Banyak proses pembuatan-pengawetan komposit, pembentukkan termo, ujian semikonduktor-memerlukan plat yang boleh memanaskan bahagian dengan cepat, kemudian menyejukkannya dengan cepat untuk menetapkan bahan. Plat tunggal dengan kedua-dua elemen pemanasan elektrik dan saluran penyejukan cecair dalaman menyediakan keupayaan ini, tetapi reka bentuk mesti menguruskan tegasan haba dan pengedap bendalir dengan berhati-hati. Dioptimumkanreka bentuk plat pemanasan dan penyejukanmengimbangi keseragaman pemanasan, masa tindak balas penyejukan dan-integriti mekanikal jangka panjang. Panduan ini menerangkan pembinaan, cabaran reka bentuk, pilihan bahan dan strategi reka letak untuk pelat-dwifungsi tersebut.
Pembinaan Biasa Pemanas-Plat Penyejuk
Gabungan plat pemanasan dan penyejukan biasanya dibuat daripada satu blok aluminium atau keluli. Dua litar haba bebas disepadukan ke dalam plat yang sama:
Elemen pemanasan elektrik– Pemanas kartrij atau pemanas tiub dimasukkan ke dalam lubang buta yang digerudi. Sebagai alternatif, pemanas foil terukir boleh diikat pada permukaan belakang untuk plat yang lebih nipis.
Saluran penyejukan cecair– Laluan yang digerudi atau dikisar disusun untuk membawa bahan penyejuk (air atau air-campuran glikol) melalui plat.
Permukaan kerja (muka yang menyentuh bahagian) menerima haba daripada unsur-unsur dan memindahkannya ke beban. Semasa fasa penyejukan, penyejuk menyerap haba dari plat dan membawanya pergi, dengan cepat menurunkan suhu permukaan kerja.
Dalam susunan keratan-biasa (diterangkan dalam teks), plat dibahagikan kepada tiga zon berfungsi dari permukaan kerja ke bawah:
Lapisan permukaan yang berfungsi– 5–15 mm tebal, tidak mengandungi pemanas atau saluran. Lapisan ini menyediakan taburan suhu seragam pada muka sentuhan.
Zon pemanas– Pemanas katrij diletakkan dalam satah selari dengan permukaan kerja, biasanya 10–25 mm di bawahnya. Pemanas dijarakkan sama rata (selalunya dalam corak grid atau berperingkat).
Zon saluran penyejukan– Saluran yang digerudi terletak 5–15 mm di bawah pemanas (lebih jauh dari permukaan kerja) atau, dalam beberapa reka bentuk, berjalin antara baris pemanas. Saluran biasanya berdiameter 6–15 mm.
Susunan tepat bergantung pada sama ada kelajuan pemanasan atau kelajuan penyejukan adalah lebih kritikal. Untuk aplikasi yang memerlukan penyejukan yang sangat pantas, saluran mungkin diletakkan lebih dekat dengan permukaan kerja daripada pemanas, walaupun ini boleh mewujudkan ketidakseragaman suhu-semasa pemanasan.
Cabaran dan Penyelesaian Reka Bentuk
1. Pengurusan Pengembangan Terma
Plat mengembang apabila dipanaskan dan mengecut apabila disejukkan. Lebih kitaran haba berulang (cth, 20 darjah hingga 200 darjah dan belakang), pengembangan perbezaan antara bahan plat dan komponen terbenam mewujudkan tegasan. Pemanas katrij, yang bersarung-keluli, mengembang pada kadar yang berbeza daripada plat aluminium.
Strategi reka bentuk:
Pemanas katrij dipasang dengan kelegaan sedikit (biasanya jurang diameter 0.05–0.10 mm) dan disalut dengan-suhu tinggi anti-seize atau tampal konduktif haba. Ini membolehkan pemanas meluncur sedikit di dalam lubangnya apabila plat mengembang.
Saluran penyejuk diletakkan jauh dari lubang pemanas untuk mengelakkan dinding nipis yang boleh retak di bawah tekanan kitaran. Ketebalan dinding minimum 3–5 mm antara mana-mana lubang dan ciri lain (lubang pemanas atau saluran) disyorkan.
