極限温度カートリッジ ヒーターにおける材料科学の決定-

工業用暖房について話すと、あたかもそれが 1 つのことであるかのように「ステンレス鋼」を持ち出す人がいるでしょう。実際、カートリッジ ヒーターのメーカーは、さまざまな合金の中から、特定の範囲の温度や化学的条件に最適な合金を選択します。これらの材料の選択により、ヒーターが -40 度で使用した場合に何年も持続するか、数か月で故障するかが決まります。

ほとんどの工業用途では、304 ステンレス鋼が最適な材料です。 18% のクロムと 8% のニッケルが含まれているため、800 度までの酸化に非常に耐性があり、非常に低い温度でも堅牢さを保ちます。オーステナイト構造は、炭素鋼で起こる延性から脆性への移行を阻止するため、冷間で始動したり熱サイクルが発生したりしてもシースが粉砕することはありません。{6}}屋外機械、冷凍装置、一般的なプロセス加熱など、寒冷地でのほとんどの産業用途にとって、304 は性能とコストの最適な組み合わせです。


元の 304 組成に 2 ～ 3% のモリブデンを添加すると、316L ステンレス鋼は塩化物や工業用化学薬品に対する耐性がはるかに高まります。これは、塩や酸性の洗剤が通常のステンレス鋼を損傷する可能性がある沿岸地域、化学処理、または食品用途でも重要です。 「L」は低炭素含有量（0.03% 未満）を表し、溶接中に腐食を開始する可能性のある炭化物の形成を防ぎます。. 316L は、-40 度および腐食環境の両方にさらされるカートリッジ ヒーターで長持ちするため、20 ～ 30% の追加コストを支払う価値があります。

インコロイ 800 および 840 は、難しい作業に最適なオプションです。ニッケル-鉄-クロム合金には 30～35% のニッケルが含まれていますが、ステンレス鋼には 8～10% しか含まれていません。これにより、高温での酸化や浸炭に対する耐性が向上します。寒冷地での使用にとってさらに重要なのは、温度が大きく変化した場合でも、驚くべき機械的強度と延性を維持できることです。ニッケル濃度が高いため、-40 度でヒーターがオン/オフになったときに起こる熱衝撃にも耐性があります。

3.jpg 内部のパーツもこだわりの素材を使用しています。抵抗線は通常、80% ニッケルと 20% クロムである NiCr 80/20 で作られています。この材料が選ばれた理由は、一貫した耐性特性を持ち、1200 度までの酸化に耐えることができるからです。 FeCrAl (鉄-クロム-アルミニウム) やその他の合金は、より高い最高温度に低コストで対応できますが、延性が低く、温度が変化すると抵抗がより早く変化します。 NiCr 80/20 は、-40 度から +800 度までの温度で一貫した性能を実現する業界標準です。

酸化マグネシウム絶縁体は一般的な材料のように見えるかもしれませんが、純度のレベルは大きく異なる場合があります。工業グレードの MgO には、熱伝導率と絶縁耐力を低下させる不純物が含まれています。日本のタテホや英国の UCM などの専門メーカーの高純度 MgO は、20 度で 6 W/m・K 以上の熱伝導率と 10¹⁴ Ω・cm 以上の絶縁抵抗を持っています。平方インチあたりのワット数が多いシステムでは、ワイヤとシースの間に熱がこもるのを防ぎ、電気の故障を防ぐため、この純度が非常に重要です。



リード線の絶縁体は、他のどのタイプの絶縁体よりも適切な材料を選択する必要があります。 -40 度でも柔軟性を維持し、ヒーター接続点で 250 度に対応できる必要があります。標準的な PVC は両方の点で失敗します。-10 度以下では脆くなり、105 度で溶けます。シリコーンゴムは -60 度で曲がり、200 度でもそのままの状態を保つことができますが、傷には耐えられません。その答えは、耐熱性を高めるためにグラスファイバー編組を施し、化学物質や水から保護するためにシリコンまたはテフロンコーティングを施した複合材料で構築することです。鉱物絶縁を施した純ニッケル芯線 (MI ケーブル) は、-200 度から +600 度までの温度に対応でき、完全防水です。

端子ピンと内部接続には、ニッケル-マンガンまたは純ニッケル合金が使用されます。これらの合金はステンレス シースの熱膨張特性に適合し、錆びない電気チャネルを提供します。真鍮または銅の端子は安価ですが、ステンレス鋼と一緒に使用すると電気腐食セルが形成されます。また、加熱や冷却によって硬くなるため、接続の問題が発生する可能性があります。