วิธีการออกแบบแผ่นทำความร้อนที่มีการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบบูรณาการสำหรับการหมุนเวียนความร้อน

ในกระบวนการผลิตหลายอย่าง เช่น การบ่มแบบคอมโพสิต การเทอร์โมฟอร์ม และการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์ จำเป็นต้องใช้แผ่นรองซึ่งสามารถให้ความร้อนแก่วัตถุได้อย่างรวดเร็ว จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วเพื่อเซ็ตตัววัสดุ ซึ่งทำได้ด้วยแผ่นเดียวที่มีทั้งองค์ประกอบความร้อนไฟฟ้าและช่องระบายความร้อนด้วยของเหลวภายใน แต่การออกแบบต้องมีการจัดการความตึงเครียดจากความร้อนและการปิดผนึกของไหลอย่างระมัดระวัง การออกแบบแผ่นทำความร้อนและความเย็นที่เหมาะสมที่สุดจะรักษาสมดุลของคุณสมบัติของความสม่ำเสมอในการทำความร้อน เวลาตอบสนองในการทำความเย็น และความสมบูรณ์ทางกล-ในระยะยาว คู่มือนี้จะกล่าวถึงวิธีการสร้างแท่นวางแบบฟังก์ชันคู่- ปัญหาการออกแบบ วัสดุที่ใช้ และแนวคิดการจัดวาง

เครื่องทำความร้อน-แผ่นทำความเย็น โครงสร้างทั่วไปของ
แผ่นทำความร้อนและความเย็นแบบผสมผสานโดยทั่วไปนั้นผลิตจากอะลูมิเนียมหรือเหล็กกล้าชิ้นเดียว วงจรระบายความร้อนที่แตกต่างกันสองวงจรรวมอยู่ในแผ่นเดียวกัน:

องค์ประกอบความร้อนไฟฟ้า เครื่องทำความร้อนแบบตลับหรือเครื่องทำความร้อนแบบท่อถูกใส่ไว้ในรูตาบอดที่เจาะ อีกทางเลือกหนึ่ง แผ่นที่บางกว่าอาจใช้เครื่องทำความร้อนฟอยล์แบบสลักติดกับพื้นผิวด้านหลัง

ช่องระบายความร้อนด้วยของเหลว - สารหล่อเย็น (น้ำหรือน้ำ-ส่วนผสมของไกลคอล) จะถูกหมุนเวียนผ่านช่องทางที่เจาะหรือบดภายในแผ่น

องค์ประกอบจะให้ความร้อนแก่พื้นผิวการทำงาน (ใบหน้าที่สัมผัสกับชิ้นส่วน) และพื้นผิวการทำงานจะถ่ายเทความร้อนไปยังโหลด ในโหมดทำความเย็น สารหล่อเย็นจะดูดซับความร้อนจากเพลตและขจัดออกไป ส่งผลให้อุณหภูมิของพื้นผิวการทำงานลดลงอย่างรวดเร็ว

ในภาพตัดขวางทั่วไป (ตามข้อความ) แผ่นจะแบ่งออกเป็น 3 โซนการทำงานจากพื้นผิวการทำงานลงไป:

ชั้นพื้นผิวการทำงาน – หนา 5-15 มม. โดยไม่มีเครื่องทำความร้อนและช่อง ชั้นนี้ให้การกระจายอุณหภูมิที่เป็นเนื้อเดียวกันที่หน้าสัมผัส

โซนเครื่องทำความร้อน - เครื่องทำความร้อนแบบหลอดวางอยู่ในระนาบขนานกับพื้นผิวการทำงาน โดยทั่วไปจะอยู่ใต้พื้นผิวการทำงานประมาณ 10–25 มม. เครื่องทำความร้อนมีการกระจายเท่าๆ กัน (โดยทั่วไปจะเป็นแบบตารางหรือแบบเซ)

โซนช่องระบายความร้อน - ช่องเจาะถูกตั้งค่าไว้ใต้เครื่องทำความร้อน 5–15 มม. (อยู่ห่างจากพื้นผิวการทำงาน) หรือในการกำหนดค่าบางอย่างที่แทรกระหว่างแถวของเครื่องทำความร้อน โดยปกติแล้วช่องจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6–15 มม.

