中科百科：深耕细研 迭代创新——中科富祺热空气老化试验箱的设计之路

作者：北京中科富祺科技有限公司 研发部

摘要：热空气老化试验箱作为材料可靠性检测领域的核心设备，主要用于模拟高温热环境，评估塑料、橡胶、涂料、电工电子元件等材料在长期受热条件下的性能退化规律，为材料筛选、产品寿命预测及质量管控提供科学依据，广泛应用于汽车、电子、航空航天、化工等多个关键行业。北京中科富祺科技有限公司（以下简称“中科富祺"）深耕环境试验设备研发生产十余载，从满足基础检测需求到适配优质行业定制化场景，从遵循行业标准到引导技术升级，在热空气老化试验箱的设计之路上持续探索、不断突破。本文结合中科富祺热空气老化试验箱的设计实践，梳理设计历程中的技术迭代、核心难点突破、关键设计要点及创新成果，总结设计经验与行业启示，为同类设备的研发设计提供参考，助力环境试验设备行业高质量发展。

关键词：热空气老化试验箱；中科富祺；设计迭代；温度均匀性；GB/T 3512-2014；技术创新

引言

随着工业制造业的快速升级，新材料、新结构、新产品的广泛应用，市场对材料及产品的可靠性要求日益严苛。热空气老化作为评估材料耐热性能、老化速率及使用寿命的核心试验方法，相比自然环境老化试验，具有周期短、效率高、模拟性强的优势，能够快速直观地反映材料在实际使用中的受热老化行为，成为企业产品研发、质量检测及合规认证的环节。热空气老化试验箱的设计水平，直接决定试验数据的准确性、可靠性与重复性，其性能优劣不仅影响检测结果的科学性，更关系到下业产品的质量安全与市场竞争力。

GB/T 3512-2014《热空气加速老化和耐热试验》作为我国热空气老化试验的核心标准，明确规定了试验设备的技术参数、试验方法及性能要求，为热空气老化试验箱的设计提供了根本遵循。中科富祺自涉足环境试验设备领域以来，始终以“精准模拟、可靠检测、合规适配"为设计理念，立足行业需求，聚焦技术痛点，历经多代产品迭代，逐步形成了涵盖常规通用型、精良定制型、复合功能型的热空气老化试验箱产品体系，不仅满足GB/T 3512-2014等国家行业标准要求，更适配不同行业的个性化检测需求，累计为上千家企业提供专业的材料老化检测设备与技术支持。本文系统梳理中科富祺热空气老化试验箱的设计历程、核心技术及实践成果，回顾设计之路中的探索与突破，为行业技术升级提供实践参考。

一、设计初心：立足需求，筑牢标准根基

中科富祺热空气老化试验箱的设计之路，始于对行业痛点的精准洞察与对标准的严格遵循。在初期市场调研中，我们发现传统热空气老化试验箱普遍存在温度均匀性差、控温精度不足、能耗偏高、操作繁琐等问题，部分设备甚至无法满足GB/T 3512-2014标准中对温度范围、均匀性、波动度的核心要求，导致试验数据偏差较大，无法为企业质量管控提供可靠支撑。同时，不同行业的检测需求差异显著，如汽车行业对橡胶密封件的老化试验要求高温长效稳定运行，电子行业对精密元件的老化试验要求精准控温且无粉尘污染，传统通用型设备难以适配多元化场景需求。

基于此，中科富祺确立了“以标准为根基、以需求为导向"的初始设计理念，将GB/T 3512-2014标准要求全面融入设计全过程，明确了设备的核心设计目标：一是满足标准规定的温度范围（常规50℃-200℃，可定制拓宽温度区间）、温度控制精度（±1℃）、温度均匀性（±2%以内）及空气流速（1-3m/s可调）等核心技术指标；二是解决传统设备的核心痛点，提升设备运行稳定性与试验数据可靠性；三是兼顾操作便捷性与能耗经济性，降低企业使用成本；四是预留定制化空间，可根据不同行业、不同材料的试验需求，灵活调整设备结构与功能配置。

