The Silent Killer: Oxidation and the Gradual Death of a Cartridge Heater

Hylkishitari bilar venjulega ekki skyndilega vegna mikillar spennu, líkamlegs losts eða skammhlaups. Oftast endar það hljóðlega, með hægu, hægfara niðurbroti sem gerist algjörlega úr augsýn inni í lokuðu slíðunni. Helsti þögli morðinginn sem drepur þetta hægt og rólega er oxun á viðnámsvírnum. Þetta ferli styttir endingu jafnvel bestu 440V skothylkihitara, sérstaklega þegar þeir eru notaðir í langan tíma við stöðugt hitastig 200–350 gráður.

Spólaður viðnámsvír, venjulega 80/20 nikkel-króm (Nichrome) málmblöndur, er í miðju hvers skothylkishitara. Þessi tegund af vír er valin vegna þess að hún hefur mikla viðnám og er ónæm fyrir oxun við háan hita. En engin ál er örugg. á meðan vírinn verður of heitur (yfir 800–900 gráður), hvarfast hann við hvaða súrefni sem er til staðar. Þetta gerist jafnvel á meðan slíðurinn er í 400–500 gráðum. Þetta súrefni getur komið frá lofti sem var afgangs frá fyllingu, raka sem gufaði upp úr magnesíumoxíði (MgO) einangruninni, eða, hættulegast, súrefni úr loftinu sem kemst hægt í gegnum rofna innsigli.


Oxunarhvarfið myndar hjúp af krómoxíði (Cr₂O₃) á yfirborði vírsins sem er brothætt. Þessi mælikvarði er gagnlegur í fyrstu, en hann verður vandamál þegar hitastigið breytist. Í hvert sinn sem vírinn kveikir og slokknar stækkar hann og dregst saman, sem veldur álagi á oxíðlagið þar til það klofnar og losnar. Flögur flagna af, sem minnkar varanlega gagnlegt þversniðsflatar-vírsins. Þynnri vír hefur meiri rafviðnám (R=ρL/A), þannig að þegar sömu spennu (440V) er beitt, eykst straumþéttleiki og vírinn verður heitari. Þessi sjálf-styrkjandi hringrás-hærra hitastig → hraðari oxun → þynnri vír → enn hærra hitastig- heldur áfram þar til spólan opnast að lokum á veikasta punktinum, sem er venjulega þynnt eða hakkað stykki.

Algeng þumalfingursregla í greininni er að fyrir hverja 50 gráðu hækkun (90 gráður F) á vinnsluhita vír yfir hönnunarmörkum, skerðist líftíma hitara um helming. Þetta veldisvísissamband (venjulega líkt eftir Arrhenius-gerð jöfnu) útskýrir hvers vegna tveir 440V skothylkihitarar sem líta eins út en eru í sama móti geta varað í nokkuð mislangan tíma. Eining sem keyrir á 5 W/cm² gæti haft vírhitastig upp á 850 gráður og lifandi í 20.000 til 30.000 klukkustundir. Ef sama hitari er ýtt í 10–12 W/cm² vegna þess að hann hefur ekki góða hitastig eða of mikla úthreinsun, gæti hitastig víranna hækkað í 1000–1100 gráður, og dregið úr líftíma hans í 2.000–5.000 klukkustundir eða færri.

Svo að stjórna wattaþéttleika er áhrifaríkasta leiðin til að stöðva oxun. Formúlan er enn:
\\Formúlan fyrir wattaþéttleika (W/cm²) er: Heildarafl deilt með π sinnum þvermál (cm) sinnum hitaðri lengd (cm).

Fyrir staðlaða-hitanotkun á 440V (plötur, mót, innsiglisstangir, vökvahitun), heldur aflþéttleikanum á milli 5 og 8 W/cm² hitastigi slíðunnar hæfilegum (venjulega 50 til 150 gráður yfir hitastigi mótsins) og hitastigi innri vír örugglega undir 900 gráðum. Til að koma í veg fyrir að vírinn verði of heitur, þarf meiri þéttleiki sérstaka hitaflutnings-smíði, rembed göt með 0,05–0,10 mm úthreinsun, hitauppstreymi og mygluefni sem leiða hita vel.

Lokaþéttingin er fyrsta og mikilvægasta vörn hitarans gegn því að súrefni berist utan frá. Þegar gasið kólnar dregst það saman og myndar lítið lofttæmi sem gæti „andað“ raka, súrefnisríka loftið í gegnum veikburða innsigli. Þessi innöndun aftur og aftur nærir eld oxunar. Há-epoxý, gler-í-málmur eða keramikþéttingar sem eru metnar fyrir 250–400 gráðu samfellda notkun eru notaðar í hágæða 440V skothylkihitara. Þessar innsigli eru almennt varin með auka pottum eða sílikonstígvélum til að halda óhreinindum og ryki úti. Eftir nokkur hundruð lotur brotna eða mýkjast slæmar innsigli, sem flýtir fyrir niðurbrotsferlinu.

Gæði MgO þjöppunar eru jafn mikilvæg. Duft sem er laust eða ekki rétt pakkað hefur eyður þar sem súrefni getur safnast upp og heitir blettir geta komið fram. Smölun (eða velting) þrýstir öllu samsetningunni saman, gerir þvermálið 10–20% minna og gerir MgO þéttara í næstum hæstu gildi. Þetta heldur ekki aðeins súrefni úti heldur heldur vírnum þétt á sínum stað svo hann þreytist ekki af titringi og hjálpar hita að fara frá spólunni. Ofnar ofnar vinna venjulega við hærri wattaþéttleika og endast lengur en spóluhitarar með sömu einkunn.

Jafnvel þó að oxun sé varmafræðilega óumflýjanleg, er hægt að hægja verulega á henni með því að taka viljandi ákvarðanir um hönnun og uppsetningu: - Veldu wattaþéttleika vandlega fyrir verkið (5–8 W/cm² er dæmigert; aðeins hærra ef hitastig hefur verið staðfest). - Gakktu úr skugga um að götin passi fullkomlega (H7/h6 passi rétt) og notaðu {6} blý réttan í og álagsléttir til að halda skautunum öruggum fyrir raka, skvettum kælivökva og ætandi gufum. - Áður en hitararnir eru notaðir í fyrsta skipti, bakaðu þá út (notaðu lágspennurampa til að losna við fastan raka) og gerðu megger próf öðru hvoru til að koma auga á snemmmerki um einangrunarskemmdir. - horfðu á mikla einangrun A-1 fyrir mjög erfiðar aðstæður eða hönnun sem skynjar hitastig vírsins inni í vírnum sjálfum. Þessi hönnun gerir þér kleift að hafa þéttari stjórnun með lokuðum lykkjum og lægra meðalhitastig víra.

Oxun er fíngerði þjófurinn sem stelur líftíma hitara klukkutíma eftir klukkustund þegar þeir ganga á 440V allan tímann. Plöntur geta lengt líftíma hitahylkja frá mánuðum til ára með því að fylgja hitatakmörkunum, hámarka þéttleika og styrkja þéttingu og einangrun. Þetta breytir því sem áður virtist vera óumflýjanleg staðgengill í áreiðanlega, -langtímalausn. Hinn þögli morðingi nær aðeins árangri þegar aðgerðir hans eru hunsaðar; að þekkja og berjast gegn oxun breytir læðingi dauða í stöðuga frammistöðu.