摘要：本文介紹了高低溫低氣壓試驗(yàn)箱的研制程包括密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)及溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

1、引言

低氣壓對(duì)一些產(chǎn)品的性能有較明顯的影響。例如：氣壓降低，產(chǎn)品的散熱能力下降，導(dǎo)致產(chǎn)品溫度升高而損壞；會(huì)使某些材料中含有的填料和溶劑物質(zhì)加速揮發(fā)，促使材料加速老化；會(huì)使產(chǎn)品的電器性能如絕緣強(qiáng)度發(fā)生變化。為了檢測(cè)這些產(chǎn)品或材料或零部件在溫度、低氣壓?jiǎn)我换蛘邚?fù)合條件下的模擬試驗(yàn)性能，以便對(duì)試品在擬定的環(huán)境條件下的性能行為作出評(píng)價(jià)和分析，從而發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)樣品在電器或結(jié)構(gòu)上的缺陷，需要提供一種溫度壓力環(huán)境試驗(yàn)裝置。應(yīng)某軍工單位的需要，我們研制了高低溫低氣壓試驗(yàn)箱。

2、設(shè)備簡(jiǎn)介

根據(jù)GB/T3163—93，真空區(qū)域大致劃分為：低真空10⁵～10²Pa，中真空10²～10^-1Pa，高真空：10^-1～10^-5Pa，超高真空：<10^-5Pa。高低溫低氣壓試驗(yàn)箱氣壓指標(biāo)屬低真空范圍。高低溫低氣壓試驗(yàn)箱是一臺(tái)可單獨(dú)進(jìn)行高溫試驗(yàn)低溫試驗(yàn)低氣壓試驗(yàn)或其中的任意兩項(xiàng)組合試驗(yàn)的設(shè)備，可用于電子、電工、軍工產(chǎn)品按國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)進(jìn)行的可靠性與模擬環(huán)境試驗(yàn)。

2.1高低溫低氣壓試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)

（1）試驗(yàn)溫度范圍：-70℃～125℃

（2）升降溫時(shí)間

20℃～-70℃：≤70min(常壓、空載)

20℃～125℃：≤40min(常壓、空載)

（3）溫度均勻度：≤2℃(常壓、空載)

（4）溫度控制精度：≤±0.5℃(常壓、空載)

（5）制冷功率(環(huán)境溫度為20℃時(shí))

55℃時(shí)試驗(yàn)樣品散發(fā)的功率2000W

（6）壓力范圍：100KPa～0.5KPa(絕對(duì)壓力)

（7）降壓時(shí)間：<40min(100KPa～1KPa，箱內(nèi)干燥)

（8）壓力偏差：±20KPa(≥40KPa)

±5%(40KPa～2KPa)

±0.1KPa(≤2KPa）

2.2試驗(yàn)箱的組成與工作原理

試驗(yàn)箱由箱體、箱門(mén)、風(fēng)道系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械、電氣接口等部分組成控制系統(tǒng)位于箱體的右側(cè)。試驗(yàn)箱為方形殼體結(jié)構(gòu)較之圓形結(jié)構(gòu)有較大的使用空間。內(nèi)箱體為承壓箱體。為減少制冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷，內(nèi)箱體的外壁設(shè)置了加強(qiáng)筋。內(nèi)箱體的后壁設(shè)置有機(jī)械、電氣等接口法蘭。內(nèi)箱體由不銹鋼制造，其余結(jié)構(gòu)為優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)內(nèi)外表面噴塑成型。

風(fēng)道系統(tǒng)由磁流體密封傳動(dòng)裝置、空氣調(diào)節(jié)通道、蓋板、加熱器、蒸發(fā)器以及壁式加熱器、壁式蒸發(fā)器等部分組成。

制冷系統(tǒng)提供試驗(yàn)箱室溫至-70℃的低溫冷源。制冷系統(tǒng)采用二元復(fù)疊制冷方式。由進(jìn)口半封閉壓縮機(jī)、熱力膨脹閥、干燥過(guò)濾器、電磁閥等部件組成。采用水冷式冷凝器，以保證運(yùn)行工況的穩(wěn)定性。制冷回路包括主回路及輔助回路。溫度控制器根據(jù)試驗(yàn)要求自動(dòng)選擇制冷回路并根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出的冷量使之與所需冷量盡可能匹配從而提高控制精度及制冷效率，降低運(yùn)行費(fèi)用。

