中科百科：高低温试验箱结构设计及内空气循环系统优化研究

作者：北京中科富祺科技有限公司 技术研发中心

摘要：高低温试验箱作为产品环境适应性与可靠性测试的核心装备，其整体结构合理性与内空气循环均匀性直接决定测试数据的准确性与设备运行稳定性。本文以中科富祺系列高低温试验箱研发实践为基础，系统阐述试验箱整体结构设计要点，重点针对传统空气循环系统存在的温度分层、局部气流死角、热交换效率低等痛点，结合计算流体动力学（CFD）仿真技术，提出一种“对称立体风道+变频动力匹配+多级均流整流"的集成优化方案。通过优化风道结构、风机选型、均流设计及控制策略，实现箱内温场均匀性、稳定性与温变效率的协同提升。经性能测试验证，优化后试验箱在-70℃~+180℃工作范围内，空载温度均匀度≤±0.8℃，温度波动度≤±0.3℃，温变速率较传统设计提升25%以上，能耗降低15%，可满足航空航天、新能源、电子等领域严苛的环境模拟测试需求。本文研究成果已批量应用于中科富祺高低温试验箱系列产品，为同类设备的结构优化与性能升级提供理论支撑与工程参考。

关键词：高低温试验箱；结构设计；空气循环系统；CFD仿真；温度均匀性；优化设计；中科富祺

1 引言

在制造业转型升级背景下，电子元器件、航空航天零部件、新能源电池等产品在研发、生产及验收阶段，均需通过高低温环境模拟测试，验证其在严酷温度条件下的工作性能与可靠性[1]。高低温试验箱作为实现该测试的核心装备，其性能指标（温度均匀度、波动度、温变速率）直接影响测试数据的可信度，而这些指标的实现高度依赖设备整体结构设计与内空气循环系统的优化水平[2]。

北京中科富祺科技有限公司长期深耕环境试验设备研发、制造与服务领域，聚焦用户对高精度、高效率测试设备的需求。在长期实践中发现，传统高低温试验箱普遍存在两大核心问题：一是整体结构设计中，隔热保温、密封性能与气流组织协同性不足，导致箱内外热交换干扰大，能耗偏高；二是内空气循环系统采用单一风道、固定转速风机设计，易出现气流短路、局部涡旋、温度分层等现象，尤其在大容积、宽温域测试场景中，温场均匀性难以满足测试要求[3]。

针对上述问题，本文结合热力学、流体动力学理论与CFD仿真技术，开展高低温试验箱整体结构与内空气循环系统协同优化研究。重点优化风道布局、动力匹配、均流结构及控制策略，通过理论分析、仿真迭代与试验验证，形成一套标准化、模块化的设计方案，旨在提升设备核心性能、降低能耗，为中科富祺系列试验箱的技术升级提供支撑，同时为行业同类设备的设计优化提供参考。

2 高低温试验箱整体结构设计

高低温试验箱整体结构设计以“隔热保温、密封可靠、气流顺畅、操作便捷"为核心原则，兼顾结构强度与模块化设计需求，便于后期维护与升级。整体采用“双层箱体+核心功能模块集成"结构，主要由箱体结构、隔热保温系统、密封系统、工作室、制冷系统、加热系统、空气循环系统及控制系统八大核心部分组成，各部分协同工作，确保设备稳定运行与测试精度。其整体结构示意图如图1所示（示意图文字说明：1-外层箱体；2-隔热保温层；3-内层工作室；4-空气循环风道；5-变频离心风机；6-热交换组件；7-均流装置；8-密封门；9-温度传感器；10-控制系统）。

2.1 箱体结构设计

箱体采用双层嵌套结构，外层选用优质冷轧钢板，经酸洗磷化、静电喷塑处理，具备耐腐蚀、抗冲击、美观耐用的特点；内层工作室选用SUS304不锈钢板，表面经镜面抛光处理（Ra≤0.8μm），可减少热辐射吸收差异，避免局部热积累，同时便于清洁，防止测试过程中污染物残留[4]。

