سخانات الخرطوشة، والتي تُعرف أيضًا باسم-عناصر التسخين الأنبوبية أحادية الطرف أو سخانات الإدخال، عبارة عن أجهزة تسخين كهربائية صغيرة أسطوانية تم تصميمها للمواقف التي تتطلب حرارة عالية الشدة-في منطقة صغيرة ولا يمكن الوصول إلى الأسلاك إلا من طرف واحد. تعتبر هذه الأجزاء القابلة للتكيف ضرورية في العديد من المجالات لأنها تستطيع تسخين مساحات صغيرة بسرعة ودقة. يتم استخدامها على نطاق واسع في قوالب حقن البلاستيك وقوالب البثق للحفاظ على استقرار درجات الحرارة، وفي المعدات الطبية مثل أجهزة التعقيم وتدفئة السوائل، وفي الطابعات ثلاثية الأبعاد لإذابة الخيوط عن طريق تسخين الأطراف الساخنة، وفي آلات التعبئة والتغليف لإغلاق العمليات، وفي العديد من العمليات المعملية والصناعية التي تحتاج إلى تحكم حراري موثوق.

الفكرة الأساسية لسخان الخرطوشة هي إنشاء الحرارة وتحريكها والاحتفاظ بها في إطار وقائي قوي. سلك التسخين هو الجزء الرئيسي من المدفأة الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة عن طريق تسخين جول. يعد النيكل - الكروم (NiCr 80/20) أو الحديد - الكروم - الألومنيوم (FeCrAl) مثالين على السبائك - العالية المقاومة التي تستخدم بشكل شائع لصنع هذا السلك. يحب الناس سبائك NiCr لأنها لا تصدأ بسهولة، ولها نقطة انصهار عالية (حوالي 1400 درجة)، وتبقى مقاومتها ثابتة حتى بعد تعرضها لدرجات حرارة عالية لفترة طويلة. تعمل إصدارات FeCrAl بشكل أفضل في البيئات المؤكسدة ويمكنها التعامل مع درجات حرارة تشغيل قصوى أكبر، ربما تصل إلى 1200-1300 درجة في بعض الإعدادات. يتم لف السلك في شكل حلزوني مثالي لتحقيق أقصى استفادة من مساحة السطح والتأكد من توزيع الحرارة بالتساوي على طول المدفأة. يصطف هذا الملف مع المحور المركزي للسخان ويتم توصيله من أحد طرفيه بأسلاك الرصاص التي تخرج من المدفأة لتوصيلها بمصدر الطاقة.


تحيط حشوة مسحوق أكسيد المغنيسيوم (MgO) عالية النقاء بملف التسخين. يقوم هذا الحشو بشيئين مهمين: فهو يعزل الكهرباء ويوصل الحرارة. يتم استخدام MgO لأنه يتمتع بقوة عازلة عالية جدًا (والتي تحافظ على الملف والغلاف الخارجي من القصر) وموصلية حرارية عالية جدًا (وهي أفضل بكثير من الهواء أو العديد من العوازل الأخرى). للتخلص من جيوب الهواء، وتقليل المقاومة الحرارية، وتحسين نقل الحرارة من الملف إلى الغلاف، يتم تعبئة المسحوق بإحكام حول الملف، عادةً من خلال عمليات التدوير أو الضغط المتكرر. تضمن هذه التعبئة الضيقة أن يستجيب السخان بسرعة ويتمتع بكثافة عالية بالواط (تصل إلى 200+ واط/بوصة² في تصميمات عالية الكثافة- متأرجحة). يتيح ذلك للسخان تحقيق درجات حرارة التشغيل بسرعة بينما يدوم أيضًا لفترة طويلة.

يحيط الغلاف المعدني أو الأنبوب الخارجي بالمجموعة الداخلية بأكملها. إنه يحمي التجميع وهو الطريقة الرئيسية لانتقال الحرارة من قطعة العمل إلى التجميع. مواد الغلاف الشائعة هي درجات الفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304، 316L، أو 321 لمقاومة التآكل والقوة العامة؛ إنكولوي (سبائك النيكل-الحديد-الكروم) لدرجات الحرارة العالية جدًا أو البيئات المسببة للتآكل؛ والتيتانيوم للتوافق الحيوي في التطبيقات الطبية؛ أو حتى النحاس للتطبيقات التي تحتاج إلى توصيل حراري أفضل. يتم اختيار مادة الغلاف اعتمادًا على أشياء مثل درجة الحرارة التي سيتم استخدامها فيها، وكم الرطوبة التي ستتعرض لها، ومقدار الضغط الذي ستتعرض له، وعدد المواد الكيميائية التي ستتعرض لها. عادة ما يكون الأنبوب سلسًا حتى يتمكن من التعامل مع الضغط الداخلي أثناء ضغطه ولإيقاف التسربات.