加熱系統(tǒng)提供試驗(yàn)箱室溫至125℃熱源。采用不銹鋼翅片式加熱裝置。保證加熱穩(wěn)定可靠。

真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)由真空泵、連接管道壓力調(diào)節(jié)閥、電磁真空擋板閥充氣手閥壓力傳感器等部件組成。提供系統(tǒng)需要的真空。

電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器、溫度控制器、溫度傳感器壓力變送器、故障檢測(cè)元件執(zhí)行元件等組成。

從功能上包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)等部分。

3、試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

3.1密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是低氣壓試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要有門(mén)體處密封蒸發(fā)風(fēng)機(jī)處密封以及機(jī)械電氣接口法蘭密封，其中又以門(mén)體處密最難處理。門(mén)體是900×900的平板中間開(kāi)有350×350的觀察窗孔。為保證強(qiáng)度需要，門(mén)體內(nèi)面焊接加強(qiáng)筋這勢(shì)必造成門(mén)體變形，門(mén)體平面度難以保證，而平面度及表面粗糙度是保證密封的根本。為消除門(mén)體加工變形的影響降低加工難度滿足密封要求特別采用了以下結(jié)構(gòu)：

1.門(mén)體與箱體的連接采用四點(diǎn)可調(diào)整機(jī)構(gòu)降低門(mén)體加工難度減少裝配時(shí)的調(diào)整工作量。

2.設(shè)計(jì)專用門(mén)體密封條和密封槽結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)對(duì)真空度的要求。通過(guò)上述措施以及對(duì)后期裝配的充分考慮使得此處結(jié)構(gòu)圓滿滿足了要求。

蒸發(fā)風(fēng)機(jī)處的密封采用了磁流體密封傳動(dòng)形式，磁流體密封雖然是傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)形式之一，但用在高低溫試驗(yàn)箱上，特別需要注意的是高溫對(duì)磁流體的影響以及傳動(dòng)軸長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行的蠕變。機(jī)械電氣接口法蘭處的密封以“o”形圈結(jié)構(gòu)形式。

3.2真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)由真空泵、連接管道調(diào)節(jié)閥電磁真空擋板閥充氣手閥壓力傳感器等部件組成。

電磁真空帶充氣閥是安裝在旋片式真空泵上的專用閥門(mén)。閥門(mén)與泵接在同一電源上，泵的開(kāi)啟與停止直接控制了閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。當(dāng)泵停止工作或電源突然中斷時(shí)，閥能自動(dòng)將真空系統(tǒng)封閉，并將大氣通過(guò)泵的進(jìn)氣口充人泵腔，避免泵油返流污染真空系統(tǒng)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與箱體相連，共2件，分別用于控制抽氣與進(jìn)氣，其原理與調(diào)節(jié)溫度的蒸發(fā)器和加熱器類似，采用抽氣與進(jìn)氣非此即彼的調(diào)節(jié)方法，具有較高的控制精度。

電磁真空擋板閥用來(lái)切段或接通著真空室，根據(jù)試驗(yàn)條件的要求開(kāi)啟或關(guān)閉。當(dāng)電源突然中斷時(shí)閥能自動(dòng)將真空系統(tǒng)封閉。真空系統(tǒng)流程圖如圖1：

圖1 真空系統(tǒng)流程圖

3.3溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度系統(tǒng)主要包括低溫和高溫，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：

1.如何保證能量在低真空下的有效傳遞。

2.在低氣壓狀態(tài)下，氣體有低氣壓放電現(xiàn)象，導(dǎo)致加熱電極短路，采取何種加熱方式。

在低氣壓狀態(tài)下，試驗(yàn)空間空氣稀薄隨著空氣密度的減小，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)大大降低，此時(shí)的熱量傳遞主要通過(guò)輻射來(lái)進(jìn)行因此低氣壓試驗(yàn)箱的蒸發(fā)器布置與通常的高低溫試驗(yàn)箱有較大的不同。為了適應(yīng)這種傳熱變化在內(nèi)箱的四個(gè)面上埋設(shè)了壁式加熱器與壁式蒸發(fā)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)低氣壓狀態(tài)下的溫度調(diào)節(jié)控制。

