Muitos processos de fabricação-cura de compósitos, termoformagem e testes de semicondutores-exigem uma placa que possa aquecer a peça rapidamente e depois resfriá-la rapidamente para endurecer o material. Uma única placa com elementos de aquecimento elétrico e canais internos de refrigeração líquida fornece essa capacidade, mas o projeto deve gerenciar cuidadosamente as tensões térmicas e a vedação de fluidos. Um otimizadoprojeto de placa de aquecimento e resfriamentoequilibra a uniformidade do aquecimento, o tempo de resposta do resfriamento e a integridade mecânica-de longo prazo. Este guia descreve a construção, os desafios do projeto, as escolhas de materiais e as estratégias de layout para essas placas de-função dupla.
Construção típica de uma placa de aquecimento{0}}de resfriamento
Uma placa combinada de aquecimento e resfriamento é normalmente fabricada a partir de um único bloco de alumínio ou aço. Dois circuitos térmicos independentes estão integrados na mesma placa:
Elementos de aquecimento elétrico– Aquecedores de cartucho ou aquecedores tubulares são inseridos em orifícios cegos perfurados. Alternativamente, aquecedores de folha gravada podem ser colados à superfície posterior para placas mais finas.
Canais de refrigeração líquida– Passagens perfuradas ou fresadas são dispostas para transportar um refrigerante (água ou mistura de água-glicol) através da placa.
A superfície de trabalho (face que entra em contato com a peça) recebe calor dos elementos e o transfere para a carga. Durante a fase de resfriamento, o refrigerante absorve o calor da placa e o transporta, diminuindo rapidamente a temperatura da superfície de trabalho.
Em um típico-arranjo de seção transversal (descrito no texto), a placa é dividida em três zonas funcionais da superfície de trabalho para baixo:
Camada de superfície de trabalho– 5–15 mm de espessura, não contém aquecedores ou canais. Esta camada proporciona distribuição uniforme de temperatura na face de contato.
Zona de aquecimento– Os aquecedores de cartucho são colocados em um plano paralelo à superfície de trabalho, normalmente 10–25 mm abaixo dela. Os aquecedores são espaçados uniformemente (geralmente em uma grade ou em um padrão escalonado).
Zona do canal de resfriamento– Os canais perfurados estão localizados 5–15 mm abaixo dos aquecedores (mais longe da superfície de trabalho) ou, em alguns modelos, intercalados entre as fileiras de aquecedores. Os canais têm normalmente 6–15 mm de diâmetro.
A ordem exata depende se a velocidade de aquecimento ou a velocidade de resfriamento são mais críticas. Para aplicações que exigem resfriamento muito rápido, os canais podem ser colocados mais próximos da superfície de trabalho do que os aquecedores, embora isso possa criar não-uniformidades de temperatura durante o aquecimento.
Desafios e soluções de design
1. Gerenciamento de Expansão Térmica
A placa expande quando aquecida e contrai quando resfriada. Durante repetidos ciclos térmicos (por exemplo, 20 graus a 200 graus e vice-versa), a expansão diferencial entre o material da placa e os componentes incorporados cria tensões. Os aquecedores de cartucho, que são revestidos-de aço, se expandem em uma taxa diferente de uma placa de alumínio.
Estratégias de projeto:
Os aquecedores de cartucho são instalados com uma pequena folga (normalmente uma folga de 0,05 a 0,10 mm de diâmetro) e são revestidos com pasta-antigripante-de alta temperatura ou termicamente condutora. Isto permite que o aquecedor deslize ligeiramente dentro do seu orifício à medida que a placa se expande.
Os canais de resfriamento são posicionados longe dos orifícios do aquecedor para evitar paredes finas que poderiam rachar sob estresse cíclico. Recomenda-se uma espessura mínima de parede de 3–5 mm entre qualquer furo e outro recurso (furo ou canal do aquecedor).
A placa é aliviada de tensão-(tratada termicamente) após a usinagem, mas antes da montagem final dos aquecedores. Isto reduz as tensões residuais que podem causar empenamento ou fissuras.
Em aplicações de ciclagem térmica, a placa também é restringida por parafusos de montagem. Furos de montagem com fenda ou arruelas compatíveis são usados para permitir que a placa se expanda lateralmente sem empenar.
2. Vedação de Fluidos
Os canais de resfriamento devem ser herméticos-para evitar que o líquido refrigerante entre em contato com os aquecedores elétricos ou escape da placa. Vazamentos também degradam o desempenho térmico. Dois métodos de vedação comuns são usados:
Canais perfurados e obstruídos:
Os canais são perfurados a partir da borda da placa usando brocas longas. Após a perfuração, as extremidades abertas são vedadas com tampões roscados (com fita PTFE ou selante de rosca) ou com tampas soldadas. Este método produz um bloco monolítico sem vedações externas. É altamente confiável, mas limita a geometria do canal a linhas retas.
Interseções-perfuradas:
Quando uma rede de canais interconectados é necessária (por exemplo, um padrão serpentino), furos-cruzados são tapados na superfície. Cada tampão é um potencial ponto de vazamento. São usados anéis de vedação-de alta temperatura (por exemplo, Viton ou silicone) ou roscas de tubo cônico. Para aplicações críticas, todos os plugues são soldados ou brasados após a instalação.
Acessórios para entrada e saída de refrigerante:
Conexões farpadas de aço inoxidável ou latão, portas roscadas NPT ou acoplamentos-de conexão rápida são fixados à placa. A vedação é obtida com O-rings ou 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
| Material | Condutividade Térmica (W/m·K) | Difusividade Térmica (mm²/s) | Resposta Térmica Relativa | Força em alta temperatura | Resistência à corrosão |
|---|---|---|---|---|---|
| Alumínio (6061-T6) | 167 | 68 | Rápido | Moderado (redução acima de 150 graus) | Moderado (anodizado melhora) |
| Aço (A36) | 45 | 12 | Lento | Alto (até 400 graus +) | Baixo (ferrugem, 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 de estrondo-de estrondo– 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 refrigerante 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.
Isolamento elétrico – 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 equilíbrioprojeto de placa de aquecimento e resfriamentogerencia expansão térmica, vedação de fluidos e 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.
