Làm thế nào để thiết kế một tấm sưởi có tích hợp làm mát bằng chất lỏng cho xe đạp nhiệt?

Trong một số quy trình sản xuất, chẳng hạn như xử lý hỗn hợp, tạo hình nhiệt và thử nghiệm bán dẫn, cần có một trục lăn có thể làm nóng nhanh vật thể và sau đó làm nguội nhanh chóng để đông cứng vật liệu. Điều này được thực hiện với một tấm duy nhất có cả bộ phận làm nóng bằng điện và kênh làm mát bằng chất lỏng bên trong, nhưng thiết kế đòi hỏi phải quản lý cẩn thận sức căng nhiệt và bịt kín chất lỏng. Thiết kế tối ưu của tấm sưởi và làm mát sẽ cân bằng các đặc tính về tính đồng nhất của hệ thống sưởi, thời gian đáp ứng làm mát và tính toàn vẹn cơ học lâu dài. Hướng dẫn này thảo luận cách chế tạo các tấm ép có chức năng kép-này, các vấn đề về thiết kế, vật liệu được sử dụng và ý tưởng bố cục.

Tấm làm mát-sưởi ấm, cấu trúc điển hình của
Một tấm sưởi và làm mát kết hợp điển hình được gia công từ một miếng nhôm hoặc thép. Hai mạch nhiệt riêng biệt được tích hợp trên cùng một tấm:

Các bộ phận làm nóng bằng điện Bộ gia nhiệt hộp mực hoặc bộ gia nhiệt hình ống được đặt trong các lỗ mù đã khoan. Ngoài ra, các tấm mỏng hơn có thể sử dụng bộ gia nhiệt bằng giấy bạc được khắc liên kết với bề mặt đối diện.

Kênh làm mát bằng chất lỏng - Chất làm mát (nước hoặc hỗn hợp nước{1}}glycol) được tuần hoàn qua các đoạn được khoan hoặc nghiền bên trong tấm.

Các phần tử làm nóng bề mặt làm việc (mặt tiếp xúc với bộ phận) và bề mặt làm việc truyền nhiệt cho tải. Ở chế độ làm mát, chất làm mát sẽ hấp thụ nhiệt từ tấm và loại bỏ nó, làm giảm nhanh nhiệt độ của bề mặt làm việc.

Trong một mặt cắt ngang điển hình (được đưa ra trong văn bản), tấm được chia thành 3 vùng chức năng từ bề mặt làm việc trở xuống:

Lớp bề mặt làm việc – dày 5-15 mm, không có lò sưởi và kênh. Lớp này giúp phân bố nhiệt độ đồng đều ở mặt tiếp xúc.

Vùng làm nóng - Bộ làm nóng hộp mực được đặt trong mặt phẳng song song với bề mặt làm việc, thường thấp hơn bề mặt làm việc 10–25 mm. Các máy sưởi được phân bố đều (thường ở dạng lưới hoặc thiết kế so le).

Vùng kênh làm mát - Các kênh khoan được đặt bên dưới bộ sưởi 5–15 mm (cách xa bề mặt làm việc) hoặc trong một số cấu hình nhất định xen kẽ giữa các hàng bộ sưởi. 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 quan trọng hơn. Trong các ứng dụng cần làm mát rất nhanh, các kênh có thể được đặt gần bề mặt làm việc hơn so với bộ sưởi, tuy nhiên, điều này có thể gây ra sự không đồng đều về nhiệt độ trong quá trình sưởi ấm.

Những thách thức và giải pháp thiết kế
1. Kiểm soát giãn nở nhiệt
Vì vậy khi đun nóng tấm sẽ nở ra. Khi nguội nó co lại. Do sự giãn nở khác nhau của vật liệu tấm và các thành phần nhúng được tạo ra trong nhiều chu kỳ nhiệt độ (ví dụ:. 20 độ đến 200 độ và ngược lại). Bộ gia nhiệt hộp mực được bọc bằng thép và sẽ giãn nở với tốc độ khác với tấm nhôm.

Các chiến lược thiết kế.

Bộ gia nhiệt hộp mực được trang bị một khe hở nhỏ (thường là khe hở đường kính 0,05-0,10 mm) và được phủ-lớp dán chống giữ nhiệt độ cao hoặc dẫn nhiệt. Điều này cho phép lò sưởi di chuyển nhẹ trong lỗ của nó khi tấm nở ra.

Các kênh làm mát không thẳng hàng với các lỗ gia nhiệt để tránh các bức tường mỏng có thể bị vỡ dưới áp lực theo chu kỳ. Nên giữ độ dày thành giữa bất kỳ lỗ nào và một bộ phận (lỗ hoặc kênh gia nhiệt) tối thiểu là 3-5 mm.

Sau khi gia công nhưng trước khi lắp bộ gia nhiệt cuối cùng, tấm được giảm bớt ứng suất (xử lý nhiệt). Điều này làm giảm các biến dạng còn sót lại có thể gây cong vênh hoặc nứt.

Trong các ứng dụng chu kỳ nhiệt, tấm cũng được hạn chế bằng cách lắp bu lông. Tấm có thể mở rộng sang hai bên mà không bị vênh nhờ vào các vòng đệm tương thích hoặc các lỗ lắp có rãnh.

2. Bịt kín chất lỏng
Các kênh làm mát phải kín khít để tránh tiếp xúc chất làm mát với bộ sưởi điện hoặc rò rỉ ra khỏi tấm. Rò rỉ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt. Hai phương pháp niêm phong điển hình được sử dụng:

Các lỗ khoan và lấp đầy:
Mũi khoan dài được sử dụng để khoan các rãnh từ mép tấm. Các đầu hở sau đó được đóng lại bằng nút ren (băng PTFE hoặc keo dán ren) hoặc bằng nắp hàn sau khi khoan. Cách tiếp cận này tạo ra một khối nguyên khối, không có lớp đệm bên ngoài. Nó khá đáng tin cậy, mặc dù nó hạn chế hình học kênh ở những đường thẳng.

Giao nhau{0}}được khoan qua:
Nếu mẫu có dạng ngoằn ngoèo và do đó cần có mạng lưới các kênh liên kết với nhau thì các lỗ khoan chéo sẽ được đóng lại trên bề mặt. Mọi phích cắm đều có thể bị rò rỉ. Họ sử dụng vòng chữ O-nhiệt độ cao (chẳng hạn như 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 tại chỗ sau khi lắp đặt.

Kết nối đầu vào và đầu ra chất làm mát:
Tấm được cung cấp với các thanh thép không gỉ hoặc đồng thau, cổng ren NPT hoặc khớp nối kết nối nhanh. Việc bịt kín được thực hiện bằng vòng chữ O{1}}hoặc bằng 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 hạ nhiệt, 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) nâng cao 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 so với thép
Độ dẫn nhiệt của vật liệu (W/m·K) Độ khuếch tán nhiệt (mm²/s) Cường độ phản ứng nhiệt tương đối ở nhiệt độ cao Khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao
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 (rỉ 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:

Điều khiển-tiếng nổ – Bộ sưởi bị tắt 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 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 do nhiệt – Mỗi chu kỳ làm mát-làm nóng 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.

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 megohm). Nên sử dụng hệ thống phát hiện lỗi nối đất.

Độ phẳng bề mặt – Chu trình 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 chóng trong các quy trình đòi hỏi cả gia nhiệt nhanh và làm mát có kiểm soát. Thiết kế tấm sưởi và làm mát cân bằng quản lý sự giãn nở nhiệt, bịt kín 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{6}}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.