預(yù)防熱循環(huán)試驗中試件結(jié)露的方法及其除濕效果試驗驗證

劉 媛，王曉明，高 輝，李志宏

（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190）

0 引言

結(jié)露現(xiàn)象在航天電子產(chǎn)品熱循環(huán)試驗中十分常見，產(chǎn)品表面結(jié)露會造成電器設(shè)備短路、電化學(xué)腐蝕等嚴重后果。因此GJB 1027A—2005《運載器、上面級和航天器試驗要求》有明確要求：在非密封組件進行熱循環(huán)試驗時，為防止低溫時在組件表面和內(nèi)部產(chǎn)生冷凝水，可在容器內(nèi)充滿干燥空氣或氮氣，而且試驗的最后半個循環(huán)采用高溫半循環(huán)。

本文在分析熱循環(huán)試驗中試件結(jié)露原因的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計試驗對熱循環(huán)試驗中常采用的蒸發(fā)器除濕及充氮氣除濕方法進行驗證比較，以求達到更好的除濕效果，從而避免試件結(jié)露。

1 結(jié)露原因分析

根據(jù)熱力學(xué)原理，當(dāng)一定溫度的空氣中水蒸氣的分壓力 p達到該溫度下水蒸氣的飽和蒸氣分壓p vb時，水蒸氣就會凝結(jié)成水?？諝庵兴魵夂吭礁?，越容易結(jié)露；當(dāng)空氣中水蒸氣含量不變，空氣的溫度逐漸降低到該壓力下水蒸氣的飽和溫度時，也會結(jié)露。

在熱循環(huán)試驗低溫階段，由于箱體并非絕對密封，箱外的濕空氣會進入到箱體內(nèi)，使箱內(nèi)濕度升高。試驗降溫過程中，箱內(nèi)蒸發(fā)器中的制冷劑蒸發(fā)吸熱，會使蒸發(fā)器表面溫度降低很多，造成水蒸氣凝結(jié)在蒸發(fā)器上；試驗升溫過程中，蒸發(fā)器上的水又變成水蒸氣使箱內(nèi)濕度增加。熱循環(huán)試驗升溫過程中，試件溫度相對于試驗箱內(nèi)空氣溫度變化略慢，當(dāng)試件溫度低于試驗箱內(nèi)溫濕度所對應(yīng)的露點溫度時，試件上就會結(jié)露。因此在熱循環(huán)試驗中要采取有效的除濕措施，防止組件表面和內(nèi)部發(fā)生水蒸氣冷凝結(jié)露。

2 預(yù)防結(jié)露的方法

2.1 蒸發(fā)器除濕

有些溫度試驗箱自帶除濕系統(tǒng)，利用箱內(nèi)蒸發(fā)器在制冷劑蒸發(fā)時要吸收大量的熱量，使蒸發(fā)器表面溫度降低很多，從而將箱體內(nèi)空氣中的水蒸氣冷凝成水并排出。

2.2 充氮氣除濕

持續(xù)向試驗箱內(nèi)充入氮氣，并使試驗箱內(nèi)保持正壓環(huán)境，以阻止試驗箱外部水蒸氣的進入，同時將試驗箱內(nèi)的濕空氣置換出去。根據(jù)經(jīng)驗值，容積為1 m的試驗箱，氮氣供應(yīng)量需達到100 NL/min，且試驗箱盡可能密封。

3 除濕效果驗證試驗設(shè)計

為驗證采用不同方法的除濕效果，設(shè)計了6種驗證工況：1）不采取除濕措施；2）熱循環(huán)試驗先高溫/蒸發(fā)器除濕；3）熱循環(huán)試驗先低溫/蒸發(fā)器除濕；4）熱循環(huán)試驗高溫不充氮氣；5）熱循環(huán)試驗全程充氮氣；6）常溫充氮氣至濕度降至3%RH 以下再開始熱循環(huán)試驗。

按照常用的熱循環(huán)試驗溫度范圍設(shè)計試驗條件：溫度范圍-40～80℃，溫變速率5℃/min，高溫保持1 h，低溫保持2 h，循環(huán)5次。試驗箱為容積為1 m的機械制冷溫度箱。采用經(jīng)過檢定校準(zhǔn)的溫濕度傳感器測量箱內(nèi)溫濕度。充氮氣除濕時由10 m液氮罐提供液氮，經(jīng)汽化量為100 m/h 的汽化器汽化后得到氮氣，試驗中控制氮氣流量為169.8 L/min，確保氮氣充足和持續(xù)通入。

觀察并記錄試驗全過程箱內(nèi)氣體的溫度和相對濕度。相對濕度RH%是實際水蒸氣分壓p和同溫度下水的飽和蒸氣壓p的百分比：

式中R為水蒸氣的氣體常數(shù)，R=R/M，其中R為理想氣體常數(shù)，M 為水的摩爾質(zhì)量，計算得到R=461.52。

如：查表得-40℃下水的飽和蒸氣壓p為12.877 Pa，測得相對濕度為34%RH，則可計算出氣體的實際水蒸氣分壓p為4.378 Pa，含水量約為0.04 g/m。

4 除濕效果分析與比較

4.1 不采取除濕措施的試驗結(jié)果

圖1是未采取任何除濕措施時，熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、濕度、含水量變化情況。作為除濕效果的空白參照試驗。

