Razmatranja o vakuumu i ispuštanju plina za grijače s patronom od -196 stupnjeva
Komore za simulaciju svemira i visoko{0}}vakuumska istraživačka oprema predstavljaju jedinstven skup izazova koji daleko prevazilaze standardne zahtjeve za kriogenim grijanjem. U vakuumu se toplina ne može kretati konvekcijom-svo grijanje mora biti ili radijacijsko ili provodljivo. Ova fundamentalna promjena u dinamici prijenosa topline u potpunosti mijenja način na koji grijač patrone [grijač patrone] radi, a problemi se samo umnožavaju kada oprema također radi na temperaturama tekućeg dušika.
Problem ispuštanja gasa zateče mnoge inženjere nespremne. Kada se zagriju, materijali koji se koriste za izradu standardnih grijača uložaka mogu osloboditi isparljive kemikalije koje kontaminiraju vakuumske komore ili ostavljaju naslage na optičkim površinama. U aplikacijama za simulaciju svemira, vodonik i ugljični monoksid mogu doći iz rasutih materijala i površinskih zagađivača, taložeći se na hladnim optičkim površinama i degradirajući njihovu efikasnost. Ovo nije teoretski problem-već praktičan način neuspjeha koji je uništio bezbroj eksperimentalnih kampanja i odgodio kritične avio-svemirske projekte.
Odabir materijala u vakuumskim okruženjima slijedi drugačija pravila od primjene u atmosferi. Nerđajući čelik 304, savršeno adekvatan za opšte industrijsko grejanje, ispušta previše gasova u vakuumu osim ako nije posebno tretiran. Čak i sa elektropoliranjem i vakuumskim pečenjem, 304 ostaje nedovoljno za osjetljivu simulaciju prostora. Stabilizirana mikrostruktura 316L sa niskim sadržajem ugljika radi bolje u vakuumu, a kada se vakuum-ispali radi uklanjanja isparljivih tvari, njegove stope ispuštanja gasova postaju prihvatljive za mnoge primjene.
Za kritične optičke ili instrumentalne aplikacije, Inconel 600 i 625 postaju materijali izbora. Ove legure nikla-kroma održavaju odličnu čistoću i stabilne oksidne ljuske koje oslobađaju vrlo malo plina. Razlika u performansama ispuštanja gasa je zapanjujuća-ispravno pripremljen Inconel može dostići 10⁻¹² Torr-litar/sec-cm², dok loše pripremljen 304 može postići samo 10⁻⁸ ili gore. To je 10.000-struka razlika koja određuje da li svemirska simulacija funkcionira ili ne uspijeva.
Električno ponašanje se dramatično mijenja i u vakuumu. Terminali koji su adekvatno izolovani u vazduhu mogu se u vakuumu prelomiti, posebno na povišenim temperaturama gde dolazi do ispuštanja gasa i promena materijala. Specijalizirani vakuumski grijači kertridža [grijač kertridža] koriste produžene puzne staze-veće udaljenosti duž izolacijskih površina-kako bi spriječili kvar. Standardne metode zaptivanja takođe ne uspevaju u uslovima vakuuma. Organski zaptivači poput silikona ili epoksida ne mogu se koristiti jer ispuštaju gas. Hermetičko zaptivanje sa staklenim-metalnim ili keramičkim strukturama postaje obavezno.
Odsustvo konvektivnog hlađenja u vakuumu znači da upravljanje toplinom zahtijeva drugačije razmišljanje. Toplota može izaći samo kroz provodljivost na montažne površine ili zračenje na okolne površine. Ovo čini termičke gradijente unutar grijača ozbiljnijim, posebno tokom početnog pokretanja od -196 stepeni. Temperaturni gradijenti od više od 800 stepeni Celzijusa po centimetru mogu se formirati na sučeljima materijala u prvim sekundama rada. U vakuumu, bez zraka koji bi ublažio ove gradijente, naprezanja toplinskog šoka se intenziviraju.
Završna obrada površine igra ključnu ulogu u performansama vakuuma. Elektropoliranje stvara glatku, pasivnu površinu sa minimalnom kontaminacijom. Mehaničko poliranje ostavlja rad-očvrsnuti površinski sloj sa lošijim karakteristikama ispuštanja plinova. Kemijska pasivacija stabilizira oksidni sloj. Ovi površinski tretmani, u kombinaciji s odabirom osnovnog materijala, određuju da li grijač kontaminira vakuumsko okruženje ili održava potrebne standarde čistoće.
Za postavke istraživanja visokog{0}}vakuma, certifikati materijala koji pokazuju stope ispuštanja gasa postaju neophodna dokumentacija. Specijalizovane konstrukcije sa niskim-ispuštanjem gasa koriste magnezijum oksid visoke-čistoće, pažljivo odabrane materijale za brtvljenje i pečenje u vakuumu nakon proizvodnje kako bi se minimizirale isparljive emisije. Neke aplikacije zahtijevaju grijače sa ugrađenim-termoparovima za direktnu povratnu informaciju o temperaturi, ali spoj termoelementa mora biti električno izoliran od kruga grijača kako bi se izbjegle petlje uzemljenja i greške u mjerenju.
Svojstva termičkog zračenja površine grijača također su bitna u vakuumu. Emisivnost površine kontroliše koliko efikasno se toplota prenosi kroz zračenje. Oksidirane površine emituju mnogo topline, dok polirani metali emituju vrlo malo. Optimizacija površinske obrade omotača grijača za efikasnost zračenja ili nisko ispuštanje plinova zahtijeva pažljive odluke-o kompromisu.
Na kraju, specificiranje grijača kertridža [grijač kartridža] za kombinovanu kriogenu i vakuumsku uslugu zahtijeva daleko dalje od standardnih kataloških ponuda. Kombinacija ekstremne hladnoće, ograničenja vakuumskog ispuštanja plinova i prijenosa topline kojim-dominira zračenje stvara zahtjeve koje samo specijalizovani inženjering može zadovoljiti.
