Επιλογή υλικού για -Θερμαντήρες κασετών 80 μοιρών-Τι λειτουργεί πραγματικά
Όταν ένας θερμαντήρας κασέτας αποτυγχάνει στους -80 βαθμούς, η αιτία είναι σπάνια προφανής από το εξωτερικό. Το περίβλημα μπορεί να φαίνεται άθικτο. Η καλωδίωση μπορεί να φαίνεται υγιής. Ωστόσο, εσωτερικά, οι ιδιότητες του υλικού που έκαναν τη θερμάστρα λειτουργική σε θερμοκρασία δωματίου έχουν αλλάξει εντελώς.
Το βασικό πρόβλημα είναι η θερμική συστολή. Από τη θερμοκρασία δωματίου έως τις κρυογονικές θερμοκρασίες, οι ανοξείδωτοι χάλυβες συστέλλονται κατά περίπου 0,3%, ενώ τα κράματα Inconel συστέλλονται κατά περίπου 0,2%. Αυτή η διαφορά στους ρυθμούς συστολής μεταξύ της θήκης, της μόνωσης και του σύρματος αντίστασης δημιουργεί εσωτερικές πιέσεις που δεν μπορούν να χειριστούν οι τυπικές κατασκευές. Τα αποτελέσματα είναι μικρο-σπασίματα στη μόνωση, κενά στις διεπαφές και, τελικά, ηλεκτρική βλάβη.
Η επιλογή υλικού θηκών αποτελεί ένα κρίσιμο σημείο απόφασης. Ο ανοξείδωτος χάλυβας 304 χρησιμεύει επαρκώς για γενική βιομηχανική θέρμανση, αλλά γίνεται εύθραυστο σε κρυογονικές θερμοκρασίες, καθιστώντας τον πιο ευαίσθητο σε θραύση από θερμικό σοκ ή μηχανική καταπόνηση. Οι ωστενιτικοί βαθμοί 321 και 316 προσφέρουν καλύτερη ολκιμότητα επειδή η μικροδομή τους παραμένει σταθερή. Για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές, το Inconel 600 ή τα εξειδικευμένα κράματα νικελίου-χρωμίου επιδεικνύουν ανώτερη αντοχή σε θερμικό σοκ όταν κινούνται μεταξύ -80 μοιρών και θερμοκρασίες λειτουργίας που φτάνουν αρκετές εκατοντάδες βαθμούς πάνω από το μηδέν. Αυτά τα κράματα διατηρούν τη μηχανική ακεραιότητα σε όλο το φάσμα θερμοκρασίας.
Η μόνωση οξειδίου του μαγνησίου που συσκευάζεται μέσα σε συμβατικές μονάδες υφίσταται ανεπαίσθητες κρυσταλλικές αλλαγές σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Οι τεχνικές συμπίεσης υψηλής-πυκνότητας, που επιτυγχάνουν πυκνότητες άνω των 3,2 γραμμαρίων ανά κυβικό εκατοστό, καθίστανται απαραίτητες για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητας. Οι κατασκευαστές premium χρησιμοποιούν τεχνητές μεθόδους κατασκευής που συμπιέζουν τη σκόνη οξειδίου του μαγνησίου στη μέγιστη πυκνότητά της, εξαλείφοντας τα κενά όπου θα μπορούσε να συγκεντρωθεί η συμπύκνωση. Αυτό εξασφαλίζει αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας ακόμα και όταν η εξωτερική θερμοκρασία προσπαθεί να την σύρει προς τα κάτω.
Το ίδιο το καλώδιο αντίστασης-συνήθως ένα κράμα νικελίου-χρωμίου όπως το NiCr 80/20-πρέπει να παρουσιάζει σταθερές ηλεκτρικές ιδιότητες σε όλο το εύρος θερμοκρασίας. Στους -80 βαθμούς , τα κράματα νικελίου-χρωμίου μπορεί να έχουν 10–15% μικρότερη αντίσταση σε σχέση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ένας θερμαντήρας που τραβάει 10A στους 20 βαθμούς μπορεί να τραβήξει 11-12A κατά την πρώτη εκκίνηση σε κρυογονικές συνθήκες. Αυτή η συμπεριφορά ψυχρής εκκίνησης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον σχεδιασμό του συστήματος τροφοδοσίας και ελέγχου.
Ο συντελεστής θερμικής διαστολής γίνεται πρωταρχικό στοιχείο σχεδιασμού. Οι αναντιστοιχίες μεταξύ των περιβλημάτων του θερμαντήρα και του περιβάλλοντος μεταλλικού υλικού δημιουργούν δυνάμεις σύνθλιψης κατά τις φάσεις ψύξης. Τα εσωτερικά εξαρτήματα χρησιμοποιούν κράματα με αντίστοιχους συντελεστές θερμικής διαστολής για την αποφυγή εσωτερικών ρωγμών καθώς αλλάζουν οι θερμοκρασίες. Αυτές οι προδιαγραφές υλικού αυξάνουν το κόστος παραγωγής, αλλά μειώνουν τη συχνότητα αντικατάστασης.
Ο ηλεκτρικός τερματισμός απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή σε κρυογονικά περιβάλλοντα. Οι τυπικές συνδέσεις πτύχωσης συστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς από τους καλωδίους θερμαντήρα, δημιουργώντας συνδέσμους υψηλής αντίστασης{{1} που παράγουν τοπική θέρμανση. Ασημένιες-συγκολλημένες ή συγκολλημένες συνδέσεις, σφραγισμένες με εποξειδικές ενώσεις που χαρακτηρίζονται για αντοχή σε θερμικό σοκ, διατηρούν την ακεραιότητα της αγωγιμότητας σε όλο το φάσμα θερμοκρασίας. Τα τυπικά κουτιά ακροδεκτών και οι εποξειδικές σφραγίδες θραύονται μέσα στους πρώτους κύκλους θερμοκρασίας, διαρρέουν υγρασία και δημιουργούν ηλεκτρικούς κινδύνους. Οι μηχανικές λύσεις που έχουν δοκιμαστεί για κρυογονικές υπηρεσίες-εξειδικευμένες σφραγίσεις συμπίεσης, ερμητικές τροφοδοσίες και κρυογονικό-βαθμολογημένο υλικό σύνδεσης- αντιμετωπίζουν αυτά τα προβλήματα.
Η επιλογή των υλικών για έναν θερμαντήρα φυσιγγίων που προορίζεται για σέρβις -80 μοιρών δεν αφορά την επιλογή της πιο ακριβής επιλογής. Πρόκειται για την αντιστοίχιση των ιδιοτήτων του υλικού με τις συγκεκριμένες θερμικές απαιτήσεις της εφαρμογής. Ένας θερμαντήρας φυσιγγίων ηλεκτρικού σωλήνα θέρμανσης μίας κεφαλής για ένα εργαστηριακό λυοστεγνωτήριο έχει διαφορετικές απαιτήσεις από αυτές για μια φαρμακευτική εγκατάσταση ψύξης και αυτές διαφέρουν και πάλι από τον εξοπλισμό αεροδιαστημικής δοκιμής. Η κατανόηση αυτών των διακρίσεων είναι απαραίτητη για τον καθορισμό ενός θερμαντήρα που θα λειτουργεί αξιόπιστα κατά τη διάρκεια της προβλεπόμενης διάρκειας ζωής του.
