Многие производственные процессы-отверждение композитов, термоформование, испытания полупроводников- требуют использования плиты, которая может быстро нагревать деталь, а затем быстро охлаждать ее для закрепления материала. Единственная пластина с электрическими нагревательными элементами и внутренними каналами жидкостного охлаждения обеспечивает эту возможность, но конструкция должна тщательно контролировать тепловые нагрузки и герметичность жидкости. Оптимизированныйконструкция нагревательной и охлаждающей пластиныобеспечивает баланс между равномерностью нагрева, временем реакции на охлаждение и долгосрочной-механической целостностью. В этом руководстве описываются конструкция, проблемы проектирования, выбор материалов и стратегии компоновки таких плит с двойной-функцией.
Типичная конструкция нагревательной-охлаждающей пластины
Комбинированная нагревательная и охлаждающая пластина обычно изготавливается из цельного блока алюминия или стали. Два независимых тепловых контура интегрированы в одну пластину:
Электрические нагревательные элементы– Картриджные или трубчатые нагреватели вставляются в просверленные глухие отверстия. Альтернативно, нагреватели из травленой фольги могут быть прикреплены к задней поверхности более тонких пластин.
Каналы жидкостного охлаждения– Для прохождения охлаждающей жидкости (воды или водно-гликолевой смеси) через пластину предусмотрены просверленные или фрезерованные каналы.
Рабочая поверхность (грань, контактирующая с деталью) получает тепло от элементов и передает его нагрузке. На этапе охлаждения охлаждающая жидкость поглощает тепло от пластины и уносит его, быстро снижая температуру рабочей поверхности.
При типичном-поперечном расположении (описанном в тексте) пластина разделена на три функциональные зоны от рабочей поверхности вниз:
Слой рабочей поверхности– Толщина 5–15 мм, не содержит нагревателей и каналов. Этот слой обеспечивает равномерное распределение температуры на поверхности контакта.
Зона нагрева– Патронные нагреватели размещаются в плоскости, параллельной рабочей поверхности, обычно на 10–25 мм ниже ее. Нагреватели располагаются равномерно (часто в виде сетки или в шахматном порядке).
Зона канала охлаждения– Просверленные каналы располагаются на 5–15 мм ниже нагревателей (дальше от рабочей поверхности) или в некоторых конструкциях чередуются между рядами нагревателей. Каналы обычно имеют диаметр 6–15 мм.
Точный порядок зависит от того, какая скорость нагрева или скорость охлаждения более важна. В приложениях, требующих очень быстрого охлаждения, каналы можно расположить ближе к рабочей поверхности, чем нагреватели, хотя это может привести к неравномерности температуры-во время нагрева.
Проблемы проектирования и решения
1. Управление тепловым расширением
Пластина расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. При повторяющихся термических циклах (например, от 20 до 200 градусов и обратно) дифференциальное расширение между материалом пластины и встроенными компонентами создает напряжения. Картриджные нагреватели со стальной-оболочкой расширяются с другой скоростью, чем алюминиевая пластина.
Стратегии проектирования:
Картриджные нагреватели устанавливаются с небольшим зазором (обычно зазор диаметром 0,05–0,10 мм) и покрываются жаропрочной-противо-задирной или теплопроводящей пастой. Это позволяет нагревателю слегка скользить внутри отверстия по мере расширения пластины.
Каналы охлаждения расположены вдали от отверстий нагревателя, чтобы избежать тонких стенок, которые могут треснуть под воздействием циклических напряжений. Рекомендуется минимальная толщина стенки 3–5 мм между любым отверстием и другим элементом (отверстием или каналом нагревателя).
После механической обработки, но перед окончательной сборкой нагревателей, с пластины-снимаются напряжения (термическая обработка). Это снижает остаточные напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию.
При термоциклировании пластина также фиксируется монтажными болтами. Монтажные отверстия с прорезями или податливые шайбы используются для того, чтобы пластина могла расширяться вбок без коробления.
2. Герметизация жидкости
Каналы охлаждения должны быть-герметичны, чтобы предотвратить попадание охлаждающей жидкости на электрические нагреватели или выход из пластины. Утечки также ухудшают тепловые характеристики. Используются два распространенных метода герметизации:
Просверлены и заглушены каналы:
От края пластины с помощью длинных сверл сверлятся каналы. После сверления открытые концы герметизируют резьбовыми заглушками (тефлоновой лентой или резьбовым герметиком) или приваренными колпачками. Этот метод позволяет получить монолитный блок без внешних уплотнений. Он очень надежен, но ограничивает геометрию канала прямыми линиями.
