Θέματα υποπίεσης και εξαγωγής αερίων για θερμαντήρες φυσιγγίων -196 μοιρών
Οι θάλαμοι προσομοίωσης χώρου και ο ερευνητικός εξοπλισμός υψηλού{0}}κενού παρουσιάζουν ένα μοναδικό σύνολο προκλήσεων που υπερβαίνουν κατά πολύ τις τυπικές απαιτήσεις κρυογονικής θέρμανσης. Στο κενό, η θερμότητα δεν μπορεί να κινηθεί μέσω μεταφοράς-όλη η θέρμανση πρέπει να είναι είτε ακτινοβολούμενη είτε αγώγιμη. Αυτή η θεμελιώδης αλλαγή στη δυναμική μεταφοράς θερμότητας αλλάζει εντελώς τον τρόπο λειτουργίας ενός θερμαντήρα φυσιγγίων [θερμαντήρας φυσιγγίων] και τα προβλήματα πολλαπλασιάζονται μόνο όταν ο εξοπλισμός λειτουργεί και σε θερμοκρασίες υγρού αζώτου.
Το πρόβλημα της εκτόξευσης αερίων πιάνει πολλούς μηχανικούς απροσδόκητους. Όταν θερμαίνονται, τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τυπικών θερμαντήρων φυσιγγίων μπορούν να απελευθερώσουν πτητικές χημικές ουσίες που μολύνουν τους θαλάμους κενού ή αφήνουν εναποθέσεις σε οπτικές επιφάνειες. Σε εφαρμογές προσομοίωσης διαστήματος, το υδρογόνο και το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί να προέρχονται από χύμα υλικά και επιφανειακούς ρύπους, να καθιζάνουν σε ψυχρές οπτικές επιφάνειες και να υποβαθμίζουν την αποτελεσματικότητά τους. Αυτό δεν είναι μια θεωρητική ανησυχία-είναι μια πρακτική λειτουργία αποτυχίας που έχει καταστρέψει αμέτρητες πειραματικές καμπάνιες και έχει καθυστερήσει κρίσιμα αεροδιαστημικά έργα.
Η επιλογή υλικού σε περιβάλλοντα κενού ακολουθεί διαφορετικούς κανόνες από τις ατμοσφαιρικές εφαρμογές. Ο ανοξείδωτος χάλυβας 304, απόλυτα κατάλληλος για γενική βιομηχανική θέρμανση, εκπέμπει υπερβολικά αέρια στο κενό εκτός εάν υποβληθεί σε ειδική επεξεργασία. Ακόμη και με ηλεκτροστίλβωση και ψήσιμο υπό κενό, το 304 παραμένει ανεπαρκές για εργασίες προσομοίωσης ευαίσθητου χώρου. Η σταθεροποιημένη μικροδομή των 316L με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα αποδίδει καλύτερα στο κενό και όταν το κενό-πυροδοτείται για την απομάκρυνση των πτητικών, οι ρυθμοί εξάτμισης γίνονται αποδεκτοί για πολλές εφαρμογές.
Για κρίσιμες εφαρμογές οπτικών ή οργάνων, τα Inconel 600 και 625 γίνονται τα υλικά της επιλογής. Αυτά τα κράματα νικελίου-χρωμίου διατηρούν εξαιρετική καθαρότητα και σταθερές κλίμακες οξειδίων που απελευθερώνουν πολύ λίγο αέριο. Η διαφορά στην απόδοση εξαγωγής αερίου είναι εκπληκτική-το Inconel σωστά προετοιμασμένο μπορεί να φτάσει τα 10-1² Torr-λίτρο/δευτερόλεπτο-cm², ενώ το ανεπαρκώς προετοιμασμένο 304 μπορεί να πετύχει μόνο 10-8 ή χειρότερο. Αυτή είναι μια 10.000-πλάσια διαφορά που καθορίζει εάν η προσομοίωση χώρου λειτουργεί ή αποτυγχάνει.
Η ηλεκτρική συμπεριφορά αλλάζει δραματικά και στο κενό. Οι ακροδέκτες που είναι επαρκώς μονωμένοι στον αέρα μπορεί να σχηματίζουν τόξο στο κενό, ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες όπου συμβαίνουν εκροές αερίων και αλλαγές υλικού. Οι εξειδικευμένοι θερμαντήρες κασετών κενού [cartridge heater] χρησιμοποιούν εκτεταμένες διαδρομές ερπυσμού-μεγαλύτερες αποστάσεις κατά μήκος μονωτικών επιφανειών-για την αποφυγή βλάβης. Οι τυπικές μέθοδοι σφράγισης αποτυγχάνουν επίσης σε συνθήκες κενού. Τα οργανικά στεγανωτικά όπως η σιλικόνη ή το εποξειδικό δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν επειδή βγάζουν αέριο. Η ερμητική σφράγιση με κατασκευές από γυαλί-σε-μεταλλική ή κεραμική καθίσταται υποχρεωτική.
