以專利視角細觀綜合環境試驗設備領域創新角力

宋潔瓊、許玉珍、羅婷

中國航天系統科學與工程研究院 北京強度環境研究所 中國航天系統科學與工程研究院

隨著人們對自然環境開發與利用的范圍越來越廣，各類工業產品在生產、貯存、運輸和使用過程中經歷的環境越來越復雜。上至太空，下至深海，北至極地，南至赤道，為保證工業產品在相關環境中都能兼顧可靠和安全，可同時模擬多類型復雜環境的綜合環境試驗設備在產品性能測試中越來越重要。西方國家對綜合環境試驗設備的研發起步較早，已具備了較強的開發研制能力，形成了比較完整的產業鏈。我國環境試驗技術研究起步相對較晚，但近年隨著航空航天、軌道交通、電子電器等戰略性行業穩步發展，國內綜合試驗設備的市場需求迅速提升。面對快速發展的新機遇，國內相關企業應對領域內技術研發態勢和競爭能力進行全面掌握，以有效對抗市場風險。蘊含豐富技術信息和法律信息的專利，便是其中一個觀察業內發展態勢的可靠情報視角。

綜合環境試驗設備的整機研發中，涉及的關鍵技術主要包括基于電動振動臺低壓環境下的振動模擬技術、低壓環境下振動耦合優化技術、基于綜合環境試驗箱的高濕溫模擬技術、過渡連接裝置密封技術、溫濕高振四綜合一體化控制技術等。本文通過對上述5 項關鍵技術相關關鍵詞和分類號進行整理，在全球專利數據庫中對截至2021 年的各國技術創新成果進行檢索和挖掘，進一步透過專利在不同維度的信息分布情況，呈現出了綜合環境試驗設備近年創新發展態勢和主要企業研發投入及市場保護布局重點。

一、近年領域內創新熱情高漲，中國成為全球專利產出的主要來源

基于相關專利的最早優先權年數據統計（見圖1），可看出綜合環境試驗設備技術發展前期的專利量很少，基本來自于美國和日本。美國是最早開始研制生產環境試驗設備的國家，基礎雄厚，又有海陸空多兵種的大力支持。日本則在20 世紀90 年代逐步發力，基于其快速發展的機械制造能力和電子元器件加工能力，很快在全球市場中也占得一席之地。

圖1 專利申請趨勢分析圖

到2005 年后，綜合環境試驗設備技術創新產出量呈現出了一定幅度的提高。該階段，我國環境試驗設備設計和制造水平有了極大的進步，蘇試、東菱等一眾先進制造企業興起。基于國家扶植和競爭需求，國內企業創新投入和保護意識大幅增長，在國外專利申請量僅小幅提升的情況下，中國專利申請量開始遠超國外。至近5 年，中國專利已成為全球創新產出的主要支撐。基于不斷的發展與完善，近兩年我國在通用、中小型環境試驗設備方面已經接近國際先進水平，多因素綜合性環境試驗設備生產能力提升，自動化控制水平與國外產品相比差距已越來越小。

二、蘇試、東菱、航天等企業創能能力領先，但海外專利布局需重視

針對檢索獲取的近200 項專利進行全球專利申請人統計，專利量排名如圖2 所示。在本文關注的綜合環境試驗設備關鍵技術領域內，專利量排名前十的申請人主要為中、日兩國創新主體，有蘇州蘇試試驗集團（以下簡稱蘇試）、蘇州東菱振動試驗儀器公司（以下簡稱東菱）、北京強度環境研究所、日本愛斯佩克株式會社（以下簡稱愛斯佩克）和IMV 株式會社（以下簡稱IMV）等。

圖2 全球專利申請人排名

其中，北京航天斯達科技公司、天津航天瑞萊科技公司和北京航天希爾測試技術公司同作為北京強度環境研究所下屬子公司，相互配合、共同開發研制了多個低壓振動臺和高溫濕三綜合環境試驗箱技術創新方案，近年針對四綜合試驗設備也提出了多個密封系統專利設計，已代表航天在綜合環境試驗設備領域占有一席關鍵之地。日本兩企業中，IMV 的創新技術主要投入在低壓環境下電動振動臺結構優化設計上，愛斯佩克則更加偏重高溫濕綜合環境試驗箱的改進研究。

