[0001] 本发明属于加热技术领域，具体涉及一种提升加热板温度均匀性的均温环结构及方法。

[0002] 加热板主要由加热系统，水冷系统和真空腔体组成。加热系统由上、下两个加热盘组成，电热元件采用的是加热丝，从加热盘中心向四周呈涡状线分布。水冷系统由多个水冷流道组成，分别布置于真空腔室内及真空腔室外不同区域。

[0003] 通常，加热板对加热面的温度均匀性要求很高。通过数值模拟得到加热板原始模型加热面的温度分布情况，并分析得出加热面温度均匀性较差主要表现在两个方面，分别是沿径向温度均匀性较差和沿周向温度均匀性较差。其中，沿径向温度均匀性较差的原因是加热面边缘区域与加热面中心区域相比温度较低；沿周向温度均匀性较差的原因是加热丝在沿周向产生的热量不均匀。

[0004] 目前，现有提高温度均匀性的技术主要局限在提高加热面的径向温度均匀性，例如，通过设置隔热装置，使得加热面边缘区域散热较少，避免加热面边缘区域温度与加热面中心区域温度相差较大，从而提高加热面的径向温度均匀性；但是该方案对周向温度均匀性改善较小，且此方案中隔热装置厚度未根据加热面的边缘高温区和加热面的边缘低温区的分布情况进行分段设计，故加热面整体温度均匀性提升效果并不明显。

[0005] 此外，还有研究人员通过对加热盘进行改进(专利CN219145631U)，在加热电路层的两侧布置导热系数呈现各向异性的石墨烯均温层，且石墨烯均温层水平导热系数为1000W/(m·K)，垂直导热系数为10W/(m·K)，以实现在水平方向上热量的再分配，实现均温作用。然而，该方法也局限在改善沿径向方向的温度均匀性，加热面的周向边缘仍然存在温度不均匀的问题。此外，石墨烯高导热系数的特性仅限在微米尺寸下才能体现。在常用的加热板应用场景下，导热层的尺寸需要达到厘米量级，此时石墨烯中会存在较多的晶格边界和缺陷，导热性能会极大降低。因此，在常用的加热板应用场景下石墨烯难以实现较好的均温效果。

[0050] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0051] 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0052] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

[0053] 下述各实施例中所述方法如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

[0054] 下述各实施例中，所述加热面是加热板上加热盘和下加热盘相互贴合的区域。所述边缘区域是加热面的周向最外缘区域。所述边缘低温区是加热面的周向边缘的温度相对较低的区域；所述边缘高温区是加热面的周向边缘的温度相对较高的区域。

[0055] 所述均温环是将加热面区域沿周向包裹住的双层环状结构，由导热层和保温层组成。

[0056] 通常，加热板对加热面的温度均匀性要求很高。通过数值模拟得到加热板原始模型的加热面温度分布情况，并分析得出加热面温度均匀性较差主要表现在两个方面，分别是沿径向温度均匀性较差和沿周向温度均匀性较差。其中，沿径向温度均匀性较差的原因是与加热面中心区域相比，加热面边缘区域温度较低；沿周向温度均匀性较差的原因是加热丝沿周向产生的热量不均匀。

[0057] 目前，现有提高温度均匀性的技术主要局限在提高加热面的径向温度均匀性，例如，通过设置隔热装置，使得加热面边缘区域散热较少，避免加热面边缘区域的温度与加热面中心区域的温度相差较大，从而提高加热面的径向温度均匀性；但是该方案对周向温度均匀性改善较小，且此方案中隔热装置厚度未根据加热面的边缘高温区和加热面的边缘低温区的分布情况进行分段设计，故加热面整体温度均匀性提升效果并不明显。

[0058] 此外，还有研究人员通过对加热盘进行改进(专利CN219145631U)，在加热电路层的两侧布置导热系数呈现各向异性的石墨烯均温层，且石墨烯均温层设置成水平导热系数为1000W/(m·K)，垂直导热系数为10W/(m·K)的各向异性，以实现在水平方向上热量的再分配，实现均温作用。然而，该方法也局限在沿径向方向的温度均匀性，加热面的周向边缘仍然存在温度不均匀的问题。此外，石墨烯高导热系数的特性仅限在微米尺寸下才能体现。在常用的加热板应用场景下，导热层的尺寸需要达到厘米量级，此时石墨烯中会存在较多的晶格边界和缺陷，导热性能会极大降低。因此，在常用的加热板应用场景下石墨烯难以实现较好的均温效果。

