溫度循環(huán)試驗(yàn)中試件表面結(jié)霜/露現(xiàn)象及艙內(nèi)水分來(lái)源的實(shí)驗(yàn)研究

馬騰飛，李樹鵬，吳儒亮，宋 超

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器電子產(chǎn)品的溫度循環(huán)試驗(yàn)可以暴露其在設(shè)計(jì)、工藝及生產(chǎn)調(diào)試中的缺陷，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題[1-4]。溫度循環(huán)試驗(yàn)還可對(duì)生物材料進(jìn)行耐久性測(cè)試，并評(píng)價(jià)其老化的影響[5-6]。

溫度循環(huán)試驗(yàn)中溫度變動(dòng)幅度大，覆蓋范圍-70～130 ℃[7]，易發(fā)生試件表面結(jié)霜、結(jié)露，對(duì)試件造成損害[8]。試件一般無(wú)內(nèi)冷源，在進(jìn)行高、低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，除了升溫階段，試件表面溫度均不低于艙內(nèi)環(huán)境溫度，試件表面無(wú)結(jié)露可能。密閉試驗(yàn)艙內(nèi)空氣溫度下降時(shí)，由氣體狀態(tài)方程可知，氣體絕對(duì)壓力會(huì)相應(yīng)降低。艙內(nèi)負(fù)壓可能導(dǎo)致外界濕空氣侵入艙內(nèi)而使艙內(nèi)含水量增加。同時(shí)對(duì)于試驗(yàn)艙內(nèi)含水量一定的氣體，溫度越低，相對(duì)濕度越高。當(dāng)由低溫切換到高溫工況時(shí)，由于試件具有熱慣性，其表面溫度上升滯后于空氣溫度上升，低于艙內(nèi)空氣溫度，此時(shí)若空氣濕度較大，試件表面溫度低于空氣露點(diǎn)，將導(dǎo)致試件表面發(fā)生結(jié)露/霜。楊喜存等[9]指出實(shí)驗(yàn)前溫度循環(huán)艙內(nèi)相對(duì)濕度過(guò)高是造成結(jié)露的原因。通常采用通入氮?dú)獾姆绞絹?lái)維持艙內(nèi)正壓，同時(shí)起到置換艙內(nèi)濕空氣的作用。趙光平等[10]指出當(dāng)降溫階段降溫速率過(guò)快，而氮?dú)庋a(bǔ)充不足時(shí)，艙內(nèi)會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，從而造成外界濕空氣侵入艙內(nèi)。但已有文獻(xiàn)均未研究溫度循環(huán)艙內(nèi)壓力在空間和時(shí)間上的分布特征，以及試驗(yàn)前蒸發(fā)器表面霜層對(duì)升溫階段試件結(jié)露的影響。

本文對(duì)典型溫度循環(huán)試驗(yàn)中的結(jié)露現(xiàn)象和艙內(nèi)水分來(lái)源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了艙內(nèi)壓力在空間的分布特征，以及在整個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi)的波動(dòng)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析了初始除濕和氮?dú)饬髁繉?duì)艙內(nèi)結(jié)露的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 溫度循環(huán)箱設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置選取本試驗(yàn)室數(shù)量最多的0.25 m3溫度循環(huán)試驗(yàn)箱的溫度循環(huán)艙，其工作溫度的范圍為-70～150 ℃。溫度循環(huán)艙（如圖1 所示）分為環(huán)境控制區(qū)（A 區(qū)）以及空氣處理區(qū)（B 區(qū)），試件置于A 區(qū)的中部。A 區(qū)的氣流從上方經(jīng)風(fēng)機(jī)高速輸出，下方回流，通過(guò)大風(fēng)量循環(huán)提高傳熱效率和空氣溫度均勻性。B 區(qū)采用復(fù)疊式制冷機(jī)組和電加熱方式控制氣流溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器冷量和加熱絲電流控制A 區(qū)空氣溫度。試件測(cè)試需從A 區(qū)側(cè)壁線纜孔穿入電線、數(shù)據(jù)線等，線纜孔采用硅橡膠塞封閉，數(shù)據(jù)線間的縫隙成為連通艙內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境的通道。為防止試件結(jié)露，在B 區(qū)預(yù)置內(nèi)徑10 mm 氮?dú)夤苈废蚺搩?nèi)送入干燥氮?dú)庖灾脫Q艙內(nèi)空氣進(jìn)行除濕，同時(shí)維持艙內(nèi)的正壓，防止外界濕空氣通過(guò)縫隙進(jìn)入艙內(nèi)。艙體頂部有排氣閥，當(dāng)艙內(nèi)與外界相對(duì)壓力過(guò)高時(shí)，排氣閥打開，艙內(nèi)空氣通過(guò)排氣管道排出。

