摘要：設(shè)計(jì)了一種工作溫度范圍在-150℃～+175℃的試驗(yàn)箱，并就其工作原理絕熱設(shè)計(jì)、門密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加熱和制冷功率等進(jìn)行了描述和計(jì)算。

1、前言

一般高低溫試驗(yàn)箱的溫度范圍在-65℃～+125℃，不能滿足電子元器件、組件、整機(jī)以及材料研究領(lǐng)域在更寬溫度范圍的試驗(yàn)需求。我們設(shè)計(jì)制造了非標(biāo)150型高溫深冷試驗(yàn)箱，其工作溫度范圍可以在-150℃～+175℃之間任意調(diào)控，大大擴(kuò)展了試驗(yàn)溫度區(qū)間，為特殊領(lǐng)域的電子元器件、組件的開發(fā)以及材料研究提供了一種理想的溫度環(huán)境試驗(yàn)裝置。

高低溫試驗(yàn)箱

2、試驗(yàn)箱的組成及工作原理

試驗(yàn)箱主要由試驗(yàn)箱體、自增壓液氮容器、液氮絕熱傳輸管道、控制部分等組成。試驗(yàn)箱的加熱方式是采用鰭片式不銹鋼加熱管對箱內(nèi)空氣進(jìn)行加熱。制冷方式是利用液氮在試驗(yàn)箱內(nèi)噴淋吸熱方式對試驗(yàn)箱進(jìn)行降溫。當(dāng)控制器的設(shè)定溫度低于箱內(nèi)實(shí)際溫度時(shí)，控制器輸出制冷信號開啟制冷電磁閥，經(jīng)過輸液管道從增壓后的液氮容器向試驗(yàn)箱內(nèi)輸送液氮，利用液氮的潛熱和顯熱吸收熱量進(jìn)行降溫；當(dāng)控制器的設(shè)定溫度高于試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)際溫度時(shí)，控制器輸出加熱信號，關(guān)閉制冷電磁閥，同時(shí)給箱內(nèi)的加熱裝置通電進(jìn)行加熱升溫?？刂破鞑捎媚：齈ID控制模式，當(dāng)箱內(nèi)實(shí)際溫度接近設(shè)定值時(shí)，調(diào)整輸出比例，直至實(shí)現(xiàn)精確控溫，該試驗(yàn)箱的控溫精度在空載時(shí)小于等于±1℃。

3、箱體設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1技術(shù)指標(biāo)：

工作區(qū)有效尺寸：W400×D400×H500mm ( 80L )

溫度范圍：-150℃～+175℃，連續(xù)可調(diào)；

溫度波動(dòng)：≤±1℃(空載)

溫度偏差：0℃～+175℃：≤±3.0℃(空載)

0℃～-150℃：≤±3.0℃(空載)

平均降溫速率：

室溫～-80℃：≥15℃/分鐘(空載)

80℃～-120℃：≥10℃/分鐘(空載)

120℃～-150℃：≥5℃/分鐘(空載)

室溫～-120℃，連續(xù)工作3小時(shí)箱體外表面不結(jié)霜；

設(shè)備在-80℃～-150℃之間，保溫2h，表面不得結(jié)霜結(jié)露各部位不得有液氮及氣體泄漏現(xiàn)象。

3.2絕熱層設(shè)計(jì)

3.2.1選材

試驗(yàn)箱工作條件是高溫+175℃，低溫-150℃，因此箱體內(nèi)部材料應(yīng)選擇熱脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐腐蝕材料我們選擇304不銹鋼板材作為箱體內(nèi)壁材料箱體外殼采用冷軋鋼板酸洗磷化+表面噴塑處理，絕熱層采用導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水性小、強(qiáng)度高、高低溫性能穩(wěn)定的硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡層。為了減少試驗(yàn)箱在極限高溫工作時(shí)對聚氨酯絕熱層性能穩(wěn)定性的影響在緊貼箱體內(nèi)壁外側(cè)和聚氨酯絕熱層之間加裝了一層耐高溫的硅酸鋁板，這樣在兼顧了超高溫和超低溫的工作條件的同時(shí)，又增加了絕熱的可靠性。

3.2.2絕熱層厚度計(jì)算

通常以試驗(yàn)箱在最低工作溫度時(shí)外表面不結(jié)露為基本條件按平壁結(jié)構(gòu)傳熱方程根據(jù)平衡條件得到絕熱層最小厚度

δ=(t2-t1)λ/aw(ta-t2)=0.124M=124mm

t1—箱體內(nèi)壁溫度

ta—箱體外空氣溫度

t2—箱體外壁溫度(取室溫32℃，相對濕度80%時(shí)空氣露點(diǎn)溫度28.2℃)

aw—箱外壁面與空氣自然對流換熱系數(shù)

λ—絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)