Перекрестные-просверленные пересечения:
Если требуется сеть взаимосвязанных каналов (например, змеевидная форма), на поверхности закупориваются поперечные-отверстия. Каждая пробка является потенциальным местом утечки. Используются жаропрочные-уплотнительные-кольца (например, из витона или силикона) или коническая трубная резьба. В критически важных случаях все заглушки привариваются или паяются после установки.
Штуцеры для входа и выхода охлаждающей жидкости:
К пластине крепятся фитинги с зазубринами из нержавеющей стали или латуни, порты с резьбой NPT или быстро-разъемы. Уплотнение достигается с помощью уплотнительных колец или конической резьбы. Сбалансированная конструкция обеспечивает герметичность при давлении до 10 бар (150 фунтов на квадратный дюйм) и температуре от -20 до 150 градусов (для водно-гликолевой смеси) или выше при использовании специализированных охлаждающих жидкостей.
3. Тепловая задержка между нагревом и охлаждением.
Реакция охлаждения по своей сути медленнее, чем нагрев, поскольку скорость потока охлаждающей жидкости и коэффициент теплопередачи конечны. Если охлаждающие каналы расположены слишком далеко от рабочей поверхности, пластине потребуется слишком много времени для охлаждения, что приведет к увеличению времени цикла.
Минимизация тепловой задержки:
Каналы охлаждения расположены как можно ближе к рабочей поверхности, при этом остается достаточная толщина материала во избежание деформации. Типичная глубина составляет 10–20 мм от рабочей поверхности до ближайшего края канала.
Плотность каналов увеличивается (уменьшается расстояние между каналами, например 25–40 мм), чтобы уменьшить максимальную длину теплового пути.
Усилители турбулентности (например, вставки из витой ленты или шероховатые поверхности каналов) увеличивают коэффициент теплопередачи со стороны охлаждающей жидкости, уменьшая задержку без смещения каналов ближе.
Важно отметить, что размещение охлаждающих каналов слишком близко к нагревательным элементам может создать помехи. Если канал проходит непосредственно рядом с картриджным нагревателем, охлаждающая жидкость будет отводить тепло во время фазы нагрева, снижая эффективность и создавая холодную точку. На практике каналы прокладываются между рядами нагревателей, а не непосредственно рядом с отдельными нагревателями.
Выбор материала: алюминий или сталь
| Материал | Теплопроводность (Вт/м·К) | Температуропроводность (мм²/с) | Относительная термическая реакция | Прочность при высокой температуре | Коррозионная стойкость |
|---|---|---|---|---|---|
| Алюминий (6061-T6) | 167 | 68 | Быстрый | Умеренный (снижается выше 150 градусов) | Умеренный (анодирование улучшает) |
| Сталь (А36) | 45 | 12 | Медленный | Высокая (до 400 градусов +) | Низкая (ржавеет, требует покрытия) |
| Нержавеющая сталь (304) | 16 | 4.2 | Очень медленно | Высокая (до 500 градусов +) | Отличный |
Алюминий предпочтителен для большинства нагревательных-и-охлаждающих пластин, поскольку его высокая температуропроводность позволяет быстро менять температуру. Алюминиевая пластина толщиной 25 мм реагирует на ступенчатое изменение мощности нагревателя или расхода теплоносителя значительно быстрее, чем эквивалентная стальная пластина. Однако алюминий теряет прочность при температуре выше 150 градусов и может расползаться при длительной нагрузке. Для применений при температуре выше 200 градусов требуется сталь или нержавеющая сталь, несмотря на более медленную термическую реакцию.
При использовании нержавеющей стали конструкция охлаждающего канала должна быть гораздо более агрессивной (меньшее расстояние, более высокая скорость потока), чтобы компенсировать низкую теплопроводность.
Выбор охлаждающей жидкости и интеграция системы
Для термоциклирования между температурой окружающей среды и типичной температурой обработки (0–150 градусов) стандартной является смесь деионизированной воды и этиленгликоля или пропиленгликоля. Концентрация гликоля выбирается исходя из самой низкой ожидаемой температуры окружающей среды (например, 30% гликоля для защиты от замерзания -15 градусов). Гликоль также препятствует коррозии алюминия и стали.
Требования к потоку охлаждающей жидкости:
Требуемый расход рассчитывается исходя из мощности охлаждения (скорости теплоотвода) и допустимого повышения температуры теплоносителя. Для типичной пластины обычно скорость потока составляет 5–20 л/мин на сеть каналов. Используется специальный охладитель или теплообменник с циркуляционным насосом. Температура охлаждающей жидкости контролируется отдельно от управления отопителем.
Интеграция с системой управления:
Для плиты необходима система управления, которая переключает режимы нагрева и охлаждения. Два распространенных подхода:
Контроль взрыва-взрыва– Нагреватели выключаются, и электромагнитный клапан открывает поток охлаждающей жидкости. Просто, но может промахиваться или колебаться.
