高低溫交變濕熱試驗箱做熱循環(huán)試驗如何解決凝露現象？
來(lái)源：劍喬儀器
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發(fā)布日期：2021-04-28
常規熱循環(huán)試驗在升溫過(guò)程中必然會(huì )出現凝露現象。對于航天組件級單機產(chǎn)品由于產(chǎn)品自身性能問(wèn)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(gè)方面論述了如何降低產(chǎn)品升溫過(guò)程的含濕量，通過(guò)驗證幾種方法同時(shí)進(jìn)行，航天單機類(lèi)產(chǎn)品未出現產(chǎn)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(dòng)器，配電器，控制器，分流調節器等中樞產(chǎn)品，統稱(chēng)為航天器單機產(chǎn)品。航天器單機產(chǎn)品是飛行器的控制中樞，在先期的環(huán)境試驗過(guò)程中，如試驗問(wèn)題帶來(lái)了產(chǎn)品損傷而隱患未被發(fā)現并及時(shí)處理的情況下進(jìn)入航天軌道，隨著(zhù)隱性損傷在發(fā)射過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)、氣壓、溫度、濕度、輻射等綜合應力下出現故障，則航天器將無(wú)法完成預定功能而出現任務(wù)失敗，損失巨大。熱循環(huán)試驗是航天組件級單機產(chǎn)品可靠性驗證的一種手段，在試驗過(guò)程中如何保證產(chǎn)品不經(jīng)受凝露帶來(lái)的損傷是本文研究點(diǎn)。
熱循環(huán)試驗
通過(guò)正交試驗設計以及對試驗結果進(jìn)行極差分析得出以下結論及建議：為了對基站天線(xiàn)電磁輻射的影響進(jìn)行充分的了解，國內外有關(guān)這方面的研究和監測工作不斷增加 ，但對于移動(dòng)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(jiàn)。因此，本文對移動(dòng)基站電磁輻射影響因素進(jìn)行研究，得到各個(gè)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(yōu)的建設依據。
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)行的預設高低溫交替的應力考核，用以驗證材料和產(chǎn)品是否達到在研發(fā)、設計、制造中預期的質(zhì)量目標的一類(lèi)可靠性試驗。通過(guò)大溫變速率可暴露產(chǎn)品潛在的材料與性能缺陷，經(jīng)過(guò)不斷地質(zhì)量改進(jìn)，達到可靠性提升的目的。航天單機類(lèi)產(chǎn)品一次熱循環(huán)示意圖見(jiàn)下圖1所示。
圖1 航天組件級單機產(chǎn)品一次熱循環(huán)示意圖
產(chǎn)品凝露帶來(lái)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)境試驗設備在開(kāi)展熱循環(huán)試驗時(shí)，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(diǎn)溫度
在保持整個(gè)濕空氣含濕量不變的情況下，將濕空氣冷卻，此時(shí)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(shí)，相對濕度變?yōu)?00%，此時(shí)所對應的溫度為該濕空氣的露點(diǎn)溫度，計為tl?？諝庀鄬穸茸畲鬄?00%，溫度持續降低時(shí)，Pq,b持續降低，此時(shí)空氣中水蒸汽無(wú)法維持氣體狀態(tài)，開(kāi)始出現凝結水滴現象，此現象稱(chēng)為凝露。
04.試驗過(guò)程凝露機理
產(chǎn)品在熱循環(huán)過(guò)程中分為降溫過(guò)程，溫度保持過(guò)程，升溫過(guò)程和溫度保持過(guò)程四個(gè)階段。在降溫過(guò)程中，低溫的空氣經(jīng)氣流風(fēng)道吹出經(jīng)過(guò)產(chǎn)品表面，經(jīng)過(guò)對流換熱產(chǎn)品表面開(kāi)始降溫。此時(shí)對于腔體式產(chǎn)品，產(chǎn)品表面降溫速率大于產(chǎn)品內部，在產(chǎn)品內部濕空氣溫度在產(chǎn)品內壁降低至露點(diǎn)溫度以下，于產(chǎn)品內部形成凝露現象。
保溫過(guò)程：此過(guò)程為產(chǎn)品溫度穩定過(guò)程，不會(huì )在此過(guò)程形成新的凝露現象。
升溫過(guò)程：熱循環(huán)試驗的升溫過(guò)程是產(chǎn)品凝露的關(guān)鍵過(guò)程。降溫過(guò)程中，濕空氣在經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，水蒸汽凝結在蒸發(fā)器表面，低溫保溫過(guò)程中，由于箱內形成負壓，外界環(huán)境中濕空氣不斷進(jìn)入試驗設備中，凝結在蒸發(fā)器上，低溫保溫時(shí)間越久，則蒸發(fā)器凝結霜層越厚。在低溫轉高溫過(guò)程中，熱空氣經(jīng)過(guò)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(diǎn)溫度以下，在產(chǎn)品表面析出水分，凝結在產(chǎn)品表面，可能造成內部空腔吸入水分的問(wèn)題。產(chǎn)品在考核高溫過(guò)程中，增加了濕熱試驗的綜合應力影響，可能會(huì )對產(chǎn)品造成未知傷害。
防凝露試驗技術(shù)
