基于熱循環試驗過程中防凝露除濕裝置的性能研究

韓書葵， 劉宏偉， 畢珊珊， 馮偉娜

（北華航天工業學院機電工程學院，河北廊坊 065000）

0 引 言

國軍標GJB1027中規定，在非密封性分系統進行鑒定、驗收熱循環試驗時，應采取措施避免在低溫時產品表面和內部產生水汽凝結[1]。因此在熱循環試驗中要采取相應措施防止問題發生，如果措施不當，就會導致試驗容器內部有水汽凝結在加電工作產品上，造成漏電量增加、絕緣電阻下降、飛弧、短路、擊穿及燒毀等現象；同時在電、潮濕和溫度的共同作用下，還會引起電化學反應和金屬化腐蝕，從而導致產品內部金屬化系統的失效[2]。因此，合理的除濕裝置對產品的凝露防護至關重要。

1 凝露產生

凝露是生活中很普遍存在的物理現象。通常來說，生活環境里的空氣都含有水蒸氣，而環境里的空氣溫度高，則能夠包含的水蒸氣含量就多；反之，若環境里的空氣溫度低，盡管水蒸氣的含量很少，空氣也能夠達到飽和狀態。因此，濕空氣中的飽和水蒸氣含量與空氣中的溫度成正比。所以，當物體與濕空氣接觸時，物體的縫隙部位、表面及內部溫度降到低于濕空氣的飽和溫度時，則其附近空氣中的水蒸氣就會凝結成“露滴”而附著在其表面，這種現象被稱為“凝露”[3]。

熱循環試驗室常用的高低溫（濕熱）試驗箱等設備的升、降溫，主要通過循環風機、冷凝器風機等設備實現。電子產品在試驗中由低溫到高溫過程中，隨著試驗箱內環境溫度的漸漸升高，由于熱慣性，產品表面的溫度滯后于試驗箱內環境溫度，當濕空氣遇到低于露點的產品時，則水汽就會凝結在產品表面而形成“露滴”。即使產品密封，當試驗箱中的環境溫度在不斷降低時，而實際中產品外殼內壁溫度比產品腔體內空氣溫度降溫快，因此，產品腔體內的濕熱空氣也會在產品外殼內壁凝結成“露滴”。但在實際中大多試驗產品不是完全密封的，凝露現象一般出現在升溫階段[4]。

2 凝露機理

用如下計算公式得到相圖曲線的相對濕度（%）、絕對濕度（g/m3）和溫度（℃）三者之間的相互關系[5]。

在0℃的條件下，絕對濕度（水含量）ρω對溫度t和水蒸氣壓e呈線性關系：

式中:e為水的飽和蒸汽壓；φ為相對濕度；t為溫度。

式（1）用因數100進行了修正，以將單位毫巴轉化為Pa。為了簡化這一公式，引入了絕對溫度T（K）,其中，T=t+273.16。

則水的飽和蒸汽壓e的計算式為

式中：ρω為絕對濕度；ρω·max為最高濕度；E為濕空氣的實際水汽壓。

圖1 露點溫度查算相圖

根據試驗任務書要求的溫度及公式算得的空氣絕對濕度值，在絕對濕度坐標軸找到所對應的濕度值，向下作一條垂直線，交溫度坐標于一點，即為所求露點[6]。

3 試驗分析

某重點型號的電子產品在高低溫（濕熱）試驗箱進行熱循環試驗時，發現試驗箱內溫度由低溫（-42℃）到高溫（77℃）升溫過程中，濕度不穩定，濕度曲線變化幅度大，經過進一步的檢查設備及產品,并多次重復上述溫度升溫過程，發現是由于箱體內充入的干燥空氣仍然含有少量水分，為了防止電子產品發生凝露現象，對產品造成損壞，故對除濕裝置進行了改進。該重點型號的電子產品熱循環試驗條件如表1所示。

