温湿度环境试验箱转温控湿的方法探讨

陆 晨，刘 钰，程 建，蔡 平，徐 豪（上海航天设备制造总厂环境试验室，上海 200245）

温湿度环境试验箱转温控湿的方法探讨

陆 晨，刘 钰，程 建，蔡 平，徐 豪
（上海航天设备制造总厂环境试验室，上海 200245）

针对目前军工电子产品在常压温度循环试验时由于结露结霜发生损坏的现象，结合空气调节原理对温湿度环境试验箱低温转高温阶段出现的结露现象进行了分析，从结露的本质因素着手总结了已有试验方法，并提出了设备改造方案，为避免结露对产品造成损坏提供了参考意见。

结露；湿度环境；试验

引言

环境试验技术是一项实用基础技术，是稳定和提高产品质量的重要技术措施之一。其主要任务是研究环境应力对产品性能产生的影响，解决产品在贮存、运输或使用中的可靠性问题。其中热循环试验是环境试验技术中气候类试验的常见试验类型，试验时由于试验箱内温度、湿度环境的改变可能引发结露现象，这种现象常出现在温度、湿度变化剧烈的低温转高温工况阶段，许多电子类产品因受结露水滴影响而导致热控涂层表面金属氧化或电化学腐蚀的加速化学反应，电气绝缘性能降低、甚至短路等功能性破坏[1]。针对结露给产品带来的损坏问题，有前人从改变试验剖面的方面入手做了防凝露的尝试[2]，但由于试验剖面一般是项目总体单位才有权限变更，且变更会直接影响到产品性能考核结果，因此其可行性大大降低。因此，本文从探寻结露成因和条件出发，探讨了降低试验箱内相对湿度可行手段。

1 试验箱结露现象及其成因分析

在描述结露现象前先引入几个空气调节的基本概念。我们知道空气中或多或少含有水蒸汽，把空气分为含水部分和不含水部分。从分压角度说，湿空气总压力P由水蒸汽分压力Pq和干空气分压力Pa组成，根据道尔顿分压定律有：P=Pa+Pq。Pq是温度t的函数，随t的上升而下降；某温度下湿空气饱和此时的水蒸汽分压力为Pq,b，Pq,b亦是温度t的函数，随t的上升而上升；相对湿度j是水蒸汽分压力与该温度下饱和水蒸汽分压力之比，即：j=Pq/Pq,b，其为衡量湿空气吸湿的能力的参量，温湿度试验箱中的湿度即是指相对湿度，相对湿度j→0 至j→1空气的吸湿能力由强变弱直至饱和无吸湿能力，温度t越高j越小，越不容易结露。从质量角度说，用以衡量湿空气中与单位质量干空气并存的水蒸汽质量的物理量即为：含湿量d，d与Pq成正比，Pq越大d越大；从相对湿度计算式以及各参量定义可知：同样的含湿量，温度t越高Pq越小Pq,b越大，其j值越低，吸湿能力越强；温度t越低Pq越大Pq,b越小，其j值越高，吸湿能力越差；当温度低至一定的水蒸汽分压Pq对应的露点温度tl时，j=1空气中的水开始析出，即为：结露[3]。

图1为温湿度试验箱内部结构。其中4、5用以实时监测箱内循环空气的温度和湿度，3、6、7用以调节循环空气温湿度状态参数，经处理后的空气由风扇2从箱顶送入箱内。

低温工况指箱内温度低于当时试验室大气条件下的冰点温度时，此时试验箱内湿空气中绝大部分水份以霜的形式附着在箱内最低温度部位——蒸发器表面，试验箱在低温工况长时间运行时蒸发器表面存在大量霜，待温度上升蒸发器表面霜层吸收空气中热量逐渐经历液化再气化的过程，水份又重新以水蒸汽形式进入箱内循环空气中，使箱内含湿量增加，与此同时，受循环空气加热的箱体壁面也开始升温，箱体壁面热容远大于气体热容，致使箱体壁面升温速度远滞后于空气升温速度。造成沿垂直于箱体壁面的温度梯度，升温速度越快，温度梯度越大。温度梯度使近箱壁的空气水蒸汽分压力大于箱内循环空气的水蒸汽分压力，也即是近壁面空气露点温度更高，即越容易结露。箱体内循环湿空气相对湿度即使没达到100 %，近壁面空气已经达到100 %，造成结露现象。

