冷热冲击试验箱性能研究
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瑞凯仪器
来源：
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发布日期： 2020.05.28
1、引言
随着人类社会的进步和生产需要，制冷工业迅速发展，低温制冷技术在医疗、机械、化工、石油、电子、航天、军工等领域的应用也日益广泛。其中，为了检测和分析仪器、仪表、机械、电子等样品材料及零部件承受老化以及热胀冷缩等性能，需要模拟出温湿度恒定或渐变以及冷热冲击等不同的试验环境，以便筛选出产品设计和工艺上的缺陷，为设计定型和批产验收决策提供依据。因此，温湿度环境试验设备得到了航天航空、车辆工程以及电工电子等行业越来越多的关注。
为了搭建高低温冲击试验箱实验平台，首先需要设计出能够模拟-40℃~
- 70℃低温环境的制冷系统。复叠制冷是此温度范围的重要制冷方式，其由高温制冷循环和低温制冷循环构成，高温制冷循环产生的冷量用来在蒸发冷凝器中冷凝低温制冷循环的制冷剂，冷凝后的低温级制冷剂经过节流阀进人蒸发器蒸发从而降低环境温度。复叠制冷在-40~-120℃范围内有着良好的制冷效果。本文采用复叠式制冷和电加热控制技术，搭建了高低温环境冷热冲击试验箱，对高低温冲击试验箱的性能进行了实验研究。
2、制冷工质的选择
复叠式制冷系统需要选择两种类型的制冷剂，即中温制冷剂和低温制冷剂。由于国际社会对环境安全的日益重视，此前广泛使用的R13、R22等CFC、HCFC类型的制冷剂已逐步被代替。鉴于R23和R404A的ODP为零，安全性好，是环境友好型制冷剂，因此在综合考虑制冷剂的制冷性能、压缩机工作的可靠性和环境友好性后，选择R404A/R23作为复叠式制冷系统的制冷剂，
R404A 和R23的性能参数见表1。其中，R404A由R125( 标准沸点- 49℃)、R143a(标准沸点-47.2℃)和R134a(标准沸点-26.1℃)按质量分数44:52:4混合而成，具有与R22(标准沸点-40.8℃ )较为相近的热物理性质。
3、实验装置与实验
图1为高低温冲击试验箱实验装置系统图。试验箱本体主要包括高温箱和低温箱。低温箱内的复叠制冷系统由高温制冷循环和低温制冷循环组成，设备主要有压缩机、冷凝器、膨胀阀(或毛细管)、蒸发冷凝器、蒸发器、油分离器，干燥过滤器等，两个制冷循环通过蒸发冷凝器相结合。高、低温箱内部结构相似:几何尺寸均为650mmx650mmx600mm，每个箱体.上部都有两个百叶进风口，下部有两个百叶出风口，风口装有两个循环风机，且装有电加热盘管调节温度。当风机工作时，受迫循环空气经过热盘管、蒸发器调节高低温箱内的温度到达目标值。测试箱内部尺寸为500mm
x 500mm x 500mm ，容积为125L，通过气缸的运动快速拉动测试箱，分别在高、低温箱中进行冷热冲击试验，气缸由空压机的压缩空气提供动力。为了研究测试箱内的温度均匀度，在测试箱内布置了9个T型热电偶作为温度测试点。在高、低温循环压缩机的进、出口布置压力测试点，研究压缩机的工作状况。高、低温箱内都装有三线制PT100温度传感器，精度为±0. 1℃，数据同步输人UMC1000控制器中，控制制冷系统和加热系统工作状况。
4、实验研究
实验选取两组冲击温度进行测试，分别用实验1和实验2表示。实验1:冲击温度为-
55℃和200℃ ;实验2:冲击温度为-45℃和150℃。测试箱由高温箱冲击到低温箱时，高、低温箱的预热、预冷温度分别为200℃、- 70 ℃(实验1)和150℃、-60℃(实验2);测试箱由低温箱冲击到高温箱时，高、低温箱的预热、预冷温度分别为210℃、-55℃(实验1)和160℃、-45℃(实验2)。实验前使用真空泵将高、低温制冷循环系统抽真空后，再将选择的制冷剂R404A和R23分别充人到高、低温制冷循环系统内，并用电子称测出制冷剂的充人量。经过调试，制冷系统工作正常。电源接通后，高温区内的电加热管立即工作，通过PID调节将高温箱环境预热到目标温度。为确保压缩机安全工作，防止误操作，电源接通后30s，高温级压缩机启动，当高温级蒸发温度达到低温级冷凝温度时，低温级压缩机再启动。低温级制冷剂进人蒸发器将低温箱环境预冷到目标温度，同时低温箱内电加热盘管在PID调节下工作，使低温箱内稳定后的温度波动范围控制在±0.5℃。当高、低温箱达到预热、预冷温度并稳定后，测试箱在气缸的拉动下瞬间从高温箱冲击到低温箱(或低温箱冲击到高温箱)
， 测试箱内温度迅速变化，终稳定在冲击温度设定值。在这期间，记录下压缩机进、排气口压力和高、低温箱内的温度随时间变化的值。
5、结果与讨论
图2与图3分别为实验1复叠式制冷系统运行过程中高、低温级压缩机进、排气压力随时间变化曲线。图2和图3表明，低温级压缩机在高温级压缩机运行60s后开始工作，两级压缩机压力随时间变化趋势相似。在整个冲击循环过程中，高温级压缩机的进气压力谷值和排气压力峰值出现的时间均早于低温级压缩机，且压力值先达到稳定。从图2中可看出，高温级压缩机稳定后的排气压力约为1.
