แผ่นทำความร้อนใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ทำความร้อนต่างๆ ซึ่งแกนกลางอาศัยองค์ประกอบความร้อน แล้วองค์ประกอบความร้อนคืออะไร? คุณสมบัติขององค์ประกอบความร้อนคืออะไร? บทความนี้จะพาคุณไปทำความเข้าใจ
1. องค์ประกอบความร้อนคืออะไร?
องค์ประกอบความร้อนเป็นวัสดุหรืออุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าโดยตรงเป็นความร้อนหรือพลังงานความร้อนผ่านหลักการที่เรียกว่าการให้ความร้อนแบบจูล ความร้อนของจูลเป็นปรากฏการณ์ที่ตัวนำสร้างความร้อนเนื่องจากการไหลของกระแสไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุ อิเล็กตรอนหรือตัวพาประจุอื่นๆ จะชนกับไอออนหรืออะตอมของตัวนำ ทำให้เกิดแรงเสียดทานในระดับอะตอม แรงเสียดทานนี้จะแสดงออกเป็นความร้อน กฎข้อที่หนึ่งของจูล (กฎของจูล-เลนซ์) ใช้เพื่ออธิบายความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในตัวนำ สิ่งนี้แสดงเป็น
P=IV หรือ P=I²R
ตามสมการเหล่านี้ ความร้อนที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับกระแส แรงดัน หรือความต้านทานของวัสดุตัวนำ ในการออกแบบองค์ประกอบความร้อนทั้งหมด ความต้านทานเป็นปัจจัยสำคัญ
หลักการทำความร้อนของเดิม
การให้ความร้อนแบบจูลปรากฏชัดในวัสดุนำไฟฟ้าทุกชนิดที่มีความเข้มต่างกัน ยกเว้นวัสดุพิเศษที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด โดยทั่วไปแล้ว สำหรับวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ ความร้อนจะถูกสร้างขึ้นน้อยลงเนื่องจากพาหะของประจุไหลผ่านได้ง่าย สำหรับวัสดุที่มีความต้านทานสูงจะเกิดความร้อนมากขึ้น ในทางกลับกัน ตัวนำยิ่งยวดช่วยให้กระแสไหลโดยไม่สร้างความร้อน โดยทั่วไป ความร้อนจากตัวนำจัดอยู่ในประเภทการสูญเสียพลังงาน พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ขับเคลื่อนอุปกรณ์ไฟฟ้าทำให้เกิดความร้อนโดยไม่จำเป็นในรูปแบบของการสูญเสียการส่งผ่าน และท้ายที่สุดจะไม่ก่อให้เกิดการทำงานที่เป็นประโยชน์ใดๆ
ในแง่หนึ่ง ประสิทธิภาพขององค์ประกอบความร้อนไฟฟ้าเกือบ 100 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากพลังงานทั้งหมดที่จ่ายไปจะถูกแปลงเป็นรูปแบบที่ต้องการ องค์ประกอบความร้อนไม่เพียง แต่นำความร้อนเท่านั้น แต่ยังถ่ายโอนพลังงานผ่านแสงและการแผ่รังสีอีกด้วย อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ใช้ได้กับตัวต้านทานในอุดมคติบางตัวเท่านั้น ความจุและความเหนี่ยวนำโดยธรรมชาติของวัสดุจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตามลำดับ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียเล็กน้อย เมื่อพิจารณาถึงระบบทำความร้อนทั้งหมด การสูญเสียจะมาจากความร้อนที่กระจายออกจากของไหลในกระบวนการหรือตัวทำความร้อนเองสู่สภาพแวดล้อมภายนอก ดังนั้นจึงต้องแยกระบบเพื่อใช้ประโยชน์จากความร้อนที่เกิดขึ้นทั้งหมด
ประการที่สองคุณสมบัติขององค์ประกอบความร้อน
เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่าน ตัวนำเกือบทั้งหมดสามารถสร้างความร้อนได้ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ตัวนำทั้งหมดที่เหมาะกับองค์ประกอบความร้อน จำเป็นต้องมีส่วนผสมที่เหมาะสมของคุณสมบัติทางไฟฟ้า ทางกล และทางเคมี ต่อไปนี้เป็นคุณลักษณะบางอย่างที่สำคัญสำหรับการออกแบบองค์ประกอบความร้อน
ความต้านทานไฟฟ้า: เพื่อสร้างความร้อน ส่วนประกอบความร้อนต้องมีความต้านทานเพียงพอ อย่างไรก็ตามความต้านทานไม่สูงพอที่จะเป็นฉนวนได้ ความต้านทานเท่ากับความต้านทานคูณด้วยความยาวของตัวนำหารด้วยหน้าตัดของตัวนำ สำหรับหน้าตัดที่กำหนด เพื่อให้ได้ตัวนำที่สั้นลง จะใช้วัสดุที่มีความต้านทานสูง
ต้านทานการเกิดออกซิเดชัน: ความร้อนมักจะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของโลหะและเซรามิก ออกซิเดชันจะกินองค์ประกอบความร้อน ทำให้ความจุลดลงหรือทำให้โครงสร้างเสียหาย ซึ่งจะจำกัดอายุการใช้งานขององค์ประกอบความร้อน สำหรับองค์ประกอบความร้อนของโลหะ โลหะผสมจะเกิดขึ้นจากออกไซด์ซึ่งช่วยต่อต้านการเกิดออกซิเดชันโดยการสร้างชั้นทู่ สำหรับองค์ประกอบความร้อนแบบเซรามิก ระดับการป้องกันการเกิดออกซิเดชันของ SiO2 หรือ Al2O3 เป็นเรื่องปกติมากที่สุด ประเภทขององค์ประกอบความร้อนที่ไม่เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมออกซิไดซ์ เช่น กราไฟต์ ส่วนใหญ่ใช้ในเตาสุญญากาศ หรือเตาเผาที่มีก๊าซบรรยากาศที่ไม่ออกซิไดซ์ เช่น H2, N2, Ar หรือ He ที่ไม่มีอากาศ ในห้องทำความร้อน
ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิ: โปรดทราบว่าความต้านทานของวัสดุเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ในตัวนำส่วนใหญ่ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้ส่งผลต่อวัสดุบางอย่างที่เด่นชัดกว่าวัสดุอื่น ค่าสัมประสิทธิ์การต้านทานอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่จะใช้ในงานระบายความร้อน สำหรับไข้ มักจะนิยมใช้ค่าที่ต่ำกว่า แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานจะสามารถทำนายได้อย่างแม่นยำในบางกรณี ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มีกำลังมากขึ้น ในการปรับระบบให้เข้ากับความต้านทานที่เปลี่ยนแปลง ระบบควบคุมหรือระบบป้อนกลับจะถูกใช้
คุณสมบัติทางกล: องค์ประกอบความร้อนที่แข็งจะเปลี่ยนรูปเมื่อใช้ที่อุณหภูมิสูง เมื่อวัสดุเข้าใกล้ขั้นตอนการหลอมเหลวหรือการตกผลึกอีกครั้ง วัสดุจะอ่อนตัวและเสียรูปมากขึ้นเมื่อเทียบกับสถานะที่อุณหภูมิห้อง องค์ประกอบความร้อนที่ดีจะคงรูปแม้ในอุณหภูมิสูง ในทางกลับกัน ความเหนียวยังเป็นคุณสมบัติทางกลในอุดมคติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับองค์ประกอบความร้อนที่เป็นโลหะ ความเหนียวทำให้สามารถดึงวัสดุเป็นเกลียวและขึ้นรูปได้โดยไม่กระทบต่อแรงดึง
จุดหลอมเหลว: นอกจากอุณหภูมิออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นอย่างมากแล้ว จุดหลอมเหลวของวัสดุยังจำกัดอุณหภูมิในการทำงานอีกด้วย เซรามิกส์โดยทั่วไปมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าฮีตเตอร์โลหะ