一种高温深冷试验箱的设计

摘要：设计了一种工作温度范围在-150℃～+175℃的试验箱，并就其工作原理绝热设计、门密封结构设计、加热和制冷功率等进行了描述和计算。

1、前言

一般高低温试验箱的温度范围在-65℃～+125℃，不能满足电子元器件、组件、整机以及材料研究领域在更宽温度范围的试验需求。我们设计制造了非标150型高温深冷试验箱，其工作温度范围可以在-150℃～+175℃之间任意调控，大大扩展了试验温度区间，为特殊领域的电子元器件、组件的开发以及材料研究提供了一种理想的温度环境试验装置。

高低温试验箱

2、试验箱的组成及工作原理

试验箱主要由试验箱体、自增压液氮容器、液氮绝热传输管道、控制部分等组成。试验箱的加热方式是采用鳍片式不锈钢加热管对箱内空气进行加热。制冷方式是利用液氮在试验箱内喷淋吸热方式对试验箱进行降温。当控制器的设定温度低于箱内实际温度时，控制器输出制冷信号开启制冷电磁阀，经过输液管道从增压后的液氮容器向试验箱内输送液氮，利用液氮的潜热和显热吸收热量进行降温；当控制器的设定温度高于试验箱内实际温度时，控制器输出加热信号，关闭制冷电磁阀，同时给箱内的加热装置通电进行加热升温。控制器采用模糊PID控制模式，当箱内实际温度接近设定值时，调整输出比例，直至实现精确控温，该试验箱的控温精度在空载时小于等于±1℃。

3、箱体设计计算

3.1技术指标：

工作区有效尺寸：W400×D400×H500mm ( 80L )

温度范围：-150℃～+175℃，连续可调；

温度波动：≤±1℃(空载)

温度偏差：0℃～+175℃：≤±3.0℃(空载)

0℃～-150℃：≤±3.0℃(空载)

平均降温速率：

室温～-80℃：≥15℃/分钟(空载)

80℃～-120℃：≥10℃/分钟(空载)

120℃～-150℃：≥5℃/分钟(空载)

室温～-120℃，连续工作3小时箱体外表面不结霜；

设备在-80℃～-150℃之间，保温2h，表面不得结霜结露各部位不得有液氮及气体泄漏现象。

3.2绝热层设计

3.2.1选材

试验箱工作条件是高温+175℃，低温-150℃，因此箱体内部材料应选择热胀系数小、导热系数小、耐腐蚀材料我们选择304不锈钢板材作为箱体内壁材料箱体外壳采用冷轧钢板酸洗磷化+表面喷塑处理，绝热层采用导热系数小、吸水性小、强度高、高低温性能稳定的硬质聚氨酯发泡层。为了减少试验箱在极限高温工作时对聚氨酯绝热层性能稳定性的影响在紧贴箱体内壁外侧和聚氨酯绝热层之间加装了一层耐高温的硅酸铝板，这样在兼顾了超高温和超低温的工作条件的同时，又增加了绝热的可靠性。

3.2.2绝热层厚度计算

通常以试验箱在最低工作温度时外表面不结露为基本条件按平壁结构传热方程根据平衡条件得到绝热层最小厚度

δ=(t2-t1)λ/aw(ta-t2)=0.124M=124mm

t1—箱体内壁温度

ta—箱体外空气温度

t2—箱体外壁温度(取室温32℃，相对湿度80%时空气露点温度28.2℃)

aw—箱外壁面与空气自然对流换热系数

λ—绝热层导热系数

考虑到壁面温度要高于露点温度以及加工装配环节的不确定因素取δ=150mm

3.2.3传热系数计算

绝热层的厚度确定之后，则试验箱的传热系数为：

K=1/(1/an+δ/λ+1/aw)=0.181w/㎡·k

其中：an—箱内空气与壁面强迫对流换热系数

3.3箱门密封结构设计

该试验箱工作温度超低，且是前开门方式，如果密封不严实将会出现一系列的问题比如：液氮或氮气的泄露门密封条结冰粘连，造成开门困难，而且门密封条容易拉断拉伤；漏冷量大造成耗氮量增加；密封面外侧经常结霜造成箱体锈蚀等。为了克服深冷温度下的密封难题，经过反复设计比较，确定了一种双层门结构的密封方式。其由内门和外门组成，内门全由不锈钢薄板制成其密封面与箱内壁形成具有一定刚性的线性密封，克服了非金属密封材料在此温区容易损坏的缺点，外门上装硅橡胶条与箱体外侧接触密封，这样既解决了液氮温区的密封问题，又防止了外界水汽的进入，既解决了密封问题又解决了开门难的问题。此外还在密封面预埋了加热装置，有效地解决了长时间工作时箱门密封面外侧结霜的问题。试验箱结构简图如图一，试验箱外观见图二。

图一  试验箱结构简图

图2  试验箱外观

3.4 -150℃时箱体耗热量计算

耗热量Q主要包括箱体绝热层的漏热量Q₁，箱体内材料的热容量Q₂，门密封及开孔的漏热量Q₃；Q₃很难用计算式表述，通常以占总耗热量的15%计。

3.4.1箱体绝热层漏热量

根据平板传热方程：

Q₁=K*A*∆t=111.4W

A：箱体表面积

Δt：箱体内外温差

K：试验箱的传热系数

3.4.2箱体内材料热容量

箱体内材料主要是304不锈钢板，其质量M为9.4Kg，比热容C_p为460J/Kg，

则

Q₂=C_p*M*△t=763W

3.4.3 -150℃时试验箱总耗热量Q_a

Q_a=(Q₁+Q₂)/0.85=1028.7W

考虑到其他未计因素，总耗热量乘一修正系数

Φ=1.1，因此箱体内达到设计最低温度(-150℃)

时需要的最小制冷量

Q_a'=1028.7x1.1=1131.57W

3.5 +175℃时箱体的耗热量Q_b

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

那么箱体内达到设计最高温度(+175℃)时需要的最小加热功率为

Q_b=426.5x1.1=469W。

3.6液氮消耗量及液氮容器的选型

按设计最低温度(即-150℃时)计算，则耗氮量最大。液氮汽化热为1993KJ/Kg，氮气过热到-150℃时平均比热容为106KJ/Kg·K，

故在-150℃时液氮产生的总冷量为：

Q_e=1993+1.06*(123-77)=248KJ/Kg，

则每小时消耗液氮量为：

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

77K时液氮的密度p=810.0kg/m³，则每小时消耗液氮的容积：

=W_LN2/p=0.01975m³=20.28L

考虑到加一次液氮可以做若干次的试验，我们为客户配备了一台150升的液氮容器。

4、性能测试结果

根据国家相关标准规定以及与用户签订的技术协议，某计量科学研究院和用户一起对本试验箱就极限温度、平均降温速率、控温精度和温度场的均匀性等指标进行了测试，各项指标均满足要求。空载平均降温速率由室温降到-150℃时小于17分钟，在-150℃时连续工作2小时后试验箱的表面无结箱和泄露现象箱门的开关自如，说明绝热层厚度和门密封结构设计合理。

5、结论

本试验箱造型简洁、美观、安装操作方便，在箱门密封方式以及防止密封面结霜方面有独创性，为以后类似试验箱的设计积累了经验。在交付用户使用一年多时间里，试验箱性能稳定，液氮耗损小，得到了用户的好评。