عنصر التسخين

تتميز المواد المستخدمة في عناصر التسخين بمقاومة كهربائية عالية نسبيًا ، وهي مقياس لقدرة المادة على مقاومة التيار الكهربائي. وتُحدد المقاومة الكهربائية التي تمتلكها كمية معينة من مادة العنصر بموجب قانون بوييه على النحو التالي:$${\displaystyle R=\rho {\frac {\ell }{A}}}$$أين

• ${\displaystyle R}$المقاومة الكهربائية لعينة متجانسة من المادة
• ${\displaystyle \rho }$هي مقاومة المادة
• ${\displaystyle \ell }$هو طول العينة
• ${\displaystyle A}$هي مساحة المقطع العرضي للعينة

تُحدد مقاومة مادة عنصر التسخين لكل وحدة طول من السلك (Ω/m) في معايير ASTM وDIN. [ 2 ^{] : [ 3 ] [ 4 ] في معيار} ASTM، يُشترط أن تكون مقاومة الأسلاك التي يزيد قطرها عن 0.127 مم ضمن هامش خطأ ±5% Ω/m ^،  بينما تكون مقاومة الأسلاك الأقل سمكًا ضمن هامش خطأ ±8% Ω/m.

غالبًا ما يُقاس أداء عنصر التسخين بتحديد كثافة الطاقة الخاصة به. تُعرَّف كثافة الطاقة بأنها القدرة الخارجة (P) من عنصر التسخين مقسومة على مساحة السطح المُسخَّن (A) للعنصر. ^{[ 5 ]} رياضيًا، تُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle \Phi =P/A}$

كثافة الطاقة هي مقياس لتدفق الحرارة (يرمز لها بـ Φ) وغالبًا ما يتم التعبير عنها بالواط لكل مليمتر مربع أو الواط لكل بوصة مربعة .

تميل عناصر التسخين ذات الكثافة المنخفضة للطاقة إلى أن تكون أغلى ثمناً، ولكنها تتمتع بعمر أطول من عناصر التسخين ذات الكثافة العالية للطاقة. ^{[ 6 ]}

في الولايات المتحدة، يُشار إلى كثافة الطاقة غالبًا باسم "كثافة الواط". ويُشار إليها أحيانًا باسم "حمل سطح السلك".

تُستخدم عوازل عنصر التسخين لعزل سخان المقاومة كهربائيًا وحراريًا عن البيئة والأجسام الغريبة. ^{[ 9 ]}  وعمومًا ، تُستخدم عوازل خزفية للعناصر التي تعمل عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية. ^{[ 8 ] : 137} يُعد أكسيد الألومنيوم وثاني أكسيد السيليكون وأكسيد المغنيسيوم من المركبات الشائعة الاستخدام في عوازل عناصر التسخين الخزفية. أما عند درجات الحرارة المنخفضة، فيُستخدم نطاق أوسع من المواد.

تُستخدم الأسلاك الكهربائية لتوصيل عنصر التسخين بمصدر الطاقة. وهي تُصنع عادةً من مواد موصلة مثل النحاس ، التي لا تتمتع بمقاومة عالية للأكسدة مثل مادة المقاومة الفعالة. ^{[ 8 ] : 131-132}

تُستخدم أطراف عنصر التسخين لعزل مادة المقاومة الفعالة عن الأسلاك. صُممت هذه الأطراف لتكون مقاومتها أقل من مقاومة المادة الفعالة، وذلك من خلال انخفاض مقاومتها النوعية و/أو زيادة قطرها. وقد تتميز أيضًا بمقاومة أكسدة أقل من مقاومة المادة الفعالة. ^{[ 8 ] : 131-132}

تتكون العناصر الأنبوبية أو المغلفة (المعروفة أيضًا باسمها التجاري، كالرودز ^{[ 10 ]} ) عادةً من سلك مقاومة ملفوف بدقة، محاط بعازل كهربائي وغلاف معدني أنبوبي الشكل. يكون العازل عادةً مسحوق أكسيد المغنيسيوم ، بينما يُصنع الغلاف عادةً من سبيكة نحاسية أو فولاذية. ولمنع الرطوبة من التغلغل في العازل الماص للرطوبة ، تُزود الأطراف بخرزات من مادة عازلة مثل السيراميك أو مطاط السيليكون، أو مزيج منهما. يُسحب الأنبوب عبر قالب لضغط المسحوق وزيادة نقل الحرارة إلى أقصى حد. يمكن أن يكون هذا الأنبوب قضيبًا مستقيمًا (كما في أفران التحميص ) أو مثنيًا ليغطي مساحةً مُراد تسخينها (كما في المواقد الكهربائية والأفران وآلات صنع القهوة ) .

