Nhiều quy trình sản xuất-bảo dưỡng composite, tạo hình nhiệt, thử nghiệm chất bán dẫn{1}}yêu cầu một tấm ép có thể làm nóng bộ phận một cách nhanh chóng, sau đó làm nguội nhanh để đặt vật liệu. Một tấm duy nhất có cả bộ phận làm nóng bằng điện và các kênh làm mát bằng chất lỏng bên trong cung cấp khả năng này, nhưng thiết kế phải quản lý cẩn thận ứng suất nhiệt và bịt kín chất lỏng. Một tối ưu hóathiết kế tấm sưởi ấm và làm mátcân bằng tính đồng nhất của hệ thống sưởi, thời gian đáp ứng làm mát và tính toàn vẹn cơ học lâu dài. Hướng dẫn này mô tả cấu trúc, những thách thức trong thiết kế, lựa chọn vật liệu và chiến lược bố cục cho các tấm-chức năng kép như vậy.
Cấu trúc điển hình của tấm sưởi ấm-Tấm làm mát
Một tấm sưởi và làm mát kết hợp thường được chế tạo từ một khối nhôm hoặc thép. Hai mạch nhiệt độc lập được tích hợp vào cùng một tấm:
Yếu tố làm nóng điện– Bộ gia nhiệt hộp mực hoặc bộ gia nhiệt hình ống được đưa vào các lỗ mù đã khoan. Ngoài ra, bộ gia nhiệt bằng lá được khắc có thể được liên kết với bề mặt phía sau để tạo ra các tấm mỏng hơn.
Kênh làm mát bằng chất lỏng– Các đường khoan hoặc phay được bố trí để dẫn chất làm mát (nước hoặc hỗn hợp nước{0}}glycol) qua tấm.
Bề mặt làm việc (mặt tiếp xúc với bộ phận) nhận nhiệt từ các phần tử và truyền nhiệt tới tải. Trong giai đoạn làm mát, chất làm mát sẽ hấp thụ nhiệt từ tấm và mang đi, nhanh chóng hạ nhiệt độ bề mặt làm việc.
Trong cách sắp xếp mặt cắt ngang điển hình (được mô tả bằng văn bản), tấm được chia thành ba vùng chức năng từ bề mặt làm việc trở xuống:
Lớp bề mặt làm việc– Dày 5–15 mm, không chứa bộ gia nhiệt hoặc kênh. Lớp này cung cấp sự phân bố nhiệt độ đồng đều ở mặt tiếp xúc.
Vùng nóng– Bộ gia nhiệt hộp mực được đặt trong mặt phẳng song song với bề mặt làm việc, thường thấp hơn 10–25 mm. Các lò sưởi được đặt cách đều nhau (thường ở dạng lưới hoặc so le).
Vùng kênh làm mát– Các kênh khoan được đặt bên dưới bộ gia nhiệt 5–15 mm (xa hơn bề mặt làm việc) hoặc, trong một số thiết kế, xen kẽ giữa các hàng bộ gia nhiệt. Các kênh thường có đường kính 6–15 mm.
Thứ tự chính xác phụ thuộc vào việc tốc độ gia nhiệt hay tốc độ làm mát là quan trọng hơn. Đối với các ứng dụng yêu cầu làm mát rất nhanh, các kênh có thể được đặt gần bề mặt làm việc hơn so với bộ sưởi, mặc dù điều này có thể tạo ra sự không đồng đều về nhiệt độ trong quá trình làm nóng.
Những thách thức và giải pháp thiết kế
1. Quản lý giãn nở nhiệt
Tấm nở ra khi nóng lên và co lại khi nguội đi. Qua các chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại (ví dụ: 20 độ đến 200 độ và ngược lại), sự giãn nở chênh lệch giữa vật liệu tấm và các bộ phận nhúng sẽ tạo ra ứng suất. Bộ làm nóng hộp mực, được bọc-bằng thép, giãn nở với tốc độ khác với tấm nhôm.
Các chiến lược thiết kế:
Bộ gia nhiệt hộp mực được lắp đặt với khe hở nhỏ (thường là khoảng cách đường kính 0,05–0,10 mm) và được phủ một lớp keo dẫn nhiệt-chống nhiệt độ-cao. Điều này cho phép lò sưởi trượt nhẹ trong lỗ của nó khi tấm nở ra.
