溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱轉(zhuǎn)溫控濕的方法探討

陸 晨，劉 鈺，程 建，蔡 平，徐 豪（上海航天設(shè)備制造總廠環(huán)境試驗(yàn)室，上海 200245）

溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱轉(zhuǎn)溫控濕的方法探討

陸 晨，劉 鈺，程 建，蔡 平，徐 豪
（上海航天設(shè)備制造總廠環(huán)境試驗(yàn)室，上海 200245）

針對目前軍工電子產(chǎn)品在常壓溫度循環(huán)試驗(yàn)時由于結(jié)露結(jié)霜發(fā)生損壞的現(xiàn)象，結(jié)合空氣調(diào)節(jié)原理對溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱低溫轉(zhuǎn)高溫階段出現(xiàn)的結(jié)露現(xiàn)象進(jìn)行了分析，從結(jié)露的本質(zhì)因素著手總結(jié)了已有試驗(yàn)方法，并提出了設(shè)備改造方案，為避免結(jié)露對產(chǎn)品造成損壞提供了參考意見。

結(jié)露；濕度環(huán)境；試驗(yàn)

引言

環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)是一項(xiàng)實(shí)用基礎(chǔ)技術(shù)，是穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)措施之一。其主要任務(wù)是研究環(huán)境應(yīng)力對產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響，解決產(chǎn)品在貯存、運(yùn)輸或使用中的可靠性問題。其中熱循環(huán)試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)中氣候類試驗(yàn)的常見試驗(yàn)類型，試驗(yàn)時由于試驗(yàn)箱內(nèi)溫度、濕度環(huán)境的改變可能引發(fā)結(jié)露現(xiàn)象，這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在溫度、濕度變化劇烈的低溫轉(zhuǎn)高溫工況階段，許多電子類產(chǎn)品因受結(jié)露水滴影響而導(dǎo)致熱控涂層表面金屬氧化或電化學(xué)腐蝕的加速化學(xué)反應(yīng)，電氣絕緣性能降低、甚至短路等功能性破壞[1]。針對結(jié)露給產(chǎn)品帶來的損壞問題，有前人從改變試驗(yàn)剖面的方面入手做了防凝露的嘗試[2]，但由于試驗(yàn)剖面一般是項(xiàng)目總體單位才有權(quán)限變更，且變更會直接影響到產(chǎn)品性能考核結(jié)果，因此其可行性大大降低。因此，本文從探尋結(jié)露成因和條件出發(fā)，探討了降低試驗(yàn)箱內(nèi)相對濕度可行手段。

1 試驗(yàn)箱結(jié)露現(xiàn)象及其成因分析

在描述結(jié)露現(xiàn)象前先引入幾個空氣調(diào)節(jié)的基本概念。我們知道空氣中或多或少含有水蒸汽，把空氣分為含水部分和不含水部分。從分壓角度說，濕空氣總壓力P由水蒸汽分壓力Pq和干空氣分壓力Pa組成，根據(jù)道爾頓分壓定律有：P=Pa+Pq。Pq是溫度t的函數(shù)，隨t的上升而下降；某溫度下濕空氣飽和此時的水蒸汽分壓力為Pq,b，Pq,b亦是溫度t的函數(shù)，隨t的上升而上升；相對濕度j是水蒸汽分壓力與該溫度下飽和水蒸汽分壓力之比，即：j=Pq/Pq,b，其為衡量濕空氣吸濕的能力的參量，溫濕度試驗(yàn)箱中的濕度即是指相對濕度，相對濕度j→0 至j→1空氣的吸濕能力由強(qiáng)變?nèi)踔敝溜柡蜔o吸濕能力，溫度t越高j越小，越不容易結(jié)露。從質(zhì)量角度說，用以衡量濕空氣中與單位質(zhì)量干空氣并存的水蒸汽質(zhì)量的物理量即為：含濕量d，d與Pq成正比，Pq越大d越大；從相對濕度計算式以及各參量定義可知：同樣的含濕量，溫度t越高Pq越小Pq,b越大，其j值越低，吸濕能力越強(qiáng)；溫度t越低Pq越大Pq,b越小，其j值越高，吸濕能力越差；當(dāng)溫度低至一定的水蒸汽分壓Pq對應(yīng)的露點(diǎn)溫度tl時，j=1空氣中的水開始析出，即為：結(jié)露[3]。

