تکنسین های تعمیر و نگهداری در تاسیسات بیوتکنولوژی از این تماس وحشت دارند. یک سیستم ذخیره برودتی در -196 درجه باید خط گاز نیتروژن را گرم کند تا از تشکیل یخ جلوگیری کند، اما عناصر گرمایشی فعال نمی‌شوند. بخاری‌های کارتریجی استاندارد، که بر اساس رتبه‌بندی‌های{5} دمای اتاق مشخص شده‌اند، یا نمی‌توانند گرما تولید کنند یا در هنگام برق‌گرفتن در سرمای شدید فوراً می‌سوزند. مشکل کیفیت بخاری نیست، بلکه عدم تطابق اساسی بین مفروضات طراحی و واقعیت عملیاتی است.
بخاری‌های کارتریجی با دمای بسیار پایین{0} این چالش را از طریق مهندسی تخصصی که فرمت‌های استاندارد نمی‌توانند ارائه کنند، برطرف می‌کنند. در دمای 20- درجه و پایین‌تر، طرح‌های بخاری معمولی با حالت‌های خرابی متعدد مواجه می‌شوند: انقباض حرارتی تغییرات ابعادی ایجاد می‌کند که عایق ترک می‌خورد، رطوبت ورودی ناشی از تراکم باعث ردیابی الکتریکی می‌شود و خواص مواد به روش‌هایی تغییر می‌کند که تخریب را تسریع می‌کند. محیط نیتروژن مایع 196- درجه بیانگر حالت شدیدی است که این اثرات بر عملکرد غالب هستند.
انتخاب مواد برای بخاری های برودتی به طور قابل توجهی از روش استاندارد متفاوت است. فولاد ضد زنگ 304 که برای دماهای متوسط مناسب است، در دماهای برودتی با چقرمگی کاهش یافته شکننده می شود که خطر ترک خوردن ناشی از شوک حرارتی یا استرس مکانیکی را به همراه دارد. گریدهای آستنیتی 321 و 316 به دلیل ریزساختار تثبیت شده، شکل پذیری بهتری را حفظ می کنند، اما کاربردهای ممتاز نیازمند آلیاژهای Inconel یا تیتانیوم هستند که یکپارچگی مکانیکی را در محدوده دمایی کامل از 196- درجه تا +500 درجه حفظ کنند.
با توجه به داده های مهندسی برودتی، انقباض حرارتی مواد بخاری از دمای اتاق تا دمای نیتروژن مایع تقریباً 0.3٪ برای فولادهای زنگ نزن، 0.2٪ برای آلیاژهای Inconel است. این انقباض افتراقی بین غلاف، عایق و سیم مقاومت، تنش‌های داخلی ایجاد می‌کند که سازه‌های معمولی نمی‌توانند آن را تحمل کنند. ساختارهای داخلی تخصصی-تکیه‌های سیم پیچ انعطاف‌پذیر، بسته‌بندی عایق سازگار، و فاصله‌های مهندسی شده-یکپارچگی را از طریق چرخه حرارتی حفظ می‌کنند.
مدیریت رطوبت در برنامه‌های زیر{0}}صفر بسیار مهم است. هنگامی که تجهیزات برودتی در طول چرخه تعمیر و نگهداری یا قدرت گرم می شود، رطوبت اتمسفر روی سطوح سرد متراکم می شود. مهر و موم بخاری استاندارد، مناسب برای محیط های خشک، اجازه ورود آب را می دهد که خطرات الکتریکی ایجاد می کند و باعث تسریع خوردگی در هنگام بازگشت تجهیزات به حالت سرد می شود. آب بندی هرمتیک با سازه های-به فلزی یا سرامیکی، همراه با رطوبت گیرهای داخلی، محیط داخلی خشک را که برای قابلیت اطمینان ضروری است، حفظ می کند.
مشخصات چگالی توان برای بخاری های برودتی نیاز به رویکرد محافظه کارانه دارد. اختلاف دمای شدید بین بخاری و محیط-شاید 300 درجه یا بیشتر-شار گرمایی ایجاد می‌کند که به طراحی‌های استاندارد آسیب می‌زند. چگالی وات 5-15 وات بر سانتی متر مربع، در مقابل 30-50 وات بر سانتی متر مربع برای بخاری های معمولی، تضمین می کند که دمای داخلی در محدوده قابلیت های مواد باقی می ماند و در عین حال گرمای خروجی مورد نیاز را ارائه می دهد. این کاهش قیمت بهای قابلیت اطمینان برودتی است.