ลำดับที่แน่นอนขึ้นอยู่กับว่าอัตราการทำความร้อนหรืออัตราการทำความเย็น - สำคัญกว่าหรือไม่ ในการใช้งานที่ต้องการความเย็นอย่างรวดเร็ว สามารถวางช่องไว้ใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากกว่าตัวทำความร้อน อย่างไรก็ตาม อาจทำให้อุณหภูมิไม่-สม่ำเสมอในระหว่างการทำความร้อน

ความท้าทายและแนวทางแก้ไขด้านการออกแบบ
1. การควบคุมการขยายตัวทางความร้อน
ดังนั้นเมื่อถูกความร้อนแผ่นจะขยายตัว เมื่อเย็นตัวลงก็จะหดตัว เนื่องจากการขยายตัวที่แตกต่างกันของวัสดุแผ่นเพลทและส่วนประกอบที่ฝังอยู่ ความเครียดจึงเกิดขึ้นในหลายรอบอุณหภูมิ (เช่น . 20 องศาถึง 200 องศาและด้านหลัง) เครื่องทำความร้อนแบบตลับหุ้มด้วยเหล็กและจะขยายตัวในอัตราที่แตกต่างจากแผ่นอะลูมิเนียม

กลยุทธ์การออกแบบ

เครื่องทำความร้อนแบบตลับมีระยะห่างเล็กน้อย (โดยปกติจะมีช่องว่างเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.05-0.10 มม.) และปิดด้วยสารป้องกันการยึดติดที่อุณหภูมิสูงหรือสารนำความร้อน ซึ่งจะทำให้เครื่องทำความร้อนเคลื่อนตัวเข้าไปในรูได้เล็กน้อยเมื่อแผ่นขยายออก

ช่องระบายความร้อนไม่อยู่ในแนวเดียวกับรูเครื่องทำความร้อนเพื่อป้องกันผนังบางที่อาจแตกร้าวภายใต้ความเครียดแบบวนรอบ แนะนำให้รักษาความหนาของผนังระหว่างรูใดๆ และส่วนพิเศษ (รูหรือช่องทำความร้อน) อย่างน้อย 3-5 มม.

หลังจากการตัดเฉือน แต่ก่อนที่จะประกอบเครื่องทำความร้อนขั้นสุดท้าย แผ่นจะถูกคลายความเค้น (ผ่านการอบชุบด้วยความร้อน) ซึ่งจะช่วยลดความเครียดตกค้างที่อาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวหรือการแตกร้าวได้

ในการใช้งานแบบหมุนเวียนความร้อน แผ่นยังถูกยึดด้วยสลักเกลียวยึดอีกด้วย เพลตอาจขยายออกด้านข้างได้โดยไม่เกิดการโก่งงอ เนื่องจากมีแหวนรองที่เข้ากันได้หรือรูยึดแบบมีร่อง

2. ซีลของเหลว
ช่องระบายความร้อนจะต้องรั่วอย่างแน่นหนาเพื่อป้องกันการสัมผัสกับสารหล่อเย็นกับเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าหรือการรั่วไหลออกจากแผ่น การรั่วไหลส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนด้วย ใช้วิธีการปิดผนึกทั่วไปสองวิธี:

หลุมเจาะและเติม:
ดอกสว่านยาวใช้สำหรับเจาะช่องจากขอบของแผ่น จากนั้นปิดปลายเปิดด้วยปลั๊กเกลียว (เทป PTFE หรือน้ำยาซีลเกลียว) หรือใช้ฝาปิดแบบเชื่อมหลังการเจาะ วิธีการนี้ส่งผลให้เกิดบล็อกเสาหิน โดยไม่มีการปิดผนึกจากภายนอก มีความน่าเชื่อถือค่อนข้างมาก แม้ว่าจะจำกัดรูปทรงของช่องสัญญาณไว้ที่เส้นตรงก็ตาม

ทางแยกเจาะขวาง-:
หากรูปแบบเป็นแบบคดเคี้ยวและด้วยเหตุนี้จึงต้องมีเครือข่ายของช่องสัญญาณที่เชื่อมต่อถึงกัน รูที่เจาะข้าม-จะถูกปิดที่พื้นผิว ปลั๊กทุกตัวอาจมีการรั่วซึมได้ พวกเขาใช้วงแหวน O- ที่มีอุณหภูมิสูง (เช่น ไวตันหรือซิลิโคน) หรือเกลียวท่อแบบเรียว สำหรับการใช้งานที่สำคัญ ปลั๊กทั้งหมดจะถูกเชื่อมหรือประสานเข้าที่หลังการติดตั้ง

การเชื่อมต่อทางเข้าและทางออกของน้ำหล่อเย็น:
แผ่นนี้มาพร้อมกับหนามสแตนเลสหรือทองเหลือง พอร์ตเกลียว NPT หรือข้อต่อสวมเร็ว การปิดผนึกทำได้โดยใช้วงแหวน O- หรือเกลียวเรียว การออกแบบที่สมดุลช่วยให้เกิดความสมบูรณ์ของการรั่วไหลสำหรับแรงดันสูงสุด 10 บาร์ (150 psi) และอุณหภูมิตั้งแต่ -20 องศาถึง 150 องศา (สำหรับน้ำ-ไกลคอล) หรือสูงกว่าด้วยสารหล่อเย็นเฉพาะทาง