[0059] 发明人在对加热面的周向和径向温度均匀性研究过程中，提出通过在加热面边缘布置一双层环状结构，该结构由导热层和保温层构成，其中导热效果好的导热层可以将加热丝沿周向产生的不均匀热量进行重新分配，从而实现提高加热面的沿周向温度均匀性。隔热效果好的保温层可以减少加热面边缘区域的热量损失，提高加热面边缘的整体温度，从而实现提高加热面的沿径向温度均匀性。

[0060] 根据加热板原始模型的模拟结果，加热面的边缘低温区附近的保温层采用较大厚度，增强加热面的边缘低温区的保温效果；导热层采用较小厚度，减少导热层从加热面的边缘低温区吸收的热量，削弱加热面的边缘低温区因导热造成的热量散失。加热面的边缘高温区附近的保温层采用较小厚度，削弱加热面的边缘高温区的保温效果；导热层采用较大厚度，增大导热层从加热面的边缘高温区吸收的热量，增强加热面的边缘高温区向加热面的边缘低温区的导热，从而减小加热面的边缘高温区和加热面的边缘低温区的温差。运用数值模拟对加装双层均温环结构的模型进行温度场分析，最终验证了加装双层均温环可提高加热面的径向和周向的温度均匀性。

[0061] 下面对本发明的技术方案进行进一步说明。

[0062] 请参阅图1和图2，一种提升加热板温度均匀性的均温环结构，应用于加热板1，所述加热板1具有加热面2，所述加热面2的周向边缘区域具有边缘低温区和边缘高温区，所述均温环结构3环绕配置在所述加热面2的周向；所述均温环结构3包括导热层31和保温层32。导热层31配置在靠近所述加热面2的一侧，配置为所述加热面2的边缘高温区向加热面2的边缘低温区进行热量传递，以提升所述加热面2边缘区域的周向温度均匀性。保温层32配置在远离所述加热面2的一侧；配置为减少加热面2边缘区域的热量散失，以减小所述加热面2的中心区域和边缘区域的温度差，提升所述加热面2的径向温度均匀性。

[0063] 请参阅图2和图3，在一个优选的实施例中，所述导热层31具有减厚区311，所述减厚区311配置在所述加热面2的边缘低温区一侧；所述减厚区311的周向尺寸与所述加热面2的边缘低温区的周向尺寸匹配。所述保温层32具有加厚区321，所述加厚区配置在所述加热面的边缘低温区。具体的，所述加厚区321配置在所述导热层31的减厚区311的一侧；所述加厚区321与所述减厚区311的尺寸匹配。本实施方式中，减厚区是相对导热层的均厚区部分而言，导热层厚度相对减小的区域。加厚区是相对导热层的均厚区所对应的保温层而言，保温层厚度相对增加的区域。

[0064] 请参阅图3和图4，在一个优选的实施例中，所述导热层31与所述保温层32之间具有真空腔室33，所述真空腔室33位于所述保温层32的一侧配置有经抛光处理的金属层34，以对所述导热层31进行反射热辐射。例如，如图4，金属层34的外表面沿加热面轴向方向的厚度为H1＝10mm，金属层34的内表面沿加热面轴向方向的厚度为H3＝8mm。真空腔室33沿加热面径向方向的尺寸为H2＝8mm；真空腔室33的沿加热面轴向方向的尺寸等于金属层34的外表面沿加热面轴向方向的厚度，且为10mm。

[0065] 在一个优选的实施例中，所述经抛光处理的金属层34是在所述真空腔室33位于所述保温层32的一侧涂覆一金属涂层，然后对所述金属涂层进行抛光处理，即得。在一个优选的实施例中，所述经抛光处理的金属层34的材料为铜、铝、铁中的任意一种或者其合金。通过选择合适的经抛光处理的金属层的材料，用以改善反射热辐射性能。

