溫度循環條件下某光電艙結霧現象分析

劉 志，羅吉，任國華，衛麗君

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溫度循環條件下某光電艙結霧現象分析

劉 志1，羅吉1，任國華2，衛麗君1

（1. 北京華航無線電測量研究所，北京100013；2. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

溫度循環篩選是提高產品可靠性的重要手段之一，而光電試驗艙內溫度循環引發的呼吸作用可能是導致光電產品結霧的原因。文章詳細分析了某光電艙溫度循環時低溫結霧的現象，通過理論計算和相關試驗，表明器件內部水汽含量過大是此現象出現的主要原因，而密封結構的呼吸作用影響較小。根據以上結果，提出了相關解決措施。

光電試驗艙；密封結構；溫度循環；水汽含量；呼吸作用；結霧；漏率

0 引言

產品結構設計中，為避免或減小外部環境對內部系統的影響，通常會設計密封結構。密封結構使內部與外界環境隔離，既能保護內部材料表面和內部安放的器件不受腐蝕，又可減輕結構件重量、節省材料。O型圈密封屬于比較常用的密封形式，合適的密封設計能達到很高的接合面壓力，一般可滿足防水和氣密要求。而工程實際中，一些密封結構長時間放置或經歷外界往復的溫度、氣壓變化，內部會出現結霧，嚴重的出現積水，造成腐蝕。一般認為此現象為密封結構的呼吸作用導致，是受環境大氣溫度變化影響的必然結果[1]。在呼吸作用下密封結構內空氣含濕量越來越大，當相對濕度偏高時，低溫區域附近容易達到露點溫度，導致水蒸氣冷凝成液態水，產生結霧現象[2]。呼吸作用的進行是一個非常緩慢的過程，在短期內可能不會影響器件的工作性能[3]。

某光電艙研制過程中發現，在溫度循環由高溫降至低溫階段時，光電艙鏡片內壁出現結霧現象。為查明是否為光電艙密封性能設計不足，發生較嚴重的呼吸作用所致，進行了理論計算和試驗分析。

1 結霧現象

某光電艙結構如圖1所示，在研制中按要求需要進行6個溫度循環篩選，條件為：高溫60℃，保持2h；低溫-40℃，保持2h，溫變速率15℃/min。篩選進行時發現溫度循環試驗箱由高溫60 ℃降溫至-40℃過程中，光電艙鏡片的內壁從某個循環開始有水霧凝結，低溫保持階段水霧消失。該現象通常不會在剛開始的幾個溫度循環中出現，而是進行到某個循環階段后才出現；一旦出現，后續溫度循環中由高溫降至低溫階段水霧會重復出現。

A. 光學探測器；B. 光學鏡頭；C. 密封結構；1,2,3. O型密封圈。

-40 ℃時可見光光路結霧，會對光學成像造成一定影響。為提高產品可靠性，降低產品使用風險，有必要對此現象進行分析，以制定合理的解決措施。

2 光電艙性能要求及氣密性指標

光電艙在正常大氣壓下使用，研制任務書要求產品氣密，但無量化的漏率指標；例行試驗要求產品工作的最惡劣工況為-40℃。氣密性檢查時參考同類光電產品的指標，要求在常溫時進行打壓檢驗，即產品內部加壓至130kPa（內外壓差30kPa，產品由25℃降溫至-40℃，內部氣壓下降21.8kPa），保壓3h壓降≤5%；同時考慮到光學系統的特點，要求產品在6個溫度循環過程中無結霧現象。

圖1中，光電艙由外部密封結構（C）和內部光學器件（A、B）組成。密封結構（C）的構件通過螺釘進行連接，由硅橡膠O型密封圈（1,2,3）進行密封，鏡片通過硅橡膠粘接在構件上，組成密封結構的一部分。光學探測器（A）與光學鏡頭（B）一起安裝在光電艙內部。光電艙內部空間可分為3部分：光學探測器A內部空間Ⅰ，光學鏡頭B內部空間Ⅱ，以及光電艙內除Ⅰ和Ⅱ外的空間Ⅲ，實際內部空間（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ）總和為=6×105mm3。按工藝流程，光電艙在進行溫度循環篩選試驗前進行了氣密性檢查，向其內部沖入高純氮氣，加壓至130kPa，保壓3h后讀取壓力表數值，發現氣壓未下降，故按評判標準認為光電艙的氣密性達到設計指標。氣密性檢查通過后，向光電艙內部充入高純氮氣，氣壓為1atm。