3. Thermal Lag ระหว่างการทำความร้อนและความเย็น
การตอบสนองของการทำความเย็นจะช้ากว่าการให้ความร้อนโดยธรรมชาติ เนื่องจากอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนมีจำกัด หากช่องระบายความร้อนอยู่ห่างจากพื้นผิวการทำงานมากเกินไป แผ่นจะใช้เวลาในการระบายความร้อนนานเกินไป ส่งผลให้รอบเวลาเพิ่มขึ้น

ลดความล่าช้าจากความร้อน:

ช่องระบายความร้อนอยู่ในตำแหน่งใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่ยังคงมีความหนาของวัสดุเพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบี้ยว โดยทั่วไปแล้วความลึก 10–20 มม. จากพื้นผิวการทำงานถึงขอบช่องที่ใกล้ที่สุด

ความหนาแน่นของช่องจะเพิ่มขึ้น (ระยะห่างน้อยลง เช่น 25–40 มม. ระหว่างช่อง) เพื่อลดความยาวเส้นทางความร้อนสูงสุด

ตัวเร่งความปั่นป่วน (เช่น การแทรกเทปบิดหรือพื้นผิวช่องสัญญาณที่ขรุขระ) ช่วยเพิ่ม-ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของน้ำหล่อเย็น ช่วยลดความล่าช้าโดยไม่ต้องขยับช่องเข้าไปใกล้ยิ่งขึ้น

สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าการวางช่องระบายความร้อนไว้ใกล้กับองค์ประกอบความร้อนมากเกินไปสามารถทำให้เกิดการรบกวนได้ หากช่องผ่านโดยตรงถัดจากเครื่องทำความร้อนแบบตลับ สารหล่อเย็นจะดึงความร้อนออกมาในระหว่างขั้นตอนการทำความร้อน ซึ่งจะลดประสิทธิภาพและสร้างจุดเย็น ในทางปฏิบัติ ช่องต่างๆ มีการกำหนดเส้นทางระหว่างแถวเครื่องทำความร้อน ไม่ใช่ตรงกับเครื่องทำความร้อนแต่ละตัว

การเลือกใช้วัสดุ: อลูมิเนียมกับเหล็ก
การนำความร้อนของวัสดุ (W/m·K) การแพร่กระจายความร้อน (mm²/s) ความแข็งแรงในการตอบสนองความร้อนสัมพัทธ์ที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน
อะลูมิเนียม (6061-T6) 167 68 เร็ว ปานกลาง (ลดอุณหภูมิที่สูงกว่า 150 องศา ) ปานกลาง (ปรับปรุงอะโนไดซ์)
เหล็ก (A36) 45 12 สูงช้า (ถึง 400 องศา +) ต่ำ (เป็นสนิม ต้องเคลือบ)
Stainless steel (304) 16 4.2 ช้ามาก สูงมาก (ถึง 500 องศา +) ดีเยี่ยม
อลูมิเนียมเป็นที่นิยมสำหรับแผ่นทำความร้อน-และ-แผ่นทำความเย็นส่วนใหญ่ เนื่องจากมีการแพร่กระจายความร้อนสูงทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แผ่นอะลูมิเนียมหนา 25 มม. ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนของกำลังทำความร้อนหรือการไหลของน้ำหล่อเย็นได้เร็วกว่าแผ่นเหล็กที่เทียบเท่ากันอย่างเห็นได้ชัด อย่างไรก็ตาม อลูมิเนียมจะสูญเสียความแข็งแรงที่สูงกว่า 150 องศา และอาจคืบคลานภายใต้ภาระที่ต่อเนื่อง สำหรับการใช้งานที่สูงกว่า 200 องศา ต้องใช้เหล็กหรือสแตนเลส แม้ว่าการตอบสนองความร้อนจะช้ากว่าก็ตาม

เมื่อใช้สแตนเลส การออกแบบช่องระบายความร้อนจะต้องเข้มงวดมากขึ้น (ระยะห่างน้อยลง อัตราการไหลสูงขึ้น) เพื่อชดเชยการนำความร้อนต่ำ