圖 1 溫度循環(huán)艙結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the thermal cycling facility

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

為考察極端情形下溫度循環(huán)艙內(nèi)的結(jié)露現(xiàn)象，試件選取熱慣性較大的304 不銹鋼圓盤。溫度循環(huán)艙及試件的尺寸見表1。

表 1 實(shí)驗(yàn)裝置尺寸Table 1 Dimensions of the test facility

在環(huán)境控制區(qū)域布置鉑電阻（Pt100）和相對(duì)濕度傳感器用以測(cè)量艙內(nèi)的溫濕度變化，在送風(fēng)口處布置熱線風(fēng)速儀，用以測(cè)量艙內(nèi)的循環(huán)風(fēng)量。試件表面和蒸發(fā)器入口管壁均貼附熱電偶用以測(cè)量表面溫度。圍繞環(huán)境控制區(qū)的中心，在空間上下前后左右位置布置了8 個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)以測(cè)量艙內(nèi)不同位置的壓力分布，如圖2 所示。在艙內(nèi)穿線孔處布置了壓力測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為9）考察此處和外界壓力差，分析是否存在壓力差導(dǎo)致從穿線孔處縫隙進(jìn)入外界水汽；并在空氣處理區(qū)風(fēng)機(jī)前布置了壓力測(cè)點(diǎn)以測(cè)試此處高速氣流導(dǎo)致的負(fù)壓程度。實(shí)驗(yàn)中，所測(cè)壓力均為表壓，下文所述壓力均為以艙外環(huán)境壓力為基準(zhǔn)值的相對(duì)壓力，即艙內(nèi)氣體絕對(duì)壓力與艙外空氣絕對(duì)壓力之差。傳感器的測(cè)量范圍和精度見表2。

圖 2 壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig. 2 Locations of the pressure measurement sensors

表 2 傳感器測(cè)量范圍和精度Table 2 Measurement range and precision of the sensors

2 艙內(nèi)壓力對(duì)水分進(jìn)入的影響

溫度循環(huán)艙內(nèi)的壓力分布決定了艙外濕空氣能否通過(guò)艙壁孔隙侵入艙內(nèi)。由于排氣閥為阻力部件，通入艙內(nèi)的氮?dú)饬髁吭酱螅搩?nèi)空氣壓力越高。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量氮?dú)夤苈烽y門開度分別為20%、40%，60%和80%時(shí)溫度循環(huán)艙環(huán)境控制區(qū)的壓力分布。如圖3(a)所示，不同的氮?dú)饬髁肯?，環(huán)境控制區(qū)內(nèi)的壓力從25 Pa 變化到200 Pa；在不同的氮?dú)忾y門開度下，環(huán)境控制區(qū)內(nèi)不同位置的壓力極差均在10 Pa 以內(nèi)，壓力分布均勻，從送風(fēng)口到回風(fēng)口的阻力損失較小。而且穿線孔處的壓力與環(huán)境控制區(qū)主體的壓力一致，當(dāng)環(huán)境控制區(qū)滿足正壓條件，外界濕空氣就不能通過(guò)穿線孔侵入艙內(nèi)。

圖 3 環(huán)境控制區(qū)的壓力分布與波動(dòng)Fig. 3 Distribution and fluctuation of air pressure in the environmental control area

運(yùn)行高、低溫循環(huán)工況時(shí)，艙內(nèi)溫度變化幅度大，艙內(nèi)空氣壓力存在波動(dòng)。如圖3(b)所示，氮?dú)饬髁块y開度為50%，艙內(nèi)空氣溫度為-30 ℃時(shí)艙內(nèi)壓力為40 Pa，而艙內(nèi)空氣溫度為50 ℃時(shí)，艙內(nèi)壓力為80 Pa。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，低溫下通入氮?dú)獾捏w積流量減小，從而溫度循環(huán)艙內(nèi)的正壓性減弱。

