中科百科：高低溫試驗箱結構設計及內空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化研究

作者：北京中科富祺科技有限公司 技術研發(fā)中心

摘要：高低溫試驗箱作為產品環(huán)境適應性與可靠性測試的核心裝備，其整體結構合理性與內空氣循環(huán)均勻性直接決定測試數(shù)據的準確性與設備運行穩(wěn)定性。本文以中科富祺系列高低溫試驗箱研發(fā)實踐為基礎，系統(tǒng)闡述試驗箱整體結構設計要點，重點針對傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)存在的溫度分層、局部氣流死角、熱交換效率低等痛點，結合計算流體動力學（CFD）仿真技術，提出一種“對稱立體風道+變頻動力匹配+多級均流整流"的集成優(yōu)化方案。通過優(yōu)化風道結構、風機選型、均流設計及控制策略，實現(xiàn)箱內溫場均勻性、穩(wěn)定性與溫變效率的協(xié)同提升。經性能測試驗證，優(yōu)化后試驗箱在-70℃~+180℃工作范圍內，空載溫度均勻度≤±0.8℃，溫度波動度≤±0.3℃，溫變速率較傳統(tǒng)設計提升25%以上，能耗降低15%，可滿足航空航天、新能源、電子等領域嚴苛的環(huán)境模擬測試需求。本文研究成果已批量應用于中科富祺高低溫試驗箱系列產品，為同類設備的結構優(yōu)化與性能升級提供理論支撐與工程參考。

關鍵詞：高低溫試驗箱；結構設計；空氣循環(huán)系統(tǒng)；CFD仿真；溫度均勻性；優(yōu)化設計；中科富祺

1 引言

在制造業(yè)轉型升級背景下，電子元器件、航空航天零部件、新能源電池等產品在研發(fā)、生產及驗收階段，均需通過高低溫環(huán)境模擬測試，驗證其在嚴酷溫度條件下的工作性能與可靠性[1]。高低溫試驗箱作為實現(xiàn)該測試的核心裝備，其性能指標（溫度均勻度、波動度、溫變速率）直接影響測試數(shù)據的可信度，而這些指標的實現(xiàn)高度依賴設備整體結構設計與內空氣循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化水平[2]。

北京中科富祺科技有限公司長期深耕環(huán)境試驗設備研發(fā)、制造與服務領域，聚焦用戶對高精度、高效率測試設備的需求。在長期實踐中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)高低溫試驗箱普遍存在兩大核心問題：一是整體結構設計中，隔熱保溫、密封性能與氣流組織協(xié)同性不足，導致箱內外熱交換干擾大，能耗偏高；二是內空氣循環(huán)系統(tǒng)采用單一風道、固定轉速風機設計，易出現(xiàn)氣流短路、局部渦旋、溫度分層等現(xiàn)象，尤其在大容積、寬溫域測試場景中，溫場均勻性難以滿足測試要求[3]。

針對上述問題，本文結合熱力學、流體動力學理論與CFD仿真技術，開展高低溫試驗箱整體結構與內空氣循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究。重點優(yōu)化風道布局、動力匹配、均流結構及控制策略，通過理論分析、仿真迭代與試驗驗證，形成一套標準化、模塊化的設計方案，旨在提升設備核心性能、降低能耗，為中科富祺系列試驗箱的技術升級提供支撐，同時為行業(yè)同類設備的設計優(yōu)化提供參考。

2 高低溫試驗箱整體結構設計

高低溫試驗箱整體結構設計以“隔熱保溫、密封可靠、氣流順暢、操作便捷"為核心原則，兼顧結構強度與模塊化設計需求，便于后期維護與升級。整體采用“雙層箱體+核心功能模塊集成"結構，主要由箱體結構、隔熱保溫系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、工作室、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)八大核心部分組成，各部分協(xié)同工作，確保設備穩(wěn)定運行與測試精度。其整體結構示意圖如圖1所示（示意圖文字說明：1-外層箱體；2-隔熱保溫層；3-內層工作室；4-空氣循環(huán)風道；5-變頻離心風機；6-熱交換組件；7-均流裝置；8-密封門；9-溫度傳感器；10-控制系統(tǒng)）。

2.1 箱體結構設計

箱體采用雙層嵌套結構，外層選用優(yōu)質冷軋鋼板，經酸洗磷化、靜電噴塑處理，具備耐腐蝕、抗沖擊、美觀耐用的特點；內層工作室選用SUS304不銹鋼板，表面經鏡面拋光處理（Ra≤0.8μm），可減少熱輻射吸收差異，避免局部熱積累，同時便于清潔，防止測試過程中污染物殘留[4]。