محاسبات ولتاژ و توان باید شرایط شروع سرد-را در نظر بگیرند. سیم مقاومت در -196 درجه مقاومت کمتری نسبت به دمای اتاق دارد-شاید 10-15٪ کمتر برای آلیاژهای نیکل-کروم. یک بخاری که 10 آمپر در 20 درجه می کشد ممکن است 11-12 آمپر در هنگام راه اندازی در نیتروژن مایع بکشد و مدارهای تغذیه و اجزای کنترل را تحت فشار قرار دهد. طراحی مدار باید این هجوم را در خود جای دهد، یا کنترل‌های محدودکننده جریان باید توالی راه‌اندازی را مدیریت کنند.
ویژگی های پاسخ حرارتی به طور چشمگیری در سرویس برودتی تغییر می کند. انتقال حرارت به نیتروژن مایع بسیار کارآمد است-جوش فیلم و رژیم‌های جوش هسته‌ای ضرایب انتقال حرارتی بالاتر از هوا یا آب ایجاد می‌کنند. بخاری به سرعت به دمای کار می رسد، اما کنترل دما به دلیل سرعت بالای انتقال حرارت، چالش برانگیز می شود. سیستم‌های کنترل سریع-با قرارگیری حسگر مناسب، پایداری را حفظ می‌کنند.
شیوه های نصب بخاری های برودتی بر عایق حرارتی و حفاظت مکانیکی تاکید دارد. بخش‌های انتهایی سرد{1} باید خارج از منطقه برودتی باقی بمانند تا از شکنندگی سیم سربی و خرابی اتصال الکتریکی جلوگیری شود. پایه های حرارتی یا مقاطع گرادیان انتقال از دمای برودتی به دمای محیط را مدیریت می کنند. عایق ارتعاشی از آسیب مکانیکی ناشی از عملکرد تجهیزات یا تنش چرخه حرارتی جلوگیری می کند.
مثال های کاربردی نیازمندی های تخصصی را نشان می دهند. بخارسازهای نیتروژن مایع از بخاری های کارتریجی برای جلوگیری از انجماد خطوط و کنترل دمای گاز برای فرآیندهای پایین دست استفاده می کنند. تجهیزات آماده سازی نمونه برودتی دماهای دقیق را برای جابجایی نمونه بیولوژیکی حفظ می کند. کنترل های محیطی ذخیره سازی سرد از تجمع یخ بر روی سطوح بحرانی جلوگیری می کند. هر کاربرد به طراحی بخاری خاصی نیاز دارد که برای محیط حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بهینه شده است.
بر اساس داده‌های قابلیت اطمینان میدانی، بخاری‌های کارتریج برودتی مشخص شده به‌درستی به فواصل 2- 5 ساله در سرویس مداوم نیتروژن مایع، در مقایسه با هفته‌ها یا ماه‌ها برای بخاری‌های استاندارد در همان محیط، دست می‌یابند. حق بیمه هزینه 3 تا 5 برابری برای طرح‌های دارای رتبه برودتی به سرعت از طریق حذف جایگزین‌های اضطراری و اختلال در تولید مرتبط بهبود می‌یابد.
صلاحیت تأمین‌کننده برای کاربردهای برودتی باید قابلیت‌های تخصصی را تأیید کند. گواهینامه های مواد برای خدمات برودتی، فرآیندهای آب بندی هرمتیک، و پروتکل های آزمایش برای عملیات دمای شدید، منابع واجد شرایط را متمایز می کند. مراجع از تاسیسات برودتی قابل مقایسه اعتباری فراتر از مشخصات کاتالوگ را ارائه می دهد.
انتخاب بخاری‌های کارتریجی با دمای فوق‌العاده{0}}به جای خرید قطعات ساده، چالش مهندسی سیستم را نشان می‌دهد. تجزیه و تحلیل حرارتی نیازهای حرارتی، طراحی مکانیکی برای چرخه حرارتی، طراحی الکتریکی برای ویژگی‌های شروع سرد-و یکپارچه‌سازی سیستم کنترل همگی باید برای عملکرد قابل اعتماد هماهنگ باشند. موفقیت مستلزم مشارکت بین طراح تجهیزات و تامین کننده بخاری با تخصص اثبات شده برودتی است.