箱体转角采用圆弧过渡设计（曲率半径≥50mm），一方面避免直角结构导致的气流滞留，为空气循环提供顺畅路径；另一方面增强箱体结构强度，减少温度循环过程中因热胀冷缩产生的应力集中，延长设备使用寿命。工作室容积根据测试需求设计为100L~1000L，采用模块化设计，可根据用户需求灵活定制，同时预留测试孔、观察窗等接口，满足不同测试场景的扩展需求。

2.2 隔热保温系统设计

隔热保温系统是维持箱内稳定温场、降低能耗的关键，其设计核心是减少箱内外热传导、热对流与热辐射。本文采用“多层复合隔热"方案，在内外层箱体之间填充高强度聚氨酯发泡材料（厚度100mm~150mm），其导热系数低至0.022 W/(m·K)，可有效阻断热传导[5]；同时在聚氨酯发泡层与内层工作室之间增设一层超细玻璃纤维棉，进一步提升隔热性能，避免低温工况下箱壁结露。

观察窗采用三层中空钢化玻璃设计，中间两层填充干燥氮气，防止低温工况下玻璃结霜影响观察，同时具备良好的隔热性能；观察窗周边采用加热除霜设计，确保在-70℃严酷低温下仍能清晰观察工作室内部测试情况。箱体底部、顶部及侧面均采用断桥铝结构，切断金属导热路径，进一步减少热损耗，使箱体表面温度与环境温度差控制在5℃以内[6]。

2.3 密封系统设计

密封系统的可靠性直接影响箱内温场稳定性，若密封不严，外部常温空气渗入、内部冷热空气泄漏，会导致局部温度梯度增大，能耗显著上升。本文采用“双层密封+多点压紧"设计，密封件选用耐高低温硅橡胶（工作温度-80℃~+200℃），邵氏硬度50±5，压缩变形量≥30%，具备良好的弹性与耐老化性能[7]。

箱门与箱体接触部位采用双层嵌套密封结构，内层密封件负责阻断主要气流交换，外层密封件辅助密封，同时防止密封件老化后出现泄漏；箱门采用多点机械锁扣设计，通过均匀施压确保密封件与箱体紧密贴合，将箱内气体泄漏率控制在0.1%以下[8]。此外，测试孔、线缆入口等部位配置迷宫式密封套件，使用氟橡胶圈隔绝内外气流交换，避免局部冷桥效应导致的温差增大。

2.4 核心功能模块布局

制冷系统、加热系统与空气循环系统作为设备的核心功能模块，其布局合理性直接影响气流组织与热交换效率。制冷系统采用双级压缩制冷方案，选用德国比泽尔涡旋式压缩机，蒸发器与冷凝器采用铜管铝翅片结构，布置于箱体背部风道内，避免占用工作室空间；加热系统采用翅片式镍铬电加热器，串联布置于蒸发器下游，确保空气经过蒸发器冷却或加热后，能快速实现温度调节[9]。

空气循环系统的风机、风道、均流装置等组件集成于箱体背部与顶部，形成独立的循环腔体，与工作室实现无缝衔接，确保气流顺畅循环，避免气流短路。控制系统采用PLC+触摸屏设计，集成于箱体侧面操作面板，便于操作人员设置测试参数、监控设备运行状态，同时预留通讯接口，支持远程控制与数据采集，满足智能化测试需求。

3 内空气循环系统优化设计

内空气循环系统是高低温试验箱实现温场均匀性与快速温变的核心，其作用是将制冷/加热系统产生的冷量/热量均匀传递至工作室各个区域，同时带走测试样品表面的热量/冷量，维持箱内温度稳定。本文针对传统空气循环系统存在的温度分层、局部死角、热交换效率低等问题，结合CFD仿真技术，从风道布局、风机选型、均流结构及控制策略四个方面进行协同优化。

