温度循环条件下某光电舱结雾现象分析

刘 志，罗吉，任国华，卫丽君



温度循环条件下某光电舱结雾现象分析

刘 志1，罗吉1，任国华2，卫丽君1

（1. 北京华航无线电测量研究所，北京100013；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

温度循环筛选是提高产品可靠性的重要手段之一，而光电试验舱内温度循环引发的呼吸作用可能是导致光电产品结雾的原因。文章详细分析了某光电舱温度循环时低温结雾的现象，通过理论计算和相关试验，表明器件内部水汽含量过大是此现象出现的主要原因，而密封结构的呼吸作用影响较小。根据以上结果，提出了相关解决措施。

光电试验舱；密封结构；温度循环；水汽含量；呼吸作用；结雾；漏率

0 引言

产品结构设计中，为避免或减小外部环境对内部系统的影响，通常会设计密封结构。密封结构使内部与外界环境隔离，既能保护内部材料表面和内部安放的器件不受腐蚀，又可减轻结构件重量、节省材料。O型圈密封属于比较常用的密封形式，合适的密封设计能达到很高的接合面压力，一般可满足防水和气密要求。而工程实际中，一些密封结构长时间放置或经历外界往复的温度、气压变化，内部会出现结雾，严重的出现积水，造成腐蚀。一般认为此现象为密封结构的呼吸作用导致，是受环境大气温度变化影响的必然结果[1]。在呼吸作用下密封结构内空气含湿量越来越大，当相对湿度偏高时，低温区域附近容易达到露点温度，导致水蒸气冷凝成液态水，产生结雾现象[2]。呼吸作用的进行是一个非常缓慢的过程，在短期内可能不会影响器件的工作性能[3]。

某光电舱研制过程中发现，在温度循环由高温降至低温阶段时，光电舱镜片内壁出现结雾现象。为查明是否为光电舱密封性能设计不足，发生较严重的呼吸作用所致，进行了理论计算和试验分析。

1 结雾现象

某光电舱结构如图1所示，在研制中按要求需要进行6个温度循环筛选，条件为：高温60℃，保持2h；低温-40℃，保持2h，温变速率15℃/min。筛选进行时发现温度循环试验箱由高温60 ℃降温至-40℃过程中，光电舱镜片的内壁从某个循环开始有水雾凝结，低温保持阶段水雾消失。该现象通常不会在刚开始的几个温度循环中出现，而是进行到某个循环阶段后才出现；一旦出现，后续温度循环中由高温降至低温阶段水雾会重复出现。

A. 光学探测器；B. 光学镜头；C. 密封结构；1,2,3. O型密封圈。

-40 ℃时可见光光路结雾，会对光学成像造成一定影响。为提高产品可靠性，降低产品使用风险，有必要对此现象进行分析，以制定合理的解决措施。

2 光电舱性能要求及气密性指标

光电舱在正常大气压下使用，研制任务书要求产品气密，但无量化的漏率指标；例行试验要求产品工作的最恶劣工况为-40℃。气密性检查时参考同类光电产品的指标，要求在常温时进行打压检验，即产品内部加压至130kPa（内外压差30kPa，产品由25℃降温至-40℃，内部气压下降21.8kPa），保压3h压降≤5%；同时考虑到光学系统的特点，要求产品在6个温度循环过程中无结雾现象。

图1中，光电舱由外部密封结构（C）和内部光学器件（A、B）组成。密封结构（C）的构件通过螺钉进行连接，由硅橡胶O型密封圈（1,2,3）进行密封，镜片通过硅橡胶粘接在构件上，组成密封结构的一部分。光学探测器（A）与光学镜头（B）一起安装在光电舱内部。光电舱内部空间可分为3部分：光学探测器A内部空间Ⅰ，光学镜头B内部空间Ⅱ，以及光电舱内除Ⅰ和Ⅱ外的空间Ⅲ，实际内部空间（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ）总和为=6×105mm3。按工艺流程，光电舱在进行温度循环筛选试验前进行了气密性检查，向其内部冲入高纯氮气，加压至130kPa，保压3h后读取压力表数值，发现气压未下降，故按评判标准认为光电舱的气密性达到设计指标。气密性检查通过后，向光电舱内部充入高纯氮气，气压为1atm。