Plat dilepaskan-tegasan (dirawat haba) selepas pemesinan tetapi sebelum pemasangan akhir pemanas. Ini mengurangkan tegasan sisa yang boleh menyebabkan lekukan atau keretakan.
Dalam aplikasi berbasikal haba, plat juga dikekang oleh bolt pelekap. Lubang pelekap berlubang atau pencuci patuh digunakan untuk membenarkan plat mengembang secara sisi tanpa lengkok.
2. Pengedap Bendalir
Saluran penyejuk mesti bocor-ketat untuk mengelakkan penyejuk daripada menghubungi pemanas elektrik atau terlepas dari plat. Kebocoran juga merendahkan prestasi terma. Dua kaedah pengedap biasa digunakan:
Saluran yang digerudi dan dipasang:
Saluran digerudi dari pinggir plat menggunakan mata gerudi panjang. Selepas penggerudian, hujung terbuka dimeterai dengan palam berulir (dengan pita PTFE atau pengedap benang) atau dengan penutup yang dikimpal. Kaedah ini menghasilkan blok monolitik tanpa pengedap luar. Ia sangat boleh dipercayai tetapi mengehadkan geometri saluran kepada garis lurus.
Rentas-persimpangan gerudi:
Apabila rangkaian saluran yang saling bersambung diperlukan (cth, corak serpentin),-lubang gerudi silang dipalamkan pada permukaan. Setiap palam adalah titik kebocoran yang berpotensi. Cincin -suhu tinggi-(cth, Viton atau silikon) atau benang paip tirus digunakan. Untuk aplikasi kritikal, semua palam dikimpal atau dipateri selepas dipasang.
Kelengkapan untuk masuk dan keluar penyejuk:
Kelengkapan berduri keluli tahan karat atau loyang, port berulir NPT atau gandingan-sambung pantas dipasang pada plat. Pengedap dicapai dengan cincin O-atau benang tirus. Reka bentuk yang seimbang mencapai integriti kebocoran untuk tekanan sehingga 10 bar (150 psi) dan suhu dari -20 darjah hingga 150 darjah (untuk glikol air) atau lebih tinggi dengan penyejuk khusus.
3. Selang Terma Antara Pemanasan dan Penyejukan
Tindak balas penyejukan sememangnya lebih perlahan daripada pemanasan kerana kadar aliran penyejuk dan pekali pemindahan haba adalah terhingga. Jika saluran penyejukan diletakkan terlalu jauh dari permukaan kerja, plat akan mengambil masa yang berlebihan untuk menyejukkan, meningkatkan masa kitaran.
Meminimumkan ketinggalan terma:
Saluran penyejukan diletakkan sedekat mungkin dengan permukaan kerja, sementara masih meninggalkan ketebalan bahan yang mencukupi untuk mengelakkan herotan. Kedalaman 10–20 mm dari permukaan kerja ke tepi saluran terdekat adalah tipikal.
Ketumpatan saluran ditingkatkan (jarak yang lebih kecil, cth, 25–40 mm antara saluran) untuk mengurangkan panjang laluan haba maksimum.
Penganjur pergolakan (cth, sisipan pita terpintal atau permukaan saluran yang kasar) meningkatkan pekali pemindahan haba sisi-penyejuk, mengurangkan ketinggalan tanpa mengalihkan saluran dengan lebih dekat.
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa meletakkan saluran penyejukan terlalu dekat dengan elemen pemanasan boleh menimbulkan gangguan. Jika saluran melepasi terus di sebelah pemanas kartrij, penyejuk akan mengeluarkan haba semasa fasa pemanasan, mengurangkan kecekapan dan mewujudkan tempat sejuk. Dalam praktiknya, saluran dialihkan antara baris pemanas, bukan terus bersama pemanas individu.