在初始设计阶段，研发团队重点开展了两项核心工作：一是深入解读GB/T 3512-2014及相关国际标准（如IEC、ASTM标准），明确试验原理、设备要求及试验流程，将标准中的技术参数转化为具体的设计参数，确保设备合规性；二是开展广泛的行业调研，走访汽车、电子、化工等下业企业，收集一线检测人员的使用需求与痛点反馈，形成详细的需求清单，为后续结构设计、系统配置提供依据。同时，组建了由机械设计、电气控制、热力学等多领域专业人才组成的研发团队，搭建了专业的设计与仿真平台，为设备的结构优化、性能调试提供技术支撑，奠定了热空气老化试验箱的设计基础。

二、迭代之路：突破难点，升级核心技术

中科富祺热空气老化试验箱的设计历程，是一个“发现问题—解决问题—迭代升级"的持续优化过程。自一代产品推出以来，我们结合市场反馈、技术发展及行业需求变化，历经四次重大迭代升级，逐步突破了温度均匀性、精准控温、结构优化等核心设计难点，实现了设备性能、功能配置与使用体验的全面提升，形成了覆盖不同场景的多元化产品体系。

（一）一代产品：夯实基础，满足标准需求

一代热空气老化试验箱作为中科富祺进入该领域的一代产品，核心目标是满足GB/T 3512-2014标准的基础要求，解决传统设备的核心痛点。在结构设计上，采用了“箱体—加热系统—循环系统—控制系统"的经典结构，箱体选用优质冷轧钢板喷塑外壳与不锈钢内胆，保温层采用硅酸铝保温棉，有效减少热量损耗，保障箱体密封性与保温性；加热系统选用镍铬合金电加热器，采用U型鳍片式结构设计，增大加热面积，提升加热效率，同时配备防干烧保护装置，保障设备运行安全；循环系统采用长轴离心风机与可调试风口设计，通过强制循环通风方式，促进箱内热空气流动，初步改善温度均匀性；控制系统采用彩色液晶触摸屏可编程温度控制器，可实现温度设定、时间设定、运行状态监控等基础功能，操作便捷。

一代产品的推出，基本满足了中小企业的基础检测需求，解决了传统设备控温精度不足、运行不稳定的问题，通过了相关标准认证，获得了市场的初步认可。但在实际使用过程中，也暴露出一些不足：一是温度均匀性仍有提升空间，箱体角落与中心区域存在一定温度偏差，无法满足材料的精密老化试验需求；二是加热系统升温速率较慢，且长期运行后易出现加热不均现象；三是循环系统的气流分布不合理，部分区域空气流速不足，影响材料老化的均匀性；四是缺乏个性化功能配置，无法适配行业的定制化需求。

（二）第二代产品：优化结构，提升温度均匀性

针对一代产品存在的温度均匀性不足、气流分布不合理等问题，中科富祺启动了第二代产品的迭代设计，核心突破点是优化箱体结构与循环系统，提升温度均匀性与试验数据重复性。在结构设计上，研发团队对箱体内部结构进行了重新优化，采用“上送风、下回风"的对称式风道设计，取消了传统箱体的死角结构，确保热空气能够在箱内均匀循环，减少温度偏差；同时，扩大了箱体内部的有效试验空间，优化了样品架设计，样品架采用镂空式结构，可根据样品尺寸灵活调整，确保样品受热均匀，避免样品摆放方式影响试验效果。

在循环系统升级方面，选用了中国台湾进口叶轮与高效离心风机，提升了风机转速与风量稳定性，同时优化了风口设计，采用可调试多风口结构，可根据试验需求灵活调整空气流速（1-3m/s可调），确保箱内各区域空气流速均匀一致；在加热系统优化方面，调整了电加热器的安装位置，采用多组分布式加热设计，将加热器均匀布置在风道内，确保热空气加热均匀，同时提升了升温速率，缩短了试验准备时间；在温度检测方面，采用多点测温设计，在箱内上、中、下三层，左、中、右三个位置分别安装温度传感器，实时监测各区域温度，通过控制系统自动调节加热功率与风机转速，确保箱内温度均匀性达到±2%以内，满足GB/T 3512-2014标准的严格要求。

