恒温恒湿试验箱工作机制

 

恒温恒湿试验箱（以下简称“试验箱”）看似庞杂，实则由若干功能清晰的子系统拼接而成。只要抓住“热量搬移”与“水分搬移”两条主线，便可在十分钟内建立完整概念框架。依据IEC 60068-3-1、GB/T 10592-2022标准，用“部件→作用→顺序→结果”四步拆解法，对制冷、加热、湿度、控制四大模块进行说明，并给出常见运行曲线，供初学者快速入门。
 

二、总体流程速览

试验箱的目标是在密闭腔体内复现“指定温度T±ΔT、指定湿度U±ΔU”并保持稳定。为达到该目标，控制系统不断比较传感器读数与设定值，实时计算“冷热干湿”四项需求，随后向对应子系统发出启停或PID调节指令。整个流程可简化为：

传感器采样→控制器运算→能量/质量搬移→腔体状态更新→下一轮采样。

其中“能量搬移”由制冷与加热系统完成，“质量搬移”由湿度系统完成。
 

三、制冷系统：把“热量”搬出去

核心部件与工质

主流机型采用单级蒸汽压缩循环，工质为R404A、R449A或R23（复叠级）。关键四大件为：压缩机、风冷/水冷冷凝器、干燥过滤器、热力膨胀阀（或电子膨胀阀）。

循环四步曲

(1) 压缩：低温低压气体（约0 ℃, 4 bar）被活塞或涡旋压缩机压缩为高温高压气体（约80 ℃, 20 bar）。

(2) 冷凝：高温气体进入冷凝器，与外部空气（或冷却水）换热，放热后冷凝成常温高压液体（约35 ℃, 20 bar）。

(3) 节流：液体制冷剂流经膨胀阀，压力骤降，产生两相混合物（约-10 ℃, 4 bar）。

(4) 蒸发：低温两相流进入蒸发器盘管，吸收腔体内空气热量，相变为低压气体，重新回到压缩机。

能量指标

在标准工况（+25 ℃环温，箱内-40 ℃空载）下，1 kW电能可搬运2.5 kW热量，即COP≈2.5。当箱内目标温度低于-55 ℃时，需复叠二级制冷，COP降至0.8—1.0。
 

四、加热系统：把“热量”送进来

结构形式

加热功能一般由镍铬合金电热丝承担，丝材绕在云母或陶瓷骨架上，置于离心风机下游，形成“风包加热”结构，确保表面负荷≤2.5 W·cm⁻²，避免局部过热。

控制方式

固态继电器（SSR）过零触发+PID自整定，占空比可在0.2 s级刷新，使升温速率在1 K·min⁻¹至15 K·min⁻¹范围内可编程。

安全冗余

独立温控开关（KSD301 230 ℃常闭）串入主回路，防止软件失效导致持续加热；另配限温风轮，风速低于1 m·s⁻¹时强制切断加热。
 

五、湿度系统：把“水分”搬进来/搬出去

加湿段

(1) 蒸汽式：用不锈钢锅炉产生低压蒸汽（绝对压力约1.02 bar），经电磁阀喷入循环风道，响应快、无水滴，适合5 %RH—98 %RH全范围。

(2) 超声波式：高频振荡片把水打成1 μm液滴，靠风道热空气瞬间汽化，能耗低，但受水质影响大，需配RO水或去离子水。

除湿段

(1) 机械制冷除湿：蒸发器表面温度被拉到露点以下，水蒸气凝结成露，经排水盘流出，适合高温高湿→低温低湿工况。

(2) 干燥除湿（转轮）：当目标露点低于-40 ℃时，单级压缩已无法凝结水分，此时用分子筛转轮吸附水分，再经再生加热排出，可把箱内湿度降至1 %RH以下。

水平衡计算

以1000 L腔体为例，从95 %RH 25 ℃降至50 %RH 25 ℃，需移除水Δm=17 g；若用机械除湿，蒸发器表面需维持≤9 ℃，耗时约6 min。
 

六、控制系统：大脑与神经

硬件架构

主控MCU（32位ARM Cortex-M4）+ 16位ADC采样温湿度信号（PT100/HS3001），刷新频率10 Hz；驱动层通过RS-485与变频压缩机、电子膨胀阀、固态继电器通信。

软件算法

温度环采用PD+I分离算法，积分分离阈值1 K；湿度环采用模糊PID，抗过冲。用户层支持程式编辑（20段×100步），可插入循环、跳段、保持等逻辑。

远程监控

内置MQTT/Modbus TCP双协议，可在局域网或4G路由器上传实时数据（JSON格式），支持手机APP报警推送（温度偏差>±1 ℃、湿度偏差>±3 %RH）。
 

七、完整运行实例

以“85 ℃/85 %RH，持续48 h”的IEC 60068-2-67稳态湿热试验为例：

0 min：箱内25 ℃/50 %RH，控制器同时启动加热与蒸汽阀；

15 min：温度升至75 ℃，湿度80 %RH，加热占空比降至35 %，加湿占空比25 %；

30 min：达到85 ℃/85 %RH，系统切换至PID稳态，压缩机间歇运行用于平衡热惯性；

48 h：全程记录仪显示温度波动±0.3 ℃，湿度波动±2 %RH，满足Class 3精度要求。
 

八、常见误区与快速排查

低温低湿“下不来”：先检查蒸发器结霜厚度，>5 mm需手动除霜；再确认干燥剂转轮是否饱和。

高温高湿“上不去”：观察蒸汽锅炉水位，若缺水则加热管干烧，控制器会报“HUMI HEATER ERR”。

降温速率“慢半拍”：用压力表测高压侧，若>24 bar且风扇正常，则冷凝器灰尘过多，需压缩空气吹扫。

 

试验箱的实质是一套“热量+水量”快速平衡装置。制冷系统负责“搬热”，加热系统负责“补热”，湿度系统负责“调水”，控制系统负责“算账”。只要理解各子系统的输入输出关系，再结合传感器反馈，就能在脑海中搭建一张动态流程图。希望本文的拆解方式能帮助初学者在最短时间内“一看就懂”，为后续深入学习奠定清晰框架。