本文重点介绍一种基于干空气自动补偿增压的防凝露解决方案，并通过现场试验数据验证了该方案的可行性。

环境应力筛选中湿度的控制

1.温度箱内气体绝对湿度的影响因素

影响箱内气体露点的根本因素是箱内气体的相对湿度和气体的气压。但箱内气体的绝对湿度为零或很低时，箱内气体在温度下限以上将不会出现凝露现象。而箱内绝对湿度与箱内气体的初始含水量、干空气的补充速度、箱内外的气体交换速度等因素都有关系。下面具体分析箱内气体绝对湿度的几个影响因素：

干空气的置换速度

设：进入温度箱内的干燥空气可以瞬时间与箱内原有气体均匀混合，f1为任意时刻绝对含湿量（g/kg），f0为初始绝对含湿量（g/kg），v为箱体体积，Q为干燥空气的进气量（m3/s），t为时间（s）。则：箱内气体含湿量f1的变化量满足以下的微分方程：

解方程（1）可得：

考虑箱内干燥空气与原有气体混合需要一定的时间以及其它因素，可以将式（2）修正为：

式中：

t-修正系数，它与干空气的流量、箱体大小及结构、箱体的密封性能因素有关。

可见，一定体积的温度箱，通过干燥空气置换的方法来降低箱内气体含湿量时，箱内气体的含湿量是按指数规律变化的，箱内气体含湿量越低，含湿量降低的速率越慢；要尽快降低箱内气体的绝对湿度，应加大干空气的进气量Q。

箱内气温的变化

箱内气温的变化在箱内产生两方面的影响：改变箱内气压、改变箱内气体的相对湿度。这两方面的影响最终都将影响箱内外水蒸气的交换。

设：加速箱体是密封的，P0为箱内初始气压（设为大气压）,箱内容积气体的初始质量为m0 ，T0初始温度，则一定容积V0内的气体，气压P与气体质量m、温度T的关系为：

由式（4）得：

要防止箱外水蒸气进入箱内，则箱内气压变化△P1=P-P0≥0。   

当箱内气体降温，即时△T＜0，△m＞0。因此，必须向箱内补充至少△m质量的同温度的干空气，才能使箱内的气压大于外界大气压P0。

由以上分析可知：当箱内气温降低时，要防止箱外水蒸气进入箱内，必须往箱内充入足量的干空气，充入的干空气量满足：△m＞(m/T). ∣△T∣。

箱内气体流速的变化

箱内气体流速的变化影响箱内气压分布的不均匀，它可以使箱内局部区域产生相对于箱外大气压的负压区，使箱外水蒸气加速进入箱内。

忽略箱内气体密度的变化，则箱内气体流速v与气压P的关系为：

于是，气体流动引起的气压变化△P2为：

可见，在箱内气体流速较快的地方，气压较低，容易在该区域出现气压小于大气压的负压区。因此，箱内中心区域的静气压P应满足P＞P0+∣△P2∣，这样才能保证箱内气体不会出现低于外界大气压的负压区，从而防止外界空气经缝隙进水蒸气入箱体内。

2.温度箱内气体湿度控制的实验及其结论

假设筛选的上下限温度为(-10∽+50)℃，要保证温度箱内不出现凝露，必须保证2个条件：

①试验初期状态的试验箱内空气露点温度高于-10℃，绝对含水量为1.59g/kg，即在常温条件下达到温度25℃，相对湿度8%。

保证试验初期状态的试验箱内空气露点温度高于-10℃，一般采用向试验箱内注入干燥空气，干燥空气机处理后的空气干燥度一般可以达到25℃，相对湿度1%，绝对含水量0.19 g/kg，露点温度可以达到-35℃，根据式（2）或式（3）估算补充干空气所需的时间。

②在试验期间保证箱内的空气和外面的空气没有交换，避免试验箱外含水量高的湿空气进入箱内，从而保证箱内气体的绝对含水量控制在一定限制以下。

为满足条件②，需要保证试验箱内的气压永远高于环境大气压，影响气压变化的主要因素有温度变化、温度箱内的风速，以及外界干燥空气的补充速度。通过干空气的补充来调节箱内气体，可以利用式（5）和式（7）来进行估算一定温变速率和气体流速条件下，补充干空气的流量大小。

