冷热冲击试验箱设计与使用应遵循的规范指南

一、引言

二、设计阶段的规范

（一）温度范围与精度设计

1. 温度范围确定
   根据目标应用领域的需求，合理确定冷热冲击试验箱的温度范围。例如，对于电子元件测试，温度范围可能需要涵盖 -65℃至 150℃；而对于航空航天材料，温度范围可能更宽，可达 -100℃至 200℃。在设计时，要考虑低温和高温极限的实现能力，确保设备能够稳定达到并维持设定的温度范围。

2. 温度精度要求
   温度精度是保证试验结果可靠的关键。设计的试验箱应满足相应的温度精度标准，一般来说，温度偏差在设定值的 ±2℃以内是较为常见的要求。这需要精确设计加热和制冷系统、温度传感器的布局以及控制系统的算法，以实现高精度的温度控制。

（二）结构设计

1. 箱体结构与材料

• 隔热性能：箱体应采用优质的隔热材料，如聚氨酯泡沫、岩棉等，以减少试验过程中的热量传递，降低能耗并提高温度控制的稳定性。隔热层的厚度应根据温度范围和试验箱的尺寸进行合理设计，确保箱体内外的热交换最小化。

• 耐腐蚀性：考虑到试验过程中可能出现的冷凝水、化学物质挥发等情况，箱体材料应具有良好的耐腐蚀性。不锈钢是一种常用的材料选择，它不仅耐腐蚀，而且强度高、易于清洁。对于一些特殊应用，可能需要采用特殊涂层或合金材料来增强耐腐蚀性能。

2. 风道设计

• 空气循环均匀性：合理设计风道系统，确保冷热空气在箱体内能够均匀、快速地循环。风道的形状、尺寸和走向应通过计算流体动力学（CFD）等方法进行优化，避免出现空气流动死角或局部流速过快的情况。通常采用风扇等空气循环设备来促进空气流动，风扇的选型和安装位置要与风道设计相匹配。

• 防止空气泄漏：风道的密封性至关重要，任何空气泄漏都可能影响温度分布和试验结果。在风道连接部位、门封处等应采用高质量的密封材料和设计，如耐高温、耐低温的橡胶密封胶条，并进行严格的密封测试。

（三）加热与制冷系统设计

1. 加热系统

• 加热方式选择：根据温度范围和加热速度要求选择合适的加热方式，常见的有电阻加热、红外加热等。电阻加热具有结构简单、成本低的优点，适用于一般的中低温加热需求；红外加热则具有加热速度快、热效率高的特点，特别适合需要快速升温的应用场景。

• 加热功率计算：准确计算加热功率是确保快速升温并维持设定温度的关键。需要考虑箱体的体积、热损失、样品的热容量以及温度变化速率等因素。加热系统应具备足够的功率余量，以应对可能出现的情况，同时也要注意避免功率过大导致能源浪费和温度过冲问题。

2. 制冷系统

• 制冷原理与方式：制冷系统通常基于压缩机制冷原理，可采用单级或多级压缩机制冷。对于低温要求较高的情况，多级压缩制冷能够提供更低的温度。此外，一些特殊的制冷技术，如液氮制冷、二氧化碳制冷等，可用于实现极低温环境，但需要考虑成本、安全性和操作复杂性等因素。

• 制冷能力匹配：制冷系统的制冷能力要与试验箱的热负荷相匹配，包括箱体的漏热、样品的冷却需求以及空气循环引起的热量变化等。合理设计冷凝器、蒸发器等制冷部件的尺寸和性能参数，以确保在规定的时间内达到并维持低温状态。

（四）控制系统设计

1. 温度控制算法
   采用先进的温度控制算法，如 PID（比例 - 积分 - 微分）控制或模糊控制等。这些算法能够根据温度传感器反馈的信息，精确调整加热和制冷系统的功率，实现快速、稳定的温度控制。在设计控制算法时，要考虑系统的动态特性和滞后效应，优化参数设置以减少温度波动和超调量。

2. 安全保护与监控功能

• 超温保护：设计超温保护机制，当温度超出设定的安全范围时，自动切断加热或制冷系统，并发出警报信号。这可以防止因控制系统故障或其他异常情况导致的设备损坏和安全事故。

