Isıtma elemanı

‘’’Isıtma elemanı’, Joule ısıtma‘sıyla elektrik enerjisini ısıya dönüştürür. Elemanın içinden geçen elektrik akımı dirençle karşılaşır ve elemanı ısıtır. Peltier etkisinin aksine bu işlem akış yönünden bağımsızdır.

Direnç teli: Metalik rezistanslı ısıtma elemanı düz, sarmal veya şerit teldendir. Bunlar tost makinesi, saç kurutma makinesi, elektrikli fırın, yerden ısıtma, kurutucular vb. cihazlarda kullanılır. En çok kullanılan malzemeler şunlardır:

• Nikrom: Çoğu rezistanslı ısıtıcı 80/20 (% 80 nikel,% 20 krom) tel, şerit veya bant malzemedir. Nikrom 80/20 ideal malzemedir çünkü nispeten elektriksel direnci yüksektir ve ilk kez ısıtıldığında yapışkan bir krom oksit tabakası oluşturur. Bu katmanın altındaki malzeme oksitlenmez, telin kırılmasını veya yanmasını önler.
• Kanthal (FeCrAl) teller
• Cupronickel düşük sıcaklıkta ısıtma yapmak için (CuNi) alaşımları
• Asitle oyulmuş folyo: Asitle oyulmuş folyo genellikle direnç teli elemanın yapıldığı aynı alaşımdan yapılır ancak sürekli metal folyo tabakasıyla başlayan ve karmaşık direnç şekliyle biten asitle oyma işlemi ile üretilir. Bu eleman genellikle tıbbi teşhis ve havacılık gibi hassas ısıtma uygulamalarında bulunur.

• Molibden disilisid (MoSi₂), molibden silisidi olan intermetalik bileşik, öncelikle ısıtma elemanlarında kullanılan refrakter bir seramiktir. Orta yoğunlukta, 2030 °C (3686 °F)' de erime noktasına sahiptir ve elektriği iletir. Yüksek sıcaklıklarda daha fazla oksidasyondan koruyan bir pasivasyon katmanı oluşturur. Uygulama alanı cam sanayi, seramik sinterleme, ısıl işlem fırınları ve yarı iletken difüzyon fırın'larıdır.
• Silikon karbür, bkz. silikon karbür § ısıtma elemanları.
• PTC seramik elemanları: PTC seramik malzemelere, pozitif termal direnç katsayılı (yani ısınırken elektriksel direnci artar) denir. Çoğu seramik, negatif katsayılı olsa da bu malzemelerin (genellikle baryum titanat ve kurşun titanat kompozitler) doğrusal olmayan ısıl tepkiye sahiptir böylece bileşime bağlı bir eşik sıcaklığının üzerinde dirençleri hızla artar. Bu davranış, malzemenin kendisinin termostat gibi çalışmadına neden olur çünkü akım soğukken geçer sıcakken geçmez. Bu malzemenin İnce filmi, oto arka cam defrost ısıtıcılarında, petek şekilli elemanları daha pahalı saç kurutma makineleri'nde ve hacim ısıtıcıları'nda kullanılır.
• Kuvars halojen ısıtıcılar da radyant ısıtma için kullanılır.^[1][2][3]

Kalın film ısıtıcılar, ince bir alt tabakaya basılan bir çeşit dirençli ısıtıcıdır. Kalın film ısıtıcıların, geleneksel metal kılıflı direnç elemanlarına göre çeşitli avantajları vardır.

Genellikle kalın film elemanların düşük profilli form faktörü, geliştirilmiş sıcaklık homojenliği, az ısıl kütlesi nedeniyle hızlı ısıl tepkisi, az enerji tüketimi, yüksek Watt yoğunluğu ve geniş voltaj uyumluluğu aralığı vardır.^[4] Tipik olarak kalın film ısıtıcılar düz yüzeylere ve farklı ısıtıcı desenlerindeki borulara basılır. Bu ısıtıcılar ısı transfer koşullarına bağlı olarak 100 W/cm² kadar yüksek watt yoğunluğuna ulaşabilir.^[5]

Kalın film ısıtıcı şekilleri, basılı direnç macunun tabaka direnci'ne göre özelleştirilir.

