高低溫交變濕熱試驗箱做熱循環試驗如何解決凝露現象？
來源：劍喬儀器
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發布日期：2021-04-28
常規熱循環試驗在升溫過程中必然會出現凝露現象。對于航天組件級單機產品由于產品自身性能問題對防凝露要求較高。在升溫速率一定的條件下，本文從三個方面論述了如何降低產品升溫過程的含濕量，通過驗證幾種方法同時進行，航天單機類產品未出現產品凝露現象。
在航天工程（包括載人與衛星）中整機包含大量的驅動器，配電器，控制器，分流調節器等中樞產品，統稱為航天器單機產品。航天器單機產品是飛行器的控制中樞，在先期的環境試驗過程中，如試驗問題帶來了產品損傷而隱患未被發現并及時處理的情況下進入航天軌道，隨著隱性損傷在發射過程中通過振動、氣壓、溫度、濕度、輻射等綜合應力下出現故障，則航天器將無法完成預定功能而出現任務失敗，損失巨大。熱循環試驗是航天組件級單機產品可靠性驗證的一種手段，在試驗過程中如何保證產品不經受凝露帶來的損傷是本文研究點。
熱循環試驗
通過正交試驗設計以及對試驗結果進行極差分析得出以下結論及建議：為了對基站天線電磁輻射的影響進行充分的了解，國內外有關這方面的研究和監測工作不斷增加 ，但對于移動通信基站電磁輻射影響因素進行綜合優化研究并不多見。因此，本文對移動基站電磁輻射影響因素進行研究，得到各個因素影響基站電磁輻射大小的主次順序以及各因素的最佳水平，最終確立電磁輻射值影響最小的布設方案，為今后通信基站的建設提供最優的建設依據。
熱循環試驗是一種利用高低溫交變濕熱試驗箱對試驗產品進行的預設高低溫交替的應力考核，用以驗證材料和產品是否達到在研發、設計、制造中預期的質量目標的一類可靠性試驗。通過大溫變速率可暴露產品潛在的材料與性能缺陷，經過不斷地質量改進，達到可靠性提升的目的。航天單機類產品一次熱循環示意圖見下圖1所示。
圖1 航天組件級單機產品一次熱循環示意圖
產品凝露帶來的危害
1）表面覆蓋層（表面處理防腐）的化學或電化學破壞。
2）基體材料腐蝕。
3）材料性能的損壞。
4）元器件電氣性能的損傷。
產品表面凝露原理
環境試驗設備在開展熱循環試驗時，一般的氣體介質為濕空氣，即為氮氣、氧氣、二氧化碳和惰性氣體等混合水蒸汽，也即干空氣與水蒸汽的混合。
01.含濕量
含濕量為在濕空氣中與1kg干空氣并存的水蒸汽量，即：
mq—濕空氣中水蒸汽的質量，kg；
mg—濕空氣中干蒸汽的質量，kg。
02.相隨濕度
相隨濕度就是空氣中水蒸汽分壓力和同溫度下飽和水蒸汽分壓力之比，用符號φ表示，即：
pq— 水蒸汽分壓力；
pq,b—同溫度下飽和水蒸汽分壓力；
db—同溫度下飽和含濕量。
03.露點溫度
在保持整個濕空氣含濕量不變的情況下，將濕空氣冷卻，此時相對濕度中pq,b為不斷降低，pq近似不變，當pq與pq,b相等時，相對濕度變為100%，此時所對應的溫度為該濕空氣的露點溫度，計為tl。空氣相對濕度最大為100%，溫度持續降低時，Pq,b持續降低，此時空氣中水蒸汽無法維持氣體狀態，開始出現凝結水滴現象，此現象稱為凝露。
04.試驗過程凝露機理
產品在熱循環過程中分為降溫過程，溫度保持過程，升溫過程和溫度保持過程四個階段。在降溫過程中，低溫的空氣經氣流風道吹出經過產品表面，經過對流換熱產品表面開始降溫。此時對于腔體式產品，產品表面降溫速率大于產品內部，在產品內部濕空氣溫度在產品內壁降低至露點溫度以下，于產品內部形成凝露現象。
保溫過程：此過程為產品溫度穩定過程，不會在此過程形成新的凝露現象。
升溫過程：熱循環試驗的升溫過程是產品凝露的關鍵過程。降溫過程中，濕空氣在經過蒸發器時，水蒸汽凝結在蒸發器表面，低溫保溫過程中，由于箱內形成負壓，外界環境中濕空氣不斷進入試驗設備中，凝結在蒸發器上，低溫保溫時間越久，則蒸發器凝結霜層越厚。在低溫轉高溫過程中，熱空氣經過蒸發器表面，將蒸發器表面霜層融化形成大量水蒸汽隨氣流進入試驗箱內部，而由于試驗產品熱容比空氣大，產品表面熱滯后于空氣溫度，濕空氣在產品表面溫度降至露點溫度以下，在產品表面析出水分，凝結在產品表面，可能造成內部空腔吸入水分的問題。產品在考核高溫過程中，增加了濕熱試驗的綜合應力影響，可能會對產品造成未知傷害。