3.1 优化设计目标

结合中科富祺试验箱产品定位与行业标准GB/T 10592-2021《高低温试验箱技术条件》，确定空气循环系统优化设计目标如下[10]：

- 工作温度范围：-70℃~+180℃，覆盖绝大多数产品测试需求；

- 温度均匀性：空载状态下，箱内各测试点温度差异≤±0.8℃；

- 温度波动度：≤±0.3℃，确保温场长期稳定；

- 温变速率：-70℃~+85℃区间，平均温变速率≥5℃/min，较传统设计提升25%以上；

- 气流组织：无明显气流死角、无强直射气流，工作室各区域风速均匀（0.5m/s~1.5m/s），避免测试样品因局部气流过强出现损坏；

- 能耗优化：在满足上述性能指标的前提下，能耗较传统设计降低15%以上。

3.2 风道布局优化

传统高低温试验箱多采用“单侧上送下回"或“单侧下送上回"的风道布局，这种布局易导致气流短路、局部涡旋，温场均匀性较差，尤其在大容积设备中，温度分层现象更为明显[11]。结合CFD仿真技术，本文提出“双侧对称立体闭环风道"布局，具体设计如下：

1.  送风风道：在工作室两侧设置对称的竖向送风通道，送风通道顶部与箱体顶部的横向送风腔连接，底部延伸至工作室底部；送风通道内侧均匀开设送风孔，送风孔采用斜向设计（与水平方向夹角30°~45°），且上下送风孔的角度交错分布，确保气流能够均匀覆盖工作室各个区域，避免气流直吹测试样品。

2.  回风风道：在工作室背部设置竖向回风通道，回风通道顶部与风机进风口连接，底部与工作室底部的回风腔连接；回风通道内侧开设回风孔，回风孔主要分布在工作室上、中、下三个区域，确保工作室各个高度的空气能够均匀回风，避免局部空气滞留。

3.  循环路径：风机将经过热交换组件（蒸发器/加热器）处理后的空气送入顶部横向送风腔，再分配至两侧竖向送风通道，通过送风孔送入工作室；空气在工作室内部完成热交换后，通过背部回风通道的回风孔进入回风腔，再被风机抽吸至热交换组件，形成闭式强制循环。

通过风道布局优化，消除了传统风道的气流短路与局部涡旋问题，同时利用双侧对称送风，有效抑制了温度分层现象。CFD仿真结果显示，优化后的风道布局，气流覆盖效率提升35%以上，工作室内部无明显气流死角。

3.3 风机选型与动力匹配优化

风机作为空气循环系统的动力源，其选型与动力匹配直接影响气流速度、循环效率与能耗[12]。传统试验箱多采用固定转速风机，无法根据不同工况（升温、降温、恒温）的需求调整风速，导致恒温工况下能耗偏高，升温/降温工况下循环效率不足。本文结合设备容积与优化目标，进行风机选型与动力匹配优化：

1.  风机选型：选用高静压后倾式变频离心风机，该类型风机具有风压稳定、风量可调、噪音低、耐高低温、能耗低等优点，适合高低温试验箱的工作环境；风机叶轮采用防腐处理，避免低温工况下结霜影响运行稳定性。

2.  功率匹配：根据工作室容积、风道阻力、热交换需求，精准匹配风机功率。例如，500L容积试验箱，选用1.5kW变频离心风机，确保有效循环风量达到1200m³/h，满足热交换与气流均匀性需求；同时，风机功率与制冷/加热系统功率协同匹配，避免因风机功率过大导致能耗浪费，或功率过小导致循环效率不足。

3.  变频控制：采用变频调速技术，根据不同工况动态调整风机转速：升温/降温工况下，提高风机转速（1480r/min），增大循环风量，加快热交换效率，提升温变速率；恒温工况下，降低风机转速（960r/min），减少循环风量，维持温场稳定，同时降低能耗；低温工况下，适当提高风机转速，抑制箱内温度分层，避免局部结霜。

