预防热循环试验中试件结露的方法及其除湿效果试验验证

刘 媛，王晓明，高 辉，李志宏

（中国科学院国家空间科学中心，北京100190）

0 引言

结露现象在航天电子产品热循环试验中十分常见，产品表面结露会造成电器设备短路、电化学腐蚀等严重后果。因此GJB 1027A—2005《运载器、上面级和航天器试验要求》有明确要求：在非密封组件进行热循环试验时，为防止低温时在组件表面和内部产生冷凝水，可在容器内充满干燥空气或氮气，而且试验的最后半个循环采用高温半循环。

本文在分析热循环试验中试件结露原因的基础上，通过设计试验对热循环试验中常采用的蒸发器除湿及充氮气除湿方法进行验证比较，以求达到更好的除湿效果，从而避免试件结露。

1 结露原因分析

根据热力学原理，当一定温度的空气中水蒸气的分压力 p达到该温度下水蒸气的饱和蒸气分压p vb时，水蒸气就会凝结成水。空气中水蒸气含量越高，越容易结露；当空气中水蒸气含量不变，空气的温度逐渐降低到该压力下水蒸气的饱和温度时，也会结露。

在热循环试验低温阶段，由于箱体并非绝对密封，箱外的湿空气会进入到箱体内，使箱内湿度升高。试验降温过程中，箱内蒸发器中的制冷剂蒸发吸热，会使蒸发器表面温度降低很多，造成水蒸气凝结在蒸发器上；试验升温过程中，蒸发器上的水又变成水蒸气使箱内湿度增加。热循环试验升温过程中，试件温度相对于试验箱内空气温度变化略慢，当试件温度低于试验箱内温湿度所对应的露点温度时，试件上就会结露。因此在热循环试验中要采取有效的除湿措施，防止组件表面和内部发生水蒸气冷凝结露。

2 预防结露的方法

2.1 蒸发器除湿

有些温度试验箱自带除湿系统，利用箱内蒸发器在制冷剂蒸发时要吸收大量的热量，使蒸发器表面温度降低很多，从而将箱体内空气中的水蒸气冷凝成水并排出。

2.2 充氮气除湿

持续向试验箱内充入氮气，并使试验箱内保持正压环境，以阻止试验箱外部水蒸气的进入，同时将试验箱内的湿空气置换出去。根据经验值，容积为1 m的试验箱，氮气供应量需达到100 NL/min，且试验箱尽可能密封。

3 除湿效果验证试验设计

为验证采用不同方法的除湿效果，设计了6种验证工况：1）不采取除湿措施；2）热循环试验先高温/蒸发器除湿；3）热循环试验先低温/蒸发器除湿；4）热循环试验高温不充氮气；5）热循环试验全程充氮气；6）常温充氮气至湿度降至3%RH 以下再开始热循环试验。

按照常用的热循环试验温度范围设计试验条件：温度范围-40～80℃，温变速率5℃/min，高温保持1 h，低温保持2 h，循环5次。试验箱为容积为1 m的机械制冷温度箱。采用经过检定校准的温湿度传感器测量箱内温湿度。充氮气除湿时由10 m液氮罐提供液氮，经汽化量为100 m/h 的汽化器汽化后得到氮气，试验中控制氮气流量为169.8 L/min，确保氮气充足和持续通入。

观察并记录试验全过程箱内气体的温度和相对湿度。相对湿度RH%是实际水蒸气分压p和同温度下水的饱和蒸气压p的百分比：

式中R为水蒸气的气体常数，R=R/M，其中R为理想气体常数，M 为水的摩尔质量，计算得到R=461.52。

如：查表得-40℃下水的饱和蒸气压p为12.877 Pa，测得相对湿度为34%RH，则可计算出气体的实际水蒸气分压p为4.378 Pa，含水量约为0.04 g/m。

4 除湿效果分析与比较

4.1 不采取除湿措施的试验结果

图1是未采取任何除湿措施时，热循环试验过程中箱内气体的温度、湿度、含水量变化情况。作为除湿效果的空白参照试验。

图1 热循环试验过程中箱内气体的温度、相对湿度、含水量变化（未采取除湿措施）Fig.1 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test(without dehumidification)

