Razmatranja o vakuumu i ispuštanju plinova za grijače uložaka od -196 stupnjeva
Komore za simulaciju svemira i visoko{0}}vakuumska istraživačka oprema predstavljaju jedinstven skup izazova koji daleko nadilaze standardne zahtjeve za kriogenim grijanjem. U vakuumu se toplina ne može kretati kroz konvekciju-svako grijanje mora biti radijacijsko ili vodljivo. Ova temeljna promjena u dinamici prijenosa topline u potpunosti mijenja način rada grijača uloška [grijača uloška], a problemi se samo umnožavaju kada oprema također radi na temperaturama tekućeg dušika.
Problem ispuštanja plinova hvata mnoge inženjere nespremne. Kada se zagriju, materijali koji se koriste za izradu standardnih grijača patrona mogu otpustiti hlapljive kemikalije koje zagađuju vakuumske komore ili ostavljaju naslage na optičkim površinama. U primjenama svemirske simulacije, vodik i ugljikov monoksid mogu potjecati iz rasutog materijala i površinskih kontaminanata, taložiti se na hladnim optičkim površinama i umanjiti njihovu učinkovitost. Ovo nije teoretska briga-to je praktičan način neuspjeha koji je uništio bezbrojne eksperimentalne kampanje i odgodio kritične zrakoplovne i svemirske projekte.
Odabir materijala u vakuumskim okruženjima slijedi drugačija pravila od atmosferskih primjena. Nehrđajući čelik 304, savršeno prikladan za općenito industrijsko grijanje, ispušta previše plinova u vakuumu osim ako nije posebno tretiran. Čak i uz elektropoliranje i vakuumsko pečenje, 304 ostaje nedostatno za osjetljiv rad na simulaciji prostora. Stabilizirana mikrostruktura 316L s niskim udjelom ugljika radi bolje u vakuumu, a kada se vakuum-paljuje radi uklanjanja hlapljivih tvari, njegove stope ispuštanja plinova postaju prihvatljive za mnoge primjene.
Za kritične optičke ili instrumentalne primjene, Inconel 600 i 625 postaju materijali izbora. Ove legure nikla-kroma održavaju izvrsnu čistoću i stabilne oksidne naslage koje otpuštaju vrlo malo plinova. Razlika u učinku ispuštanja plinova je nevjerojatna-pravilno pripremljen Inconel može doseći 10⁻¹² Torr-litara/sek-cm², dok loše pripremljen 304 može postići samo 10⁻⁸ ili još gore. To je razlika od 10 000 puta koja određuje hoće li svemirska simulacija raditi ili ne.
Električno ponašanje također se dramatično mijenja u vakuumu. Terminali koji su adekvatno izolirani u zraku mogu se iskriviti u vakuumu, posebno na povišenim temperaturama gdje dolazi do ispuštanja plinova i promjena materijala. Specijalizirani vakuumski patronski grijači [patronski grijač] koriste produžene puzne staze-veće udaljenosti duž izolacijskih površina-kako bi spriječili kvar. Standardne metode brtvljenja također ne uspijevaju u uvjetima vakuuma. Organska brtvila poput silikona ili epoksida ne mogu se koristiti jer ispuštaju plin. Hermetičko brtvljenje sa staklenim-na{-metalnim ili keramičkim strukturama postaje obavezno.
Odsutnost konvektivnog hlađenja u vakuumu znači da upravljanje toplinom zahtijeva drugačije razmišljanje. Toplina može izaći samo kroz provođenje do površina za montiranje ili zračenje do okolnih površina. To čini toplinske gradijente unutar grijača ozbiljnijima, posebno tijekom početnog pokretanja od -196 stupnjeva. Temperaturni gradijenti veći od 800 stupnjeva Celzijusa po centimetru mogu se formirati preko sučelja materijala u prvim sekundama rada. U vakuumu, bez zraka koji bi ublažio te gradijente, naprezanja toplinskog udara se pojačavaju.
Završna obrada površine igra ključnu ulogu u učinku vakuuma. Elektropoliranje stvara glatku, pasivnu površinu s minimalnom zarobljenom kontaminacijom. Mehaničko poliranje ostavlja površinski-očvrsli sloj s lošijim svojstvima ispuštanja plinova. Kemijska pasivizacija stabilizira oksidni sloj. Ove površinske obrade, u kombinaciji s odabirom osnovnog materijala, određuju hoće li grijač kontaminirati vakuumsko okruženje ili održavati potrebne standarde čistoće.
Za visoke-vakuumske istraživačke postavke, certifikati materijala koji pokazuju stope ispuštanja plinova postaju ključna dokumentacija. Specijalizirane konstrukcije s niskim-ispuštanjem plinova koriste-magnezijev oksid visoke čistoće, pažljivo odabrane materijale za brtvljenje i vakuumsko pečenje nakon proizvodnje kako bi se smanjile emisije hlapljivih tvari. Neke primjene zahtijevaju grijače s ugrađenim-termoparovima za izravnu povratnu informaciju o temperaturi, ali spoj termopara mora biti električno izoliran od kruga grijača kako bi se izbjegle petlje uzemljenja i pogreške u mjerenju.
Svojstva toplinskog zračenja površine grijača također su važna u vakuumu. Površinska emisivnost kontrolira koliko učinkovito se toplina prenosi zračenjem. Oksidirane površine emitiraju puno topline, dok polirani metali emitiraju vrlo malo. Optimiziranje površinske obrade plašta grijača za učinkovitost zračenja ili nisko ispuštanje plinova zahtijeva pažljive odluke o kompromisu.
Na kraju, određivanje patronskog grijača [patronskog grijača] za kombiniranu kriogenu i vakuumsku uslugu zahtijeva daleko širenje od standardne kataloške ponude. Kombinacija ekstremne hladnoće, ograničenja vakuumskog ispuštanja plinova i prijenosa topline kojim dominira-zračenje stvara zahtjeve koje samo specijalizirano inženjerstvo može zadovoljiti.