外界濕空氣不僅可在環(huán)境控制區(qū)侵入，也可在空氣處理區(qū)侵入溫度循環(huán)艙內(nèi)?？諝馓幚韰^(qū)內(nèi)的壓力最低點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處。為實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻一致，風(fēng)機(jī)采用大風(fēng)量運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備實(shí)測(cè)送風(fēng)風(fēng)速為12.2 m/s，循環(huán)風(fēng)量為1320 m3/h。高風(fēng)速導(dǎo)致空氣處理區(qū)內(nèi)的壓降增大，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口壓力降低。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同溫度下環(huán)境控制區(qū)和風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的壓差，如圖4 所示。空氣溫度為25 ℃的常溫環(huán)境下，風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)阻力為40 Pa。艙內(nèi)空氣溫度為-30 ℃時(shí)，風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)阻力為52 Pa。隨著艙內(nèi)空氣溫度的降低，空氣密度增大，風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)阻力增大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口壓力降低。在低溫維持階段，環(huán)境控制區(qū)的壓力處于最低值，循環(huán)阻力處于最高值。此時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的壓力最低。當(dāng)此處壓力小于外界空氣壓力時(shí)，孔隙中出現(xiàn)對(duì)流，艙外濕空氣即可通過(guò)附近孔隙侵入艙內(nèi)，形成濕源。而只要確保了低溫時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的正壓性，即可杜絕全過(guò)程中外界濕空氣侵入艙內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 4 風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)阻力Fig. 4 Resistance force of the air cycling system

3 濕度控制對(duì)結(jié)露現(xiàn)象的影響

3.1 初始除濕對(duì)試件結(jié)霜/露的影響

溫度循環(huán)試驗(yàn)前艙內(nèi)存有的水分過(guò)多，也是造成升溫階段試件表面結(jié)霜/露的重要原因。實(shí)驗(yàn)分析了艙內(nèi)水蒸氣含量過(guò)高對(duì)試件表面結(jié)霜的影響。實(shí)驗(yàn)前不開啟空氣處理設(shè)備，常溫下通氮?dú)獬跏汲凉竦脚搩?nèi)相對(duì)濕度為10%，并維持艙內(nèi)壓力在120 Pa，防止外界濕空氣侵入。隨后進(jìn)行低、高溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)，低溫為-30 ℃，高溫為50 ℃，均維持1 h。如圖5(a)所示，從常溫到低溫的降溫階段，由于制冷機(jī)組開啟，蒸發(fā)溫度為-45 ℃，艙內(nèi)水蒸氣在蒸發(fā)器表面快速凝結(jié)成霜（如圖5(b)所示），從而艙內(nèi)空氣露點(diǎn)持續(xù)降低，并在低溫維持階段達(dá)到平衡。在低溫升高溫的過(guò)程中，蒸發(fā)器停止運(yùn)行，蒸發(fā)器表面溫度迅速升高，接近空氣溫度，蒸發(fā)器上的霜層開始升華（如圖5(c)所示），造成艙內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度迅速升高，露點(diǎn)溫度的最高值達(dá)到-5 ℃。由于試件的熱慣性，試件表面升溫緩慢，當(dāng)艙內(nèi)空氣溫度升高到-10 ℃時(shí)，露點(diǎn)溫度高于試件表面溫度，實(shí)驗(yàn)中觀察到試件表面開始結(jié)霜（如圖5(d)所示），當(dāng)艙內(nèi)空氣溫度達(dá)到10 ℃時(shí)，試件表面溫度高于露點(diǎn)溫度，試件表面開始化霜（如圖5(e)所示），直至表面霜層全部升華到空氣中。

圖 5 艙內(nèi)初始除濕不足的影響Fig. 5 Effect of inadequate dehumidifying in the test chamber

