Come progettare una piastra riscaldante con raffreddamento a liquido integrato per il ciclismo termico?

In diversi processi di produzione, come la polimerizzazione dei compositi, la termoformatura e i test sui semiconduttori, è necessaria una piastra in grado di riscaldare rapidamente l'oggetto e quindi raffreddarsi rapidamente per fissare il materiale. Ciò avviene con un'unica piastra dotata sia di resistenze elettriche che di canali interni di raffreddamento a liquido, ma la progettazione richiede un'attenta gestione delle tensioni termiche e della tenuta dei fluidi. Una progettazione ottimale della piastra di riscaldamento e raffreddamento bilancia le proprietà di uniformità del riscaldamento, tempo di risposta del raffreddamento e integrità meccanica a lungo-termine. Questa guida illustra come vengono costruite queste piastre a doppia funzione-, i problemi di progettazione, i materiali utilizzati e le idee di layout.

Piastra di riscaldamento-raffreddamento, costruzione tipica di
Una tipica piastra combinata di riscaldamento e raffreddamento è ricavata da un unico pezzo di alluminio o acciaio. Due circuiti termici distinti integrati sulla stessa piastra:

Elementi riscaldanti elettrici I riscaldatori a cartuccia o tubolari vengono inseriti in fori ciechi. In alternativa, le piastre più sottili possono utilizzare riscaldatori in lamina incisa incollati alla superficie opposta.

Canali di raffreddamento a liquido - Un liquido refrigerante (acqua o miscela di acqua-glicole) viene fatto circolare attraverso passaggi forati o fresati all'interno della piastra.

Gli elementi riscaldano la superficie di lavoro (la faccia a contatto con il pezzo) e la superficie di lavoro trasferisce il calore al carico. Nella modalità di raffreddamento, il liquido refrigerante assorbe il calore dalla piastra e lo rimuove, riducendo rapidamente la temperatura della superficie di lavoro.

In una tipica sezione trasversale (riportata nel testo) la piastra è divisa in 3 zone funzionali dal piano di lavoro verso il basso:

Strato della superficie di lavoro – spessore 5-15 mm, senza riscaldatori e canali. Questo strato fornisce una distribuzione omogenea della temperatura sulla faccia di contatto.

Zona del riscaldatore - I riscaldatori a cartuccia sono posizionati sul piano parallelo alla superficie di lavoro, generalmente 10–25 mm sotto la superficie di lavoro. I riscaldatori sono distribuiti uniformemente (tipicamente in una griglia o in un design sfalsato).

Zona del canale di raffreddamento - I canali forati sono posizionati 5–15 mm sotto i riscaldatori (più lontano dalla superficie di lavoro) o in alcune configurazioni intercalati tra file di riscaldatori. I canali hanno solitamente un diametro di 6–15 mm.

L'ordine esatto dipende da se è più importante la velocità di riscaldamento o di raffreddamento -. Nelle applicazioni in cui è richiesto un raffreddamento molto rapido, i canali possono essere posizionati più vicino alla superficie di lavoro rispetto ai riscaldatori, tuttavia ciò può causare non-uniformità di temperatura durante il riscaldamento.

Sfide e soluzioni di progettazione
1. Controllo della dilatazione termica
Quindi quando viene riscaldata la piastra si espande. Una volta raffreddato si contrae. A causa dell'espansione differenziale del materiale della piastra e dei componenti incorporati, vengono indotte deformazioni su più cicli di temperatura (ad es. da . 20 gradi a 200 gradi e viceversa). I riscaldatori a cartuccia sono rivestiti in acciaio e si espandono a un ritmo diverso rispetto a una piastra di alluminio.

Strategie di progettazione.

I riscaldatori a cartuccia sono dotati di uno spazio ridotto (solitamente uno spazio di 0,05-0,10 mm di diametro) e ricoperti con pasta antigrippante o termoconduttiva per alte-temperature. Ciò consente al riscaldatore di muoversi leggermente nel suo foro quando la piastra si espande.