2 解决方案

由上述分析可知，温湿度试验箱低温转高温结露的两个方面成因是：含湿量增加和露点温度升高。为防止结露对试品造成损坏应从这两个方面开展工作：

1）降低试验箱内的含湿量。

2）控制箱顶温度始终保持在露点温度以上。

2.1 降低箱内含湿量方案

降低箱内含湿量方案包括：低露点气体置换法、双蒸发器系统两种。其中：低露点气体置换法为目前常用试验方案，而双蒸发器系统为笔者针对温湿度试验特点提出的新型设备改造方案。

图1 温湿度试验箱内部结构简图

2.1.1 低露点气体置换法

在低温转高温时，向试验箱内通入低露点气体置换箱内含湿量不断增加的空气，通入的气体可以降低湿空气中水蒸汽分压，从而降低循环空气的露点温度。分两种方法：

1）用高纯氮气瓶向试验箱内通入一定量的高纯氮气。高纯氮气其相对湿度一般< 2 %[4]，这种方法简单易行，设备无需进行改造，节省经费，也是目前进行常压热循环试验防止结露的通用手段。

2）吸附除湿。吸附除湿就是选择具有强亲水性的物质如：氯化锂、硅胶、分子筛、活性炭等，利用其表面毛细管内水汽形成的凹形弯月面上产生的低压水蒸汽分压力来吸附湿空气中的水分进行除湿。吸附除湿法在常压热循环试验产生初期就应用于试验过程除湿。具体做法是在试验箱内放干燥剂。试验中常用的干燥剂为硅胶，它是一种无毒、无臭、无腐蚀，表面布满毛细孔且不溶于水的晶体，在空气温度为5～30 ℃下可吸湿，解吸温度一般为：150～180 ℃。通过其处理的空气可达相对湿度2 %～5 %，露点温度在-60～ -40 ℃，因此可用于常压热循环试验。

2.1.2 低露点环境试验箱系统

由于试验箱内温度由低温向高温转变会引起蒸发器霜层气化，增加箱内含湿量。因此，要彻底降低箱内含湿量需设法将蒸发器表面的霜层去除，目前制冷行业除霜方法主要有：淋水除霜、电热除霜和热气除霜等[2]。淋水除霜是通过向蒸发器表面喷洒液态水，使其与固态冰之间进行潜热交换达到融化霜层的目的，这种方式只适用于停机状态下除霜，试验进行时由于淋水与循环着的空气直接接触会吹入箱内，增加循环空气含湿量，含湿量增加后的湿空气在低温下迅速凝结成霜花附着在箱内试品表面造成试品损坏，因此，不适用于热循环试验。电热除霜方法是指在蒸发器周围布置电热丝加热霜层，使霜层由外向内融化。这种方式在霜层表面进行换热，气化的水分直接进入循环空气增加其含湿量，同时电加热丝与循环空气直接接触又会带入大量热量，使低温稳定度不易控制，因此，亦不适用于热循环试验。热气除霜是指在除霜阶段将向蒸发器内低通入较高温度的制冷剂，这种方法的优点在于霜层的融化由内向外，在融霜初期，蒸发器管内热气与管外霜层进行潜热交换，热量用于使管壁霜层融化，此时与蒸发器紧贴的霜层融化后在外层霜层与蒸发器之间形成包含气液混合物的夹层，此时由于有外层霜包覆，水蒸汽大多被封存在夹层中，霜层由内向外逐渐融化直至完全融化脱落后经集水器排除箱外。整个过程不仅使从蒸发器上气化的水蒸汽量减少，试验箱内的含湿量可以控制在较低水平，而且融霜脱落后蒸发器上的热量才会向外辐射，这有利于控制除霜阶段试验箱内循环空气温度的稳定度，显然在热循环试验中采用热气除霜方法较理想。

传统的热气除霜系统有两种方式：四通换向法、压缩机热气旁通法。四通换向法是通过在制冷系统上布置的四通换向阀，需要除霜时通过阀门切换制冷剂流道方向，使制冷剂反流，此时吸热端蒸发器和放热端冷凝器功能对换，高温制冷剂流入低温蒸发器融化霜层，这种除霜方式会导致制冷间断，无法保证试验箱内低温工况温度的稳定性，同时融化水汽重新进入箱内，导致箱内含湿量增加，加剧结露。压缩机热气旁通法是利用压缩机排出的高温制冷剂一部分通入低温蒸发器供融霜使用，一部分节流后用于制冷，这种方式同样会引起箱内含湿量增加，加剧结露。

