高低溫交變濕熱試驗箱做熱循環(huán)試驗如何解決凝露現(xiàn)象？
來源：劍喬儀器
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發(fā)布日期：2021-04-28
常規(guī)熱循環(huán)試驗在升溫過程中必然會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。對于航天組件級單機(jī)產(chǎn)品由于產(chǎn)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(chǎn)品升溫過程的含濕量，通過驗證幾種方法同時進(jìn)行，航天單機(jī)類產(chǎn)品未出現(xiàn)產(chǎn)品凝露現(xiàn)象。
在航天工程（包括載人與衛(wèi)星）中整機(jī)包含大量的驅(qū)動器，配電器，控制器，分流調(diào)節(jié)器等中樞產(chǎn)品，統(tǒng)稱為航天器單機(jī)產(chǎn)品。航天器單機(jī)產(chǎn)品是飛行器的控制中樞，在先期的環(huán)境試驗過程中，如試驗問題帶來了產(chǎn)品損傷而隱患未被發(fā)現(xiàn)并及時處理的情況下進(jìn)入航天軌道，隨著隱性損傷在發(fā)射過程中通過振動、氣壓、溫度、濕度、輻射等綜合應(yīng)力下出現(xiàn)故障，則航天器將無法完成預(yù)定功能而出現(xiàn)任務(wù)失敗，損失巨大。熱循環(huán)試驗是航天組件級單機(jī)產(chǎn)品可靠性驗證的一種手段，在試驗過程中如何保證產(chǎn)品不經(jīng)受凝露帶來的損傷是本文研究點。
熱循環(huán)試驗
通過正交試驗設(shè)計以及對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析得出以下結(jié)論及建議：為了對基站天線電磁輻射的影響進(jìn)行充分的了解，國內(nèi)外有關(guān)這方面的研究和監(jiān)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(jìn)行綜合優(yōu)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(jìn)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(shè)方案，為今后通信基站的建設(shè)提供最優(yōu)的建設(shè)依據(jù)。
熱循環(huán)試驗是一種利用高低溫交變濕熱試驗箱對試驗產(chǎn)品進(jìn)行的預(yù)設(shè)高低溫交替的應(yīng)力考核，用以驗證材料和產(chǎn)品是否達(dá)到在研發(fā)、設(shè)計、制造中預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)的一類可靠性試驗。通過大溫變速率可暴露產(chǎn)品潛在的材料與性能缺陷，經(jīng)過不斷地質(zhì)量改進(jìn)，達(dá)到可靠性提升的目的。航天單機(jī)類產(chǎn)品一次熱循環(huán)示意圖見下圖1所示。
圖1 航天組件級單機(jī)產(chǎn)品一次熱循環(huán)示意圖
產(chǎn)品凝露帶來的危害
1）表面覆蓋層（表面處理防腐）的化學(xué)或電化學(xué)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(chǎn)品表面凝露原理
環(huán)境試驗設(shè)備在開展熱循環(huán)試驗時，一般的氣體介質(zhì)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(zhì)量，kg；
mg—濕空氣中干蒸汽的質(zhì)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(dāng)pq與pq,b相等時，相對濕度變?yōu)?00%，此時所對應(yīng)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(xù)降低時，Pq,b持續(xù)降低，此時空氣中水蒸汽無法維持氣體狀態(tài)，開始出現(xiàn)凝結(jié)水滴現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為凝露。
04.試驗過程凝露機(jī)理
產(chǎn)品在熱循環(huán)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(jīng)氣流風(fēng)道吹出經(jīng)過產(chǎn)品表面，經(jīng)過對流換熱產(chǎn)品表面開始降溫。此時對于腔體式產(chǎn)品，產(chǎn)品表面降溫速率大于產(chǎn)品內(nèi)部，在產(chǎn)品內(nèi)部濕空氣溫度在產(chǎn)品內(nèi)壁降低至露點溫度以下，于產(chǎn)品內(nèi)部形成凝露現(xiàn)象。
保溫過程：此過程為產(chǎn)品溫度穩(wěn)定過程，不會在此過程形成新的凝露現(xiàn)象。
升溫過程：熱循環(huán)試驗的升溫過程是產(chǎn)品凝露的關(guān)鍵過程。降溫過程中，濕空氣在經(jīng)過蒸發(fā)器時，水蒸汽凝結(jié)在蒸發(fā)器表面，低溫保溫過程中，由于箱內(nèi)形成負(fù)壓，外界環(huán)境中濕空氣不斷進(jìn)入試驗設(shè)備中，凝結(jié)在蒸發(fā)器上，低溫保溫時間越久，則蒸發(fā)器凝結(jié)霜層越厚。在低溫轉(zhuǎn)高溫過程中，熱空氣經(jīng)過蒸發(fā)器表面，將蒸發(fā)器表面霜層融化形成大量水蒸汽隨氣流進(jìn)入試驗箱內(nèi)部，而由于試驗產(chǎn)品熱容比空氣大，產(chǎn)品表面熱滯后于空氣溫度，濕空氣在產(chǎn)品表面溫度降至露點溫度以下，在產(chǎn)品表面析出水分，凝結(jié)在產(chǎn)品表面，可能造成內(nèi)部空腔吸入水分的問題。產(chǎn)品在考核高溫過程中，增加了濕熱試驗的綜合應(yīng)力影響，可能會對產(chǎn)品造成未知傷害。
防凝露試驗技術(shù)
