Tủ sốc nhiệt: Giới thiệu, phân loại, cơ chế hoạt động

1. Sốc nhiệt là gì

Sốc nhiệt là sự biến thiên nhiệt độ một cách đột ngột từ lạnh sang nóng và ngược lại từ nóng sang lạnh làm cho các phần khác nhau của một vật thể biến dạng theo các hướng khác nhau. Sự biến dạng khác biệt này có thể được hiểu theo nghĩa là trạng thái giãn nở hoặc co lại. Tại một số điểm có thể vượt qua sức chịu đựng của vật liệu, khiến vết nứt được hình thành.

2. Các loại tủ sốc nhiệt

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các hãng sản xuất tủ sốc nhiệt với mẫu mã và giá thành khác nhau. Nhưng điểm chung các tủ sốc nhiệt đều vẫn hoạt động trên một nguyên lý nhất định đó là tăng hoặc giảm đột ngột nhiệt độ của mẫu thử để kiểm tra độ bền vật liệu.

Trên thực tế, có nhiều loại tủ sốc nhiệt có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau tùy theo yêu cầu cần thử nghiệm và tiêu chuẩn quốc tế cần đáp ứng. Chính vì vậy, tủ sốc nhiệt cũng có nhiều cách để phân loại khác nhau.

Theo môi trường bên trong buồng thử nghiệm: Có 2 môi trường phổ biến là không khí và chất lỏng. Từ đó, người ta cũng phân loại ra các Tủ thử nghiệm sốc nhiệt (Thermal shock testing chamber) với cấu tạo bao gồm: một buồng, hai buồng và ba buồng.

Ngoài ra, trong một số trường hợp người ta còn thiết kế thêm các hệ thống rung bên trong các buồng sốc nhiệt để kiểm tra độ tin cậy của các mẫu cần kiểm tra trong.

2.1. Thử nghiệm sốc nhiệt trong môi trường không khí (Air to Air) – Loại phổ biến

Với loại này, không khí sẽ được gia nhiệt nóng lên hoặc làm lạnh trực tiếp ở bên trong buồng đặt mẫu (Loại tủ 1 buồng và 2 buồng) Hoặc không khí lạnh và không khí nóng sẽ được thổi bằng quạt từ một vùng khác vào trong buồng đặt mẫu (Loại tủ 3 buồng).

Thông thường để tạo ra khí nóng, người ta sử dụng các loại điện trở đốt để làm nóng không khí. Trong khi đó, các môi chất để làm lạnh thường được sử dụng phổ biến là R23, R32, R401, R507… Hoặc trong những trường hợp cần làm lạnh trong một khoảng thời gian rất ngắn, người ta sẽ sử dụng Nitơ lỏng (liquid nitrogen).

Với việc thử nghiệm trong môi trường khí, dải nhiệt độ của các tủ hiện nay thường nằm trong khoảng từ -80°C đến +200°C.

2.2. Thử nghiệm sốc nhiệt trong môi trường chất lỏng (Liquid to Liquid) – Loại ít phổ biến

Điểm khác biệt của loại tủ này là thay vì cung cấp khí nóng hoặc lạnh vào buồng test thì ta nhúng buồng test vào dung dịch chuyên dụng nóng hoặc lạnh. Loại tủ này thường được sử dụng để áp dụng sốc nhiệt rất mạnh cho mẫu thử, thời gian thử nghiệm nhanh, tối ưu khả năng chống lại biến dạng mẫu.

Tuy nhiên chi phí sử dụng tương đối lớn, đặc biêt với việc bảo quản chất lỏng chuyên dụng không tốt, nó rất dễ bay hơi, dẫn đến thất thoát là vô cùng lớn. Và mẫu thử cho loại tủ này cũng hạn chế về khối lượng cũng như thể tích buồng thử nghiệm so với các loại cơ bản.

2.3. Tủ sốc nhiệt 2 buồng và 3 buồng

Phổ biến trên thế giới hiện nay là tủ hai buồng và ba buồng. Với tủ ba buồng, ba vùng được đặt độc lập với nhau vào ba buồng, và buồng test có cơ chế cơ học có thể di chuyển sang buồng nóng hay lạnh. Vị trí các buồng cũng được các nhà sản xuất tùy biến có thể theo chiều dọc hoặc ngang.

