Paljud tootmisprotsessid-komposiitide kõvenemine, termovormimine, pooljuhtide testimine-nõuavad plaati, mis suudab detaili kiiresti soojendada ja seejärel materjali tardumiseks kiiresti jahutada. Üks plaat, millel on nii elektrilised kütteelemendid kui ka sisemised vedeliku jahutuskanalid, tagab selle võimaluse, kuid disain peab hoolikalt juhtima termilisi pingeid ja vedeliku tihendamist. Optimeeritudkütte- ja jahutusplaadi disaintasakaalustab kuumutamise ühtlust, jahutusreaktsiooni aega ja pikaajalist-mehhaanilist terviklikkust. Selles juhendis kirjeldatakse selliste kahe-funktsiooniga plaatide ehitust, disainiprobleeme, materjalivalikuid ja paigutusstrateegiaid.
Kütte{0}}jahutusplaadi tüüpiline konstruktsioon
Kombineeritud kütte- ja jahutusplaat on tavaliselt valmistatud ühest alumiinium- või terasplokist. Kaks sõltumatut soojusahelat on integreeritud samale plaadile:
Elektrilised kütteelemendid– Kassettküttekehad või torukujulised küttekehad sisestatakse puuritud pimedatesse aukudesse. Alternatiivina võib õhemate plaatide tagapinna külge ühendada söövitatud fooliumist küttekehad.
Vedeljahutuskanalid– Puuritud või freesitud käigud on paigutatud nii, et jahutusvedelik (vesi või vesi{0}}glükoolisegu) juhitakse läbi plaadi.
Tööpind (osaga kokkupuutuv pind) saab elementidelt soojust ja kannab selle üle koormusele. Jahutusfaasis neelab jahutusvedelik plaadilt soojust ja kannab selle minema, alandades kiiresti tööpinna temperatuuri.
Tüüpilise{0}}ristlõike paigutuse korral (kirjeldatud tekstis) on plaat jagatud kolmeks funktsionaalseks tsooniks tööpinnast allapoole:
Tööpinna kiht– 5–15 mm paksune, ei sisalda küttekehasid ega kanaleid. See kiht tagab ühtlase temperatuurijaotuse kontaktpinnal.
Kütte tsoon– Kassettküttekehad asetatakse tööpinnaga paralleelsele tasapinnale, tavaliselt 10–25 mm selle alla. Küttekehad on paigutatud ühtlaselt (sageli võre või astmelise mustriga).
Jahutuskanali tsoon– Puuritud kanalid asuvad küttekehade all 5–15 mm (tööpinnast kaugemal) või mõnel konstruktsioonil kerise ridade vahele põimituna. Kanalite läbimõõt on tavaliselt 6–15 mm.
Täpne järjestus sõltub sellest, kas kütte- või jahutuskiirus on kriitilisem. Väga kiiret jahutamist nõudvate rakenduste puhul võib kanalid paigutada tööpinnale lähemale kui küttekehad, kuigi see võib kuumutamise ajal tekitada temperatuuri ebaühtlust{1}}.
Disaini väljakutsed ja lahendused
1. Soojuspaisumise juhtimine
Plaat paisub kuumutamisel ja tõmbub kokku jahutamisel. Korduvate termotsüklite (nt 20 kuni 200 kraadi ja tagasi) ajal tekitab plaadi materjali ja sisseehitatud komponentide vaheline diferentsiaalne paisumine pingeid. Terasest ümbrisega{6}}kassettküttekehad paisuvad erineva kiirusega kui alumiiniumplaat.
Disainistrateegiad:
Kassettküttekehad paigaldatakse väikese vahega (tavaliselt 0,05–0,10 mm läbimõõduga vahe) ja need on kaetud kõrgel -temperatuuril kinnijäämisvastase-või soojust juhtiva pastaga. See võimaldab kütteseadmel plaadi laienedes veidi oma augu sees libiseda.
Jahutuskanalid on paigutatud küttekeha aukudest eemale, et vältida õhukesi seinu, mis võivad tsüklilise pinge korral praguneda. Soovitatav on, et iga augu ja mõne muu objekti (küttekeha auk või kanal) vahele jääks seina paksus vähemalt 3–5 mm.