第二代产品的迭代升级，有效解决了温度均匀性不足的核心痛点，设备性能得到显著提升，不仅满足了更多行业的检测需求，还获得了企业的关注。同时，我们在第二代产品中增加了故障报警功能（如超温报警、风机故障报警、漏电保护），提升了设备运行安全性，优化了操作界面，增加了数据记录与导出功能，方便企业留存试验数据，契合合规管理要求。

（三）第三代产品：精准控温，适配场景

随着下业的不断升级，汽车、航空航天、精密电子等行业对材料老化试验的要求日益严苛，不仅需要设备具备的温度控制精度与均匀性，还要求设备能够实现长效稳定运行、精准模拟复杂热环境，同时具备粉尘过滤、惰性气体保护等个性化功能。针对这一需求，中科富祺启动了第三代产品的迭代设计，核心目标是实现精准控温、长效稳定，适配行业定制化场景。

在精准控温技术方面，研发团队突破了传统控温模式的局限，采用了“PID模糊控制+自适应调节"技术，优化了控制系统的算法，能够根据箱内温度变化实时调整加热功率与风机转速，有效避免了温度超调、欠调现象，将温度控制精度提升至±0.5℃，温度波动度控制在±0.1℃以内，远超GB/T 3512-2014标准要求；同时，采用了高精度铂电阻温度传感器，提升了温度检测的准确性与稳定性，传感器响应速度快，能够实时捕捉箱内温度变化，确保控温精准。

在结构与功能优化方面，第三代产品进行了多方面升级：一是优化了箱体密封结构，采用耐高温硅胶密封垫与双层保温设计，进一步减少热量损耗，同时防止外界粉尘、湿气进入箱内，满足精密电子元件等材料的无粉尘老化试验需求；二是增加了惰性气体保护功能，可根据试验需求通入氮气、氩气等惰性气体，防止材料在高温老化过程中氧化，适配易氧化材料的老化试验；三是升级了控制系统，采用PLC可编程控制系统，支持多段程序设定，可模拟材料在实际使用中的不同温度变化曲线，实现自动化试验，同时增加了数据存储、打印、远程监控等功能，方便企业实现试验数据的追溯与管理；四是优化了能耗设计，采用节能型加热器与风机，配备智能节能控制系统，在确保设备性能的前提下，降低了设备能耗，相比一代产品能耗降低20%以上。

（四）第四代产品：智能集成，开拓技术升级

随着工业4.0时代的到来，智能化、集成化成为环境试验设备的发展趋势。结合行业技术发展与下游企业的智能化需求，中科富祺推出了第四代智能型热空气老化试验箱，实现了“智能控制、集成化管理、定制化适配"的全面升级，开拓热空气老化试验箱的技术发展方向。

在智能化升级方面，第四代产品采用了工业物联网（IoT）技术，搭建了智能监控与管理平台，企业可通过电脑、手机等终端，实时监控设备的运行状态、试验参数，远程调整试验程序、查看试验数据，实现设备的远程操控与管理；同时，配备了智能故障诊断系统，能够自动检测设备的运行故障（如加热器故障、风机故障、传感器故障），实时发出报警信号，并推送故障原因与排查建议，降低企业运维成本。在数据管理方面，升级了数据存储与分析功能，可自动记录试验全过程的温度数据、时间数据，支持数据导出（Excel、PDF格式），同时具备数据加密功能，确保试验数据的安全性与可追溯性，契合行业的合规管理要求。

在集成化与定制化方面，第四代产品采用了模块化设计理念，将加热系统、循环系统、控制系统、保护系统等设计为独立模块，可根据不同行业、不同材料的试验需求，灵活组合模块、调整功能配置，实现定制化设计；同时，可与荧光紫外灯老化、氙灯老化等设备集成，形成复合老化评估体系，模拟材料在实际使用中的光热复合老化环境，全面评估材料的老化性能，适配材料的多元化试验需求。此外，优化了设备的外观设计，采用一体化机身设计，操作界面更加人性化，同时降低了设备运行噪音，提升了使用体验。

