Com dissenyar una placa de calefacció amb refrigeració líquida integrada per al cicle tèrmic?

En diversos processos de fabricació, com ara el curat de compostos, el termoconformat i les proves de semiconductors, es necessita una placa que pugui escalfar ràpidament l'objecte i després refredar-se ràpidament per fixar el material. Això es fa amb una sola placa que té tant elements de calefacció elèctrics com canals interns de refrigeració líquida, però el disseny requereix una gestió acurada de les tensions tèrmiques i el segellat de fluids. Un disseny òptim de la placa de calefacció i refrigeració equilibra les propietats d'uniformitat de la calefacció, el temps de resposta de refrigeració i la integritat mecànica-a llarg termini. En aquesta guia s'explica com es construeixen aquestes platines de doble funció-, els problemes de disseny, els materials emprats i les idees de disseny.

Placa de calefacció-refrigeració, construcció típica de
Una combinació típica de placa de calefacció i refrigeració es fabrica a partir d'una sola peça d'alumini o acer. Dos circuits tèrmics diferents integrats en una mateixa placa:

Elements de calefacció elèctrics Els escalfadors de cartutxos o els escalfadors tubulars es posen en forats cecs perforats. Alternativament, les plaques més primes poden utilitzar escalfadors de làmines gravats units a la superfície inversa.

Canals de refrigeració líquida - Un refrigerant (aigua o aigua-mescla de glicol) es fa circular a través de passatges perforats o fresats dins de la placa.

Els elements escalfen la superfície de treball (la cara en contacte amb la peça) i la superfície de treball transfereix la calor a la càrrega. En el mode de refrigeració, el refrigerant absorbeix la calor de la placa i l'elimina, reduint ràpidament la temperatura de la superfície de treball.

En una secció transversal típica (donada al text) la placa es divideix en 3 zones funcionals des de la superfície de treball cap avall:

Capa de superfície de treball: 5-15 mm de gruix, sense escalfadors ni canals. Aquesta capa proporciona una distribució homogènia de la temperatura a la cara de contacte.

Zona d'escalfador - Els escalfadors de cartutxos es col·loquen en el pla paral·lel a la superfície de treball, generalment entre 10 i 25 mm per sota de la superfície de treball. Els escalfadors es distribueixen uniformement (normalment en un disseny de quadrícula o esglaonat).

Zona del canal de refrigeració - Els canals perforats es col·loquen entre 5 i 15 mm per sota dels escalfadors (més allunyats de la superfície de treball) o en determinades configuracions intercalades entre files d'escalfadors. Els canals solen tenir entre 6 i 15 mm de diàmetre.

L'ordre exacte depèn de si és més important - la velocitat de calefacció o la velocitat de refrigeració. En aplicacions on es requereix un refredament molt ràpid, els canals es poden situar més a prop de la superfície de treball que els escalfadors, però això pot provocar no uniformitats de temperatura durant l'escalfament.

Reptes i solucions de disseny
1. Control de l'expansió tèrmica
Així, quan s'escalfa, la placa s'expandeix. Quan es refreda es contrau. A causa de l'expansió diferencial del material de la placa i dels components incrustats, s'indueixen soques durant diversos cicles de temperatura (per exemple, de . 20 graus a 200 graus i viceversa). Els escalfadors de cartutxos estan revestits d'acer i s'expandiran a un ritme diferent al d'una placa d'alumini.

Estratègies de disseny.

Els escalfadors de cartutxos estan equipats amb un espai lliure petit (generalment un espai de 0,05-0,10 mm de diàmetre) i es cobreixen amb pasta antigrippant o termoconductora d'alta-temperatura. Això permet que l'escalfador es mogui lleugerament pel seu forat quan la placa s'expandeix.

Els canals de refrigeració no estan alineats amb els forats de l'escalfador per evitar que les parets primes es puguin trencar sota l'estrès cíclic. Es recomana mantenir el gruix de la paret entre qualsevol forat i una característica (forat de calefacció o canal) un mínim de 3-5 mm.

Després del mecanitzat, però abans del muntatge final de l'escalfador, la placa s'alleuja l'estrès (tractament tèrmic). Això redueix les soques residuals que poden provocar deformacions o esquerdes.

En aplicacions de cicle de calor, la placa també es limita mitjançant cargols de muntatge. La placa es pot estendre lateralment sense deformar-se, gràcies a les volanderes compatibles o als forats de muntatge ranurats.

2. Segell de fluid
Els canals de refrigeració han de ser estancs per evitar el contacte del refrigerant amb els escalfadors elèctrics o fuites fora de la placa. Les fuites també afecten el rendiment tèrmic. S'utilitzen dos mètodes típics de segellat:

Forats perforats i farcits:
Les broques llargues s'utilitzen per perforar canals des de la vora de la placa. Els extrems oberts es tanquen amb taps roscats (cinta de PTFE o segellador de rosques) o amb taps soldats després de perforar. Aquest enfocament dóna lloc a un bloc monolític, sense segellat extern. És bastant fiable, tot i que restringeix les geometries del canal a línies rectes.

