Premisleki o vakuumu in izpuščanju plinov za kartušne grelnike -196 stopinj
Komore za simulacijo vesolja in visoko{0}}vakuumska raziskovalna oprema predstavljajo edinstven niz izzivov, ki daleč presegajo standardne zahteve za kriogeno ogrevanje. V vakuumu se toplota ne more premikati skozi konvekcijo-vse segrevanje mora biti sevalno ali prevodno. Ta temeljna sprememba v dinamiki prenosa toplote popolnoma spremeni delovanje kartušnega grelnika [kartušnega grelnika] in težave se le še povečajo, ko oprema deluje tudi pri temperaturah tekočega dušika.
Težava z izpuščanjem plinov mnoge inženirje ujame nepripravljene. Pri segrevanju lahko materiali, uporabljeni za izdelavo standardnih grelnikov kartuš, sproščajo hlapne kemikalije, ki onesnažijo vakuumske komore ali pustijo usedline na optičnih površinah. V aplikacijah za simulacijo vesolja lahko vodik in ogljikov monoksid izvirata iz razsutega materiala in površinskih onesnaževalcev, se usedeta na hladne optične površine in zmanjšata njihovo učinkovitost. To ni teoretičen pomislek,-to je praktični način neuspeha, ki je uničil nešteto eksperimentalnih kampanj in odložil kritične vesoljske projekte.
Izbira materiala v vakuumskih okoljih sledi drugačnim pravilom kot pri atmosferskih aplikacijah. Nerjaveče jeklo 304, ki je popolnoma primerno za splošno industrijsko ogrevanje, v vakuumu izloča preveč plinov, razen če je posebej obdelano. Tudi pri elektropoliranju in vakuumskem pečenju je 304 še vedno nezadosten za občutljivo simulacijo prostora. Stabilizirana mikrostruktura 316L z nizko vsebnostjo ogljika se bolje obnese v vakuumu in ko vakuum-kurimo za odstranitev hlapnih snovi, postanejo njegove stopnje izplinjanja sprejemljive za številne aplikacije.
Za kritične optične ali instrumentalne aplikacije sta Inconel 600 in 625 izbrana materiala. Te nikelj-kromove zlitine ohranjajo odlično čistost in stabilne oksidne luske, ki sproščajo zelo malo plina. Razlika v zmogljivosti izločanja plinov je osupljiva-pravilno pripravljen Inconel lahko doseže 10⁻¹² Torr-litrov/s-cm², medtem ko slabo pripravljen 304 lahko doseže samo 10⁻⁸ ali še slabše. To je 10.000-kratna razlika, ki določa, ali vesoljska simulacija deluje ali ne.
Električno obnašanje se močno spremeni tudi v vakuumu. Sponke, ki so ustrezno izolirane v zraku, lahko v vakuumu tvorijo oblok, zlasti pri povišanih temperaturah, kjer pride do izločanja plinov in sprememb materiala. Posebni vakuumski kartušni grelniki [kartušni grelnik] uporabljajo podaljšane plazilne poti-daljše razdalje vzdolž izolacijskih površin-za preprečevanje okvare. Standardne metode tesnjenja so tudi neuspešne v vakuumskih pogojih. Organskih tesnilnih mas, kot sta silikon ali epoksi, ni mogoče uporabiti, ker oddajajo plin. Hermetično tesnjenje s steklo-na-kovinsko ali keramično strukturo postane obvezno.
Odsotnost konvektivnega hlajenja v vakuumu pomeni, da toplotno upravljanje zahteva drugačno razmišljanje. Toplota lahko uhaja samo s prevodnostjo do montažnih površin ali sevanjem do okoliških površin. Zaradi tega so toplotni gradienti v grelniku hujši, zlasti med začetnim zagonom od -196 stopinj. V prvih sekundah delovanja lahko na mejah materiala nastanejo temperaturni gradienti več kot 800 stopinj Celzija na centimeter. V vakuumu, kjer ni zraka, ki bi ublažil te gradiente, se napetosti toplotnega šoka okrepijo.
Površinska obdelava igra ključno vlogo pri delovanju vakuuma. Elektropoliranje ustvari gladko, pasivno površino z minimalno ujeto kontaminacijo. Mehansko poliranje pusti -utrjeno površinsko plast s slabšimi lastnostmi izločanja plinov. Kemična pasivacija stabilizira oksidno plast. Te površinske obdelave v kombinaciji z izbiro osnovnega materiala določajo, ali grelec onesnažuje vakuumsko okolje ali vzdržuje zahtevane standarde čistoče.
Pri raziskovalnih nastavitvah z visokim-vakuumom postanejo potrdila o materialih, ki prikazujejo stopnje izpuščanja plinov, bistvena dokumentacija. Posebne konstrukcije z nizkim-odvajanjem plinov uporabljajo-magnezijev oksid visoke čistosti, skrbno izbrane tesnilne materiale in vakuumsko pečenje po izdelavi za zmanjšanje hlapnih emisij. Nekatere aplikacije zahtevajo grelnike z vgrajenimi-termočleni za neposredno temperaturno povratno informacijo, vendar mora biti spoj termočlena električno izoliran od grelnega tokokroga, da se izognete ozemljitvenim zankam in napakam pri meritvah.
Lastnosti toplotnega sevanja površine grelnika so pomembne tudi v vakuumu. Površinska emisijska sposobnost nadzoruje, kako učinkovito se toplota prenaša s sevanjem. Oksidirane površine oddajajo veliko toplote, polirane kovine pa zelo malo. Optimiziranje površinske obdelave grelnega plašča za učinkovitost sevanja ali nizko sproščanje plinov zahteva skrbne-odločitve o kompromisih.
Na koncu določitev grelnika kartuše [grelnik kartuše] za kombinirano kriogeno in vakuumsko storitev zahteva veliko preseganje standardne kataloške ponudbe. Kombinacija ekstremnega mraza, vakuumskih omejitev pri izpuščanju plinov in-prevladujočega prenosa toplote zaradi sevanja ustvarja zahteve, ki jih lahko izpolni le specializirano inženirstvo.
