恒溫恒濕試驗(yàn)箱（Constant Temperature & Humidity Chamber）是環(huán)境可靠性試驗(yàn)的通用平臺(tái)，其本質(zhì)是在密閉腔體內(nèi)復(fù)現(xiàn)并精確維持特定的溫濕度條件。任何一臺(tái)符合 GB/T 2423、IEC 60068、MIL-STD-810 等標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，都必須同時(shí)具備升溫、降溫、加濕、除濕四項(xiàng)基本功能。本文以工程視角對四項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)路徑、關(guān)鍵零部件及控制邏輯進(jìn)行系統(tǒng)闡述，為選型、使用、維護(hù)提供技術(shù)參照。
一、升溫功能：電—熱—風(fēng)閉環(huán)控制
1.1 熱負(fù)荷計(jì)算
腔體升溫所需功率 Q（W）可由 Q = cmΔT/t 估算，其中 c 為空氣比熱容（≈1.0 kJ·kg⁻¹·K⁻¹），m 為有效空氣質(zhì)量，ΔT 為目標(biāo)溫差，t 為期望升溫時(shí)間。工程上附加 30 % 裕量以補(bǔ)償壁面熱損。
1.2 加熱執(zhí)行單元
主流方案采用鎳鉻合金翅片加熱管，表面負(fù)荷 ≤ 2.5 W·cm⁻²，防止局部過熱。加熱器分組布置于風(fēng)道出口，配合 304 不銹鋼護(hù)套，提高輻射均勻性。
1.3 功率調(diào)節(jié)
控制器輸出 PWM 信號（周期 1 s），經(jīng)固態(tài)繼電器（SSR）過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)功。PID 算法實(shí)時(shí)演算，既抑制溫度過沖，又將穩(wěn)態(tài)偏差收斂至 ±0.1 ℃。
1.4 熱循環(huán)
雙進(jìn)風(fēng)后傾式離心風(fēng)機(jī)提供 6–10 m·s⁻¹ 風(fēng)速，使熱空氣在工作室與風(fēng)道之間強(qiáng)制循環(huán)；靜壓箱與均風(fēng)板共同消除局部渦流，保證溫度均勻度 ≤ 2 ℃（九點(diǎn)測試法）。
二、降溫功能：蒸汽壓縮制冷與復(fù)疊技術(shù)
2.1 單級制冷循環(huán)
設(shè)備采用 R404A 環(huán)保工質(zhì)，由壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器組成。蒸發(fā)器置于回風(fēng)口，采用親水鋁箔套銅管結(jié)構(gòu)，片距 2.5 mm，既增大換熱面積，又延緩結(jié)霜。
2.2 復(fù)疊深冷
當(dāng)目標(biāo)溫度 ≤ −40 ℃ 時(shí)，單級循環(huán)壓縮比過高，排氣溫度超限。復(fù)疊系統(tǒng)以 R404A 為高溫級、R23 為低溫級，通過蒸發(fā)冷凝器耦合，可將箱溫延伸至 −70 ℃，同時(shí)保持 COP≥0.6。
2.3 電子膨脹閥（EEV）
EEV 步進(jìn)調(diào)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間 < 10 s，較熱力膨脹閥節(jié)能 12 % 以上；配合過熱度和排氣溫度雙目標(biāo)算法，實(shí)現(xiàn) −70 ℃ 穩(wěn)定運(yùn)行。
2.4 熱氣除霜
低溫高濕工況下，蒸發(fā)器霜層厚度 > 3 mm 時(shí)，系統(tǒng)啟用熱氣旁通除霜，周期 45 min，箱溫回跳幅度 < 2 ℃，確保連續(xù)運(yùn)行。
三、加濕功能：淺槽蒸汽加濕與水質(zhì)管理
3.1 加濕量計(jì)算
依據(jù) GB/T 2423.3，85 ℃/85 % RH 工況下，1 m³ 空間含濕量增量約 35 g。以 100 L 工作室為例，理論加濕功率 25 W 即可滿足，工程選型按 3 倍裕量配置。
3.2 淺槽蒸汽加濕