Các kênh làm mát được đặt cách xa các lỗ gia nhiệt để tránh các bức tường mỏng có thể bị nứt dưới áp lực theo chu kỳ. Nên sử dụng độ dày thành tối thiểu là 3–5 mm giữa bất kỳ lỗ nào và tính năng khác (lỗ hoặc kênh gia nhiệt).
Tấm này được giảm bớt ứng suất-(xử lý nhiệt) sau khi gia công nhưng trước khi lắp ráp bộ gia nhiệt lần cuối. Điều này làm giảm ứng suất dư có thể dẫn đến cong vênh hoặc nứt.
Trong các ứng dụng chu trình nhiệt, tấm cũng bị hạn chế bởi các bu lông lắp đặt. Các lỗ lắp có rãnh hoặc vòng đệm phù hợp được sử dụng để cho phép tấm mở rộng theo chiều ngang mà không bị vênh.
2. Niêm phong chất lỏng
Các kênh làm mát phải kín-để ngăn chất làm mát tiếp xúc với bộ sưởi điện hoặc thoát ra khỏi tấm. Rò rỉ cũng làm giảm hiệu suất nhiệt. Hai phương pháp niêm phong phổ biến được sử dụng:
Các kênh được khoan và cắm:
Các kênh được khoan từ mép tấm bằng mũi khoan dài. Sau khi khoan, các đầu hở được bịt kín bằng nút ren (bằng băng PTFE hoặc keo bịt kín ren) hoặc bằng nắp hàn. Phương pháp này tạo ra một khối nguyên khối không có lớp đệm bên ngoài. Nó có độ tin cậy cao nhưng giới hạn hình học kênh ở các đường thẳng.
Giao lộ{0}}được khoan chéo:
Khi cần có mạng lưới các kênh được kết nối với nhau (ví dụ: mẫu ngoằn ngoèo), các lỗ khoan chéo-được cắm trên bề mặt. Mỗi phích cắm là một điểm rò rỉ tiềm năng. Sử dụng vòng -nhiệt độ cao O{6}} (ví dụ: Viton hoặc silicone) hoặc ren ống côn. Đối với các ứng dụng quan trọng, tất cả các phích cắm đều được hàn hoặc hàn đồng thau sau khi lắp đặt.
Các phụ kiện cho đầu vào và đầu ra chất làm mát:
Các phụ kiện có gai bằng thép không gỉ hoặc đồng thau, cổng ren NPT hoặc khớp nối-kết nối nhanh được gắn vào tấm. Việc bịt kín được thực hiện bằng vòng chữ O- hoặc ren côn. Thiết kế cân bằng đạt được tính toàn vẹn khi rò rỉ ở áp suất lên tới 10 bar (150 psi) và nhiệt độ từ -20 độ đến 150 độ (đối với nước-glycol) trở lên bằng chất làm mát chuyên dụng.
3. Độ trễ nhiệt giữa sưởi và làm mát
Phản ứng làm mát vốn đã chậm hơn so với sưởi ấm vì tốc độ dòng chất làm mát và hệ số truyền nhiệt là hữu hạn. Nếu các kênh làm mát được đặt quá xa bề mặt làm việc, tấm sẽ mất quá nhiều thời gian để làm mát, làm tăng thời gian chu kỳ.
Giảm thiểu độ trễ nhiệt:
Các kênh làm mát được đặt càng gần bề mặt làm việc càng tốt, trong khi vẫn để đủ độ dày vật liệu để tránh biến dạng. Độ sâu điển hình là 10–20 mm từ bề mặt làm việc đến mép kênh gần nhất.
Mật độ kênh được tăng lên (khoảng cách nhỏ hơn, ví dụ: 25–40 mm giữa các kênh) để giảm độ dài đường truyền nhiệt tối đa.
Các chất thúc đẩy nhiễu loạn (ví dụ: chèn băng xoắn hoặc bề mặt kênh được làm nhám) tăng cường hệ số truyền nhiệt phía chất làm mát-, giảm độ trễ mà không cần di chuyển các kênh lại gần hơn.
Điều quan trọng cần lưu ý là việc đặt các kênh làm mát quá gần các bộ phận làm nóng có thể gây nhiễu. Nếu một kênh đi trực tiếp bên cạnh bộ làm nóng hộp mực, chất làm mát sẽ hút nhiệt trong giai đoạn làm nóng, làm giảm hiệu suất và tạo ra điểm lạnh. Trong thực tế, các kênh được định tuyến giữa các dãy lò sưởi, không trực tiếp dọc theo các lò sưởi riêng lẻ.