圖1為溫濕度試驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中4、5用以實(shí)時監(jiān)測箱內(nèi)循環(huán)空氣的溫度和濕度，3、6、7用以調(diào)節(jié)循環(huán)空氣溫濕度狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)處理后的空氣由風(fēng)扇2從箱頂送入箱內(nèi)。

低溫工況指箱內(nèi)溫度低于當(dāng)時試驗(yàn)室大氣條件下的冰點(diǎn)溫度時，此時試驗(yàn)箱內(nèi)濕空氣中絕大部分水份以霜的形式附著在箱內(nèi)最低溫度部位——蒸發(fā)器表面，試驗(yàn)箱在低溫工況長時間運(yùn)行時蒸發(fā)器表面存在大量霜，待溫度上升蒸發(fā)器表面霜層吸收空氣中熱量逐漸經(jīng)歷液化再氣化的過程，水份又重新以水蒸汽形式進(jìn)入箱內(nèi)循環(huán)空氣中，使箱內(nèi)含濕量增加，與此同時，受循環(huán)空氣加熱的箱體壁面也開始升溫，箱體壁面熱容遠(yuǎn)大于氣體熱容，致使箱體壁面升溫速度遠(yuǎn)滯后于空氣升溫速度。造成沿垂直于箱體壁面的溫度梯度，升溫速度越快，溫度梯度越大。溫度梯度使近箱壁的空氣水蒸汽分壓力大于箱內(nèi)循環(huán)空氣的水蒸汽分壓力，也即是近壁面空氣露點(diǎn)溫度更高，即越容易結(jié)露。箱體內(nèi)循環(huán)濕空氣相對濕度即使沒達(dá)到100 %，近壁面空氣已經(jīng)達(dá)到100 %，造成結(jié)露現(xiàn)象。

2 解決方案

由上述分析可知，溫濕度試驗(yàn)箱低溫轉(zhuǎn)高溫結(jié)露的兩個方面成因是：含濕量增加和露點(diǎn)溫度升高。為防止結(jié)露對試品造成損壞應(yīng)從這兩個方面開展工作：

1）降低試驗(yàn)箱內(nèi)的含濕量。

2）控制箱頂溫度始終保持在露點(diǎn)溫度以上。

2.1 降低箱內(nèi)含濕量方案

降低箱內(nèi)含濕量方案包括：低露點(diǎn)氣體置換法、雙蒸發(fā)器系統(tǒng)兩種。其中：低露點(diǎn)氣體置換法為目前常用試驗(yàn)方案，而雙蒸發(fā)器系統(tǒng)為筆者針對溫濕度試驗(yàn)特點(diǎn)提出的新型設(shè)備改造方案。

圖1 溫濕度試驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

2.1.1 低露點(diǎn)氣體置換法

在低溫轉(zhuǎn)高溫時，向試驗(yàn)箱內(nèi)通入低露點(diǎn)氣體置換箱內(nèi)含濕量不斷增加的空氣，通入的氣體可以降低濕空氣中水蒸汽分壓，從而降低循環(huán)空氣的露點(diǎn)溫度。分兩種方法：

1）用高純氮?dú)馄肯蛟囼?yàn)箱內(nèi)通入一定量的高純氮?dú)狻８呒兊獨(dú)馄湎鄬穸纫话? 2 %[4]，這種方法簡單易行，設(shè)備無需進(jìn)行改造，節(jié)省經(jīng)費(fèi)，也是目前進(jìn)行常壓熱循環(huán)試驗(yàn)防止結(jié)露的通用手段。

