กลไกการสูญเสียความเย็นในห้องทดสอบช็อกความร้อนเย็น ——การวิเคราะห์เชิงระบบโดยใช้วงจรคาร์โนย้อนกลับเป็นแกนหลัก

ห้องทดสอบช็อกความร้อนเย็นมีบทบาทสำคัญในการรับรองความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ อุตสาหกรรมอากาศและอวกาศ และยานยนต์ เมื่อเกิดความผิดปกติ “ไม่เย็น” กระบวนการทดสอบจะถูกขัดจังหวะทันที และอาจก่อให้เกิดความเสียหายรองต่อตัวอย่างทดสอบ บทความนี้ใช้วงจรคาร์โนย้อนกลับเป็นโครงทฤษฎีหลัก ประกอบกับข้อมูลการดูแลรักษาในพื้นที่ยาวนานหลายปี เพื่อทบทวนลักษณะเชิงกว้าง กลไกเชิงลึก และวิธีการวินิจฉัยการสูญเสียความเย็นอย่างเป็นระบบ พร้อมเสนอแนวทางการดูแลเชิงป้องกันที่สามารถปฏิบัติได้จริง ผลการศึกษาช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการสามารถระบุและแก้ไขความผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว และยังเป็นแนวทางสำหรับผู้ผลิตในการออกแบบเพื่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อีกด้วย

1 บทนำ
การเคลื่อนย้ายตัวอย่างทดสอบระหว่างโซนความร้อนสูงและความเย็นสูงอย่างรวดเร็ว ทำให้ห้องทดสอบช็อกความร้อนเย็นสามารถเปิดเผยข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ผ่านความต่างอุณหภูมิเชิงขั้ว [1] การรักษาความเย็นอย่างต่อเนื่องขึ้นอยู่กับการทำงานที่ถูกต้องของวงจรทำความเย็นแบบคาร์โนย้อนกลับ เมื่อวงจรนี้ถูกรบกวน ความสามารถในการทำความเย็นจะสูญหาย แม้ว่าผู้ผลิตจะตรวจสอบมาอย่างเข้มงวดก่อนจัดส่ง แต่การดำเนินงานในระยะยาวภายใต้ความผันผวนของไฟฟ้า การสึกหรอทางกล และการเสื่อมของน้ำยาทำความเย็น ยังคงสามารถกระตุ้นให้เกิดความผิดปกติได้อย่างกะทันหัน การทำความเข้าใจกลไกการล้มเหลวและสร้างกระบวนการแก้ไขปัญหาแบบมาตรฐานจึงมีความสำคัญสำหรับการรับรองความแม่นยำของการทดสอบและการลดเวลาหยุดทำงาน
2 วงจรคาร์โนย้อนกลับและโครงสร้างระบบ
2.1 ทฤษฎีวงจร
วงจรคาร์โนย้อนกลับประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลสองตัวและกระบวนการแอดิอาบาติกสองตัว [2] ในห้องทดสอบ วงจรถูกแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน:
(1) การบีบอัดแบบแอดิอาบาติก: ไอน้ำยาทำความเย็นความดันต่ำถูกอัดจนได้ความดันและอุณหภูมิสูง
(2) การปล่อยความร้อนแบบไอโซบาริก: แก๊สร้อนสูงความดันสูงควบแข็งตัวในคอนเดนเซอร์ โอนถ่ายความร้อนไปยังตัวกลางระบายความร้อน (อากาศหรือน้ำ)
(3) การขยายตัวแบบแอดิอาบาติก: น้ำยาแบบเหลวไหลผ่านอุปกรณ์ควบคุมการไหล (ท่อแคปิลารีหรือวาล์วขยายอิเล็กทรอนิกส์) เกิดการลดความดันและอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
(4) การดูดความร้อนแบบไอโซบาริก: น้ำยาแบบสองเฟสความดันต่ำระเหยในคอยล์เย็น ดูดความร้อนจากตัวอย่างและผนังห้อง ก่อนกลับไปยังคอมเพรสเซอร์
2.2 โครงสร้างระบบ