历经四次迭代升级，中科富祺热空气老化试验箱从满足基础标准需求，逐步升级为适配定制化、智能化场景的核心设备，核心技术指标持续提升，功能配置不断完善，形成了明显的市场竞争力，产品广泛应用于汽车、电子、航空航天、化工等多个行业，获得了下游企业的高度认可。

三、核心设计要点：兼顾合规、稳定与高效

结合十余载的设计实践与多代产品迭代经验，中科富祺总结出热空气老化试验箱的核心设计要点，重点围绕箱体结构、加热系统、循环系统、控制系统、安全系统五大核心模块，兼顾合规性、稳定性、高效性与便捷性，确保设备能够满足标准要求、适配行业需求。

（一）箱体结构设计：密封、保温、圆滑

箱体结构是保障温度均匀性与保温性的基础，也是设备合规性的核心。中科富祺在箱体设计中，始终遵循“密封、保温、圆滑"的原则：一是选用优质材料，外壳采用冷轧钢板喷塑处理，耐腐蚀、易清洁，内胆采用304不锈钢板，耐高温、耐腐蚀，避免高温环境下材料变形、生锈，影响试验环境；二是优化保温设计，保温层采用优质硅酸铝保温棉（厚度≥80mm），导热系数低、保温效果好，有效减少热量损耗，降低能耗，同时采用双层保温结构，进一步提升保温性能；三是强化密封性能，采用耐高温硅胶密封垫，密封性能优良、使用寿命长，确保箱体密封性，防止热空气泄漏，同时防止外界粉尘、湿气进入箱内，保障试验环境洁净；四是优化内部结构，采用对称式风道设计，取消箱体死角，确保热空气均匀循环，同时优化样品架设计，采用镂空式、可调节结构，确保样品受热均匀，适配不同尺寸样品的试验需求。此外，在箱体门上设有导电膜防爆钢化保温玻璃观察窗，具有防凝露功能，方便检测人员实时观察样品老化状态，不影响设备密封性与保温性。

（二）加热系统设计：均匀、高效、安全

加热系统是热空气老化试验箱的核心动力部件，其性能直接影响设备的升温速率、控温精度与温度均匀性。中科富祺在加热系统设计中，重点关注“均匀、高效、安全"三大核心：一是选用优质加热元件，采用镍铬合金电加热器，耐高温、耐腐蚀、使用寿命长，加热效率高，同时采用U型鳍片式结构设计，增大加热面积，确保热空气加热均匀；二是采用多组分布式加热设计，将加热器均匀布置在风道内，避免局部温度过高，同时通过控制系统自动调节每组加热器的功率，确保箱内温度均匀一致；三是配备防干烧保护装置与过热保护装置，当加热元件出现干烧、箱内温度超出设定范围时，设备自动切断加热电源，发出报警信号，保障设备运行安全；四是优化升温速率设计，通过合理配置加热功率与风机转速，确保设备升温速率稳定（常规5℃/min-10℃/min，可定制调整），缩短试验准备时间，提升试验效率。

（三）循环系统设计：稳定、均匀、可调

循环系统的核心作用是促进箱内热空气循环，确保箱内温度均匀性与空气流速稳定，是保障试验数据可靠性的关键。中科富祺在循环系统设计中，重点优化了风机选型、风道结构与气流分布：一是选用高效离心风机与优质叶轮，风机转速稳定、风量充足，运行噪音低，使用寿命长，能够为热空气循环提供稳定动力；二是采用“上送风、下回风"的对称式风道设计，优化风道截面积与风口布局，确保热空气在箱内均匀循环，减少温度偏差；三是采用可调试风口设计，空气流速可在1-3m/s范围内灵活调整，适配不同材料的试验需求（如热敏性材料需较低空气流速，常规材料可采用标准流速）；四是配备风道清洁装置，方便用户定期清理风道内的粉尘、杂物，避免风道堵塞影响气流循环，确保设备长期稳定运行。