該試驗設備的除濕裝置如圖2所示。在試驗開始前，高低溫（濕熱）試驗箱開啟防凝露功能并打開干空氣的管路前級閥門B閥，等待試驗結束后，其溫濕度曲線如圖3所示。

表1 熱循環試驗條件

圖2 改進前除濕裝置結構示意圖

從圖3溫濕度曲線可以看出，在高溫恒溫、降溫以及低溫恒溫階段，濕度在45%RH以內，而在升溫階段，濕度以最大斜率上升，最高值達到73%RH，在隨后的幾組熱循環試驗中，不斷加大試驗的溫度區間，而在升溫階段濕度的上升幅度也在不斷加大，濕度最高值也在增加，因此，試驗產品很大程度上存在凝露隱患。

當把給高低溫（濕熱）試驗箱充入干空氣的管路前級閥門B閥關閉后，試驗箱防凝露功能仍然開啟，只是沒有了干空氣的進入。再做上述試驗時，則濕度曲線如圖4所示。

圖4 關閉干空氣閥后的濕度曲線圖

從圖4濕度曲線可以看出，濕度在升溫階段的幅度有了明顯的降低，在隨后的幾組熱循環試驗中，不斷加大試驗的溫度區間，而在升溫階段濕度的上升幅度也明顯在降低。因此斷定試驗箱里充入的干空氣仍然含有水分，所以除濕裝置沒有滿足要求，需要進一步改進。

4 解決方案

要杜絕凝露的發生，就要保證充入試驗箱內的干空氣符合要求，在實驗過程中讓試驗箱內充滿干燥空氣，充分發揮除濕裝置的除濕功能，最大限度地減少箱體內的水分，保障產品的各項性能參數符合試驗要求。改進后的除濕裝置如圖5所示。

圖5 改進后除濕裝置結構示意圖

對比圖2、圖5可以看出，改進后的除濕設備增加了吸附式干燥機裝置。吸附式干燥機工作原理如圖6所示。

通過變壓吸附裝置，再生循環系統，使壓縮空氣交替流經A、B兩個充滿吸附顆粒的干燥罐體，即當A罐在高分壓（工作壓力）狀態下吸附水蒸氣時，則B罐在低分壓（接近大氣壓）下解析。一個循環完成后，則A、B罐在設定的時間程序下進行切換。

濕空氣從下管路經過單向閥A1方向進入A干燥罐，自下向上流過吸附顆粒，干燥后的空氣從上管路空氣出口處排出，則完成吸附。

部分干燥空氣（約10%）通過上管路調節閥進入B干燥罐，減壓后的干燥空氣自上而下對B干燥罐內的吸附顆粒進行解析再生，使吸附顆?；謴推涓稍锬芰?，再生氣通過下管路單向閥B2及消聲器排放到大氣中，則完成再生。

圖6 吸附式干燥機工作原理圖

圖7 除濕裝置改進后的溫濕度曲線圖

吸附顆粒再生結束后，單向閥B2關閉，B干燥罐升壓至工作壓力，準備切換。當設定的時間程序到達，下管路單向閥B1打開，單向閥A1關閉，單向閥A2打開，A、B兩個干燥罐體完成切換，B罐進入吸附，A罐卸壓再生，則完成切換。

從圖7可以看出，在熱循環試驗的全過程濕度都比較穩定，而在升溫階段，濕度并沒有大幅度上升，濕度的最大值為26%RH，較圖3下降了47%RH。在隨后的幾組熱循環試驗中，不斷地加大試驗的溫度區間，而在升溫階段濕度也沒有出現大幅度上升現象。

5 結論

1）通過多次試驗結果對比，尋找出較好的解決熱循環試驗從低溫到高溫升溫階段濕度大幅度上升的除濕方法，改進后的試驗除濕裝置大大降低了凝露給試驗產品帶來的故障風險；2）通過后期現場試驗驗證，這種除濕方法取得了預期的效果，保障了產品的各項性能參數符合試驗要求。

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