I canali di raffreddamento non sono allineati con i fori del riscaldatore per evitare pareti sottili che potrebbero frantumarsi sotto stress ciclico. Si consiglia di mantenere lo spessore della parete tra qualsiasi foro e un elemento (foro o canale del riscaldatore) ad un minimo di 3-5 mm.

Dopo la lavorazione, ma prima dell'assemblaggio finale del riscaldatore, la piastra viene allentata (trattata termicamente). Ciò riduce le deformazioni residue che possono causare deformazioni o fessurazioni.

Nelle applicazioni a ciclo termico, la piastra è inoltre fissata tramite bulloni di montaggio. La piastra può estendersi lateralmente senza deformarsi, grazie alle rondelle compatibili o ai fori di montaggio asolati.

2. Sigillo del fluido
I canali di raffreddamento devono essere a tenuta per evitare il contatto del liquido refrigerante con i riscaldatori elettrici o perdite dalla piastra. Anche le perdite influiscono sulle prestazioni termiche. Vengono utilizzati due metodi tipici di sigillatura:

Fori praticati e riempiti:
Le punte lunghe vengono utilizzate per forare i canali dal bordo della piastra. Le estremità aperte vengono poi chiuse con tappi filettati (nastro in PTFE o sigillante per filettature) o con tappi saldati dopo la foratura. Questo approccio si traduce in un blocco monolitico, senza sigillatura esterna. È abbastanza affidabile, sebbene limiti le geometrie dei canali a linee rette.

Incroci incrociati-trapanati:
Se il modello è serpentino e quindi richiede una rete di canali interconnessi, i fori trasversali-sono chiusi in superficie. Ogni tappo è una possibile perdita. Utilizzano O-ring per alte temperature (come Viton o silicone) o filettature per tubi coniche. Per applicazioni importanti, tutti i tappi vengono saldati o brasati in posizione dopo l'installazione.

Collegamenti per l'ingresso e l'uscita del liquido refrigerante:
La piastra viene fornita con portagomma in acciaio inox o ottone, porte filettate NPT o raccordi ad innesto rapido. La tenuta avviene tramite O-ring o filettature coniche. Un design bilanciato garantisce l'integrità delle perdite per pressioni fino a 10 bar (150 psi) e temperature da -20 gradi a 150 gradi (per acqua-glicole) o superiori con refrigeranti specializzati.

3. Slittamento termico tra riscaldamento e raffreddamento
La risposta del raffreddamento è intrinsecamente più lenta del riscaldamento poiché la portata del refrigerante e il coefficiente di trasferimento del calore sono finiti. Se i canali di raffreddamento sono posizionati troppo lontano dalla superficie di lavoro, la piastra impiegherà un tempo eccessivo per raffreddarsi, aumentando il tempo del ciclo.

Minimizzazione dello sfasamento termico:

I canali di raffreddamento sono posizionati il ​​più vicino possibile alla superficie di lavoro, lasciando comunque uno spessore del materiale sufficiente per evitare distorsioni. Tipica è una profondità di 10–20 mm dalla superficie di lavoro al bordo del canale più vicino.

La densità dei canali viene aumentata (spaziatura minore, ad esempio, 25–40 mm tra i canali) per ridurre la lunghezza massima del percorso termico.

I promotori di turbolenza (ad esempio, inserti di nastro attorcigliato o superfici dei canali irruvidite) migliorano il coefficiente di trasferimento di calore del lato del refrigerante-, riducendo il ritardo senza avvicinare i canali.

È importante notare che il posizionamento dei canali di raffreddamento troppo vicino agli elementi riscaldanti può creare interferenze. Se un canale passa direttamente accanto a un riscaldatore a cartuccia, il liquido di raffreddamento estrarrà calore durante la fase di riscaldamento, riducendo l'efficienza e creando un punto freddo. In pratica, i canali vengono instradati tra file di riscaldatori, non direttamente accanto ai singoli riscaldatori.