設(shè)備底部設(shè)置 316L 不銹鋼淺槽（水深 30 mm），內(nèi)置浸入式加熱管（表面功率密度 ≤ 6 W·cm⁻²）。加熱管表面微沸產(chǎn)生 0.1–0.3 µm 粒徑純蒸汽，借助循環(huán)風(fēng)迅速與主氣流混合，實(shí)現(xiàn)“無水滴”加濕，避免試品二次污染。
3.3 水質(zhì)要求
槽水采用去離子水或純凈水（電導(dǎo)率 ≤ 5 µS·cm⁻¹），并配置自動(dòng)補(bǔ)水與排水電磁閥，每 24 h 強(qiáng)制換水一次，抑制水垢與微生物滋生。
3.4 控制精度
濕度傳感器選用高精度濕敏電容（精度 ±1 % RH），控制器執(zhí)行串級 PID：外環(huán)控制 RH，內(nèi)環(huán)控制槽溫，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)度 ≤ ±2 % RH（@ 25 ℃，60 % RH）。
四、除濕功能：露點(diǎn)冷凝與智能再熱平衡
4.1 除濕機(jī)理
當(dāng)箱內(nèi)空氣流經(jīng)蒸發(fā)器表面，若壁面溫度低于當(dāng)前露點(diǎn)，水蒸氣冷凝成液膜，含濕量隨之下降。除濕量 W（g·h⁻¹）可近似為 W = ρ·V·(d₁−d₂)/t，其中 ρ 為空氣密度，V 為循環(huán)風(fēng)量，d₁、d₂ 為進(jìn)出蒸發(fā)器含濕量。
4.2 蒸發(fā)器雙區(qū)設(shè)計(jì)
除濕工況下，蒸發(fā)器前端為“降溫區(qū)”，后端為“再熱區(qū)”。再熱區(qū)利用冷凝器廢熱或獨(dú)立加熱管，將空氣回溫至設(shè)定值，避免“過冷”導(dǎo)致的溫度失控。
4.3 連續(xù)除濕與間歇除濕
在高溫高濕段（如 85 ℃/85 % RH 降至 40 ℃/50 % RH），系統(tǒng)啟用連續(xù)除濕，EEV 開大、蒸發(fā)溫度壓至 −5 ℃；在低溫低濕段（如 10 ℃/15 % RH），為避免蒸發(fā)器結(jié)霜，除濕轉(zhuǎn)入間歇模式，霜層厚度 > 3 mm 時(shí)自動(dòng)切到除霜。
4.4 除濕極限
單級壓縮系統(tǒng)最低露點(diǎn)約 −10 ℃，對應(yīng) 0.5 ℃/3 % RH（@ 10 ℃）。若需更低濕度，可并聯(lián)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)或充注干燥空氣，將露點(diǎn)推至 −40 ℃，實(shí)現(xiàn) 5 % RH 以下低濕試驗(yàn)。
五、四項(xiàng)功能的耦合控制與安全策略
5.1 耦合關(guān)系
升溫與除濕、降溫與加濕存在能量抵消。控制器采用“前饋+反饋”策略：在溫濕度同時(shí)變化時(shí)，優(yōu)先保證溫度穩(wěn)態(tài)，再微調(diào)加濕/除濕量，減少耦合振蕩。
5.2 冗余保護(hù)
設(shè)備配置獨(dú)立硬件溫控器與電子式超溫保護(hù)，雙重切斷加熱回路；壓縮機(jī)高低壓、過載、相序保護(hù)齊全；加濕器缺水干燒保護(hù)響應(yīng)時(shí)間 < 2 s。
5.3 校準(zhǔn)與溯源
溫度校準(zhǔn)采用 AA 級 Pt100 九點(diǎn)點(diǎn)測，濕度采用精密露點(diǎn)儀比對，周期 12 個(gè)月，確保偏差可追溯至國家計(jì)量基準(zhǔn)。
升溫、降溫、加濕、除濕四大功能并非簡單疊加，而是熱力學(xué)、流體力學(xué)與控制理論的集成體現(xiàn)。掌握其內(nèi)在機(jī)理，不僅有助于正確選型，更能在日常使用中精準(zhǔn)設(shè)定參數(shù)、提前預(yù)判故障，從而延長設(shè)備壽命、降低試驗(yàn)成本。對于從事材料、電子、汽車、航空航天等領(lǐng)域的環(huán)境可靠性工程師而言，系統(tǒng)理解恒溫恒濕試驗(yàn)箱的技術(shù)細(xì)節(jié)，是確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、產(chǎn)品可信的必由之路。
|
