วัสดุศาสตร์เบื้องหลังเครื่องทำความร้อนแบบตลับ -196 องศา
การเลือกวัสดุเป็นตัวกำหนดความอยู่รอดในสภาพแวดล้อมแบบแช่แข็งที่มีวิกฤตมากกว่าระดับกำลังไฟที่แนะนำ เมื่อระบุเครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์สำหรับบริการไนโตรเจนเหลวที่ -196 องศา การเลือกใช้วัสดุปลอกหุ้ม ฉนวน และลวดต้านทาน จะสร้างความแตกต่างระหว่างการทำงานที่เชื่อถือได้นานนับปีและความล้มเหลวจากภัยพิบัติภายในไม่กี่วัน
ฝักเผชิญกับสภาวะที่รุนแรงที่สุด ที่ -196 องศา เหล็กสแตนเลส 304 มาตรฐานจะเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบเหนียว-ถึงเปราะ ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว ความหมายในทางปฏิบัติ: โลหะที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบสำหรับการทำความร้อนในอุตสาหกรรมทั่วไปจะเปราะและมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน
Inconel 625 เป็นตัวเลือกที่เหนือกว่าสำหรับปลอกเครื่องทำความร้อนแบบไครโอเจนิก ซูเปอร์อัลลอยโมลิบดีนัมนิกเกิล-โครเมียม-นี้รักษาความแข็งแรงและความเหนียวจากอุณหภูมิเยือกแข็งจนถึง 980 องศา ความแข็งแรงเมื่อยล้ายังคงดีเยี่ยมแม้ในอุณหภูมิไนโตรเจนเหลว นิกเกิลให้ความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากการกัดกร่อนของคลอไรด์ โครเมียมให้ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน และโมลิบดีนัมป้องกันการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยก คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ Inconel 625 เหมาะอย่างยิ่ง-สำหรับการใช้งานที่ท่อทำความร้อนไฟฟ้าแบบหัวเดียว-หมุนเวียนระหว่างอุณหภูมิแช่แข็งและอุณหภูมิสูงซ้ำๆ
สำหรับการใช้งานด้วยความเย็นจัดที่มีความต้องการน้อยกว่า สเตนเลสออสเทนนิติก เกรด 321 และ 316 จะมีความเหนียวได้ดีกว่า 304 เนื่องจากมีโครงสร้างจุลภาคที่เสถียร อย่างไรก็ตาม การใช้งานระดับไฮเอนด์-มักต้องการโลหะผสมอินโคเนลหรือไทเทเนียมที่สามารถรักษาความสมบูรณ์ทางกลในช่วง -196 องศาถึง +500 องศา
วัสดุฉนวนถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญอีกประการหนึ่ง แมกนีเซียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-เป็นฉนวนไฟฟ้าและการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม แต่จะดูดซับความชื้น-ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญที่อุณหภูมิแช่แข็ง ไอน้ำที่ติดอยู่ภายในตัวทำความร้อนระหว่างการผลิตหรือไหลผ่านซีลที่ไม่เพียงพอจะแข็งตัวและขยายตัวที่ -196 องศา การขยายตัวนี้จะสร้างแรงดันภายในเพียงพอที่จะทำให้ฉนวนที่อัดแน่นแตกหักหรือถอดปลอกออกจากซีลปลาย
กระบวนการผลิตระดับพรีเมียมจัดการเรื่องนี้ผ่านขั้นตอนการเติมสุญญากาศ-ที่ขจัดช่องว่าง ตามด้วยการปิดผนึกสุญญากาศโดยใช้การเชื่อมต่อระหว่างเซรามิก-กับ-โลหะ หรือสารประกอบอีพอกซีเฉพาะทางที่จัดทำขึ้นเพื่อหน้าที่ในการแช่แข็ง การดำเนินการ-อบ{5}}หลังการผลิตที่อุณหภูมิ 120 ถึง 150 องศา ช่วยให้มั่นใจได้ว่าความชื้นที่ตกค้างทั้งหมดจะถูกกำจัดออกไปก่อนจัดส่ง
ลวดต้านทานจะต้องแสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เสถียรตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมด โลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม เช่น NiCr 80/20 ทำหน้าที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม แต่ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามอุณหภูมิ ที่ -196 องศา ความต้านทานจะลดลงเมื่อเทียบกับระดับโดยรอบ หมายความว่าฮีตเตอร์จะดึงกระแสไฟมากขึ้นและสร้างพลังงานมากขึ้นในระหว่างการสตาร์ทขณะเครื่องเย็น คุณลักษณะนี้ในขั้นต้นจะช่วยเอาชนะผลกระทบการระบายความร้อนขนาดใหญ่ของสภาพแวดล้อมการแช่แข็ง แต่ยังเน้นไปที่สายไฟและความต้องการระบบควบคุมที่สามารถจัดการโอเวอร์โหลดชั่วคราวได้
การหดตัวทางความร้อนของวัสดุทำความร้อนจากอุณหภูมิห้องไปจนถึงอุณหภูมิไนโตรเจนเหลวจะอยู่ที่ประมาณ 0.3% สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม และ 0.2% สำหรับโลหะผสมอินโคเนล ความแตกต่างในจำนวนปลอกหุ้ม ฉนวน และแรงอัดลวดต้านทานนี้สร้างความกดดันภายในซึ่งโครงสร้างมาตรฐานไม่สามารถรับมือได้ โครงสร้างภายในเฉพาะทาง-รวมถึงการรองรับคอยล์ที่ยืดหยุ่น การบรรจุฉนวนที่เป็นไปตามข้อกำหนด และช่องว่างที่ออกแบบไว้-ทำให้เครื่องทำความร้อนแบบตลับ [เครื่องทำความร้อนแบบตลับ] สามารถรักษาความสมบูรณ์ผ่านการหมุนเวียนด้วยความร้อนซ้ำๆ
สำหรับการใช้งานทางวิทยาศาสตร์และการแพทย์ การปล่อยก๊าซออกของวัสดุทำให้เกิดข้อกังวลเพิ่มเติม เครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์มาตรฐานสามารถปล่อยสารเคมีระเหยเมื่อถูกความร้อน ปนเปื้อนในห้องสุญญากาศ หรือสะสมสารตกค้างบนพื้นผิวแสง โครงสร้างพิเศษที่ปล่อยก๊าซออกต่ำ-ใช้แมกนีเซียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง- วัสดุซีลที่คัดสรรมาอย่างดี และการอบแบบสุญญากาศหลังการผลิตเพื่อลดการปล่อยสารระเหย
ประเด็นสำคัญ: การเลือกใช้วัสดุสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบตลับ -196 องศา จำเป็นต้องดำเนินการเกินกว่าข้อกำหนดเฉพาะของแค็ตตาล็อกไปสู่การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมด้านความร้อนของแท้ มวลความร้อนของอุปกรณ์ที่ให้ความร้อน ความถี่ของการหมุนเวียนด้วยความร้อน และการสัมผัสกับของเหลวหรือไอระเหยจากการแช่แข็ง ล้วนมีอิทธิพลต่อการเลือกใช้วัสดุ
