Como projetar uma placa de aquecimento com resfriamento líquido integrado para ciclagem térmica?

Em vários processos de fabricação, como cura de compósitos, termoformagem e testes de semicondutores, é necessária uma placa que possa aquecer rapidamente o objeto e depois resfriá-lo rapidamente para endurecer o material. Isso é feito com uma única placa que possui elementos de aquecimento elétrico e canais internos de resfriamento de líquido, mas o projeto requer um gerenciamento cuidadoso das tensões térmicas e vedação de fluidos. Um projeto ideal da placa de aquecimento e resfriamento equilibra as propriedades de uniformidade de aquecimento, tempo de resposta de resfriamento e integridade mecânica-de longo prazo. Este guia discute como essas placas de{4}função dupla são construídas, os problemas de design, os materiais empregados e as ideias de layout.

Placa de aquecimento-de resfriamento, construção típica de
Uma combinação típica de placa de aquecimento e resfriamento é usinada a partir de uma única peça de alumínio ou aço. Dois circuitos térmicos distintos integrados na mesma placa:

Elementos de aquecimento elétrico Aquecedores de cartucho ou aquecedores tubulares são colocados em orifícios cegos perfurados. Alternativamente, placas mais finas podem usar aquecedores de folha gravada colados à superfície reversa.

Canais de resfriamento líquido - Um refrigerante (água ou mistura de água-glicol) circula através de passagens perfuradas ou fresadas dentro da placa.

Os elementos aquecem a superfície de trabalho (a face em contato com a peça) e a superfície de trabalho transfere o calor para a carga. No modo de resfriamento, o refrigerante absorve o calor da placa e o remove, reduzindo rapidamente a temperatura da superfície de trabalho.

Numa secção transversal típica (dada no texto) a placa é dividida em 3 zonas funcionais da superfície de trabalho para baixo:

Camada superficial de trabalho – 5-15 mm de espessura, sem aquecedores e canais. Esta camada proporciona uma distribuição homogênea de temperatura na face de contato.

Zona do aquecedor - Os aquecedores de cartucho são posicionados no plano paralelo à superfície de trabalho, geralmente 10–25 mm abaixo da superfície de trabalho. Os aquecedores são distribuídos uniformemente (normalmente em grade ou design escalonado).

Zona do canal de resfriamento - Os canais perfurados são colocados 5–15 mm abaixo dos aquecedores (mais distantes da superfície de trabalho) ou, em certas configurações, intercalados entre fileiras de aquecedores. Os canais têm geralmente 6–15 mm de diâmetro.

A ordem exata depende se é mais importante - taxa de aquecimento ou taxa de resfriamento. Em aplicações onde é necessário um resfriamento muito rápido, os canais podem estar localizados mais próximos da superfície de trabalho do que os aquecedores, no entanto, isso pode causar não-uniformidades de temperatura durante o aquecimento.

Desafios e soluções de design
1. Controle de Expansão Térmica
Assim, quando aquecida, a placa se expande. Quando resfriado ele contrai. Devido à expansão diferencial do material da placa e dos componentes incorporados, as deformações são induzidas ao longo de vários ciclos de temperatura (por exemplo, . 20 graus a 200 graus e vice-versa). Os aquecedores de cartucho são revestidos de aço e se expandem em um ritmo diferente de uma placa de alumínio.

Estratégias de projeto.

Os aquecedores de cartucho são equipados com uma pequena folga (geralmente uma folga de 0,05-0,10 mm de diâmetro) e cobertos com antigripante de alta-temperatura ou pasta termicamente condutora. Isto permite que o aquecedor se mova ligeiramente no seu orifício quando a placa se expande.

Os canais de resfriamento não estão alinhados com os orifícios do aquecedor para evitar paredes finas que podem quebrar sob estresse cíclico. Sugere-se manter a espessura da parede entre qualquer furo e um recurso (furo ou canal do aquecedor) em um mínimo de 3-5 mm.

Após a usinagem, mas antes da montagem final do aquecedor, a placa é aliviada (tratada termicamente). Isso reduz as tensões residuais que podem causar empenamento ou rachaduras.

Em aplicações de ciclos térmicos, a placa também é fixada por parafusos de montagem. A placa pode estender-se lateralmente sem empenar, graças às arruelas compatíveis ou aos furos de montagem com fenda.

2. Selo de fluido
Os canais de resfriamento devem ser estanques para evitar contato do líquido refrigerante com os aquecedores elétricos ou vazamentos da placa. Vazamentos também afetam o desempenho térmico. Dois métodos típicos de vedação são empregados:

Furos perfurados e preenchidos:
Brocas longas são usadas para perfurar canais a partir da borda da placa. As extremidades abertas são então fechadas com tampões roscados (fita PTFE ou selante de rosca) ou com tampas soldadas após a perfuração. Esta abordagem resulta num bloco monolítico, sem vedação externa. É bastante confiável, embora restrinja a geometria do canal a linhas retas.

