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恒温恒湿试验箱由制冷系统、加热系统、控制系统、湿度系统、送风循环系统和传感器系统等组成，上述系统分属电气和机械制冷两大方面。下面叙述几个主要系统的工作原理和工作过程。
制冷系统是恒温恒湿机的关键部分之一。一般来说，制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷，机械制冷采用蒸汽压缩式制冷，它们主要由压缩机，冷凝器，膨胀阀（或毛细管）和蒸发器组成。制冷方式有单级制冷，复叠式制冷之分。
下图是恒温恒湿试验箱原理图的制冷部分：
蒸发器中的液态制冷剂吸收空气的热量(空气被降温及除湿)并开始蒸发，Zui终制冷剂与空气之间形成一定的温度差，液态制冷剂亦完全蒸发变为气态，后被压缩机吸入并压缩(压力和温度增加),气态制冷剂通过冷凝器(风冷/水冷)吸收热量，凝结成液体。通过膨胀阀(或毛细管)节流后变成低温低压制冷剂进入蒸发器，完成制冷剂循环过程。
如果我们试验的温度低温要达到-55℃，单级制冷难以满足要求，需采用复叠式制冷。制冷系统由两部分组成，分别称为高温部分和低温部分，每一部分是一个相对独立的制冷系统。高温部分中制冷剂的蒸发吸收来自低温部分的制冷剂的热量而汽化；低温部分制冷剂的蒸发则从被冷却的对象(试验机内的空气)吸热以获取冷量。
高温部分和低温部分之间是用一个蒸发冷凝器(板式热交换器）联系起来，它既是高温部分的蒸发器，也是低温部分的冷凝器。
恒温恒湿试验箱除了制冷系统，还有加热系统、控制系统、湿度系统、传感器系统、送风循环系统。本文就不做详细介绍。