Cruïlles-perforades:
Si el patró és serpentí i, per tant, requereix una xarxa de canals interconnectats, els-forats creuats es tanquen a la superfície. Cada tap és una possible fuita. Utilitzen anelles O-d'alta temperatura (com ara Viton o silicona) o fils de canonada cònics. Per a aplicacions importants, tots els endolls es solden o solden al seu lloc després de la instal·lació.

Connexions per a l'entrada i sortida del refrigerant:
La placa es subministra amb barbes d'acer inoxidable o llautó, ports roscats NPT o acoblaments de connexió ràpida. El segellat es fa mitjançant juntes tòriques o amb fils cònics. Un disseny equilibrat aconsegueix una integritat de fuites per a pressions de fins a 10 bar (150 psi) i temperatures de -20 graus a 150 graus (per a aigua-glicol) o més amb refrigerants especialitzats.

3. Retard tèrmic entre calefacció i refrigeració
La resposta de refrigeració és inherentment més lenta que l'escalfament perquè el cabal de refrigerant i el coeficient de transferència de calor són finits. Si els canals de refrigeració es col·loquen massa lluny de la superfície de treball, la placa trigarà un temps excessiu a refredar-se, augmentant el temps del cicle.

Minimització del retard tèrmic:

Els canals de refrigeració es col·loquen el més a prop possible de la superfície de treball, tot deixant el gruix del material suficient per evitar la distorsió. És típica una profunditat de 10-20 mm des de la superfície de treball fins a la vora del canal més propera.

La densitat dels canals augmenta (espai més petit, per exemple, 25-40 mm entre canals) per reduir la longitud màxima del camí de calor.

Els promotors de la turbulència (p. ex., insercions de cinta retorçada o superfícies de canals rugoses) milloren el coeficient de transferència de calor del costat del refrigerant-, reduint el retard sense moure els canals més a prop.

És important tenir en compte que col·locar canals de refrigeració massa a prop dels elements de calefacció pot crear interferències. Si un canal passa directament al costat d'un escalfador de cartutx, el refrigerant extreu calor durant la fase d'escalfament, reduint l'eficiència i creant un punt fred. A la pràctica, els canals es dirigeixen entre les files d'escalfadors, no directament al costat d'escalfadors individuals.

Selecció de material: alumini vs. acer
Conductivitat tèrmica del material (W/m·K) Difusivitat tèrmica (mm²/s) Resposta tèrmica relativa Resistència a alta temperatura Resistència a la corrosió
Alumini (6061-T6) 167 68 Ràpid Moderat (redueix més de 150 graus) Moderat (anoditzat millora)
Acer (A36) 45 12 Lent Alt (fins a 400 graus +) Baix (rovella, requereix recobriment)
Acer inoxidable (304) 16 4.2 Molt lent Alt (fins a 500 graus +) Excel·lent
L'alumini és preferit per a la majoria de plaques de calefacció-i-refrigeració perquè la seva alta difusivitat tèrmica permet canvis ràpids de temperatura. Una placa d'alumini de 25 mm de gruix respon a un canvi de pas en la potència de l'escalfador o el flux de refrigerant significativament més ràpid que una placa d'acer equivalent. No obstant això, l'alumini perd força per sobre dels 150 graus i pot arrossegar-se sota càrrega sostinguda. Per a aplicacions superiors a 200 graus, es requereix acer o acer inoxidable malgrat una resposta tèrmica més lenta.

Quan s'utilitza acer inoxidable, el disseny del canal de refrigeració ha de ser molt més agressiu (espai més petit, cabals més alts) per compensar la baixa conductivitat tèrmica.

Selecció de refrigerant i integració del sistema
Per al cicle tèrmic entre temperatures de processament ambient i típiques (0-150 graus), una barreja d'aigua desionitzada i etilenglicol o propilenglicol és estàndard. La concentració de glicol es tria en funció de la temperatura ambient esperada més baixa (per exemple, 30% de glicol per a una protecció contra la congelació de -15 graus). El glicol també inhibeix la corrosió de l'alumini i l'acer.

Requisits de flux de refrigerant:
El cabal necessari es calcula a partir del deure de refrigeració (taxa d'eliminació de calor) i de l'augment de temperatura admissible del refrigerant. Per a una placa típica, són habituals cabals de 5 a 20 L/min per xarxa de canals. S'utilitza un refrigerador o intercanviador de calor dedicat amb una bomba de circulació. La temperatura del refrigerant es controla per separat del control de l'escalfador.

Integració amb el sistema de control:
La placa requereix un sistema de control que canviï entre els modes de calefacció i refrigeració. Dos enfocaments comuns:

Control de-bang: els escalfadors s'apaguen i una vàlvula solenoide obre el flux de refrigerant. Simple però pot sobrepassar o oscil·lar.