3 結霧現象分析

一定壓力下的不飽和水汽，在溫度降低時，會逐漸變得飽和而使部分水汽凝結為露（霜）。此時，水從氣相變為液相，對應的溫度稱為露點，水分含量亦稱為飽和水汽密度（絕對濕度）。在一定壓力下，露點與飽和水汽密度是一一對應的，因此空氣中水汽含量也可以用露點表示，標準[4]中已有準確測量值可供理論計算時參考（見表1）。在降溫過程中，光電艙光學鏡片內壁有霧氣出現，表明艙內密封空間中的水汽密度達到了該溫度下的飽和水汽密度，而根據光電艙的結構特征，溫箱降溫過程中，鏡片處的溫度較低，霧氣便凝結在鏡片內壁。

表1 溫度與飽和水汽密度

根據溫度循環結霧現象分析：當溫度下降至-40℃時，光電艙內部有霧氣（霜）凝出，說明此時空間Ⅲ內的水汽密度應不低于該溫度下飽和水汽密度（0.102g/m3）。而溫度循環前已向光電艙內充入高純氮氣，實際測試該氮氣露點為-71℃，且在起初幾個溫度循環中并未觀察到結霧現象，說明期間空間Ⅲ內的水汽密度低于該溫度下飽和水汽密度，也就是說執行氮氣充入工藝時未引入水汽。但隨著溫度循環次數的增加，空間Ⅲ內的水汽密度逐漸升高，到觀察到結霧現象時，已超過該溫度下飽和水汽密度。

4 氦質譜檢漏及漏率評定

為進一步評估光電艙密封性能，抽取同批次、同狀態2套氣密性合格的光電艙作為試件，委托某研究所對光電艙進行檢漏，根據對航天產品常用泄漏檢測方法的分類及介紹[5]，結合產品使用工況，選擇氦質譜檢測方法來定量測量系統漏率。設計了常溫負壓工況、高溫工況、低溫負壓工況的系統漏率測量試驗。實際測量時選取了不同工況，以全面評估密封結構的密封性能，檢測結果見表2。

表2 光電艙漏率檢測結果

光電艙沒有量化的漏率指標，需參考同類型產品漏率指標以及產品實際使用情況綜合評價其密封性能。盛放介質毒性程度為極度危害的容器，對氣密性要求嚴格，一般允許的泄漏率為不大于1×106Pa·m3·s-1[6]。大型空間環境模擬器中用到的熱沉，其密封性能直接影響到模擬器所模擬的冷、黑真空環境的指標，其漏率也要求較高，實際使用中對每一級熱沉進行漏率測試，保證熱沉整體最大允許漏氣率＜1.33×10-6Pa·m3·s-1[7]。載人航天器密封系統設計中，要求密封艙體結構單位長度焊縫漏率＜2.0×10-7Pa·m3·s-1·m-1[8]。從表2給出的漏率檢測結果看，光電艙密封結構的實測漏率也基本達到了10-7量級，實際工作時內外壓差不超過21.8kPa，工況良好，因此，可認為光電艙密封性能滿足使用要求。

5 水汽來源分析

5.1 外部引入水量分析

由理想氣體狀態方程=可知，密封腔體內氣體壓力因溫度變化而變化。式中：為氣體壓力，Pa；為氣體體積，m3；為氣體的物質的量，mol；為氣體摩爾常數，8.3143J/(K·mol)；為氣體熱力學溫度，K。當密封結構內氣體溫度發生變化時，氣壓也隨著變化，其變化量為

Δ=Δ/。 (1)

若結構密封性能不足，溫度循環的高溫階段，艙內溫度升高，艙內氣體就會自內向外流出；溫度循環的低溫階段，艙內溫度降低，氣體就會自外向內流入。由于不可能做到絕對的氣密，光電艙肯定存在一定的泄漏率，即艙內溫度變化時會有呼吸作用。

