加熱板溫度場仿真優(yōu)化設計

郭華鋒，唐宏波，王成君，王宏杰

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024）

收稿日期：2017-12-23

作者簡介：郭華鋒（1988-），男，山西太原人，助理工程師，研究方向：真空熱處理。

0 引言

真空烘烤具有無氧化、無脫碳、表面質(zhì)量好、變形小的特點，廣泛應用于電子元器件的烘烤、去應力及除氣[1]。

在真空加熱下，能夠極大地提高電子元器件的表面質(zhì)量，但是在真空環(huán)境下，熱量靠輻射傳導，導致不能通過熱對流的形式使得加熱板溫度趨于均勻，難以達到使用要求。因此只有通過加熱板結(jié)構(gòu)的合理設計保證加熱板的溫度均勻性。

根據(jù)使用溫度的要求，本文選用500 mm×500 mm不銹鋼作為烘烤設備的加熱板，加熱元件采用電阻加熱管，采用ANSYS workbench分別仿真加熱管數(shù)量，加熱管之間的間距，以及各加熱管的功率對于熱板溫度均勻性的影響規(guī)律，在仿真的基礎上，設計了滿足溫度均勻性±5℃要求的加熱板。

在加熱板的四周和中心位置布有測溫點，其具體位置參照圖1.

圖1 加熱板組件

1 設計方案簡述

如圖1所示為加熱板組件的示意圖，其中熱板為不銹鋼材質(zhì)，加熱元件為電阻加熱。其工作原理是采用電阻加熱管將電能轉(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能傳遞給加熱板。通過控制加熱元件的分布間距（即b，c，d，e），加熱元件的邊界距離（a），以及每一根加熱管的功率即可調(diào)整加熱板上的溫度場。根據(jù)上述模型分析，其傳熱屬于二維熱傳導，其傳熱規(guī)律遵循傅里葉定律[2]：

2 熱場設計及仿真優(yōu)化

加熱管置于加熱板中，通過頂絲將加熱管和加熱板頂緊，在仿真過程中：（1）假設加熱管的熱量全部傳導到加熱板上；（2）熱管上的功率分布均勻。基于上述假設，將加熱功率直接施加在加熱板上[3，4，5]。

2.1加熱管數(shù)量對熱場的影響規(guī)律

在距離邊界值恒定，（即a恒定的情況下），加熱管間距相等的情況下（b=c=d=e）分別仿真了加熱板布置9，10，11，12根加熱管在300℃下的溫度云圖。

從仿真結(jié)果可以看出，均勻區(qū)域呈同心圓分布，隨著加熱管數(shù)量的增加，高溫區(qū)域逐漸向加熱板邊緣延伸，且低溫區(qū)域的面積在逐漸減少。見圖2.

圖2 加熱元件等間距分布熱場云圖

圖3的橫坐標為加熱元件的數(shù)量，縱坐標為加熱板上最高溫度值和最低溫度值的差值，從上圖中可以看出隨著加熱元件數(shù)量的增加，溫差也在逐漸增大。說明在不改變加熱元件距邊界的條件下（即a值恒定），單純增加加熱管的數(shù)量不能提高加熱板的溫度均勻性。從上述溫度云圖可以看出，低溫段主要出現(xiàn)在加熱板的四個邊角上，因此要降低加熱板的溫差，需要提高邊角上的溫度值。

圖3 加熱元件數(shù)量和溫差之間的關系

2.2加熱元件的邊界距離對熱場的影響規(guī)律

從上述的仿真結(jié)果來看，其邊角處溫度值較低，因此在加熱元件數(shù)量一定的情況下，研究邊界距離對于溫度場的影響規(guī)律。

在邊界距離改變（即a改變）、加熱管間距相等的情況下（b=c=d=e）分別仿真了 a=1d，a=1.3d，a=1.5d，a=2d情況的11根加熱元件在300℃溫度云圖。見圖4.