为了满足温湿度环境试验箱温度稳定度以及控制箱内含湿量维持在较低水平，笔者考虑在传统制冷系统的结构上增加一个蒸发器、若干电磁阀，并设置两个独立风道，构成低露点环境试验箱系统，其制冷系统组成如图2。

如图2所示，系统有别于传统蒸汽压缩制冷循环系统的单蒸发器结构，采用一个系统两个蒸发器结构，一个蒸发器运行制冷时另一个蒸发器除霜，两个蒸发器分别设置独立的风道，风道1、2开启和关闭时段相反，时刻保证制冷蒸发器与箱内循环气流连通，而除霜蒸发器与箱内气流隔绝，此系统既可不间断维持低温工况稳定的制冷工作，又可不间断排除箱内湿空气含湿量。该系统核心原理是低温工况运行时，用于制取冷量的蒸发器其表面结霜厚度达某一极限时，电磁阀切换，使需融霜的蒸发器开始热气融霜而另一蒸发器开始制冷，通过电磁阀切换达到两个蒸发器融霜和制冷交替运行的状态。具体过程是：风道1开启，风道2关闭，当蒸发器A作制冷，蒸发器B待融霜时，从压缩机排出的高温高压的制冷剂在冷凝器中冷凝后，经过储液器、干燥器、电磁阀1、蒸发器B，再由电磁阀2进入热力膨胀阀降压节流后，在蒸发器A中蒸发实现降温除湿，然后通过电磁阀3回到压缩机。当蒸发器A结霜到一定程度以后，风道1关闭，风道2开启，关闭电磁阀1、2、3，打开融霜电磁阀4、5、6。从储液器排出的制冷剂经电磁阀4进入蒸发器A冷凝放热，加热其上的积霜，融解脱落的霜层和液态水落入试验箱底部的积水盘中，引流出箱外，完成除霜过程，而进一步冷凝后的过冷制冷剂经过电磁阀5进入蒸发器B，蒸发后的制冷剂经过电磁阀6回到压缩机。如此在两台蒸发器之间进行切换来实现试验箱内的温湿度控制。

图2 低露点环境试验箱系统图

2.2 控制箱顶温度方案

试验箱内空气自下而上循环流动，在常压热循环低温转高温阶段箱顶首先接触被加热后的湿空气，结露较为严重，且在箱顶部凝结露水受重力影响直接滴落，造成受试电气产品损坏（见图3）。因此，防止箱顶结露成为关键。在试验箱顶部加装电加热板，在低温转高温阶段根据顶板壁面温度、箱内温湿度调节顶板加热量，使顶板壁面温度始终高于箱内湿空气的露点温度，可避免湿空气凝露。系统组成及实现如下：

图3 某型号单机温度循环过程中因箱顶结露滴落产品表面造成热控涂层起壳脱落

图4 加装控温顶板后试验箱系统图

如图4所示，通过安置在箱体顶板的干球温度传感器实时监测板温，将温度测量值送至PLC中，通过干、湿球温度、相对湿度与露点温度的对应关系可以自动查算得到该状态的露点温度，再结合顶板温度与露点温度的差值，利用控制算法调节加热顶板继电器通断脉宽，使顶板温度始终大于露点温度。由于循环空气与顶板进行对流换热造成远离循环空气出风口处的顶板温度最低，因此仅需在此处紧贴壁面位置安置温度传感器，即可以保证整个加热板温度高于循环湿空气露点温度。

3 结束语

针对目前军工电子产品在常压温度循环试验时由于结露结霜发生损坏的现象，结合空气调节原理对温湿度环境试验箱低温转高温阶段出现的结露现象进行了分析，从结露的本质因素着手总结了已有试验方法，并提出了设备改造方案，为避免结露对产品造成损坏提供了参考意见。

[1] GJB 150A-2009,军用装备实验室环境试验方法[S]. 2009.

[2] 李颖,杨喜存,单军勇. 低温环境试验条件恢复的防凝露问题[J]. 装备环境工程, 2013,10:112-115.

[3]薛殿华. 空气调节[M] . 北京:清华大学出版社, 1999, 10-18.

[4] 孙玉玉,王凤车,邢征锦等. 温、湿度试验中结露的产生与预防措施探讨[J]. 环境适应性与可靠性, 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

陆晨（1989-），男，本科，试验工，从事于各类环境试验检测。