Monet valmistusprosessit-komposiittien kovettuminen, lämpömuovaus, puolijohteiden testaus-vaativat levyn, joka voi lämmittää osan nopeasti ja jäähdyttää sen sitten nopeasti materiaalin kovettamiseksi. Yksi levy, jossa on sekä sähköiset lämmityselementit että sisäiset nestejäähdytyskanavat, tarjoaa tämän mahdollisuuden, mutta suunnittelussa on hallittava huolellisesti lämpöjännitykset ja nestetiivistys. Optimoitulämmitys- ja jäähdytyslevyjen suunnittelutasapainottaa lämmityksen tasaisuutta, jäähdytyksen vasteaikaa ja pitkäaikaista{0}}mekaanista eheyttä. Tässä oppaassa kuvataan tällaisten kaksitoimisten -levyjen rakenne, suunnitteluhaasteet, materiaalivalinnat ja asettelustrategiat.
Lämmitys{0}}jäähdytyslevyn tyypillinen rakenne
Yhdistetty lämmitys- ja jäähdytyslevy valmistetaan tyypillisesti yhdestä alumiini- tai teräslohkosta. Kaksi itsenäistä lämpöpiiriä on integroitu samaan levyyn:
Sähköiset lämmityselementit– Patruunalämmittimet tai putkilämmittimet asetetaan porattuihin umpireikiin. Vaihtoehtoisesti etsatut foliolämmittimet voidaan liimata takapintaan ohuempia levyjä varten.
Nestejäähdytyskanavat– Poratut tai jyrsityt kanavat on järjestetty kuljettamaan jäähdytysnestettä (vesi tai vesi{0}}glykoliseos) levyn läpi.
Työpinta (pinta, joka koskettaa osaa) vastaanottaa lämpöä elementeistä ja siirtää sen kuormaan. Jäähdytysvaiheen aikana jäähdytysneste imee lämpöä levystä ja kuljettaa sen pois alentaen nopeasti työpinnan lämpötilaa.
Tyypillisessä{0}}poikkileikkausjärjestelyssä (kuvattu tekstissä) levy on jaettu kolmeen toiminnalliseen vyöhykkeeseen työpinnasta alaspäin:
Työpintakerros– 5–15 mm paksu, ei sisällä lämmittimiä tai kanavia. Tämä kerros tarjoaa tasaisen lämpötilan jakautumisen kosketuspinnalla.
Lämmitysalue– Patruunalämmittimet sijoitetaan työpinnan suuntaiseen tasoon, tyypillisesti 10–25 mm sen alapuolelle. Lämmittimet on sijoitettu tasaisin välein (usein ristikkona tai porrastettuna).
Jäähdytyskanavan vyöhyke– Poratut kanavat sijaitsevat 5–15 mm lämmittimien alapuolella (edemmäs työtasosta) tai joissakin malleissa lämmitinrivien väliin. Kanavat ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 6–15 mm.
Tarkka järjestys riippuu siitä, onko lämmitys- vai jäähdytysnopeus kriittisempi. Sovelluksissa, jotka vaativat erittäin nopeaa jäähdytystä, kanavat voidaan sijoittaa lähemmäs työpintaa kuin lämmittimet, mutta tämä voi aiheuttaa lämpötilaepätasaisuutta lämmityksen aikana.
Suunnittelun haasteet ja ratkaisut
1. Lämpölaajenemisen hallinta
Levy laajenee kuumennettaessa ja supistuu jäähtyessään. Toistuvien lämpöjaksojen aikana (esim. 20 - 200 astetta ja taaksepäin) levymateriaalin ja upotettujen komponenttien välinen laajenemisero aiheuttaa jännityksiä. Teräsvaippaiset patruunalämmittimet{6}}laajentuvat eri nopeudella kuin alumiinilevy.
Suunnittelustrategiat:
Patruunalämmittimet asennetaan pienellä välyksellä (yleensä 0,05–0,10 mm:n halkaisijaväli) ja ne on päällystetty korkean-lämpötilojen tarttumisenesto-- tai lämpöä johtavalla tahnalla. Tämä mahdollistaa lämmittimen liukumisen hieman reiässään levyn laajentuessa.
Jäähdytyskanavat on sijoitettu kauemmas lämmittimen rei'istä, jotta vältetään ohuet seinät, jotka voivat halkeilla syklisessä rasituksessa. Suositeltava seinämäpaksuus on vähintään 3–5 mm minkä tahansa reiän ja muun kohteen (lämmittimen reiän tai kanavan) väliin.