Pemilihan Bahan: Aluminium lwn Keluli
| bahan | Kekonduksian Terma (W/m·K) | Resapan Terma (mm²/s) | Tindak balas Terma Relatif | Kekuatan pada Suhu Tinggi | Rintangan Kakisan |
|---|---|---|---|---|---|
| Aluminium (6061-T6) | 167 | 68 | Cepat | Sederhana (merosot melebihi 150 darjah) | Sederhana (anodized bertambah baik) |
| Keluli (A36) | 45 | 12 | Lambat | Tinggi (hingga 400 darjah +) | Rendah (karat, memerlukan salutan) |
| Keluli tahan karat (304) | 16 | 4.2 | lambat sangat | Tinggi (hingga 500 darjah +) | Cemerlang |
Aluminium diutamakan untuk kebanyakan plat pemanas-dan-penyejukan kerana difusi terma yang tinggi membolehkan perubahan suhu yang cepat. Plat aluminium setebal 25 mm bertindak balas kepada perubahan langkah dalam kuasa pemanas atau aliran penyejuk dengan ketara lebih pantas daripada plat keluli yang setara. Walau bagaimanapun, aluminium kehilangan kekuatan melebihi 150 darjah dan mungkin menjalar di bawah beban yang berterusan. Untuk aplikasi di atas 200 darjah, keluli atau keluli tahan karat diperlukan walaupun tindak balas haba yang lebih perlahan.
Apabila keluli tahan karat digunakan, reka bentuk saluran penyejukan mestilah lebih agresif (jarak yang lebih kecil, kadar aliran yang lebih tinggi) untuk mengimbangi kekonduksian terma yang rendah.
Pemilihan Penyejuk dan Integrasi Sistem
Untuk kitaran haba antara suhu pemprosesan ambien dan biasa (0–150 darjah ), campuran air ternyahiion dan etilena glikol atau propilena glikol adalah standard. Kepekatan glikol dipilih berdasarkan jangkaan suhu ambien yang paling rendah (cth, 30% glikol untuk -15 darjah perlindungan beku). Glikol juga menghalang kakisan aluminium dan keluli.
Keperluan aliran penyejuk:
Kadar aliran yang diperlukan dikira daripada duti penyejukan (kadar penyingkiran haba) dan kenaikan suhu penyejuk yang dibenarkan. Untuk plat biasa, kadar aliran 5-20 L/min bagi setiap rangkaian saluran adalah perkara biasa. Penyejuk khusus atau penukar haba dengan pam edaran digunakan. Suhu penyejuk dikawal secara berasingan daripada kawalan pemanas.
Integrasi dengan sistem kawalan:
Plat memerlukan sistem kawalan yang bertukar antara mod pemanasan dan penyejukan. Dua pendekatan biasa:
Bang-kawalan bang– Pemanas dimatikan dan injap solenoid membuka aliran penyejuk. Mudah tetapi mungkin melampaui batas atau berayun.
PID dengan output penyejukan– Pengawal PID mempunyai dua output: satu untuk kuasa pemanas (melalui SSR) dan satu untuk injap penyejuk modulasi atau kelajuan pam. Ini memberikan peralihan yang lancar dan kawalan suhu yang ketat.
Dalam kedua-dua kes, kunci keselamatan menghalang pemanas daripada ditenagakan semasa penyejuk dimatikan dan plat berada di atas suhu selamat (untuk mengelakkan terlalu panas penyejuk bertakung).
Contoh Susun Atur: Pemanas Kartrij dengan Saluran Penyejukan Serpentine
Pertimbangkan plat persegi 400 mm × 400 mm untuk pembentukkan termoplastik kepingan termoplastik. Keperluan: panaskan hingga 180 darjah dalam 5 minit, sejuk hingga 50 darjah dalam 8 minit. Ketebalan plat: 40 mm (aluminium 6061).
Susun atur pemanas:
Pemanas katrij (diameter 10 mm, panjang 300 mm, 500 W setiap satu) dimasukkan ke dalam lubang buta dari muka belakang.
Lubang pemanas disusun dalam corak grid: 6 baris × 6 lajur (jumlah 36 pemanas). Jarak: 65 mm antara pusat.
