恒溫恒濕試驗箱四大核心功能技術解析

時間： 2025-10-15 16:53 來源： 林頻儀器

恒溫恒濕試驗箱（Constant Temperature and Humidity Chamber）作為環境可靠性試驗的基礎裝備，其本質是在密閉腔體內復現精確可控的溫濕度條件。任何一臺符合 GB/T 2423、IEC 60068、MIL-STD-810 等標準的設備，都必須同時具備升溫、降溫、加濕、除濕四項“硬功能”。本文以工程語言系統梳理四項功能的實現路徑、關鍵零部件及控制邏輯，為設備選型、使用與維護提供技術參照。

一、升溫功能：固態繼電器—加熱器—循環風道的閉環控制

1.1 熱負荷計算

腔體升溫所需功率 Q（W）可由公式 Q = cmΔT/t 估算，其中 c 為空氣比熱容（≈1.0 kJ·kg?¹·K?¹），m 為有效空氣質量，ΔT 為目標溫差，t 為期望升溫時間。工程上再附加 30 % 安全裕量以補償熱損失。

1.2 加熱執行單元

主流方案采用鎳鉻合金翅片式加熱器，表面負荷控制在 2.5 W·cm?² 以下，以抑制局部過熱。加熱器分組布置于風道出口，配合 304 不銹鋼護套，提高輻射均勻性。

1.3 功率調節

控制器輸出 PWM 信號（周期 1 s），經固態繼電器（SSR）過零觸發，實現無級調功。SSR 通斷狀態由 PID 算法實時演算，既抑制溫度過沖，又將穩態偏差收斂至 ±0.1 ℃。

1.4 熱循環

離心風機（雙進風、后傾式）提供 6–10 m·s?¹ 風速，使熱空氣在工作室與風道之間強制循環；靜壓箱與均風板共同消除局部渦流，保證溫度均勻度 ≤ 2 ℃（按 IEC 60068-3-5 九點測試法）。

恒溫恒濕試驗箱可應于于生物化學設備測試試驗

二、降溫功能：單級/復疊制冷系統的熱力學循環

2.1 制冷循環概述

設備采用蒸汽壓縮式制冷，由壓縮機、冷凝器、節流元件、蒸發器四大件構成。標準機型選用 R404A（中溫）或 R23+R404A（復疊低溫）環保工質，臭氧消耗潛能值 ODP=0。

2.2 復疊技術

當目標溫度 ≤ −40 ℃ 時，單級循環會因壓縮比過高導致排氣溫度超限。復疊系統以 R404A 為高溫級、R23 為低溫級，通過蒸發冷凝器耦合，可將箱溫延伸至 −70 ℃，同時保持 COP≥0.6。

2.3 蒸發器設計

蒸發器置于風道回風口，采用親水鋁箔套銅管結構，片距 2.5 mm，既增大換熱面積，又延緩結霜。制冷量通過電子膨脹閥（EEV）步進調節，響應時間 < 10 s，較熱力膨脹閥節能 12 % 以上。

2.4 熱端管理

冷凝器采用軸流風機強制冷卻，進風溫度設定上限 35 ℃；若實驗室散熱不良，可選裝水冷冷凝器或夏季輔助空調，防止高壓跳機。

2.5 除霜策略

−20 ℃ 以下運行時，蒸發器結霜速率約 1 mm·h?¹。控制系統通過“溫度+時間”雙條件判斷，啟動熱氣旁通除霜，周期 45 min，箱溫回跳幅度 < 2 ℃，確保長期連續運行。

三、加濕功能：淺槽式蒸汽加濕與水質管理

3.1 加濕量計算

依據 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，但工程選型常按 3 倍裕量配置，以抵消壁面冷凝損失。

3.2 淺槽蒸汽加濕

設備底部設置 316L 不銹鋼淺槽（水深 30 mm），內置浸入式加熱管（表面功率密度 ≤ 6 W·cm?²）。加熱管表面微沸產生 0.1–0.3 µm 粒徑的純蒸汽，借助循環風迅速與主氣流混合，實現“無水滴”加濕，避免試品二次污染。

3.3 水質要求

槽水采用去離子水或純凈水（電導率 ≤ 5 µS·cm?¹），并配置自動補水與排水電磁閥，每 24 h 強制換水一次，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），控制器執行串級 PID：外環控制 RH，內環控制槽溫，穩態波動度 ≤ ±2 % RH（@ 25 ℃，60 % RH）。

四、除濕功能：露點冷凝與智能再熱平衡

4.1 除濕機理

當箱內空氣流經蒸發器表面，若壁面溫度低于當前露點，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·(d?−d?)/t，其中 ρ 為空氣密度，V 為循環風量，d?、d? 為進出蒸發器含濕量。

4.2 蒸發器雙區設計

除濕工況下，蒸發器前端為“降溫區”，后端為“再熱區”。再熱區利用冷凝器廢熱或獨立加熱管，將空氣回溫至設定值，避免“過冷”導致的溫度失控。

4.3 連續除濕與間歇除濕

在高溫高濕段（如 85 ℃/85 % RH 降至 40 ℃/50 % RH），系統啟用連續除濕，EEV 開大、蒸發溫度壓至 −5 ℃；在低溫低濕段（如 10 ℃/15 % RH），為避免蒸發器結霜，除濕轉入間歇模式，霜層厚度 > 3 mm 時自動切到除霜。

4.4 除濕極限

單級壓縮系統最低露點約 −10 ℃，對應 0.5 ℃/3 % RH（@ 10 ℃）。若需更低濕度，可并聯轉輪除濕機或充注干燥空氣，將露點推至 −40 ℃，實現 5 % RH 以下低濕試驗。

五、四項功能的耦合控制與安全策略

5.1 耦合關系

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：在溫濕度同時變化時，優先保證溫度穩態，再微調加濕/除濕量，減少耦合振蕩。

5.2 冗余保護

設備配置獨立硬件溫控器與電子式超溫保護，雙重切斷加熱回路；壓縮機高低壓、過載、相序保護齊全；加濕器缺水干燒保護響應時間 < 2 s。

5.3 校準與溯源

溫度校準采用 AA 級 Pt100 九點點測，濕度采用精密露點儀比對，周期 12 個月，確保偏差可追溯至國家計量基準。

升溫、降溫、加濕、除濕四大功能并非簡單疊加，而是熱力學、流體力學與控制理論的集成體現。掌握其內在機理，不僅有助于正確選型，更能在日常使用中精準設定參數、提前預判故障，從而延長設備壽命、降低試驗成本。對于從事材料、電子、汽車、航空航天等領域的環境可靠性工程師而言，系統理解恒溫恒濕試驗箱的技術細節，是確保試驗數據準確、產品可信的必由之路。