恒温恒湿试验箱工作原理详解—从冷、热、干、

 

在电子、电器、汽车、航空航天以及材料可靠性领域，任何新产品都必须回答两个基本问题：

它在高温高湿下能否长期存活？

它在低温低湿下是否依旧性能稳定？

恒温恒湿试验箱（Constant Temperature and Humidity Chamber，简称CTH箱）正是为回答上述问题而设计的“加速寿命验证平台”。其外观看似一台“带窗体的冰箱”，内部却同时集成了制冷、制热、加湿、除湿、测量、控制、安全七大子系统。本文将以“系统级”视角，用工程语言拆解其工作原理，帮助初次接触者快速建立整体认知。
 

二、总体架构

CTH箱的功能可以抽象为“在封闭腔体内，按设定曲线精确复现温度和湿度的任意组合”。为实现该功能，设备必须完成三种能量形式的连续调节：

热量——决定温度；

水分——决定湿度；

信息——决定精度与重复性。

对应到硬件，便是四大硬核系统：

• 制冷系统（负热量）

• 加热系统（正热量）

• 湿度系统（水分增减）

• 控制系统（信息中枢）
 

三、制冷系统：把“热”搬出去

技术路线

工业级CTH箱几乎全部采用“单级压缩蒸汽循环”或“复叠压缩循环”（Cascade System）。前者用于-40 ℃以上，后者可延伸至-70 ℃。

关键部件与流程

① 压缩机：将低温低压的R404A或R23制冷剂气体压缩成高温高压气体（80–120 ℃，15–25 bar）。

② 风冷冷凝器：高温气体通过铝箔翅片管与 ambient 空气强制对流换热，冷凝成高压过冷液体（40–50 ℃）。

③ 干燥过滤器：吸收残余水分与杂质，防止毛细管“冰堵”。

④ 节流装置：毛细管或电子膨胀阀（EEV）将高压液体节流至低压两相状态（-10 ℃至-30 ℃）。

⑤ 蒸发器：低温两相制冷剂在不锈钢翅片蒸发器内吸热蒸发，直接冷却箱内循环空气。

⑥ 回气过热：低温气体返回压缩机前保持5–8 ℃过热度，避免液击。

能量平衡视角

蒸发器提供的“冷量”必须实时抵消加热器、加湿潜热、试品发热以及围护结构漏热，因此压缩机容量通常按“最大热负载+20 %冗余”选型。
 

四、加热系统：把“冷”补回来

执行元件

加热子系统由镍铬合金翅片电热管组成，功率密度≤2.5 W cm⁻²，表面温度控制在300 ℃以内，避免局部灼烧空气。

调节方式

采用无触点固态继电器（SSR）+PID过零触发，实现“秒级”占空比调节，分辨率达0.1 ℃。

安全冗余

硬件层面串联两级独立温控器：一级为工作传感器，二级为冗余机械式极限温控（TB限制器），防止软件失效导致“干烧”。
 

五、湿度系统：水分“双向道”

湿度控制的本质是“调节空气中水蒸气分压力”。CTH箱提供两条路径：

加湿——给空气“加水”

• 原理：低压纯蒸汽注入法（Steam Injection）。

• 流程：去离子水经0.1 μm滤芯→柱塞泵加压→304不锈钢蒸汽发生器（3–5 kW）→105 ℃饱和干蒸汽→经φ6 mm喷嘴注入风道。

• 优点：无水滴、无热负荷假象、加湿响应快（≤3 min从30 % RH到90 % RH）。

除湿——把空气“脱水”

• 机械制冷除湿：蒸发器表面温度被拉至空气露点以下，水蒸气凝结成液膜，通过翅片底部疏水槽排至箱外。该方法在20 ℃以上、60 % RH以上效率最高。

• 干燥除湿（选配）：箱内空气被微型无油泵抽入分子筛塔，水分被吸附后干空气返回。该方法可将露点降至-40 ℃以下，用于5 % RH以下超低湿试验。

湿度传感器

普遍采用耐高温型电容式湿度传感器（精度±1.5 % RH，漂移<0.5 % RH/年），安装在循环风道中心，避免靠近冷壁面导致局部结露误差。
 

六、空气循环系统：均匀性的“幕后推手”

风道布局

离心风机（φ300–400 mm，变频调速）位于箱体顶部，形成“上送下回”的U型循环。风量≥600 m³ h⁻¹，确保空载时温度均匀性≤0.5 ℃，湿度均匀性≤2 % RH。

导流设计

可调式穿孔板+蜂窝整流栅，消除涡流死角；试品区风速设定在0.5–1.0 m s⁻¹，兼顾热交换效率与试品表面风致干燥误差。
 

七、控制系统：精度与智能的大脑

硬件架构

• 主控：32-bit ARM Cortex-M4 MCU，100 MHz，带硬件浮点单元。

• 采样：24-bit Δ-Σ ADC，每通道10 Hz刷新，确保温控分辨率0.01 ℃。

• 通信：RS-485 + USB Device + 以太网，支持Modbus-RTU/TCP协议，方便接入上位机或MES系统。

软件算法

• 温湿度解耦PID：针对“加湿即降温、加热即降湿”的强耦合特性，采用2×2 MIMO PID矩阵，实时动态解耦。

• 模糊自整定：在升温、降温、加湿、除湿四象限切换时，自动调整PID参数，减少超调（典型超调<0.3 ℃，<1 % RH）。

• 分段程序：支持40段×999循环的温湿度曲线编程，满足IEC 60068、MIL-STD-810、GB/T 2423等标准。

数据完整性

内置2 GB Flash，可连续记录10年运行数据；具备审计追踪（Audit Trail）功能，符合GMP、21 CFR Part 11要求。
 

八、安全与可靠性设计

四级安全策略

① 软件极限：设定值上下限锁。

② 电子极限：独立温度、湿度比较器。

③ 机械极限：不可复位的热断路器。

④ 物理极限：箱体背部安装150 ℃熔断式防爆口。

故障自诊断

压缩机过载、风机失速、加热管断线、水位异常、门封泄漏等12种故障均通过HMI弹窗+声光报警+远程短信提示，平均修复时间（MTTR）<30 min。
 

九、典型运行流程示例

以“-40 ℃→+85 ℃，8 % RH→98 % RH，2 ℃/min线性变化”的军用级循环为例：

预冷段：压缩机全载，蒸发器冷量最大，干空气旁通，湿度降至8 % RH。

升温段：PID同步上调加热占空比与加湿蒸汽量，确保85 ℃/98 % RH同步到达，防止“热先到、湿滞后”引起的结露。

恒温恒湿段：进入±0.2 ℃、±1.5 % RH稳态，控制系统每100 ms微调一次SSR导通角。

降温段：加热切断，压缩机转入“电子膨胀阀+变频风机”协同模式，实现2 ℃/min线性降温，同时干燥除湿启动，湿度同步下降。

循环结束：自动回常温常湿，待机功耗<0.5 kW。

 

恒温恒湿试验箱并非“冰箱+加湿器”的简单叠加，而是一个多变量、强耦合、非线性的热力学系统。理解其“制冷-加热-加湿-除湿”四大回路的能量平衡，以及“传感器-控制器-执行器”闭环的信息逻辑，就能在操作、维护、故障诊断乃至设备选型中做到“一眼看穿”。希望本文的系统级拆解，能为刚踏入可靠性试验领域的工程师提供一张清晰的“认知地图”，让庞大的CTH箱不再神秘，而成为提升产品质量的可靠伙伴。