[0066] 在一个优选的实施例中，所述导热层31朝向加热面的边缘高温区的一侧配置为均厚区312，所述均厚区312与所述减厚区311到所述加热面2中心的距离之差为8mm。所述均厚区为厚度未进行减薄处理的区域。所述减厚区是厚度进行减薄处理的区域。由图5和图6所示的均温环结构的径向尺寸，L1是剖切面的中心到导热层内侧的距离，L1＝115mm。L2是剖切面的中心到导热层的减厚区外侧边缘的距离，L2＝118mm。L3是剖切面的中心到导热层的均厚区外侧边缘的距离，L3＝126mm。L4是剖切面的中心到保温层的外侧边缘的距离，L4＝140mm。在一个优选的实施例中，所述导热层31具有各向异性导热系数，所述导热层31的径向导热系数为5W/m·K，所述导热层31的周向和轴向导热系数为100W/m·K；所述保温层32的导热系数为0.3W/m·K。

[0067] 优选的，所述导热层31的材料为石墨；所述保温层32的材料为碳毡。

[0068] 在一个优选的实施例中，所述导热层31与所述保温层32之间固定连接或者一体式连接。例如，可以采用焊接固定或者一体式铸造成型。

[0069] 请参阅图1和图3，在一个优选的实施例中，所述加热板1包括相对设置的第一加热盘11和第二加热盘12，所述均温环结构3的一端与所述第一加热盘11或者所述第二加热盘12转动连接。本发明实施例中，第一加热盘位于第二加热盘的上侧，第一加热盘和第二加热盘相互贴合的区域构成加热板的加热面，第一加热盘和第二加热盘内布置有加热元件，且加热元件均为电热丝，且电热丝从加热盘中心向四周呈涡线状分布。

[0070] 其中，加热板主要由加热系统和真空腔体组成。加热系统由第一加热盘和第二加热盘组成，真空腔体位于加热板固体外壳和加热系统之间。加热板中的热量来自于加热丝，工作过程中第一加热盘和第二加热盘处于贴紧的状态，将第一加热盘和第二加热盘的接触面称为加热面，如图3所示。

[0071] 下面针对加热面尺寸为220×220mm的加热板为例，采用上述均温环结构来提升加热板1加热面2温度均匀性。当然，本发明所涉及的方法也适用于其他尺寸的加热板。

[0072] 一种采用均温环结构提升加热板加热面温度均匀性的方法，包括以下步骤：

[0073] (1)确定所述加热板1原始模型工作时加热面2的边缘低温区和边缘高温区的分布范围和位置；具体为：建立加热板1的三维几何模型，并根据加热板1实际工作时对应的边界条件以及加热过程热量传递控制方程，获取三维几何模型的热量传递数值模型；利用热量传递数值模型模拟加热板1的工作过程，并确定加热板1工作时加热面2的边缘低温区和加热面2的边缘高温区的分布范围和位置。

[0074] 建立加热板1的三维几何模型，具体是：根据加热板的结构尺寸，采用Solidworks软件对加热板进行三维几何建模，得到加热板的三维几何模型；使用Fluent Meshing软件并采用六面体网格对加热板的三维几何模型划分计算网格。考虑到加热板设备结构复杂、零部件众多等原因，为简化分析过程，建立模型时忽略了支撑件、连接件等部件，并忽略了真空腔体密闭性以及螺孔等次要因素的影响。

[0075] 根据加热板1实际工作时对应的边界条件以及加热过程热量传递控制方程，获取三维几何模型的热量传递数值模型，具体是：基于加热板实际工作时的边界条件，设置三维几何模型中对应网格的边界条件；根据对应网格的边界条件以及加热过程热量传递控制方程(按照专利CN117574675A设置加热过程热量传递控制方程)，以获得对应网格的热量传递数值模型，并构建加热板的三维热量传递数值模型。

