新型高低温冲击试验箱制冷系统的设计

高低温冲击试验箱是一种提供高温、低温的环境设备，主要用于机械、电子、电工等领域的一些产品进行高温、低温环境的性能测试、筛选或考核实验。进行了高低温冲击试验装置结构及其制冷系统设计，利用具有精馏装置的自然复叠式制冷循环系统获得冷源使用R2R23混合工质，低温室内温度可到达-70℃，实现宽范围的温度自动调节。试验箱执行《温度冲击实验》(GJB150.5-86)技术标准，可以满足温度冲击试验的需求。

 

1、前言

 

随着科学技术的不断进步，对航空、航天、电子仪器仪表、电工产品等设备的可靠性要求越来越高，为了检测仪器、仪表、机械、电工电子产品整机及零部件等在耐寒、温度快速变化或渐变条件下的适应性，以便对试品在拟定环境条件下的性能行为作出分析及评价，因此我们需要人工提供一种能使被测元件和仪器反复经受快速的温度变化的环境装置。高低温冲击试验箱通过高低温的交替变化，检测样品的电性能和机械耐久性的变化情况从而筛选出结构上的缺陷，诸如包装密封不佳，引线焊接不良，塑料裂缝等等。这些缺陷能给元件和仪器带来潜伏性故障。在高低温冲击试验装置中，制冷系统的设计是非常关键的，为了得到低温环境通常采用复叠式制冷系统，近年来自动复叠式制冷系统循环以其结构简单，效率高和适应强等自身的优点而不断地得到应用。

 

2、试验箱的工作原理与机组结构

 

2.1试验箱技术指标

 

试验箱的设计执行《温度冲击实验》(CJB150.586技术标准，温度冲击试验条件：
 

（1）试验温度：高温为+70℃、低温为-55℃；

（2）试验温度保持时间：lh或直至试验样品达到温度稳定，以时间长为准；

（3）转换时间：不大于5min；

（4）循环次数：3次；

实验箱也可根据检测的要求，预先设定各温室温度和传动机构的移动速度，完成不同等级的温度冲击试验。

 

温度冲击试验箱可实现的等级温度冲击试验：

 

高温温度等级为：70、85、100、125(℃)

 

低温温度等级为：-25、-40、-55、-65(℃)

 

温度冲击试验升降温速率要求：在满载条件，每5分钟的平均升温和降温速率等级：

 

（1）不大于1℃/min

（2）不大于1±0.2℃/min

（3）不大于3±0.6℃/min

（4）不大于5±1℃C/min

 

2.2试验箱工作原理与结构

 

此循环测试试验箱通过机组的加热系统和制冷系统，分别产生一个高温环境(+70℃~+125℃)和一个低温环境(-25℃~-70℃)，根据温度冲击试验的相关要求，将被测元件放入指定温室的载物篮内待两温室达到预设温度且稳定时，通过传动机构牵动载物篮，实现篮内被测元件在高低温室间的移动。移动过程中高低温室相通，被测元件也由高温或低温状态进入另一温室，所以会有大量冷热负荷带入机组要通过制冷系统或加热系统迅速恢复到各温室预定温度。当被测元件所在温室温度长时间保持稳定后，再经过传动机构将载物篮反向牵动，把被测元件带回原温室，同样须迅速恢复到预定温度，当温度再次长时间稳定后，再重复上述操作，完成多次温度循环冲击试验。

图1 试验箱机组结构图

 

1.高温室  2.载物蓝与试验元件  3.低温室  4.蒸发器

5.制冷机组  6.气压传动装置  7.板式换热器  8.加热块

 

高低温冲击试验箱结构上划分为制冷系统、加热系统、传动系统和电气控制系统四部分，整体结构复杂造成试验箱的体积较大，结构设计时必须综合考虑，节约空间减小箱体尺寸，以便于高低温冲击试验箱的安装和运输。  

表1 试验箱结构选择表

名称	结构特点	备注
箱体布置	两箱纵向布置	此种布置方式整体结构上简单降低了载物篮在两温室间运动时发生故障的可能性，快速实现被测元件在高低温室间的温度冲击,操作简单。
传动机构	气压传动	气压传动在满足牵动负载的使用前提下，可以实现元件的快速移动，更加符合温度冲击试验的要求，而且便于载物篮和元件移动速度的调节。
制冷装置	自然复叠制冷	与二元复叠制冷相比，系统紧凑减小了机组尺寸，节约出更多安装空间;结构简单降低运行故障率、简化系统控制、适应性强、可以制取更低温度的低温环境进行宽范围的温度调。

3、制冷系统的确定
 

3.1负荷分析与确定
 

高低温冲击试验箱制冷系统设备的选取,是以低温室热负荷为依据,逐步确定其他的制冷设备。热负荷确定的准确性是系统研制的一个关键问题,直接关系到试验箱是否能够到达《温度冲击实验》(GJB1505-86)技术标准。分析温度冲击试验的技术标准、被测元件运动中漏热特点、材料的应用等因素，循环测试试验箱的理论热负荷为：
 

Q=(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5)·Φ=3500W
 

结合加工水平与试验箱整体结构漏热点较多等特点,热负荷的修正系数取值Φ=1.3。
 

图2 冲击试验负荷示意图