中科百科：高低溫試驗箱結構設計及內空氣循環系統優化研究

作者：北京中科富祺科技有限公司 技術研發中心

摘要：高低溫試驗箱作為產品環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均勻性直接決定測試數據的準確性與設備運行穩定性。本文以中科富祺系列高低溫試驗箱研發實踐為基礎，系統闡述試驗箱整體結構設計要點，重點針對傳統空氣循環系統存在的溫度分層、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"的集成優化方案。通過優化風道結構、風機選型、均流設計及控制策略，實現箱內溫場均勻性、穩定性與溫變效率的協同提升。經性能測試驗證，優化后試驗箱在-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；空氣循環系統；CFD仿真；溫度均勻性；優化設計；中科富祺

1 引言

在制造業轉型升級背景下，電子元器件、航空航天零部件、新能源電池等產品在研發、生產及驗收階段，均需通過高低溫環境模擬測試，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）直接影響測試數據的可信度，而這些指標的實現高度依賴設備整體結構設計與內空氣循環系統的優化水平[2]。

北京中科富祺科技有限公司長期深耕環境試驗設備研發、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。在長期實踐中發現，傳統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；二是內空氣循環系統采用單一風道、固定轉速風機設計，易出現氣流短路、局部渦旋、溫度分層等現象，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系統協同優化研究。重點優化風道布局、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，同時為行業同類設備的設計優化提供參考。

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、密封系統、工作室、制冷系統、加熱系統、空氣循環系統及控制系統八大核心部分組成，各部分協同工作，確保設備穩定運行與測試精度。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）。

2.1 箱體結構設計

箱體采用雙層嵌套結構，外層選用優質冷軋鋼板，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，為空氣循環提供順暢路徑；另一方面增強箱體結構強度，減少溫度循環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 隔熱保溫系統設計

隔熱保溫系統是維持箱內穩定溫場、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泡材料（厚度100mm~150mm），其導熱系數低至0.022 W/(m·K)，可有效阻斷熱傳導[5]；同時在聚氨酯發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境溫度差控制在5℃以內[6]。

2.3 密封系統設計

密封系統的可靠性直接影響箱內溫場穩定性，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、加熱系統與空氣循環系統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；加熱系統采用翅片式鎳鉻電加熱器，串聯布置于蒸發器下游，確保空氣經過蒸發器冷卻或加熱后，能快速實現溫度調節[9]。

空氣循環系統的風機、風道、均流裝置等組件集成于箱體背部與頂部，形成獨立的循環腔體，與工作室實現無縫銜接，確保氣流順暢循環，避免氣流短路。控制系統采用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、監控設備運行狀態，同時預留通訊接口，支持遠程控制與數據采集，滿足智能化測試需求。

3 內空氣循環系統優化設計

內空氣循環系統是高低溫試驗箱實現溫場均勻性與快速溫變的核心，其作用是將制冷/加熱系統產生的冷量/熱量均勻傳遞至工作室各個區域，同時帶走測試樣品表面的熱量/冷量，維持箱內溫度穩定。本文針對傳統空氣循環系統存在的溫度分層、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同優化。

3.1 優化設計目標

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

- 工作溫度范圍：-70℃~+180℃，覆蓋絕大多數產品測試需求；

- 溫度均勻性：空載狀態下，箱內各測試點溫度差異≤±0.8℃；

- 溫度波動度：≤±0.3℃，確保溫場長期穩定；

- 溫變速率：-70℃~+85℃區間，平均溫變速率≥5℃/min，較傳統設計提升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損壞；

- 能耗優化：在滿足上述性能指標的前提下，能耗較傳統設計降低15%以上。

3.2 風道布局優化

傳統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.  循環路徑：風機將經過熱交換組件（蒸發器/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。

通過風道布局優化，消除了傳統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象。CFD仿真結果顯示，優化后的風道布局，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化

風機作為空氣循環系統的動力源，其選型與動力匹配直接影響氣流速度、循環效率與能耗[12]。傳統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/降溫工況下循環效率不足。本文結合設備容積與優化目標，進行風機選型與動力匹配優化：

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定、風量可調、噪音低、耐高低溫、能耗低等優點，適合高低溫試驗箱的工作環境；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/加熱系統功率協同匹配，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），減少循環風量，維持溫場穩定，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，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 控制策略優化

空氣循環系統的控制策略直接影響溫場穩定性與能耗，本文結合多點測溫與模糊PID自適應控制技術，優化控制策略，實現風速與溫度的協同調節[15]：

1.  多點溫度采集：在工作室上、中、下、左、右、前、后七個區域布設PT100鉑電阻傳感器（精度±0.15℃），構建7點測溫網絡，實時采集箱內各區域溫度數據，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：將采集到的溫度數據與設定溫度進行對比，通過模糊PID算法，動態調整風機轉速、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溫節能模式，低溫段采用中風量防分層模式，實現不同工況下的優化風量控制，兼顧溫變效率、溫場穩定性與能耗優化。

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測功能，當出現故障時，及時發出報警信號，并自動調整設備運行狀態（如風機故障時，關閉加熱/制冷系統），避免設備損壞與測試樣品損失。

4 CFD仿真分析與試驗驗證

為驗證空氣循環系統優化設計的有效性，本文采用ANSYS Fluent軟件進行CFD仿真分析，同時制作優化后樣機，開展性能測試，對比優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，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域），局部出現渦旋現象，氣流速度偏差較大（偏差≥1.0m/s）；優化后，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，樣品之間的渦旋現象系統化消失[18]。

2.  溫場分布：優化前，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，滿足優化設計目標。

4.2 試驗驗證

4.2.1 試驗設備與條件

制作優化后500L高低溫試驗箱樣機（型號：FCD7-50L），同時選取傳統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，試驗環境條件如下：

由表1可知，優化后的高低溫試驗箱，各項性能指標均達到并超過優化設計目標：溫度均勻度較傳統設計提升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系統優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實踐為基礎，圍繞設備整體結構與內空氣循環系統開展優化研究，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.  針對傳統空氣循環系統的痛點，提出的“雙側對稱立體閉環風道+變頻離心風機+多級均流整流+模糊PID自適應控制"集成優化方案，有效消除了氣流死角、渦旋與溫度分層現象，實現了風速與溫度的協同調節。

3.  CFD仿真與試驗驗證表明，優化后試驗箱在-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，設備運行穩定、測試精度高、能耗低，獲得了用戶的廣泛認可，為企業產品技術升級提供了有力支撐。

5.2 展望

隨著制造業的不斷發展，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參數化自動優化，結合人工智能技術，實現風道布局、風機參數、均流結構的自動迭代優化，縮短研發周期，提升設計精度；

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

3.  融合物聯網與大數據技術，實現設備運行狀態實時監測、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能技術的應用，進一步降低設備能耗，推動環境試驗設備向綠色節能、高效精準方向發展。

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