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構的合理設計保證加熱板的溫度均勻性。

根據使用溫度的要求，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，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整加熱板上的溫度場。根據上述模型分析，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。

從仿真結果可以看出，均勻區(qū)域呈同心圓分布，隨著加熱管數量的增加，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

從上述的仿真結果來看，其邊角處溫度值較低，因此在加熱元件數量一定的情況下，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，容易導致安結構安全隱患，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

從上述的仿真結果可以看，單純改變加熱管的數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，其結果如圖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導致。見圖6.

圖6 優(yōu)化結果

從上述優(yōu)化結果來看，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?？梢姼淖兗訜嵩牟贾眯问?，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

根據上述的仿真結果可以得出：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 仿真結果

3 試驗驗證

通過上述仿真結果，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據傳到記錄儀上。當溫度升到300℃時，觀測記錄儀上的數據，這樣重復測量五次得到如圖9的結果。

圖9 測試結果

從測試結果可以看出，3號點的溫度值最高，這與仿真結果是一致的，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，這與仿真結果是有差異的。這是因為在1號點和2號點位于腔體內部，4號點和5號點的溫度值位于腔體靠門側，而腔體的靠門側，存在接口漏熱現象，使得測溫點所處的環(huán)境不一樣，即散熱條件不一樣，所以導致測試結果和試驗結果存在差異。

4 結論

（1）在設計熱場時，采用有限元和試驗相結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.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.