實(shí)驗(yàn)前對(duì)艙體的初始除濕往往只針對(duì)循環(huán)艙內(nèi)空氣中的水蒸氣，通過(guò)氮?dú)庵脫Q來(lái)達(dá)到降低空氣含濕量的效果。而蒸發(fā)器表面殘留的霜層是艙內(nèi)水分的一個(gè)重要來(lái)源。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)分析了初始狀態(tài)下蒸發(fā)器表面殘留霜層對(duì)試件表面結(jié)霜的影響。如圖6(a)所示，實(shí)驗(yàn)前，艙內(nèi)維持20 ℃的常溫環(huán)境，通氮?dú)獬凉裰僚搩?nèi)相對(duì)濕度為0.5%，并維持艙內(nèi)壓力為100 Pa，而此時(shí)蒸發(fā)器表面仍含有霜層。隨后進(jìn)入空氣溫度為-30 ℃的低溫實(shí)驗(yàn)，保持40 min后升溫回到常溫。溫度循環(huán)艙以調(diào)節(jié)蒸發(fā)器冷量和加熱器熱量的方式控制艙內(nèi)的空氣溫度。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)常溫維持階段，制冷機(jī)組依然運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸發(fā)溫度為-45 ℃，通氮?dú)鉄o(wú)法排除蒸發(fā)器表面霜層。升溫階段，由于制冷機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器表面的霜層升華到空氣中，造成空氣露點(diǎn)迅速升高，露點(diǎn)溫度最高達(dá)-5 ℃，實(shí)驗(yàn)中觀察到水蒸氣在試件表面結(jié)霜。與之對(duì)比，如圖6(b)所示，實(shí)驗(yàn)前常溫下通氮?dú)獬凉裰僚搩?nèi)相對(duì)濕度為0.5%，此時(shí)蒸發(fā)器表面無(wú)霜層。同樣進(jìn)行低、高溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)，全過(guò)程艙內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度始終低于-30 ℃，杜絕了試件表面結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 6 初始狀態(tài)下蒸發(fā)器表面存霜的影響Fig. 6 Effect of frost on the evaporator at the beginning of the test

溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)前，艙內(nèi)水分以多種相態(tài)存在，包括艙內(nèi)空氣中的水蒸氣以及蒸發(fā)器表面的霜層。對(duì)艙內(nèi)的初始除濕，需要把各種相態(tài)的水分排除，才能杜絕升溫階段試件表面結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 氮?dú)饬髁繉?duì)試件結(jié)露的影響

溫度循環(huán)艙的濕度控制手段只有通氮?dú)?，一方面維持艙內(nèi)的正壓防止外界濕空氣侵入，另一方面通過(guò)置換空氣來(lái)降低艙內(nèi)空氣中水蒸氣含量。如圖7(a)所示，空氣溫度為-30 ℃的低溫維持階段，當(dāng)?shù)獨(dú)夤苈烽y門開度為40%時(shí)，艙內(nèi)壓力為40 Pa，艙內(nèi)相對(duì)濕度溫度穩(wěn)定在17%，當(dāng)調(diào)節(jié)氮?dú)夤苈烽y門開度80%時(shí)，艙內(nèi)壓力為180 Pa，艙內(nèi)的相對(duì)濕度迅速大幅降低。由圖3 可知，-30 ℃的低溫環(huán)境下，小氮?dú)饬髁肯?，即艙?nèi)壓力為40 Pa 時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處壓力為-10 Pa，造成外界濕空氣從空氣處理區(qū)的穿線孔侵入，形成濕源。大氮?dú)饬髁肯?，艙?nèi)壓力升高，阻止了艙外濕空氣的侵入。

蒸發(fā)器可通過(guò)冷凝作用降低溫度循環(huán)艙內(nèi)空氣中的水蒸氣含量，此時(shí)水分從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)水分的排除，升溫過(guò)程水分會(huì)再次返回到艙內(nèi)空氣中。升溫階段蒸發(fā)器表面霜層的升華是造成試件結(jié)霜的重要原因。升溫階段，蒸發(fā)器表面的霜層必須先升華到艙內(nèi)空氣中，才能轉(zhuǎn)移到試件上。因此可以通過(guò)增大氮?dú)饬髁康姆椒▉?lái)抑制升溫階段艙內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度的過(guò)快升高，從而規(guī)避試件表面結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)。如圖7(b)所示，實(shí)驗(yàn)中氮?dú)夤苈烽y門開度為80%，艙內(nèi)壓力為180 Pa，實(shí)驗(yàn)前對(duì)艙內(nèi)空氣初始除濕至相對(duì)濕度為0.1%，但蒸發(fā)器表面仍有霜層殘留。升溫過(guò)程中，氮?dú)庵脫Q空氣的速率快，艙內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度升高緩慢，露點(diǎn)溫度的最高值為-25 ℃，始終低于試件的表面溫度，實(shí)驗(yàn)中未觀察到試件表面結(jié)霜。