3.4 均流与导流结构优化

为进一步提升气流均匀性，抑制紊流与局部温度梯度，在风道布局与风机优化的基础上，增设多级均流与导流结构，具体设计如下[13]：

1.  送风均流：在送风通道的送风孔内侧设置多层均流网，均流网采用不锈钢材质，孔径为2mm~3mm，通过多层均流，将送风通道内的紊流转化为平稳气流，确保每个送风孔的出风速度均匀（偏差≤0.2m/s）；同时，在送风通道顶部设置导流板，引导气流均匀分配至两侧送风通道，避免单侧气流过强。

2.  工作室导流：在工作室顶部、底部及两侧设置弧形导流板，导流板采用SUS304不锈钢材质，与箱体圆弧转角衔接，引导气流顺畅循环，避免气流在转角处滞留；针对动力电池等特殊测试样品，在置物架与内箱底部的间距增至0.2m，同时适当增大回风口截面积至0.15m高度，减轻甚至消除样品之间的涡旋现象[14]。

3.  回风均流：在回风通道的回风孔外侧设置均流板，均流板采用多孔结构，引导工作室空气均匀进入回风通道，避免局部空气回流过快导致的气流紊乱；同时，在风机进风口设置导流罩，减少气流进入风机时的阻力，提升风机运行效率。

3.5 控制策略优化

空气循环系统的控制策略直接影响温场稳定性与能耗，本文结合多点测温与模糊PID自适应控制技术，优化控制策略，实现风速与温度的协同调节[15]：

1.  多点温度采集：在工作室上、中、下、左、右、前、后七个区域布设PT100铂电阻传感器（精度±0.15℃），构建7点测温网络，实时采集箱内各区域温度数据，精准掌握温场分布情况，避免因单点测温导致的控制偏差[16]。

2.  模糊PID自适应调节：将采集到的温度数据与设定温度进行对比，通过模糊PID算法，动态调整风机转速、加热功率与制冷功率。当箱内温差较大时，自动提高风机转速与加热/制冷功率，加快温场均衡；当箱内温度接近设定值时，自动降低风机转速与加热/制冷功率，维持温场稳定，避免温度超调。

3.  变风量控制逻辑：预设不同工况的风速曲线，升温/降温段采用大风量快速换热模式，恒温段采用低风量稳温节能模式，低温段采用中风量防分层模式，实现不同工况下的优化风量控制，兼顾温变效率、温场稳定性与能耗优化。

4.  故障自诊断：集成风机堵转、风速异常、传感器失效等故障监测功能，当出现故障时，及时发出报警信号，并自动调整设备运行状态（如风机故障时，关闭加热/制冷系统），避免设备损坏与测试样品损失。

4 CFD仿真分析与试验验证

为验证空气循环系统优化设计的有效性，本文采用ANSYS Fluent软件进行CFD仿真分析，同时制作优化后样机，开展性能测试，对比优化前后的设备性能指标。

4.1 CFD仿真分析

4.1.1 仿真模型建立

以中科富祺500L高低温试验箱为研究对象，建立箱体、风道、风机、热交换组件、工作室的三维模型，采用结构化网格划分，网格数量约为2.5×10⁶，网格质量≥0.8，确保仿真精度；设定湍流模型为k-ε模型，边界条件如下[17]：

- 风机边界：设定为速度入口，根据风机选型参数，设定不同工况的入口风速；

- 热交换组件边界：设定为温度边界，升温工况下设定为85℃，低温工况下设定为-40℃；

- 工作室边界：设定为绝热边界，忽略工作室壁面的热损耗；

- 出口边界：设定为压力出口，出口压力为标准大气压。

4.1.2 仿真结果分析

通过CFD仿真，分别分析优化前后试验箱在高温（85℃）、低温（-40℃）恒温工况下的流场与温场分布，结果如下：

1.  流场分布：优化前，试验箱存在明显气流死角（主要集中在工作室角落与样品放置区域），局部出现涡旋现象，气流速度偏差较大（偏差≥1.0m/s）；优化后，工作室内部气流分布均匀，无明显气流死角与涡旋，气流速度控制在0.5m/s~1.5m/s，速度偏差≤0.2m/s，气流覆盖效率提升35%以上，样品之间的涡旋现象系统化消失[18]。