Plaat eemaldatakse pinge{0}}(kuumtöödeldud) pärast töötlemist, kuid enne küttekehade lõplikku kokkupanekut. See vähendab jääkpingeid, mis võivad põhjustada kõverdumist või pragunemist.
Termotsüklirakendustes piiravad plaati ka kinnituspoldid. Kasutatakse piludega kinnitusavasid või nõuetele vastavaid seibe, mis võimaldavad plaadil külgsuunas laieneda ilma paindumiseta.
2. Vedeliku tihendus
Jahutuskanalid peavad olema{0}}tihedad, et vältida jahutusvedeliku kokkupuudet elektriliste küttekehadega või plaadist väljumisega. Lekked halvendavad ka soojustõhusust. Kasutatakse kahte tavalist tihendusmeetodit:
Puuritud ja ühendatud kanalid:
Kanalid puuritakse plaadi servast pikkade puuriteradega. Pärast puurimist suletakse lahtised otsad keermestatud pistikutega (PTFE lindi või keermetihendiga) või keevitatud korkidega. Selle meetodiga saadakse monoliitne plokk, millel pole väliseid tihendeid. See on väga töökindel, kuid piirab kanali geomeetriat sirgjoontega.
Puuritud{0}}ristmikud:
Kui on vaja omavahel ühendatud kanalite võrku (nt serpentiinmustrit), suletakse pinnale rist-puuritud augud. Iga pistik on potentsiaalne lekkekoht. Kasutatakse kõrge -temperatuuri O-rõngaid (nt Viton või silikoon) või kitsenevaid torukeere. Kriitiliste rakenduste puhul keevitatakse või joodetakse kõik pistikud pärast paigaldamist.
Jahutusvedeliku sisse- ja väljalaskeava liitmikud:
Plaadi külge on kinnitatud roostevabast terasest või messingist okastliitmikud, NPT keermestatud pordid või{0}}kiirühendused. Tihendus saavutatakse O-rõngaste või kitsenevate keermetega. Tasakaalustatud konstruktsioon tagab spetsiaalsete jahutusvedelikega lekkekindluse rõhul kuni 10 baari (150 psi) ja temperatuuridel -20 kraadist 150 kraadini (vesi-glükooli puhul) või kõrgemal.
3. Soojusvahe kütmise ja jahutamise vahel
Jahutusreaktsioon on oma olemuselt aeglasem kui kuumutamine, kuna jahutusvedeliku voolukiirus ja soojusülekandetegur on piiratud. Kui jahutuskanalid on tööpinnast liiga kaugel, võtab plaadi jahtumine liiga palju aega, mis suurendab tsükli kestust.
Termilise viivituse minimeerimine:
Jahutuskanalid on paigutatud tööpinnale võimalikult lähedale, jättes siiski piisava materjali paksuse, et vältida moonutusi. Tüüpiline sügavus tööpinnast lähima kanali servani on 10–20 mm.
Maksimaalse soojustee pikkuse vähendamiseks suurendatakse kanalite tihedust (väiksem vahekaugus, nt 25–40 mm kanalite vahel).
Turbulentsi soodustajad (nt keeratud lindi sisestused või karestatud kanalipinnad) suurendavad jahutusvedeliku -poolset soojusülekandetegurit, vähendades viivitust ilma kanaleid lähemale viimata.
Oluline on märkida, et jahutuskanalite paigutamine kütteelementidele liiga lähedale võib tekitada häireid. Kui kanal läbib otse kassettküttekeha kõrval, eraldab jahutusvedelik küttefaasis soojust, vähendades tõhusust ja tekitades külma koha. Praktikas suunatakse kanalid küttekehade ridade vahele, mitte otse üksikute küttekehade kõrvale.