防凝露試驗技術
產品出現凝露存在一個根本問題為產品表面流經的濕空氣在產品表面降至露點溫度以下，導致產品表面析出水分。而露點溫度tl與d和db有關，因此，只要控制d與db的關系，就可控制產品凝露問題。
含濕量d，為相對濕度中分子量，為尋求空氣相對濕度越低，則研究中需控制含濕量越低。含濕量為空氣中存在的水蒸汽的質量，即為考慮如何將空氣中存在的水蒸汽控制到最低限度。
同溫度下飽和含濕量db為分母量，為尋求空氣相對濕度越低，則研究db需要越高越好，db隨著溫度的升高而升高，因此要求產品表面的溫度與設備風口溫度越接近越好。然而產品實時溫度與產品形狀、產品比熱容、產品重量與溫度變化速率有關，為產品與試驗參數固有條件決定，無法通過試驗技術對委托試驗方進行約束修改。因此本文防凝露試驗技術通過研究降低含濕量d來達到航天器單機產品的試驗保障。
設備內部空氣中水蒸汽主要來源于蒸發器的化霜，如何含濕量則需考慮如下三個問題：
1）如何控制蒸發器表面低溫凝霜；
2）如何控制蒸發器升溫化霜；
3）如何降低設備內部含濕量。
01控制蒸發器表面低溫凝霜
蒸發器表面低溫凝霜為蒸發器在低溫過程中設備內部及外界環境水蒸汽不斷在蒸發器表面凝霜的現象。因此在低溫過程中需要保持設備的密封與箱內的正壓。
1）設備如果不密封（如測試孔堵塞不嚴密，見示意圖2，大門密封不嚴密），則會形成濕氣進入試驗設備的通路。
因此測試電纜口處不可使用硬質堵頭，建議使用棉花，軟布類，見圖3，內外封堵壓緊。
圖2(左)測試電纜密封不嚴示意圖；圖3(右) 軟體堵頭示意
2）對于設備內部正壓則是為了防止低溫過程中，設備內部形成負壓造成濕空氣從密封不嚴的縫隙，螺紋孔，測試孔等處進入設備內部，形成蒸發器積霜。可在設備內部風道持續充注0.1Mpa壓力氮氣，使設備內部持續正壓。（由于整個過程氮氣消耗量大，如能保證設備單向密封，可對此過程進行相應裁剪）。
02如何控制蒸發器升溫化霜
蒸發器升溫化霜是整個環境試驗中升溫過程最大的隱患，蒸發器霜層越厚，則升溫過程空氣中的含濕量越多。如何控制蒸發器升溫化霜是升溫控濕技術的關鍵所在。一般升溫過程中，蒸發器關閉或調節制冷劑流量來節約能源維持升溫速率。對于控濕考慮，可在升溫過程中持續大流量制冷劑輸出，保持蒸發器開啟，調節加熱絲功率來維持升溫速率。此時霜層由于蒸發器的冷量維持而不出現化霜現象，僅有表面熱氣通過時攜帶水蒸汽通過氣流進入試驗設備中，試驗設備中輔助充注氮氣或者露點溫度小于-50℃的干燥空氣，可在升溫階段大量減少含濕量進入設備內部。而蒸發器的化霜階段可選擇在產品溫度到達試驗設備溫度后（可選擇30min后），關閉蒸發器，蒸發器進行化霜，化霜的水經過底部排水孔排出，而進入設備中的水蒸汽由于產品表面與設備內部空氣溫度一致，不會在產品表面出現凝露現象。
03如何降低設備內部含濕量
降低設備內部含濕量是考慮已經存在于設備內部環境空氣中的水蒸汽如何排除。常規的做法為低露點氣體置換法和吸附式除濕法。
1）低露點干燥空氣除濕法
開展單機熱循環試驗應采用電容式濕度傳感器試驗設備，可實時監控試驗設備內部環境濕度。常規單機溫度循環試驗速率為3℃/min～5℃/min，根據經驗得知一般常規航天組件級單機熱滯后設備溫度20℃左右，根據濕空氣焓濕圖可以得知，只要設備升溫過程相對濕度小于25%可避免產品表面空氣降至露點溫度以下出現凝露現象。可在升溫過程中充注氮氣或者露點溫度小于-50℃干燥空氣，并根據空氣相對濕度進行低露點氣體充注。一般經驗表明低露點氣體閥后壓力在0.5MPa以上可避免產品表面凝露。對于其他類結構復雜單機，可在產品代表位置黏貼多個產品溫度傳感器，通過最低溫度點與設備溫度差值，再結合試驗環境濕度進行焓濕圖查詢，調節低露點氣體充注量避免產品表面凝露。
2）吸附式除濕法
吸附式除濕一般選擇親水類材料如硅膠、分子篩和活性碳等產品。在風道處安裝一個吸附式過濾器，設備空氣經過吸附式過濾器時，水蒸汽吸附在過濾器中，不斷除濕。過濾器可在高溫中再生重復下一次吸附過程。試驗中常用干燥劑為硅膠，藍色代表具有吸濕能力，紅色代表已吸濕飽和。吸附式干燥存在一定的弊端，如解吸溫度高，吸濕溫度低，無法在整個熱循環過程中持續有效吸濕。因此一般作為熱循環過程中輔助除濕手段，不單獨采取此一種手段。