產(chǎn)品出現(xiàn)凝露存在一個根本問題為產(chǎn)品表面流經(jīng)的濕空氣在產(chǎn)品表面降至露點溫度以下，導(dǎo)致產(chǎn)品表面析出水分。而露點溫度tl與d和db有關(guān)，因此，只要控制d與db的關(guān)系，就可控制產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)品表面的溫度與設(shè)備風(fēng)口溫度越接近越好。然而產(chǎn)品實時溫度與產(chǎn)品形狀、產(chǎn)品比熱容、產(chǎn)品重量與溫度變化速率有關(guān)，為產(chǎn)品與試驗參數(shù)固有條件決定，無法通過試驗技術(shù)對委托試驗方進(jìn)行約束修改。因此本文防凝露試驗技術(shù)通過研究降低含濕量d來達(dá)到航天器單機(jī)產(chǎn)品的試驗保障。
設(shè)備內(nèi)部空氣中水蒸汽主要來源于蒸發(fā)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(fā)器表面低溫凝霜；
2）如何控制蒸發(fā)器升溫化霜；
3）如何降低設(shè)備內(nèi)部含濕量。
01控制蒸發(fā)器表面低溫凝霜
蒸發(fā)器表面低溫凝霜為蒸發(fā)器在低溫過程中設(shè)備內(nèi)部及外界環(huán)境水蒸汽不斷在蒸發(fā)器表面凝霜的現(xiàn)象。因此在低溫過程中需要保持設(shè)備的密封與箱內(nèi)的正壓。
1）設(shè)備如果不密封（如測試孔堵塞不嚴(yán)密，見示意圖2，大門密封不嚴(yán)密），則會形成濕氣進(jìn)入試驗設(shè)備的通路。
因此測試電纜口處不可使用硬質(zhì)堵頭，建議使用棉花，軟布類，見圖3，內(nèi)外封堵壓緊。
圖2(左)測試電纜密封不嚴(yán)示意圖；圖3(右) 軟體堵頭示意
2）對于設(shè)備內(nèi)部正壓則是為了防止低溫過程中，設(shè)備內(nèi)部形成負(fù)壓造成濕空氣從密封不嚴(yán)的縫隙，螺紋孔，測試孔等處進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，形成蒸發(fā)器積霜。可在設(shè)備內(nèi)部風(fēng)道持續(xù)充注0.1Mpa壓力氮氣，使設(shè)備內(nèi)部持續(xù)正壓。（由于整個過程氮氣消耗量大，如能保證設(shè)備單向密封，可對此過程進(jìn)行相應(yīng)裁剪）。
02如何控制蒸發(fā)器升溫化霜
蒸發(fā)器升溫化霜是整個環(huán)境試驗中升溫過程最大的隱患，蒸發(fā)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(fā)器升溫化霜是升溫控濕技術(shù)的關(guān)鍵所在。一般升溫過程中，蒸發(fā)器關(guān)閉或調(diào)節(jié)制冷劑流量來節(jié)約能源維持升溫速率。對于控濕考慮，可在升溫過程中持續(xù)大流量制冷劑輸出，保持蒸發(fā)器開啟，調(diào)節(jié)加熱絲功率來維持升溫速率。此時霜層由于蒸發(fā)器的冷量維持而不出現(xiàn)化霜現(xiàn)象，僅有表面熱氣通過時攜帶水蒸汽通過氣流進(jìn)入試驗設(shè)備中，試驗設(shè)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(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。而蒸發(fā)器的化霜階段可選擇在產(chǎn)品溫度到達(dá)試驗設(shè)備溫度后（可選擇30min后），關(guān)閉蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進(jìn)行化霜，化霜的水經(jīng)過底部排水孔排出，而進(jìn)入設(shè)備中的水蒸汽由于產(chǎn)品表面與設(shè)備內(nèi)部空氣溫度一致，不會在產(chǎn)品表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。
03如何降低設(shè)備內(nèi)部含濕量
降低設(shè)備內(nèi)部含濕量是考慮已經(jīng)存在于設(shè)備內(nèi)部環(huán)境空氣中的水蒸汽如何排除。常規(guī)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(jī)熱循環(huán)試驗應(yīng)采用電容式濕度傳感器試驗設(shè)備，可實時監(jiān)控試驗設(shè)備內(nèi)部環(huán)境濕度。常規(guī)單機(jī)溫度循環(huán)試驗速率為3℃/min～5℃/min，根據(jù)經(jīng)驗得知一般常規(guī)航天組件級單機(jī)熱滯后設(shè)備溫度20℃左右，根據(jù)濕空氣焓濕圖可以得知，只要設(shè)備升溫過程相對濕度小于25%可避免產(chǎn)品表面空氣降至露點溫度以下出現(xiàn)凝露現(xiàn)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(jù)空氣相對濕度進(jìn)行低露點氣體充注。一般經(jīng)驗表明低露點氣體閥后壓力在0.5MPa以上可避免產(chǎn)品表面凝露。對于其他類結(jié)構(gòu)復(fù)雜單機(jī)，可在產(chǎn)品代表位置黏貼多個產(chǎn)品溫度傳感器，通過最低溫度點與設(shè)備溫度差值，再結(jié)合試驗環(huán)境濕度進(jìn)行焓濕圖查詢，調(diào)節(jié)低露點氣體充注量避免產(chǎn)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(chǎn)品。在風(fēng)道處安裝一個吸附式過濾器，設(shè)備空氣經(jīng)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(fù)下一次吸附過程。試驗中常用干燥劑為硅膠，藍(lán)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(huán)過程中持續(xù)有效吸濕。因此一般作為熱循環(huán)過程中輔助除濕手段，不單獨采取此一種手段。
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