ห้องทดสอบแบบสามโซนทั่วไปประกอบด้วยโซนความร้อน โซนความเย็น และตะกร้าย้ายตัวอย่าง ระบบทำความเย็นมักเป็นแบบสองขั้นตอนคาสเคด:
(1) ขั้นความร้อนสูง: ใช้ R404A หรือ R507 สำหรับการเย็นเบื้องต้นและรักษาอุณหภูมิกลาง
(2) ขั้นความเย็นสูง: ใช้ R23 หรือ R508B สำหรับความเย็นลึกต่ำกว่า −55 °C
(3) อุปกรณ์สลับ: วาล์วโซลินอยด์บายพาสแก๊สร้อน ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนกลาง และวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ สำหรับการเชื่อมขั้นและจับคู่ภาระ
3 ลักษณะเชิงกว้างของการสูญเสียความเย็น
3.1 ความผิดปกติของอุณหภูมิ
เมื่อตั้งค่า −40 °C แต่ห้องยังคงเหนือ −20 °C หลังจาก 30 นาที และอัตราการลดอุณหภูมิ <1 °C·min⁻¹ วินิจฉัยว่าความสามารถในการทำความเย็นไม่เพียงพอ
3.2 ความผิดปกติของความดัน
ความดันข้างสูง <1.0 MPa หรือความดันข้างต่ำติดลบ บ่งชี้ว่าวงจรไม่สมดุล 3.3 พฤติกรรมคอมเพรสเซอร์ กระแสมอเตอร์ลดลง >20 % จากค่าปกติ หรือตัวป้องกันทำงานซ้ำบ่อย
4 การวิเคราะห์กลไกการล้มเหลวเชิงระบบ
4.1 ความผิดปกติของคอมเพรสเซอร์
4.1.1 ปัจจัยทางไฟฟ้า
แรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะหรือฮาร์มอนิกผิดรูปทำให้ขั้วคอนแทคเตอร์ถูกกัดกร่อน ขดลวดดูดไม่สนิท; การขาดเฟสทำให้ความร้อนในขดลวดสูงขึ้นและทริกเกอร์ป้องกันความร้อนภายใน
4.1.2 ปัจจัยทางกล
การสึกของซีลปลายสกรอล์ว แหวนลูกสูบแตก หรือความเยื้องของเพลาข้อเหวี่ยงเพิ่มขึ้น ลดประสิทธิภาพปริมาตร อุณหภูมิปล่อยลดลงในขณะที่อุณหภูมิดูดเพิ่มขึ้น ตรงกันข้ามกับสภาวะปกติ
4.1.3 การล้มเหลวของการหล่อลื่น
น้ำมันทำความเย็นถูกคาร์บอนไนซ์หรือเอมัลซิฟายด์ ทำให้ฟิล์มน้ำมันถูกทำลาย โลหะสัมผัสกันโดยตรงทำให้ติดขัด สามารถสังเกตระดับและสีน้ำมันผ่านช่องมองน้ำมันเพื่อเตือนล่วงหน้า
4.2 ความผิดปกติของน้ำยาทำความเย็น
4.2.1 การรั่วไหล
รอยร้าวเล็ก ๆ ในรอยเชื่อม แผ่นปะเก็นเสื่อมสภาพ หรือรอยร้าวของก้านวาล์ว (โดยเฉพาะวาล์วโซลินอยด์บายพาสแก๊สร้อน) ทำให้เกิดการสูญเสียค่อยเป็นค่อยไป เมื่อปริมาณน้ำยาต่ำกว่า 80 % ของการออกแบบ ความร้อนพิเศษที่เอวาโปเรเตอร์เพิ่มสูงขึ้นอย่างชัดเจนและความดันดูดลดลง
4.2.2 การอุดตันเนื่องจากน้ำแข็งหรือสิ่งสกปรก
ความชื้น >50 ppm ทำให้เกิดผลึกน้ำแข็งที่รูขยาย; อนุภาคสิ่งสกปรกทำให้เกิดการอุดตันของน้ำมัน ทั้งสองกรณีแสดงอาการความดันเอวาโปเรเตอร์ลดลงทันทีและคอมเพรสเซอร์สตาร์ท/หยุดบ่อย
4.2.3 ก๊าซที่ไม่ควบแข็ง
การสูญญากาศไม่สมบูรณ์ทำให้เหลืออากาศ ทำให้ความดันคอนเดนซิ่งสูงขึ้น และกำลังของคอมเพรสเซอร์เพิ่มขึ้น ขณะที่อัตราการทำความเย็นลดลง
4.3 ความผิดปกติของระบบควบคุม
4.3.1 เซ็นเซอร์เสื่อม
เซ็นเซอร์อุณหภูมิหรือความดันที่เสื่อมสภาพให้สัญญาณผิดพลาด ทำให้อัลกอริทึม PID สั่งการผิด
4.3.2 ข้อผิดพลาดของโปรแกรม
