Kāds maksimālais pieļaujamais maksimālais raupjums (Rz) 316. sildītāja apvalka caurules iekšējā diametrā novērš lokālu pārkaršanu, ko izraisa kontakta pretestības izmaiņas, izmantojot MgO izolācijas slāni

Urbuma virsmas faktūras slēptais mainīgais siltuma pārneses vienmērīgumā

Iekšējā diametra virsmas apdare, ti, 316 nerūsējošā tērauda ietītu elektriskās apkures cauruļu maksimālais raupjums (Rz, vidējais maksimālais virsmas maksimumu augstums) ir būtisks faktors, lai kontrolētu kontakta pretestību starp apvalku un blīvētā magnija oksīda (MgO) izolācijas slāni. Nelīdzenai iekšējai virsmai ar augstām virsotnēm (Rz > 10-15 µm) MgO pulveris sablīvē nevienmērīgi: augsts kontakta spiediens virsotnēs rada augstāku lokālo siltumvadītspēju, savukārt ielejās (ar zemāku kontaktspiedienu vai gaisa spraugām) veidojas augstākas termiskās pretestības apgabali. No tā izrietošās siltuma pārneses svārstības ap apkārtmēru un lejup pa asi var izraisīt pretestības stieples lokālu pārkaršanu virsotnēs (kur siltuma ieguve ir visefektīvākā) vai ielejās (kur tiek uzkrāts siltums). Ja Rz ir lielāks par 20 mikroniem, var rasties lokālas temperatūras svārstības 50-100°C, kas samazina stieples kalpošanas laiku 2-5 reizes. Šajā pētījumā ir kvantitatīvi noteikta korelācija starp iekšējo diametru Rz, kontakta pretestības viendabīgumu un sildītāja kalpošanas laiku.

Kontaktu pretestības variācijas mehānisms ar virsmas tekstūru

Sablīvēta MgO pulvera siltumvadītspēja nav materiāla konstante, bet ļoti atkarīga no kontaktspiediena starp MgO un apvalku. Vietās, kur apvalka iekšējai virsmai ir maksimums, vietējais kontaktspiediens ir ievērojams (savilkšanas dēļ) un liek MgO kristāliem nonākt ciešā saskarē ar metālu. Ielejā, kur virsma ir vismazāk sablīvēta, tiek atstātas gaisa spraugas (siltuma vadītspēja=0.03 W/m·K), kas darbojas kā siltumizolatori. Temperatūras kritums gaisa spraugā ir 50-200 reizes lielāks nekā cieši sablīvētā MgO apgabalā līdzīgai siltuma plūsmai. Būtisks parametrs ir pīķa nelīdzenums Rz (augstums no zemākās ielejas līdz augstākajai virsotnei), jo dziļākās ielejas rada vislielāko termisko pretestību. Rz vērtības, ja iekšējais diametrs ir lielāks par 10-15 µm, radīs pamanāmus karstos punktus.

Kvantificēta korelācija starp iekšējo diametru Rz un temperatūras vienmērīgumu

Galīgo elementu analīze, ko apstiprina termopāra mērījumi uz 316 apvalkiem (10 mm OD, 1,5 mm siena, NiCr stieple) ar dažādu iekšējo diametru virsmas apdari, ir izveidojusi šādus savienojumus starp Rz, temperatūras svārstībām un stieples kalpošanas laiku.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Jaudas blīvuma ietekme uz Rz jutību

Augsta Rz nelabvēlīgā ietekme pieaug, palielinoties jaudas blīvumam, jo ​​vienāda termiskās pretestības variācija rada lielāku absolūtās temperatūras pieaugumu.

Jaudas blīvums (W/cm^2) Maksimālais pieļaujamais Rz 10 000 stundu vadu kalpošanas laikā (um) Maksimālais pieļaujamais Rz 5000 stundu vadam (um) Ieteicamā specifikācija standarta pakalpojumam<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Virsmas apdare: iekšējā diametra praktiskā specifikācija

Reti ir gadījumi, kad iekšējā diametra virsmas apdare tiek norādīta standarta datu lapās pircējiem, norādot 316 apvalkotus sildītājus. Ieteicamā specifikāciju valoda liela jaudas blīvuma vai pagarināta mūža lietojumiem ir šāda:

Power Density >5 W/cm2 Mērķa kalpošanas laiks Rz (µm) Maksimālais iekšējais diametrs Ra (µm) Maksimālais iekšējais diametrs Mfg Nepieciešamā procesa verifikācijas metode 20 000 stundu<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Rz izraisīto karsto punktu lauka identifikācija

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 µm. Blakus esošajām sekcijām (ar izdzīvojušo vadu) ir zemāks Rz. Šādām kļūmēm risinājums ir noteikt zemāku Rz robežu turpmākiem pirkumiem. Sildītājs nav remontējams.

Iekšējā diametra apdares ietekme uz MgO blīvēšanu

Pat ar labu iekšējo diametru Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >18% samazinājums nodrošina, ka pat dziļas siles ir piepildītas ar MgO, bet var sabojāt pretestības vadu. Labākais slāņa samazinājums noteiktam iekšējā diametra apdarei ir:

Iekšējais diametrs Rz (µm) Ieteicamais minimālais slaucīšanas samazinājums (%) Ieteicamais maksimālais slaucīšanas samazinājums (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Nav ieteicams N/A
SECINĀJUMS: iekšējā diametra Rz definīcija lieljaudas sildītājiem

Elektriskām apkures caurulēm ar 316 nerūsējošā tērauda apvalku pie jaudas blīvuma > 5 W/cm 2 iekšējā diametra maksimālais raupjums (Rz) ietekmē kontakta pretestības regularitāti ar MgO izolācijas slāni. Rz vērtības, kas lielākas par 10 līdz 12 µm, rada lokālus karstos punktus ar temperatūras izmaiņām no 25 līdz 70 grādiem un samazina stieples kalpošanas laiku par 40–60%, salīdzinot ar gludu{10}}urbumu caurulēm. Pasūtot 316 apvalkus lielas-jaudas vai ilgstošam{14}}lietojumam, inženieriem ir jānorāda maksimālā iekšējā diametra Rz kritērijs (piemēram,<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15 000 stundas), elektropulēts urbums (Rz<6 µm) is recommended.