以专利视角细观综合环境试验设备领域创新角力

宋洁琼、许玉珍、罗婷

中国航天系统科学与工程研究院 北京强度环境研究所 中国航天系统科学与工程研究院

随着人们对自然环境开发与利用的范围越来越广，各类工业产品在生产、贮存、运输和使用过程中经历的环境越来越复杂。上至太空，下至深海，北至极地，南至赤道，为保证工业产品在相关环境中都能兼顾可靠和安全，可同时模拟多类型复杂环境的综合环境试验设备在产品性能测试中越来越重要。西方国家对综合环境试验设备的研发起步较早，已具备了较强的开发研制能力，形成了比较完整的产业链。我国环境试验技术研究起步相对较晚，但近年随着航空航天、轨道交通、电子电器等战略性行业稳步发展，国内综合试验设备的市场需求迅速提升。面对快速发展的新机遇，国内相关企业应对领域内技术研发态势和竞争能力进行全面掌握，以有效对抗市场风险。蕴含丰富技术信息和法律信息的专利，便是其中一个观察业内发展态势的可靠情报视角。

综合环境试验设备的整机研发中，涉及的关键技术主要包括基于电动振动台低压环境下的振动模拟技术、低压环境下振动耦合优化技术、基于综合环境试验箱的高湿温模拟技术、过渡连接装置密封技术、温湿高振四综合一体化控制技术等。本文通过对上述5 项关键技术相关关键词和分类号进行整理，在全球专利数据库中对截至2021 年的各国技术创新成果进行检索和挖掘，进一步透过专利在不同维度的信息分布情况，呈现出了综合环境试验设备近年创新发展态势和主要企业研发投入及市场保护布局重点。

一、近年领域内创新热情高涨，中国成为全球专利产出的主要来源

基于相关专利的最早优先权年数据统计（见图1），可看出综合环境试验设备技术发展前期的专利量很少，基本来自于美国和日本。美国是最早开始研制生产环境试验设备的国家，基础雄厚，又有海陆空多兵种的大力支持。日本则在20 世纪90 年代逐步发力，基于其快速发展的机械制造能力和电子元器件加工能力，很快在全球市场中也占得一席之地。

图1 专利申请趋势分析图

到2005 年后，综合环境试验设备技术创新产出量呈现出了一定幅度的提高。该阶段，我国环境试验设备设计和制造水平有了极大的进步，苏试、东菱等一众先进制造企业兴起。基于国家扶植和竞争需求，国内企业创新投入和保护意识大幅增长，在国外专利申请量仅小幅提升的情况下，中国专利申请量开始远超国外。至近5 年，中国专利已成为全球创新产出的主要支撑。基于不断的发展与完善，近两年我国在通用、中小型环境试验设备方面已经接近国际先进水平，多因素综合性环境试验设备生产能力提升，自动化控制水平与国外产品相比差距已越来越小。

二、苏试、东菱、航天等企业创能能力领先，但海外专利布局需重视

针对检索获取的近200 项专利进行全球专利申请人统计，专利量排名如图2 所示。在本文关注的综合环境试验设备关键技术领域内，专利量排名前十的申请人主要为中、日两国创新主体，有苏州苏试试验集团（以下简称苏试）、苏州东菱振动试验仪器公司（以下简称东菱）、北京强度环境研究所、日本爱斯佩克株式会社（以下简称爱斯佩克）和IMV 株式会社（以下简称IMV）等。

图2 全球专利申请人排名

其中，北京航天斯达科技公司、天津航天瑞莱科技公司和北京航天希尔测试技术公司同作为北京强度环境研究所下属子公司，相互配合、共同开发研制了多个低压振动台和高温湿三综合环境试验箱技术创新方案，近年针对四综合试验设备也提出了多个密封系统专利设计，已代表航天在综合环境试验设备领域占有一席关键之地。日本两企业中，IMV 的创新技术主要投入在低压环境下电动振动台结构优化设计上，爱斯佩克则更加偏重高温湿综合环境试验箱的改进研究。

