المنتهای حرارتی: ویژگی ها و انواع آن

پیش‌گفتار

در این مقاله، راهنمای جامعی دربارۀ المنت‌های حرارتی ارائه می‌شود. با خواندن این مقاله موارد زیر را فرا می‌گیرید:

المنت حرارتی چیست و چگونه کار می‌کند؟
ویژگی‌های المنت‌ حرارتی
مواد مورد استفاده برای ساخت المنت‌های حرارتی
انواع مختلف المنت‌های حرارتی
و بسیاری موارد دیگر …

فصل 1: المنت حرارتی چیست؟

المنت حرارتی ابزاری است که انرژی الکتریکی را مستقیماً به گرما یا انرژی حرارتی تبدیل می‌کند؛ این امر از طریق اصل شناخته شده‌ای با نام گرمای ژول رخ می‌دهد. گرمای ژول پدیده‌ای است که در آن یک هادی به علت عبور جریان الکتریکی گرما تولید می‌کند. با عبور جریان الکتریکی از ماده، الکترون‌ها یا سایر حامل‌های بار با یون‌ها یا اتم‌های هادی برخورد می‌کنند و بدین ترتیب اصطکاک در مقیاس اتمی به وجود می‌آید. این اصطکاک به صورت گرما نمایان می‌شود. از قانون نخست ژول (قانون ژول-لنز) برای مشخص ساختن میزان گرمای تولید شده بر اثر جاری شدن الکتریسیته در هادی استفاده می‌شود. این قانون به صورت زیر تعریف می‌شود:

P=I*V or P=I^2*R

بر پایۀ رابطۀ فوق، میزان گرمای تولید شده به جریان و ولتاژ یا مقاوت هادی وابسته است. در طراحی المنت‌های حرارتی، مقاومت عامل مهم‌تری است.

گرمای ژول در همۀ مواد رسانا با شدت متغیر وجود دارد؛ البته، بجز در نوع خاصی از مواد که نیمه‌هادی نامیده می‌شود. به طور کلی، برای مواد هادی الکتریسیته، گرمای کمتری تولید می‌شود زیرا بارها به سادگی جریان می‌یابند. اما در موادی که مقاومت الکتریکی بزرگی دارند، گرمای بیشتری تولید می‌شود. از سوی دیگر، ابررساناها امکان جریان یافتن الکتریسیته را می‌دهند اما گرمایی تولید نمی‌کنند. معمولاً، گرمای حاصل از هادی‌ها را به عنوان تلفات انرژی طبقه‌بندی می‌کنیم. چنانچه از انرژی الکتریکی به عنوان منبع تغذیۀ دستگاه‌ها استفاده شود، مقداری گرمای نالازم به شکل تلفات مسی تولید می‌شود که فایدۀ خاصی ندارد.

المنت‌های حرارتی برقی از یک نظر بازدهی 100% دارند زیرا کل انرژی را به شکل مطلوب تبدیل می‌کنند. المنت‌های حرارتی نه فقط گرما را هدایت می‌کنند بلکه همچنین انرژی را به صورت نور و تشعشع منتقل می‌نمایند. اما، این امر فقط برای مقاومت‌های ایده‌آل درست است. ویژگی ذاتی خازنی یا سلفی مواد موجب تلفات کوچکی می‌‌شود؛ این دو ویژگی انرژی الکتریکی را به ترتیب به میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تبدیل می‌کنند. در کل سیستم، تلفات به شکل هدر رفت گرما در محیط بیرونی در اثر سیال یا خود هیتر است. بدین ترتیب، سیستم را باید به خوبی عایق‌کاری کرد تا از کل گرمای تولید شده بتوان استفاده نمود.