（四）控制系统设计：精准、智能、便捷

控制系统是热空气老化试验箱的“大脑"，负责设备的参数设定、运行控制、数据记录与故障诊断，其性能直接影响设备的操作体验与试验数据可靠性。中科富祺在控制系统设计中，始终坚持“精准、智能、便捷"的原则：一是采用高精度控制技术，结合PID模糊控制与自适应调节算法，确保温度控制精准，避免温度超调、欠调现象，温度控制精度可达±0.5℃，满足试验需求；二是优化操作界面，采用彩色液晶触摸屏与PLC可编程控制系统，操作便捷、直观，支持多段程序设定，可模拟不同的温度变化曲线，实现自动化试验；三是完善数据管理功能，支持试验数据的实时记录、存储、导出与打印，具备数据加密与追溯功能，契合合规管理要求；四是升级智能功能，融入工业物联网技术与智能故障诊断系统，实现设备的远程监控、远程操控与智能故障排查，提升设备的智能化水平与运维效率。

（五）安全系统设计：全面、可靠、合规

热空气老化试验箱长期在高温环境下运行，安全性能至关重要。中科富祺在安全系统设计中，构建了系统化的安全保护体系，确保设备运行安全、合规：一是配备超温保护装置，当箱内温度超出设定范围时，自动切断加热电源，发出报警信号；二是设置风机故障保护装置，当风机出现故障、停止运行时，自动切断加热电源，防止加热元件干烧损坏设备；三是配备漏电保护、过载保护装置，保障操作人员人身安全与设备电气系统安全；四是设置门体安全保护装置，当设备运行时，门体打开后自动切断加热电源，防止高温热空气溢出烫伤操作人员；五是配备排气装置，可及时排出箱内的热空气与老化挥发气体，避免气体积聚引发安全隐患，同时保障试验环境安全。所有安全保护功能均符合GB/T 3512-2014标准与相关安全规范，确保设备合规运行。

四、设计实践与成果：赋能行业，彰显价值

十余年来，中科富祺始终坚持设计创新与实践应用相结合，将热空气老化试验箱的设计成果转化为实际生产力，赋能下业高质量发展，同时获得了多项技术成果与市场认可，彰显了企业的设计实力与行业价值。

在技术成果方面，通过持续的设计迭代与技术创新，中科富祺累计获得热空气老化试验箱相关实用新型自主知识产权8项、发明自主知识产权3项，涵盖精准控温、智能监控、结构优化等核心技术领域；研发的第四代智能型热空气老化试验箱，核心技术指标达到行业高水平，温度控制精度、温度均匀性远超GB/T 3512-2014标准要求，其中智能远程监控、复合老化集成等技术，弥补行业内的技术空白；同时，参与了热空气老化试验设备相关行业标准的修订研讨工作，将自身设计实践经验融入标准制定，推动行业标准的完善与升级。

在市场应用方面，中科富祺热空气老化试验箱凭借稳定的性能、精准的控温、便捷的操作及完善的售后服务，获得了下业企业的广泛认可，产品已成功应用于比亚迪、华为、格力、中国航天等企业，涵盖汽车零部件、电子元器件、航空航天材料、化工产品等多个领域。例如，为汽车行业定制的热空气老化试验箱，可精准模拟汽车零部件在发动机舱内的高温老化环境，评估橡胶密封件、塑料零部件的老化寿命，为汽车零部件的质量管控提供可靠支撑；为电子行业定制的无粉尘热空气老化试验箱，可实现精准控温且无粉尘污染，适配精密电子元件的老化试验需求，保障电子产品的可靠性。