การเลือกสารหล่อเย็นและการรวมระบบ
สำหรับการหมุนเวียนความร้อนระหว่างอุณหภูมิโดยรอบและอุณหภูมิการประมวลผลทั่วไป (0–150 องศา) ส่วนผสมของน้ำปราศจากไอออนและเอทิลีนไกลคอลหรือโพรพิลีนไกลคอลเป็นมาตรฐาน ความเข้มข้นของไกลคอลถูกเลือกตามอุณหภูมิแวดล้อมต่ำสุดที่คาดไว้ (เช่น ไกลคอล 30% สำหรับการป้องกันการเยือกแข็ง -15 องศา) ไกลคอลยังยับยั้งการกัดกร่อนของอลูมิเนียมและเหล็ก

ข้อกำหนดการไหลของน้ำหล่อเย็น:
อัตราการไหลที่ต้องการคำนวณจากหน้าที่การทำความเย็น (อัตราการขจัดความร้อน) และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของน้ำหล่อเย็นที่อนุญาต สำหรับเพลตทั่วไป อัตราการไหล 5–20 ลิตร/นาทีต่อเครือข่ายช่องสัญญาณเป็นเรื่องปกติ มีการใช้เครื่องทำความเย็นหรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยเฉพาะพร้อมปั๊มหมุนเวียน อุณหภูมิน้ำหล่อเย็นจะถูกควบคุมแยกจากส่วนควบคุมฮีตเตอร์

บูรณาการกับระบบควบคุม:
จานต้องมีระบบควบคุมที่สลับระหว่างโหมดทำความร้อนและความเย็น สองแนวทางทั่วไป:

การควบคุมปัง- – เครื่องทำความร้อนปิดอยู่และวาล์วโซลินอยด์จะเปิดการไหลของน้ำหล่อเย็น เรียบง่ายแต่อาจเกินหรือผันผวน

PID พร้อมเอาต์พุตการทำความเย็น – ตัวควบคุม PID มีเอาต์พุต 2 ช่อง: ช่องหนึ่งสำหรับกำลังเครื่องทำความร้อน (ผ่าน SSR) และอีกช่องหนึ่งสำหรับปรับวาล์วน้ำหล่อเย็นหรือความเร็วปั๊ม ช่วยให้เปลี่ยนผ่านได้อย่างราบรื่นและควบคุมอุณหภูมิได้แน่นหนา

ไม่ว่าในกรณีใด อินเตอร์ล็อคเพื่อความปลอดภัยจะป้องกันไม่ให้จ่ายไฟให้กับเครื่องทำความร้อนในขณะที่สารหล่อเย็นปิดอยู่และเพลตมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่ปลอดภัย (เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้สารหล่อเย็นที่นิ่งมีความร้อนสูงเกินไป)

ตัวอย่างโครงร่าง: เครื่องทำความร้อนแบบตลับพร้อมช่องระบายความร้อนแบบคดเคี้ยว
พิจารณาใช้แผ่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 400 มม. × 400 มม. สำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อนของแผ่นเทอร์โมพลาสติก ข้อกำหนด: ความร้อนถึง 180 องศาใน 5 นาที, เย็นถึง 50 องศาใน 8 นาที ความหนาของแผ่น: 40 มม. (อะลูมิเนียม 6061)

รูปแบบเครื่องทำความร้อน:

เครื่องทำความร้อนแบบหลอด (เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. ยาว 300 มม. เครื่องละ 500 วัตต์) จะถูกสอดเข้าไปในรูตันจากด้านหลัง

รูเครื่องทำความร้อนจัดเรียงในรูปแบบตาราง: 6 แถว × 6 คอลัมน์ (รวมเครื่องทำความร้อน 36 เครื่อง) ระยะห่าง: 65 มม. ระหว่างศูนย์

ปลายเครื่องทำความร้อนอยู่ในตำแหน่ง 15 มม. จากด้านตรงข้าม (ทำงาน)

รูปแบบช่องระบายความร้อน:

เครือข่ายช่องสัญญาณคดเคี้ยวถูกเจาะด้วยเส้นทางต่อเนื่องเพียงเส้นทางเดียว เส้นผ่านศูนย์กลางช่อง: 12 มม.