فصل 2: ویژگی‌های المنت حرارتی

تقریباً کلیۀ هادی‌های هنگامی که جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند قادر به تولید گرما هستند. اما، همۀ هادی‌ها مناسب ساخت المنت‌های حرارتی نیستند. وجود ترکیب درستی از ویژگی‌های الکتریکی، مکانیکی، و شیمیایی ضروری است. در ادامه، ویژگی‌های مهم مورد نیاز برای ساخت المنت حرارتی را برمی‌شمریم.

مقاومت:

برای تولید گرما، المنت حرارتی باید مقاومت الکتریکی کافی داشته باشد. اما، مقاومت نباید آنقدر بزرگ باشد تا ماده به عایق تبدیل شود. مقاومت الکتریکی برابر مقاومت ویژه ضرب در طول هادی تقسیم بر سطح‌مقطع هادی است. برای یک سطح‌مقطع مشخص، برای اینکه هادی کوتاه‌تر باشد، از ماده‌ای با مقاومت بالا استفاده می‌شود.

مقاومت اکسایشی:

گرما معمولاً پدیدۀ اکسایش را چه در ماده و چه در سرامیک شتاب می‌بخشد. در پدیدۀ اکسایش، المنت حرارتی مصرف می‌شود؛ این امر می‌تواند کاهش ظرفیت آن یا تغییر ساختارش شود. این مسئله طول عمر المنت حرارتی را محدود می‌کند. برای المنت‌های حرارتی فلزی، ایجاد آلیاژ با یک مادۀ اکسید کننده با تشکیل یک لایۀ غیرفعال به مقاومت در برابر اکسایش کمک می‌کند. برای المنت‌های حرارتی سرامیکی، معمولاً از ترکیب‌های ضد اکسایشی مانند SiO2 یا Al2O3 استفاده می‌شود. از برخی از انواع المنت‌های حرارتی که برای استفاده در محیط‌های اکسایشی مناسب نیستند (مانند گرافیت) در کوره‌های خلأ یا کوره‌های حاوی گازهای اکسید نکننده‌ای مانند H2، N2، Ar یا He استفاده می‌شود؛ در واقع، در این کوره‌ها هوا از مجرای گرمایش تخلیه می‌شود.

ضریب دمای مقاومت ویژه:

توجه کنید که مقاومت ویژۀ ماده با دما تغییر می‌کند. در اکثر هادی‌ها، با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش می‌یابد. این پدیده در برخی مواد تاثیر مهم‌تری نسبت به مواد دیگر دارد. از ضریب دمای بالاتر مقاومت در اکثر موارد برای کاربردهای حساس به گرما استفاده می‌شود. برای تولید گرما، بهتر است که مقدار این ضریب کمتر باشد. اما در برخی موارد که تغییر در مقاومت را به دقت می‌توان پیش‌بینی کرد، افزایش شدید در مقاومت برای تحویل توان بیشتر مطلوب است. برای اینکه سیستم برای تغییر مقاومت ویژه تنظیم شود، باید از سیستم‌های کنترل یا فیدبک استفاده شود.

ویژگی‌های مکانیکی:

شکل المنت‌های حرارتی سخت را در دمای بالا می‌توان تغییر داد. هنگامی که ماده به نقطۀ ذوب یا فاز کریستالی شدن نزدیک می‌شود، امکان تغییر شکل ماده در مقایسه با حالت آن در دمای اتاق ساده‌تر است. یک المنت حرارتی مناسب حتی در دمای بالا نیز می‌تواند شکلش را حفظ کند. تور‌ق‌پذیری یک ویژگی مکانیکی مطلوب است به ویژه برای المنت‌های حرارتی فلزی. تورق‌پذیری امکان تبدیل ماده به سیم‌ یا هر شکل مطلوب را بدون از دست رفتن استحکام آن می‌دهد.
نقطۀ ذوب: جدا از دما که موجب افزایش شدید اکسایش می‌شود، نقطۀ ذوب ماده نیز دمای کاری را محدود می‌کند. سرامیک‌ها معمولاً نقطۀ ذوب بالاتری از هیترهای فلزی دارند.