หากวาล์วบายพาสแก๊สร้อนยังคงเปิดอยู่ในช่วงรักษาอุณหภูมิต่ำ อุณหภูมิการระเหยจะเพิ่มขึ้นและไม่สามารถรักษาค่าที่ตั้งไว้ได้
5 กระบวนการวินิจฉัยและระบุตำแหน่งความผิดปกติ
5.1 การตรวจสอบเบื้องต้น
(1) ไฟฟ้า: ความไม่สมดุลสามเฟส <2 % ไม่มีการขาดเฟส (2) จอแสดงผล: บันทึกรหัสเตือนและเวลาทำงานของคอมเพรสเซอร์ (3) ช่องมองน้ำยา: ฟองต่อเนื่อง >5 s·min⁻¹ บ่งชี้การขาดน้ำยา
5.2 การทดสอบความดัน-อุณหภูมิร่วมกัน
ใช้เกจดิจิตอลวัดความดันข้างสูงและข้างต่ำ คำนวณความเย็นเกิน (ปกติ 3–5 K) และความร้อนพิเศษ (ปกติ 6–8 K) หากความเย็นเกิน <2 K และความร้อนพิเศษ >15 K บ่งชี้การขาดน้ำยาหรือวาล์วขยายผิดการตั้งค่า
5.3 การถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรด
สแกนตัวถังคอมเพรสเซอร์ ทางออกคอนเดนเซอร์ และทางเข้าเอวาโปเรเตอร์; ความต่างอุณหภูมิที่ผิดปกติเผยจุดรั่วหรือการอุดตัน
5.4 การทดสอบรั่วด้วยสูญญากาศ-ความดัน
หลังรีคลเวอร์น้ำยา อัดไนโตรเจน 1.8 MPa; การลดความดัน <0.03 MPa ใน 24 ชม. ถือว่าได้มาตรฐาน หากเกิน ใช้เครื่องตรวจฮาโลเจนอิเล็กทรอนิกส์เพื่อระบุตำแหน่งรั่ว
6 กลยุทธ์การดูแลเชิงป้องกัน
6.1 การจัดการน้ำยาทำความเย็น
(1) เติมแบบวัดปริมาณ: เติมให้ตรงป้ายชื่อ ±5 g โดยใช้เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมปิด
(2) ควบคุมความชื้น: เปลี่ยนไส้กรองแห้งทุก 1000 ชม.; ความชื้นเป้าหมาย <20 ppm 6.2 การบำรุงรักษาคอมเพรสเซอร์ (1) ทุก 2000 ชม. วัดฉนวนมอเตอร์ด้วยเมกเกอร์ 500 V (เป้าหมาย >100 MΩ)
(2) ทุก 4000 ชม. วิเคราะห์น้ำมัน; เปลี่ยนหากค่าความเป็นกรด >0.05 mgKOH·g⁻¹
(3) ทุก 8000 ชม. เปลี่ยนน้ำมันสังเคราะห์เกรดเดียวกับมาตรฐาน OEM
6.3 การดูแลวาล์วและท่อ
(1) เปลี่ยนตัววาล์วทั้งชุดเมื่อก้านโซลินอยด์มีรอยร้าว—ห้ามเชื่อมซ่อม
(2) ตรวจหารอยร้าวด้วยการทดสอบแบบ penetrant (PT) ทุกปีสำหรับรอยเชื่อมเชื่อมสแตนเลส; ซ่อมและทำให้เกิดโครงสร้างใหม่โดยการละลาย-แข็งตัว
6.4 การปรับปรุงโปรแกรมควบคุม
เพิ่มตรรกะ “การตัดสินแบบความดัน-อุณหภูมิสองตัวแปรสำรอง” ใน PLC: หากเซ็นเซอร์ทั้งคู่แสดงความผิดปกติต่อเนื่อง >30 วินาที ระบบจะหยุดทำงานและแสดงรหัสความผิดพลาดเพื่อป้องกันการหยุดผิดพลาดจากเซ็นเซอร์ตัวเดียว
การสูญเสียความเย็นในห้องทดสอบช็อกความร้อนเย็นมักเกิดจากการเสื่อมของคอมเพรสเซอร์ ความผิดปกติของวงจรน้ำยา และความผิดปกติของระบบควบคุม การใช้วงจรคาร์โนย้อนกลับเป็นกรอบทฤษฎีและสร้างต้นไม้ความผิดพลาดสามมิติ (ไฟฟ้า-กล-น้ำยา) สามารถลดเวลาระบุความผิดปกติให้เหลือไม่เกิน 30 นาที การตรวจหารอยรั่วแบบมาตรฐาน การเติมน้ำยาแบบวัดปริมาณ การเปลี่ยนชิ้นส่วนสำคัญเชิงป้องกัน และการอัปเกรดตรรกะควบคุม สามารถเพิ่ม MTBF ของระบบจาก 4000 ชม. เป็นมากกว่า 7000 ชม. เพื่อความมั่นใจด้านเทคนิคอย่างต่อเนื่องสำหรับการทดสอบความน่าเชื่อถือสภาพแวดล้อม