لقد وجدت المسارات المعدنية الخزفية المطبوعة بالشاشة والمترسبة على صفائح معدنية معزولة بالخزف (عادةً ما تكون من الفولاذ) استخدامًا واسع النطاق كعناصر في الغلايات والأجهزة المنزلية الأخرى منذ منتصف التسعينيات.

عناصر التسخين الإشعاعي (مصابيح التسخين) هي مصابيح متوهجة عالية الطاقة تعمل بقدرة أقل من طاقتها القصوى لإشعاع الأشعة تحت الحمراء في الغالب بدلاً من الضوء المرئي. توجد هذه العناصر عادةً في سخانات الفضاء الإشعاعية وأجهزة تسخين الطعام، وتأتي إما بشكل أنبوبي طويل أو على شكل مصباح عاكس R40 . غالبًا ما يكون المصباح العاكس ملونًا باللون الأحمر لتقليل الضوء المرئي الناتج؛ أما الشكل الأنبوبي فيأتي بأشكال مختلفة.

• مصابيح حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء مطلية بالذهب من نوع HeLeN، وهي مصابيح كوارتز ، كما تم تسجيل براءة اختراعها وتصنيعها في الأصل من قبل شركة فيليبس. يتم ترسيب طبقة ثنائية اللون من الذهب على السطح الداخلي، مما يقلل من الضوء المرئي ويسمح بمرور معظم الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة والمتوسطة. صُممت هذه المصابيح الأنبوبية المصنوعة من الكوارتز لأغراض أخرى غير الإضاءة. ^{[ 11 ]} 
• مطلية بالياقوت - تؤدي نفس وظيفة المصابيح المطلية بالذهب، ولكن بتكلفة أقل بكثير. ويكون الوهج المرئي أعلى بكثير من النوع المطلي بالذهب. 
• شفاف – بدون طلاء ويستخدم بشكل أساسي في عمليات الإنتاج. 

تستخدم عناصر التسخين الخزفية القابلة للإزالة سلكًا ملفوفًا من سبيكة مقاومة حرارية يمر عبر قطعة أو أكثر من القطع الخزفية الأسطوانية لتشكيل الطول المطلوب (المرتبط بالناتج)، مع أو بدون قضيب مركزي. يتم إدخال هذا النوع من العناصر في غلاف أو أنبوب معدني مغلق من أحد طرفيه، مما يسمح باستبداله أو إصلاحه دون التأثير على العملية المعنية، والتي عادةً ما تكون تسخين سائل تحت ضغط.

تُصنع عناصر الرقائق المحفورة عادةً من نفس سبائك عناصر أسلاك المقاومة، ولكنها تُنتج باستخدام عملية حفر ضوئي طرحية تبدأ بطبقة متصلة من رقائق معدنية وتنتهي بنمط مقاومة معقد. وتُستخدم هذه العناصر بكثرة في تطبيقات التسخين الدقيق مثل التشخيص الطبي وصناعة الطيران.

يمكن تصنيع السخانات المقاومة من مواد مطاطية موصلة ذات معامل درجة حرارة موجب (PTC)، حيث تزداد المقاومة الكهربائية بشكل أُسّي مع ارتفاع درجة الحرارة. ^{[ 12 ]} يُنتج هذا النوع من السخانات طاقة عالية عندما يكون باردًا، ويسخن نفسه بسرعة إلى درجة حرارة ثابتة. ونظرًا لزيادة المقاومة الكهربائية بشكل أُسّي، لا يمكن للسخان أن يسخن إلى درجة حرارة أعلى من هذه. فوق هذه الدرجة، يعمل المطاط كعازل كهربائي. يمكن اختيار درجة الحرارة أثناء تصنيع المطاط، وتتراوح درجات الحرارة النموذجية بين 0 و80 درجة مئوية (32 و176 درجة فهرنهايت) .  

هو سخان ذاتي التنظيم والتحكم في درجة الحرارة ، حيث يحافظ كل جزء منه على درجة حرارة ثابتة دون الحاجة إلى دوائر إلكترونية للتحكم. أما التحكم في درجة الحرارة، فيعني أن السخان لا يمكن أن تتجاوز درجة حرارة معينة في أي جزء منه، وبالتالي لا يحتاج إلى حماية من الحرارة الزائدة.

