防爆高低溫試驗箱技術原理

在石油化工、新能源電池（如鋰電池）、航天及特殊材料研發領域，對易燃易爆樣品進行溫度環境測試（高低溫循環、恒溫恒濕等）時，常規試驗設備存在安全隱患。防爆高低溫試驗箱通過一系列特殊的設計原理，在提供精確溫變環境的同時，構筑了嚴密的安全防線。其核心技術原理圍繞兩大核心目標展開：防止內部爆炸發生 和 有效控制潛在爆炸后果。

一、 核心安全防護原理

避免有效點火源的產生：

防爆電氣系統： 所有暴露于潛在爆炸性環境的電氣元件（加熱器、風機電機、傳感器、接線端子、開關等）均嚴格采用符合 ATEX、IECEx 或 GB 3836 標準的防爆型式：

隔爆型 (Ex d)： 將可能產生火花的元件置于高強度外殼內。若內部發生爆炸，外殼能承受爆炸壓力并阻止火焰和高溫氣體傳播到外部環境。

本質安全型 (Ex i)： 限制電路中的能量（電壓、電流），使其即使在短路或故障狀態下產生的電火花或熱效應，也不足以點燃周圍爆炸性混合物。常用于低功率控制回路。

增安型 (Ex e)： 對電氣設備采取額外措施（如增強絕緣、加大電氣間隙和爬電距離、限制表面溫度），防止在正常運行條件下產生過熱、火花或電弧。

正壓型 (Ex p)： 向電氣設備外殼內通入保護性氣體（如潔凈空氣或惰性氣體），并維持內部壓力高于外部環境壓力，阻止外部爆炸性氣體進入。

防靜電與防火花結構：

內膽、樣品架等采用防靜電不銹鋼或特殊涂層處理，并通過可靠接地消除靜電積聚。

機械結構設計避免銳角和活動部件間可能產生摩擦火花的接觸。

所有金屬部件電氣連續并接地。

限制bao炸效應（爆炸發生后的控制）：

強化壓力容器設計：

箱體主體結構采用加厚高強度不銹鋼或特種合金，具備優異的抗沖擊和抗壓能力，能承受內部爆炸產生的超壓。

定向泄壓裝置：

核心安全部件，通常為爆破片（Burster Disc）或彈簧式泄壓門（Pressure Relief Door）。

根據嚴格計算（依據標準如GB 3836.1/IEC 60079-0附錄D）確定泄壓面積和動作壓力。

當箱內因爆炸導致壓力驟升至預設安全閾值時，泄壓裝置瞬間定向（通常向上或朝向安全區域）開啟，快速釋放超壓和燃燒產物，防止箱體整體爆裂。

阻燃與火焰抑制（部分設計）： 某些設計可能在泄壓通道或箱內加入阻燃材料或結構，以抑制火焰傳播速度和強度。

二、 多重安全監控與聯鎖控制原理

硬件超溫保護： 獨立于主控溫器的可調式機械溫限器，作為最終防線，當溫度異常超高時直接切斷加熱電源。

壓力傳感器： 實時監測箱內氣壓，異常升高時可觸發報警并聯動泄壓裝置（若為主動控制式）或緊急停機。

門安全聯鎖： 確保箱門未全部閉合并鎖緊時，設備無法啟動測試程序；測試過程中門被強行打開，設備立即斷電并報警。

氣體濃度監測（可選）： 集成可燃氣體或氧氣傳感器，對特定測試樣品（如釋放可燃氣體的材料）進行濃度監測，超標預警。

故障自診斷與報警： 控制系統實時監測關鍵部件（如風機、壓縮機、加熱器、傳感器）狀態，故障時報警并執行預設安全程序（如停機、關閉閥門）。

三、 高精度溫度控制原理（在安全框架下實現）

在滿足防爆安全要求的前提下，設備需實現精確穩定的溫度環境：

制冷系統：

機械壓縮制冷： 常用單級或復疊式壓縮機制冷循環，利用制冷劑相變吸熱原理實現低溫。復疊式用于達到-40℃以下甚至-70℃的深低溫。

液氮輔助制冷（可選）： 對于超快速降溫或超低溫度需求（<-70℃），可集成液氮噴射系統。

加熱系統：

通常采用耐高溫防爆型電加熱器（如不銹鋼鎧裝加熱管），配合翅片散熱設計，功率需匹配升溫和溫度范圍要求。

空氣循環系統：

采用防爆型風機電機驅動。

優化設計的離心風機和風道（導風板），確保箱內空氣強制循環，是實現溫度均勻性的關鍵。氣流需均勻流經加熱器/蒸發器表面和測試區域。

控制系統：

溫度傳感器： 采用高精度防爆型鉑電阻（Pt100）。

控制算法：優秀的PID（比例-積分-微分）或更復雜的模糊PID控制算法，根據設定值與傳感器反饋值的偏差，實時、精準地調節制冷量、加熱量和風機風量。

人機界面： 觸摸屏顯示，支持程序編輯（多段編程）、實時數據曲線顯示、歷史數據存儲與導出、遠程監控（可選）。

核心目標： 在安全限制內，達到并維持所需的溫度點（如 -70℃ 至 +150℃），并保證良好的溫度均勻性（如 ≤±2℃）和波動度（如 ≤±0.5℃）。

四、 應用與安全認證

典型應用： 鋰電池安全測試（熱濫用、溫度循環）、化工品/油品穩定性測試、含能材料/火工品環境試驗、特殊氣體/溶劑測試等。

安全認證： 合規性是設備投入使用的先決條件。設備必須依據目標市場法規，通過國家機構（如中國的CQST/PCEC、歐盟的Notified Body、IECEx的ExCB）的嚴格檢驗，取得相應防爆合格證（如中國Ex證、ATEX證書、IECEx CoC）。

總結

防爆高低溫試驗箱的技術原理，是本質安全設計理念（消除點燃源） 與 爆炸效應控制技術（強化箱體、泄壓） 的結合，并在其上疊加精密的環境控制技術（溫控） 和多重冗余的安全監控聯鎖系統。它并非簡單地“阻止爆炸”，而是科學地“管理風險”，確保即使發生最壞情況，也能將危害限制在可控范圍內，為高風險材料的研發與質量驗證提供至關重要的安全測試環境。