一、系統組成與核心部件

1. 箱體結構

• 保溫層：采用聚氨酯泡沫或玻璃棉，減少箱體內外熱量交換，維持溫度穩定。

• 觀察窗：雙層中空玻璃（帶加熱功能，防起霧），用于觀察測試樣品狀態。

• 樣品架 / 托盤：承載樣品，部分設備支持旋轉或振動功能（配合其他測試需求）。

• 通風孔 / 接口：用于外接傳感器、電源或氣體管路（如需通入特殊氣體環境）。

2. 制冷系統

• 作用：實現低溫環境模擬（溫度可達 - 70℃甚至更低）。

• 原理：基于蒸汽壓縮制冷循環，與家用空調類似，但配置更復雜（適應寬溫域需求）。

• 壓縮機：壓縮制冷劑（如 R404A、R23），使其變為高溫高壓氣體。

• 冷凝器：將制冷劑熱量釋放到箱體外（風冷或水冷方式），氣體冷凝為液態。

• 膨脹閥：液態制冷劑經節流降壓，變為低溫低壓液體 / 氣體混合態。

• 蒸發器：低溫制冷劑吸收箱體內熱量，蒸發為氣體，降低箱內溫度（吸熱過程）。

• 復疊式制冷（用于超低溫場景）：
  通過兩臺壓縮機串聯，分別使用高溫制冷劑（如 R404A）和低溫制冷劑（如 R23），實現更低溫度（-80℃以下）。

3. 制熱系統

• 作用：實現高溫環境模擬（最高溫度可達 150℃~200℃）。

• 原理：通過電加熱絲或紅外加熱等方式產生熱量，經風機循環傳遞至箱體內。

• 電加熱絲：最常見，通電后電阻發熱，熱量通過空氣對流均勻分布。

• 紅外加熱：通過輻射方式快速升溫，適合對溫度敏感的樣品（升溫速率快，但均勻性略差）。

4. 控溫系統

• 作用：精確控制箱內溫度，維持設定值（精度通常為 ±0.5℃~±1℃）。

• 核心部件：

• PID 控制算法：根據傳感器反饋，自動調節制冷 / 制熱功率。

• PLC 或觸摸屏控制器：支持程序編輯（如多段升溫 / 降溫曲線），實時顯示溫度曲線和報警信息。

• 比例（P）：快速響應溫度偏差；積分（I）：消除靜態誤差；微分（D）：抑制溫度波動。

• 溫度傳感器：通常為鉑電阻（Pt100）或熱電偶，實時采集箱內溫度數據。

• 控制器：

• 執行機構：通過繼電器、固態繼電器（SSR）或變頻器控制壓縮機、加熱絲的啟停或功率。

5. 循環系統

• 作用：確保箱內溫度均勻性，避免局部過熱或過冷。

• 原理：

• 風機 + 風道：強制空氣對流（水平或垂直循環），將冷 / 熱空氣均勻輸送至箱體各區域。

• 導流板：調節氣流方向，優化溫度分布（部分設備配備多組風機，實現更精準循環）。

二、溫度控制流程

1. 升 / 降溫階段（動態控制）

• 目標溫度＞當前溫度（升溫）：
  控制器啟動加熱系統，電加熱絲工作，同時風機運轉，將熱量均勻分布。

• 若需快速升溫，可能同時關閉制冷系統（避免冷熱抵消）。

• 目標溫度＜當前溫度（降溫）：
  控制器啟動制冷系統，壓縮機工作，蒸發器吸收箱內熱量，同時風機將冷空氣循環至箱體。

• 若需超低溫，復疊式制冷系統的高低溫壓縮機協同工作。

• 關鍵技術：

• 預加熱 / 預制冷：在正式測試前，提前將制冷 / 制熱系統調整至接近目標溫度，縮短升 / 降溫時間。

• 過沖抑制：通過 PID 算法提前降低加熱 / 制冷功率，避免溫度超過目標值（如設定 20℃，實際最高達 20.3℃后回落）。

2. 恒溫階段（靜態控制）

• 當溫度接近目標值時，系統進入恒溫階段：

• 控制器根據溫度波動微調制冷 / 制熱功率（如 “小功率加熱 + 小功率制冷” 動態平衡）。

• 風機持續運轉，維持空氣對流，確保溫度均勻性（均勻度通常≤±2℃）。

• 典型場景：

• 電子產品需在高溫（如 70℃）下持續運行數小時，測試其散熱性能和元件穩定性。

• 汽車零部件需在 - 40℃低溫下存放過夜，驗證材料抗凍裂能力。

三、關鍵技術與功能擴展

1. 溫度變化速率控制

• 快溫變測試系統：
  通過增強制冷 / 制熱功率（如大功率壓縮機、多組加熱絲）和優化氣流設計，實現**≥10℃/min**的升降溫速率（普通設備通常為 1~3℃/min）。

• 應用場景：模擬航空航天設備在高空快速升降溫的環境（如從 - 20℃到 80℃僅需 5 分鐘）。

2. 濕度控制（若含恒溫恒濕功能）

• 加濕原理：

• 蒸汽加濕：電加熱水產生蒸汽，通過管道通入箱內（精度高，適合高溫高濕場景）。

• 超聲波加濕：高頻振蕩將水霧化，適用于低溫低濕環境（避免蒸汽冷凝）。

• 除濕原理：

• 制冷除濕：降低空氣溫度至露點以下，冷凝析出水珠（適用于高溫高濕轉低溫場景）。

• 分子篩除濕：通過物理吸附劑（如硅膠、分子篩）吸收水分（適用于超低濕度環境）。

3. 復合環境模擬

• 溫度 + 振動 / 沖擊：集成振動臺，模擬產品在運輸或工作中同時承受溫度變化和機械應力的場景。

• 溫度 + 氣體腐蝕：通入 SO?、NaCl 霧等腐蝕性氣體，測試材料在溫度下的耐腐蝕性能（如鹽霧試驗箱）。

四、應用領域

• 電子電器：測試芯片、電路板、電源在高低溫下的工作穩定性（如手機需通過 - 20℃~60℃循環測試）。

• 汽車工業：驗證發動機部件、傳感器、電池在氣候下的性能（如動力電池需通過 - 30℃冷啟動測試）。

• 航空航天：測試飛行器材料、儀器在高空低溫（-50℃以下）和再入大氣層高溫（＞100℃）下的耐受性。

• 化工 / 材料：分析塑料、橡膠、涂料在溫度循環中的老化特性（如熱脹冷縮導致的開裂）。

• 醫藥 / 食品：測試藥品儲存環境（如冷鏈運輸中的溫度波動對藥效的影響）。

五、維護與安全注意事項

1. 定期保養：

• 清潔冷凝器（風冷型）或冷卻水管（水冷型），確保散熱效率。

• 檢查制冷系統密封性，避免制冷劑泄漏（可通過壓力檢測或電子檢漏儀）。

2. 安全防護：

• 高溫時箱體表面溫度高，需佩戴隔熱手套操作。

• 制冷系統使用高壓制冷劑，非專業人員禁止拆解。

• 配備超溫報警和自動斷電功能，防止失控導致樣品損壞或火災。

總結