圖 7 氮?dú)饬髁繉?duì)濕度控制的影響Fig. 7 Effect of nitrogen flow rate on the humidity control

為檢驗(yàn)增大氮?dú)饬髁繉?duì)艙內(nèi)的濕度控制效果，對(duì)溫度循環(huán)艙進(jìn)行了18 h 的持續(xù)低溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前對(duì)艙內(nèi)空氣初始除濕至相對(duì)濕度為0.1%，但蒸發(fā)器表面仍有霜層殘留。實(shí)驗(yàn)中，氮?dú)夤苈烽y門開度為80%，低溫下艙內(nèi)壓力維持在180 Pa。如圖8(a)所示，18 h 的低溫維持階段艙內(nèi)的空氣露點(diǎn)溫度維持在(-45±5)℃的范圍內(nèi)。如圖8(b)所示，升溫階段的空氣露點(diǎn)緩慢升高，且始終低于試件表面溫度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未觀察到試件表面結(jié)霜。此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了大氮?dú)饬髁靠捎行Э刂婆搩?nèi)空氣濕度。

圖 8 溫度循環(huán)艙18 h 持續(xù)低溫實(shí)驗(yàn)溫度曲線Fig. 8 Temperature curve for the 18 h low-temperature test

4 結(jié)論

溫度循環(huán)試驗(yàn)是檢測(cè)產(chǎn)品可靠性的重要手段，在試驗(yàn)過(guò)程中試件表面發(fā)生結(jié)霜/露會(huì)對(duì)試件造成不可逆的損害。本文針對(duì)典型溫度循環(huán)試驗(yàn)中的結(jié)露現(xiàn)象和艙內(nèi)的水分來(lái)源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：

1）溫度循環(huán)艙在低溫到高溫的切換階段，蒸發(fā)器表面霜層升華使得艙內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度升高，而試件由于自身熱慣性升溫緩慢，試件表面溫度低于空氣露點(diǎn)，造成試件表面結(jié)露；當(dāng)初始除濕只到10%RH 時(shí)，對(duì)于-30 ℃低溫工況，升溫時(shí)試件表面出現(xiàn)結(jié)霜，利用氮?dú)廨o助除濕可將初始濕度降至0.5%RH，避免試件表面結(jié)霜；

2）溫度循環(huán)艙內(nèi)壓力隨著溫度的降低而降低，常溫25 ℃降至-30 ℃時(shí)，艙內(nèi)壓力降低達(dá)12 Pa，艙內(nèi)壓力的最低處位于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處。小氮?dú)饬髁繒r(shí)，-30 ℃的低溫環(huán)境下，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處壓力為-10 Pa，該負(fù)壓造成了外界濕空氣通過(guò)孔隙侵入艙內(nèi)，形成濕源；

3）溫度循環(huán)試驗(yàn)前，艙內(nèi)的水分包括艙內(nèi)空氣中的水蒸氣以及蒸發(fā)器表面存有的霜層，會(huì)造成升溫階段艙內(nèi)水蒸氣含量上升，誘發(fā)試件表面結(jié)露；試驗(yàn)前充分釋放蒸發(fā)器上水分和充分除濕能降低試件結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)；

4）對(duì)0.25 m3溫度控制區(qū)的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱，10 mm 內(nèi)徑的干燥氮?dú)夤苈窞?0%開度時(shí)，可有效抑制-45 ℃低溫工況保持18 h 后升溫階段艙內(nèi)空氣中水蒸氣含量上升，規(guī)避試件表面結(jié)霜/露風(fēng)險(xiǎn)。