• 故障诊断与报警：控制系统应具备故障诊断功能，能够实时监测加热、制冷、空气循环、传感器等关键部件的运行状态。当检测到故障时，准确判断故障类型并通过声光报警、显示故障代码等方式通知操作人员，以便及时采取维修措施。

三、使用阶段的规范

（一）试验前准备

1. 样品准备

• 尺寸与重量限制：了解试验箱的有效工作空间和承载能力，确保样品的尺寸和重量在允许范围内。过大或过重的样品可能会影响空气循环和温度分布，导致试验结果不准确。

• 样品清洁与预处理：对样品进行清洁处理，去除表面的油污、灰尘等杂质，以免在试验过程中影响热传递或产生化学反应。对于一些特殊样品，可能需要进行预处理，如干燥、防潮等。

2. 试验箱检查

• 外观检查：检查试验箱的外观是否有损坏，如箱体是否变形、门封是否完好、风道是否有泄漏迹象等。若发现问题，应及时修复，确保试验箱的正常运行。

• 内部部件检查：查看加热、制冷、空气循环等系统的部件是否正常，温度传感器是否清洁且安装牢固，风扇是否能正常运转等。同时，检查制冷系统的制冷剂液位、压缩机润滑油位等参数是否正常。

（二）试验参数设置

1. 温度参数

• 设定温度范围：根据试验标准或试验目的，准确设置冷热冲击的温度范围和转换时间。确保设定的温度值在试验箱的设计温度范围内，且温度转换时间符合试验要求，以模拟实际的使用环境。

• 温度保持时间：合理设置每个温度阶段的保持时间，使样品能够充分达到热平衡状态，以便准确评估其在不同温度下的性能。温度保持时间的长短取决于样品的热容量、尺寸以及试验的具体要求。

2. 其他参数

• 循环次数：根据试验方案设定冷热冲击的循环次数。循环次数过多可能会对样品造成过度损伤，而循环次数过少则可能无法充分暴露样品在温度变化环境下的性能问题。

• 空气循环速度：如果试验箱允许调节空气循环速度，根据样品的特性和试验要求进行适当设置。一般来说，适当的空气循环速度有助于温度均匀性，但对于一些对空气流动敏感的样品，可能需要降低空气循环速度。

（三）试验过程中的操作与监控

1. 操作安全

• 防止烫伤和冻伤：在试验箱运行过程中，箱体表面、门等部位可能会处于高温或低温状态，操作人员应佩戴适当的防护装备，如高温手套、防寒服等，避免直接接触而造成烫伤或冻伤。

• 电气安全：确保试验箱接地良好，避免因电气漏电而引发安全事故。在操作过程中，不要触摸电气接线端子或其他带电部件，如发现异常的电气现象（如冒烟、打火等），应立即停止试验并切断电源。

2. 温度监控

• 实时温度监测：通过试验箱配备的温度显示系统或连接的外部数据采集设备，实时监测箱体内的温度变化情况。观察温度曲线是否符合设定的参数要求，如发现温度异常波动、超调或无法达到设定温度等情况，及时分析原因并采取相应措施，如检查加热 / 制冷系统、传感器或控制系统是否故障。

• 样品状态观察：在试验过程中，通过观察窗或其他监测手段观察样品的状态变化，如是否有变形、变色、冒烟等异常现象。如果样品出现异常，应立即停止试验，记录样品的异常情况和试验参数，以便后续分析。

（四）试验后处理

1. 样品取出与分析

• 冷却与取出：在试验结束后，等待试验箱温度恢复到安全范围后再取出样品。对于一些在高温或低温下可能发生脆化或其他性能变化的样品，要特别注意避免在取出过程中对其造成损伤。

• 试验数据分析：对样品在冷热冲击试验前后的性能数据进行对比和分析，评估样品在温度变化环境下的性能变化情况。根据试验结果判断样品是否符合相关标准或设计要求，并为产品的改进提供依据。

2. 试验箱维护

• 清理与保养：打开试验箱，清理内部的灰尘、杂质、冷凝水等，保持箱体内清洁。检查加热、制冷、空气循环等系统的部件是否有磨损、腐蚀等情况，对需要更换或维修的部件及时进行处理。同时，对试验箱的外观进行清洁和保养，延长设备的使用寿命。

• 校准与检查：定期对试验箱的温度传感器、控制系统等进行校准和检查，确保设备的性能参数符合设计要求。校准周期可根据试验箱的使用频率和精度要求确定，一般建议每半年至一年进行一次校准。