摘要：高低溫環(huán)境試驗箱是一種提供高、低溫環(huán)境的試驗設(shè)備，主要用于機械、電子、電工、航空、航天及軍事等領(lǐng)域的些電子產(chǎn)品在高、低溫環(huán)境下的性能測試、篩選及考核試驗。試驗箱制冷系統(tǒng)采用以R22/R23為工質(zhì)的復疊制冷循環(huán)，以系統(tǒng)熱負荷和試驗箱性能指標為依據(jù)，計算出了系統(tǒng)各點的狀態(tài)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)對壓縮機進行了選型，對系統(tǒng)的其它制冷部件進行了設(shè)計。

1、產(chǎn)品概述

高低溫試驗箱主要由加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成，加熱采用高效電加熱管，制冷采用進口全封閉壓縮機兩級復疊制冷方式，溫度控制采用進口智能化溫控器。該型試驗箱具有體積小、移動方便、控制面板簡潔、操作簡單、變溫快、溫度均勻、噪音小等優(yōu)點，特別適用于電子產(chǎn)品、小體積產(chǎn)品的研制過程中對產(chǎn)品進行溫度適應性測試，是科學研究技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制領(lǐng)域進行質(zhì)量檢驗和例行試驗的理想設(shè)備。

高低溫環(huán)境試驗箱

2、工作原理

高低溫試驗箱由外箱體、保溫材料、內(nèi)箱體、控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等組成。

高溫試驗的加熱是通過電加熱來實現(xiàn)的，低溫試驗是通過二元復疊制冷循環(huán)來實現(xiàn)的，控溫系統(tǒng)運用PD模糊自整定技術(shù)通過感溫元件在工作溫度點附近的變溫情況來控制加熱或制冷的輸出量，從而大大提高了系統(tǒng)的控溫精度，當平衡時控溫精度≤±05℃，同時工作腔內(nèi)的溫度均勻度、波動度也得到提高。

如圖1所示，復疊制冷系統(tǒng)是由高溫循環(huán)（B、C、D、E）和低溫循環(huán)（A、E、F、G、H、I）組成。

高溫循環(huán)使用中溫制冷劑R22低溫循環(huán)使用低溫制冷劑R23它們各自都是一個完整的單級壓縮系統(tǒng)。高溫循環(huán)和低溫循環(huán)是由一個冷凝蒸發(fā)器F聯(lián)系起來。它對高溫循環(huán)起蒸發(fā)器的作用，對低溫循環(huán)起冷凝器的作用。高溫循環(huán)是作為預冷級向低溫循環(huán)提供冷量，使其中的低溫制冷劑冷凝；只有在低溫循環(huán)中，制冷劑的蒸發(fā)才在低溫下對外提供冷量。

圖1 復疊制冷系統(tǒng)圖和lgp-h圖

A.低溫級壓縮機；B高溫級壓縮機；C風冷冷凝器；D.高溫級熱力膨脹閥；E.冷凝蒸發(fā)器F.電磁閥；G.低溫級熱力膨脹閥；H.試驗空間；I膨脹容器

3、主要性能指標

(1)環(huán)境溫度:0℃～+35℃；

(2)試驗溫度范圍:-70℃～+125℃；

(3)升降溫時間:25℃～-70℃≤40mn(空載)，25℃～+125℃≤40min(空載)；

(4)控溫精度:≤±05℃(空載

(5)溫度均勻度:≤2℃(空載)。

4、制冷系統(tǒng)設(shè)計

4.1試驗箱的理論總熱負荷Q?分析計算

通常熱負荷由以下四部分組成:

Q?=（Q?+Q?+Q?+Q?）

Q?為隔熱層漏熱量；

Q?為貨物熱因試驗箱為空載，所以該部分負荷設(shè)定為0；

Q?為開門換氣漏熱量；

Q?為箱體熱容量。

經(jīng)計算

Q?+Q?+Q?+Q?=118.74W

4.2制冷循環(huán)方式的選擇

為了獲取-60℃～-120℃之間較低的蒸發(fā)溫度，即當需要-60℃以下的蒸發(fā)溫度時，可采用中溫制冷劑的雙級、多級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)或復疊式制冷循環(huán)。雙級、多級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)因受到制冷劑凝固點、制冷循環(huán)壓力比及蒸發(fā)壓力比過低的限制不能滿足要求；所以為了獲得在低溫下蒸發(fā)時合適的蒸發(fā)壓力，同時在環(huán)境溫度下冷凝時適中的冷凝壓力，可以將中溫制冷劑與低溫制冷劑結(jié)合起來，即采用復疊式制冷循環(huán)。

4.3制冷系統(tǒng)熱力參數(shù)計算

箱內(nèi)試驗目標溫度為-70℃，循環(huán)壓焓圖如圖2。

圖2  R22與R23復疊循環(huán) lgp-h圖

計算得蒸發(fā)器負荷為118.74W，冷凝蒸發(fā)器負荷為147.68W，冷凝器負荷為221.6W。

4.4壓縮機選型

根據(jù)計算結(jié)果，選用兩臺2P17S225ANQ型號壓縮機，在冷凝溫度為35℃、蒸發(fā)溫度為-30℃時，制冷量為450W，滿足設(shè)計要求。

4.5蒸發(fā)器的設(shè)計計算

（1）根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計空間，先選取蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)：

   紫銅管Φ8×1mm；翅片間距3mm；翅片厚度0.2mm；沿流動方向管排數(shù)n=1；單排12根管，鋁片熱導率λ=204W/(m.K)，套片后管外徑d_b=8.4mm。

（2）計算蒸發(fā)器的傳熱溫差為

   △t=（t_a1-t_a2）/In [（t_a1-t₀）/（t_a2-t₀）] =11.542℃。

（3）蒸發(fā)器傳熱系數(shù):據(jù)經(jīng)驗取傳熱系數(shù)K為40W/(㎡.K)；

（4）用已知熱負荷計算實際所需蒸發(fā)器傳熱面積：A_需=Q₀/（K*△t）=118.74/(40×11.542)≈0.3㎡。

計算表明，先選取的蒸發(fā)器的外型結(jié)構(gòu)尺寸大于實際所需面積，即符合實際設(shè)計要求。

4.6冷凝器的設(shè)計與傳熱計算

(1)根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計空間，先選取冷凝器外型結(jié)構(gòu)尺寸:

   紫銅管Φ10×1mm；翅片間距2mm；翅片厚度0.2mm；沿流動方向管排數(shù)n=2；雙排22根管，鋁片熱導率λ=204W/(m.K)，套片后管外徑d_b10.4mm。

（2）計算得△t=14.4℃。

（3）冷凝器傳熱系數(shù)K取35W/(㎡.K)，用已求冷凝器熱負荷計算所需冷凝器傳熱面積，結(jié)果表明，所選取的冷凝器的外型結(jié)構(gòu)尺寸符合設(shè)計要求。

4.7冷凝蒸發(fā)器

采用人字形板式換熱器，其傳熱系數(shù)K值可達5800W/(㎡.K)。取適當K值核算所需冷凝蒸發(fā)器換熱面積小于實用冷凝蒸發(fā)器面積。

4.8膨脹閥

確定膨脹閥容量時，一般取蒸發(fā)器熱負荷的1.2-13倍。

5、結(jié)論

本文應用兩級復疊制冷技術(shù)設(shè)計了一臺高低溫環(huán)境試驗設(shè)備，其高溫可達125℃，最低制冷溫度可以達到-70℃，實際測試結(jié)果滿足設(shè)計性能指標；其外形方便小巧、簡潔美觀，性能達到國內(nèi)外先進水平。