[0076] 其中，所述边界条件包括：壁面边界参数、冷却水进口边界参数、冷却水出口边界参数、热源边界参数。具体的，与空气接触的外壁面采用对流辐射混合边界条件，对流换热2
系数设为5W/(m·K)，环境温度为300K(27℃)，发射率为0.28。与真空腔体接触的内壁面采用耦合边界条件，并根据壁面材质选择不同的发射率，石墨的发射率为0.8，其余金属部件的发射率为0.28。热源边界参数采取以下方法确定：给定加热丝功率密度，使得加热面最高温度达到450℃，此时下加热丝所需功率512W，上加热丝所需功率590W，对应功率可能与实际有偏差，源于物性参数、计算模型等与实验条件不一致。冷却水进口边界参数采用速度进口边界条件，冷却水入口速度为1m/s，入口温度为27℃。冷却水出口边界条件采用压力出口‑6
边界条件。真空环境通过将工作压力设置为1×10 Pa来实现。

[0077] 图12给出了25个点即为选取的25个关键测温点，其中1号测点位于加热面的中心，2号测点至9号测点分布于边长l1＝70mm的正方形上，10号测点至25号测点分布于边长l2＝
140mm的正方形上。从测点分布上看这25个点能有效覆盖加热面的不同范围，可以反映加热面温度场的均匀性和温度分布趋势。温度均匀性的计算公式如下：

[0078] 温度均匀性＝(最高温度‑最低温度)/平均温度×100％。

[0079] 图13为加热板原始模型加热面的测点温度情况图。图14为加热板采用图9的未分段设计的隔热装置的改进模型加热面的测点温度情况图。

[0080] 图9至图11是加热板采用未分段设计的隔热装置的改进模型的示意图。

[0081] 如图9至图11，加热板采用未分段设计的隔热装置的改进模型，是在加热面的边缘区域沿周向包裹形成的单层环状结构的隔热装置4。隔热装置4主要起到隔热保温作用，隔热装置4的材料为碳毡，与均温环结构3的保温层32的材料相同。加热面的中心到隔热装置4的边缘区域的距离为150mm。

[0082] 由图13和图14可以看到，1‑9号测点温度较高，10‑25号测点温度较低，即加热面温度分布呈现中间高、四周低的趋势，并且四周的低温区集中于左上部分。

[0083] 图13中，测点最低温度为438.6℃，最高温度为450.0℃，温差11.4℃，测点平均温度为445.5℃，测点温度均匀性为2.6％。通过分析图13可得，原始模型温度均匀性较差主要原因为沿径向温度均匀性较差和沿周向温度均匀性较差。

[0084] (2)根据所述低温区的分布范围，确定所述均温环结构3的减厚区311的分布范围。

[0085] 根据图13的测点温度情况，获得加热面的边缘低温区和加热面的边缘高温区的分布范围和位置。并以此确定均温环结构3的减厚区311的分布范围和位置。

[0086] 图5为本发明一实施方式中均温环结构沿轴向的剖切示意图。图6为图5的C‑C’剖切示意图。图7为图5的B‑B’剖切示意图。图8为图7中D部分的局部放大示意图。由图5和图6所示的均温环结构的径向尺寸，L1是剖切面的中心到导热层内侧的距离，L1＝115mm。L2是剖切面的中心到导热层的减厚区外侧边缘的距离，L2＝118mm。L3是剖切面的中心到导热层的均厚区外侧边缘的距离，L3＝126mm。L4是剖切面的中心到保温层的外侧边缘的距离，L4＝140mm。由图7和图8所示，Q1+Q2＝17mm；Q3＝5mm；Q4＝6mm；Q5＝16mm；由此，保温层沿径向方向的最大厚度为17mm，此时导热层沿径向方向达到最小厚度，为5mm；保温层沿径向方向的最小厚度为6mm，此时导热层沿径向方向达到最大厚度，为16mm。其中，导热层是由石墨制成，保温层是由碳毡制成，其中，导热层与保温层在第一加热盘区域的高度为10mm，导热层与保温层在第二加热盘区域的高度为10mm；导热层采用各向异性导热系数，径向导热系数为5W/m·K，周向和轴向导热系数为100W/m·K；保温层导热系数为0.3W/m·K。