表1 為以上排名靠前的主要申請人專利技術在5 個關鍵技術上的分布情況。可看出，蘇試的創新成果數量和種類最為豐富，專利申請在各關鍵技術上均有涉及，在低壓振動臺和高溫濕三綜合環境試驗箱2 個關鍵技術上分布也相對均衡。蘇試近年的22 項專利中，11 項已授權，11 項尚在審查，無因中斷官費或撤回引起的專利失效現象，說明蘇試對自有知識產權的重視程度頗高，既積極保護也悉心維護。且蘇試較注重保護策略，多項裝置結構類創新都以一案雙審的形式進行專利申請，即先以授權的實用新型開始保護，后以時效更長的授權發明延長保護期限，以獲得最大的技術保護能力。

表1 主要申請人技術分布

東菱則在低壓振動臺和高溫濕三綜合環境試驗箱技術上的創新保護相對弱勢，但對過渡連接密封技術和低壓振動耦合優化技術較為關注。以上2 個關鍵創新主體中，蘇試作為專注于工業產品質量與可靠性的制造服務型企業，已做到國內領先、國際知名；東菱亦基于其大噸位振動臺先進技術手握大量國外訂單。但綜合檢索出的相關專利信息，上述兩企業專利量雖大，海外同族布局量極少。雖以蘇試、東菱為代表的中國振動測試和環境測試系統已到全球先進水平，甚至部分達到“大國重器”水平的環境試驗裝置已列入限制出口清單，但對于大部分的產品，海外市場仍具有相當大的吸引力。缺少海外當地的專利保護對企業市場拓展和競爭優勢保持都是極為不利的，在這一點上國內相關研制單位都要關注和重視。

三、各關鍵技術創新產量不一，保護力度與發展態勢區別顯著

1.高溫濕三綜合環境試驗箱技術上日本企業持續投入，國內部分針對性應用創新值得關注

將全部專利以所屬技術領域進行分布統計，獲得圖3，可看出其中基于綜合環境試驗箱的高濕溫模擬技術相關專利申請量最多（72 項），包括試驗裝置結構優化、試驗箱熱氣旁通設計、高溫濕耦合試驗等技術。在該領域，國外專利中日本申請量最高，持續時間長且到近年仍在投入，主要來源于日本愛斯佩克和神戸制鋼所株式會社。愛斯佩克為實現試驗系統低功耗精確控溫及避免結霜，先后在專利JP6062172B2、JP6258416B2 中提出了不同的環境試驗箱熱氣旁通設計方案；另針對常規振動復合環境測試設備規模大且制造成本高的問題，2019 年愛斯佩克又在專利JP2020165671A 中提出了一種振動復合環境試驗設備方案，結構簡單且不易因振動而損壞，該技術同期布局了中國同族。

圖3 關鍵技術領域專利量占比

另有部分專利中的針對性應用解決方案值得關注和借鑒。針對高空環境的無線電裝備測試，韓國標準科學研究院2018 年在專利US20200124766A1 中提出了一種高溫濕環境模擬裝置；針對海洋環境中軍用裝備上電子產品檢測，中國兵器工業第五九研究所2019 年在專利CN110108967A 中提出了一種四綜合環境試驗裝置，可以準確模擬實際鹽霧對產品的影響，并可通過強化效果使試驗過程中避免出現凝露。

2.低壓振動臺技術上國外企業重視全球布局，國內蘇試專利技術全面

在基于電動振動臺低壓環境下的振動模擬技術領域中，專利申請量有48 項，包括振動臺結構優化、全數字功率放大器、低壓環境下散熱及絕緣等技術。該領域國外專利中，美國申請量最高，起源也最早，基于其軍方和航空航天設備發展需求，波音、雷神、洛馬等企業早期在該領域均有投入。如針對火箭發射及入軌分離時的煙火沖擊模擬，波音公司先后在US8306796B2、US8429975B2 中提出多個可重復性精確控制且成本低廉的沖擊模擬系統，并基于其技術先進性和通用性，波音將部分技術在日本、韓國、中國、俄羅斯、加拿大等多地進行專利保護布局，現已均獲得授權。

國內專利中，基于航天領域的應用與帶動，北京強度環境研究所及其下屬子公司的成果也相對突出，但整體仍不如蘇試的創新產出豐富。圍繞低壓振動臺領域中的各個分支，蘇試均有多種創新方案，如放大器遠程控制技術、振動臺滾動密封結構、液壓油自動調節系統、動圈復合冷卻結構等，保護范圍全面且細致。