表1 为以上排名靠前的主要申请人专利技术在5 个关键技术上的分布情况。可看出，苏试的创新成果数量和种类最为丰富，专利申请在各关键技术上均有涉及，在低压振动台和高温湿三综合环境试验箱2 个关键技术上分布也相对均衡。苏试近年的22 项专利中，11 项已授权，11 项尚在审查，无因中断官费或撤回引起的专利失效现象，说明苏试对自有知识产权的重视程度颇高，既积极保护也悉心维护。且苏试较注重保护策略，多项装置结构类创新都以一案双审的形式进行专利申请，即先以授权的实用新型开始保护，后以时效更长的授权发明延长保护期限，以获得最大的技术保护能力。

表1 主要申请人技术分布

东菱则在低压振动台和高温湿三综合环境试验箱技术上的创新保护相对弱势，但对过渡连接密封技术和低压振动耦合优化技术较为关注。以上2 个关键创新主体中，苏试作为专注于工业产品质量与可靠性的制造服务型企业，已做到国内领先、国际知名；东菱亦基于其大吨位振动台先进技术手握大量国外订单。但综合检索出的相关专利信息，上述两企业专利量虽大，海外同族布局量极少。虽以苏试、东菱为代表的中国振动测试和环境测试系统已到全球先进水平，甚至部分达到“大国重器”水平的环境试验装置已列入限制出口清单，但对于大部分的产品，海外市场仍具有相当大的吸引力。缺少海外当地的专利保护对企业市场拓展和竞争优势保持都是极为不利的，在这一点上国内相关研制单位都要关注和重视。

三、各关键技术创新产量不一，保护力度与发展态势区别显著

1.高温湿三综合环境试验箱技术上日本企业持续投入，国内部分针对性应用创新值得关注

将全部专利以所属技术领域进行分布统计，获得图3，可看出其中基于综合环境试验箱的高湿温模拟技术相关专利申请量最多（72 项），包括试验装置结构优化、试验箱热气旁通设计、高温湿耦合试验等技术。在该领域，国外专利中日本申请量最高，持续时间长且到近年仍在投入，主要来源于日本爱斯佩克和神戸制钢所株式会社。爱斯佩克为实现试验系统低功耗精确控温及避免结霜，先后在专利JP6062172B2、JP6258416B2 中提出了不同的环境试验箱热气旁通设计方案；另针对常规振动复合环境测试设备规模大且制造成本高的问题，2019 年爱斯佩克又在专利JP2020165671A 中提出了一种振动复合环境试验设备方案，结构简单且不易因振动而损坏，该技术同期布局了中国同族。

图3 关键技术领域专利量占比

另有部分专利中的针对性应用解决方案值得关注和借鉴。针对高空环境的无线电装备测试，韩国标准科学研究院2018 年在专利US20200124766A1 中提出了一种高温湿环境模拟装置；针对海洋环境中军用装备上电子产品检测，中国兵器工业第五九研究所2019 年在专利CN110108967A 中提出了一种四综合环境试验装置，可以准确模拟实际盐雾对产品的影响，并可通过强化效果使试验过程中避免出现凝露。

2.低压振动台技术上国外企业重视全球布局，国内苏试专利技术全面

在基于电动振动台低压环境下的振动模拟技术领域中，专利申请量有48 项，包括振动台结构优化、全数字功率放大器、低压环境下散热及绝缘等技术。该领域国外专利中，美国申请量最高，起源也最早，基于其军方和航空航天设备发展需求，波音、雷神、洛马等企业早期在该领域均有投入。如针对火箭发射及入轨分离时的烟火冲击模拟，波音公司先后在US8306796B2、US8429975B2 中提出多个可重复性精确控制且成本低廉的冲击模拟系统，并基于其技术先进性和通用性，波音将部分技术在日本、韩国、中国、俄罗斯、加拿大等多地进行专利保护布局，现已均获得授权。

国内专利中，基于航天领域的应用与带动，北京强度环境研究所及其下属子公司的成果也相对突出，但整体仍不如苏试的创新产出丰富。围绕低压振动台领域中的各个分支，苏试均有多种创新方案，如放大器远程控制技术、振动台滚动密封结构、液压油自动调节系统、动圈复合冷却结构等，保护范围全面且细致。