Junções-perfuradas:
Se o padrão for serpentino e, portanto, exigir uma rede de canais interconectados, os furos-cruzados serão fechados na superfície. Cada tampão é um possível vazamento. Eles usam O-rings de alta temperatura (como Viton ou silicone) ou roscas de tubo cônicas. Para aplicações importantes, todos os plugues são soldados ou brasados ​​no lugar após a instalação.

Conexões para entrada e saída de refrigerante:
A placa é fornecida com farpas de aço inoxidável ou latão, portas roscadas NPT ou acoplamentos de conexão rápida. A vedação é feita por O-rings ou por roscas cônicas. Um projeto balanceado alcança integridade de vazamento para pressões de até 10 bar (150 psi) e temperaturas de -20 graus a 150 graus (para água-glicol) ou superiores com refrigerantes especializados.

3. Atraso térmico entre aquecimento e resfriamento
A resposta do resfriamento é inerentemente mais lenta que o aquecimento porque a vazão do refrigerante e o coeficiente de transferência de calor são finitos. Se os canais de resfriamento forem colocados muito longe da superfície de trabalho, a placa demorará muito para esfriar, aumentando o tempo do ciclo.

Minimizando o atraso térmico:

Os canais de resfriamento são posicionados o mais próximo possível da superfície de trabalho, deixando ao mesmo tempo espessura de material suficiente para evitar distorções. É típica uma profundidade de 10–20 mm da superfície de trabalho até a borda mais próxima do canal.

A densidade do canal é aumentada (espaçamento menor, por exemplo, 25–40 mm entre canais) para reduzir o comprimento máximo do caminho térmico.

Os promotores de turbulência (por exemplo, inserções de fita torcida ou superfícies rugosas dos canais) melhoram o coeficiente de transferência de calor do lado do refrigerante, reduzindo o atraso sem mover os canais para mais perto.

É importante observar que colocar canais de resfriamento muito próximos dos elementos de aquecimento pode criar interferências. Se um canal passar diretamente próximo a um aquecedor de cartucho, o refrigerante extrairá calor durante a fase de aquecimento, reduzindo a eficiência e criando um ponto frio. Na prática, os canais são encaminhados entre fileiras de aquecedores, e não diretamente ao lado de aquecedores individuais.

Seleção de materiais: alumínio vs. aço
Condutividade térmica do material (W/m·K) Difusividade térmica (mm²/s) Resistência à resposta térmica relativa em resistência à corrosão em alta temperatura
Alumínio (6061-T6) 167 68 Rápido Moderado (reduz acima de 150 graus) Moderado (melhora anodizado)
Aço (A36) 45 12 Lento Alto (até 400 graus +) Baixo (enferruja, requer revestimento)
Aço inoxidável (304) 16 4.2 Muito lento Alto (até 500 graus +) Excelente
O alumínio é preferido para a maioria das placas de aquecimento-e{1}}de resfriamento porque sua alta difusividade térmica permite mudanças rápidas de temperatura. Uma placa de alumínio com 25 mm de espessura responde a uma mudança gradual na potência do aquecedor ou no fluxo do líquido refrigerante significativamente mais rápido do que uma placa de aço equivalente. No entanto, o alumínio perde resistência acima de 150 graus e pode rastejar sob carga sustentada. Para aplicações acima de 200 graus, é necessário aço ou aço inoxidável, apesar da resposta térmica mais lenta.

Quando é utilizado aço inoxidável, o projeto do canal de resfriamento deve ser muito mais agressivo (espaçamento menor, vazões mais altas) para compensar a baixa condutividade térmica.

Seleção de refrigerante e integração de sistemas
Para ciclos térmicos entre temperaturas ambiente e típicas de processamento (0–150 graus), uma mistura de água deionizada e etilenoglicol ou propilenoglicol é padrão. A concentração de glicol é escolhida com base na temperatura ambiente mais baixa esperada (por exemplo, 30% de glicol para proteção contra congelamento de -15 graus). O glicol também inibe a corrosão do alumínio e do aço.

Requisitos de fluxo de refrigerante:
A vazão necessária é calculada a partir da taxa de resfriamento (taxa de remoção de calor) e do aumento permitido da temperatura do líquido refrigerante. Para uma placa típica, são comuns taxas de fluxo de 5 a 20 L/min por rede de canais. É usado um resfriador ou trocador de calor dedicado com bomba de circulação. A temperatura do líquido refrigerante é controlada separadamente do controle do aquecedor.

Integração com sistema de controle:
A placa requer um sistema de controle que alterna entre os modos de aquecimento e resfriamento. Duas abordagens comuns:

Controle bang-bang – Os aquecedores são desligados e uma válvula solenóide abre o fluxo do líquido refrigerante. Simples, mas pode ultrapassar ou oscilar.