Selezione del materiale: alluminio vs acciaio
Conduttività termica del materiale (W/m·K) Diffusività termica (mm²/s) Resistenza relativa alla risposta termica alle alte temperature Resistenza alla corrosione
Alluminio (6061-T6) 167 68 Veloce Moderato (riduce oltre i 150 gradi) Moderato (l'anodizzazione migliora)
Acciaio (A36) 45 12 Lento Alto (fino a 400 gradi +) Basso (arrugginisce, richiede rivestimento)
Acciaio inossidabile (304) 16 4.2 Molto lento Alto (fino a 500 gradi +) Eccellente
L'alluminio è preferito per la maggior parte delle piastre di riscaldamento-e-di raffreddamento perché la sua elevata diffusività termica consente rapidi cambiamenti di temperatura. Una piastra in alluminio spessa 25 mm risponde a un cambiamento graduale della potenza del riscaldatore o del flusso del refrigerante in modo significativamente più veloce di una piastra in acciaio equivalente. Tuttavia, l'alluminio perde resistenza oltre i 150 gradi e può strisciare sotto carico sostenuto. Per applicazioni superiori a 200 gradi, è richiesto acciaio o acciaio inossidabile nonostante una risposta termica più lenta.

Quando si utilizza l'acciaio inossidabile, il design del canale di raffreddamento deve essere molto più aggressivo (spaziatura minore, portate più elevate) per compensare la bassa conduttività termica.

Selezione del refrigerante e integrazione del sistema
Per i cicli termici tra la temperatura ambiente e quella tipica di lavorazione (0–150 gradi), è standard una miscela di acqua deionizzata e glicole etilenico o glicole propilenico. La concentrazione di glicole viene scelta in base alla temperatura ambiente più bassa prevista (ad esempio, 30% di glicole per una protezione antigelo di -15 gradi). Il glicole inibisce anche la corrosione dell'alluminio e dell'acciaio.

Requisiti del flusso del refrigerante:
La portata richiesta viene calcolata in base al carico di raffreddamento (velocità di rimozione del calore) e all'aumento di temperatura consentito del liquido di raffreddamento. Per una piastra tipica, sono comuni portate di 5–20 L/min per rete di canali. Viene utilizzato un refrigeratore o uno scambiatore di calore dedicato con una pompa di circolazione. La temperatura del liquido di raffreddamento viene controllata separatamente dal controllo del riscaldatore.

Integrazione con il sistema di controllo:
La piastra richiede un sistema di controllo che commuta tra le modalità di riscaldamento e raffreddamento. Due approcci comuni:

Controllo bang-bang: i riscaldatori vengono spenti e un'elettrovalvola apre il flusso del refrigerante. Semplice ma può superare o oscillare.

PID con uscita di raffreddamento – Un controller PID ha due uscite: una per l'alimentazione del riscaldatore (tramite SSR) e una per una valvola modulante del refrigerante o la velocità della pompa. Ciò fornisce transizioni fluide e uno stretto controllo della temperatura.

In entrambi i casi, un interblocco di sicurezza impedisce che i riscaldatori vengano alimentati mentre il refrigerante è spento e la piastra è al di sopra di una temperatura sicura (per evitare il surriscaldamento del refrigerante stagnante).

Esempio di layout: riscaldatori a cartuccia con canali di raffreddamento a serpentina
Consideriamo una piastra quadrata da 400 mm x 400 mm per la termoformatura di lastre termoplastiche. Requisiti: riscaldare a 180 gradi in 5 minuti, raffreddare a 50 gradi in 8 minuti. Spessore piastra: 40 mm (alluminio 6061).

Disposizione del riscaldatore:

I riscaldatori a cartuccia (diametro 10 mm, lunghezza 300 mm, 500 W ciascuno) vengono inseriti nei fori ciechi dalla parte posteriore.