Bu ısıtıcılar, metal/ alaşım yüklü kalın film macunlarını kullanarak metal, seramik, cam, polimer dahil çeşitli alt tabakalara basılabilir.^[5] Kalın film ısıtıcıları basmak için kullanılan en yaygın alt tabakalar alüminyum 6061-T6, paslanmaz çelik ve muskovite veya phlogopite mika levhalardır. Bu ısıtıcıların uygulamaları ve çalışma karakteristikleri seçilen alt tabaka malzemelerine göre büyük farklılıklar gösterir. Bu öncelikle ısıtıcı alt-tabakanın termal özelliklerine dayandırılır.

Kalın film ısıtıcıların geleneksel uygulamaları şunlardır: Izgaralar, waffle ütüler, soba üstü elektrikli ısıtma, nemlendiriciler, çay ısıtıcıları, ısı yalıtım cihazları, su ısıtıcıları, buharlı ütüler, saç düzleştiriciler, kazanlar, 3D yazıcı ısıtmalı yatakları, termal baskı kafaları, tutkal tabancaları, laboratuvar ısıtma ekipmanları, elbise kurutucular, konvektörlü ısıtıcılar, buz çözme veya buğu çözme cihazları, sıcak tutan tepsiler, araba yan aynaları, buzdolabı buz çözme, ısı eşanjörleri vb.

Çoğu uygulama için ısıl performans ve sıcaklık dağılımı iki temel tasarım parametresidir. Sıcak noktalardan kaçınmak ve alt tabakada eşit sıcaklık dağılımını korumak için devre tasarımı, direnç devresinin yerel güç yoğunluğu değiştirilerek uygun yapılır. Uygunlaştırılmış ısıtıcı tasarımı ısıtıcı çıkışının kontrol edilmesine ve ısıtıcı alt tabakasında yerel sıcaklıkların değiştirilebilmesine yardım eder.

Nispeten küçük alanda farklı çıkış güçlü 2 veya daha fazla ısıtma bölgesine gerek duyulduğunda tek alt tabakada bölgesel ısıtma modeli elde etmek için kalın film ısıtıcı tasarlanır.

Kalın film ısıtıcıları, sıcaklık artışının elemanın direnci üzerindeki etkisine dayanarak iki alt kategoride tanımlanır: negatif sıcaklık katsayılı (NTC) veya pozitif sıcaklık katsayılı (PTC).

NTC ısıtıcıların ısıtıcı sıcaklığı arttıkça direnci azalır ve bu nedenle belirli giriş voltajı için daha yüksek sıcaklıklarda daha yüksek çıkış gücü vardır.

PTC ısıtıcılar yüksek sıcaklıklarda direnç artışı ve azalan ısıtıcı gücü ile zıt bir şekilde davranır. PTC ısıtıcıların bu özelliği, çıkış güçleri sabit bir sıcaklıkta doyurulduğundan kendi kendilerini de ayarlar. Diğer taraftan, NTC tipi ısıtıcılarda ısıtıcı kaçaklarını kontrol etmek için genellikle bir termostat veya bir termokupl gerektirir. Bu ısıtıcılar, PTC tipi ısıtıcılardan daha hızlı ısıttıklarından ısıtıcı sıcaklığının önceden belirli ayar noktasına hızlı şekilde yükseltilme gereken uygulamalarda kullanılır.

Dirençli ısıtıcılar, direncin artan sıcaklıkla üstel olarak arttığı iletken PTC kauçuk malzemelerden yapılır.^[6] Böyle bir ısıtıcı soğukken yüksek güç üretir ve hızla sabit bir sıcaklığa kadar ısınır. Üstel olarak artan direnç nedeniyle ısıtıcı kendisini asla bu sıcaklıktan daha sıcak olarak ısıtamaz. Bu sıcaklığın üstünde kauçuk elektrik yalıtkanı görevi görür. Sıcaklık, kauçuğun üretimi sırasında seçilir. Tipik sıcaklıklar 0 ve 80 °C (32 ve 176 °F) arasındadır.

Bu ısıtıcı noktasal kendinden ayarlı ısıtıcı ve kendi kendini sınırlayan ısıtıcıdır. Bu ise kendinden ayarlı ısıtıcının elektronik ayarlayıcıya gerek kalmadan bağımsız olarak her noktasında sabit sıcaklığını koruduğu anlamına gelir. Kendi kendini sınırlayan ısıtıcının hiçbir noktası belirli bir sıcaklığı asla geçmez ve aşırı ısınmaya karşı koruma gerektirmez.