在行业贡献方面，中科富祺积极分享自身设计实践经验，通过技术研讨会、行业展会等形式，向行业内企业传递的设计理念与技术成果，为同类设备的研发设计提供参考；同时，为下游企业提供专业的技术支持与操作培训，帮助企业规范试验流程、提升检测水平，推动环境试验设备行业的整体升级。此外，结合行业发展趋势，持续开展技术研发，针对材料的复合老化试验需求，研发了一体化复合老化试验设备，为行业提供更全面、更精准的检测解决方案，助力下业提升产品质量与市场竞争力。

五、未来设计展望：聚焦创新，适配需求

随着新材料、新技术、新场景的不断涌现，热空气老化试验箱的设计将面临新的机遇与挑战。未来，中科富祺将继续坚守“创新驱动、需求导向"的设计理念，聚焦行业痛点与需求，在热空气老化试验箱的设计之路上持续探索，重点围绕以下几个方向实现新的突破。

一是聚焦材料试验需求，升级核心技术。针对航空航天、新能源、制造等领域的特种材料（如高温合金、复合材料、新能源材料），研发更高温度范围（可突破300℃）、更高控温精度、更稳定的热空气老化试验箱，同时优化惰性气体保护、真空老化等功能，适配特种材料的老化试验需求；加强热力学仿真技术的应用，进一步优化箱体结构与循环系统，提升温度均匀性与试验数据可靠性，推动材料检测技术的升级。

二是深化智能化、数字化升级。结合工业4.0与数字化转型趋势，进一步融入人工智能、大数据等技术，优化智能监控与管理平台，实现试验数据的智能化分析、老化寿命的精准预测，为企业产品研发提供更科学的依据；升级设备的自动化水平，实现试验样品的自动加载、自动检测、自动卸载，提升试验效率，降低人工成本；搭建行业共享数据平台，促进试验数据的共享与交流，推动行业技术进步。

三是推动绿色节能设计。响应“双碳"战略要求，优化设备的能耗结构，采用更节能的加热元件、风机与控制系统，进一步降低设备能耗；选用环保、可回收的材料，减少设备生产与使用过程中的环境影响；优化设备的结构设计，延长设备使用寿命，推动热空气老化试验箱向绿色、节能、环保方向发展。

四是加强定制化与集成化设计。结合不同行业、不同场景的个性化需求，进一步完善模块化设计理念，提升设备的定制化能力，为企业提供量身定制的解决方案；加强与其他环境试验设备（如高低温试验箱、湿热试验箱、光照老化试验箱）的集成，形成一体化的环境试验解决方案，适配多元化、复合化的试验需求，助力下业提升检测效率与水平。

五是加强产学研合作，推动技术创新。与高校、科研院所建立深度合作关系，聚焦热空气老化试验设备的核心技术难点，开展联合研发，培养专业的研发人才；积极引进技术与设计理念，结合国内行业需求进行本土化创新，推动热空气老化试验箱的设计水平与国际接轨，提升我国环境试验设备行业的核心竞争力。

六、结论

中科富祺热空气老化试验箱的设计之路，是一段立足标准、聚焦需求、持续创新、不断突破的历程。从一代产品夯实基础、满足标准，到第四代产品智能集成、升级，我们始终以GB/T 3512-2014标准为根基，以下业需求为导向，突破了温度均匀性、精准控温、智能控制等核心设计难点，形成了完善的产品体系，积累了丰富的设计实践经验，为下业提供了可靠的材料老化检测设备与技术支持。

实践表明，热空气老化试验箱的设计，既要严格遵循行业标准，保障设备的合规性与试验数据的可靠性，也要聚焦行业痛点，不断优化核心技术与功能配置，同时兼顾操作便捷性、能耗经济性与安全可靠性。中科富祺的设计实践，不仅彰显了企业的研发实力与创新精神，也为同类设备的研发设计提供了“以标准为根基、以需求为导向、以创新为动力"的实践参考。

未来，随着行业技术的不断发展与需求的持续升级，中科富祺将继续深耕热空气老化试验箱的设计与研发，持续突破核心技术，深化智能化、绿色化、定制化升级，不断提升产品性能与服务质量，赋能下业高质量发展，同时推动环境试验设备行业的整体升级，为我国工业制造业的转型升级贡献力量。

参考文献

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