Ffiseg Oerni-Dechrau Cynhesu – Beth Sy'n Digwydd Mewn Gwirionedd Y Tu Mewn
Mae gwresogydd cetris ar dymheredd ystafell yn ddyfais syml. Gwneud cais pŵer, ac mae'n mynd yn boeth. Mae'r berthynas rhwng foltedd, cerrynt a gwrthiant yn dilyn cyfraith Ohm. Trosglwyddiadau gwres o'r wifren gwrthiant trwy'r inswleiddiad magnesiwm ocsid i'r wain metel, ac oddi yno i'r deunydd cyfagos. Syml.
Ar minws 60 gradd, nid oes dim am y broses hon yn syml mwyach.
Sioc thermol sy'n newid popeth
Pan fydd foltedd yn cael ei roi ar wifren gwrthiant sydd wedi'i oeri i dymheredd cryogenig, mae gwres yn dechrau cronni'n syth ar wyneb y wifren. Fodd bynnag, mae'r inswleiddiad magnesiwm ocsid a'r gwain metel o'i gwmpas yn dechrau ar yr un tymheredd oer. Yn ystod yr ychydig eiliadau cyntaf o weithredu, gall graddiannau tymheredd ar draws rhyngwynebau deunydd fod yn fwy na 500 gradd Celsius y centimetr.
Mae'r newid tymheredd cyflym hwn yn creu sioc thermol na all dyluniadau safonol ei drin. Mae'r deunyddiau gwain yn cracio, mae cysylltiadau mewnol yn torri, ac mae nodweddion inswleiddio yn diraddio.
Ehangu gwahaniaethol sy'n creu straen
Mae gwahanol ddeunyddiau'n crebachu ar gyfraddau gwahanol pan gânt eu hoeri. Mae gwresogydd cetris yn defnyddio deunyddiau lluosog - metel gwain, inswleiddio cerameg, gwifren ymwrthedd, a deunyddiau sêl - pob un â'i gyfernod ehangu thermol ei hun. Pan fydd y gwresogydd yn mynd o dymheredd ystafell i minws 60 gradd, mae'r deunyddiau hyn yn contractio ar gyfraddau gwahanol.
Mae'r crebachiad thermol o dymheredd ystafell i amodau cryogenig tua 0.3% ar gyfer dur di-staen a 0.2% ar gyfer aloion Inconel. Mae'r gwahaniaeth hwn o ran faint o wain, inswleiddio a chywasgu gwifren gwrthiant yn creu pwysau mewnol na all cystrawennau safonol eu trin.
Rhaid i ddyluniad roi cyfrif am y gwahanol gyfangiadau hyn heb greu straen mewnol sy'n cynhyrchu craciau neu broblemau trydanol.
Gwrthwynebiad sy'n newid gyda thymheredd
Mae ymwrthedd trydanol yr elfen wresogi yn newid gyda thymheredd. Mae gan aloion cromiwm nicel, y deunydd safonol ar gyfer gwifrau gwrthiant gwresogydd cetris, ymwrthedd is pan fyddant yn oer. Ar minws 60 gradd, gall y gwrthiant fod 10-15% yn is nag ar dymheredd ystafell.
Gallai gwresogydd sy'n tynnu 10 amp ar dymheredd ystafell dynnu 11-12 amp yn ystod y cychwyn cyntaf mewn oerfel eithafol. Gall y cerrynt mewnwth hwn - a all fod 5 i 8 gwaith y cerrynt gweithredu arferol - faglu torwyr cylchedau neu ddifrodi systemau rheoli nad ydynt wedi'u cynllunio ar ei gyfer.
Mae'r nodwedd hon yn ddefnyddiol ar gyfer goresgyn effaith sinc thermol amgylcheddau cryogenig, ond mae hefyd yn rhoi mwy o straen ar y wifren ac mae angen systemau rheoli a all drin gorlwythi dros dro.
Trosglwyddo gwres sy'n brwydro yn erbyn yr amgylchedd
Mae'r deunydd amgylchynol ar minws 60 gradd yn gweithredu fel sinc gwres ymosodol. Mae'n tynnu ynni thermol i ffwrdd o'r gwresogydd yn gyflymach nag y byddai aer neu ddeunyddiau cynhesach. Er mwyn cyrraedd a chynnal y tymheredd targed, rhaid i'r gwresogydd weithio'n galetach - sy'n golygu bod angen dwysedd wat uwch yn aml dim ond i gyrraedd tymereddau gweithredu.
Ond mae dwysedd wat uwch yn rhoi mwy o straen ar y cydrannau mewnol. Gall y wifren ymwrthedd ddatblygu mannau poeth lleol sy'n uwch na thymereddau diogel hyd yn oed pan fydd y wain allanol yn dal i ymladd yn erbyn yr amgylchedd oer.
Y -realiti cychwyn oer
Nid yw cychwyn gwresogydd cetris ar finws 60 gradd yn debyg i ddechrau un ar dymheredd ystafell. Mae'r sioc thermol, ehangiad gwahaniaethol, newidiadau gwrthiant, a heriau trosglwyddo gwres i gyd yn rhyngweithio mewn ffyrdd nad yw rhagdybiaethau dylunio safonol yn cyfrif amdanynt.
Mae deall y ffiseg hyn yn helpu i esbonio pam mae gwresogyddion safonol yn methu a pham mae angen dyluniadau arbenigol. Mae hefyd yn esbonio pam y gall strategaethau rheoli cywir - fel algorithmau cychwyn meddal sy'n cynyddu pŵer yn raddol - ymestyn oes gwresogydd yn sylweddol.