Materjali valik: alumiinium vs teras
| Materjal | Soojusjuhtivus (W/m·K) | Termiline difusioon (mm²/s) | Suhteline termiline reaktsioon | Tugevus kõrgel temperatuuril | Korrosioonikindlus |
|---|---|---|---|---|---|
| Alumiinium (6061-T6) | 167 | 68 | Kiire | Mõõdukas (langeneb üle 150 kraadi) | Mõõdukas (anodeeritud paraneb) |
| Teras (A36) | 45 | 12 | Aeglane | Kõrge (kuni 400 kraadi +) | Madal (rooste, vajab katmist) |
| Roostevaba teras (304) | 16 | 4.2 | Väga aeglane | Kõrge (kuni 500 kraadi +) | Suurepärane |
Enamiku kütte{0}}ja-jahutusplaatide puhul eelistatakse alumiiniumi, kuna selle kõrge termiline difusioon võimaldab kiireid temperatuurimuutusi. 25 mm paksune alumiiniumplaat reageerib küttekeha võimsuse või jahutusvedeliku voolu astmelisele muutusele oluliselt kiiremini kui samaväärne terasplaat. Alumiinium kaotab aga tugevust üle 150 kraadi ja võib pideva koormuse all hiilida. Rakenduste puhul, mille temperatuur on üle 200 kraadi, on terasest või roostevabast terasest vajalik vaatamata aeglasemale termilisele reaktsioonile.
Roostevaba terase kasutamisel peab jahutuskanali disain olema madala soojusjuhtivuse kompenseerimiseks palju agressiivsem (väiksem vahemaa, suurem voolukiirus).
Jahutusvedeliku valik ja süsteemi integreerimine
Ümbritseva ja tüüpilise töötlemistemperatuuri (0–150 kraadi) vahel termilise tsükli jaoks on standardne deioniseeritud vee ja etüleenglükooli või propüleenglükooli segu. Glükooli kontsentratsioon valitakse madalaima eeldatava ümbritseva keskkonna temperatuuri alusel (nt 30% glükooli -15 kraadi külmumiskaitseks). Glükool pärsib ka alumiiniumi ja terase korrosiooni.
Jahutusvedeliku voolu nõuded:
Nõutav voolukiirus arvutatakse jahutuskoormuse (soojuse eemaldamise kiiruse) ja jahutusvedeliku lubatud temperatuuri tõusu põhjal. Tüüpilise plaadi puhul on tavalised voolukiirused 5–20 l/min kanalivõrgu kohta. Kasutatakse spetsiaalset tsirkulatsioonipumbaga jahutit või soojusvahetit. Jahutusvedeliku temperatuuri juhitakse kütteseadme juhtseadmest eraldi.
Integreerimine juhtimissüsteemiga:
Plaat nõuab juhtimissüsteemi, mis lülitub kütte- ja jahutusrežiimide vahel. Kaks levinud lähenemisviisi:
Pauk{0}}paugu juhtimine– Kütteseadmed lülitatakse välja ja solenoidklapp avab jahutusvedeliku voolu. Lihtne, kuid võib ületada või kõikuda.
PID jahutusväljundiga– PID-regulaatoril on kaks väljundit: üks küttekeha võimsuse jaoks (SSR-i kaudu) ja üks moduleeriva jahutusvedeliku ventiili või pumba kiiruse jaoks. See tagab sujuva ülemineku ja tiheda temperatuuri kontrolli.
Mõlemal juhul takistab ohutusblokeering küttekehade pingestamist, kui jahutusvedelik on välja lülitatud ja plaadi temperatuur on üle ohutu (seisva jahutusvedeliku ülekuumenemise vältimiseks).
Paigutuse näide: Serpentiinjahutuskanalitega kassettkütteseadmed
Kaaluge 400 mm × 400 mm ruudukujulist plaati termoplastsete lehtede termovormimiseks. Nõuded: kuumutada 180 kraadini 5 minutiga, jahutada 50 kraadini 8 minutiga. Plaadi paksus: 40 mm (alumiinium 6061).
Küttekeha paigutus:
Kassettküttekehad (läbimõõt 10 mm, pikkus 300 mm, igaüks 500 W) sisestatakse tagaküljelt pimedatesse aukudesse.