2.  温场分布：优化前，高温工况下箱内温差为2.3℃，低温工况下温差为2.7℃，存在明显温度分层；优化后，高温工况下箱内温差为0.7℃，低温工况下温差为0.8℃，温度分布均匀，无明显温度分层，满足优化设计目标。

4.2 试验验证

4.2.1 试验设备与条件

制作优化后500L高低温试验箱样机（型号：FCD7-50L），同时选取传统设计的同型号样机作为对比；试验依据GB/T 10592-2021《高低温试验箱技术条件》，在空载状态下，对两台样机的温度均匀性、波动度、温变速率及能耗进行测试，试验环境条件如下：

由表1可知，优化后的高低温试验箱，各项性能指标均达到并超过优化设计目标：温度均匀度较传统设计提升63%以上，温度波动度提升71%以上，温变速率提升30%，能耗降低15.1%。试验结果与CFD仿真结果基本一致，验证了本文提出的整体结构设计与内空气循环系统优化方案的有效性与可行性。

此外，针对新能源电池测试场景，开展专项测试，将两台动力电池样品放入优化后样机，在45℃恒温工况下测试，结果显示样品之间无涡旋现象，样品表面温度均匀，温差≤0.5℃，满足动力电池高精度测试需求[19]。

5 结论与展望

5.1 结论

本文以中科富祺高低温试验箱研发实践为基础，围绕设备整体结构与内空气循环系统开展优化研究，结合热力学、流体动力学理论与CFD仿真技术，得出以下结论：

1.  提出的“双层箱体+多层复合隔热+双层密封"整体结构设计，有效减少了箱内外热交换，提升了设备密封性能与结构稳定性，为温场均匀性提供了良好的结构基础；圆弧过渡与模块化设计，兼顾了气流顺畅性、结构强度与后期维护需求。

2.  针对传统空气循环系统的痛点，提出的“双侧对称立体闭环风道+变频离心风机+多级均流整流+模糊PID自适应控制"集成优化方案，有效消除了气流死角、涡旋与温度分层现象，实现了风速与温度的协同调节。

3.  CFD仿真与试验验证表明，优化后试验箱在-70℃~+180℃工作范围内，空载温度均匀度≤±0.8℃，温度波动度≤±0.3℃，温变速率≥5.2℃/min，能耗降低15.1%，各项性能指标均达到测试设备要求，可满足航空航天、新能源、电子等领域的严苛测试需求。

4.  本文研究成果已批量应用于中科富祺高低温试验箱系列产品，经市场验证，设备运行稳定、测试精度高、能耗低，获得了用户的广泛认可，为企业产品技术升级提供了有力支撑。

5.2 展望

随着制造业的不断发展，测试场景日益复杂，对高低温试验箱的性能要求将进一步提高，未来将围绕以下方向开展深入研究：

1.  进一步推进CFD参数化自动优化，结合人工智能技术，实现风道布局、风机参数、均流结构的自动迭代优化，缩短研发周期，提升设计精度；

2.  开展分区独立控温与风场调节研究，针对大容积、多样品测试场景，实现工作室不同区域的温度与风速独立控制，满足多样化测试需求；

3.  融合物联网与大数据技术，实现设备运行状态实时监测、故障预警与远程运维，提升设备智能化水平；

4.  探索新型隔热保温材料与节能技术的应用，进一步降低设备能耗，推动环境试验设备向绿色节能、高效精准方向发展。

参考文献

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