液冷機載電子設備凝露分析

郭建平， 趙亮， 任召， 楊明明

（航空工業西安航空計算技術研究所，西安710068）

0 引 言

凝露是指水蒸氣在溫度低于周圍空氣露點的表面凝結的現象[1]，凝露會使水蒸氣轉變成液態水。相對濕度是指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比；空氣濕度是指空氣潮濕的程度，可用相對濕度來表示；露點溫度是指含有水蒸氣的空氣的飽和溫度。濕度、溫度和露點的相關數據如表1所示。

表1 相對濕度、溫度和露點溫度

從表中可以得出以下結論：1）相對濕度是影響凝露的重要因素，在環境溫度相同的情況下，相對濕度越高，露點溫度越接近環境溫度；2）不管環境溫度及相對濕度條件如何，露點溫度一定低于環境溫度。

液冷機載電子設備采用外部源冷-液冷冷卻方式進行散熱，在實際使用中液冷溫度很可能低于環境溫度，因此具備產生凝露的條件。而機載電子設備中如果出現凝露，則有可能導致電路短路，從而引發故障或事故，因此有必要對機載電子設備產生凝露的條件進行分析，以便有針對性地進行防凝露或排水設計。

1 機載電子設備典型試驗環境條件及凝露分析

1.1 典型環境條件

1）高溫試驗。用于評價高溫條件對成品附件的安全性、完整性和性能的影響。考核成品附件在高溫環境下貯存和工作的適應能力[2]。此類試驗是產品在70℃條件下保溫一定時間，然后通液冷，產品加電工作。

2）低溫試驗。用于評價低溫條件對成品附件的安全性、完整性和性能的影響。考核成品附件在低溫環境下貯存和工作的適應能力[3]。此類試驗是產品在-55 ℃條件下保溫一定時間，然后通液冷，產品加電工作。

3）溫度沖擊試驗。用于考核成品附件在周圍大氣溫度急劇變化的環境下不產生物理損壞或性能下降的能力[4]。此類試驗是環境溫度在-55 ℃和+70 ℃之間交變，產品通液冷并保持工作。

4）濕熱試驗。用于考核成品附件耐濕熱大氣影響的能力[5]。濕熱試驗升溫速率為0.25 ℃/min；降溫速率為0.125 ℃/min，產品檢測時通液冷并工作。

5）調試環境。調試環境主要分為夏天和冬天，春天和秋天的環境條件介于兩者之間。夏天氣溫高，濕度大；冬天氣溫低，濕度低。

1.2 凝露分析

1）高溫試驗。根據凝露原理，在這種情況下，如果液冷溫度比較低，機載電子設備溫度必然低于70 ℃，如果環境濕度較大，則會產生凝露；如果濕度較小，則不會產生凝露。

如果環境溫度為70 ℃，相對濕度為95%的情況下，機載電子設備溫度在69 ℃以下就會產生凝露；而相對濕度為33%的情況下，機載電子設備溫度在39 ℃以下才會產生凝露。

2）低溫試驗。根據凝露原理，在這種情況下，如果液冷溫度在25 ℃左右，機載電子設備上溫度肯定高于環境溫度，產品上不會出現凝露。

3）溫度沖擊試驗。根據凝露原理，在這種情況下，環境溫度從低溫變換到高溫過程中，由于熱慣性，機載電子設備上溫度沒有環境溫度變化快，因此，會產生凝露；而環境溫度從高溫變換到低溫過程中，由于熱慣性，機載電子設備上溫度沒有環境溫度變化快，因此溫度高于環境溫度，不會產生凝露。

環境溫度為30 ℃，相對濕度為93%的情況下，機載電子設備溫度在29 ℃以下的情況下會產生凝露。環境溫度為51 ℃，相對濕度為28%的情況下，機載電子設備溫度在20 ℃以下的情況下會產生凝露。