ПИД с выходом охлаждения– ПИД-регулятор имеет два выхода: один для мощности нагревателя (через твердотельное реле) и один для регулирования клапана охлаждающей жидкости или скорости насоса. Это обеспечивает плавные переходы и жесткий контроль температуры.
В любом случае защитная блокировка предотвращает подачу питания на нагреватели, когда охлаждающая жидкость отключена, а температура пластины превышает безопасную (во избежание перегрева застоявшейся охлаждающей жидкости).
Пример компоновки: картриджные нагреватели с змеевидными каналами охлаждения
Рассмотрим квадратную пластину размером 400 × 400 мм для термоформования листов термопласта. Требования: нагреть до 180 градусов за 5 минут, охладить до 50 градусов за 8 минут. Толщина пластины: 40 мм (алюминий 6061).
Схема обогревателя:
Картриджные нагреватели (диаметр 10 мм, длина 300 мм, мощность 500 Вт каждый) вставляются в глухие отверстия с задней стороны.
Отверстия нагревателей расположены в виде сетки: 6 рядов × 6 столбцов (всего 36 нагревателей). Расстояние: 65 мм между центрами.
Насадки нагревателя располагаются на расстоянии 15 мм от противоположной (рабочей) грани.
Схема каналов охлаждения:
Сеть змеевидных каналов пробурена по одной непрерывной траектории. Диаметр канала: 12 мм.
Каналы расположены на 20 мм ниже рабочей поверхности (т.е. на 20 мм от верхней грани, у нагревателей на 25 мм ниже рабочей поверхности – в данной конструкции нагреватели фактически расположены на 5 мм ниже каналов, поэтому каналы расположены ближе к рабочей поверхности).
Расстояние между каналами (от центра-до-центра составляет 65 мм и совмещено с зазорами между рядами нагревателей. Ни один канал не проходит непосредственно над нагревателем.
На краю пластины монтируются входная и выходная арматура.
Поперечное-описание (текстовая диаграмма):
От рабочей поверхности вниз (расстояние по вертикали):
0–15 мм: Цельный алюминий (без особенностей) – обеспечивает однородность температуры поверхности.
15–27 мм: Охлаждающие каналы (диаметр 12 мм) расположены по центру на глубине 21 мм.
27–35 мм: Цельные алюминиевые каналы, отделяющие от нагревателей.
35–45 мм: Отверстия нагревателя картриджа (диаметром 10 мм) расположены по центру на глубине 40 мм (с задней стороны). Нагреватели вставляются снизу.
Такое расположение размещает охлаждающие каналы на 6 мм ближе к рабочей поверхности, чем нагреватели, что способствует быстрому охлаждению. Во время нагрева некоторая часть тепла передается к каналам, но твердый алюминиевый слой под ними и отсутствие охлаждающей жидкости (нет потока) сводят потери к минимуму. Когда начинается охлаждение, охлаждающая жидкость течет и отбирает тепло от рабочей поверхности через тонкий твердый слой толщиной 15 мм.
Дополнительные соображения для приложений с высоким-циклом
Срок службы термической усталости– Каждый цикл нагрева-охлаждения приводит к деформации материала пластины. Алюминий имеет хорошее сопротивление термической усталости примерно до 10 000 циклов при температуре от 20 до 200 градусов. Для большего количества циклов рекомендуется использовать сталь или инконель.
Электрическая изоляция – 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 МОм). Рекомендуется использовать систему обнаружения замыканий на землю.
Ровность поверхности– Термоциклирование может привести к постепенному короблению. Пластину следует периодически проверять и шлифовать, если плоскостность рабочей зоны превышает 0,05 мм.
Заключение
Встроенные нагревательные и охлаждающие пластины позволяют сократить время цикла в процессах, требующих как быстрого нагрева, так и контролируемого охлаждения. Сбалансированныйконструкция нагревательной и охлаждающей пластиныуправляет тепловым расширением, уплотнением жидкости и тепловой задержкой. Алюминий предпочтителен из-за быстрого термического реагирования, а сталь — из-за более высоких температур или большей долговечности. Картриджные нагреватели представляют собой надежные, заменяемые источники тепла, а просверленные охлаждающие каналы (при правильной заглушке и фитингах) обеспечивают надежное жидкостное охлаждение. Расположение нагревателей и каналов должно быть оптимизировано с учетом требований конкретного цикла, при этом каналы должны располагаться ближе к рабочей поверхности для более быстрого охлаждения. Специальные тепловые решения необходимы для требовательных производственных циклов, а хорошо спроектированная нагревательная-плита охлаждения может обеспечить тысячи надежных циклов, если уделять внимание управлению нагрузками и выбору материалов.
