Materiālzinātne aiz kriogēno kasetņu sildītāja
Standarta nerūsējošais tērauds 304 lieliski darbojas lielākajā daļā rūpniecisko apkures iekārtu. Tomēr pie mīnus 120 grādiem pēc Celsija tas kļūst par pilnīgi citu materiālu. Parasto materiālu elastīgā-uz-trausluma pārejas temperatūra nozīmē, ka sastāvdaļas, kas ir izturīgas un elastīgas istabas temperatūrā, kļūst trauslas un pakļautas plaisāšanai, temperatūrai pazeminoties. Šī fundamentālā materiālu realitāte izskaidro, kāpēc tik daudzi standarta kasetņu sildītāji neizdodas kriogēnajā darbībā.
Izvēloties apvalka materiālu ārkārtējai aukstumam, siltuma izplešanās saskaņošana ir prioritāte, nevis tikai izturība pret koroziju. Lai gan 304 nerūsējošais tērauds nodrošina izcilu izturību pret koroziju un izmaksu -efektivitāti lielākajai daļai lietojumu, 316L nerūsējošais tērauds nodrošina izcilu izturību pret hlorīdiem un rūpnieciskām ķīmiskām vielām. Visprasīgākajiem apstākļiem-sildelementi, kas pakļauti gan kriogēnai temperatūrai, gan kodīgai atmosfērai-Incoloy 800 vai 840 sakausējumi nodrošina labāko no abām pasaulēm: oksidācijas izturību augstās temperatūrās un stingrību zemā temperatūrā.
Inconel 600 un specializētie niķeļa-hroma sakausējumi demonstrē izcilu izturību pret termisko triecienu, braucot ar velosipēdu no mīnus 120 grādiem līdz darba temperatūrai, kas sasniedz vairākus simtus grādu virs nulles. Šie niķeļa-dzelzs-hroma sakausējumi saglabā savas mehāniskās īpašības ekstremālās temperatūras svārstībās, kas varētu saplaisāt mazāk materiālu. Termiskās izplešanās koeficients kļūst par galveno dizaina apsvērumu, jo neatbilstība starp sildītāja apvalkiem un apkārtējo metāla izstrādājumu dzesēšanas fāzēs rada saspiešanas spēkus.
Iekšējās pretestības stieple rada savas materiālās problēmas. Niķeļa-hroma sakausējumiem, kas ir standarts kasetņu sildītāju ražošanai, ir mainītas pretestības īpašības kriogēnās temperatūrās. Pretestības kritums-parasti no 10 līdz 15 procentiem atkarībā no sakausējuma sastāva-nozīmē, ka noteiktam spriegumam tiek patērēta lielāka strāva un iegūta lielāka jauda. Šī parādība pārsteidz daudzus sistēmu projektētājus, kuri pieņem, ka pretestība paliek nemainīga visos temperatūras diapazonos. Kasetnes sildītāja blīvuma aprēķinos ir jāņem vērā šīs pretestības izmaiņas, lai izvairītos no neparedzētiem pārmērīgas-jaudas apstākļiem.
Magnija oksīda izolācija, kas ir lieliski piemērota elektriskajai izolācijai un siltuma vadīšanai, rada atšķirīgu izaicinājumu kriogēnās temperatūrās. Jebkurš mitrums, kas uzsūcas uzglabāšanas vai darbības laikā, sasalst un izplešas zem{1}}nulles temperatūrā. Ledus kristāli palielinās par aptuveni 9 procentiem pēc tilpuma,{4}}pietiekami daudz spiediena, lai saplēstu sablīvēto izolāciju vai atrautu apvalku no gala blīvēm. Augstākās kvalitātes ražošanas procedūras to risina, vakuum-iepildot magnija oksīdu un noblīvējot ar keramikas-un-metāla savienojumiem vai epoksīda savienojumiem, kas ir izturīgi pret termisko triecienu.
Kriogēnajā vidē īpaša uzmanība jāpievērš elektriskajai izslēgšanai. Standarta presējamie savienojumi saraujas ar atšķirīgu ātrumu nekā sildītāja vadi, veidojot augstas -pretestības savienojumus, kas rada lokālu sasilšanu un iespējamu aizdegšanās risku. Sudraba-lodēti vai lodēti savienojumi, kas noslēgti ar epoksīda savienojumiem, kas izstrādāti termiskai cikliskumam, nevis standarta epoksīda savienojumiem, kas atdalās sasalšanas laikā, saglabā vadītspējas integritāti visā temperatūras spektrā.
Svina stieples izolācija ir vēl viens bojājuma punkts. Standarta PVC izolācija kļūst trausla un plaisā pie mīnus 20 grādiem pēc Celsija. Kvalitatīvi aukstā-laika laika kārtridžu sildītāji nodrošina stiklšķiedras-silikona kompozītmateriālu izolāciju, kas paredzēta nepārtrauktai darbībai 250 grādos pēc Celsija, vienlaikus saglabājot elastību mīnus 60 grādos. Šī šķietami mazā detaļa bieži nosaka, vai vienas galvas elektriskās apsildes caurule pārdzīvo savu pirmo ziemu.
Neapsildāmā garuma specifikācija bieži tiek ignorēta kriogēnās lietojumprogrammās. Standarta dizainā ir iekļautas 5 līdz 10 milimetru aukstās zonas priekšgalā, lai novērstu spailes pārkaršanu. Mīnus 120 grādu vidē, pagarinot šo neapsildāmo daļu līdz 25 līdz 50 milimetriem, savienojuma temperatūra tiek uzturēta virs rasas punkta, novēršot kondensāciju elektriskajos korpusos. Dažos dizainos ir iekļauti taisnleņķa-apvalka pagarinājumi vai saliektas konfigurācijas, lai novirzītu vadus prom no aukstām virsmām, vienlaikus saglabājot pieejamību.
Kriogēnās apkopes kārtridžu sildītājs ir rūpīgi līdzsvarota materiālu sistēma. Katram komponentam ir jādarbojas temperatūras diapazonā, kas pārsniedz 400 grādus pēc Celsija,{2}}no aukstuma uzsūkšanās mīnus 120 temperatūrā līdz darba temperatūrai, kas pārsniedz vairākus simtus grādu virs nulles. Piekāpjoties jebkurai atsevišķai materiāla specifikācijai, rodas kļūmes, kas izplatās cauri visai sistēmai.