4）濕熱試驗。如前所述，濕熱試驗升溫速率為0.25℃/min，隨著環境溫度的慢慢增加，機載電子設備上溫度也在不斷增加，因此很難達到凝露的條件，不會產生凝露；在降溫階段，降溫速率為0.125 ℃/min，機載電子設備上溫度不會比環境溫度低，因此不會產生凝露。

5）調試環境。夏天環境溫度高，環境濕度大。當液冷電子設備供液溫度為25 ℃時，只要環境溫度高于30 ℃且濕度大于73%時就會產生凝露。冬天環境溫度低，濕度低，當液冷電子設備的供液溫度為25 ℃時，只要環境溫度不高于25 ℃，即使濕度高于90%也不會產生凝露。

1.3 關于液冷模塊的凝露

液冷模塊在工作中凝露與否與上述分析一致，需要說明的有以下幾點：

1）液冷模塊比較特殊，在工作過程中通冷卻液，這就決定了在工作中殼體溫度很可能會比環境溫度低，增加了凝露的可能性。

2）液冷模塊不是完全密封的，由于殼體內部通過導熱墊與元器件接觸，模塊內部溫度肯定高于模塊外壁溫度，因此液冷模塊一般是在殼體外壁上形成凝露。

3）凝露形成的條件是熱空氣遇到冷產品。在試驗升溫時，熱空氣是不可能進到安裝在機架內部的模塊殼體內部的，因此不具備凝露條件；而在實際使用時是先通冷卻液再對產品加電，因此模塊內部的空氣是慢慢和產品一起變熱，最終達到一個平衡狀態，也不具備凝露形成的條件。另外，模塊內部除去電路板、芯片等體積，剩下的體積約為0.002 m3，按模塊裝入機架內的溫度為25 ℃計算，模塊內空氣含水量為0.04 g，可以忽略不計。

2 高低溫箱試驗中凝露分析

目前，國內溫度試驗箱仍然采用的是空調的制冷或加熱原理進行降溫或者升溫，在此過程中箱內箱外存在空氣交換，在一定濕度條件下，當較高溫度的空氣接觸到較低的產品表面時就會產生凝露。

溫度交變試驗中產品產生凝露的過程是：當環境條件處于低溫升高溫時，箱中環境溫度逐漸升高，而產品溫度較環境溫度上升慢，在升溫初期階段，產品溫度和環境溫度相差越來越大，當產品表面達到露點溫度后開始產生凝露。隨著產品溫度越來越高，逐漸高于露點溫度，凝露現象逐漸消失。如果產品密封，當環境條件處于高溫降低溫時，產品外部溫度越來越低，而內部降溫緩慢，逐漸使產品外殼與產品內部環境之間形成了較大溫差，具備了凝露產生的條件，在產品內壁形成凝露。若產品不密封，則產品內外部溫度降低速度相差不大，溫差也不大，一般不會形成凝露。

3 關于凝露的量

當產品表面產生一定的凝露后，產生的凝露將產品和空氣隔開，阻止了凝露的進一步產生。因此，凝露產生的量一般是產品表面薄薄一層，在受重力作用后會繼續產生少量凝露。

另一方面，試驗箱或者設備艙內一般處于一定的封閉狀態，因此空氣中的含水量是一定的，這也決定了凝露一般較少。

4 結 論

從以上分析可以看出，液冷機載電子設備凝露的產生和環境溫度、濕度及供液溫度都有緊密關系。為了避免凝露發生或減少凝露的危害，可以采取以下幾點措施：

1）在滿足散熱要求的前提下，提高液冷供液溫度可縮小電子設備與環境溫度的溫差，避免了凝露產生的必要條件，可以防止凝露產生。

2）由于液冷機載電子設備在實際使用中各種極端條件均可能會遇到，有可能提高了供液溫度后在極端條件下仍會產生凝露。所以一方面需要做好電路的“三防”，避免少量的凝露導致電路功能失效；另一方面需要在液冷機載電子設備里設計排水通道，將產生的凝露及時導出到電子設備外部，避免大量凝露聚集引起電子設備失效。