如系統結構密封性能不足、固有漏率過大，在溫度循環時的呼吸作用下，溫箱內水汽進入艙內，也可導致光電艙鏡片出現結霧現象。為評估該密封結構經溫度循環后會否引入水汽及引入水汽的量，下面進行理論分析和試驗驗證。

5.1.1 理論分析

目前，光電艙在嚴格控制濕度的25℃條件下進行裝配，內部氣壓為1atm，即101kPa；可利用式(1)計算出溫度循環高低溫狀態下艙內氣壓1的變化：60℃溫度穩定時，1=101+11.7=112.7kPa；-40℃溫度穩定時，1=101?21.8=79.2kPa。即，單個溫度循環時，氣體既有流入也有流出。

一定空間內空氣水汽含量為

=， (2)

式中：為相對濕度，%；為飽和水汽密度，g/m3。

假設：1）充入氮氣后，空間Ⅲ內水汽密度為露點-70℃；2）對光電艙進行72個溫度循環試驗，試驗結束后，空間Ⅲ內水汽密度為露點-40℃；3）各個循環進入的水汽量相等，為0，則有

0=(-40?-70)3/。 (3)

式中：-40和-70分別為-40和-70℃時的飽和水汽含量，g/m3；3為空間Ⅲ的體積，mm3；為溫度循環次數。計算得0=8.3×10-7g=0.83μg。

光電艙的溫度循環條件為60℃高溫2h，-40℃低溫2h，單個循環進入的水汽量為1；若在-40℃低溫下保持4h，單個循環進入的水汽量為2，則1＜2。常溫負壓氦質譜檢漏測定光電艙的漏率為=7.4×10-7Pa·m3/s，可判定該漏率下氣體分子沿漏孔的流動狀態為分子流[9]。25℃條件下，內部真空度低于5Pa，外部氣壓1×105Pa，則

(21)。 (4)

式中：為測定漏率，為流導，2為外部氣壓，1為光電艙內部氣壓；可計算出漏孔的流導≈7.4×10-12m3/s，假設漏孔可等效為一圓截面長管，其流導與漏孔的模型可簡化為[9]

式中：f為分子流時圓截面長管流導，m3/s；為管道直徑，m；為管道長度，m；為氣體摩爾質量，kg/mol；為氣體溫度，K。

可以推測出-40℃時，漏孔對水分子的流導為H2O, -40=3.08×10-12m3/s，據此計算光電艙在-40℃時對水的漏率

H2O, -40=H2O, -40·Δ。 (6)

此時光電艙內外壓差為Δ=1.97×104Pa，水的飽和蒸汽壓為，空氣濕度為，則環境大氣進入光電艙內部的水汽含量-40為

式中，為-40℃時環境試驗箱的大氣壓力，為1個標準大氣壓。

光電艙在-40℃環境下保持4h，則進入密封結構內部的水汽含量可由

==-40。 (8)

計算得到，進入水汽的物質的量=5.78×10-18mol，其質量2=1.004×10-16g，2遠小于0，說明單個溫度循環進入的水汽含量不足以構成光電艙內壁結霧的水汽來源。

5.1.2 試驗驗證

選取出現結霧現象的光電艙樣品1套進行摸底試驗。試驗前拆除內部光學元件，僅組裝密封結構，組裝后，該密封結構通過了氣密性檢查驗證，然后內部充入高純氮氣，將密封結構內原空氣置換出，按溫度循環條件進行摸底試驗。首個循環未觀察到結霧現象，證明氮氣置換充分有效；繼續溫度循環試驗至第72個循環，仍未觀察到光電艙光學鏡片上有霧氣出現，說明內部絕對水汽含量仍未富集至露點（-40℃），證明此溫度循環條件下，單個循環引入水汽量遠小于0.83μg。表明該密封結構氣密性能滿足工程使用要求，呼吸作用不是光電艙結霧的主要原因。

5.2 內部固有水汽含量分析

-40℃時飽和水汽密度-40=0.102g/m3，則光電艙在-40℃時的臨界水汽含量為=-40·=6×10-5g=60μg，即光電艙在-40℃結霧的必要條件為內部水汽含量超過60μg。下面對圖1所示的光電艙內部3個空間的水汽含量逐一進行計算。