3 结雾现象分析

一定压力下的不饱和水汽，在温度降低时，会逐渐变得饱和而使部分水汽凝结为露（霜）。此时，水从气相变为液相，对应的温度称为露点，水分含量亦称为饱和水汽密度（绝对湿度）。在一定压力下，露点与饱和水汽密度是一一对应的，因此空气中水汽含量也可以用露点表示，标准[4]中已有准确测量值可供理论计算时参考（见表1）。在降温过程中，光电舱光学镜片内壁有雾气出现，表明舱内密封空间中的水汽密度达到了该温度下的饱和水汽密度，而根据光电舱的结构特征，温箱降温过程中，镜片处的温度较低，雾气便凝结在镜片内壁。

表1 温度与饱和水汽密度

根据温度循环结雾现象分析：当温度下降至-40℃时，光电舱内部有雾气（霜）凝出，说明此时空间Ⅲ内的水汽密度应不低于该温度下饱和水汽密度（0.102g/m3）。而温度循环前已向光电舱内充入高纯氮气，实际测试该氮气露点为-71℃，且在起初几个温度循环中并未观察到结雾现象，说明期间空间Ⅲ内的水汽密度低于该温度下饱和水汽密度，也就是说执行氮气充入工艺时未引入水汽。但随着温度循环次数的增加，空间Ⅲ内的水汽密度逐渐升高，到观察到结雾现象时，已超过该温度下饱和水汽密度。

4 氦质谱检漏及漏率评定

为进一步评估光电舱密封性能，抽取同批次、同状态2套气密性合格的光电舱作为试件，委托某研究所对光电舱进行检漏，根据对航天产品常用泄漏检测方法的分类及介绍[5]，结合产品使用工况，选择氦质谱检测方法来定量测量系统漏率。设计了常温负压工况、高温工况、低温负压工况的系统漏率测量试验。实际测量时选取了不同工况，以全面评估密封结构的密封性能，检测结果见表2。

表2 光电舱漏率检测结果

光电舱没有量化的漏率指标，需参考同类型产品漏率指标以及产品实际使用情况综合评价其密封性能。盛放介质毒性程度为极度危害的容器，对气密性要求严格，一般允许的泄漏率为不大于1×106Pa·m3·s-1[6]。大型空间环境模拟器中用到的热沉，其密封性能直接影响到模拟器所模拟的冷、黑真空环境的指标，其漏率也要求较高，实际使用中对每一级热沉进行漏率测试，保证热沉整体最大允许漏气率＜1.33×10-6Pa·m3·s-1[7]。载人航天器密封系统设计中，要求密封舱体结构单位长度焊缝漏率＜2.0×10-7Pa·m3·s-1·m-1[8]。从表2给出的漏率检测结果看，光电舱密封结构的实测漏率也基本达到了10-7量级，实际工作时内外压差不超过21.8kPa，工况良好，因此，可认为光电舱密封性能满足使用要求。

5 水汽来源分析

5.1 外部引入水量分析

由理想气体状态方程=可知，密封腔体内气体压力因温度变化而变化。式中：为气体压力，Pa；为气体体积，m3；为气体的物质的量，mol；为气体摩尔常数，8.3143J/(K·mol)；为气体热力学温度，K。当密封结构内气体温度发生变化时，气压也随着变化，其变化量为

Δ=Δ/。 (1)

若结构密封性能不足，温度循环的高温阶段，舱内温度升高，舱内气体就会自内向外流出；温度循环的低温阶段，舱内温度降低，气体就会自外向内流入。由于不可能做到绝对的气密，光电舱肯定存在一定的泄漏率，即舱内温度变化时会有呼吸作用。

如系统结构密封性能不足、固有漏率过大，在温度循环时的呼吸作用下，温箱内水汽进入舱内，也可导致光电舱镜片出现结雾现象。为评估该密封结构经温度循环后会否引入水汽及引入水汽的量，下面进行理论分析和试验验证。

5.1.1 理论分析

目前，光电舱在严格控制湿度的25℃条件下进行装配，内部气压为1atm，即101kPa；可利用式(1)计算出温度循环高低温状态下舱内气压1的变化：60℃温度稳定时，1=101+11.7=112.7kPa；-40℃温度稳定时，1=101−21.8=79.2kPa。即，单个温度循环时，气体既有流入也有流出。

一定空间内空气水汽含量为

=， (2)

式中：为相对湿度，%；为饱和水汽密度，g/m3。

假设：1）充入氮气后，空间Ⅲ内水汽密度为露点-70℃；2）对光电舱进行72个温度循环试验，试验结束后，空间Ⅲ内水汽密度为露点-40℃；3）各个循环进入的水汽量相等，为0，则有

0=(-40−-70)3/。 (3)