في الطرف المفتوح (الرصاصي) للسخان، يعمل عدد من الأجزاء معًا للتأكد من أنه آمن ويعمل بشكل جيد. العازل، الذي عادة ما يكون مصنوعًا من السيراميك (مثل الحجر الصخري أو الألومينا)، يحافظ على أسلاك الرصاص في مكانها ويوفر عزلًا كهربائيًا إضافيًا. مواد مانعة للتسرب، مثل-مطاط السيليكون عالي الحرارة، وراتنجات الإيبوكسي، والزجاج-إلى-الأختام المعدنية، والتفلون، تمنع الرطوبة من الدخول إلى الحشو الداخلي. إذا دخلت الرطوبة، فقد يؤدي ذلك إلى إتلاف العزل وتلفه. للحفاظ على قوة العزل الكهربائي في حالات الرطوبة أو الغسل، من المهم جدًا إغلاق الأشياء جيدًا. أخيرًا وليس آخرًا، تربط أسلاك التوصيل أو الإنهاء المدفأة بمصدر الطاقة. عادةً ما تكون هذه الخيوط مصنوعة من سلك معزول يمكنه تحمل درجات الحرارة العالية (مثل الألياف الزجاجية أو السيليكون أو التيفلون) ولها ميزات تخفيف الضغط. وقد تشتمل أيضًا على وصلات مجعدة أو ملحومة لجعلها تدوم لفترة أطول.

للحصول على أفضل أداء وأطول عمر لسخانات الخرطوشة، فإن عملية التصنيع دقيقة للغاية. الخطوة الأولى هي اختيار سلك المقاومة ولفه حول قلب داعم، والذي يكون أحيانًا مصنوعًا من السيراميك. يتم لحام أسلاك الرصاص بالملف، ومن ثم يتم وضع الملف في أنبوب الغلاف المعدني. تتم تعبئة المنطقة الحلقية بين الملف والغمد بمسحوق MgO عالي النقاء- باستخدام إما الاهتزاز أو المكونات الهيدروليكية. يمر التجميع عبر التطريق (تقنية التشكيل على البارد التي تستخدم القوالب لتقليل القطر وضغط المحتويات) أو عدة عمليات ضغط للوصول إلى أعلى كثافة، والتي غالبًا ما تكون أكثر من 90% من الكثافة النظرية لـ MgO. هذا التكثيف يجعل من السهل على الحرارة أن تتحرك من خلاله ويجعلها أكثر استقرارًا. بعد ذلك، سيتم إغلاق طرف الرصاص، وسيتم تلدين طرف الرصاص لإزالة الضغط. وأخيرا، سيتم اختبار نهاية الرصاص لمقاومة العزل والاستمرارية. قد تشتمل النماذج المتقدمة على مزدوجات حرارية -مدمجة لاكتشاف درجة الحرارة أو توزيع القدرة الكهربائية للتدفئة في مناطق مختلفة.

تتمتع سخانات الخرطوشة بفوائد عديدة بسبب تصميمها المتقدم ولكن الصغير. إنها تسخن بسرعة، وهي فعالة جدًا (تفقد القليل جدًا من الحرارة)، وتوزع الحرارة بالتساوي، وتستمر لفترة طويلة (غالبًا آلاف الساعات في الظروف المقدرة)، ومقاومة الاهتزاز والصدمات، ويمكن أن تعمل بكثافة عالية من الواط دون ارتفاع درجة حرارة الملف. إن تصميمها الفردي- يجعل من السهل وضعها في الثقوب أو الفتحات العمياء، مما يجعلها أكثر فائدة بكثير من سخانات الشريط أو الشريط النموذجية في العديد من المواقف. نظرًا لأن العمليات الصناعية تتطلب المزيد والمزيد من الدقة والاعتمادية، فإن سخانات الخرطوشة تستمر في التحسن بفضل المواد الجديدة، وتوزيع القوة الكهربائية، والتكامل الذكي. وهذا يجعلها جزءًا مهمًا من تكنولوجيا التدفئة الكهربائية الحديثة.