by měla být pravidelně kontrolována a znovu opatřena povrchem, pokud rovinnost přesahuje 0,05 mm přes pracovní plochu.
Závěr
Integrované topné a chladicí desky umožňují rychlé doby cyklů v procesech, které vyžadují jak rychlý ohřev, tak řízené chlazení. A vyváženýkonstrukce topných a chladicích desekřídí tepelnou roztažnost, těsnění kapaliny a teplotní zpoždění. Hliník je preferován pro rychlou tepelnou odezvu, zatímco ocel je zvolena pro vyšší teploty nebo větší odolnost. Ohřívače kazet poskytují robustní, vyměnitelné zdroje tepla a vyvrtané chladicí kanály (se správným uzávěrem a armaturami) poskytují spolehlivé kapalinové chlazení. Uspořádání ohřívačů a kanálů musí být optimalizováno pro specifické požadavky cyklu, s kanály umístěnými blíže k pracovní ploše pro rychlejší chlazení. Vlastní tepelná řešení jsou nezbytná pro náročné výrobní cykly a dobře -navržená topná-chladicí deska může zajistit tisíce spolehlivých cyklů, pokud je věnována pozornost zvládání stresu a výběru materiálu.
