Кіріспе

Электр энергиясын жылуға айналдыратын құрылғы

Жылыту элементі – электр энергиясын жылуға айналдыруға арналған құрылғы, ол жылу резисторынан және қосымша бөлшектерден тұрады. Жылу, Джоуль қыздыру деп аталатын процесс арқылы, электр тогының резистор арқылы өтуі нәтижесінде пайда болады. Жылыту элементтері тұрмыстық техникада, өнеркәсіптік жабдықтарда және ғылыми аспаптарда қолданылады, олар тамақ пісіру, жылыту немесе қоршаған орта температурасынан жоғары температураны сақтау сияқты міндеттерді орындауға мүмкіндік береді. Жылыту элементтері жылуды өткізгіштік, конвекция немесе сәулелену арқылы беруге қолданылуы мүмкін. Олар электр энергиясынан Пельтье эффектісі арқылы жылуды жасайтын құрылғылардан өзгеше және электр тогының бағытына тәуелді емес.

Қылқалам

Қарсылық сымдары – өте ұзын және жіңішке, дөңгелек қимасы бар резисторлар. Кондукторлық сымдар сияқты, қарсылық сымның диаметрі көбінесе өлшегіш жүйе арқылы, мысалы American Wire Gauge (AWG) бойынша өлшенеді.

Таспа

Кедергі таспалы жылыту элементтері дөңгелек кедергі сымын жайлату арқылы жасалады, оларға дөңгелек бұрыштармен тікбұрышты көлденең қима беріледі. Әдетте, 600 °C-тан жоғары температурада жұмыс істейтін элементтер үшін керамикалық изоляторлар қолданылады. Бұлар, әдетте, электр изоляторымен қоршалған кедергі сымының жіңішке орамынан және металл түтік тәрізді қабықтан немесе корпустан тұрады. Изоляция әдетте магний оксидінен жасалған ұнтақтан тұрады, ал қабық көбінесе мыс немесе болат қорытпасынан жасалады. Ылғалды гигроскопиялық изоляторға енбеуі үшін ұштарында керамикалық немесе силикон резеңкесінен жасалған, немесе олардың қосындысынан тұратын моншақтар орнатылады. Түтік ұнтақты ығыстыру және жылу беруді барынша арттыру үшін калибрден өткізіледі. Бұлар тік таяқша (тостер пештеріндегідей) немесе жылытылатын аумақты жабатын пішінде иілген болуы мүмкін (мысалы, электр пештерінде, духовкаларда және кофе дайындау машиналарын да).

Экранмен басылған элементтер

1990-шы жылдардың ортасынан бері керамикалық оқшауланған металл пластиналарға (көбінесе болаттан) экранды басып салынған металл-керамикалық жолдар қайнатқыштар мен басқа да тұрмыстық техникада кеңінен қолданылып келеді.

Сәулелену элементтері

Радиациялық жылыту элементтері (жылу шамдары) – көрінетін жарықтан гөрі инфрақызыл сәуле шығару үшін максималды қуатынан төмен жұмыс істейтін жоғары қуатты шамдар. Олар көбінесе сәулелі кеңістік жылытқыштар мен тағамды жылытатын құрылдарда кездеседі, ұзын, түтікше тәрізді немесе R40 рефлекторлы шам түрінде болады. Рефлекторлы шамдардың түсі көбінесе шығарылатын көрінетін жарықты азайту үшін қызыл түске боялады; ал түтікше тәрізді шамдар әртүрлі форматта келеді:

Алтын жалатылған. Патенттелген Phillips Helen шамдары арқылы танымал болған. Ішкі бетіне алтын дихроидты қабықша жабылады, ол көрінетін жарықты азайтып, қысқа және орта толқынды инфрақызыл сәулелердің көп бөлігін өткізеді. Көбінесе адамдарды жылытуға қолданылады. Қазір көптеген өндірушілер осы шамдарды шығарып, олардың сапасын үнемі жақсартуда. Рубин жалатылған. Алтын жалатылған шамдармен бірдей функцияға ие, бірақ әлдеқайда арзан. Көрінетін жарық алтын түріне қарағанда әлдеқайда көп. Мөлдір. Жабын жоқ және көбінесе өндіріс процестерінде қолданылады.

Алып тасталатын керамикалық өзек элементтері

Алып тасталатын керамикалық өзекті элементтер, қажетті ұзындықты (қуатына байланысты) алу үшін бір немесе бірнеше цилиндрлі керамикалық сегменттерге оралған, орамды қарсылық қыздыру қорытпасы сымынан тұрады, орталық таяқшасы болуы немесе болмауы мүмкін. Бір жағынан жабық металл қабыққа немесе түтікшеге орнатылған бұл элементті, әдетте қысым астындағы сұйықтықты қыздыру сияқты процесті бұзбай, ауыстыруға немесе жөндеуге болады.