圖4 邊界距離與溫度均勻性之間的關系

橫坐標為加熱元件距離加熱板的邊界值，縱坐標為最高溫度和最低溫度之間的溫差值，從上圖可以看出，隨著間距的大，溫差值在逐漸增加，因此在設計時，邊界值越小越好，但是邊界值過小，容易導致安結(jié)構(gòu)安全隱患，因此一般選擇a=d.

2.3加熱管之間的間距對于溫場的影響規(guī)律

從上述的仿真結(jié)果可以看，單純改變加熱管的數(shù)量和邊界距離不能有效地降低加熱板表面的溫差值。因此需要改變加熱板的間距來調(diào)整加熱板表面的溫差值。

在距離邊界值恒定的情況下，（即a恒定）及加熱管間距改變的情況下（b，c，d，e改變），采用 workbench優(yōu)化間距參數(shù)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 加熱元件非等距排布的溫場圖

從仿真的結(jié)果來看，改變加熱元件之間的間距可以顯著降低加熱板表面的溫差，

當加熱元件之間的間距呈現(xiàn)b＜c＜d＜e排布時，可以觀察到加熱板表面的高溫區(qū)域向著兩邊移動，當微調(diào)整加熱元件的間距時，對于加熱板表面的溫差值影響不大。同時從上述仿真結(jié)果可以看出，加熱板的低溫區(qū)域還是存在于加熱板邊緣，這是由于邊緣部分輻射散熱的原因?qū)е隆Ｒ妶D6.

圖6 優(yōu)化結(jié)果

從上述優(yōu)化結(jié)果來看，其溫差值基本上分布在8.5℃左右，滿足設的使用的±5℃的要求。可見改變加熱元件的布置形式，可以顯著改變熱板的溫度場分布。

2.4加熱元件的功率對于溫度場的影響

根據(jù)上述的仿真結(jié)果可以得出：在加熱板溫度較低的地方，可以施加較大的功率；在溫度較高的區(qū)域施加較低的功率，通過改變功率值，來調(diào)整加熱板表面的溫差值。

圖7為改變加熱元件功率之后的仿真結(jié)果，其最大溫差值為6.7℃，可見改變加熱元件的功率可以顯著提高加熱板表面溫度均勻性。但是在實際使用過程中，改變每一個加熱元件的功率，存在外圍配置成本高，控制難度大的特點。

圖7 仿真結(jié)果

3 試驗驗證

通過上述仿真結(jié)果，設計了使用溫度達300℃的加熱板，在此基礎上設計了ZBS-500C真空烘烤設備。見圖8.

圖8 ZBS-500C真空烘烤設備

在真空度為5×10-3Pa的情況下，對單層加熱板進行加熱，分別在加熱板的四角和中心點分別固定熱電偶，將熱電偶采集到的數(shù)據(jù)傳到記錄儀上。當溫度升到300℃時，觀測記錄儀上的數(shù)據(jù)，這樣重復測量五次得到如圖9的結(jié)果。

圖9 測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，3號點的溫度值最高，這與仿真結(jié)果是一致的，因為3號點位于加熱板的中心位置，熱量在此蓄積，導致溫度升高；1號點和2號點溫度較4號點和5號點的值高，這與仿真結(jié)果是有差異的。這是因為在1號點和2號點位于腔體內(nèi)部，4號點和5號點的溫度值位于腔體靠門側(cè)，而腔體的靠門側(cè)，存在接口漏熱現(xiàn)象，使得測溫點所處的環(huán)境不一樣，即散熱條件不一樣，所以導致測試結(jié)果和試驗結(jié)果存在差異。

4 結(jié)論

（1）在設計熱場時，采用有限元和試驗相結(jié)合的方法能夠有效提高設計效率，減低設計成本。

（2）改變加熱元件之間的排布間距可以顯著改善加熱板表面的溫場，且能夠達到對于溫度場±5℃的要求。

參考文獻：

[1]閻承沛.真空熱處理工藝與設備設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[2]陶文銓.傳熱學[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2006.

[3]王賡劼.線性熱傳導溫度場快速優(yōu)化方法及在電熱板優(yōu)化中的應用[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2009.

[4]徐曉平.內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐溫度場的有限元分析[J].特種鑄造及有色金屬，2013，33（10）：904-907

[5]陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.