2）吸附除濕。吸附除濕就是選擇具有強(qiáng)親水性的物質(zhì)如：氯化鋰、硅膠、分子篩、活性炭等，利用其表面毛細(xì)管內(nèi)水汽形成的凹形彎月面上產(chǎn)生的低壓水蒸汽分壓力來吸附濕空氣中的水分進(jìn)行除濕。吸附除濕法在常壓熱循環(huán)試驗(yàn)產(chǎn)生初期就應(yīng)用于試驗(yàn)過程除濕。具體做法是在試驗(yàn)箱內(nèi)放干燥劑。試驗(yàn)中常用的干燥劑為硅膠，它是一種無毒、無臭、無腐蝕，表面布滿毛細(xì)孔且不溶于水的晶體，在空氣溫度為5～30 ℃下可吸濕，解吸溫度一般為：150～180 ℃。通過其處理的空氣可達(dá)相對濕度2 %～5 %，露點(diǎn)溫度在-60～ -40 ℃，因此可用于常壓熱循環(huán)試驗(yàn)。

2.1.2 低露點(diǎn)環(huán)境試驗(yàn)箱系統(tǒng)

由于試驗(yàn)箱內(nèi)溫度由低溫向高溫轉(zhuǎn)變會引起蒸發(fā)器霜層氣化，增加箱內(nèi)含濕量。因此，要徹底降低箱內(nèi)含濕量需設(shè)法將蒸發(fā)器表面的霜層去除，目前制冷行業(yè)除霜方法主要有：淋水除霜、電熱除霜和熱氣除霜等[2]。淋水除霜是通過向蒸發(fā)器表面噴灑液態(tài)水，使其與固態(tài)冰之間進(jìn)行潛熱交換達(dá)到融化霜層的目的，這種方式只適用于停機(jī)狀態(tài)下除霜，試驗(yàn)進(jìn)行時由于淋水與循環(huán)著的空氣直接接觸會吹入箱內(nèi)，增加循環(huán)空氣含濕量，含濕量增加后的濕空氣在低溫下迅速凝結(jié)成霜花附著在箱內(nèi)試品表面造成試品損壞，因此，不適用于熱循環(huán)試驗(yàn)。電熱除霜方法是指在蒸發(fā)器周圍布置電熱絲加熱霜層，使霜層由外向內(nèi)融化。這種方式在霜層表面進(jìn)行換熱，氣化的水分直接進(jìn)入循環(huán)空氣增加其含濕量，同時電加熱絲與循環(huán)空氣直接接觸又會帶入大量熱量，使低溫穩(wěn)定度不易控制，因此，亦不適用于熱循環(huán)試驗(yàn)。熱氣除霜是指在除霜階段將向蒸發(fā)器內(nèi)低通入較高溫度的制冷劑，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于霜層的融化由內(nèi)向外，在融霜初期，蒸發(fā)器管內(nèi)熱氣與管外霜層進(jìn)行潛熱交換，熱量用于使管壁霜層融化，此時與蒸發(fā)器緊貼的霜層融化后在外層霜層與蒸發(fā)器之間形成包含氣液混合物的夾層，此時由于有外層霜包覆，水蒸汽大多被封存在夾層中，霜層由內(nèi)向外逐漸融化直至完全融化脫落后經(jīng)集水器排除箱外。整個過程不僅使從蒸發(fā)器上氣化的水蒸汽量減少，試驗(yàn)箱內(nèi)的含濕量可以控制在較低水平，而且融霜脫落后蒸發(fā)器上的熱量才會向外輻射，這有利于控制除霜階段試驗(yàn)箱內(nèi)循環(huán)空氣溫度的穩(wěn)定度，顯然在熱循環(huán)試驗(yàn)中采用熱氣除霜方法較理想。