Эттелген фольга элементтері

Эттелген фольга элементтері көбінесе кедергілік сым элементтері үшін қолданылатын қорытпалардан жасалады, бірақ олар металл фольганың жалғасып жатқан қабатынан басталып, күрделі кедергілік схемасымен аяқталатын, азайту арқылы жүзеге асытылатын фотоэтировка процесімен өндіріледі. Мұндай элементтер медициналық диагностика және ғарыш өнеркәсібі сияқты жоғары дәлдікті талап ететін жылыту салаларында кеңінен қолданылады.

Полимерлі PTC жылыту элементтері

Резистивті жылытқыштар өткізгіш ПТК резеңке материалдарынан жасалуы мүмкін, онда температураның артуымен резистивтілік экспоненциалды түрде өседі. Мұндай жылытқыш салқын болғанда жоғары қуатты өндіреді және тез арада тұрақты температураға дейін қыздырады. Резистивтілік экспоненциалды түрде өсуіне байланысты, жылытқыш осы температурадан жоғарырақ қыздыра алмайды. Осы температурадан жоғары резеңке электр оқшаулағышы ретінде жұмыс істейді. Резеңке өндірісі кезінде температура таңдалады. Бұл нүктелік түрде өзін-өзі реттейтін және өзін-өзі шектейтін жылытқыш. Өзін-өзі реттеу дегеніміз, жылытқыштың әрбір нүктесі электрондық реттеу қажет болмай тұрақты температураны дербес сақтайды. Өзін-өзі шектеу дегеніміз, жылытқыш ешқашан белгілі бір температурадан аспайды және артық қыздырудан қорғау қажет болмайды.

Қатты қабатты жылытқыштар

Қалың пленкалы жылытқыштар – жұқа негізге басып шығарылатын кедергілік жылытқыштардың бір түрі. Қалың пленкалы жылытқыштар дәстүрлі металл қаптамалы кедергі элементтеріне қарағанда бірнеше артықшылықтарға ие. Жалпы алғанда, қалың пленкалы элементтер төмен профильді пішін факторымен, жақсартылған температураның біркелкі таралуымен, төмен жылу массасының арқасында жылдам жылулық жауаппен, жоғары энергия тығыздығымен және кернеудің кең диапазонымен үйлесімділікпен сипатталады. Әдетте, қалың пленкалы жылытқыштар жазық негіздерге, сондай-ақ әртүрлі жылытқыш схемаларымен құбырларға басылады. Бұл жылытқыштар жылу беру шарттарына байланысты 100 Вт/см² дейін қуат тығыздығына жете алады. Қалың пленкалы жылытқыш схемалары басылған резистор пастасының беттік кедергісіне сүйене отырып, жоғары дәрежеде бейімделеді. Бұл жылытқыштар металл немесе қорытпа қосылған қалың пленкалы пасталарды қолдана отырып, металл, керамика, шыны және полимер сияқты әртүрлі негіздерге басылуы мүмкін. Көптеген қолданбалар үшін жылулық өнімділік және температура таралуы – екі маңызды жобалау параметрі. Негізде біркелкі температура таралуын сақтау үшін, тізбектің конструкциясын резистор тізбегінің жергілікті қуат тығыздығын өзгерту арқылы оңтайландыруға болады. Жылытқыштың оңтайландырылған дизайны жылыту қуатын басқаруға және жылытқыш негізіндегі жергілікті температураны реттеуге көмектеседі. Егер салыстырмалы түрде кішкентай аумақта әртүрлі қуат тығыздықтарымен екі немесе одан көп жылыту аймақтары қажет болса, қалың пленкалы жылытқышты бір негізде аймақтық жылыту схемасын жасау үшін жобалауға болады. Қалың пленкалы жылытқыштарды элементтің кедергісіне температура өзгерісінің әсеріне байланысты екі негізгі подкатегорияға бөлуге болады: теріс температуралық коэффициенті (NTC) және оң температуралық коэффициенті (PTC) материалдары. NTC типті жылытқыштар жылытқыш температурасының өсуімен кедергінің төмендеуімен сипатталады, сондықтан белгілі бір кіріс кернеуінде жоғары температурада жоғары қуатқа ие болады. PTC жылытқыштары керісінше, температураның жоғарылауымен кедергінің артуымен және жылытқыш қуатының төмендеуімен жұмыс істейді. PTC жылытқыштарының осы қасиеті оларды өздігінен реттеуге мүмкіндік береді, өйткені олардың қуаты белгілі бір температурада тұрақтанады. Ал NTC типті жылытқыштарға жылуды басқару үшін термостат немесе термопара қажет. Бұл жылытқыштар жылытқыш температурасын алдын ала белгіленген мәнге дейін жылдам көтеруді қажет ететін қолданбаларда қолданылады, себебі олар әдетте PTC типті жылытқыштардан жылдам әрекет етеді.

