恒温恒湿试验箱（Constant Temperature & Humidity Chamber）是环境可靠性试验的通用平台，其本质是在密闭腔体内复现并精确维持特定的温湿度条件。任何一台符合 GB/T 2423、IEC 60068、MIL-STD-810 等标准的设备，都必须同时具备升温、降温、加湿、除湿四项基本功能。本文以工程视角对四项功能的实现路径、关键零部件及控制逻辑进行系统阐述，为选型、使用、维护提供技术参照。
一、升温功能：电—热—风闭环控制
1.1 热负荷计算
腔体升温所需功率 Q（W）可由 Q = cmΔT/t 估算，其中 c 为空气比热容（≈1.0 kJ·kg⁻¹·K⁻¹），m 为有效空气质量，ΔT 为目标温差，t 为期望升温时间。工程上附加 30 % 裕量以补偿壁面热损。
1.2 加热执行单元
主流方案采用镍铬合金翅片加热管，表面负荷 ≤ 2.5 W·cm⁻²，防止局部过热。加热器分组布置于风道出口，配合 304 不锈钢护套，提高辐射均匀性。
1.3 功率调节
控制器输出 PWM 信号（周期 1 s），经固态继电器（SSR）过零触发，实现无级调功。PID 算法实时演算，既抑制温度过冲，又将稳态偏差收敛至 ±0.1 ℃。
1.4 热循环
双进风后倾式离心风机提供 6–10 m·s⁻¹ 风速，使热空气在工作室与风道之间强制循环；静压箱与均风板共同消除局部涡流，保证温度均匀度 ≤ 2 ℃（九点测试法）。
二、降温功能：蒸汽压缩制冷与复叠技术
2.1 单级制冷循环
设备采用 R404A 环保工质，由压缩机、风冷冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器组成。蒸发器置于回风口，采用亲水铝箔套铜管结构，片距 2.5 mm，既增大换热面积，又延缓结霜。
2.2 复叠深冷
当目标温度 ≤ −40 ℃ 时，单级循环压缩比过高，排气温度超限。复叠系统以 R404A 为高温级、R23 为低温级，通过蒸发冷凝器耦合，可将箱温延伸至 −70 ℃，同时保持 COP≥0.6。
2.3 电子膨胀阀（EEV）
EEV 步进调节，响应时间 < 10 s，较热力膨胀阀节能 12 % 以上；配合过热度和排气温度双目标算法，实现 −70 ℃ 稳定运行。
2.4 热气除霜
低温高湿工况下，蒸发器霜层厚度 > 3 mm 时，系统启用热气旁通除霜，周期 45 min，箱温回跳幅度 < 2 ℃，确保连续运行。
三、加湿功能：浅槽蒸汽加湿与水质管理
3.1 加湿量计算
依据 GB/T 2423.3，85 ℃/85 % RH 工况下，1 m³ 空间含湿量增量约 35 g。以 100 L 工作室为例，理论加湿功率 25 W 即可满足，工程选型按 3 倍裕量配置。
3.2 浅槽蒸汽加湿
设备底部设置 316L 不锈钢浅槽（水深 30 mm），内置浸入式加热管（表面功率密度 ≤ 6 W·cm⁻²）。加热管表面微沸产生 0.1–0.3 µm 粒径纯蒸汽，借助循环风迅速与主气流混合，实现“无水滴”加湿，避免试品二次污染。
3.3 水质要求
槽水采用去离子水或纯净水（电导率 ≤ 5 µS·cm⁻¹），并配置自动补水与排水电磁阀，每 24 h 强制换水一次，抑制水垢与微生物滋生。
3.4 控制精度
湿度传感器选用高精度湿敏电容（精度 ±1 % RH），控制器执行串级 PID：外环控制 RH，内环控制槽温，稳态波动度 ≤ ±2 % RH（@ 25 ℃，60 % RH）。
四、除湿功能：露点冷凝与智能再热平衡
4.1 除湿机理
当箱内空气流经蒸发器表面，若壁面温度低于当前露点，水蒸气冷凝成液膜，含湿量随之下降。除湿量 W（g·h⁻¹）可近似为 W = ρ·V·(d₁−d₂)/t，其中 ρ 为空气密度，V 为循环风量，d₁、d₂ 为进出蒸发器含湿量。
4.2 蒸发器双区设计
除湿工况下，蒸发器前端为“降温区”，后端为“再热区”。再热区利用冷凝器废热或独立加热管，将空气回温至设定值，避免“过冷”导致的温度失控。
4.3 连续除湿与间歇除湿
在高温高湿段（如 85 ℃/85 % RH 降至 40 ℃/50 % RH），系统启用连续除湿，EEV 开大、蒸发温度压至 −5 ℃；在低温低湿段（如 10 ℃/15 % RH），为避免蒸发器结霜，除湿转入间歇模式，霜层厚度 > 3 mm 时自动切到除霜。
4.4 除湿极限
单级压缩系统最低露点约 −10 ℃，对应 0.5 ℃/3 % RH（@ 10 ℃）。若需更低湿度，可并联转轮除湿机或充注干燥空气，将露点推至 −40 ℃，实现 5 % RH 以下低湿试验。
五、四项功能的耦合控制与安全策略
5.1 耦合关系
升温与除湿、降温与加湿存在能量抵消�？刂破鞑捎谩扒袄�+反馈”策略：在温湿度同时变化时，优先保证温度稳态，再微调加湿/除湿量，减少耦合振荡。
5.2 冗余保护
设备配置独立硬件温控器与电子式超温�；ぃ厍卸霞尤然芈�；压缩机高低压、过载、相序保护齐全；加湿器缺水干烧�；は煊κ奔� < 2 s。
5.3 校准与溯源
温度校准采用 AA 级 Pt100 九点点测，湿度采用精密露点仪比对，周期 12 个月，确保偏差可追溯至国家计量基准。
升温、降温、加湿、除湿四大功能并非简单叠加，而是热力学、流体力学与控制理论的集成体现。掌握其内在机理，不仅有助于正确选型，更能在日常使用中精准设定参数、提前预判故障，从而延长设备寿命、降低试验成本。对于从事材料、电子、汽车、航空航天等领域的环境可靠性工程师而言，系统理解恒温恒湿试验箱的技术细节，是确保试验数据准确、产品可信的必由之路。
|
