وقتی بخاری‌های استاندارد جا نمی‌شوند: موردی برای تک‌ولتاژ 9 ولتی دقیق-

در مهندسی دقیق، یک موقعیت آشنا پیش می‌آید: یک ابزار تحلیلی کوچک یا تجهیزات پزشکی قابل حمل به گرمای محلی و کنترل‌شده نیاز دارد، با این حال تنها منبع تغذیه یک برد کنترل کوچک یا بسته باتری است که ۹ ولت خروجی می‌دهد. بخاری های کارتریجی صنعتی استاندارد که در ولتاژ 120 ولت یا 230 ولت کار می کنند نه تنها سازگار نیستند، بلکه ایمن نیستند و در این شرایط چندان مفید نیستند. این مهم ترین بازار برای بخاری های تخصصی-فشگی ولتاژ پایین و تک سر-است.

بخاری‌های کارتریج 9 ولت در مکان‌هایی که ایمنی، اندازه و سازگاری با وسایل الکترونیکی ولتاژ پایین بسیار مهم است، بخش‌های مهمی هستند. آنها برای استفاده های تخصصی، معمولاً کم- تا متوسط- ساخته شده اند. آنها را در تجهیزات آزمایشگاهی که نیاز به کنترل دقیق دما دارند، مانند محفظه‌های نمونه و میکرو{6}}راکتورها، و همچنین در پرینترهای سه بعدی پیشرفته، دستگاه‌های تشخیصی قابل حمل، و وسایل گرم‌کننده غذا{8} کوچک پیدا خواهید کرد. ایده اصلی در پس نحوه عملکرد آن هنوز یکسان است: یک سیم مقاومت سیم پیچ در داخل یک غلاف فلزی که توسط اکسید منیزیم (MgO) محکم بسته بندی شده عایق شده است، انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند. با این حال، اجرای آن در 9 ولت مشکلات مهندسی منحصر به فردی ایجاد می کند.

مشکل اصلی: مقاومت کم و جریان بالا

قانون اهم (P=V²/R) مشکل اصلی طراحی است. برای اینکه ولتاژ پایین 9 ولت کار کند، مقاومت داخلی (R) باید بسیار کم باشد. یک بخاری 25 واتی با ولتاژ 9 ولت فقط به مقاومت 3.24 اهم نیاز دارد و تقریباً 2.8 آمپر مصرف می کند. برای تطبیق با چگالی جریان بالاتر بدون گرمای بیش از حد، باید از سیم-سنج ضخیم‌تر یا مقاومت مقاومت پایین‌تر، مانند آلیاژهای نیکل{11}کروم خاص (مانند NiCr 60/15 یا FeCrAl سفارشی) استفاده کنید. این کار شکل داخلی و جریان گرما را در مقایسه با بخاری{15}}با ولتاژ بالا با همان اندازه تغییر می‌دهد.

یکی از اشتباهات بزرگی که بسیاری از مردم مرتکب می شوند این است که فکر می کنند بخاری هایی با اندازه یکسان اما ولتاژهای متفاوت ممکن است به جای یکدیگر استفاده شوند. مقادیر مقاومت داخلی بسیار متنوع است. اگر یک بخاری 9 ولتی را با یک بخاری 120 ولتی با همان اندازه جایگزین کنید، خروجی حرارت بسیار پایین خواهد بود زیرا مقاومت بسیار زیاد است. از طرف دیگر، قرار دادن یک بخاری 9 ولت بر روی منبع تغذیه 120 ولت، یک شکست فاجعه بار جریان اضافه ایجاد می کند زیرا جریان برای طراحی بسیار زیاد است.

الزامات طراحی برای سیستم های 9 ولت

برای اجرای موفقیت‌آمیز، تعدادی از معیارهای دقیق-باید وجود داشته باشد:

یکپارچگی و تناسب حرارتی:​ در سیستم‌های{0} ولتاژ پایین، که هر وات ورودی باید به خروجی قابل استفاده تبدیل شود، بازده رابط حرارتی یک پیش‌نیاز است. بخاری باید در سوراخ نصبی قرار داده شود که با تلورانس فشاری محکم و فشرده (معمولاً با فاصله کمتر از 0.05 میلی متر) ماشین کاری شده است. هر شکاف هوا یک عایق حرارتی قوی است که باعث می شود غلاف بخاری در داخل بیش از حد گرم شود در حالی که قسمت هدف عقب است. این به طور مستقیم باعث از کار افتادن زودهنگام بخاری با سوختن سیم پیچ یا تخریب MgO می شود.

یکپارچگی تحویل برق: شبکه تحویل برق ضعیف است زیرا جریان بیشتری نسبت به یک وات مشابه در ولتاژ بالاتر دارد. افت شدید ولتاژ در کانکتورها و کابل ها ممکن است کار را بسیار بدتر کند. برای اطمینان از اینکه 9 ولت کامل به پایانه های بخاری می رسد، باید از سیم های کوتاه، ضخیم و اتصالات{3}} جریان بالا استفاده کنید.

کارایی و کنترل سیستم: برای دستگاه‌های قابل حمل یا{0}}با باتری، بازده حرارتی مانند زمان اجرا است. بخاری باید با یک سنسور دما سریع و دقیق (مانند ترمیستور یا RTD) و یک کنترلر PID که تنظیم شده است کار کند. این باعث کاهش بیش از حد و دوچرخه سواری می شود که باعث صرفه جویی در انرژی می شود. کل مجموعه همچنین باید از نظر حرارتی از سایر دستگاه های حساس جدا شود تا گرمایش انگلی متوقف شود.

نتیجه گیری: یک رشته دقیق

گرمایش با ولتاژ پایین، به‌ویژه در 9 ولت، نسخه ساده‌تری از گرمایش صنعتی با قدرت بالا نیست. این زمینه ای است که به تطبیق دقیق قطعات، یکپارچگی حرارتی و کنترل توان نیاز دارد. ولتاژ پایین تر، کاهش مقاومت انگلی، اعم از الکتریکی و حرارتی، اهمیت بیشتری پیدا می کند. بنابراین، یک طراحی خوب نمی تواند بخاری را به عنوان یک مورد جداگانه در نظر بگیرد. این یک رویکرد سطح-سیستم است که با هم برای طراحی مشخصات بخاری، تناسب مکانیکی، زیرساخت الکتریکی و الگوریتم کنترل کار می‌کند. این سطح از یکپارچگی چیزی است که یک ایده گرمایش ساده را به یک راه حل حرارتی قابل اعتماد، کارآمد و ایمن برای کاربردهایی که دارای محدودیت فضا، ولتاژ و توان هستند تبدیل می کند.