为了验证本文理论分析的有效性和可行性，我们在1立方米的常规快速温度变化箱和进行密封处理的低气压箱中进行了以下实验：

1）注入干空气置换实验及其效果

干燥空气机处理后的空气干燥度为25℃，相对湿度0.01%，以160L/min的速率向1立方米快速温度湿度变化湿热试验箱箱内注入处理后的干燥空气置换试验箱内的湿空气，2h后也只能达到30℃，15%RH（见图2，露点温度为0℃），理论上30min内可以达到25℃，相对湿度0.1%。

造成干燥空气置换不充分有两个原因，一是干燥空气进入箱体后没有得到充分混合就排出，因为这是一个渐次混合-排出的循环过程，导致延迟了干燥时间；二是箱体的密封不好，干燥空气的流量小不足以使得有间隙的地方都能向外排出，有的间隙地方还会向箱内流动，而要大流量的干燥空气是比较困难，所以第二种原因是影响的主要因素，要解决这个问题先分析下箱体的结构，箱体存在这较多不密封的因素：

防止气压升高的压力平衡孔、加湿水系统的管路、预留进行检测的引线孔、轴流风机的轴处的密封、制冷蒸发器的管路处的密封、门的密封等，排除上述因素影响后，以低气压箱结构按照上述条件1h后达到常温27℃，相对湿度0%（见图3），说明箱体的密封的好坏直接影响到初始状态的干空气处理效果。

图2 达到30℃，15%RH

图3 达到27℃，0%RH

2）增加箱内气压法防止箱外水蒸气进入箱内的实验验证

在试验前干燥空气置换掉试验箱内的湿空气，还需要保证试验箱外的湿空气不再进入到试验箱内，这样，可以确保试验箱内的露点温度足够高而不至于产生凝露现象，这需要试验箱内存在气流交换的间隙地方气压永远高于环境大气压，一组循环过程中没有注入和注入干空气提升箱内的压力的对比图见图4、图5。

图4 10℃，15%露点温度仅能达到-5℃

图5 -10℃，3.4%，露点温度为-40℃，绝对含水.054g/kg

环境应力筛选中湿度控制的工程设计

经过长期的试验分析与研究，要防止环境应力筛选试验中凝露问题需要在几个方面进行改进设计：

 1.试验箱门的密封结构设计

按照低气压箱的结构模式进行密封和强度的设计，强度可以降低，同时，门处只是考虑到了负压时门的密封性好，正压时门的密封性很差。所以，需要对其门的密封进行结构设计，减少注入的干燥空气的流失，预防箱内压力难以保持正压造成内外空气的交换。

2.湿度控制设计

考虑到在升温的时候需要减压保持箱内的压力不至于过高，还需要有排气的位置，避免压力过高损坏产品，在降温的时候需要增压保持箱内的压力不至于过低，这就需要补充干燥空气，避免压力过低将箱外的湿空气吸进箱内导致湿度升高。经验值认为试验箱内压力高于试验箱外压力2kPa对装备产品没有影响。因此，试验箱箱体设计有可以控制的防止压力升高/降低的压力平衡装置2个，一个用于高温降到低温过程时补充干燥气体，一个用于低温升到高温时排放膨胀气体。

在压力平衡装置箱体端处增加压力传感器，在控制面板上扩展压力测试界面，并设定容差范围，超出容差时给电磁阀通断信号，进行排气/充气，保障压力一直高于环境大气条件压力2kPa。

在试验箱内加装配置温度湿度一体化传感器，在控制面板上扩展湿度测试界面，在进行试验前的干燥空气预处理时，可以观察到试验箱内的湿度情况能够达到常温状态下，湿度为0，延迟30min后有声响提示，工作人员只有观察干燥处理达到时才开始进行试验，并且，在试验过程中可以实时监测到试验箱内的温度湿度情况，确保试验箱内的空气干燥。

3.增加一台空压机和空气干燥处理机

处理的能力可以达到100L/min，绝对含水量为近似为0，在预处理时通过电磁阀控制置换试验箱内的湿空气，在试验过程中箱内压力达不到时补充干燥空气提高箱内压力，均在控制器中编程控制，具有干燥空气注入湿度达到0并延时1h后，提示可以进行正式试验，试验过程中通过压力检测信号控制电磁阀的开关，达到保证箱内正压的功能。

引用本文：吴豪，李建刚，江思杰. 环境应力筛选中湿度控制的研究[J].环境技术，2020，227(5):117-122.

专家简介：吴豪，中国船舶重工集团公司第七二二研究所，男，本科，工程师，主要从事环境与可靠性试验技术工作。