इलेक्ट्रिक टाइटेनियम शीथ हीटर में, तापमान को नियंत्रित करने के लिए बिजली को अक्सर पल्स -चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम) का उपयोग करके मॉड्यूलेट किया जाता है। पीडब्लूएम सिग्नल की आवृत्ति यह निर्धारित करती है कि हीटर कितनी तेजी से चालू और बंद होता है। कम आवृत्ति (1 हर्ट्ज) पर, प्रत्येक चक्र प्रतिरोध तार और टाइटेनियम शीथ में 10-30 डिग्री के महत्वपूर्ण तापमान परिवर्तन का कारण बनता है। उच्च आवृत्ति (100 हर्ट्ज) पर, हीटर का थर्मल द्रव्यमान दालों को सुचारू कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप तापमान में केवल 1-5 डिग्री का उतार-चढ़ाव होता है। तापमान में ये उतार-चढ़ाव आंतरिक प्रतिरोध तार (आमतौर पर निकल -क्रोमियम मिश्र धातु) और टाइटेनियम शीथ दोनों में चक्रीय थर्मल तनाव पैदा करते हैं। प्रति चक्र कम तनाव आयाम के कारण 1 हर्ट्ज की तुलना में 100 हर्ट्ज पर संचालन करते समय थर्मोमैकेनिकल थकान जीवन 5-10 गुना बढ़ जाता है।

पावर मॉड्यूलेशन से थर्मोमैकेनिकल थकान का तंत्र

प्रत्येक शक्ति चक्र पर प्रतिरोध तार गर्म होता है, जो फैलता है। विस्तार आसपास के मैग्नीशियम ऑक्साइड इन्सुलेशन और टाइटेनियम शीथ पर जोर देता है। प्रत्येक बिजली बंद चक्र शीतलन और संकुचन की अनुमति देता है। तनाव आयाम (Δσ) थर्मल विस्तार के गुणांक के तापमान स्विंग (ΔT) गुना के समानुपाती होता है। NiCr तार के लिए,=14 × 10⁻⁶ /डिग्री; टाइटेनियम के लिए,=8.6 × 10⁻⁶ / डिग्री। 30 डिग्री तापमान स्विंग के साथ 1 हर्ट्ज मॉड्यूलेशन पर, NiCr तार लगभग 0.04% के चक्रीय तनाव का अनुभव करता है, जो लाखों चक्रों में कम - चक्र थकान पैदा करने के लिए पर्याप्त है। 5 डिग्री स्विंग के साथ 100 हर्ट्ज मॉड्यूलेशन पर, तनाव केवल 0.007% है, जो कि दोनों सामग्रियों के लिए थकान सीमा से कम है, जिससे लगभग-अनंत जीवन होता है।

पीडब्लूएम आवृत्ति के एक कार्य के रूप में मात्रात्मक थकान जीवन

15 W/cm² पावर घनत्व पर NiCr प्रतिरोध तारों के साथ ग्रेड 2 टाइटेनियम शीथ हीटर के नियंत्रित परीक्षण ने विभिन्न PWM आवृत्तियों के लिए निम्नलिखित थकान जीवन स्थापित किया है। निरंतर संचालन (कोई मॉड्यूलेशन, बेसलाइन नहीं) पर, प्रतिरोध तार का जीवन 100,000 घंटे से अधिक हो जाता है, और टाइटेनियम शीथ कोई थर्मल थकान नहीं दिखाता है। 40 डिग्री तापमान स्विंग के साथ 0.1 हर्ट्ज पीडब्लूएम (हर 10 सेकंड में एक चक्र) पर, प्रतिरोध तार का जीवन 2,000-5,000 घंटे है, और टाइटेनियम म्यान 10,000-20,000 चक्रों के बाद दरारें दिखाता है। 30 डिग्री स्विंग के साथ 1 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर, प्रतिरोध तार का जीवन 5,000-15,000 घंटे है, और टाइटेनियम शीथ 20,000-50,000 चक्रों के बाद दरारें दिखाता है। 15 डिग्री स्विंग के साथ 10 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर, प्रतिरोध तार का जीवन 20,000-50,000 घंटे है, और टाइटेनियम शीथ 100,000 चक्रों के भीतर कोई दरार नहीं दिखाता है। 5 डिग्री स्विंग के साथ 100 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर, प्रतिरोध तार का जीवन 100,000 घंटे से अधिक हो जाता है, और टाइटेनियम शीथ कोई थर्मल थकान नहीं दिखाता है। 1,000 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर, तापमान परिवर्तन 2 डिग्री से नीचे है, और प्रदर्शन निरंतर संचालन के बराबर है।