PID com saída de refrigeração – Um controlador PID possui duas saídas: uma para alimentação do aquecedor (via SSR) e outra para modulação da válvula de refrigeração ou velocidade da bomba. Isso proporciona transições suaves e controle rígido de temperatura.

Em ambos os casos, um intertravamento de segurança evita que os aquecedores sejam energizados enquanto o líquido refrigerante estiver desligado e a placa estiver acima de uma temperatura segura (para evitar o superaquecimento do líquido refrigerante estagnado).

Exemplo de layout: aquecedores de cartucho com canais de resfriamento em serpentina
Considere uma placa quadrada de 400 mm × 400 mm para termoformagem de chapas termoplásticas. Requisitos: aquecer a 180 graus em 5 minutos, esfriar a 50 graus em 8 minutos. Espessura da placa: 40 mm (alumínio 6061).

Disposição do aquecedor:

Aquecedores de cartucho (10 mm de diâmetro, 300 mm de comprimento, 500 W cada) são inseridos em orifícios cegos pela face posterior.

Os furos do aquecedor são organizados em um padrão de grade: 6 linhas x 6 colunas (36 aquecedores no total). Espaçamento: 65 mm entre centros.

As pontas do aquecedor são posicionadas a 15 mm da face oposta (de trabalho).

Layout do canal de resfriamento:

Uma rede de canais serpentinos é perfurada com um único caminho contínuo. Diâmetro do canal: 12 mm.

Os canais estão localizados 20 mm abaixo da superfície de trabalho (ou seja, 20 mm da face superior, com os aquecedores 25 mm abaixo da superfície de trabalho – os aquecedores estão na verdade 5 mm abaixo dos canais neste projeto, portanto os canais ficam mais próximos da superfície de trabalho).

O espaçamento entre canais (centro-a-centro) é de 65 mm, alinhado com os espaços entre as fileiras de aquecedores. Nenhum canal passa diretamente sobre um aquecedor.

Os acessórios de entrada e saída são montados na borda da placa.

Descrição-transversal (diagrama de texto):

Da superfície de trabalho para baixo (distância vertical):

0–15 mm: Alumínio sólido (sem recursos) – garante uniformidade da temperatura da superfície.

15–27 mm: Canais de resfriamento (12 mm de diâmetro) centralizados a 21 mm de profundidade.

27–35 mm: Canais de separação em alumínio sólido dos aquecedores.

35–45 mm: Orifícios do aquecedor do cartucho (10 mm de diâmetro) centralizados a 40 mm de profundidade (na parte traseira). Os aquecedores são inseridos pela parte inferior.

Esta disposição coloca os canais de resfriamento 6 mm mais próximos da superfície de trabalho do que os aquecedores, favorecendo o resfriamento rápido. Durante o aquecimento, algum calor é conduzido em direção aos canais, mas a camada sólida de alumínio abaixo deles e o refrigerante desligado (sem fluxo) minimizam a perda. Quando o resfriamento começa, o líquido refrigerante flui e extrai calor da superfície de trabalho através da fina camada sólida de 15 mm.

Considerações adicionais para aplicações-de alto ciclo
Vida útil à fadiga térmica – Cada ciclo de aquecimento-resfriamento induz tensão no material da placa. O alumínio tem boa resistência à fadiga térmica até cerca de 10.000 ciclos entre 20 e 200 graus. Para contagens de ciclo mais altas, recomenda-se aço ou 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). É aconselhável um sistema de detecção de falta à terra.

Planicidade da superfície – O ciclo térmico pode causar empenamento gradual. A placa deve ser verificada periodicamente e recapeada se o nivelamento exceder 0,05 mm em toda a área de trabalho.

Conclusão
Placas de aquecimento e resfriamento integradas permitem tempos de ciclo rápidos em processos que exigem aquecimento rápido e resfriamento controlado. Um design balanceado de placa de aquecimento e resfriamento gerencia a expansão térmica, a vedação de fluidos e o atraso térmico. O alumínio é preferido para uma resposta térmica rápida, enquanto o aço é escolhido para temperaturas mais altas ou maior durabilidade. Os aquecedores de cartucho fornecem fontes de calor robustas e substituíveis, e os canais de resfriamento perfurados (com plugs e acessórios adequados) proporcionam resfriamento líquido confiável. A disposição dos aquecedores e canais deve ser otimizada para os requisitos específicos do ciclo, com canais colocados mais próximos da superfície de trabalho para um resfriamento mais rápido. Soluções térmicas personalizadas são essenciais para ciclos de produção exigentes, e uma placa de aquecimento-de resfriamento bem projetada pode fornecer milhares de ciclos confiáveis ​​quando se dá atenção ao gerenciamento de tensão e à seleção de materiais.