圖1 熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、相對濕度、含水量變化（未采取除濕措施）Fig.1 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test(without dehumidification)

4.2 蒸發(fā)器除濕效果分析

圖2和圖3分別為蒸發(fā)器除濕時，進行高溫開始和低溫開始熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、濕度、含水量變化情況。

圖2 熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、相對濕度、含水量變化（蒸發(fā)器除濕/高溫開始）Fig.2 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test(evaporator dehumidification with high starting temperature)

圖3 熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、相對濕度、含水量變化（蒸發(fā)器除濕/低溫開始）Fig.3 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test (evaporator dehumidification with low starting temperature)

通過試驗結(jié)果可知，蒸發(fā)器除濕方法在高低溫保持階段的相對濕度都不高，但在升、降溫過程中相對濕度均先升后降。分析相對濕度升高的原因發(fā)現(xiàn)，一方面由于升溫階段壓縮機不會持續(xù)工作，蒸發(fā)器在低溫階段吸附的大量冷凝水遇熱變成水蒸氣重新回到試驗箱內(nèi)，導(dǎo)致相對濕度升高，增加了結(jié)露的可能性；另一方面在降溫過程中，隨著溫度降低，飽和蒸汽壓顯著降低，使得空氣中的水蒸氣凝結(jié)、相對濕度升高。而且熱循環(huán)試驗設(shè)備并非完全密封，這就造成箱外壓力高于箱內(nèi)壓力，箱外空氣滲入箱內(nèi)，箱內(nèi)的水蒸氣在低溫下會結(jié)霜，升溫時箱壁上的結(jié)霜融化導(dǎo)致箱內(nèi)氣體相對濕度升高，依然可能結(jié)露。隨著升溫過程進行，箱內(nèi)溫度迅速升高，壓力也會同比增大，箱內(nèi)壓力大于箱外，有利于箱內(nèi)濕空氣排出，同時飽和蒸汽壓升高，相對濕度降低。

另外，圖2和圖3的比較驗證了在試驗中先高溫再低溫對除濕效果影響不大。

4.3 充氮氣除濕效果分析

圖4～圖6分別為熱循環(huán)試驗過程中，高溫不充氮氣、全程充氮氣以及常溫先充氮氣至相對濕度降至3%以下并全程充氮氣3種情況的溫度、濕度、含水量變化情況。

圖4 熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、相對濕度、含水量變化（高溫不充氮氣）Fig.4 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test (high temperature without nitrogen)

圖5 熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、相對濕度、含水量變化（全程充氮氣）Fig.5 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test(full-time nitrogen filling)

圖6 熱循環(huán)試驗過程中箱內(nèi)氣體的溫度、相對濕度、含水量變化（常溫先通氮氣至相對濕度≤3%）Fig.6 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test (nitrogen charging at normal temperature until RH%≤3%)

從試驗結(jié)果可知：常溫先充氮氣至相對濕度降至3%以下并全程通氮氣試驗除濕效果最佳，含水量不超過0.8 g/m；全程充氮氣時，試驗第1個循環(huán)升溫階段含水量最高達到1.1 g/m，其他循環(huán)含水量最高不超過0.3 g/m；高溫不充氮氣時，試驗第1個循環(huán)升溫階段含水量最高達到2.5 g/m，其他循環(huán)含水量最高不超過1.8 g/m?？梢?，若不在常溫階段提前充入氮氣則會出現(xiàn)首循環(huán)升溫階段含水量較高的現(xiàn)象，其原因可能是首循環(huán)氮氣未將箱內(nèi)濕空氣置換完全就進入0℃以下的低溫，導(dǎo)致水蒸氣凝霜，相對濕度雖然降低，但升溫階段霜化為水會重新導(dǎo)致箱內(nèi)氣體含水量的上升。

4.4 除濕效果比較

比較以上6種試驗結(jié)果（表1）發(fā)現(xiàn)：在低溫階段蒸發(fā)器除濕與充氮氣除濕的效果相差不大，蒸發(fā)器除濕最高含水量0.019～0.031 g/m，充氮氣除濕最高含水量0.020～0.038 g/m；降溫階段充氮氣除濕最高含水量0.021～0.024 g/m，而蒸發(fā)器除濕最高含水量10.20～11.06 g/m；在高溫和升溫階段，蒸發(fā)器除濕到高溫階段相對濕度才會下降，含水量最高可達24.60 g/m，但充氮氣除濕在升溫階段初期相對濕度就可降為0，計算出含水量也為0，可以有效避免結(jié)露。

表1 除濕效果比較Table 1 Comparison of dehumidification effect of various approaches

5 結(jié)束語

本文通過設(shè)計試驗，驗證了蒸發(fā)器除濕和充氮氣除濕在熱循環(huán)試驗實際應(yīng)用中的效果：蒸發(fā)器除濕起到一定效果，但升溫階段相對濕度明顯升高，除濕效果不佳。常溫階段充入氮氣降低相對濕度后再進行試驗是更為可靠有效的除濕方法，可以滿足熱循環(huán)試驗需要干燥的要求。但本文未對箱外不同環(huán)境濕度、不同溫變速率、不同試驗溫度以及蒸發(fā)器除濕與充氮氣除濕共同作用時等更多的情況進行驗證，未來可進行更深一步的研究驗證。