冷热冲击试验箱作为模拟极端温度交变环境的关键可靠性测试设备，在电子元器件、航空航天材料及汽车零部件的环境适应性验证中扮演着不可或缺的角色。然而，在其高频次、大梯度的温度循环工况下，箱体内部结霜现象已成为影响设备运行效能与测试数据准确性的共性技术难题。该现象的本质是密闭空间内水分子在低温条件下的相态转移过程，其发生机制、危害程度及处置策略均需基于热力学原理与工程实践进行系统性分析，以期为设备的高效运维提供理论支撑。
一、结霜现象的物理机制与成因解析
结霜并非简单的温度过低所致，而是多重物理因素耦合作用的结果。其核心机理在于：当箱体内壁面或蒸发器盘管表面温度低于当前空气露点温度，且该温度同时处于0℃以下时，空气中悬浮的水蒸气将绕过液态凝结阶段，直接发生凝华相变，形成晶态冰结构。此过程遵循克劳修斯-克拉佩龙方程所描述的气-固平衡关系，其发生概率与箱体密封性、温度变化速率及绝对湿度水平呈正相关。
具体而言，冷热冲击试验箱采用二元复叠式制冷系统与独立的高温、低温及测试区三箱结构设计。在执行温度冲击程序时，高温区与低温区之间的快速切换导致测试区气流经历剧烈的热湿迁移。尽管现代设备配置了水汽分离与干燥过滤装置，但在-40℃至-70℃的极端低温段，空气中残余的微量水分仍足以在蒸发器鳍片表面形成霜层。此外，试验样品自身释放的挥发性物质、箱体密封条老化渗入的外界湿气，以及操作人员在装样过程中引入的瞬态湿负荷，均会加剧结霜程度。此类结霜具有典型的非均匀分布特征，常在冷端送风口及蒸发器前缘形成致密霜层，其对流换热系数可降低至洁净表面的30%-50%，构成制冷系统的附加热阻。
二、结霜对系统性能与测试有效性的多维影响
结霜对设备运行构成的负面影响具有渐进性与累积性特征。首先，在热力学层面，霜层的导热系数极低（约0.2-0.5 W/(m·K)），其附着于蒸发器表面会形成显著的隔热效应，导致蒸发温度下降、压缩比升高，制冷效率衰减可达20%-40%。长期高负荷运行将引发压缩机排气温度超限、润滑油碳化及电机绕组绝缘老化，严重缩短核心部件使用寿命。
其次，在空气动力学层面，霜晶的生长会堵塞蒸发器翅片间隙，使空气流通截面积减少，风机功耗上升的同时送风量锐减，造成测试区温度场均匀性劣化，温度波动度可能超出±2℃的标准容差限值。对于高精度军工级试验（如GJB150.5A-2009），此类偏差将导致试验条件失准，测试数据的有效性面临重大质疑。
更为严峻的是，结霜引发的非受控温湿度波动可能激活被测样品的异常失效模式。例如，在半导体器件的温度循环测试中，箱内湿度的异常波动会加速水分渗透，导致封装界面分层或金属化腐蚀，使试验结果偏离真实可靠性评估目标。因此，持续结霜不仅降低设备能效，更从根本上动摇了环境模拟试验的科学性与公正性。
三、自动化除霜系统的工作原理与技术实现
鉴于结霜的必然性与危害性，现代冷热冲击试验箱普遍集成智能化除霜功能。其核心原理源自逆循环除霜技术，具体流程体现为：当霜层厚度传感器监测到结霜量达到预设阈值（通常以蒸发器前后压差或鳍片表面温度变化率为判据），控制系统自动触发除霜程序。此时，电磁四通换向阀执行快速切换动作，将压缩机排气端产生的高温高压过热制冷剂蒸气（温度可达80-100℃）直接导入低温室蒸发器。
在此模式下，蒸发器角色临时转换为冷凝器，利用制冷剂的相变潜热与显热释放，使附着霜层迅速吸热融化。融化产生的水滴在重力作用下汇集至接水盘，经由防冻结排水管路在电加热带的辅助下排出箱体外。整个过程通常持续8-15分钟，期间低温室温度回升幅度控制在5℃以内，避免对测试区样品造成热冲击。为防止除霜期间水气向测试区扩散，风道系统的气动挡板自动关闭，实现区域隔离。该智能除霜策略通过模糊PID算法优化触发时机，在确保除霜效率的同时，将除霜频次对整体试验周期的影响降至最低。
四、结霜预防与日常维护的规范化管理
除依赖自动化除霜技术外，主动预防是降低结霜频次的根本途径。首要措施为严格控制箱体开启频率与时长。每次开门均会引发外界湿热空气的侵入，研究表明，在35℃/85%RH环境下开启箱门30秒，可导致箱内绝对湿度上升2-3g/m³，足以延长后续除霜周期15%-20%。因此，应遵循集中装样、快速操作的原则，必要时采用内置手套箱或过渡舱结构实现无干扰样品更换。
其次，需强化设备密封性能的定期检测。门封条的老化、磁条磁力衰减及箱体结构件的微变形均会破坏密封完整性。建议每季度执行一次密封性验证试验，通过压力衰减法或示踪气体法量化评估泄漏率，及时更换老化部件。同时，预处理区的除湿系统应维持高效运行，确保进入测试区的循环空气露点温度低于-60℃。
再者，样品的前处理工艺亦需规范。所有待测试样应在45℃/≤30%RH条件下预烘24小时，以驱除表面吸附水分。对于多孔材料或高湿度敏感性器件，可采用真空封装或干燥剂协同存放策略，最大限度减少内部湿源。此外，设备的预防性维护计划应涵盖制冷系统检漏、干燥过滤器更换及风机动平衡校正等项目，确保系统处于最佳热力学状态。
五、结霜监测诊断与异常情况处置
建立结霜在线监测体系是实现智能运维的关键。除传统的时间-温度除霜触发模式外，先进设备已配置基于机器视觉的霜层厚度识别系统或基于红外热成像的蒸发器热流分布检测装置，可实现结霜程度的量化评估。操作人员应密切关注设备运行参数的变化趋势，如压缩机吸气压力持续下降、风机电流异常升高或除霜周期显著缩短，均预示结霜异常加剧。
若遇停电、停水等不可抗力导致的意外中断，应立即关闭箱门以维持内部环境稳定，记录中断时间点与箱温回升曲线。待恢复供电后，应全面检查制冷剂压力、电气绝缘及控制系统状态，确认无异常后方可重启。对于除霜不净或排水堵塞问题，需停机后人工清理蒸发器表面及排水管路，并使用高压氮气吹扫，严禁使用金属锐器刮削以免损伤亲水铝箔表层。
冷热冲击试验箱的结霜问题根植于极端温度交变工况下的物理必然性，其有效管理需构建"预防为主、自动除霜、监测诊断"三位一体的技术体系。操作人员应深入理解结霜机理，严格执行标准化作业流程，善用设备自带的智能化功能，并建立与制造商的技术协同机制。唯有如此，方能确保试验环境的精确可控，保障可靠性数据的真实性与重现性，最终为产品质量的持续提升奠定坚实的环境试验基础。