Lựa chọn vật liệu: Nhôm và thép
| Vật liệu | Độ dẫn nhiệt (W/m·K) | Độ khuếch tán nhiệt (mm2/s) | Phản ứng nhiệt tương đối | Sức mạnh ở nhiệt độ cao | Chống ăn mòn |
|---|---|---|---|---|---|
| Nhôm (6061-T6) | 167 | 68 | Nhanh | Trung bình (giảm trên 150 độ) | Trung bình (anodized cải thiện) |
| Thép (A36) | 45 | 12 | Chậm | Cao (đến 400 độ +) | Thấp (gỉ sét, cần sơn phủ) |
| Thép không gỉ (304) | 16 | 4.2 | Rất chậm | Cao (đến 500 độ +) | Xuất sắc |
Nhôm được ưu tiên sử dụng cho hầu hết các tấm sưởi-và-làm mát vì khả năng khuếch tán nhiệt cao của nó cho phép thay đổi nhiệt độ nhanh chóng. Tấm nhôm dày 25 mm đáp ứng sự thay đổi từng bước về công suất bộ sưởi hoặc dòng chất làm mát nhanh hơn đáng kể so với tấm thép tương đương. Tuy nhiên, nhôm mất độ bền ở nhiệt độ trên 150 độ và có thể bị dãn dưới tải trọng liên tục. Đối với các ứng dụng trên 200 độ, cần có thép hoặc thép không gỉ mặc dù phản ứng nhiệt chậm hơn.
Khi sử dụng thép không gỉ, thiết kế kênh làm mát phải mạnh mẽ hơn nhiều (khoảng cách nhỏ hơn, tốc độ dòng chảy cao hơn) để bù đắp cho độ dẫn nhiệt thấp.
Lựa chọn chất làm mát và tích hợp hệ thống
Đối với chu kỳ nhiệt giữa nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ xử lý thông thường (0–150 độ), hỗn hợp nước khử ion và ethylene glycol hoặc propylene glycol là tiêu chuẩn. Nồng độ Glycol được chọn dựa trên nhiệt độ môi trường dự kiến thấp nhất (ví dụ: 30% glycol để bảo vệ chống đóng băng -15 độ). Glycol cũng ức chế sự ăn mòn của nhôm và thép.
Yêu cầu về dòng nước làm mát:
Tốc độ dòng yêu cầu được tính từ nhiệm vụ làm mát (tốc độ loại bỏ nhiệt) và độ tăng nhiệt độ chất làm mát cho phép. Đối với một tấm điển hình, tốc độ dòng chảy là 5–20 L/phút trên mỗi mạng kênh là phổ biến. Một máy làm lạnh hoặc bộ trao đổi nhiệt chuyên dụng có bơm tuần hoàn được sử dụng. Nhiệt độ nước làm mát được điều khiển riêng biệt với bộ điều khiển bộ sưởi.
Tích hợp với hệ thống điều khiển:
Tấm này yêu cầu một hệ thống điều khiển chuyển đổi giữa chế độ sưởi và làm mát. Hai cách tiếp cận phổ biến:
Kiểm soát tiếng nổ-tiếng nổ– Tắt bộ sưởi và van điện từ sẽ mở dòng chất làm mát. Đơn giản nhưng có thể vượt quá hoặc dao động.
PID với đầu ra làm mát– Bộ điều khiển PID có hai đầu ra: một cho công suất bộ sưởi (thông qua SSR) và một cho van làm mát điều chỉnh hoặc tốc độ bơm. Điều này mang lại sự chuyển tiếp suôn sẻ và kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ.
Trong cả hai trường hợp, khóa liên động an toàn sẽ ngăn không cho bộ sưởi được cấp điện khi chất làm mát tắt và tấm nhiệt ở trên nhiệt độ an toàn (để tránh làm quá nhiệt chất làm mát ứ đọng).
Ví dụ về bố cục: Bộ làm nóng hộp mực với các kênh làm mát Serpentine
Hãy xem xét một tấm vuông 400 mm × 400 mm để ép nóng các tấm nhựa nhiệt dẻo. Yêu cầu: làm nóng đến 180 độ trong 5 phút, làm nguội đến 50 độ trong 8 phút. Độ dày tấm: 40 mm (nhôm 6061).
Bố trí lò sưởi:
Bộ gia nhiệt hộp mực (đường kính 10 mm, chiều dài 300 mm, mỗi bộ 500 W) được lắp vào các lỗ mù từ mặt sau.
Các lỗ sưởi được bố trí theo dạng lưới: 6 hàng × 6 cột (tổng cộng 36 lò sưởi). Khoảng cách: 65 mm giữa các tâm.