式中：-40和-70分别为-40和-70℃时的饱和水汽含量，g/m3；3为空间Ⅲ的体积，mm3；为温度循环次数。计算得0=8.3×10-7g=0.83μg。

光电舱的温度循环条件为60℃高温2h，-40℃低温2h，单个循环进入的水汽量为1；若在-40℃低温下保持4h，单个循环进入的水汽量为2，则1＜2。常温负压氦质谱检漏测定光电舱的漏率为=7.4×10-7Pa·m3/s，可判定该漏率下气体分子沿漏孔的流动状态为分子流[9]。25℃条件下，内部真空度低于5Pa，外部气压1×105Pa，则

(21)。 (4)

式中：为测定漏率，为流导，2为外部气压，1为光电舱内部气压；可计算出漏孔的流导≈7.4×10-12m3/s，假设漏孔可等效为一圆截面长管，其流导与漏孔的模型可简化为[9]

式中：f为分子流时圆截面长管流导，m3/s；为管道直径，m；为管道长度，m；为气体摩尔质量，kg/mol；为气体温度，K。

可以推测出-40℃时，漏孔对水分子的流导为H2O, -40=3.08×10-12m3/s，据此计算光电舱在-40℃时对水的漏率

H2O, -40=H2O, -40·Δ。 (6)

此时光电舱内外压差为Δ=1.97×104Pa，水的饱和蒸汽压为，空气湿度为，则环境大气进入光电舱内部的水汽含量-40为

式中，为-40℃时环境试验箱的大气压力，为1个标准大气压。

光电舱在-40℃环境下保持4h，则进入密封结构内部的水汽含量可由

==-40。 (8)

计算得到，进入水汽的物质的量=5.78×10-18mol，其质量2=1.004×10-16g，2远小于0，说明单个温度循环进入的水汽含量不足以构成光电舱内壁结雾的水汽来源。

5.1.2 试验验证

选取出现结雾现象的光电舱样品1套进行摸底试验。试验前拆除内部光学元件，仅组装密封结构，组装后，该密封结构通过了气密性检查验证，然后内部充入高纯氮气，将密封结构内原空气置换出，按温度循环条件进行摸底试验。首个循环未观察到结雾现象，证明氮气置换充分有效；继续温度循环试验至第72个循环，仍未观察到光电舱光学镜片上有雾气出现，说明内部绝对水汽含量仍未富集至露点（-40℃），证明此温度循环条件下，单个循环引入水汽量远小于0.83μg。表明该密封结构气密性能满足工程使用要求，呼吸作用不是光电舱结雾的主要原因。

5.2 内部固有水汽含量分析

-40℃时饱和水汽密度-40=0.102g/m3，则光电舱在-40℃时的临界水汽含量为=-40·=6×10-5g=60μg，即光电舱在-40℃结雾的必要条件为内部水汽含量超过60μg。下面对图1所示的光电舱内部3个空间的水汽含量逐一进行计算。

1）空间Ⅰ水汽含量

光电器件装配车间有严格的温湿度控制，装配作业时湿度维持在25%，室温维持在25℃，此时饱和水汽密度25=25.1g/m3，光学探测器内部结构如图2所示，内部（空间I）的体积为A，A=5.0×104mm3；组件内水汽含量为A=25%×25×A=3.1×10-4g=310μg，A≈5。

图2 光学探测器A内部结构示意

2）空间Ⅱ水汽含量

如图3，空间Ⅱ为光学镜头（B）内部空间，由镜片区和遮光筒组成；镜片区内由6个光学镜片组成，镜片通过止档卡在结构上，无密封措施，镜片区内空间体积为1；遮光筒对外敞开，体积为2。

图3 光学镜头B外形示意图

可计算出1=1.2×103mm3，2=1.45×104mm3；现有充氮工艺不易将镜片区内气体排出，但1较小，仅为探测器内空间体积（A）的2.4%，镜片区内水汽含量为V1=25%×25×1=7.44μg=0.124；遮光筒空间对外开放，充氮时水汽可排出，因此，可以认为光学镜头内部空间的水汽含量B≈V1。

3）空间Ⅲ水汽含量

空间Ⅲ为密封结构C围成的除探测器A和镜头B外的空间，其体积为3=5.343×105mm3，其水汽绝对含量为0=25%×25×3=3.352×10-3g（3352μg），是临界水汽含量的55.8倍。

因此，如不进行氮气置换工艺，温度降至-40℃时，必然结雾。执行氮气置换工艺后，该处空间内的水汽大部分可排出，但暂无法计算残留量；若产品在氮气置换后进行温度循环，镜片处不出现雾气，说明氮气置换后空间Ⅲ内部的水汽含量C＜。