箱體轉角采用圓弧過渡設計（曲率半徑≥50mm），一方面避免直角結構導致的氣流滯留，為空氣循環(huán)提供順暢路徑；另一方面增強箱體結構強度，減少溫度循環(huán)過程中因熱脹冷縮產生的應力集中，延長設備使用壽命。工作室容積根據測試需求設計為100L~1000L，采用模塊化設計，可根據用戶需求靈活定制，同時預留測試孔、觀察窗等接口，滿足不同測試場景的擴展需求。

2.2 隔熱保溫系統(tǒng)設計

隔熱保溫系統(tǒng)是維持箱內穩(wěn)定溫場、降低能耗的關鍵，其設計核心是減少箱內外熱傳導、熱對流與熱輻射。本文采用“多層復合隔熱"方案，在內外層箱體之間填充高強度聚氨酯發(fā)泡材料（厚度100mm~150mm），其導熱系數(shù)低至0.022 W/(m·K)，可有效阻斷熱傳導[5]；同時在聚氨酯發(fā)泡層與內層工作室之間增設一層超細玻璃纖維棉，進一步提升隔熱性能，避免低溫工況下箱壁結露。

觀察窗采用三層中空鋼化玻璃設計，中間兩層填充干燥氮氣，防止低溫工況下玻璃結霜影響觀察，同時具備良好的隔熱性能；觀察窗周邊采用加熱除霜設計，確保在-70℃嚴酷低溫下仍能清晰觀察工作室內部測試情況。箱體底部、頂部及側面均采用斷橋鋁結構，切斷金屬導熱路徑，進一步減少熱損耗，使箱體表面溫度與環(huán)境溫度差控制在5℃以內[6]。

2.3 密封系統(tǒng)設計

密封系統(tǒng)的可靠性直接影響箱內溫場穩(wěn)定性，若密封不嚴，外部常溫空氣滲入、內部冷熱空氣泄漏，會導致局部溫度梯度增大，能耗顯著上升。本文采用“雙層密封+多點壓緊"設計，密封件選用耐高低溫硅橡膠（工作溫度-80℃~+200℃），邵氏硬度50±5，壓縮變形量≥30%，具備良好的彈性與耐老化性能[7]。

箱門與箱體接觸部位采用雙層嵌套密封結構，內層密封件負責阻斷主要氣流交換，外層密封件輔助密封，同時防止密封件老化后出現(xiàn)泄漏；箱門采用多點機械鎖扣設計，通過均勻施壓確保密封件與箱體緊密貼合，將箱內氣體泄漏率控制在0.1%以下[8]。此外，測試孔、線纜入口等部位配置迷宮式密封套件，使用氟橡膠圈隔絕內外氣流交換，避免局部冷橋效應導致的溫差增大。

2.4 核心功能模塊布局

制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)與空氣循環(huán)系統(tǒng)作為設備的核心功能模塊，其布局合理性直接影響氣流組織與熱交換效率。制冷系統(tǒng)采用雙級壓縮制冷方案，選用德國比澤爾渦旋式壓縮機，蒸發(fā)器與冷凝器采用銅管鋁翅片結構，布置于箱體背部風道內，避免占用工作室空間；加熱系統(tǒng)采用翅片式鎳鉻電加熱器，串聯(lián)布置于蒸發(fā)器下游，確?？諝饨涍^蒸發(fā)器冷卻或加熱后，能快速實現(xiàn)溫度調節(jié)[9]。

空氣循環(huán)系統(tǒng)的風機、風道、均流裝置等組件集成于箱體背部與頂部，形成獨立的循環(huán)腔體，與工作室實現(xiàn)無縫銜接，確保氣流順暢循環(huán)，避免氣流短路?？刂葡到y(tǒng)采用PLC+觸摸屏設計，集成于箱體側面操作面板，便于操作人員設置測試參數(shù)、監(jiān)控設備運行狀態(tài)，同時預留通訊接口，支持遠程控制與數(shù)據采集，滿足智能化測試需求。

3 內空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設計

內空氣循環(huán)系統(tǒng)是高低溫試驗箱實現(xiàn)溫場均勻性與快速溫變的核心，其作用是將制冷/加熱系統(tǒng)產生的冷量/熱量均勻傳遞至工作室各個區(qū)域，同時帶走測試樣品表面的熱量/冷量，維持箱內溫度穩(wěn)定。本文針對傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)存在的溫度分層、局部死角、熱交換效率低等問題，結合CFD仿真技術，從風道布局、風機選型、均流結構及控制策略四個方面進行協(xié)同優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化設計目標

