高低温低气压试验箱的研制

摘要：本文介绍了高低温低气压试验箱的研制程包括密封结构设计、真空系统设计及温度系统设计等。

1、引言

低气压对一些产品的性能有较明显的影响。例如：气压降低，产品的散热能力下降，导致产品温度升高而损坏；会使某些材料中含有的填料和溶剂物质加速挥发，促使材料加速老化；会使产品的电器性能如绝缘强度发生变化。为了检测这些产品或材料或零部件在温度、低气压单一或者复合条件下的模拟试验性能，以便对试品在拟定的环境条件下的性能行为作出评价和分析，从而发现试验样品在电器或结构上的缺陷，需要提供一种温度压力环境试验装置。应某军工单位的需要，我们研制了高低温低气压试验箱。

2、设备简介

根据GB/T3163—93，真空区域大致划分为：低真空10⁵～10²Pa，中真空10²～10^-1Pa，高真空：10^-1～10^-5Pa，超高真空：<10^-5Pa。高低温低气压试验箱气压指标属低真空范围。高低温低气压试验箱是一台可单独进行高温试验低温试验低气压试验或其中的任意两项组合试验的设备，可用于电子、电工、军工产品按国标、国军标进行的可靠性与模拟环境试验。

2.1高低温低气压试验箱技术指标

（1）试验温度范围：-70℃～125℃

（2）升降温时间

20℃～-70℃：≤70min(常压、空载)

20℃～125℃：≤40min(常压、空载)

（3）温度均匀度：≤2℃(常压、空载)

（4）温度控制精度：≤±0.5℃(常压、空载)

（5）制冷功率(环境温度为20℃时)

55℃时试验样品散发的功率2000W

（6）压力范围：100KPa～0.5KPa(绝对压力)

（7）降压时间：<40min(100KPa～1KPa，箱内干燥)

（8）压力偏差：±20KPa(≥40KPa)

±5%(40KPa～2KPa)

±0.1KPa(≤2KPa）

2.2试验箱的组成与工作原理

试验箱由箱体、箱门、风道系统、制冷系统加热系统、真空系统、电气控制系统、机械、电气接口等部分组成控制系统位于箱体的右侧。试验箱为方形壳体结构较之圆形结构有较大的使用空间。内箱体为承压箱体。为减少制冷系统的热负荷，内箱体的外壁设置了加强筋。内箱体的后壁设置有机械、电气等接口法兰。内箱体由不锈钢制造，其余结构为优质结构钢板经内外表面喷塑成型。

风道系统由磁流体密封传动装置、空气调节通道、盖板、加热器、蒸发器以及壁式加热器、壁式蒸发器等部分组成。

制冷系统提供试验箱室温至-70℃的低温冷源。制冷系统采用二元复叠制冷方式。由进口半封闭压缩机、热力膨胀阀、干燥过滤器、电磁阀等部件组成。采用水冷式冷凝器，以保证运行工况的稳定性。制冷回路包括主回路及辅助回路。温度控制器根据试验要求自动选择制冷回路并根据需要调节输出的冷量使之与所需冷量尽可能匹配从而提高控制精度及制冷效率，降低运行费用。

加热系统提供试验箱室温至125℃热源。采用不锈钢翅片式加热装置。保证加热稳定可靠。

真空系统真空系统由真空泵、连接管道压力调节阀、电磁真空挡板阀充气手阀压力传感器等部件组成。提供系统需要的真空。

电气控制系统由可编程控制器、温度控制器、温度传感器压力变送器、故障检测元件执行元件等组成。

从功能上包括温度控制系统、压力控制系统和保护系统等部分。

3、试验箱设计

3.1密封结构设计

密封结构设计是低气压试验箱设计的关键，主要有门体处密封蒸发风机处密封以及机械电气接口法兰密封，其中又以门体处密最难处理。门体是900×900的平板中间开有350×350的观察窗孔。为保证强度需要，门体内面焊接加强筋这势必造成门体变形，门体平面度难以保证，而平面度及表面粗糙度是保证密封的根本。为消除门体加工变形的影响降低加工难度满足密封要求特别采用了以下结构：

1.门体与箱体的连接采用四点可调整机构降低门体加工难度减少装配时的调整工作量。

2.设计专用门体密封条和密封槽结构保证系统对真空度的要求。通过上述措施以及对后期装配的充分考虑使得此处结构圆满满足了要求。

蒸发风机处的密封采用了磁流体密封传动形式，磁流体密封虽然是传统的密封结构形式之一，但用在高低温试验箱上，特别需要注意的是高温对磁流体的影响以及传动轴长期在高温下运行的蠕变。机械电气接口法兰处的密封以“o”形圈结构形式。

