技術探討：延長冷熱沖擊試驗箱溫度轉換時間的方法
作者：
salmon范
編輯：
瑞凱儀器
來源：
www.yntbf.com
發布日期： 2020.04.25
近日，東莞市瑞凱環境檢測儀器有限公司受理一項高低溫快速溫度循環試驗箱定制任務，要求試驗的溫度平均變化為速率為10℃/min左右。當時僅有的兩臺利用液氮的快速溫度變化箱正在做24小時連續10天的試驗。而委托方要求通過試驗盡早確定試品的材料工藝性能，在滿足試品的試驗條件的要求下，經過分析，我們設法在冷熱沖擊試驗箱的吊籃內除存放試品外，再加上有一定熱容量的負載，運用熱交換的定律，延長冷熱沖擊試驗箱的高、低溫工作區極限溫度值的轉換時間來達到試驗要求。而冷熱沖擊試驗箱由于本身的結構特點和國軍標對有關試驗設備的要求，冷熱沖擊試驗箱的高低溫工作區要有足夠的熱容量，以便使試品在放入試驗箱后，在5
min之內高低溫工作區的極限溫度就能回復到規定值。換句話說，就是高低溫工作區的極限溫度轉換時間必須要在5 min之內完成。
現在一般常見的冷熱沖擊試驗箱從箱體結構上分主要有兩種。一種是一箱法，即箱體的中間是存放試品的工作區，箱體的兩邊分別是高溫室和低溫室，并且高低溫室與存放試品的工作區分別由風門相通，打開或者關閉相應的風門就可讓高溫室或低溫室的空氣通過送風電機快速強迫進人存放試品的工作區，從而使存放試品的工作區實現了快速溫度變化的操作。另一種是兩箱式上下結構，上半部分為高溫工作區，下半部分為低溫工作區，中間由試品吊籃連接，試品吊籃由升降機構在高低溫工作區內上下移動。當吊籃移至箱體的上半部分，試品就暴露在高溫工作區，當吊籃移至箱體的下半部分，試品就暴露在低溫工作區。而極限溫度轉換時間是不能設置的。但溫度循環試驗的溫度變化的速率是可以根據試品的具體要求和設備的性能進行設置的，延長冷熱沖擊試驗箱的高低溫極限溫度值的轉換時間也就近似于減緩了溫度變化的速率。為此我們根據不同質量和不同金屬材料所具有的熱容量及熱交換的定律作了模擬試驗，結果證明可以適當延長冷熱沖擊試驗箱高低溫極限溫度值的溫度轉換時間。
我們知道，物質的熱容量是材料比熱系數和材料的質量乘積：即
在同樣的質量下，材質不同，熱容量也不同。經查找有關資料，鋁材和其它金屬材料相比，比熱系數較高，同質量下熱容量較大。鋁材自然就作為首選。當存放有鋁材的吊籃上移至高溫工作區時，所吸收的熱量為
當存放有鋁材的吊籃下移至低溫工作區時就要釋放熱量Q放，由熱交換定律可知：
由試驗可知，在不考慮其它熱量損耗的情況下，由于鋁材熱量的釋放將低溫工作區的極限溫度升高△t1，當低溫區的工作空間一定時，Q吸越大，△t1也越大。并隨著鋁材的熱量不斷釋放，低溫工作區的溫度也在逐步上升，但此時由于冷熱沖擊試驗箱的低溫工作區在繼續制冷及風扇電機的空氣強迫對流，終使冷熱沖擊試驗箱的低溫工作區的溫度逐漸趨向平衡而達到極限值。在這個溫度變化過程中由于鋁材的熱量不斷釋放，使得低溫工作區的極限溫度值的下降速率有所減緩，而不像溫度沖擊那樣，吊籃的溫度瞬間就下降到低溫的溫度極限值。反之，當吊籃上升至高溫工作區時，也由于鋁材在不斷地吸收熱量，將高溫工作區的極限溫度下降△t1，同樣也由于高溫工作區的繼續加熱及風扇電機的空氣強迫對流，終使冷熱沖擊試驗箱的高溫工作區的溫度逐漸趨向平衡而達到極限值。根據以上的試驗，我們在不影響冷熱沖擊試驗箱吊籃的承重力情況下通過多次適當的調整鋁材的質量，并按國家有關《電工電子產品環境試驗的設備基本參數檢定方法》標準，在吊籃內有關的位置布設相應的溫度傳感器進行了測量，溫度偏差均在規定值內，總的溫度平均速率也均在10℃/min左右。這樣在試品對溫度變化沒有線性度要求的情況下，基本上滿足了試品的試驗條件要求，使試品成功地通過了試驗。后來，我們根據同樣的方法又做了一次摸底試驗。兩次試驗不僅均滿足檢測需求，又節約了試驗材料費用4萬余元(按每天一瓶液氮450元計，共需90瓶)。
圖1、圖2是用冷熱沖擊試驗箱延長溫度轉換時間得到的溫度升降曲線。
從圖中可看出，高溫工作區的極限溫度與低溫工作區的極限溫度的轉換時間約在10~ 15 min之間，而且在溫度上升或下降區域的溫度變化速率較快。運用熱交換定律，用冷熱沖擊試驗箱做快速溫度循環試驗，每次做試驗，都要根據試品的質量和具體試驗條件的要求，需反復進行測算和調整鋁材的質量的模擬試驗。據了解，現國內有兩種高低溫快速溫變試驗箱。一種是升降溫度速率沒有線性度要求的試驗箱，另一種是升降溫速率有線性度要求的試驗箱。經試驗比較，從用熱交換定律和模擬試驗后的升降溫曲線來看，使用效果近似于沒有線性度要求的快速升降溫試驗箱。
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