PID amb sortida de refrigeració: un controlador PID té dues sortides: una per a la potència de l'escalfador (mitjançant SSR) i una per a una vàlvula de refrigerant modulant o la velocitat de la bomba. Això proporciona transicions suaus i un control estricte de la temperatura.

En qualsevol cas, un enclavament de seguretat evita que els escalfadors s'engeguin mentre el refrigerant està apagat i la placa està per sobre d'una temperatura segura (per evitar el sobreescalfament del refrigerant estancat).

Exemple de disseny: escalfadors de cartutxos amb canals de refrigeració serpentina
Considereu una placa quadrada de 400 mm × 400 mm per al termoconformat de làmines termoplàstiques. Requisits: escalfar a 180 graus en 5 minuts, refredar a 50 graus en 8 minuts. Gruix de la placa: 40 mm (alumini 6061).

Distribució de l'escalfador:

Els escalfadors de cartutxos (10 mm de diàmetre, 300 mm de longitud, 500 W cadascun) s'insereixen als forats cecs de la cara posterior.

Els forats de l'escalfador estan disposats en un patró de quadrícula: 6 files × 6 columnes (36 escalfadors en total). Distància entre centres: 65 mm.

Les puntes de l'escalfador es col·loquen a 15 mm de la cara oposada (de treball).

Distribució del canal de refrigeració:

Es perfora una xarxa de canals serpentins amb un sol camí continu. Diàmetre del canal: 12 mm.

Els canals es troben 20 mm per sota de la superfície de treball (és a dir, 20 mm de la cara superior, amb escalfadors 25 mm per sota de la superfície de treball; els escalfadors es troben en realitat 5 mm per sota dels canals en aquest disseny, de manera que els canals estan més a prop de la superfície de treball).

L'espai entre canals (de centre-a-centre) és de 65 mm, alineat amb els espais entre les files d'escalfadors. Cap canal passa directament per sobre d'un escalfador.

Els accessoris d'entrada i sortida es munten a la vora de la placa.

Descripció-de secció transversal (diagrama de text):

Des de la superfície de treball cap avall (distància vertical):

0–15 mm: alumini sòlid (sense característiques): garanteix la uniformitat de la temperatura superficial.

15–27 mm: canals de refrigeració (12 mm de diàmetre) centrats a 21 mm de profunditat.

27–35 mm: canals de separació d'alumini massís dels escalfadors.

35–45 mm: forats de l'escalfador del cartutx (10 mm de diàmetre) centrats a 40 mm de profunditat (des de la part posterior). Els escalfadors s'insereixen des de la part inferior.

Aquesta disposició situa els canals de refrigeració 6 mm més a prop de la superfície de treball que els calefactors, afavorint un refredament ràpid. Durant l'escalfament, una mica de calor es condueix cap als canals, però la capa sòlida d'alumini que hi ha sota d'ells i el refrigerant està apagat (sense flux) minimitzen la pèrdua. Quan comença el refredament, el refrigerant flueix i extreu calor de la superfície de treball a través de la fina capa sòlida de 15 mm.

Consideracions addicionals per a aplicacions de cicle alt-
Vida útil a la fatiga tèrmica: cada cicle d'escalfament-refrigerament indueix tensió al material de la placa. L'alumini té una bona resistència a la fatiga tèrmica fins a uns 10.000 cicles entre 20 graus i 200 graus. Per a un recompte de cicles més alt, es recomana acer o Inconel.

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 megaohms). Es recomana un sistema de detecció de falla a terra.

Planitud de la superfície: el cicle tèrmic pot provocar una deformació gradual. La placa s'ha de revisar periòdicament i tornar a la superfície si la planitud supera els 0,05 mm a l'àrea de treball.

Conclusió
Les plaques de calefacció i refrigeració integrades permeten temps de cicle ràpids en processos que requereixen tant un escalfament ràpid com una refrigeració controlada. Un disseny equilibrat de placa de calefacció i refrigeració gestiona l'expansió tèrmica, el segellat de fluids i el retard tèrmic. Es prefereix l'alumini per a una resposta tèrmica ràpida, mentre que l'acer es tria per a temperatures més altes o una major durabilitat. Els escalfadors de cartutxos proporcionen fonts de calor robustes i reemplaçables, i els canals de refrigeració perforats (amb endolls i accessoris adequats) proporcionen una refrigeració líquida fiable. La disposició dels escalfadors i canals s'ha d'optimitzar per als requisits específics del cicle, amb canals col·locats més a prop de la superfície de treball per a una refrigeració més ràpida. Les solucions tèrmiques personalitzades són essencials per als cicles de producció exigents, i una placa de refrigeració-escalfadora-ben dissenyada pot oferir milers de cicles fiables quan es presta atenció a la gestió de l'estrès i la selecció de materials.