結合中科富祺試驗箱產品定位與行業(yè)標準GB/T 10592-2021《高低溫試驗箱技術條件》，確定空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設計目標如下[10]：

- 工作溫度范圍：-70℃~+180℃，覆蓋絕大多數(shù)產品測試需求；

- 溫度均勻性：空載狀態(tài)下，箱內各測試點溫度差異≤±0.8℃；

- 溫度波動度：≤±0.3℃，確保溫場長期穩(wěn)定；

- 溫變速率：-70℃~+85℃區(qū)間，平均溫變速率≥5℃/min，較傳統(tǒng)設計提升25%以上；

- 氣流組織：無明顯氣流死角、無強直射氣流，工作室各區(qū)域風速均勻（0.5m/s~1.5m/s），避免測試樣品因局部氣流過強出現(xiàn)損壞；

- 能耗優(yōu)化：在滿足上述性能指標的前提下，能耗較傳統(tǒng)設計降低15%以上。

3.2 風道布局優(yōu)化

傳統(tǒng)高低溫試驗箱多采用“單側上送下回"或“單側下送上回"的風道布局，這種布局易導致氣流短路、局部渦旋，溫場均勻性較差，尤其在大容積設備中，溫度分層現(xiàn)象更為明顯[11]。結合CFD仿真技術，本文提出“雙側對稱立體閉環(huán)風道"布局，具體設計如下：

1.  送風風道：在工作室兩側設置對稱的豎向送風通道，送風通道頂部與箱體頂部的橫向送風腔連接，底部延伸至工作室底部；送風通道內側均勻開設送風孔，送風孔采用斜向設計（與水平方向夾角30°~45°），且上下送風孔的角度交錯分布，確保氣流能夠均勻覆蓋工作室各個區(qū)域，避免氣流直吹測試樣品。

2.  回風風道：在工作室背部設置豎向回風通道，回風通道頂部與風機進風口連接，底部與工作室底部的回風腔連接；回風通道內側開設回風孔，回風孔主要分布在工作室上、中、下三個區(qū)域，確保工作室各個高度的空氣能夠均勻回風，避免局部空氣滯留。

3.  循環(huán)路徑：風機將經過熱交換組件（蒸發(fā)器/加熱器）處理后的空氣送入頂部橫向送風腔，再分配至兩側豎向送風通道，通過送風孔送入工作室；空氣在工作室內部完成熱交換后，通過背部回風通道的回風孔進入回風腔，再被風機抽吸至熱交換組件，形成閉式強制循環(huán)。

通過風道布局優(yōu)化，消除了傳統(tǒng)風道的氣流短路與局部渦旋問題，同時利用雙側對稱送風，有效抑制了溫度分層現(xiàn)象。CFD仿真結果顯示，優(yōu)化后的風道布局，氣流覆蓋效率提升35%以上，工作室內部無明顯氣流死角。

3.3 風機選型與動力匹配優(yōu)化

風機作為空氣循環(huán)系統(tǒng)的動力源，其選型與動力匹配直接影響氣流速度、循環(huán)效率與能耗[12]。傳統(tǒng)試驗箱多采用固定轉速風機，無法根據不同工況（升溫、降溫、恒溫）的需求調整風速，導致恒溫工況下能耗偏高，升溫/降溫工況下循環(huán)效率不足。本文結合設備容積與優(yōu)化目標，進行風機選型與動力匹配優(yōu)化：

1.  風機選型：選用高靜壓后傾式變頻離心風機，該類型風機具有風壓穩(wěn)定、風量可調、噪音低、耐高低溫、能耗低等優(yōu)點，適合高低溫試驗箱的工作環(huán)境；風機葉輪采用防腐處理，避免低溫工況下結霜影響運行穩(wěn)定性。

2.  功率匹配：根據工作室容積、風道阻力、熱交換需求，精準匹配風機功率。例如，500L容積試驗箱，選用1.5kW變頻離心風機，確保有效循環(huán)風量達到1200m3/h，滿足熱交換與氣流均勻性需求；同時，風機功率與制冷/加熱系統(tǒng)功率協(xié)同匹配，避免因風機功率過大導致能耗浪費，或功率過小導致循環(huán)效率不足。

3.  變頻控制：采用變頻調速技術，根據不同工況動態(tài)調整風機轉速：升溫/降溫工況下，提高風機轉速（1480r/min），增大循環(huán)風量，加快熱交換效率，提升溫變速率；恒溫工況下，降低風機轉速（960r/min），減少循環(huán)風量，維持溫場穩(wěn)定，同時降低能耗；低溫工況下，適當提高風機轉速，抑制箱內溫度分層，避免局部結霜。

