在金屬切削工具、模具以及精密軸承的深冷處理中，液氮深冷箱把溫度降下去只是基礎(chǔ)，整個工作腔內(nèi)的溫度是否均勻往往更關(guān)鍵。溫度不均勻會導(dǎo)致同批次工件處理效果產(chǎn)生差異，有的部位殘余奧氏體轉(zhuǎn)變充分，有的則不徹底，最終反映在尺寸穩(wěn)定性和耐磨性上就是“離散度偏大”。那么，一臺液氮深冷箱的溫度均勻性究竟由哪些因素決定，改進方向又在哪里，值得技術(shù)人員仔細分析。
首要因素是箱內(nèi)的氣流組織設(shè)計。液氮深冷箱依靠液氮噴入或注入后汽化、與箱內(nèi)氣體混合，再通過風(fēng)機驅(qū)動在箱內(nèi)形成強制對流循環(huán)，將冷量傳遞給工件。如果氮氣流的路徑設(shè)計不合理，比如進風(fēng)口正對著工件某一面直吹，或者回風(fēng)死角過多，就很容易出現(xiàn)局部過冷或局部降溫滯后的情況。合理的設(shè)計會在導(dǎo)流板、風(fēng)道結(jié)構(gòu)和工件擺放區(qū)的相對關(guān)系上做足功課，力求使低溫氮氣在箱體工作區(qū)內(nèi)形成比較均勻的速度場和溫度場。有的深冷箱采用多方位進氮或可調(diào)式風(fēng)道，就是為了讓冷量擴散更均衡。
其次是液氮的噴入控制方式。如果液氮電磁閥只有簡單的開閉控制，一旦開啟，一股過冷液氮快速注入，箱內(nèi)溫度探頭檢測到的溫度可能會出現(xiàn)過沖和波動，從而引起瞬時溫度不均。采用模擬量調(diào)節(jié)閥或者脈沖寬度調(diào)制控制的系統(tǒng)，能根據(jù)溫度偏差大小動態(tài)改變閥門開度或開啟時間比例，使液氮供應(yīng)更為柔和，對維持深冷階段的溫度均勻性有利。另外，液氮噴嘴的霧化或分配特性也會產(chǎn)生影響，未汽化的液氮液滴如果直接滴落到工件上，會導(dǎo)致接觸式的局部劇烈降溫，這需要通過噴嘴位置和氣流混合區(qū)段的設(shè)計來避免。
箱體的保溫結(jié)構(gòu)和熱橋效應(yīng)同樣不容忽視。深冷箱內(nèi)溫度低至-150℃以下，環(huán)境大氣中的熱量通過箱壁持續(xù)傳入。如果箱門四周、貫穿件或密封條等部位存在薄弱點，外界熱量就會局部滲入，造成靠近箱壁和門口區(qū)域的工件溫度偏于回升。較好的保溫措施是從材料選擇和結(jié)構(gòu)上都盡量減少熱橋，比如箱體采用厚層聚氨酯絕熱或真空絕熱板，門封采用多道迷宮式密封，并設(shè)置加熱絲防止冰凍卡死。即便如此，大規(guī)格深冷箱的邊緣效應(yīng)仍難以完全消除，這就需要通過工藝手段來彌補，如合理布置工件與箱壁的距離。
裝爐量和工件擺放方式也會反過來影響均勻性。如果工件裝得過密，或大件擋住了氣流通道，內(nèi)循環(huán)風(fēng)受阻，局部會形成高溫區(qū)。因此，制定作業(yè)指導(dǎo)書時，應(yīng)明確建議的裝爐密度、層間距以及工件與出風(fēng)口、回風(fēng)口的相對位置。一些經(jīng)驗豐富的廠家會為用戶提供典型裝爐示圖，幫助車間人員養(yǎng)成一致的作業(yè)習(xí)慣。
此外，溫度傳感器的數(shù)量和布局也關(guān)系到均勻性評價的客觀性。單個測點溫度達標，并不代表整個箱體都達標。在出廠檢驗或現(xiàn)場驗收時，通常會采用多路熱電偶在工作區(qū)多個代表點同時采集數(shù)據(jù)，以評價實際的溫度偏差和波動度。用戶驗收液氮深冷箱時，可參考相關(guān)標準，要求廠家進行滿載或模擬滿載條件下的溫度均勻性測試，提供詳細的多點測試記錄。
綜合而言，改善液氮深冷箱溫度均勻性，需要從設(shè)備本體設(shè)計、控制系統(tǒng)策略和用戶使用習(xí)慣三方面協(xié)同考慮。選擇在氣流組織、液氮注入方式上經(jīng)過驗證的設(shè)備，加上規(guī)范的操作，才有可能讓同一批次的深冷處理工件的質(zhì)量表現(xiàn)趨于一致。