سخانات الأغشية السميكة هي نوع من السخانات المقاومة التي يمكن طباعتها على ركيزة رقيقة. تتميز هذه السخانات بمزايا عديدة مقارنةً بعناصر المقاومة التقليدية المغلفة بالمعدن. وبشكل عام، تتميز عناصر الأغشية السميكة بصغر حجمها، وتجانس درجة حرارتها، واستجابتها الحرارية السريعة نظرًا لانخفاض كتلتها الحرارية، وكثافة طاقتها العالية، وتوافقها مع نطاق واسع من الفولتية. عادةً ما تُطبع سخانات الأغشية السميكة على ركائز مسطحة، وكذلك على أنابيب بأنماط تسخين مختلفة. يمكن لهذه السخانات أن تصل إلى كثافة طاقة تصل إلى 100  واط/سم² ^{اعتمادًا} على ظروف نقل الحرارة. ^{[ 13 ]} تتميز أنماط سخانات الأغشية السميكة بإمكانية تخصيصها بدرجة عالية بناءً على مقاومة الطبقة لمعجون المقاومة المطبوع.

يمكن طباعة هذه السخانات على مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك المعادن والسيراميك والزجاج والبوليمرات، باستخدام معاجين الأغشية السميكة المحملة بالمعادن أو السبائك. [ ^{13 ] أكثر} المواد شيوعًا المستخدمة في طباعة سخانات الأغشية السميكة هي الألومنيوم 6061-T6 والفولاذ المقاوم للصدأ وصفائح الميكا من نوعي المسكوفيت والفلوغوبيت . تختلف تطبيقات هذه السخانات وخصائص تشغيلها اختلافًا كبيرًا بناءً على المواد المختارة للركيزة، ويعزى ذلك في المقام الأول إلى الخصائص الحرارية لهذه المواد.

توجد العديد من التطبيقات التقليدية لسخانات الأغشية السميكة. يمكن استخدامها في الشوايات، وأجهزة صنع الوافل، وأجهزة التسخين الكهربائية على الموقد، وأجهزة الترطيب، وغلايات الشاي، وأجهزة اللحام الحراري، وسخانات المياه، ومكاوي الملابس وأجهزة البخار، وأجهزة فرد الشعر، والغلايات، والأسرة الساخنة للطابعات ثلاثية الأبعاد ، ورؤوس الطباعة الحرارية، ومسدسات الغراء، ومعدات التسخين المختبرية، ومجففات الملابس، وسخانات القاعدة، وصواني التسخين، والمبادلات الحرارية، وأجهزة إزالة الجليد والضباب عن زجاج السيارات الأمامي والمرايا الجانبية، وإزالة الجليد عن الثلاجات، وما إلى ذلك. ^{[ 14 ]}

في معظم التطبيقات، يُعدّ الأداء الحراري وتوزيع درجة الحرارة من أهمّ معايير التصميم. وللحفاظ على توزيع متجانس لدرجة الحرارة على سطح الركيزة، يُمكن تحسين تصميم الدائرة بتغيير كثافة الطاقة الموضعية لدائرة المقاومة. ويُساعد تصميم السخان المُحسّن على التحكم في قدرة التسخين وتعديل درجات الحرارة الموضعية على سطح الركيزة. في حال وجود حاجة إلى منطقتين تسخين أو أكثر بكثافات طاقة مختلفة على مساحة صغيرة نسبيًا، يُمكن تصميم سخان ذي طبقة سميكة لتحقيق نمط تسخين مُقسّم على ركيزة واحدة.

يمكن تصنيف سخانات الأغشية السميكة بشكل عام إلى فئتين فرعيتين : مواد ذات معامل حراري سالب (NTC) ومواد ذات معامل حراري موجب (PTC) ، وذلك بناءً على تأثير تغيرات درجة الحرارة على مقاومة العنصر. تتميز سخانات NTC بانخفاض مقاومتها مع ارتفاع درجة حرارتها، وبالتالي تتمتع بقدرة أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة لجهد دخل محدد. أما سخانات PTC، فتسلك سلوكًا معاكسًا، حيث تزداد مقاومتها وتقل قدرتها عند درجات الحرارة المرتفعة. هذه الخاصية تجعل سخانات PTC ذاتية التنظيم، إذ تستقر قدرتها عند درجات حرارة ثابتة. من ناحية أخرى، تتطلب سخانات NTC عادةً منظم حرارة أو مزدوجة حرارية للتحكم في ارتفاع درجة حرارتها المفاجئ. تُستخدم هذه السخانات في التطبيقات التي تتطلب رفعًا سريعًا لدرجة حرارة السخان إلى نقطة ضبط محددة مسبقًا، نظرًا لأنها عادةً ما تكون أسرع استجابة من سخانات PTC.  