3.4 均流與導流結構優(yōu)化

為進一步提升氣流均勻性，抑制紊流與局部溫度梯度，在風道布局與風機優(yōu)化的基礎上，增設多級均流與導流結構，具體設計如下[13]：

1.  送風均流：在送風通道的送風孔內側設置多層均流網，均流網采用不銹鋼材質，孔徑為2mm~3mm，通過多層均流，將送風通道內的紊流轉化為平穩(wěn)氣流，確保每個送風孔的出風速度均勻（偏差≤0.2m/s）；同時，在送風通道頂部設置導流板，引導氣流均勻分配至兩側送風通道，避免單側氣流過強。

2.  工作室導流：在工作室頂部、底部及兩側設置弧形導流板，導流板采用SUS304不銹鋼材質，與箱體圓弧轉角銜接，引導氣流順暢循環(huán)，避免氣流在轉角處滯留；針對動力電池等特殊測試樣品，在置物架與內箱底部的間距增至0.2m，同時適當增大回風口截面積至0.15m高度，減輕甚至消除樣品之間的渦旋現(xiàn)象[14]。

3.  回風均流：在回風通道的回風孔外側設置均流板，均流板采用多孔結構，引導工作室空氣均勻進入回風通道，避免局部空氣回流過快導致的氣流紊亂；同時，在風機進風口設置導流罩，減少氣流進入風機時的阻力，提升風機運行效率。

3.5 控制策略優(yōu)化

空氣循環(huán)系統(tǒng)的控制策略直接影響溫場穩(wěn)定性與能耗，本文結合多點測溫與模糊PID自適應控制技術，優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)風速與溫度的協(xié)同調節(jié)[15]：

1.  多點溫度采集：在工作室上、中、下、左、右、前、后七個區(qū)域布設PT100鉑電阻傳感器（精度±0.15℃），構建7點測溫網絡，實時采集箱內各區(qū)域溫度數(shù)據，精準掌握溫場分布情況，避免因單點測溫導致的控制偏差[16]。

2.  模糊PID自適應調節(jié)：將采集到的溫度數(shù)據與設定溫度進行對比，通過模糊PID算法，動態(tài)調整風機轉速、加熱功率與制冷功率。當箱內溫差較大時，自動提高風機轉速與加熱/制冷功率，加快溫場均衡；當箱內溫度接近設定值時，自動降低風機轉速與加熱/制冷功率，維持溫場穩(wěn)定，避免溫度超調。

3.  變風量控制邏輯：預設不同工況的風速曲線，升溫/降溫段采用大風量快速換熱模式，恒溫段采用低風量穩(wěn)溫節(jié)能模式，低溫段采用中風量防分層模式，實現(xiàn)不同工況下的優(yōu)化風量控制，兼顧溫變效率、溫場穩(wěn)定性與能耗優(yōu)化。

4.  故障自診斷：集成風機堵轉、風速異常、傳感器失效等故障監(jiān)測功能，當出現(xiàn)故障時，及時發(fā)出報警信號，并自動調整設備運行狀態(tài)（如風機故障時，關閉加熱/制冷系統(tǒng)），避免設備損壞與測試樣品損失。

4 CFD仿真分析與試驗驗證

為驗證空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設計的有效性，本文采用ANSYS Fluent軟件進行CFD仿真分析，同時制作優(yōu)化后樣機，開展性能測試，對比優(yōu)化前后的設備性能指標。

4.1 CFD仿真分析

4.1.1 仿真模型建立

以中科富祺500L高低溫試驗箱為研究對象，建立箱體、風道、風機、熱交換組件、工作室的三維模型，采用結構化網格劃分，網格數(shù)量約為2.5×10?，網格質量≥0.8，確保仿真精度；設定湍流模型為k-ε模型，邊界條件如下[17]：

- 風機邊界：設定為速度入口，根據風機選型參數(shù)，設定不同工況的入口風速；

- 熱交換組件邊界：設定為溫度邊界，升溫工況下設定為85℃，低溫工況下設定為-40℃；

- 工作室邊界：設定為絕熱邊界，忽略工作室壁面的熱損耗；

- 出口邊界：設定為壓力出口，出口壓力為標準大氣壓。

4.1.2 仿真結果分析

通過CFD仿真，分別分析優(yōu)化前后試驗箱在高溫（85℃）、低溫（-40℃）恒溫工況下的流場與溫場分布，結果如下：

1.  流場分布：優(yōu)化前，試驗箱存在明顯氣流死角（主要集中在工作室角落與樣品放置區(qū)域），局部出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，氣流速度偏差較大（偏差≥1.0m/s）；優(yōu)化后，工作室內部氣流分布均勻，無明顯氣流死角與渦旋，氣流速度控制在0.5m/s~1.5m/s，速度偏差≤0.2m/s，氣流覆蓋效率提升35%以上，樣品之間的渦旋現(xiàn)象系統(tǒng)化消失[18]。