पीडब्लूएम संवेदनशीलता पर पावर घनत्व और हीटर ज्यामिति का प्रभाव

पीडब्लूएम आवृत्ति का प्रभाव बिजली घनत्व और हीटर के थर्मल द्रव्यमान पर निर्भर करता है। कम बिजली घनत्व (5 डब्ल्यू/सेमी²) पर, तापमान में उतार-चढ़ाव किसी भी आवृत्ति के लिए छोटा होता है, इसलिए 1 हर्ट्ज पीडब्लूएम सिग्नल केवल 10 डिग्री स्विंग पैदा करता है, और तार का जीवन 20,000-50,000 घंटे होता है। उच्च शक्ति घनत्व (25 डब्ल्यू/सेमी²) पर, 1 हर्ट्ज पीडब्लूएम सिग्नल 50 डिग्री स्विंग उत्पन्न करता है, जिससे तार का जीवन 1,000-3,000 घंटे तक कम हो जाता है। एक पतली -दीवार वाली ट्यूब (0.9 मिमी) के लिए, तापीय द्रव्यमान कम होता है, और तापमान में उतार-चढ़ाव बड़ा होता है। मोटी -दीवार ट्यूब (2.0 मिमी) के लिए, थर्मल द्रव्यमान अधिक होता है, और तापमान में उतार-चढ़ाव 30-50% तक कम हो जाता है। एक लंबे हीटर (2 मीटर) के लिए, थर्मल द्रव्यमान सिरों पर तापमान के उतार-चढ़ाव को भी कम कर देता है।

टाइटेनियम शीथ हीटर के लिए पीडब्लूएम फ्रीक्वेंसी चयन गाइड

निम्नलिखित तालिका बिजली घनत्व, वांछित हीटर जीवन और तापमान नियंत्रण आवश्यकताओं के आधार पर पीडब्लूएम आवृत्ति के लिए सिफारिशें प्रदान करती है।

पीडब्लूएम फ्रीक्वेंसी चयन से परे इंजीनियरिंग

टाइटेनियम ग्रेड प्रतिरोध तार के थर्मल थकान प्रतिरोध को प्रभावित नहीं करता है, लेकिन ग्रेड 7 टाइटेनियम में ग्रेड 2 के समान थर्मल विस्तार होता है। प्रतिरोध तार सामग्री थकान जीवन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है; NiCr 80/20 तार में FeCrAl तार की तुलना में बेहतर थर्मल थकान प्रतिरोध होता है। मैग्नीशियम ऑक्साइड इन्सुलेशन गुणवत्ता मायने रखती है; अच्छी तरह से -कॉम्पैक्ट एमजीओ गर्मी को बेहतर ढंग से स्थानांतरित करता है, जिससे तार और शीथ के बीच तापमान का अंतर कम हो जाता है। सॉफ्ट{7}स्टार्ट पावर कंट्रोल (फुल ऑन{8}ऑफ पल्स के बजाय धीरे-धीरे पावर वृद्धि) थर्मल तनाव को और कम कर सकता है। सटीक तापमान नियंत्रण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, उच्च पीडब्लूएम आवृत्ति (100-1,000 हर्ट्ज) को हमेशा प्राथमिकता दी जाती है।

एक सूचित विशिष्टता बनाना

पावर मॉड्यूलेशन वाले टाइटेनियम शीथ हीटर के लिए, थर्मोमैकेनिकल थकान को कम करने के लिए 100 हर्ट्ज या उससे अधिक की पीडब्लूएम आवृत्ति निर्दिष्ट करें। 20 डब्लू/सेमी² से ऊपर के उच्च {{2} पावर {{3} घनत्व वाले अनुप्रयोगों के लिए, 1,000 हर्ट्ज पीडब्लूएम निर्दिष्ट करें या ऑन {8} ऑफ मॉड्यूलेशन के बजाय चरण {7} कोण नियंत्रक (सुचारू पावर नियंत्रण) का उपयोग करें। कम आवृत्ति (1 हर्ट्ज) पर चलने वाले मौजूदा हीटरों के लिए, एक स्मूथिंग प्रारंभ करनेवाला जोड़ें या नियंत्रक को उच्च आवृत्ति पीडब्लूएम में बदलें। यदि ±2 डिग्री का तापमान नियंत्रण परिशुद्धता स्वीकार्य है, तो 10 हर्ट्ज की आवृत्ति अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त थर्मल थकान जीवन प्रदान करती है। 1 हर्ट्ज के बजाय 100 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर काम करके, इंजीनियर तापमान परिवर्तन को 30 डिग्री से घटाकर 5 डिग्री कर देता है, जिससे प्रतिरोध तार और टाइटेनियम शीथ की थकान का जीवन 5-10 के कारक तक बढ़ जाता है।