يستخدم غلاية الإلكترود الكهرباء المتدفقة عبر تيارات الماء لإنتاج البخار. تتراوح فولتية التشغيل عادةً بين 240 و600 فولت، أحادية أو ثلاثية الطور تيار متردد . ^{[ 15 ]}

تُعد سخانات الليزر عناصر تسخين تُستخدم لتحقيق درجات حرارة عالية جدًا. ^{[ 16 ]}

سبائك التسخين المقاوم هي معادن يمكن استخدامها لأغراض التسخين الكهربائي فوق 600  درجة مئوية في الهواء. ويمكن تمييزها عن سبائك المقاومة التي تُستخدم بشكل أساسي للمقاومات التي تعمل تحت 600  درجة مئوية. ^{[ 8 ]}

على الرغم من أن غالبية الذرات في هذه السبائك تتطابق مع تلك المذكورة في اسمها، إلا أنها تحتوي أيضًا على عناصر نزرة. تلعب العناصر النزرة دورًا هامًا في سبائك المقاومة، إذ تؤثر بشكل كبير على الخواص الميكانيكية مثل قابلية التشكيل، وثبات الشكل، ومقاومة الأكسدة. ^{[ 8 ]} قد توجد بعض هذه العناصر النزرة في المواد الخام الأساسية، بينما يُضاف البعض الآخر عمدًا لتحسين أداء المادة. يُستخدم مصطلحا "الملوثات" و "المحسنات" لتصنيف العناصر النزرة. ^{[ 9 ]} عادةً ما يكون للملوثات آثار غير مرغوب فيها مثل تقليل عمر المادة ومحدودية نطاق درجة الحرارة. أما المحسنات، فيضيفها المصنّع عمدًا، وقد تُحسّن خصائص المادة مثل زيادة تماسك طبقة الأكسيد، وتحسين قدرتها على الحفاظ على شكلها، وإطالة عمرها في درجات الحرارة المرتفعة.

تشمل أكثر السبائك شيوعًا المستخدمة في عناصر التسخين ما يلي:

• ثاني سيليسيد الموليبدينوم (MoSi₂ ₎ ، وهو مركب بين فلزي، سيليسيد الموليبدينوم، عبارة عن سيراميك مقاوم للحرارة يُستخدم بشكل أساسي في عناصر التسخين. يتميز بكثافة متوسطة، ونقطة انصهار تبلغ 2030  درجة مئوية (3686  درجة فهرنهايت)، وهو موصل للكهرباء. عند درجات الحرارة العالية، يُشكّل طبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون، تحميه من المزيد من الأكسدة. تشمل مجالات استخدامه صناعة الزجاج ، وتلبيد السيراميك، وأفران المعالجة الحرارية ، وأفران نشر أشباه الموصلات .
• يستخدم كربيد السيليكون في مشعلات السطح الساخن ، وهي عناصر تسخين مصممة لإشعال الغاز القابل للاشتعال، وهي شائعة في أفران الغاز ومجففات الملابس.
• استُخدم نتريد السيليكون  مؤخرًا كمادة إشعال سطحية لأفران الغاز وشمعات التسخين في محركات الديزل. تصل درجة حرارة هذه العناصر الحرارية أو شمعات التسخين إلى 1400 درجة مئوية كحد أقصى، وتُشعل البنزين أو الكيروسين بسرعة. كما تُستخدم هذه المادة في محركات الديزل ومحركات الإشعال بالشرارة لمكونات احتراق أخرى وأجزاء قابلة للتآكل. ^{[ 19 ]}
• عناصر السيراميك ذات معامل المقاومة الحرارية الموجب (PTC): سُميت مواد السيراميك ذات معامل المقاومة الحرارية الموجب بهذا الاسم نسبةً إلى معامل مقاومتها الحرارية الموجب (أي أن المقاومة تزداد عند التسخين). في حين أن معظم أنواع السيراميك لها معامل مقاومة حرارية سالب، فإن هذه المواد (غالباً مركبات تيتانات الباريوم وتيتانات الرصاص ) تتميز باستجابة حرارية غير خطية للغاية، بحيث تزداد مقاومتها بسرعة فوق درجة حرارة عتبة تعتمد على التركيب. هذا السلوك يجعل المادة تعمل كسخان ذاتي التنظيم ، حيث يمر التيار عندما تكون باردة، ولا يمر عندما تكون ساخنة. ^{[ 20 ]} تُستخدم أغشية رقيقة من هذه المادة في تدفئة الملابس ، ^{[ 21 ]} وفي سخانات إزالة الصقيع للزجاج الخلفي للسيارات، ^{[ 22 ]} وتُستخدم عناصر على شكل خلية نحل في مجففات الشعر الأكثر تكلفة ، وسخانات الفضاء ، ومعظم مواقد الحبيبات الحديثة . يمكن أن تصل درجة حرارة عناصر التسخين هذه إلى 950-1000 درجة مئوية، ويمكنها الوصول إلى حالة التوازن بسرعة. 
• تُستخدم سخانات الأشعة تحت الحمراء المصنوعة من الهالوجين الكوارتزي أيضًا لتوفير التدفئة الإشعاعية .