3.2真空系统设计

真空系统由真空泵、连接管道调节阀电磁真空挡板阀充气手阀压力传感器等部件组成。

电磁真空带充气阀是安装在旋片式真空泵上的专用阀门。阀门与泵接在同一电源上，泵的开启与停止直接控制了阀的开启与关闭。当泵停止工作或电源突然中断时，阀能自动将真空系统封闭，并将大气通过泵的进气口充人泵腔，避免泵油返流污染真空系统。电动调节阀与箱体相连，共2件，分别用于控制抽气与进气，其原理与调节温度的蒸发器和加热器类似，采用抽气与进气非此即彼的调节方法，具有较高的控制精度。

电磁真空挡板阀用来切段或接通着真空室，根据试验条件的要求开启或关闭。当电源突然中断时阀能自动将真空系统封闭。真空系统流程图如图1：

图1 真空系统流程图

3.3温度系统设计

温度系统主要包括低温和高温，其设计的关键：

1.如何保证能量在低真空下的有效传递。

2.在低气压状态下，气体有低气压放电现象，导致加热电极短路，采取何种加热方式。

在低气压状态下，试验空间空气稀薄随着空气密度的减小，空气的对流传热系数大大降低，此时的热量传递主要通过辐射来进行因此低气压试验箱的蒸发器布置与通常的高低温试验箱有较大的不同。为了适应这种传热变化在内箱的四个面上埋设了壁式加热器与壁式蒸发器，来实现低气压状态下的温度调节控制。

高低温试验箱加热通常采用不锈钢电加热管，但在低气压状态下由于存在着气体放电现象因此加热装置必须进行改进。方法是采取降压加热方式。

3.4电气控制系统设计

电气控制系统由温度压力控制器、可编程序控制器、温度传感器压力变送器故障检测元件执行元件等组成。从功能上包括温度控制系统、压力控制系统和保护系统等三部分。温度压力控制器采用进口双通道程序控制器，控制器配备有触摸屏液晶显示器，实时显示设定温度及压力、实测温度及压力、总运行时间、段运行时间、段剩余时间等。控制器通过温度传感器测得的箱内温度值与通过用户操作界面设定的温度值进行比较，并将差值按一定的调节规律进行PD运算，算出需要输出控制量的大小及决定各输出点的工作状态，PLC接受开来自控制器的指令，决定各执行元件(如电磁阀加热器、真空泵等)的工作状态，从而得到控制加热系统制冷系统的工作，使箱内温度按要求变化。压力控制与温度控制类似。设备进行设定压力控制时，压力变送器将传感器测得的信号进行变换，以标准4～20mA电流信号送至控制器，通过与用户操作界面设定的气压值进行比较，经控制器内部PD运算产生一个数字输出信号，分别控制真空系统电子调节阀的开度大小及与其相关的部件工作，从而控制箱体的抽气量与进气量的大小，使箱内气压按设定要求进行变化。保护系统包括电源断相反相、超温、超压冷却水欠压等。

3.5试验箱结构设计

～高低温低气压试验箱结构部分由上箱体、下箱体、电气控制柜、门体等部分组成，电气控制柜布置于箱体右侧。试验箱有效使用尺寸为600X600×600mm。试验箱的结构设计主要包括：内箱体承压壁厚设计箱架刚性设计、内箱体支撑结构设计等。内箱体重250kg，采取何种结构支撑此重量且做到绝热是结构设计的关键。另外内外箱体组装发泡时需要翻转，内外箱体在发泡前成为一体也是在设计时需要考虑的问题。试验箱产品如图2。

图2 高低温低气压试验箱

4、试验箱性能测试结果

试验箱在装调完毕后，我们分别对试验箱进行了高温试验、低温试验降压试验以及其中任意两项组合试验，并进行了升降温时间测试制冷能力测试和温场均匀性测试及降压时间测试。

试验箱在空载情况下，由室温20℃降至-65℃时间为50min。试验箱制冷能力的测试我们采用了热平衡法，当验箱内加热功率为2000W时试验箱内温度为-63℃。在试验箱内布置9点测温传感器比较各点传感器所检测的温度，温度均匀性小于1.0℃。降压时间为23min。根据试验及测试试验箱各项指标符合设计标准满足用户使用要求。

5、结束语

高低温低气压试验箱现已交付用户使用。产品性能稳定操作简单方便，各处密封可靠特别是门体密封调节机构设计、压力控制方式设计制冷加热方式选择以及电气控制思路新颖，设计独特，为类似产品设计奠定了基础。