傳統(tǒng)的熱氣除霜系統(tǒng)有兩種方式：四通換向法、壓縮機(jī)熱氣旁通法。四通換向法是通過在制冷系統(tǒng)上布置的四通換向閥，需要除霜時通過閥門切換制冷劑流道方向，使制冷劑反流，此時吸熱端蒸發(fā)器和放熱端冷凝器功能對換，高溫制冷劑流入低溫蒸發(fā)器融化霜層，這種除霜方式會導(dǎo)致制冷間斷，無法保證試驗(yàn)箱內(nèi)低溫工況溫度的穩(wěn)定性，同時融化水汽重新進(jìn)入箱內(nèi)，導(dǎo)致箱內(nèi)含濕量增加，加劇結(jié)露。壓縮機(jī)熱氣旁通法是利用壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑一部分通入低溫蒸發(fā)器供融霜使用，一部分節(jié)流后用于制冷，這種方式同樣會引起箱內(nèi)含濕量增加，加劇結(jié)露。

為了滿足溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱溫度穩(wěn)定度以及控制箱內(nèi)含濕量維持在較低水平，筆者考慮在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上增加一個蒸發(fā)器、若干電磁閥，并設(shè)置兩個獨(dú)立風(fēng)道，構(gòu)成低露點(diǎn)環(huán)境試驗(yàn)箱系統(tǒng)，其制冷系統(tǒng)組成如圖2。

如圖2所示，系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的單蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，采用一個系統(tǒng)兩個蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，一個蒸發(fā)器運(yùn)行制冷時另一個蒸發(fā)器除霜，兩個蒸發(fā)器分別設(shè)置獨(dú)立的風(fēng)道，風(fēng)道1、2開啟和關(guān)閉時段相反，時刻保證制冷蒸發(fā)器與箱內(nèi)循環(huán)氣流連通，而除霜蒸發(fā)器與箱內(nèi)氣流隔絕，此系統(tǒng)既可不間斷維持低溫工況穩(wěn)定的制冷工作，又可不間斷排除箱內(nèi)濕空氣含濕量。該系統(tǒng)核心原理是低溫工況運(yùn)行時，用于制取冷量的蒸發(fā)器其表面結(jié)霜厚度達(dá)某一極限時，電磁閥切換，使需融霜的蒸發(fā)器開始熱氣融霜而另一蒸發(fā)器開始制冷，通過電磁閥切換達(dá)到兩個蒸發(fā)器融霜和制冷交替運(yùn)行的狀態(tài)。具體過程是：風(fēng)道1開啟，風(fēng)道2關(guān)閉，當(dāng)蒸發(fā)器A作制冷，蒸發(fā)器B待融霜時，從壓縮機(jī)排出的高溫高壓的制冷劑在冷凝器中冷凝后，經(jīng)過儲液器、干燥器、電磁閥1、蒸發(fā)器B，再由電磁閥2進(jìn)入熱力膨脹閥降壓節(jié)流后，在蒸發(fā)器A中蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)降溫除濕，然后通過電磁閥3回到壓縮機(jī)。當(dāng)蒸發(fā)器A結(jié)霜到一定程度以后，風(fēng)道1關(guān)閉，風(fēng)道2開啟，關(guān)閉電磁閥1、2、3，打開融霜電磁閥4、5、6。從儲液器排出的制冷劑經(jīng)電磁閥4進(jìn)入蒸發(fā)器A冷凝放熱，加熱其上的積霜，融解脫落的霜層和液態(tài)水落入試驗(yàn)箱底部的積水盤中，引流出箱外，完成除霜過程，而進(jìn)一步冷凝后的過冷制冷劑經(jīng)過電磁閥5進(jìn)入蒸發(fā)器B，蒸發(fā)后的制冷劑經(jīng)過電磁閥6回到壓縮機(jī)。如此在兩臺蒸發(fā)器之間進(jìn)行切換來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度控制。