[0087] (3)将所述均温环绕配置在所述加热面2的周向，并根据所述加热板1工作时加热面2的边缘低温区的位置，安装所述均温环，以使所述减厚区311配置在所述加热面2的边缘低温区一侧。然后通过数值模拟对加装均温环结构后的加热板进行全局传热计算，以验证方案的有效性。

[0088] 图15为加热板采用图1的双层均温环的改进模型加热面的测点温度情况图。图15中，加热面测点最低温度为446.9℃，最高温度为449.5℃，温差2.6℃；测点平均温度为448.4℃，测点温度均匀性为0.6％。

[0089] 下面对加热板的初始结构、采用未分段设计的隔热装置改进后的结构、本发明上述实施例采用双层均温环结构改进后的结构按照如下计算公式计算加热面的测点温度均匀性：

[0090] 温度均匀性＝(最高温度‑最低温度)/平均温度×100％。

[0091] 加热板的初始结构记为I，测试结果见图13。

[0092] 采用未分段设计的隔热装置改进后的结构记为II，见图9至图11，测试结果见图14。

[0093] 本发明上述实施例采用双层均温环结构改进后的结构记为III，见图1‑至图6，测试结果见图15。

[0094] 上述结构的测点温度均匀性测试结果见表1。

[0095] 表1测点温度均匀性测试结果

[0096]测点温度 I II III
测点最高温度 450.0℃ 450.0℃ 449.5℃
测点最低温度 438.6℃ 442.2℃ 446.9℃
测点温差 11.4℃ 7.8℃ 2.6℃
测点平均温度 445.5℃ 446.8℃ 448.4℃
测点温度均匀性 2.6％ 1.7％ 0.6％

[0097] 由上述分析结果表明，采用本发明实施例的均温环结构提升加热板加热面温度均匀性的方法，对于改善加热面的温度均匀性是有效的。

[0098] 由图13分析原始模型温度均匀性较差主要原因为沿径向温度均匀性较差和沿周向温度均匀性较差。针对径向温度均匀性较差，可以采用隔热效果好的保温层来减少加热面边缘区域的热量散失，减小加热面中心区域和边缘区域的温度差，还可以在导热层和保温层之间的真空腔室位于保温层的一侧涂覆经抛光处理的金属层，用以反射热辐射，进一步提高径向温度均匀性。针对周向温度均匀性较差，可以采用导热效果好的导热层，使热量从加热面的边缘高温区向加热面的边缘低温区传递，从而实现提高加热面的沿周向温度均匀性。

[0099] 综上，本发明实施例在加热面边缘区域布置一均温环结构，该结构由导热层和保温层组成，在提高径向温度均匀性的同时，还能提高周向温度均匀性。加热面的边缘低温区附近的保温层采用较大厚度，增强加热面的边缘低温区的保温效果；导热层采用较小厚度，减少导热层从加热面的边缘低温区吸收的热量，削弱因导热造成的热量散失。加热面的边缘高温区附近的保温层采用较小厚度，削弱保温层在加热面的边缘高温区的保温效果；导热层采用较大厚度，增大导热层从加热面的边缘高温区吸收的热量，增强加热面的边缘高温区向加热面的边缘低温区的导热，从而减小加热面的边缘高温区和加热面的边缘低温区的温差。故将与加热面的边缘低温区相对的保温层进行加厚处理，同时导热层进行减薄处理。

[0100] 本发明通过保温层和导热层的厚度分段布置，导热层可以将加热丝沿周向产生的不均匀热量进行重新分配，提高周向温度均匀性。加热面的边缘低温区导热层采用较小厚度，减小导热层从加热面的边缘低温区吸收的热量；加热面的边缘高温区导热层采用较大厚度，增大导热层从加热面的边缘高温区吸收的热量。保温层可以减少加热面边缘区域的热量损失，提高加热面边缘的整体温度，提高径向温度均匀性。加热面的边缘低温区附近的保温层采用较大厚度，增强加热面的边缘低温区的保温效果；加热面的边缘高温区附近的保温层采用较小厚度，削弱加热面的边缘高温区的保温效果。通过数值模拟计算得出加装该均温环结构后的加热板加热面整体温度均匀性有所提高。

[0101] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。