Hujung pemanas diletakkan 15 mm dari muka bertentangan (berfungsi).
Susun atur saluran penyejukan:
Rangkaian saluran serpentin digerudi dengan satu laluan berterusan. Diameter saluran: 12 mm.
Saluran terletak 20 mm di bawah permukaan kerja (iaitu, 20 mm dari muka atas, dengan pemanas 25 mm di bawah permukaan kerja – pemanas sebenarnya 5 mm di bawah saluran dalam reka bentuk ini, jadi saluran lebih dekat dengan permukaan kerja).
Jarak saluran (tengah-ke-tengah) ialah 65 mm, sejajar dengan jurang antara baris pemanas. Tiada saluran yang melalui terus ke atas pemanas.
Kelengkapan masuk dan keluar dipasang pada tepi plat.
-huraian keratan rentas (rajah teks):
Dari permukaan kerja ke bawah (jarak menegak):
0–15 mm: Aluminium pepejal (tiada ciri) – memastikan keseragaman suhu permukaan.
15–27 mm: Saluran penyejukan (diameter 12 mm) berpusat pada kedalaman 21 mm.
27–35 mm: Saluran pemisah aluminium pepejal daripada pemanas.
35–45 mm: Lubang pemanas katrij (diameter 10 mm) berpusat pada kedalaman 40 mm (dari sisi belakang). Pemanas dimasukkan dari bawah.
Susunan ini meletakkan saluran penyejukan 6 mm lebih dekat dengan permukaan kerja daripada pemanas, yang mengutamakan penyejukan pantas. Semasa pemanasan, beberapa haba dialirkan ke arah saluran, tetapi lapisan aluminium pepejal di bawahnya dan penyejuk terputus (tiada aliran) meminimumkan kehilangan. Apabila penyejukan bermula, bahan penyejuk mengalir dan mengeluarkan haba dari permukaan kerja melalui lapisan pepejal nipis 15 mm.
Pertimbangan Tambahan untuk-Aplikasi Kitaran Tinggi
Kehidupan keletihan terma– Setiap kitaran penyejukan-pemanasan menyebabkan ketegangan dalam bahan plat. Aluminium mempunyai rintangan lesu terma yang baik sehingga kira-kira 10,000 kitaran antara 20 darjah dan 200 darjah . Untuk kiraan kitaran yang lebih tinggi, keluli atau Inconel disyorkan.
Pengasingan elektrik – 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). Sistem pengesanan kerosakan tanah adalah dinasihatkan.
Kerataan permukaan– Berbasikal terma boleh menyebabkan warpage secara beransur-ansur. Plat hendaklah diperiksa secara berkala dan timbul semula jika kerataan melebihi 0.05 mm merentasi kawasan kerja.
Kesimpulan
Plat pemanasan dan penyejukan bersepadu membolehkan masa kitaran pantas dalam proses yang memerlukan pemanasan pantas dan penyejukan terkawal. A seimbangreka bentuk plat pemanasan dan penyejukanmenguruskan pengembangan terma, pengedap bendalir dan lag terma. Aluminium lebih disukai untuk tindak balas haba yang cepat, manakala keluli dipilih untuk suhu yang lebih tinggi atau ketahanan yang lebih tinggi. Pemanas katrij menyediakan sumber haba yang teguh, boleh diganti, dan saluran penyejukan yang digerudi (dengan palam dan kelengkapan yang betul) memberikan penyejukan cecair yang boleh dipercayai. Susunan pemanas dan saluran mesti dioptimumkan untuk keperluan kitaran tertentu, dengan saluran diletakkan lebih dekat dengan permukaan kerja untuk penyejukan yang lebih cepat. Penyelesaian terma tersuai adalah penting untuk menuntut kitaran pengeluaran, dan-pemanas yang direka bentuk dengan baik-plat penyejukan boleh menyampaikan beribu-ribu kitaran yang boleh dipercayai apabila perhatian diberikan kepada pengurusan tekanan dan pemilihan bahan.