4）小结

在执行氮气置换工艺后，探测器A（空间Ⅰ）内水汽含量A≈5，镜头B（空间Ⅱ）内含水汽含量B≈0.124，空间Ⅲ内部水汽含量C＜，故探测器A内水汽是光电舱结雾的主要原因。

由于探测器A为独立的半密封空间，常规氮气置换方法短时间内无法将空间Ⅰ内的水汽完全置换，在长时间存储或试验过程中，空间Ⅰ内的水汽将慢慢释放，向空间Ⅲ内富集，最终造成低温结雾现象，与实际观察到的试验现象相符。

6 问题总结及解决措施

本文通过对光电舱结雾机理、结构密封性能及产品内部结构的分析，并结合相关试验，证明此次光电舱温度循环结雾现象发生的主要原因是光学探测器内部固有水汽含量过大所致，密封结构的呼吸作用不是主要原因。

解决该问题可采取如下措施：

1）加强光电产品装配环境控制，如提供纯氮气装配作业环境等；

2）探测器等光学器件在纯氮气环境下装配，降低其内部水汽含量；

3）对探测器等光学器件进行全密封设计，避免空间Ⅰ内残留水汽外溢；

4）通过试验等改进氮气置换工艺，延长氮气置换时间，最大限度降低空间Ⅲ内残留水汽含量。

[1] 龚光福. 呼吸效应研究[J]. 雷达科学与技术, 2009, 7(7): 237-239

GONG G F. The research on respiration effect[J]. Radar Science and Technology, 2009, 7(7): 237-239

[2] 金岩. 载人航天器密封舱内结露的原因及对策[J]. 航天器环境工程, 2013, 30(4): 184-187

JIN Y. The formation of dews in the sealed cabin of manned spacecraft and its preventive measures[J].

Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(4): 184-187

[3] 韦生文. 雷达电子设备的呼吸凝露作用及其预防[J]. 雷达科学与技术, 2010, 8(12): 573-574

WEI S W. Respiration and condensation of radar electronic equipment and its prevention[J]. Radar Science and Technology, 2010, 8(12): 573-574

[4] 气体中微量水分的测定: 第2部分露点法: GB/T 5832.2—2008[S]

[5] 王凡, 陈光奇, 王荣总. 航天产品常用泄漏检测方法[J]. 真空与低温, 2012, 18(12): 235-240

WANG F, Chen G Q, Wang R Z. Leak test method analysis of spacecraft[J]. Vacuum and Cryogenics, 2012, 18(12): 235-240

[6] 孔智文, 钱婷婷. 压力容器氦检漏试验方法[J]. 化工装备技术, 2006, 27(5): 23-24

KONG Z W, QIAN T T. Test method for helium pressure vessel[J]. Chemical Equipment Technology, 2006, 27(5): 23-24

[7] 范晖, 茹晓琴. 空间环境模拟器的液氮热沉总漏率的测试方法[J]. 真空, 1999, 36(8): 9-12

FAN H, RU X Q. Method of heat sink’s leakage test which in space environment[J]. Vacuum, 1999, 36(8): 9-12

[8] 李兴乾, 张伟, 郑昊, 等. 载人航天器密封系统漏率设计方法[J].航天器环境工程, 2013, 30(6): 606-609

LI X Q, ZHANG W, ZHENG H, et al. The design method of leaking ratio in manned spacecraft stealing system[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(6): 606-609

[9] 达道安, 真空设计手册[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004: 100-105

（编辑：闫德葵）

Analysis of fogging phenomenon in a sealed cabin under condition of temperature cycling

LIU Zhi1, LUO Ji1, REN Guohua2, WEI Lijun1

(1. Beijing Institute of Huahang Radio Measurement, Beijing 100013, China；2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Temperature cycle screening is important to improve the product reliability, and the respiration is a main cause of fogging in optoelectronic products, thus the study of fog phenomenon in photoelectric products under the condition of temperature cycle is of significance for similar engineering problems. The low-temperature fogging during the temperature cycle of a sealed chamber is analyzed in detail in this paper. Theoretical calculation and the experiment show that the internal moisture content of the device is the main factor of fogging. The respiration of the chamber’s sealed structure has a relatively small effect. Technical improvements can be made based on this finding.

photoelectric test tank; sealed structure; temperature cycle; water content; respiration; fogging; leakage rate

V416.4; X830.7

A

1673-1379(2017)04-0376-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.006

刘志（1988—），男，硕士学位，主要研究领域为机械结构设计及结构优化分析等。E-mail: liuzhi_1988@126.com。

2016-12-25；

2017-07-24