3.过渡连接装置密封技术创新量相对低位，温湿高振四综合技术方案成熟度尚弱

过渡连接装置密封技术领域包括组合密封、隔热设计等技术，有相关专利32 项。在综合环境试验设备中，环境箱分系统与振动台分系统之间既有运动接口又有静态接口，其密封性能好坏将直接影响振动台能否正常工作。但在连接件密封领域，现有专利量尚不丰富。由图4 也可看出，在近5 年综合环境试验箱与电动振动台创新产出迅速提升的情况下，关于两者间的过渡连接装置密封与隔热技术相关专利申请相对低位。其中，国内仍是苏试最为领先，围绕防凝露、易操作、高密封等需求提出多个解决方案。东菱在专利CN101324479A 中提出的综合环境水平振动台保温密封装置也较值得关注，东菱在该专利被驳回后积极进行了复审申辩，足以看出该专利中的技术方案对其产品的重要性。

图4 3个主要技术领域专利申请趋势对比

温湿高振四综合一体化控制技术是综合环境试验设备近年的发展热点，同时相关专利申请的稀有度也反映出该技术是国内外综合环境试验装备研究的难点。目前在复杂环境试验中，温度、湿度、高度、振动单独或2 种复合实施比较常见，控制方案也一般是各环境控制单独实施，多环境耦合控制很少。四综合环境试验控制系统要同时实现多种信号的耦合控制，多类型信号控制器集成和多类型信号耦合控制算法的设计均是有待重点攻克的关键。北航、苏试、东菱、泰斯特虽都有个别专利申请，但基本都无法综合解决大尺寸工作空间温度均匀、空气流场均匀、温度低差值等问题，技术全面性不够，方案成熟度不高。

四、启示与建议

1.加强对综合设备连接密封技术的针对性创新与保护

过渡连接装置密封技术是综合环境试验设备中的关键技术，也是容易被遗漏创新点保护的技术类型，现关于综合环境试验设备中过渡连接装置的密封与隔热设计专利申请还相对低位。为提升系统整体性能，建议加大领域内过渡连接装置密封技术的投入力度和保护强度，积极通过新型密封材料、隔热材料的挖掘及特定化结构设计，在保证住装置连接强度和支撑刚度的性能下，满足好综合设备里环境箱与振动台之间繁杂的运动接口和静态接口的差异化连接密封需求。

2.增大四综合环境试验设备一体化集成设计及用户操作便捷性设计投入

传统综合环境试验设备通常由各专业厂家的子系统组成，各组成部分独立控制，独立完成特定工作，存在相互之间易发生互锁、不便组网联合控制、不便实现多节点远程监控、不便后续升级、不便协调多维度试验条件下组合调节要求等明显缺陷，容易带来一些安全隐患和使用不便。后续在开展四综合环境试验设备仪器集成和控制技术研究时，应注意各分组件的系统兼容性和集成可行性，在控制系统融合与设计过程中充分考虑温、湿、高、振四类分环境下控制输出及采集输入的时序控制与数据融合需求。同时，还应重点关注整机控制界面的应用便捷性和友好性，提升用户使用体验。

3.灵活化旁通管路设计及控制，提升环境试验箱制冷系统运行稳定性

先进的环境试验箱必须要能满足越来越快的温度变化速率要求、越来越宽的极限高低温要求、越来越大的承载能力要求。为避免制冷压缩机的频繁启停，制冷系统常维持低载运行，当试验设备需求的蒸发量不足以维持压缩机最低吸气压力时，额外的回气补充成为一种关键的调节手段。冷热旁通调节可以保持试验箱压缩机在低吸气压力下可靠运行，不仅能有效的防止压缩机频繁起停，更利于环境试验箱温湿度性能的稳定性保持。建议对冷热旁通调节的管路设计及精准控制多加关注，提升设计灵活性与快速控制准确性。

通过对综合环境试验设备相关专利信息的整理和技术的挖掘，本文较为清晰的呈现出了国内外针对综合环境系统技术的创新态势、企业能力和技术现状，对我国相关机构和企业制定技术发展规划可具备一定的参考意义。基于技术领域内已公开的专利申请态势，可看出创新成果公开量仍有继续提升的潜力。随着军品、民品各领域对产品可靠性测试要求越来越高，三综合/四综合环境试验设备性能均有较大提升空间。相关机构和企业需持续加大关注力度，为增强关键技术的自主可控能力和国际影响力，进一步增加研究投入，在关键技术自主突破过程中也做好自有专利及时布局，围建技术保护高地，在竞争中占领进攻主动权，并通过知识产权进一步提升专业化品牌价值与合作谈判有力筹码。▲