กลไกการสร้างสภาวะอุณหภูมิต่ำคงที่ในตู้ทดสอบอุณหภูมิต่ำ และแนวปฏิบัติด้านการดำเนินงานและการบำรุงรักษา

ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ เครื่องใช้ไฟฟ้า และวิทยาศาสตร์วัสดุ ผลิตภัณฑ์จำเป็นต้องได้รับการทดสอบในสภาวะอุณหภูมิต่ำระหว่าง −80 °C ถึง 0 °C เป็นเวลานานและซ้ำได้ เพื่อยืนยันความสมบูรณ์ของฟังก์ชันการทำงานและอายุการใช้งานภายใต้ความเย็นสุดขั้ว ธรรมชาติไม่สามารถจัดหาสภาพแวดล้อมที่ติดลบอย่างต่อเนื่อง ควบคุมได้ และคงที่ ดังนั้นจึงต้องใช้ตู้ทดสอบอุณหภูมิต่ำเพื่อสร้างภาระ cryogenic เทียม บทความนี้อธิบายอย่างเป็นระบบ—ผ่านสี่มุมมองหลัก: หลักการเทอร์โมไดนามิก สถาปัตยกรรมระบบ เส้นทางการถ่ายเทพลังงาน และแนวปฏิบัติการดำเนินงาน—ถึงกลไกภายในที่ตู้เหล่านี้ใช้สร้างและรักษาสภาวะอุณหภูมิต่ำคงที่ พร้อมทั้งมาตรการคุ้มครองภายนอกที่รับประกันความน่าเชื่อถือระยะยาว

รากฐานเทอร์โมไดนามิกและวงจรทำความเย็น
2.1 แบบจำลองวงจรคาร์โนย้อนกลับ
ตู้ทดสอบอุณหภูมิต่ำเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานย้อนกลับ โดยมีเป้าหมาย “สูบ” ความร้อนจากพื้นที่ทำงานไปยังสิ่งแวดล้อม วงจรคาร์โนย้อนกลับ ประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลสองกระบวนการและกระบวนการอาบาติกสองกระบวนการ โดยค่าสัมประสิทธิ์การทำงาน (COP) ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งเย็นและแหล่งร้อนเท่านั้น ในทางปฏิบัติใช้วงจรปั๊มไอ (vapour-compression) เพื่อประมาณแนวคิด
2.2 สี่ขั้นตอนหลักของวงจรปั๊มไอ
(1) การอัด: คอมเพรสเซอร์สกรอล์ปปิดสนิทอัดไอน้ำยาทำความเย็นที่มีความดันและอุณหภูมิต่ำ ให้กลายเป็นไอที่มีความดันและอุณหภูมิสูง; พลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นการเพิ่มเอนทาลปี้ ซึ่งขับเคลื่อนการปล่อยความร้อนต่อไป
(2) การควบแน่น: ไอที่มีความดันสูงเข้าคอนเดนเซอร์ไมโครแชนเนลแบบไหลขนาน แลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศห้อง (หรือน้ำเย็น) ควบแน่นเป็นของเหลวที่มีความดันสูงและเย็นกว่า
(3) การขยายตัว: ของเหลวความดันสูงผ่านวาล์วขยายอิเล็กทรอนิกส์หรือท่อเล็ก (capillary) เกิดการขยายตัวแบบอาบาติก ความดันและอุณหภูมิลดฮวบ กลายเป็นส่วนผสมสองเฟสเย็นจัด
(4) การระเหย: น้ำยาเย็นดูดซับความร้อนจากตัวอย่างและผนังตู้ในอีวาโปเรเตอร์ ระเหยกลับเป็นไอความดันต่ำ และถูกดูดเข้าคอมเพรสเซอร์อีกครั้ง ปิดวงจร
โครงสร้างระบบและการจับคู่พลังงาน
3.1 สถาปัตยกรรมแคสเคด
เมื่อเป้าหมายต่ำกว่า −40 °C น้ำยาตัวเดียวจะมีแรงดันระเหยต่ำเกินไป ใช้ระบบแคสเคดสองขั้น: ขั้นสูง (R404A) ปล่อยความร้อนที่ประมาณ −35 °C ส่วนขั้นต่ำ (R23 หรือ R508B) ระเหยใกล้ −85 °C ทั้งสองขั้นเชื่อมผ่านคอนเดนเซอร์แคสเคดแบบแผ่น ถ่ายเทความร้อนขั้นบันได
3.2 การปรับพลังงานแบบอินเวอร์เตอร์
ใช้คอมเพรสเซอร์ความเร็วแปรผันร่วมกับวาล์วขยาย PWM จับคู่ภาระความร้อนภายในตู้แบบเรียลไทม์ อัลกอริทึม PID ปรับรอบคอมเพรสเซอร์และองศาวาล์วต่อเนื่อง ลดการสวิงอุณหภูมิและประหยัดพลังงาน
3.3 การเสริมการถ่ายเทความร้อนหลายรูปแบบ