Đầu gia nhiệt được đặt cách mặt đối diện (làm việc) 15 mm.
Bố trí kênh làm mát:
Mạng lưới kênh ngoằn ngoèo được khoan bằng một đường dẫn liên tục duy nhất. Đường kính kênh: 12 mm.
Các kênh được đặt bên dưới bề mặt làm việc 20 mm (tức là cách mặt trên 20 mm, với bộ gia nhiệt cách bề mặt làm việc 25 mm - các bộ gia nhiệt thực tế nằm dưới các kênh trong thiết kế này 5 mm, do đó các kênh gần bề mặt làm việc hơn).
Khoảng cách kênh (giữa-đến-giữa) là 65 mm, thẳng hàng với khoảng trống giữa các hàng lò sưởi. Không có kênh nào đi trực tiếp qua lò sưởi.
Các phụ kiện đầu vào và đầu ra được gắn trên mép của tấm.
Mô tả mặt cắt ngang{0}}(sơ đồ văn bản):
Từ bề mặt làm việc trở xuống (khoảng cách thẳng đứng):
0–15 mm: Nhôm nguyên khối (không có tính năng) – đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ bề mặt.
15–27 mm: Kênh làm mát (đường kính 12 mm) tập trung ở độ sâu 21 mm.
27–35 mm: Các rãnh ngăn cách bằng nhôm nguyên khối với bộ sưởi.
35–45 mm: Lỗ làm nóng hộp mực (đường kính 10 mm) có tâm ở độ sâu 40 mm (từ mặt sau). Máy sưởi được chèn từ phía dưới.
Sự sắp xếp này đặt các kênh làm mát gần bề mặt làm việc hơn 6 mm so với các bộ sưởi, giúp làm mát nhanh chóng. Trong quá trình gia nhiệt, một phần nhiệt được truyền tới các kênh, nhưng lớp nhôm rắn bên dưới chúng và chất làm mát bị tắt (không có dòng chảy) sẽ giảm thiểu sự thất thoát. Khi quá trình làm mát bắt đầu, chất làm mát chảy và hút nhiệt từ bề mặt làm việc qua lớp rắn mỏng 15 mm.
Những cân nhắc bổ sung cho các ứng dụng có chu kỳ-cao
Tuổi thọ mỏi nhiệt– Mỗi chu kỳ làm nóng{0}}làm nguội đều gây ra sức căng trong vật liệu tấm. Nhôm có khả năng chống mỏi nhiệt tốt lên tới khoảng 10.000 chu kỳ trong khoảng từ 20 độ đến 200 độ. Đối với số chu kỳ cao hơn, nên sử dụng thép hoặc Inconel.
Cách ly điện – 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 megohm). Nên sử dụng hệ thống phát hiện lỗi nối đất.
Độ phẳng bề mặt– Chu kỳ nhiệt có thể gây cong vênh dần dần. Tấm phải được kiểm tra định kỳ và làm lại bề mặt nếu độ phẳng vượt quá 0,05 mm trên khu vực làm việc.
Phần kết luận
Tấm gia nhiệt và làm mát tích hợp cho phép thời gian chu kỳ nhanh hơn trong các quy trình đòi hỏi cả gia nhiệt nhanh và làm mát có kiểm soát. Một sự cân bằngthiết kế tấm sưởi ấm và làm mátquản lý sự giãn nở nhiệt, niêm phong chất lỏng và độ trễ nhiệt. Nhôm được ưa chuộng vì phản ứng nhiệt nhanh, trong khi thép được chọn vì nhiệt độ cao hơn hoặc độ bền cao hơn. Bộ làm nóng hộp mực cung cấp nguồn nhiệt mạnh mẽ, có thể thay thế và các kênh làm mát được khoan (có phích cắm và phụ kiện thích hợp) mang lại khả năng làm mát bằng chất lỏng đáng tin cậy. Việc bố trí các bộ gia nhiệt và kênh phải được tối ưu hóa cho các yêu cầu chu trình cụ thể, với các kênh được đặt gần bề mặt làm việc hơn để làm mát nhanh hơn. Các giải pháp nhiệt tùy chỉnh rất cần thiết cho các chu trình sản xuất đòi hỏi khắt khe và một tấm làm mát-được thiết kế tốt-có thể mang lại hàng nghìn chu trình đáng tin cậy khi chú ý đến việc quản lý áp lực và lựa chọn vật liệu.