Đối với loại tủ 2 buồng vùng kiểm tra có cơ chế vận hành như thang máy có thể di chuyển từ buồng nóng sang buồng lạnh và ngược lại. Thời gian di chuyển này thường chỉ trong vòng 10s.

Trong khi đó, Tủ sốc nhiệt loại 3 buồng sẽ bao gồm có Buồng nóng, buồng trung gian và buồng lanh. Điểm khác biệt lớn nhất giữa tủ 2 buồng và 3 buồng là mẫu được đặt cố định ở buồng trung gian của loại 3 buồng còn đối với loại 2 buồng thì mẫu sẽ di chuyển để thay đổi môi trường.

Trong quá trình thử nghiệm, không khí ở buồng nóng & buồng lạnh sẽ được gia nhiệt & làm lạnh tới một giá trị nhiệt độ được cài đặt theo yêu cầu.

Khi nhiệt độ ở buồng nóng đã đạt tới và ổn định tại giá trị cài đặt cửa buồng nóng sẽ tự động mở ra để thổi hơi nóng vào trong buồng trung gian nơi có đặt mẫu. Khi đó sẽ cần một khoảng thời gian để nhiệt độ duy trì ở một giá trị ổn định theo thông số cài đặt. Sau khi thời gian thử ở trong môi trường nóng kết thúc, cửa buồng nóng tiếp xúc với buồng trung gian sẽ đóng lại. tiếp đó của buồng lạnh lại mở ra để không khí lạnh thổi vào trong buồng trung gian nơi có đặt mẫu thử. Khi đó cũng cần một khoảng thời gian (5-10 phút) để nhiệt độ duy trì ở một giá trị theo thông số cài đặt.

Sau khi kết thúc thời gian mẫu ở trong môi trường lạnh thì cũng là thời điểm kết thúc một chu trình. Hệ thống có thể tự động lặp lại với nhiều chu kỳ khác nhau tùy theo yêu cầu của người dùng.

2.4. Tủ sốc nhiệt 1 buồng

Loại này ít phổ biến hơn. Nó chỉ có 1 buồng là buồng test và buồng này cố định, do chỉ có một buồng nên việc tăng giảm nhiệt độ đột ngột đòi hỏi tốc độ làm nóng cũng như làm lạnh của tủ là rất nhanh.

Thông thường những tủ này làm lạnh nhanh bằng khí nitơ, làm nóng cũng thổi trực tiếp khí nóng vào buồng. Ưu điểm của buồng này là kích thước nhỏ.

Tiếp theo hệ thống làm nóng và làm lạnh không khí. Các loại tủ sốc nhiệt đều được trang bị các quạt tuần hoàn trong buồng test, mục đích là tạo luồng khí giúp nhiệt độ phân phối đều trong không gian buồng. Không khí nóng thông thường được tạo ra bằng cách đốt các điện trở đốt công suất lớn (tương tự cách hoạt động của máy sưởi). Không khí lạnh thông thường được tạo ra bằng cách sự dụng máy nén khí (tương tự điều hòa, tủ lạnh). Vùng tạo không khí nóng và lạnh hoạt động độc lập với nhau.

3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của Tủ sốc nhiệt

Ban đầu mẫu thử được đưa vào buồng test, lúc này nhiệt độ buồng test chính là nhiệt độ môi trường.

Tiếp theo chúng ta sẽ chọn đưa mẫu thử lên đến ngưỡng nhiệt độ cao (hoặc thấp) bằng cách cung cấp không khí nóng hoặc lạnh vào buồng test thông qua cơ chế vận hành của ba loại tủ đã nêu bên trên.

Tiếp đến duy trì nhiệt độ ngưỡng đó trong một khoảng thời gian nhất định đủ để nhiệt độ bên trong các phần của mẫu thử đạt đến độ đồng nhất. Sau đó buồng test sẽ di chuyển từ vùng nóng sang lạnh (hoặc ngược lại) đối với tủ ba và hai buồng. Đối với tủ một buồng thì hệ thống đảo chiều cung cấp nhiệt (ngắt nóng cung cấp lạnh hoặc ngược lại). Sang môi trường nhiệt mới vật mẫu tiếp tục được duy trì một khoảng thời gian theo yêu cầu.

Như vậy là tủ sốc nhiệt đã hoàn thành một chu trình, thông thường một chương trình test sẽ lặp lại chu trình n lần tùy theo yêu cầu test.

Toàn bộ quá trình được điều khiển thông qua bảng điều khiển.