-80 laipsnių kasetinių šildytuvų medžiagų pasirinkimas – kas iš tikrųjų veikia
Kai kasetinis šildytuvas sugenda esant -80 laipsnių, priežastis retai būna akivaizdi iš išorės. Apvalkalas gali atrodyti nepažeistas. Laidai gali pasirodyti garsūs. Tačiau viduje medžiagos savybės, dėl kurių šildytuvas veikė kambario temperatūroje, visiškai pasikeitė.
Pagrindinė problema yra terminis susitraukimas. Nuo kambario temperatūros iki kriogeninės temperatūros nerūdijantis plienas susitraukia apie 0,3%, o Inconel lydiniai - apie 0,2%. Šis apvalkalo, izoliacijos ir varžos laido susitraukimo greičio skirtumas sukuria vidinį slėgį, kurio standartinės konstrukcijos negali atlaikyti. Rezultatai yra izoliacijos mikro-lūžimai, tarpai sąsajose ir galiausiai elektros gedimas.
Apvalkalo medžiagos pasirinkimas yra kritinis sprendimo taškas. Nerūdijantis plienas 304 tinkamas bendram pramoniniam šildymui, tačiau kriogeninėje temperatūroje jis tampa trapus, todėl yra jautresnis lūžimui dėl terminio šoko ar mechaninio įtempimo. Austenitinės 321 ir 316 klasės pasižymi geresniu lankstumu, nes jų mikrostruktūra išlieka stabili. Pačioms reikliausioms reikmėms Inconel 600 arba specializuoti nikelio -chromo lydiniai pasižymi puikiu atsparumu šiluminiam smūgiui, kai važiuojama nuo -80 laipsnių iki kelių šimtų laipsnių virš nulio viršijančios darbinės temperatūros. Šie lydiniai išlaiko mechaninį vientisumą visame temperatūros spektre.
Magnio oksido izoliacija, supakuota įprastų įrenginių viduje, patiria subtilius kristalinius pokyčius kriogeninėje temperatūroje. Didelio-tankio tankinimo metodai, kurių tankis viršija 3,2 gramo kubiniame centimetre, tampa būtini norint išlaikyti konstrukcijos vientisumą. Aukščiausios kokybės gamintojai taiko sulenktus statybos metodus, kurie suspaudžia magnio oksido miltelius iki maksimalaus tankio ir pašalina tuštumas, kuriose gali kauptis kondensatas. Tai užtikrina efektyvų šilumos perdavimą net tada, kai lauko temperatūra bando ją nuleisti.
Pats varžos laidas -paprastai yra nikelio-chromo lydinys, pvz., NiCr 80/20-, turi turėti stabilias elektrines savybes visame temperatūros diapazone. Esant -80 laipsnių nikelio ir chromo lydinių atsparumas gali būti 10–15 % mažesnis nei aplinkos temperatūroje. Šildytuvas, kuris naudoja 10 A 20 laipsnių temperatūroje, pirmą kartą paleidžiant kriogeninėmis sąlygomis, gali sunaudoti 11–12 A. Į šį šalto paleidimo elgesį reikia atsižvelgti kuriant maitinimo ir valdymo sistemos projektą.
Šiluminio plėtimosi koeficientas tampa pagrindiniu projektavimo aspektu. Šildytuvo apvalkalų ir aplinkinių metalo dirbinių neatitikimai sukuria gniuždymo jėgas aušinimo fazėse. Vidiniuose komponentuose naudojami lydiniai su atitinkančiais šiluminio plėtimosi koeficientais, kad būtų išvengta vidinio įtrūkimo keičiantis temperatūrai. Šios medžiagų specifikacijos padidina gamybos sąnaudas, tačiau sumažina keitimo dažnumą.
Kriogeninėje aplinkoje ypatingas dėmesys turi būti skiriamas elektros užbaigimui. Standartinės suspaudimo jungtys susitraukia skirtingu greičiu nei šildytuvo laidai, todėl susidaro didelės-priešumo jungtis, kurios sukuria vietinį šildymą. Sidabrinės-lituotos arba lituotos jungtys, užsandarintos epoksidiniais junginiais, atspariais šiluminiam smūgiui, palaiko laidumo vientisumą visame temperatūros spektre. Standartinės gnybtų dėžutės ir epoksidiniai sandarikliai lūžta per pirmuosius kelis temperatūros ciklus, prateka drėgmė ir kyla elektros pavojus. Inžineriniai sprendimai, išbandyti naudojant kriogeninio aptarnavimo{6}}specializuotus suspaudimo sandariklius, hermetiškus įvadus ir kriogeninės{7}}vardinės jungties aparatūrą{8}}, išsprendžia šias problemas.
Kasetinio šildytuvo, skirto -80 laipsnių eksploatacijai, medžiagų pasirinkimas nėra susijęs su brangiausio varianto parinkimu. Kalbama apie medžiagos savybių suderinimą su konkrečiais šiluminiais poreikiais. Vienos galvutės elektriniam šildymo vamzdžio kasetiniam šildytuvui, skirtam laboratoriniam šaldymo džiovintuvui, keliami kitokie reikalavimai nei farmacijos šaldymo patalpoms, ir jie vėl skiriasi nuo aviacijos ir kosmoso bandymų įrangos. Norint nustatyti šildytuvą, kuris patikimai veiks visą numatytą tarnavimo laiką, būtina suprasti šiuos skirtumus.