Η απουσία συναγωγής ψύξης στο κενό σημαίνει ότι η θερμική διαχείριση απαιτεί διαφορετική σκέψη. Η θερμότητα μπορεί να διαφύγει μόνο μέσω της αγωγιμότητας στις επιφάνειες τοποθέτησης ή της ακτινοβολίας στις γύρω επιφάνειες. Αυτό καθιστά τις θερμικές κλίσεις εντός του θερμαντήρα πιο έντονες, ειδικά κατά την αρχική εκκίνηση από τους -196 βαθμούς. Διαβαθμίσεις θερμοκρασίας άνω των 800 βαθμών Κελσίου ανά εκατοστό μπορούν να σχηματιστούν στις διεπαφές υλικού στα πρώτα δευτερόλεπτα της λειτουργίας. Στο κενό, χωρίς αέρα που να μετριάζει αυτές τις κλίσεις, οι τάσεις θερμικού σοκ εντείνονται.
Το φινίρισμα επιφάνειας παίζει κρίσιμο ρόλο στην απόδοση του κενού. Η ηλεκτροστίλβωση δημιουργεί μια λεία, παθητική επιφάνεια με ελάχιστη παγιδευμένη μόλυνση. Η μηχανική στίλβωση αφήνει ένα σκληρό επιφανειακό στρώμα-με χειρότερα χαρακτηριστικά εξαγωγής αερίων. Η χημική παθητικοποίηση σταθεροποιεί το στρώμα οξειδίου. Αυτές οι επιφανειακές επεξεργασίες, σε συνδυασμό με την επιλογή βασικού υλικού, καθορίζουν εάν ένας θερμαντήρας μολύνει το περιβάλλον κενού ή διατηρεί τα απαιτούμενα πρότυπα καθαριότητας.
Για ερευνητικές ρυθμίσεις υψηλού{0}}κενού, οι πιστοποιήσεις υλικών που δείχνουν τα ποσοστά εξάτμισης γίνονται ουσιαστική τεκμηρίωση. Εξειδικευμένες κατασκευές χαμηλής-εξαέρωσης χρησιμοποιούν οξείδιο μαγνησίου υψηλής-καθαρότητας, προσεκτικά επιλεγμένα υλικά σφράγισης και ψήσιμο υπό κενό μετά την κατασκευή για την ελαχιστοποίηση των πτητικών εκπομπών. Ορισμένες εφαρμογές απαιτούν θερμαντήρες με ενσωματωμένα-θερμοστοιχεία για άμεση ανάδραση θερμοκρασίας, αλλά η διασταύρωση του θερμοστοιχείου πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένη από το κύκλωμα του θερμαντήρα για να αποφευχθούν βρόχοι γείωσης και σφάλματα μέτρησης.
Οι ιδιότητες θερμικής ακτινοβολίας της επιφάνειας του θερμαντήρα έχουν επίσης σημασία στο κενό. Η επιφανειακή εκπομπή ελέγχει πόσο αποτελεσματικά μεταφέρεται η θερμότητα μέσω της ακτινοβολίας. Οι οξειδωμένες επιφάνειες εκπέμπουν πολλή θερμότητα, ενώ τα γυαλισμένα μέταλλα εκπέμπουν πολύ μικρή. Η βελτιστοποίηση της επεξεργασίας της επιφάνειας του περιβλήματος του θερμαντήρα είτε για απόδοση ακτινοβολίας είτε για χαμηλή εκροή αερίων απαιτεί προσεκτικές-ανταλλαγές.
Στο τέλος, ο καθορισμός ενός θερμαντήρα κασετών [cartridge heater] για συνδυασμένη κρυογονική και υπηρεσία κενού απαιτεί πολύ πέρα από τις τυπικές προσφορές καταλόγου. Ο συνδυασμός του ακραίου ψύχους, των περιορισμών εξαγωγής αερίων υπό κενό και της μεταφοράς θερμότητας-που κυριαρχείται από την ακτινοβολία δημιουργεί απαιτήσεις που μόνο εξειδικευμένη μηχανική μπορεί να ικανοποιήσει.
