Odabir materijala – razlika između uspjeha i katastrofalnog neuspjeha na -90 stupnjeva
Izbor materijala mnogo kritičnije određuje preživljavanje u kriogenim okruženjima nego što sugeriraju ocjene snage. Ovo je lekcija koja se opetovano uči u farmaceutskom skladištenju, ispitivanju zrakoplova i specijaliziranoj industrijskoj obradi gdje temperature dosežu -90 stupnjeva i niže.
Uzmite u obzir temperaturu prijelaza-na-lomljivo-točku u kojoj se materijal mijenja iz fleksibilnog u lomljiv. Mnoge uobičajene legure prelaze ovaj prag upravo u temperaturnom rasponu u kojem moraju raditi grijači kriogenih uložaka. Standardni nehrđajući čelik 304, iako je savršeno prikladan za opće industrijsko grijanje, postaje sve lomljiviji kako temperature padaju ispod -30 stupnjeva. Na -90 stupnjeva, njegova mehanička svojstva značajno degradiraju, čineći ga osjetljivim na pucanje pod toplinskim stresom ciklusa snage.
Nehrđajući čelik 316L nudi poboljšane performanse kroz niži sadržaj ugljika i poboljšani sastav nikla. Održava bolju žilavost i otpornost na toplinske udare koji se mijenjaju između ekstremne hladnoće i radnih temperatura. Za najzahtjevnije primjene, legure Inconel 600 ili 625 pružaju iznimnu otpornost na toplinski zamor, održavajući mehanički integritet preko temperaturnih razlika koje bi uzrokovale kvar standardnog nehrđajućeg čelika. Ove legure nikla-kroma otporne su na krtost koja uzrokuje ponovljene toplinske cikluse koji uzrokuju pucanje uobičajenih omotača.
Sama otporna žica zahtijeva jednaku pažnju. Legure nikla-kroma kao što je NiCr 80/20 moraju pokazati stabilna električna svojstva u cijelom temperaturnom rasponu-od kriogenih početnih uvjeta do radnih temperatura koje mogu doseći nekoliko stotina Celzijevih stupnjeva. Na -90 stupnjeva, vrijednosti otpora se mijenjaju. Standardne legure nikal-kroma mogu pokazati pad otpora od 10 do 15 posto na kriogenim temperaturama u usporedbi s okolnim uvjetima, što znači da se troši više struje i proizvodi više energije za dati napon nego što specifikacije mogu sugerirati. Ovaj se fenomen mora uzeti u obzir pri proračunu snage i dizajnu upravljačkog sustava.
Izolacija od magnezijevog oksida koja ispunjava grijač patrone predstavlja još jedan materijalni izazov. Magnezijev oksid visoke -čistoće izvrstan je za električnu izolaciju i toplinsku vodljivost, ali pokazuje tendenciju higroskopnosti koja postaje opasna u uvjetima smrzavanja. Vlaga zarobljena unutar tijela grijača tijekom proizvodnje ili prodiranja kroz nesavršene brtve može se smrznuti i proširiti na niskim temperaturama. Proširenje volumena od približno 9 posto kada se voda pretvori u led stvara dovoljan pritisak da pukne zbijenu izolaciju ili povuče plašt od krajnjih brtvi.
Vrhunski proizvođači to rješavaju procesima vakuum-ispunjavanja koji eliminiraju šupljine, nakon čega slijedi hermetičko brtvljenje pomoću keramičkih-na-metalnih brtvi ili specijaliziranih epoksidnih spojeva ocijenjenih za kriogenu upotrebu. Po-proizvodni-postupci pečenja na 120 do 150 stupnjeva Celzijusa osiguravaju uklanjanje zaostale vlage prije otpreme.
Prilikom specificiranja patronskih grijača za -okruženje od 90 stupnjeva, izbor materijala mora se proširiti izvan omotača kako bi obuhvatio svaku otpornu žicu komponente, izolaciju, brtve i izolaciju žice. Svaki materijal mora raditi pouzdano u cijelom temperaturnom rasponu koji će grijač imati.