Levyn jännitys-vapautetaan (lämpökäsitelty) koneistuksen jälkeen, mutta ennen lämmittimien lopullista asennusta. Tämä vähentää jäännösjännitystä, joka voi johtaa vääntymiseen tai halkeamiseen.
Lämpökiertosovelluksissa levyä rajoittavat myös kiinnityspultit. Uritettuja kiinnitysreikiä tai yhteensopivia aluslevyjä käytetään mahdollistamaan levyn laajeneminen sivusuunnassa ilman nurjahdusta.
2. Nestetiivistys
Jäähdytyskanavien on oltava{0}}tiiviitä, jotta jäähdytysneste ei pääse kosketuksiin sähkölämmittimien kanssa tai karkaa levystä. Myös vuodot heikentävät lämpötehoa. Käytetään kahta yleistä tiivistysmenetelmää:
Poratut ja kytketyt kanavat:
Kanavat porataan levyn reunasta pitkillä poranterillä. Porauksen jälkeen avoimet päät tiivistetään kierretulpilla (PTFE-teipillä tai kierretiivisteaineella) tai hitsatuilla korkilla. Tämä menetelmä tuottaa monoliittisen lohkon, jossa ei ole ulkoisia tiivisteitä. Se on erittäin luotettava, mutta rajoittaa kanavageometrian suoriin linjoihin.
Poratut{0}}risteykset:
Kun tarvitaan toisiinsa yhdistettyjen kanavien verkkoa (esim. käärmekuvio), ristiin{2}}poratut reiät tulpataan pinnalle. Jokainen tulppa on mahdollinen vuotokohta. Käytetään korkean lämpötilan O-renkaita (esim. Viton tai silikoni) tai kartiomaisia putkikierteitä. Kriittisissä sovelluksissa kaikki tulpat hitsataan tai juotetaan asennuksen jälkeen.
Liittimet jäähdytysnesteen tuloa ja ulostuloa varten:
Ruostumattomasta teräksestä tai messingistä valmistetut piikkiliittimet, NPT-kierreportit tai pikaliittimet{0}}on kiinnitetty levyyn. Tiivistys saadaan aikaan O-renkailla tai kartiomaisilla kierteillä. Tasapainoinen rakenne takaa vuotojen eheyden jopa 10 baarin (150 psi) paineille ja -20 - 150 asteen lämpötiloille (vesi-glykolille) tai korkeammille erikoisjäähdytysnesteillä.
3. Lämpöviive lämmityksen ja jäähdytyksen välillä
Jäähdytysvaste on luonnostaan hitaampi kuin lämmitys, koska jäähdytysnesteen virtausnopeus ja lämmönsiirtokerroin ovat rajalliset. Jos jäähdytyskanavat sijoitetaan liian kauas työpinnasta, levyn jäähtyminen kestää liikaa, mikä lisää syklin aikaa.
Minimoi lämpöviive:
Jäähdytyskanavat sijoitetaan mahdollisimman lähelle työskentelypintaa jättäen silti riittävästi materiaalin paksuutta vääristymien välttämiseksi. Tyypillinen syvyys työpinnasta lähimpään kanavan reunaan on 10–20 mm.
Kanavien tiheyttä kasvatetaan (pienempi etäisyys, esim. 25–40 mm kanavien välillä) maksimilämpötien pituuden pienentämiseksi.
Turbulenssin edistäjät (esim. kierretyt teippisisäkkeet tai karhennetut kanavapinnat) parantavat jäähdytysnesteen-puolen lämmönsiirtokerrointa vähentäen viivettä siirtämättä kanavia lähemmäksi.
On tärkeää huomata, että jäähdytyskanavien sijoittaminen liian lähelle lämmityselementtejä voi aiheuttaa häiriöitä. Jos kanava kulkee suoraan patruunalämmittimen vieressä, jäähdytysneste poistaa lämpöä lämmitysvaiheen aikana, mikä vähentää tehokkuutta ja luo kylmän pisteen. Käytännössä kanavat reititetään kiuasrivien väliin, ei suoraan yksittäisten lämmittimien viereen.