• Boru şeklindeki (kılıflı) elemanlar normalde metalik boruya (Incoloy gibi bakır veya paslanmaz çelik alaşımlarından) yerleştirilen ve magnezyum oksit tozuyla yalıtılmış ince krom nikel (NiCr) dirençli ısıtıcı alaşımlı tel bobininden oluşur. Nemi higroskopik izolatörden uzak tutmak için uçlar seramik veya silikon kauçuk gibi yalıtım malzemelerinin boncukları veya her ikisinin bir bileşimiyle donatılır.

Tozun sıkıştırılması ve ısı iletiminin en üst düzeye çıkarılması için boru bir kalıp içinden çekilir. Bunlar (tost makinesindeki gibi) düz çubuk veya (elektrikli sobalar, fırınlar ve kahve makineleri)ndeki gibi ısıtılacak alanı kapsayacak şekilde bükülmüş olabilirler.

• Serigrafi seramik yalıtımlı metal (genellikle çelik) plakalar üzerinde biriktirilen metal-seramik parçalar, 1990'ların ortalarından beri su ısıtıcılarında ve diğer ev aletlerinde yaygın kullanılır.
• Işınlı ısıtma elemanları (ısı lambaları): yüksek güçlü akkor lambası görünür ışık yerine kızılötesi ışın vermek için maksimum güçtekinden daha az güç tüketir. Bunlar genellikle radyant alan ısıtıcıları ve yemek ısıtıcılarında bulunur ve ya uzun, borulu ya da R40 yansıtıcı lamba şeklindedir. Yansıtıcı lamba stili, üretilen görünür ışığı azaltmak için genellikle kırmızı renktedir; borulu şekli farklı biçimlerdedir:
  • Altın kaplamalı - Patentli Phillips Helen lambası ile ünlüdür. İç kısımda, görünür ışığı azaltan ve kısa ve orta dalga kızılötesinin çoğuna izin veren altın dichroic film biriktirilir. Temelde insanların ısınmasında kullanılır. Bazı üreticiler şimdi bu lambaları üretiyor ve sürekli olarak gelişiyorlar.
  • Yakut kaplamalı - Altın kaplamalı lambalarla aynı işlevlidir ancak maliyet daha azdır. Görünür parlama altın çeşitten çok daha fazladır.
  • Şeffaf - Kaplama yok ve esas olarak üretim süreçlerinde kullanılır.
• Çıkarılabilir seramik çekirdek elemanları bir veya daha çok silindirik seramik segmentten geçirilmiş, merkezi veya merkezi olmayan çubuklu gerekli uzunluğu (çıkışla ilgili) sağlamak için sarmal dirençli alaşımlı, ısıtıcı tel kullanır. Bir ucunda sızdırmaz metal kılıf veya boruya yerleştirilen bu tip eleman genellikle basınç altında sıvı ısıtması ile ilgili işleme girmeden değiştirmeye veya onarıma izin verir.

• Yüksek sıcaklık fırınları için ısıtma elemanları genellikle platin, tungsten disilisid / molibden disilisid, molibden (vakum fırınları) ve silikon karbür gibi egzotik malzemelerden yapılır. Silikon karbür ateşleyiciler gaz fırınlarında yaygındır. Lazer ısıtıcılar da yüksek sıcaklıklara çıkmak için kullanılır.^[7]

• Termoelektrik etki

1. ^ "Quartz Tungsten & Quartz Halogen Infrared Tube Heaters". 4 Nisan 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 16 Haziran 2020. 
2. ^ "Halogen Heaters – Advantages & Disadvantages | Tansun". www.tansun.com. 16 Aralık 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 16 Haziran 2020. 
3. ^ "Quartz Tungsten and Quartz Halogen Heaters". 4 Nisan 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 16 Haziran 2020. 
4. ^ "Our Thick Film Technology | Datec". Datec Coating Corporation (İngilizce). 30 Haziran 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Ağustos 2019. 
5. ^ ^{a b} Printed films : materials science and applications in sensors, electronics and photonics. Prudenziati, M. (Maria), Hormadaly, Jacob. Cambridge, UK: Woodhead Publishing. 2012. ISBN 978-0857096210. OCLC 823040859. 
6. ^ US patent 6,734,250 
7. ^ Rashidian Vaziri, M R. "New raster-scanned CO2 laser heater for pulsed laser deposition applications: design and modeling for homogenous substrate heating". Optical Engineering. 51 (4). s. 044301. doi:10.1117/1.OE.51.4.044301. 10 Ekim 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 17 Haziran 2020.