1MPa，进气压力约为0. 2MPa，压比约为5.5。从图3中可以看出，在预冷阶段(O31A31和O32A32段) ，低温级压缩机的排气压力上升后缓慢下降到稳定值，约为0. 9MPa;进气压力下降后上升到稳定值，约为0.1MPa，稳定后的压比约为9。在- 55℃冲击阶段( A31B31段)，由于低温箱内的温度从- 70℃.上升到-55℃，与蒸发温度相对应，低温级压缩机排气压力也从0.9MPa上升到稳定值，约为1MPa。在200心冲击阶段(B31C31段) ，低温箱内温度恢复到- 70℃ ，排气压力再次稳定到0.
9MPa。实验2的两级压缩机进、排气压力随时间变化曲线与实验1基本相同。实验结果说明在高低温冲击实验过程中压缩机运行稳定。
图4和图5分别表示在整个冲击循环试验过程中高、低温箱内环境温度随时间的变化曲线。图4表明，在实验的预热段(O41A41或O42A42段)，高温箱温度在电源启动后迅速上升，随着温度接近预热温度，电加热管输出功率减小、温升速率降低，箱内温度逐近稳定。实验1经过770s(约12. 8min) ，高温箱从室温(13.8℃)升到200℃。
图5表明，在实验的预冷段(O51A51或O52A52段)，低温箱温度在制冷系统启动后迅速降低，当温度接近预冷温度时，电加热开始工作，箱内温度逐渐稳定到设定值。实验1经过3420s(约57min)
，低温箱从室温(13.8℃)降到- 70℃。在预冷、热期间，测试箱位于高温箱内，其内部热环境变化与高温箱保持一致，当高温箱温度稳定在200℃ ±0. 3℃时，测试箱温度为200℃±0. 5℃，表明测试箱内温度均匀。为了减少冲击实验过程中低温箱温度恢复时间，在低温箱底部、上部和侧面增加了铝板来储能。
当高、低温箱分别达到预热、预冷温度并维持到点A41(或A51)时刻，在气缸的作用下，测试箱从高温箱冲击到低温箱，转换时间为5s，实验1进入- 55℃冲击阶段。由图4和图5可以看出，由于测试箱从高温环境(200℃)冲击到超低温环境(-71℃)伴随着热量的转移，低温箱温度迅速上升，
经过272s(约4.5min)稳定到冲击温度-55℃ ，恢复时间约为4.5min(A51;A'51段)。高温箱温度下降后上升，经过186s(3. 1min)稳定到210℃，恢复时间为3.1min(A41，A'41段)。
当稳定后的高、低温箱温度(高温箱:210℃;低温箱: - 55℃)维持到点B，(或B，)时刻时，实验1进人200℃冲击阶段(B-C)。在气缸的作用下，测试箱由低温环境(-55℃)冲击到高温环境(210℃)，转换时间为5s。由图4和图5可以看出，高温箱温度下降后_上升到200C并保持稳定，温度恢复时间约2.
4min(B41，B'41段)。低温箱温度从-55℃下降并稳定到-70℃，温度恢复时间约17min(B51，B'51段)。
图4和图5中O42C42、O52C52分别为实验2高、低温箱温度变化曲线，其趋势与实验1相同预冷、预热和冲击过程中温度恢复时间均少于实验1。
实验结果表明，在整个冲击循环试验过程中，高温箱经过约12.8min，预热温度可达到2109C，稳定偏差±0.3℃;低温箱经过约57min，预冷温度可达到-71℃ ，稳定偏差±0.5℃。冲击试验在-55℃~+200℃时，转换时间为5s，温度恢复时间不大于5min，温度偏差不大于±0.5℃
，超高低温冲击试验箱性能达到要求。
6、结论
选择R404A/R23作为复叠式制冷循环的制冷剂，搭建了高低温冲击试验箱实验装置，并达到了在-55℃~+200℃的冲击温度范围内的技术要求。实验结果表明，在制冷系统稳定工作后，压缩机的进、排气口压力稳定，且在许可范围内，系统运行稳定可靠。实验结果也表明，在高低温调节过程中，系统预热温度达到210℃，预冷温度达到-70℃ ，预热时间不大于12. 8min，预冷时间不大于57min。冲击实验过程中，温度转换时间为5s，温度恢复时间不大于5min，温度偏差不大于±0.5℃。
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