液冷机载电子设备凝露分析

郭建平， 赵亮， 任召， 杨明明

（航空工业西安航空计算技术研究所，西安710068）

0 引 言

凝露是指水蒸气在温度低于周围空气露点的表面凝结的现象[1]，凝露会使水蒸气转变成液态水。相对湿度是指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比；空气湿度是指空气潮湿的程度，可用相对湿度来表示；露点温度是指含有水蒸气的空气的饱和温度。湿度、温度和露点的相关数据如表1所示。

表1 相对湿度、温度和露点温度

从表中可以得出以下结论：1）相对湿度是影响凝露的重要因素，在环境温度相同的情况下，相对湿度越高，露点温度越接近环境温度；2）不管环境温度及相对湿度条件如何，露点温度一定低于环境温度。

液冷机载电子设备采用外部源冷-液冷冷却方式进行散热，在实际使用中液冷温度很可能低于环境温度，因此具备产生凝露的条件。而机载电子设备中如果出现凝露，则有可能导致电路短路，从而引发故障或事故，因此有必要对机载电子设备产生凝露的条件进行分析，以便有针对性地进行防凝露或排水设计。

1 机载电子设备典型试验环境条件及凝露分析

1.1 典型环境条件

1）高温试验。用于评价高温条件对成品附件的安全性、完整性和性能的影响。考核成品附件在高温环境下贮存和工作的适应能力[2]。此类试验是产品在70℃条件下保温一定时间，然后通液冷，产品加电工作。

2）低温试验。用于评价低温条件对成品附件的安全性、完整性和性能的影响。考核成品附件在低温环境下贮存和工作的适应能力[3]。此类试验是产品在-55 ℃条件下保温一定时间，然后通液冷，产品加电工作。

3）温度冲击试验。用于考核成品附件在周围大气温度急剧变化的环境下不产生物理损坏或性能下降的能力[4]。此类试验是环境温度在-55 ℃和+70 ℃之间交变，产品通液冷并保持工作。

4）湿热试验。用于考核成品附件耐湿热大气影响的能力[5]。湿热试验升温速率为0.25 ℃/min；降温速率为0.125 ℃/min，产品检测时通液冷并工作。

5）调试环境。调试环境主要分为夏天和冬天，春天和秋天的环境条件介于两者之间。夏天气温高，湿度大；冬天气温低，湿度低。

1.2 凝露分析

1）高温试验。根据凝露原理，在这种情况下，如果液冷温度比较低，机载电子设备温度必然低于70 ℃，如果环境湿度较大，则会产生凝露；如果湿度较小，则不会产生凝露。

如果环境温度为70 ℃，相对湿度为95%的情况下，机载电子设备温度在69 ℃以下就会产生凝露；而相对湿度为33%的情况下，机载电子设备温度在39 ℃以下才会产生凝露。

2）低温试验。根据凝露原理，在这种情况下，如果液冷温度在25 ℃左右，机载电子设备上温度肯定高于环境温度，产品上不会出现凝露。

3）温度冲击试验。根据凝露原理，在这种情况下，环境温度从低温变换到高温过程中，由于热惯性，机载电子设备上温度没有环境温度变化快，因此，会产生凝露；而环境温度从高温变换到低温过程中，由于热惯性，机载电子设备上温度没有环境温度变化快，因此温度高于环境温度，不会产生凝露。

环境温度为30 ℃，相对湿度为93%的情况下，机载电子设备温度在29 ℃以下的情况下会产生凝露。环境温度为51 ℃，相对湿度为28%的情况下，机载电子设备温度在20 ℃以下的情况下会产生凝露。

4）湿热试验。如前所述，湿热试验升温速率为0.25℃/min，随着环境温度的慢慢增加，机载电子设备上温度也在不断增加，因此很难达到凝露的条件，不会产生凝露；在降温阶段，降温速率为0.125 ℃/min，机载电子设备上温度不会比环境温度低，因此不会产生凝露。

5）调试环境。夏天环境温度高，环境湿度大。当液冷电子设备供液温度为25 ℃时，只要环境温度高于30 ℃且湿度大于73%时就会产生凝露。冬天环境温度低，湿度低，当液冷电子设备的供液温度为25 ℃时，只要环境温度不高于25 ℃，即使湿度高于90%也不会产生凝露。

1.3 关于液冷模块的凝露

液冷模块在工作中凝露与否与上述分析一致，需要说明的有以下几点：

1）液冷模块比较特殊，在工作过程中通冷却液，这就决定了在工作中壳体温度很可能会比环境温度低，增加了凝露的可能性。

2）液冷模块不是完全密封的，由于壳体内部通过导热垫与元器件接触，模块内部温度肯定高于模块外壁温度，因此液冷模块一般是在壳体外壁上形成凝露。

3）凝露形成的条件是热空气遇到冷产品。在试验升温时，热空气是不可能进到安装在机架内部的模块壳体内部的，因此不具备凝露条件；而在实际使用时是先通冷却液再对产品加电，因此模块内部的空气是慢慢和产品一起变热，最终达到一个平衡状态，也不具备凝露形成的条件。另外，模块内部除去电路板、芯片等体积，剩下的体积约为0.002 m3，按模块装入机架内的温度为25 ℃计算，模块内空气含水量为0.04 g，可以忽略不计。

2 高低温箱试验中凝露分析

目前，国内温度试验箱仍然采用的是空调的制冷或加热原理进行降温或者升温，在此过程中箱内箱外存在空气交换，在一定湿度条件下，当较高温度的空气接触到较低的产品表面时就会产生凝露。

温度交变试验中产品产生凝露的过程是：当环境条件处于低温升高温时，箱中环境温度逐渐升高，而产品温度较环境温度上升慢，在升温初期阶段，产品温度和环境温度相差越来越大，当产品表面达到露点温度后开始产生凝露。随着产品温度越来越高，逐渐高于露点温度，凝露现象逐渐消失。如果产品密封，当环境条件处于高温降低温时，产品外部温度越来越低，而内部降温缓慢，逐渐使产品外壳与产品内部环境之间形成了较大温差，具备了凝露产生的条件，在产品内壁形成凝露。若产品不密封，则产品内外部温度降低速度相差不大，温差也不大，一般不会形成凝露。

3 关于凝露的量

当产品表面产生一定的凝露后，产生的凝露将产品和空气隔开，阻止了凝露的进一步产生。因此，凝露产生的量一般是产品表面薄薄一层，在受重力作用后会继续产生少量凝露。

另一方面，试验箱或者设备舱内一般处于一定的封闭状态，因此空气中的含水量是一定的，这也决定了凝露一般较少。

4 结 论

从以上分析可以看出，液冷机载电子设备凝露的产生和环境温度、湿度及供液温度都有紧密关系。为了避免凝露发生或减少凝露的危害，可以采取以下几点措施：

1）在满足散热要求的前提下，提高液冷供液温度可缩小电子设备与环境温度的温差，避免了凝露产生的必要条件，可以防止凝露产生。

2）由于液冷机载电子设备在实际使用中各种极端条件均可能会遇到，有可能提高了供液温度后在极端条件下仍会产生凝露。所以一方面需要做好电路的“三防”，避免少量的凝露导致电路功能失效；另一方面需要在液冷机载电子设备里设计排水通道，将产生的凝露及时导出到电子设备外部，避免大量凝露聚集引起电子设备失效。