المنت گرمایشی چیست؟
المنت گرمایشی، عنصر یا مادهای است که قابلیت تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی را دارد. این امر بوسیله فرایندی به نام گرمایش ژول[Joule heating] انجام میشود. در این فرایند، با جریانیافتن جریان الکتریکی در المنت، الکترونها با اتمهای المنت برخورد میکنند و مقاومت ایجاد میشود. این مقاومت منجر به گرمایش میشود. بنابراین، بزرگی انرژی گرمایشی تولیدشده در یک المنت گرمایشی به بزرگی جریان الکتریکی و مقاومت المنت گرمایشی بستگی دارد. شایان ذکر است که مقاومت المنت گرمایشی عامل مهتری نسبت به جریان الکتریکی است.
المنتهای گرمایشی را میتوان از مواد مختلفی ساخت از جمله فلزات نظیر نیکروم و کانتا یا سرامیکها نظیر کاربید سیلیسیم و نیترید بور پیرولیتیک. در این مقاله تمرکز بر المنتهای گرمایشی سرامیکی است.
الزامات یک المنت گرمایشی سرامیکی خوب
نمیتوان از هر مادهای بعنوان المنت گرمایشی استفاده کرد. برخی از الزامات مورد استفاده برای تعیین اینکه آیا یک ماده یک المنت گرمایشی خوب میسازد یا خیر کدامند؟ برای دانستن خواصی که المنتهای گرمایشی سرامیکی خوبی میسازند ادامه مطلب را بخوانید.
مقاومت به اکسیداسیون
گرما میتواند موجب اکسیداسیون در مواد شود. اکسیداسیون میتواند یک ماده در حال گرمایش را تخریب و از کارایی آن بکاهد. این به آن معناست که اکسیداسیون بر طول عمر المنتهای گرمایشی تاثیر میگذارد. بنابراین، یک المنت گرمایشی باید به اکسیداسیون مقاوم باشد. برای حفاظت از المنتهای گرمایشی سرامیکی در برابر شرایط سخت اکسیداسیون، میتوان آنها را با اکسید سیلیسیوم یا اکسید آلومینیوم پوششدهی کرد.
ضریب مقاومت دمایی
معمولا با افزایش دما، مقاومت در ماده افزایش مییابد. موادی که افزایش سریعی در مقاومت با افزایش دما نشان میدهند، ضریب مقاومت دمایی بالایی دارند. المنتهای گرمایشی باید ضریب مقاومت دمایی کمی دارند. اما در مواردی که مقدار تغییر مقاومت را بتوان پیشبینی کرد ضریب مقاومت دمایی بالا، آرمانی است. این به آن علت است که افزایش سریع مقاومت موجب انتقال توان بیشتری به ماده در حال گرمایش میشود.
داکتیلیته
المنتهای گرمایشی باید داکتیل باشند بطوریکه بتوان به راحتی آنها را به شکل سیم کشید و بدون تغییر در کارایی آنها، به شکلهای مختلف درآورد.
مقاومت به تغییرشکل
انتظار میرود که یک المنت گرمایشی سرامیکی خوب بتواند در دماهای بسیار بالا در برابر تغییرشکل مقاومت کند.
نقطه ذوب
المنتهای گرمایشی سرامیکی با نقطه ذوب بالا نسبت به المنتهای با نقطه ذوب کم، کارایی بیشتری دارند. این به آن علت است که این المنتها میتوانند بدون تغییر حالت خود، مقدار زیادی گرما تولید کنند. یکی از مزایای المنتهای گرمایش سرامیکی نسبت به المنتهای گرمایشی فلزی آن است که المنتهای سرامیکی نقطه ذوب بالایی دارند.
مواد سرامیکی بکار رفته بعنوان المنت های گرمایشی
برخی مواد سرامیکی برای ساخت المنت های گرمایشی بسیار مناسب هستند. المنتهای گرمایشی ساختهشده از این مواد المنت های گرمایشی سرامیکی نامیده میشوند. در اینجا برخی مواد پرکاربرد در ساخت المنتهای گرمایشی سرامیکی نام برده شده اند.