Materiaalin valinta: alumiini vs. teräs
| Materiaali | Lämmönjohtavuus (W/m·K) | Terminen diffuusio (mm²/s) | Suhteellinen lämpövaste | Vahvuus korkeassa lämpötilassa | Korroosionkestävyys |
|---|---|---|---|---|---|
| Alumiini (6061-T6) | 167 | 68 | Nopeasti | Keskitaso (laskee yli 150 astetta) | Keskitaso (anodisoitu parannuksia) |
| Teräs (A36) | 45 | 12 | Hidas | Korkea (400 asteeseen +) | Matala (ruoste, vaatii pinnoituksen) |
| Ruostumaton teräs (304) | 16 | 4.2 | Erittäin hidas | Korkea (500 asteeseen +) | Erinomainen |
Alumiinia suositellaan useimpiin lämmitys{0}}ja-jäähdytyslevyihin, koska sen korkea lämpödiffuusio mahdollistaa nopeat lämpötilan muutokset. 25 mm paksu alumiinilevy reagoi lämmittimen tehon tai jäähdytysnesteen virtauksen porrastettuun muutokseen huomattavasti nopeammin kuin vastaava teräslevy. Alumiini kuitenkin menettää lujuutta yli 150 astetta ja voi hiipiä jatkuvassa kuormituksessa. Yli 200 asteen käyttökohteisiin tarvitaan terästä tai ruostumatonta terästä hitaammasta lämpövasteesta huolimatta.
Kun käytetään ruostumatonta terästä, jäähdytyskanavan suunnittelun on oltava paljon aggressiivisempi (pienempi väli, suurempi virtausnopeus) alhaisen lämmönjohtavuuden kompensoimiseksi.
Jäähdytysnesteen valinta ja järjestelmän integrointi
Lämpökiertoon ympäristön ja tyypillisten prosessointilämpötilojen (0–150 astetta) välillä deionisoidun veden ja etyleeniglykolin tai propyleeniglykolin seos on vakiona. Glykolipitoisuus valitaan alimman odotetun ympäristön lämpötilan perusteella (esim. 30 % glykolia -15 asteen pakkassuojaan). Glykoli estää myös alumiinin ja teräksen korroosiota.
Jäähdytysnesteen virtausvaatimukset:
Vaadittu virtausnopeus lasketaan jäähdytystehosta (lämmönpoistonopeus) ja jäähdytysnesteen sallitusta lämpötilan noususta. Tyypilliselle levylle virtausnopeudet 5–20 l/min kanavaverkkoa kohti ovat yleisiä. Käytetään erillistä jäähdytintä tai lämmönvaihdinta, jossa on kiertovesipumppu. Jäähdytysnesteen lämpötilaa ohjataan erillään lämmittimen ohjauksesta.
Integrointi ohjausjärjestelmään:
Levy vaatii ohjausjärjestelmän, joka vaihtaa lämmitys- ja jäähdytystilan välillä. Kaksi yleistä lähestymistapaa:
Bang-halvaus– Lämmittimet sammutetaan ja magneettiventtiili avaa jäähdytysnesteen virtauksen. Yksinkertainen, mutta voi ylittää tai värähtää.
PID jäähdytyslähdöllä– PID-säätimessä on kaksi lähtöä: yksi lämmittimen teholle (SSR:n kautta) ja toinen moduloivalle jäähdytysnesteventtiilille tai pumpun nopeudelle. Tämä tarjoaa sujuvat siirtymät ja tiukan lämpötilan hallinnan.
Kummassakin tapauksessa turvalukitus estää lämmittimiä kytkemästä virtaa, kun jäähdytysneste on pois päältä ja levy on turvallisen lämpötilan yläpuolella (joka estää seisovan jäähdytysnesteen ylikuumenemisen).
Asetteluesimerkki: Patruunalämmittimet, joissa on Serpentine-jäähdytyskanavat
Harkitse 400 mm × 400 mm neliömäistä levyä termoplastisten levyjen lämpömuovaukseen. Vaatimukset: lämmitä 180 asteeseen 5 minuutissa, jäähdytä 50 asteeseen 8 minuutissa. Levyn paksuus: 40 mm (alumiini 6061).
Lämmittimen asettelu:
Patruunalämmittimet (halkaisija 10 mm, pituus 300 mm, kukin 500 W) asetetaan takapinnasta umpireikiin.
Lämmittimen reiät on järjestetty ruudukkokuvioon: 6 riviä × 6 saraketta (yhteensä 36 lämmitintä). Etäisyys: 65 mm keskipisteiden välillä.