2.  溫場分布：優(yōu)化前，高溫工況下箱內溫差為2.3℃，低溫工況下溫差為2.7℃，存在明顯溫度分層；優(yōu)化后，高溫工況下箱內溫差為0.7℃，低溫工況下溫差為0.8℃，溫度分布均勻，無明顯溫度分層，滿足優(yōu)化設計目標。

4.2 試驗驗證

4.2.1 試驗設備與條件

制作優(yōu)化后500L高低溫試驗箱樣機（型號：FCD7-50L），同時選取傳統(tǒng)設計的同型號樣機作為對比；試驗依據GB/T 10592-2021《高低溫試驗箱技術條件》，在空載狀態(tài)下，對兩臺樣機的溫度均勻性、波動度、溫變速率及能耗進行測試，試驗環(huán)境條件如下：

由表1可知，優(yōu)化后的高低溫試驗箱，各項性能指標均達到并超過優(yōu)化設計目標：溫度均勻度較傳統(tǒng)設計提升63%以上，溫度波動度提升71%以上，溫變速率提升30%，能耗降低15.1%。試驗結果與CFD仿真結果基本一致，驗證了本文提出的整體結構設計與內空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化方案的有效性與可行性。

此外，針對新能源電池測試場景，開展專項測試，將兩臺動力電池樣品放入優(yōu)化后樣機，在45℃恒溫工況下測試，結果顯示樣品之間無渦旋現(xiàn)象，樣品表面溫度均勻，溫差≤0.5℃，滿足動力電池高精度測試需求[19]。

5 結論與展望

5.1 結論

本文以中科富祺高低溫試驗箱研發(fā)實踐為基礎，圍繞設備整體結構與內空氣循環(huán)系統(tǒng)開展優(yōu)化研究，結合熱力學、流體動力學理論與CFD仿真技術，得出以下結論：

1.  提出的“雙層箱體+多層復合隔熱+雙層密封"整體結構設計，有效減少了箱內外熱交換，提升了設備密封性能與結構穩(wěn)定性，為溫場均勻性提供了良好的結構基礎；圓弧過渡與模塊化設計，兼顧了氣流順暢性、結構強度與后期維護需求。

2.  針對傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)的痛點，提出的“雙側對稱立體閉環(huán)風道+變頻離心風機+多級均流整流+模糊PID自適應控制"集成優(yōu)化方案，有效消除了氣流死角、渦旋與溫度分層現(xiàn)象，實現(xiàn)了風速與溫度的協(xié)同調節(jié)。

3.  CFD仿真與試驗驗證表明，優(yōu)化后試驗箱在-70℃~+180℃工作范圍內，空載溫度均勻度≤±0.8℃，溫度波動度≤±0.3℃，溫變速率≥5.2℃/min，能耗降低15.1%，各項性能指標均達到測試設備要求，可滿足航空航天、新能源、電子等領域的嚴苛測試需求。

4.  本文研究成果已批量應用于中科富祺高低溫試驗箱系列產品，經市場驗證，設備運行穩(wěn)定、測試精度高、能耗低，獲得了用戶的廣泛認可，為企業(yè)產品技術升級提供了有力支撐。

5.2 展望

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，測試場景日益復雜，對高低溫試驗箱的性能要求將進一步提高，未來將圍繞以下方向開展深入研究：

1.  進一步推進CFD參數(shù)化自動優(yōu)化，結合人工智能技術，實現(xiàn)風道布局、風機參數(shù)、均流結構的自動迭代優(yōu)化，縮短研發(fā)周期，提升設計精度；

2.  開展分區(qū)獨立控溫與風場調節(jié)研究，針對大容積、多樣品測試場景，實現(xiàn)工作室不同區(qū)域的溫度與風速獨立控制，滿足多樣化測試需求；

3.  融合物聯(lián)網與大數(shù)據技術，實現(xiàn)設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測、故障預警與遠程運維，提升設備智能化水平；

4.  探索新型隔熱保溫材料與節(jié)能技術的應用，進一步降低設備能耗，推動環(huán)境試驗設備向綠色節(jié)能、高效精準方向發(fā)展。

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