一、前言

    高低溫試驗(yàn)箱主要是電子行業(yè)對元器件、組件及整機(jī)進(jìn)行高溫低溫或高低溫交變試驗(yàn)不可缺少的一種環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。液氮高低溫試驗(yàn)箱通過液氮獲得低溫，用電熱紅外陶瓷片獲得高溫。溫度的測量與控制采用數(shù)字式溫度調(diào)節(jié)儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。箱內(nèi)溫度可在土90°C之間任意調(diào)控。

    二、工作原理

    當(dāng)試驗(yàn)箱需要高溫時(shí)，設(shè)定溫度必須高于室溫，由內(nèi)箱體上的紅外陶瓷片加熱升溫，箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，便自動(dòng)切斷加熱電源，停止加熱，箱內(nèi)溫度隨著試驗(yàn)箱的漏熱而慢慢降低,低于設(shè)定溫度時(shí)，又接通電源加熱而升溫。當(dāng)試驗(yàn)箱需要低溫時(shí),設(shè)定溫度低于室溫，利用液氮的潛熱和顯熱吸熱降溫。箱內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度,機(jī)械泵啟動(dòng),將液氮從杜瓦瓶中抽入內(nèi)箱體的蛇形管內(nèi)，由于箱內(nèi)溫度高于液氮的沸點(diǎn)，液氮在蛇形管內(nèi)急劇蒸發(fā)而吸熱，然后，冷的氮蒸汽沿管內(nèi)繼續(xù)向前流動(dòng)，也要吸收箱內(nèi)的熱量，從而獲得低溫。箱內(nèi)溫度低到設(shè)定溫度時(shí)，便自動(dòng)斷開機(jī)械泵電源，液氮停止流入蛇形管內(nèi)，箱內(nèi)溫度隨試驗(yàn)箱的漏熱慢慢升高，高于設(shè)定溫度時(shí)，又接通機(jī)械泵電源降溫。這樣，周而復(fù)始便可以獲得所需要的溫度。

    三、設(shè)計(jì)計(jì)算

    1、絕熱層的 設(shè)計(jì)
    絕熱層直接影響試驗(yàn)箱的絕熱性能。首先，絕熱材料要具有很小的熱導(dǎo)率,吸水性小，性能穩(wěn)定，便于成型加工，同時(shí)，必須具有一定的耐高溫和低溫性能。為此，我們選用聚氨酯泡沫塑料作絕熱材料,采用整體澆注成型。絕熱層的厚度-般以絕熱結(jié)構(gòu)的外表面不結(jié)露為基本條件，即外表面的溫度要高于露點(diǎn)。試驗(yàn)箱為長方體，是平壁形絕熱結(jié)構(gòu)。
    2、試驗(yàn)箱的熱導(dǎo)
    試驗(yàn)箱的熱傳遞分兩種情況，當(dāng)箱內(nèi)溫度高于室溫時(shí)，箱內(nèi)熱量通過絕熱層傳至箱外，當(dāng)箱內(nèi)溫度低于室溫時(shí)，箱外的熱量通過絕熱層傳到箱內(nèi)。由于絕熱層采用整體澆注發(fā)泡，箱體口采用兩道密封，因此，試驗(yàn)箱的熱損主要是絕熱層及箱口面的固體導(dǎo)熱。
    3、加熱功率
    (1)平衡時(shí)的加熱功率
    試驗(yàn)箱平衡時(shí)的加熱功率應(yīng)大于或至少等于其漏熱，漏熱與箱體內(nèi)外的溫差有關(guān)。
    (2)起始加熱功率
    設(shè)在起始加熱過程中，環(huán)境溫度不變。起始加熱功率決定了試驗(yàn)的溫度上升特性。采用通斷式控溫時(shí),起始加熱功率大，箱內(nèi)溫度的超調(diào)量大，所控溫度的波動(dòng)增大。在滿足升溫時(shí)間的條件下，盡可能減小起始加熱功率。為了兼顧，開始采用大功率加熱,待溫度快接近設(shè)定溫度時(shí)，改用小功率加熱。
    4、液氮耗量
     液氮高低溫試驗(yàn)箱平衡時(shí)所需要的冷量至少等于其箱體的漏熱，溫差為△T時(shí)的漏熱為:
    Q= K△T
    由上式可知，不同的溫差所需要的冷量不同，這就要求液氮的流量應(yīng)隨△T的變化而變。為了簡化結(jié)構(gòu)及控制，我們采用恒定的液氮流量，以液氮通流的時(shí)間長短來獲得不同的低溫溫度，箱內(nèi)溫度到-90℃時(shí)所需冷量為Q=58. 4W。
    5、蛇形換熱 器的設(shè)計(jì)
    繞在內(nèi)箱體上的蛇形紫銅管，用于液氮和內(nèi)箱體進(jìn)行熱交換。試驗(yàn)箱制冷時(shí),液氮在蛇形管內(nèi)總是產(chǎn)生兩相流動(dòng)。當(dāng)液氮初進(jìn)入銅管時(shí)，噴到熱的管壁上，便急速沸騰,產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力振蕩,然后冷蒸汽繼續(xù)流動(dòng)使銅管得到冷卻，由于銅管與內(nèi)箱體采用錫焊，具有良好的傳熱，使內(nèi)箱體也迅速被冷卻。為充分利用液氮冷量，必須合理選擇蛇管直徑和長度,管徑較小較長，流動(dòng)阻力增加，影響降溫時(shí)間和制冷量。根據(jù)液氮耗量和流動(dòng)阻力估算,據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，蛇形管換熱器設(shè)計(jì)為?8X0.5mm，長度為11米較佳。