高低溫試驗(yàn)箱加熱通常采用不銹鋼電加熱管，但在低氣壓狀態(tài)下由于存在著氣體放電現(xiàn)象因此加熱裝置必須進(jìn)行改進(jìn)。方法是采取降壓加熱方式。

3.4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)由溫度壓力控制器、可編程序控制器、溫度傳感器壓力變送器故障檢測(cè)元件執(zhí)行元件等組成。從功能上包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)等三部分。溫度壓力控制器采用進(jìn)口雙通道程序控制器，控制器配備有觸摸屏液晶顯示器，實(shí)時(shí)顯示設(shè)定溫度及壓力、實(shí)測(cè)溫度及壓力、總運(yùn)行時(shí)間、段運(yùn)行時(shí)間、段剩余時(shí)間等?？刂破魍ㄟ^(guò)溫度傳感器測(cè)得的箱內(nèi)溫度值與通過(guò)用戶操作界面設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，并將差值按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行PD運(yùn)算，算出需要輸出控制量的大小及決定各輸出點(diǎn)的工作狀態(tài)，PLC接受開(kāi)來(lái)自控制器的指令，決定各執(zhí)行元件(如電磁閥加熱器、真空泵等)的工作狀態(tài)，從而得到控制加熱系統(tǒng)制冷系統(tǒng)的工作，使箱內(nèi)溫度按要求變化。壓力控制與溫度控制類似。設(shè)備進(jìn)行設(shè)定壓力控制時(shí)，壓力變送器將傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行變換，以標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)送至控制器，通過(guò)與用戶操作界面設(shè)定的氣壓值進(jìn)行比較，經(jīng)控制器內(nèi)部PD運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，分別控制真空系統(tǒng)電子調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小及與其相關(guān)的部件工作，從而控制箱體的抽氣量與進(jìn)氣量的大小，使箱內(nèi)氣壓按設(shè)定要求進(jìn)行變化。保護(hù)系統(tǒng)包括電源斷相反相、超溫、超壓冷卻水欠壓等。

3.5試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

～高低溫低氣壓試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)部分由上箱體、下箱體、電氣控制柜、門(mén)體等部分組成，電氣控制柜布置于箱體右側(cè)。試驗(yàn)箱有效使用尺寸為600X600×600mm。試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：內(nèi)箱體承壓壁厚設(shè)計(jì)箱架剛性設(shè)計(jì)、內(nèi)箱體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。內(nèi)箱體重250kg，采取何種結(jié)構(gòu)支撐此重量且做到絕熱是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另外內(nèi)外箱體組裝發(fā)泡時(shí)需要翻轉(zhuǎn)，內(nèi)外箱體在發(fā)泡前成為一體也是在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。試驗(yàn)箱產(chǎn)品如圖2。

圖2 高低溫低氣壓試驗(yàn)箱

4、試驗(yàn)箱性能測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)箱在裝調(diào)完畢后，我們分別對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行了高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)降壓試驗(yàn)以及其中任意兩項(xiàng)組合試驗(yàn)，并進(jìn)行了升降溫時(shí)間測(cè)試制冷能力測(cè)試和溫場(chǎng)均勻性測(cè)試及降壓時(shí)間測(cè)試。

試驗(yàn)箱在空載情況下，由室溫20℃降至-65℃時(shí)間為50min。試驗(yàn)箱制冷能力的測(cè)試我們采用了熱平衡法，當(dāng)驗(yàn)箱內(nèi)加熱功率為2000W時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為-63℃。在試驗(yàn)箱內(nèi)布置9點(diǎn)測(cè)溫傳感器比較各點(diǎn)傳感器所檢測(cè)的溫度，溫度均勻性小于1.0℃。降壓時(shí)間為23min。根據(jù)試驗(yàn)及測(cè)試試驗(yàn)箱各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滿足用戶使用要求。

5、結(jié)束語(yǔ)

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱現(xiàn)已交付用戶使用。產(chǎn)品性能穩(wěn)定操作簡(jiǎn)單方便，各處密封可靠特別是門(mén)體密封調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓力控制方式設(shè)計(jì)制冷加熱方式選擇以及電氣控制思路新穎，設(shè)計(jì)獨(dú)特，為類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。