I fori dei riscaldatori sono disposti secondo uno schema a griglia: 6 righe × 6 colonne (36 riscaldatori in totale). Spaziatura: 65 mm tra i centri.

Le punte del riscaldatore sono posizionate a 15 mm dalla faccia opposta (di lavoro).

Disposizione del canale di raffreddamento:

Una rete di canali serpentini viene perforata con un unico percorso continuo. Diametro del canale: 12 mm.

I canali si trovano 20 mm sotto la superficie di lavoro (ovvero, 20 mm dalla superficie superiore, con i riscaldatori 25 mm sotto la superficie di lavoro – i riscaldatori sono in realtà 5 mm sotto i canali in questo modello, quindi i canali sono più vicini alla superficie di lavoro).

La spaziatura dei canali (da centro-a-centro) è di 65 mm, allineata con gli spazi tra le file dei riscaldatori. Nessun canale passa direttamente sopra un riscaldatore.

I raccordi di ingresso e uscita sono montati sul bordo della piastra.

Descrizione-sezionale (diagramma testuale):

Dal piano di lavoro verso il basso (distanza verticale):

0–15 mm: alluminio solido (nessuna caratteristica) – garantisce l'uniformità della temperatura superficiale.

15–27 mm: canali di raffreddamento (diametro 12 mm) centrati a una profondità di 21 mm.

27–35 mm: canali di separazione in alluminio massiccio dai riscaldatori.

35–45 mm: fori del riscaldatore a cartuccia (diametro 10 mm) centrati a una profondità di 40 mm (dal lato posteriore). I riscaldatori vengono inseriti dal basso.

Questa disposizione posiziona i canali di raffreddamento 6 mm più vicini alla superficie di lavoro rispetto ai riscaldatori, favorendo un raffreddamento rapido. Durante il riscaldamento, una parte del calore viene condotta verso i canali, ma lo strato di alluminio solido sotto di essi e il refrigerante spento (nessun flusso) riducono al minimo le perdite. Quando inizia il raffreddamento, il refrigerante scorre ed estrae il calore dalla superficie di lavoro attraverso il sottile strato solido di 15 mm.

Considerazioni aggiuntive per le applicazioni-a ciclo elevato
Durata a fatica termica: ogni ciclo di riscaldamento-raffreddamento induce tensione nel materiale della piastra. L'alluminio ha una buona resistenza alla fatica termica fino a circa 10.000 cicli tra 20 gradi e 200 gradi. Per un numero di cicli più elevato, si consiglia l'acciaio o l'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 megaohm). È consigliabile un sistema di rilevamento dei guasti a terra.

Planarità della superficie: il ciclo termico può causare una deformazione graduale. La piastra deve essere periodicamente controllata e rifatta se la planarità supera 0,05 mm nell'area di lavoro.

Conclusione
Le piastre di riscaldamento e raffreddamento integrate consentono tempi di ciclo rapidi nei processi che richiedono sia un riscaldamento rapido che un raffreddamento controllato. Il design bilanciato delle piastre di riscaldamento e raffreddamento gestisce l'espansione termica, la tenuta del fluido e il ritardo termico. L'alluminio è preferito per una risposta termica rapida, mentre l'acciaio è scelto per temperature più elevate o una maggiore durata. I riscaldatori a cartuccia forniscono fonti di calore robuste e sostituibili e i canali di raffreddamento forati (con tappi e raccordi adeguati) forniscono un raffreddamento a liquido affidabile. La disposizione dei riscaldatori e dei canali deve essere ottimizzata per le esigenze specifiche del ciclo, con canali posizionati più vicino alla superficie di lavoro per un raffreddamento più rapido. Le soluzioni termiche personalizzate sono essenziali per cicli di produzione impegnativi e una piastra di riscaldamento-raffreddamento ben progettata può fornire migliaia di cicli affidabili quando si presta attenzione alla gestione dello stress e alla selezione dei materiali.