ماده سرامیکی | دما |
|---|---|
کاربید سیلیسیوم (SiC) | K 1973 |
نیترید بور پیرولیتیک (PBN) | K 1873 |
دی سیلیساید مولیبدن (MoSi2) | K 2173 |
مواد با ضریب گرمایی مثبت (PTC) | K 1273 |
نیترید آلومینیوم (AlN) | K 873 |
کاربید سیلسیوم (SiC)
کاربید سیلیسیوم دیگر ماده بکار رفته در ساخت المنتهای گرمایشی سرامیکی است. این ماده برای کاربرد بعنوان المنت گرمایشی مناسب است زیرا در دماهای بالا تغییرشکل نمیدهد و ضریب انبساط گرمایی کمی دارد. همچنین، از نظر شیمیایی خنثی بوده و مستعد خوردگی یا اکسیداسیون نیست. المنتهای گرمایشی از جنس کاربید سیلیسیوم میتوانند دماهای گرمایشی تا K 1973 تولید کنند.
نیترید بور پیرولیتیک (PBN)
هم PBN و هم PG بسیار خالص هستند (99/99 درصد یا حتی بالاتر) و در یک خلاء یا اتمسفر خنثی بسیار پایدارند. المنتهای گرمایشی از جنس PBN-PG میتوانند ماندگاری زیادی داشته باشند و محفظه را تمیز نگه دارند. المنتهای گرمایشی از این جنس را میتوان تا دمای بسیار بالای K 1873 در مدت زمانی کوتاه بدون ساطعشدن هرگونه گاز گرم کرد. این المنتهای گرمایشی محصولاتی آرمانی برای صنعت نیمههادیها و کاربردهایی هستند که به دمای بالا، خلاء زیاد و خلوص بالا نیاز دارند.
دیسیلیساید مولیبدن (MoSi2)
دیسیلیساید مولیبدن یک ماده متداول برای ساخت المنتهای گرمایشی است. این کامپوزیت سرامیکی-فلزی نقطه ذوب و مقاومت به اکسیداسیون بالایی دارد. این خواص موجب میشود این ماده برای کاربرد بعنوان المنتهای گرمایشی در کورههای دمابالا آرمانی باشد.
المنتهای گرمایشی از جنس دیسیلیساید مولیبدن میتوانند دماهایی تا حدود K 2173 ایجاد کنند. با احتیاط کارکردن با این المنتهای گرمایشی سرامیکی بسیار مهم است زیرا در دمای اتاق، ترد هستند.
مواد با ضریب گرمایی مثبت (PTC)
در هنگام گرمایش، مقاومت در مواد PTC به میزان زیادی افزایش مییابد. همانطور که از نام برمیآید، این مواد ضریب مقاومت گرمایی مثبتی دارند که موجب میشود که مواد PTC قابلیت عملکردن به شکل ترموستات خود را داشته باشند یعنی درجهای که تا آن گرم میشوند را تنظیم میکنند. در هنگام داغبودن، جریان در این مواد شار نمییابد. معمولا میتوانند دماهای گرمایشی تا K 1273 تولید کنند.
نیترید آلومینیوم (AlN)
نیترید آلومینیوم معمولا در ساخت المنتهای گرمایشی سرامیکی پیشرفته بکار میرود. المنتهای گرمایشی سرامیکی ساختهشده از این ماده معمولا رسانایی گرمایی و مقاومت به خوردگی بالایی دارند. به علاوه، این المنتها تا K 873 سریعتر گرم میشوند و توزیع گرمایی یکسانی وجود دارد.
نتیجه گیری
مواد سرامیکی برای ساخت المنتهای گرمایشی در حال محبوبتر شدن هستند. سرامیکهای بکار رفته معمولا نقطه ذوب و مقاومت به تغییرشکل بالایی دارند. این خواص موجب مناسببودن آنها در تولید محصولات اساسی نظیر خشککنهای هوای داغ، آبگرمکنها، حمامهای صنعتی و غیره میشود.