Kriogēno kasetņu sildītāju jaudas blīvums un termiskā vadība
Jaudas blīvuma aprēķini, kas lieliski darbojas istabas temperatūrā, kļūst bīstami neadekvāti pie -196 grādiem. Siltuma dinamika mainās tik krasi, ka tas, kas normālos apstākļos ir drošs vatu blīvums, var iznīcināt kasetnes sildītāju kriogēnajā režīmā.
Standarta kārtridžu sildītāji parasti darbojas ar jaudas blīvumu no 15 līdz 46 vatiem uz kvadrātcentimetru. Tomēr kriogēnajā vidē apkārtējā vide aktīvi darbojas pret sildelementu, iegūstot siltumenerģiju ātrāk nekā gaiss. Šķidrā slāpekļa vai kriogēnās gāzes siltumnesēja efekts nozīmē, ka nominālajai jaudai ir jāņem vērā ne tikai mērķa temperatūra, bet arī sākuma punkts,{4}}kas var būt -196 grādi vai zemāks.
Pieredze liecina, ka blīvums ir jāsaglabā zem 40 vatiem uz kvadrātcentimetru nepārtrauktai darbībai pie -180 grādiem, un ir ieteicams veikt turpmāku samazināšanu lietojumos, kas saistīti ar biežu termisko ciklu. Dažiem lietojumiem var būt nepieciešams vatu blīvums tikai no 5 līdz 15 W/cm², salīdzinot ar 30 līdz 50 W/cm² parastajiem sildītājiem. Šis samazinājums atspoguļo kriogēnās uzticamības izmaksas.
Temperatūras gradienta problēma izskaidro, kāpēc mazākam jaudas blīvumam ir nozīme. Kad elektrība plūst caur pretestības vadu kriogēnās temperatūrās, siltuma ražošana sākas nekavējoties. Magnija oksīda izolācija un metāla apvalks paliek šķidrā slāpekļa temperatūrā. Pirmajās darbības sekundēs starp materiālu saskarnēm veidojas temperatūras gradienti, kas pārsniedz 800 grādus uz centimetru. Šis ārkārtējais gradients rada mehāniskus spriegumus, kurus standarta konstrukcijas nevar izturēt.
Termiskās kontroles stratēģijas prasa fundamentālu pārdomāšanu kriogēniem lietojumiem. Parastās ieslēgšanas -izslēgtas regulatori rada temperatūras svārstības, kas paātrina materiāla nogurumu, veicot atkārtotus izplešanās-saraušanās ciklus. Vienkāršākais un populārākais veids, kā regulēt sildītāju, -to ieslēdzot un izslēdzot-, siltuma cikliskuma dēļ rada milzīgu slodzi uz sildītāja elementiem. Katru reizi, kad sildītājs darbojas, iekšējie komponenti piedzīvo termisko triecienu pēkšņu temperatūras maiņu dēļ. Kriogēnos lietojumos ar lielām termiskām masām un ekstremālām temperatūras atšķirībām ieslēgšanas{8}}izslēgšanas vadība izraisa agresīvu ciklisku darbību, kas paātrina nodilumu.
Proporcionāla vadība sniedz ievērojamas priekšrocības, samazinot ciklu skaitu. Pēkšņu svārstību vietā, kas rada termiskus gradientus un mehānisko spriegumu, sildelementi pakāpeniski pielāgo temperatūru. Fāzu-leņķa vai sērijveida šaušana var mainīt jaudas līmeni, būtiski nemainot procesa temperatūru, samazinot sildītāja detaļu un atbalsta konstrukciju mehānisko spriegumu.
PID kontroles algoritma regulēšanai ir nepieciešami kriogēniski{0}}īpaši apsvērumi, ko parastās pieejas neietver. Standarta regulēšanas procedūras, kas darbojas apkārtējā temperatūrā, var izraisīt nestabilas svārstības vai lēnu reakciju kriogēnās situācijās. Ļoti zemās temperatūrās procesa pastiprinājums, laika konstantes un miršanas laiki būtiski atšķiras, jo mainās materiāla īpašības un siltuma pārneses raksturlielumi. Kriogēnām lietojumprogrammām izstrādātie specializētie regulēšanas procesi uzlabo vadības veiktspēju.
Temperatūras noteikšana rada papildu problēmas, kas ietekmē vadības precizitāti. Izvēloties sensoru, jāņem vērā temperatūras diapazons, reakcijas laiks un saderība ar kriogēniem šķidrumiem. Sensoru izvietojums attiecībā pret sildītājiem un apstrādes līdzekļiem ietekmē vadības precizitāti un stabilitāti. T vai K tipa termopāri parasti tiek izmantoti kriogēniem lietojumiem.
Kaskādes vadības sistēmas piedāvā izsmalcinātu risinājumu, izmantojot slāņveida cilpas. Iekšējā cilpa kontrolē kārtridžu sildītāja [kārtridžu sildītājs] faktisko temperatūru, lai novērstu pārkaršanu un bojājumus. Ārējā cilpa uztur procesa temperatūru iestatītajā vērtībā. Smagās situācijās ar ievērojamu termisku aizkavi, šī arhitektūra aizsargā gan aprīkojumu, gan procesu.
Vienlīdz svarīgi ir arī iepriekšējas-sildīšanas protokoli. Nekavējoties pieslēdzot pilnu jaudu sildītājam, kas samērcēts kriogēnā temperatūrā, izraisa termisko šoku, kas ir pielīdzināms karsta stikla iegremdēšanai ledus ūdenī. Paaugstināšanas- secības, kas aptver vairākas minūtes, sākot ar samazinātu spriegumu, pagarina darbības ilgumu par trīs vai vairāk faktoriem, salīdzinot ar tiešu pilnas{4}}jaudas lietošanu.
Cietvielu-releji ar nulles-kross pārslēgšanu, kas savienoti pārī ar termopāriem, kas iegulti tieši sildītāja kodolā, nevis ārēji, nodrošina precizitāti, kas nepieciešama pakāpeniskām temperatūras pārejām. Šī pieeja samazina termiskos gradientus visā sildītāja garumā, novēršot karstos punktus, kas parasti izraisa atteices plaisas.
Vienai -galvas elektriskās apkures caurulei, kas darbojas kriogēnos apstākļos, saistība starp jaudas blīvumu, siltuma pārvaldību un ilgmūžību ir skaidra: zemāka ir drošāka, pakāpeniska ir labāka, un vadības precizitātei ir milzīga nozīme.