ช่องต่างๆ จะอยู่ต่ำกว่าพื้นผิวการทำงาน 20 มม. (เช่น 20 มม. จากพื้นผิวด้านบน โดยมีตัวทำความร้อนอยู่ใต้พื้นผิวการทำงาน 25 มม. - จริงๆ แล้วตัวทำความร้อนจะอยู่ต่ำกว่าช่องสัญญาณ 5 มม. ในการออกแบบนี้ ดังนั้นช่องสัญญาณจึงอยู่ใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากขึ้น)

ระยะห่างของช่อง (กึ่งกลาง-ถึง-กลาง) คือ 65 มม. ซึ่งสอดคล้องกับช่องว่างระหว่างแถวเครื่องทำความร้อน ไม่มีช่องใดผ่านฮีตเตอร์โดยตรง

อุปกรณ์ทางเข้าและทางออกติดตั้งอยู่ที่ขอบของแผ่น

คำอธิบายภาพตัดขวาง- (แผนภาพข้อความ):

จากพื้นผิวการทำงานลง (ระยะทางแนวตั้ง):

0–15 มม.: อะลูมิเนียมตัน (ไม่มีคุณสมบัติ) – ช่วยให้อุณหภูมิพื้นผิวมีความสม่ำเสมอ

15–27 มม.: ช่องระบายความร้อน (เส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม.) ตรงกลางที่ความลึก 21 มม.

27–35 มม.: อะลูมิเนียมทึบแยกช่องออกจากเครื่องทำความร้อน

35–45 มม.: รูตัวทำความร้อนแบบตลับ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม.) ตรงกลางที่ความลึก 40 มม. (จากด้านหลัง) เครื่องทำความร้อนถูกแทรกจากด้านล่าง

การจัดเรียงนี้จะทำให้ช่องระบายความร้อนอยู่ใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากกว่าเครื่องทำความร้อน 6 มม. ซึ่งเอื้อต่อการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ในระหว่างการทำความร้อน ความร้อนบางส่วนจะถูกพาไปยังช่องต่างๆ แต่ชั้นอะลูมิเนียมแข็งที่อยู่ด้านล่างและสารหล่อเย็นที่ดับลง (ไม่มีการไหล) จะช่วยลดการสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุด เมื่อการระบายความร้อนเริ่มต้นขึ้น สารหล่อเย็นจะไหลและดึงความร้อนออกจากพื้นผิวการทำงานผ่านชั้นแข็งบาง 15 มม.

ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติมสำหรับแอปพลิเคชันที่มีรอบสูง-
อายุความล้าจากความร้อน – ทุกรอบการให้ความร้อน-ในการทำความเย็นจะทำให้เกิดความเครียดในวัสดุแผ่น อลูมิเนียมมีความต้านทานความล้าจากความร้อนได้ดีถึงประมาณ 10,000 รอบ ระหว่าง 20 องศาถึง 200 องศา สำหรับการนับรอบที่สูงขึ้น แนะนำให้ใช้เหล็กกล้าหรืออินโคเนล

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 เมกะโอห์ม) แนะนำให้ใช้ระบบตรวจจับข้อผิดพลาดของกราวด์

ความเรียบของพื้นผิว – การหมุนเวียนด้วยความร้อนอาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวอย่างค่อยเป็นค่อยไป ควรตรวจสอบแผ่นเป็นระยะและพื้นผิวใหม่หากความเรียบเกิน 0.05 มม. ทั่วทั้งพื้นที่ทำงาน

บทสรุป
แผ่นทำความร้อนและความเย็นในตัวช่วยให้รอบเวลารวดเร็วในกระบวนการที่ต้องใช้ทั้งความร้อนอย่างรวดเร็วและความเย็นแบบควบคุม การออกแบบแผ่นทำความร้อนและความเย็นที่สมดุลช่วยจัดการการขยายตัวทางความร้อน การปิดผนึกของไหล และความล่าช้าจากความร้อน แนะนำให้ใช้อะลูมิเนียมเพื่อการตอบสนองต่อความร้อนที่รวดเร็ว ในขณะที่เลือกใช้เหล็กกล้าเพื่อให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือมีความคงทนมากขึ้น เครื่องทำความร้อนแบบตลับให้แหล่งความร้อนที่ทนทานและเปลี่ยนได้ และช่องระบายความร้อนแบบเจาะ (พร้อมปลั๊กและข้อต่อที่เหมาะสม) ให้การระบายความร้อนด้วยของเหลวที่เชื่อถือได้ การจัดเรียงเครื่องทำความร้อนและช่องจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับข้อกำหนดเฉพาะของวงจร โดยวางช่องไว้ใกล้กับพื้นผิวการทำงานมากขึ้นเพื่อการระบายความร้อนที่รวดเร็วยิ่งขึ้น โซลูชันระบายความร้อนแบบกำหนดเองมีความจำเป็นสำหรับวงจรการผลิตที่มีความต้องการสูง และแผ่นทำความเย็น-การทำความร้อนที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี-สามารถให้รอบการทำงานที่เชื่อถือได้นับพันรอบเมื่อให้ความสำคัญกับการจัดการความเครียดและการเลือกใช้วัสดุ