Küttekeha augud on paigutatud ruudustikuna: 6 rida × 6 veergu (kokku 36 kütteseadet). Keskmiste vaheline kaugus: 65 mm.
Küttekeha otsad asetsevad vastasküljest (töötavast) 15 mm kaugusel.
Jahutuskanali paigutus:
Serpentiinsete kanalite võrk puuritakse ühe pideva rajaga. Kanali läbimõõt: 12 mm.
Kanalid asuvad 20 mm tööpinnast allpool (st 20 mm pealmisest pinnast, küttekehadega 25 mm tööpinnast allpool – küttekehad on selle konstruktsiooni puhul tegelikult 5 mm kanalitest allpool, seega on kanalid tööpinnale lähemal).
Kanalite vahe (keskelt---keskeni) on 65 mm, joondatud küttekeha ridade vahedega. Ükski kanal ei liigu otse üle küttekeha.
Sisse- ja väljalaskeava liitmikud on paigaldatud plaadi servale.
Rist{0}}kirjeldus (tekstidiagramm):
Tööpinnast allapoole (vertikaalne kaugus):
0–15 mm: täisalumiinium (ilma omadusteta) – tagab pinnatemperatuuri ühtluse.
15–27 mm: jahutuskanalid (läbimõõt 12 mm), mis on tsentreeritud 21 mm sügavusele.
27–35 mm: tugevast alumiiniumist eraldavad kanalid küttekehadest.
35–45 mm: kasseti küttekeha avad (läbimõõt 10 mm), mis on tsentreeritud 40 mm sügavusele (tagaküljelt). Küttekehad sisestatakse altpoolt.
Selline paigutus asetab jahutuskanalid tööpinnale 6 mm lähemale kui küttekehad, soodustades kiiret jahutamist. Kuumutamise ajal juhitakse osa soojust kanalite suunas, kuid nende all olev tahke alumiiniumkiht ja jahutusvedeliku väljalülitamine (ilma vooluta) minimeerib kadu. Jahutuse alguses voolab jahutusvedelik läbi õhukese 15 mm tahke kihi tööpinnalt ja eraldab soojust.
Täiendavad kaalutlused suure tsükliga{0}}rakenduste puhul
Termilise väsimuse eluiga– Iga kütte{0}}jahutustsükkel põhjustab plaadi materjali pinget. Alumiiniumil on hea termiline väsimuskindlus kuni umbes 10 000 tsüklit vahemikus 20 kuni 200 kraadi. Suuremate tsüklite arvu jaoks on soovitatav kasutada terast või Inconeli.
Elektriisolatsioon – 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 megaoomi). Soovitatav on maandusrike tuvastamise süsteem.
Pinna tasasus– Soojustsükkel võib põhjustada järkjärgulist moondumist. Plaati tuleb perioodiliselt kontrollida ja uuesti pinda, kui tasapinnalisus ületab tööpiirkonna 0,05 mm.
Järeldus
Integreeritud kütte- ja jahutusplaadid võimaldavad kiiret tsükliaega protsessides, mis nõuavad nii kiiret kuumutamist kui ka kontrollitud jahutamist. Tasakaalustatudkütte- ja jahutusplaadi disainhaldab soojuspaisumist, vedeliku tihendamist ja termilist viivitust. Kiire termilise reaktsiooni jaoks eelistatakse alumiiniumi, kõrgemate temperatuuride või suurema vastupidavuse jaoks aga terast. Kassettküttekehad pakuvad tugevaid, vahetatavaid soojusallikaid ning puuritud jahutuskanalid (õigete pistikute ja liitmikega) tagavad usaldusväärse vedelikujahutuse. Küttekehade ja kanalite paigutus peab olema optimeeritud vastavalt konkreetsetele tsüklinõuetele, kiiremaks jahutamiseks paigutades kanalid tööpinnale lähemale. Kohandatud termilised lahendused on nõudlike tootmistsüklite jaoks hädavajalikud ja hästi-disainitud kütte-jahutusplaat suudab pakkuda tuhandeid usaldusväärseid tsükleid, kui tähelepanu pööratakse pingejuhtimisele ja materjalide valikule.