3.過渡連接裝置密封技術創新量相對低位，溫濕高振四綜合技術方案成熟度尚弱

過渡連接裝置密封技術領域包括組合密封、隔熱設計等技術，有相關專利32 項。在綜合環境試驗設備中，環境箱分系統與振動臺分系統之間既有運動接口又有靜態接口，其密封性能好壞將直接影響振動臺能否正常工作。但在連接件密封領域，現有專利量尚不豐富。由圖4 也可看出，在近5 年綜合環境試驗箱與電動振動臺創新產出迅速提升的情況下，關于兩者間的過渡連接裝置密封與隔熱技術相關專利申請相對低位。其中，國內仍是蘇試最為領先，圍繞防凝露、易操作、高密封等需求提出多個解決方案。東菱在專利CN101324479A 中提出的綜合環境水平振動臺保溫密封裝置也較值得關注，東菱在該專利被駁回后積極進行了復審申辯，足以看出該專利中的技術方案對其產品的重要性。

圖4 3個主要技術領域專利申請趨勢對比

溫濕高振四綜合一體化控制技術是綜合環境試驗設備近年的發展熱點，同時相關專利申請的稀有度也反映出該技術是國內外綜合環境試驗裝備研究的難點。目前在復雜環境試驗中，溫度、濕度、高度、振動單獨或2 種復合實施比較常見，控制方案也一般是各環境控制單獨實施，多環境耦合控制很少。四綜合環境試驗控制系統要同時實現多種信號的耦合控制，多類型信號控制器集成和多類型信號耦合控制算法的設計均是有待重點攻克的關鍵。北航、蘇試、東菱、泰斯特雖都有個別專利申請，但基本都無法綜合解決大尺寸工作空間溫度均勻、空氣流場均勻、溫度低差值等問題，技術全面性不夠，方案成熟度不高。

四、啟示與建議

1.加強對綜合設備連接密封技術的針對性創新與保護

過渡連接裝置密封技術是綜合環境試驗設備中的關鍵技術，也是容易被遺漏創新點保護的技術類型，現關于綜合環境試驗設備中過渡連接裝置的密封與隔熱設計專利申請還相對低位。為提升系統整體性能，建議加大領域內過渡連接裝置密封技術的投入力度和保護強度，積極通過新型密封材料、隔熱材料的挖掘及特定化結構設計，在保證住裝置連接強度和支撐剛度的性能下，滿足好綜合設備里環境箱與振動臺之間繁雜的運動接口和靜態接口的差異化連接密封需求。

2.增大四綜合環境試驗設備一體化集成設計及用戶操作便捷性設計投入

傳統綜合環境試驗設備通常由各專業廠家的子系統組成，各組成部分獨立控制，獨立完成特定工作，存在相互之間易發生互鎖、不便組網聯合控制、不便實現多節點遠程監控、不便后續升級、不便協調多維度試驗條件下組合調節要求等明顯缺陷，容易帶來一些安全隱患和使用不便。后續在開展四綜合環境試驗設備儀器集成和控制技術研究時，應注意各分組件的系統兼容性和集成可行性，在控制系統融合與設計過程中充分考慮溫、濕、高、振四類分環境下控制輸出及采集輸入的時序控制與數據融合需求。同時，還應重點關注整機控制界面的應用便捷性和友好性，提升用戶使用體驗。

3.靈活化旁通管路設計及控制，提升環境試驗箱制冷系統運行穩定性

先進的環境試驗箱必須要能滿足越來越快的溫度變化速率要求、越來越寬的極限高低溫要求、越來越大的承載能力要求。為避免制冷壓縮機的頻繁啟停，制冷系統常維持低載運行，當試驗設備需求的蒸發量不足以維持壓縮機最低吸氣壓力時，額外的回氣補充成為一種關鍵的調節手段。冷熱旁通調節可以保持試驗箱壓縮機在低吸氣壓力下可靠運行，不僅能有效的防止壓縮機頻繁起停，更利于環境試驗箱溫濕度性能的穩定性保持。建議對冷熱旁通調節的管路設計及精準控制多加關注，提升設計靈活性與快速控制準確性。

通過對綜合環境試驗設備相關專利信息的整理和技術的挖掘，本文較為清晰的呈現出了國內外針對綜合環境系統技術的創新態勢、企業能力和技術現狀，對我國相關機構和企業制定技術發展規劃可具備一定的參考意義。基于技術領域內已公開的專利申請態勢，可看出創新成果公開量仍有繼續提升的潛力。隨著軍品、民品各領域對產品可靠性測試要求越來越高，三綜合/四綜合環境試驗設備性能均有較大提升空間。相關機構和企業需持續加大關注力度，為增強關鍵技術的自主可控能力和國際影響力，進一步增加研究投入，在關鍵技術自主突破過程中也做好自有專利及時布局，圍建技術保護高地，在競爭中占領進攻主動權，并通過知識產權進一步提升專業化品牌價值與合作談判有力籌碼。▲