Lämmittimen kärjet on sijoitettu 15 mm:n etäisyydelle vastakkaisesta (työ)pinnasta.
Jäähdytyskanavan asettelu:
Käärmeväyläverkko porataan yhdellä jatkuvalla polulla. Kanavan halkaisija: 12 mm.
Kanavat sijaitsevat 20 mm työpinnan alapuolella (eli 20 mm yläpinnasta, lämmittimet 25 mm työpinnan alapuolella – tässä mallissa lämmittimet ovat itse asiassa 5 mm kanavien alapuolella, joten kanavat ovat lähempänä työpintaa).
Kanavien etäisyys (keskeltä-keskelle-keskipisteeseen) on 65 mm, ja se on kohdistettu lämmitinrivien välisiin rakoihin. Yksikään kanava ei kulje suoraan lämmittimen yli.
Tulo- ja ulostuloliittimet on asennettu levyn reunaan.
Poikkileikkauskuvaus-(tekstikaavio):
Työpinnasta alaspäin (pystysuora etäisyys):
0–15 mm: Kiinteä alumiini (ei ominaisuuksia) – varmistaa pinnan lämpötilan tasaisuuden.
15–27 mm: Jäähdytyskanavat (halkaisija 12 mm) keskitettyinä 21 mm syvyyteen.
27–35 mm: Kiinteät alumiiniset erotuskanavat lämmittimistä.
35–45 mm: Patruunan lämmittimen reiät (halkaisija 10 mm) keskitetty 40 mm syvyyteen (takapuolelta). Lämmittimet asennetaan pohjasta.
Tämä järjestely sijoittaa jäähdytyskanavat 6 mm lähemmäs työpintaa kuin lämmittimet, mikä suosii nopeaa jäähdytystä. Lämmityksen aikana jonkin verran lämpöä johdetaan kanavia kohti, mutta niiden alla oleva kiinteä alumiinikerros ja jäähdytysnesteen pois jääminen (ei virtausta) minimoi hävikin. Kun jäähdytys alkaa, jäähdytysneste virtaa ja ottaa lämpöä työpinnalta ohuen 15 mm kiinteän kerroksen läpi.
Muita huomioitavaa{0}}korkean syklin sovelluksissa
Lämpöväsymisikä– Jokainen lämmitys-jäähdytysjakso aiheuttaa rasitusta levymateriaaliin. Alumiinilla on hyvä lämpöväsymiskestävyys noin 10 000 sykliin asti 20 asteen ja 200 asteen välillä. Suurempiin jaksolukuihin suositellaan terästä tai Inconelia.
Sähköinen eristys – 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 megaohmia). Maadoitusvian havaitsemisjärjestelmä on suositeltavaa.
Pinnan tasaisuus– Lämpökierto voi aiheuttaa asteittaista vääntymistä. Levy tulee tarkastaa säännöllisesti ja pinnoittaa uudelleen, jos tasaisuus ylittää 0,05 mm työalueen poikki.
Johtopäätös
Integroidut lämmitys- ja jäähdytyslevyt mahdollistavat nopeat kiertoajat prosesseissa, jotka vaativat sekä nopeaa lämmitystä että hallittua jäähdytystä. Tasapainoinenlämmitys- ja jäähdytyslevyjen suunnitteluhallitsee lämpölaajenemista, nestetiivistystä ja lämpöviivettä. Alumiinia suositellaan nopeaan lämpövasteeseen, kun taas terästä valitaan korkeampiin lämpötiloihin tai kestävyyteen. Patruunalämmittimet tarjoavat kestäviä, vaihdettavia lämmönlähteitä, ja poratut jäähdytyskanavat (oikeilla tulpilla ja liittimillä) takaavat luotettavan nestejäähdytyksen. Lämmittimien ja kanavien järjestely on optimoitava syklin erityisvaatimuksia varten siten, että kanavat on sijoitettava lähemmäs työpintaa jäähdytyksen nopeuttamiseksi. Räätälöidyt lämpöratkaisut ovat välttämättömiä vaativissa tuotantosykleissä, ja hyvin-suunniteltu lämmitys-jäähdytyslevy voi tuottaa tuhansia luotettavia syklejä, kun kiinnitetään huomiota jännityksen hallintaan ja materiaalien valintaan.