4.2 蒸发器除湿效果分析

图2和图3分别为蒸发器除湿时，进行高温开始和低温开始热循环试验过程中箱内气体的温度、湿度、含水量变化情况。

图2 热循环试验过程中箱内气体的温度、相对湿度、含水量变化（蒸发器除湿/高温开始）Fig.2 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test(evaporator dehumidification with high starting temperature)

图3 热循环试验过程中箱内气体的温度、相对湿度、含水量变化（蒸发器除湿/低温开始）Fig.3 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test (evaporator dehumidification with low starting temperature)

通过试验结果可知，蒸发器除湿方法在高低温保持阶段的相对湿度都不高，但在升、降温过程中相对湿度均先升后降。分析相对湿度升高的原因发现，一方面由于升温阶段压缩机不会持续工作，蒸发器在低温阶段吸附的大量冷凝水遇热变成水蒸气重新回到试验箱内，导致相对湿度升高，增加了结露的可能性；另一方面在降温过程中，随着温度降低，饱和蒸汽压显著降低，使得空气中的水蒸气凝结、相对湿度升高。而且热循环试验设备并非完全密封，这就造成箱外压力高于箱内压力，箱外空气渗入箱内，箱内的水蒸气在低温下会结霜，升温时箱壁上的结霜融化导致箱内气体相对湿度升高，依然可能结露。随着升温过程进行，箱内温度迅速升高，压力也会同比增大，箱内压力大于箱外，有利于箱内湿空气排出，同时饱和蒸汽压升高，相对湿度降低。

另外，图2和图3的比较验证了在试验中先高温再低温对除湿效果影响不大。

4.3 充氮气除湿效果分析

图4～图6分别为热循环试验过程中，高温不充氮气、全程充氮气以及常温先充氮气至相对湿度降至3%以下并全程充氮气3种情况的温度、湿度、含水量变化情况。

图4 热循环试验过程中箱内气体的温度、相对湿度、含水量变化（高温不充氮气）Fig.4 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test (high temperature without nitrogen)

图5 热循环试验过程中箱内气体的温度、相对湿度、含水量变化（全程充氮气）Fig.5 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test(full-time nitrogen filling)

图6 热循环试验过程中箱内气体的温度、相对湿度、含水量变化（常温先通氮气至相对湿度≤3%）Fig.6 The change of temperature,humidity and moisture content in the thermal cycling test (nitrogen charging at normal temperature until RH%≤3%)

从试验结果可知：常温先充氮气至相对湿度降至3%以下并全程通氮气试验除湿效果最佳，含水量不超过0.8 g/m；全程充氮气时，试验第1个循环升温阶段含水量最高达到1.1 g/m，其他循环含水量最高不超过0.3 g/m；高温不充氮气时，试验第1个循环升温阶段含水量最高达到2.5 g/m，其他循环含水量最高不超过1.8 g/m。可见，若不在常温阶段提前充入氮气则会出现首循环升温阶段含水量较高的现象，其原因可能是首循环氮气未将箱内湿空气置换完全就进入0℃以下的低温，导致水蒸气凝霜，相对湿度虽然降低，但升温阶段霜化为水会重新导致箱内气体含水量的上升。

4.4 除湿效果比较

比较以上6种试验结果（表1）发现：在低温阶段蒸发器除湿与充氮气除湿的效果相差不大，蒸发器除湿最高含水量0.019～0.031 g/m，充氮气除湿最高含水量0.020～0.038 g/m；降温阶段充氮气除湿最高含水量0.021～0.024 g/m，而蒸发器除湿最高含水量10.20～11.06 g/m；在高温和升温阶段，蒸发器除湿到高温阶段相对湿度才会下降，含水量最高可达24.60 g/m，但充氮气除湿在升温阶段初期相对湿度就可降为0，计算出含水量也为0，可以有效避免结露。

表1 除湿效果比较Table 1 Comparison of dehumidification effect of various approaches

5 结束语

本文通过设计试验，验证了蒸发器除湿和充氮气除湿在热循环试验实际应用中的效果：蒸发器除湿起到一定效果，但升温阶段相对湿度明显升高，除湿效果不佳。常温阶段充入氮气降低相对湿度后再进行试验是更为可靠有效的除湿方法，可以满足热循环试验需要干燥的要求。但本文未对箱外不同环境湿度、不同温变速率、不同试验温度以及蒸发器除湿与充氮气除湿共同作用时等更多的情况进行验证，未来可进行更深一步的研究验证。