產(chǎn)品出現凝露存在一個(gè)根本問(wèn)題為產(chǎn)品表面流經(jīng)的濕空氣在產(chǎn)品表面降至露點(diǎn)溫度以下，導致產(chǎn)品表面析出水分。而露點(diǎn)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(wèn)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(zhù)溫度的升高而升高，因此要求產(chǎn)品表面的溫度與設備風(fēng)口溫度越接近越好。然而產(chǎn)品實(shí)時(shí)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)品與試驗參數固有條件決定，無(wú)法通過(guò)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(guò)研究降低含濕量d來(lái)達到航天器單機產(chǎn)品的試驗保障。
設備內部空氣中水蒸汽主要來(lái)源于蒸發(fā)器的化霜，如何含濕量則需考慮如下三個(gè)問(wèn)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）如何降低設備內部含濕量。
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(guò)程中設備內部及外界環(huán)境水蒸汽不斷在蒸發(fā)器表面凝霜的現象。因此在低溫過(guò)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(jiàn)示意圖2，大門(mén)密封不嚴密），則會(huì )形成濕氣進(jìn)入試驗設備的通路。
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(lèi)，見(jiàn)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(guò)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(jìn)入設備內部，形成蒸發(fā)器積霜?？稍谠O備內部風(fēng)道持續充注0.1Mpa壓力氮氣，使設備內部持續正壓。（由于整個(gè)過(guò)程氮氣消耗量大，如能保證設備單向密封，可對此過(guò)程進(jìn)行相應裁剪）。
02如何控制蒸發(fā)器升溫化霜
蒸發(fā)器升溫化霜是整個(gè)環(huán)境試驗中升溫過(guò)程最大的隱患，蒸發(fā)器霜層越厚，則升溫過(guò)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(guò)程中，蒸發(fā)器關(guān)閉或調節制冷劑流量來(lái)節約能源維持升溫速率。對于控濕考慮，可在升溫過(guò)程中持續大流量制冷劑輸出，保持蒸發(fā)器開(kāi)啟，調節加熱絲功率來(lái)維持升溫速率。此時(shí)霜層由于蒸發(fā)器的冷量維持而不出現化霜現象，僅有表面熱氣通過(guò)時(shí)攜帶水蒸汽通過(guò)氣流進(jìn)入試驗設備中，試驗設備中輔助充注氮氣或者露點(diǎn)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)入設備內部。而蒸發(fā)器的化霜階段可選擇在產(chǎn)品溫度到達試驗設備溫度后（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(guò)底部排水孔排出，而進(jìn)入設備中的水蒸汽由于產(chǎn)品表面與設備內部空氣溫度一致，不會(huì )在產(chǎn)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(jīng)存在于設備內部環(huán)境空氣中的水蒸汽如何排除。常規的做法為低露點(diǎn)氣體置換法和吸附式除濕法。
1）低露點(diǎn)干燥空氣除濕法
開(kāi)展單機熱循環(huán)試驗應采用電容式濕度傳感器試驗設備，可實(shí)時(shí)監控試驗設備內部環(huán)境濕度。常規單機溫度循環(huán)試驗速率為3℃/min～5℃/min，根據經(jīng)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(guò)程相對濕度小于25%可避免產(chǎn)品表面空氣降至露點(diǎn)溫度以下出現凝露現象?？稍谏郎剡^(guò)程中充注氮氣或者露點(diǎn)溫度小于-50℃干燥空氣，并根據空氣相對濕度進(jìn)行低露點(diǎn)氣體充注。一般經(jīng)驗表明低露點(diǎn)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(lèi)結構復雜單機，可在產(chǎn)品代表位置黏貼多個(gè)產(chǎn)品溫度傳感器，通過(guò)最低溫度點(diǎn)與設備溫度差值，再結合試驗環(huán)境濕度進(jìn)行焓濕圖查詢(xún)，調節低露點(diǎn)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(lèi)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(gè)吸附式過(guò)濾器，設備空氣經(jīng)過(guò)吸附式過(guò)濾器時(shí)，水蒸汽吸附在過(guò)濾器中，不斷除濕。過(guò)濾器可在高溫中再生重復下一次吸附過(guò)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(wú)法在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中持續有效吸濕。因此一般作為熱循環(huán)過(guò)程中輔助除濕手段，不單獨采取此一種手段。