1）空間Ⅰ水汽含量

光電器件裝配車間有嚴格的溫濕度控制，裝配作業時濕度維持在25%，室溫維持在25℃，此時飽和水汽密度25=25.1g/m3，光學探測器內部結構如圖2所示，內部（空間I）的體積為A，A=5.0×104mm3；組件內水汽含量為A=25%×25×A=3.1×10-4g=310μg，A≈5。

圖2 光學探測器A內部結構示意

2）空間Ⅱ水汽含量

如圖3，空間Ⅱ為光學鏡頭（B）內部空間，由鏡片區和遮光筒組成；鏡片區內由6個光學鏡片組成，鏡片通過止檔卡在結構上，無密封措施，鏡片區內空間體積為1；遮光筒對外敞開，體積為2。

圖3 光學鏡頭B外形示意圖

可計算出1=1.2×103mm3，2=1.45×104mm3；現有充氮工藝不易將鏡片區內氣體排出，但1較小，僅為探測器內空間體積（A）的2.4%，鏡片區內水汽含量為V1=25%×25×1=7.44μg=0.124；遮光筒空間對外開放，充氮時水汽可排出，因此，可以認為光學鏡頭內部空間的水汽含量B≈V1。

3）空間Ⅲ水汽含量

空間Ⅲ為密封結構C圍成的除探測器A和鏡頭B外的空間，其體積為3=5.343×105mm3，其水汽絕對含量為0=25%×25×3=3.352×10-3g（3352μg），是臨界水汽含量的55.8倍。

因此，如不進行氮氣置換工藝，溫度降至-40℃時，必然結霧。執行氮氣置換工藝后，該處空間內的水汽大部分可排出，但暫無法計算殘留量；若產品在氮氣置換后進行溫度循環，鏡片處不出現霧氣，說明氮氣置換后空間Ⅲ內部的水汽含量C＜。

4）小結

在執行氮氣置換工藝后，探測器A（空間Ⅰ）內水汽含量A≈5，鏡頭B（空間Ⅱ）內含水汽含量B≈0.124，空間Ⅲ內部水汽含量C＜，故探測器A內水汽是光電艙結霧的主要原因。

由于探測器A為獨立的半密封空間，常規氮氣置換方法短時間內無法將空間Ⅰ內的水汽完全置換，在長時間存儲或試驗過程中，空間Ⅰ內的水汽將慢慢釋放，向空間Ⅲ內富集，最終造成低溫結霧現象，與實際觀察到的試驗現象相符。

6 問題總結及解決措施

本文通過對光電艙結霧機理、結構密封性能及產品內部結構的分析，并結合相關試驗，證明此次光電艙溫度循環結霧現象發生的主要原因是光學探測器內部固有水汽含量過大所致，密封結構的呼吸作用不是主要原因。

解決該問題可采取如下措施：

1）加強光電產品裝配環境控制，如提供純氮氣裝配作業環境等；

2）探測器等光學器件在純氮氣環境下裝配，降低其內部水汽含量；

3）對探測器等光學器件進行全密封設計，避免空間Ⅰ內殘留水汽外溢；

4）通過試驗等改進氮氣置換工藝，延長氮氣置換時間，最大限度降低空間Ⅲ內殘留水汽含量。

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（編輯：閆德葵）

Analysis of fogging phenomenon in a sealed cabin under condition of temperature cycling

LIU Zhi1, LUO Ji1, REN Guohua2, WEI Lijun1

(1. Beijing Institute of Huahang Radio Measurement, Beijing 100013, China；2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Temperature cycle screening is important to improve the product reliability, and the respiration is a main cause of fogging in optoelectronic products, thus the study of fog phenomenon in photoelectric products under the condition of temperature cycle is of significance for similar engineering problems. The low-temperature fogging during the temperature cycle of a sealed chamber is analyzed in detail in this paper. Theoretical calculation and the experiment show that the internal moisture content of the device is the main factor of fogging. The respiration of the chamber’s sealed structure has a relatively small effect. Technical improvements can be made based on this finding.

photoelectric test tank; sealed structure; temperature cycle; water content; respiration; fogging; leakage rate

V416.4; X830.7

A

1673-1379(2017)04-0376-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.006

劉志（1988—），男，碩士學位，主要研究領域為機械結構設計及結構優化分析等。E-mail: liuzhi_1988@126.com。

2016-12-25；

2017-07-24