圖2 低露點(diǎn)環(huán)境試驗(yàn)箱系統(tǒng)圖

2.2 控制箱頂溫度方案

試驗(yàn)箱內(nèi)空氣自下而上循環(huán)流動，在常壓熱循環(huán)低溫轉(zhuǎn)高溫階段箱頂首先接觸被加熱后的濕空氣，結(jié)露較為嚴(yán)重，且在箱頂部凝結(jié)露水受重力影響直接滴落，造成受試電氣產(chǎn)品損壞（見圖3）。因此，防止箱頂結(jié)露成為關(guān)鍵。在試驗(yàn)箱頂部加裝電加熱板，在低溫轉(zhuǎn)高溫階段根據(jù)頂板壁面溫度、箱內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)頂板加熱量，使頂板壁面溫度始終高于箱內(nèi)濕空氣的露點(diǎn)溫度，可避免濕空氣凝露。系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)如下：

圖3 某型號單機(jī)溫度循環(huán)過程中因箱頂結(jié)露滴落產(chǎn)品表面造成熱控涂層起殼脫落

圖4 加裝控溫頂板后試驗(yàn)箱系統(tǒng)圖

如圖4所示，通過安置在箱體頂板的干球溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測板溫，將溫度測量值送至PLC中，通過干、濕球溫度、相對濕度與露點(diǎn)溫度的對應(yīng)關(guān)系可以自動查算得到該狀態(tài)的露點(diǎn)溫度，再結(jié)合頂板溫度與露點(diǎn)溫度的差值，利用控制算法調(diào)節(jié)加熱頂板繼電器通斷脈寬，使頂板溫度始終大于露點(diǎn)溫度。由于循環(huán)空氣與頂板進(jìn)行對流換熱造成遠(yuǎn)離循環(huán)空氣出風(fēng)口處的頂板溫度最低，因此僅需在此處緊貼壁面位置安置溫度傳感器，即可以保證整個加熱板溫度高于循環(huán)濕空氣露點(diǎn)溫度。

3 結(jié)束語

針對目前軍工電子產(chǎn)品在常壓溫度循環(huán)試驗(yàn)時由于結(jié)露結(jié)霜發(fā)生損壞的現(xiàn)象，結(jié)合空氣調(diào)節(jié)原理對溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱低溫轉(zhuǎn)高溫階段出現(xiàn)的結(jié)露現(xiàn)象進(jìn)行了分析，從結(jié)露的本質(zhì)因素著手總結(jié)了已有試驗(yàn)方法，并提出了設(shè)備改造方案，為避免結(jié)露對產(chǎn)品造成損壞提供了參考意見。

[1] GJB 150A-2009,軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S]. 2009.

[2] 李穎,楊喜存,單軍勇. 低溫環(huán)境試驗(yàn)條件恢復(fù)的防凝露問題[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013,10:112-115.

[3]薛殿華. 空氣調(diào)節(jié)[M] . 北京:清華大學(xué)出版社, 1999, 10-18.

[4] 孫玉玉,王鳳車,邢征錦等. 溫、濕度試驗(yàn)中結(jié)露的產(chǎn)生與預(yù)防措施探討[J]. 環(huán)境適應(yīng)性與可靠性, 2008,6:11-14.

Research on Preventing Water Condensation During Changing Temperature Phase in Environmental Test Equipments

LU Chen, LIU Yu, CHENG Jian, CAI Ping, XU Hao
(Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Environmental Test Laboratory, Shanghai 200245)

In order to avoid the damage of the military electronic products due to the condensation during the change of temperature test. The condensation during low temperature phase transfer to high temperature phase in the test chamber is analyzed according to the principle of air-conditioning. Starting from the essential factors of condensation, existing test methods are summarized, and the equipment modification program is proposed.

condensation; humidity; environmental test

V416.4

A

1004-7204（2017）01-0051-04

陸晨（1989-），男，本科，試驗(yàn)工，從事于各類環(huán)境試驗(yàn)檢測。