(1) ด้านอีวาโปเรเตอร์: ท่อทองแดงร่องใน + ฟินอลูมิเนียมไฮโดรฟิลิก เพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน; พัดลมเซนทริฟิวเกลียวปรับรอบ ให้ความแปรผันของอุณหภูมิ ≤ ±0.5 °C
(2) ด้านคอนเดนเซอร์: ท่อแบนไมโครแชนเนล φ7 มม. + ฟินคอร์รูเกท + พัดลมแกนเดียวอินเวอร์เตอร์ คอนเด็นซ์ไม่สวิงแม้อุณหภูมิห้องสูงขึ้น
3.4 ฉนวนสุญญากาศและการตัดสะพานความร้อน
ผนังตู้ 100 มม. โฟมโพลียูรีเทน + VIP แผ่นฉนวนสุญญากาศ ความต้านทานความร้อน ≤0.004 W m⁻¹ K⁻¹; กรอบประตูซีลซิลิโคนสองชั้น + สายฮีตเตอร์สแตนเลส กำจัดการเกาะน้ำแข็งและสะพานความร้อน ค่ารั่วไหล ≤0.3 %·K h⁻¹
กลยุทธ์ควบคุมสภาวะอุณหภูมิต่ำคงที่
4.1 โครงสร้างควบคุมแคสเคด
ลูปหลักควบคุมอุณหภูมิอากาศในตู้; ลูปรองตรวจวัดแรงดันระเหย สะท้อนความสามารถของอีวาโปเรเตอร์ ป้องกันปัญหาน้ำมันกลับคอมเพรสเซอร์
4.2 การชดเชยภาระความร้อนแบบฟีดฟอร์เวิร์ด
สัญญาณกระตุ้น (เปิดประตู, เปลี่ยนรอบพัดลม, เริ่มการละลายน้ำแข็ง) สั่งให้ควบคุมเพิ่มรอบคอมเพรสเซอร์ล่วงหน้า ลดการสวิงอุณหภูมิ
4.3 ตรรกะละลายน้ำแข็งอัจฉริยะ
เมื่อหนาน้ำแข็งทำให้แรงดันสูงขึ้นถึงค่าควบคุม ระบบสลับไปโหมดบายพาสแก๊สร้อน ใช้แก๊สปล่อยความร้อนหลอมน้ำแข็ง เวลา ≤3 นาที อุณหภูมิคืนค่า ≤1 °C
แนวปฏิบัติการดำเนินงานและการจัดการความปลอดภัย
5.1 สารอันตรายห้ามใส่
ห้ามใส่สารไวไฟ ระเบิดได้ หรือเกิดโพลิเมอร์ เช่น อีเทอร์ เอทานอล น้ำมันเบนซิน ไนโตรกลีเซอรีน มีเทน อะซิทิลีน ฯลฯ เพราะอาจเกิดไฮเดรตระเบิดหรือส่วนผสมอันตรายที่อุณหภูมิต่ำ
5.2 การทำความสะอาดและการสอบเทียบตามกำหนด
(1) ทุก 50 ชม. ตรวจฟินอีวาโปเรเตอร์ ถ้ามีน้ำแข็งบาง ๆ ให้ใช้แปรงนุ่มปัดออก
(2) ทุก 200 ชม. เช็ดผนังในตู้ด้วยเอทานอลไร้น้ำ ป้องกันไขมันหรือซิลิโคนปนเปื้อนเซ็นเซอร์
(3) ทุกหกเดือน สอบเทียบเซ็นเซอร์อุณหภูมิจุดสามจุดกับเทอร์โมมิเตอร์พลาตินัมมาตรฐาน ค่าคลาดเคลื่อน ≤ ±0.1 °C
5.3 การจัดการหล่อลื่นและการสึกหรอ
คอมเพรสเซอร์ขั้นต่ำใช้น้ำมัน POE ที่ไหลดีในอุณหภูมิต่ำ ทุก 1 000 ชม. เก็บตัวอย่างวัดค่าความเป็นกรดและความชื้น ถ้าค่าความเป็นกรด >0.1 mg KOH g⁻¹ ให้เปลี่ยนน้ำมัน
5.4 ความปลอดภัยทางไฟฟ้า
ชิ้นส่วนไฟฟ้าทั้งหมดเป็นไปตาม IEC 61010-1 หมวดแรงดันเกินชนิด II และระดับมลภาวะ 2 ค่าความต้านทานกราวนด์ ≤0.1 Ω; เซฟตี้เคิร์กเตอร์ ≤30 mA เพื่อป้องกันผู้ปฏิบัติงานในสภาพชื้น
บทสรุป
ด้วยการทำความเย็นแบบแคสเคด การเสริมการถ่ายเทความร้อนหลายรูปแบบ และการควบคุมปิดลูปความแม่นยำสูง ตู้ทดสอบอุณหภูมิต่ำสามารถให้สภาวะคงที่ในช่วง −80 °C ถึง 0 °C โดยมีการแปรผัน ≤ ±0.2 °C และความสม่ำเสมอ ≤ ±0.5 °C ระบบนี้เป็นแพลตฟอร์มจัดการความร้อนที่แม่นยำ ถูกผูกมัดด้วยกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกและดำเนินการผ่านทฤษฎีการควบคุมทางวิศวกรรม เพียงแต่เข้าใจหลักการแปลงพลังงานของวงจรทำความเย็นและปฏิบัติตามแนวทางการดำเนินงาน การบำรุงรักษา และความปลอดภัยอย่างเคร่งครัด จึงจะรับประกันความน่าเชื่อถือระยะยาว และเป็นฐานการทดสอบ cryogenic ที่แข็งแกร่งสำหรับอุตสาหกรรมขั้นสูง เช่น อิเล็กทรอนิกส์การบิน แบตเตอรี่ยานยนต์พลังงานใหม่ และอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