考慮到壁面溫度要高于露點(diǎn)溫度以及加工裝配環(huán)節(jié)的不確定因素取δ=150mm

3.2.3傳熱系數(shù)計(jì)算

絕熱層的厚度確定之后，則試驗(yàn)箱的傳熱系數(shù)為：

K=1/(1/an+δ/λ+1/aw)=0.181w/㎡·k

其中：an—箱內(nèi)空氣與壁面強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)

3.3箱門密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)箱工作溫度超低，且是前開門方式，如果密封不嚴(yán)實(shí)將會出現(xiàn)一系列的問題比如：液氮或氮?dú)獾男孤堕T密封條結(jié)冰粘連，造成開門困難，而且門密封條容易拉斷拉傷；漏冷量大造成耗氮量增加；密封面外側(cè)經(jīng)常結(jié)霜造成箱體銹蝕等。為了克服深冷溫度下的密封難題，經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)比較，確定了一種雙層門結(jié)構(gòu)的密封方式。其由內(nèi)門和外門組成，內(nèi)門全由不銹鋼薄板制成其密封面與箱內(nèi)壁形成具有一定剛性的線性密封，克服了非金屬密封材料在此溫區(qū)容易損壞的缺點(diǎn)，外門上裝硅橡膠條與箱體外側(cè)接觸密封，這樣既解決了液氮溫區(qū)的密封問題，又防止了外界水汽的進(jìn)入，既解決了密封問題又解決了開門難的問題。此外還在密封面預(yù)埋了加熱裝置，有效地解決了長時(shí)間工作時(shí)箱門密封面外側(cè)結(jié)霜的問題。試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖一，試驗(yàn)箱外觀見圖二。

圖一  試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)簡圖

圖2  試驗(yàn)箱外觀

3.4 -150℃時(shí)箱體耗熱量計(jì)算

耗熱量Q主要包括箱體絕熱層的漏熱量Q₁，箱體內(nèi)材料的熱容量Q₂，門密封及開孔的漏熱量Q₃；Q₃很難用計(jì)算式表述，通常以占總耗熱量的15%計(jì)。

3.4.1箱體絕熱層漏熱量

根據(jù)平板傳熱方程：

Q₁=K*A*?t=111.4W

A：箱體表面積

Δt：箱體內(nèi)外溫差

K：試驗(yàn)箱的傳熱系數(shù)

3.4.2箱體內(nèi)材料熱容量

箱體內(nèi)材料主要是304不銹鋼板，其質(zhì)量M為9.4Kg，比熱容C_p為460J/Kg，

則

Q₂=C_p*M*△t=763W

3.4.3 -150℃時(shí)試驗(yàn)箱總耗熱量Q_a

Q_a=(Q₁+Q₂)/0.85=1028.7W

考慮到其他未計(jì)因素，總耗熱量乘一修正系數(shù)

Φ=1.1，因此箱體內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)最低溫度(-150℃)

時(shí)需要的最小制冷量

Q_a'=1028.7x1.1=1131.57W

3.5 +175℃時(shí)箱體的耗熱量Q_b

Q_b=(Q₁+Q₂)0.85=(92.31+270.25)/0.85=426.5W

那么箱體內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)最高溫度(+175℃)時(shí)需要的最小加熱功率為

Q_b=426.5x1.1=469W。

3.6液氮消耗量及液氮容器的選型

按設(shè)計(jì)最低溫度(即-150℃時(shí))計(jì)算，則耗氮量最大。液氮汽化熱為1993KJ/Kg，氮?dú)膺^熱到-150℃時(shí)平均比熱容為106KJ/Kg·K，

故在-150℃時(shí)液氮產(chǎn)生的總冷量為：

Q_e=1993+1.06*(123-77)=248KJ/Kg，

則每小時(shí)消耗液氮量為：

W_LN2=Q_a/Q_cx3.6=16.4kg/h

77K時(shí)液氮的密度p=810.0kg/m3，則每小時(shí)消耗液氮的容積：

=W_LN2/p=0.01975m3=20.28L

考慮到加一次液氮可以做若干次的試驗(yàn)，我們?yōu)榭蛻襞鋫淞艘慌_150升的液氮容器。

4、性能測試結(jié)果

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及與用戶簽訂的技術(shù)協(xié)議，某計(jì)量科學(xué)研究院和用戶一起對本試驗(yàn)箱就極限溫度、平均降溫速率、控溫精度和溫度場的均勻性等指標(biāo)進(jìn)行了測試，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求?？蛰d平均降溫速率由室溫降到-150℃時(shí)小于17分鐘，在-150℃時(shí)連續(xù)工作2小時(shí)后試驗(yàn)箱的表面無結(jié)箱和泄露現(xiàn)象箱門的開關(guān)自如，說明絕熱層厚度和門密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5、結(jié)論

本試驗(yàn)箱造型簡潔、美觀、安裝操作方便，在箱門密封方式以及防止密封面結(jié)霜方面有獨(dú)創(chuàng)性，為以后類似試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。在交付用戶使用一年多時(shí)間里，試驗(yàn)箱性能穩(wěn)定，液氮耗損小，得到了用戶的好評。