Сұйық

Электродты қазандық су ағындары арқылы өтетін электр тогын пайдаланып бу жасайды. Жұмыс істейтін кернеу көбінесе 240-тан 600 вольтқа дейін, бір немесе үш фазалы айнымалы ток болады.

Лазерлік жылытқыштар

Лазерлік қыздырғыштар – өте жоғары температураға жету үшін қолданылатын жылыту элементтері.

Fe-Cr-Al қорытпалары (Кантгал®)

Fe Cr Al қарсылықпен қыздыру қорытпалары, сондай-ақ Kanthal® деп аталады, ASTM стандартында сипатталған. Дайындаушылар никельдің алюминийге қарағанда шикізат ретінде әдетте қымбат тұратынын ескере отырып, NiCr(Fe) қорытпаларының орнына осы қорытпалар класын пайдалануды қалауы мүмкін. Алайда, Fe Cr Al қорытпалары NiCr(Fe) қорытпаларына қарағанда көбірек сынығыш және икемділігі аз, сондықтан олар күрделірек және зақымдануға бейім. Екінші жағынан, Fe Cr Al қорытпаларының бетінде түзілетін алюминий оксиді қабаты NiCr(Fe) қорытпаларында түзілетін хром оксиді қабатынан термодинамикалық тұрақтылығымен ерекшеленеді, бұл Fe Cr Al қорытпаларын коррозияға қарсы тұру қабілетін арттырады.

Керамика және жартылай өткізгіштер

Молибден дисилициді (MoSi2) – металдар аралық қосылыс, молибденнің силициді, негізінен жылыту элементтерінде қолданылатын отқа төзімді керамикалық материал. Ол орташа тығыздыққа ие, балқу температурасы 2030 °C (3686 °F) және электр тогын өткізеді. Жоғары температурада кремний диоксидінен тұратын пассивтеу қабаты түзіледі, ол оны тотығудан қорғайды. Қолданылу саласы: шыны өндірісі, керамиканы күйдіру, жылумен өңдеу пештері және жартылай өткізгіштерді таратуға арналған пештер. Кремний карбиді ыстық беттік тұтандырғыштарда қолданылады, бұл тұтанғыш газдарды тұтандыруға арналған жылыту элементтері, олар газ пештерінде және киім кептіргіштерінде кеңінен таралған. Кремний нитриді – кремний нитриді § автомобиль өнеркәсібіне қараңыз. Газ пештеріндегі жаңа буынның ыстық беттік тұтандырғыштары мен дизель қозғалтқыштарының жарық тұтқылары кремний нитридінен жасалған. Мұндай жылыту элементтері немесе жарық тұтқылары 1400 °C температураға дейін жетеді және бензин немесе керосинды жылдам тұтандыра алады. Бұл материал дизельді және ұшқышты қозғалтқыштарда басқа да жану компоненттері мен тозуға ұшырайтын бөлшектерде де қолданылады. PTC керамикалық элементтері: PTC керамикалық материалдар оң термиялық кедергі коэффициентімен (яғни, қызған кезде кедергінің артуымен) сипатталады. Көптеген керамикалық материалдардың кері коэффициенті болса, бұл материалдар (әдетте барий титанаты және қорғасын титанаты қоспалары) жоғары бейсызық жылулық реакцияға ие, сондықтан олардың кедергісі құрамына байланысты белгілі бір температурадан жоғары тез артады. Бұл қасиет материалды өзін-өзі реттейтін жылытқыш ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді, себебі ол салқын болғанда ток өткізеді, ал қызғанда – өткізбейді. Бұл материалдың жұқа қабаттары жылы киімдерде, автомобильдердің артқы терезесін мұздан тазартатын жылытқыштарда қолданылады, ал бал арасы пішіндес элементтер жоғары сапалы шаш кептіргіштерінде, бөлме жылытқыштарында және қазіргі заманғы пеллет пештерінде қолданылады. Мұндай жылыту элементтері 950–1000 °C температураға жете алады және тез тепе-теңдікке келеді. Сәулелі жылу беруді қамтамасыз ету үшін кварц галогенді инфрақызыл жылытқыштар да қолданылады.

Өмірлік цикл

Жылу элементінің қызмет мерзімі нақты қолданыста қанша уақытқа дейін жұмыс істейтінін анықтайды. Әдетте, тұрмыстық техникадағы жылу элементтері өнім түріне және пайдалану тәсіліне байланысты 500-ден 5000 сағатқа дейін жұмыс істеуге есептеледі. Ал электрлік жылытуға арналған Fe Cr Al қорытпалары материалдардың циклдық тотығуға төзімділігін өлшеу үшін қолданылады.

Қаптама

Қарсылық сымы мен лентасы көбінесе дөңгелектерге (шпулдерге) оралған күйінде жіберіледі. Стандартта оқшаулаудың беріктігі, аралық қашықтығы және ағып кету тогы сияқты параметрлердің шектері белгіленген. Сондай-ақ ол жылыту элементінің қуатына қатысты төзімділік мөлшерін де анықтайды.