一、前言(yan)
近幾年，國(guo)內模擬環(huan)境(jing)(jing)可靠性(xing)測(ce)試廣(guang)受(shou)重視，并得(de)到了廣(guang)泛的(de)(de)應用(yong)(yong)。模擬環(huan)境(jing)(jing)可靠性(xing)測(ce)試不僅可以進行更真實的(de)(de)電子(zi)產品的(de)(de)實際環(huan)境(jing)(jing)的(de)(de)模擬試驗；而且還可以進行環(huan)境(jing)(jing)應力篩選試驗，盡早激發出因元器件和工(gong)藝(yi)缺陷造成(cheng)的(de)(de)故(gu)障，以保證電子(zi)產品在(zai)使用(yong)(yong)中的(de)(de)可靠性(xing)，實踐證明，后者(zhe)比前(qian)者(zhe)的(de)(de)意義更大。
環境應(ying)力篩(shai)選(xuan)的(de)(de)(de)(de)根本(ben)目(mu)的(de)(de)(de)(de)在(zai)(zai)(zai)于使產(chan)(chan)品交付外場前(qian)，消除其(qi)潛在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)隱患。在(zai)(zai)(zai)產(chan)(chan)品研(yan)制、鑒定和生(sheng)產(chan)(chan)的(de)(de)(de)(de)不同(tong)階段采用(yong)(yong)環境應(ying)力篩(shai)選(xuan)，可(ke)以獲益匪淺。在(zai)(zai)(zai)研(yan)制階段采用(yong)(yong)應(ying)力篩(shai)選(xuan)，能(neng)(neng)夠查(cha)出缺(que)陷(xian) - 故障原因，找出設計上(shang)的(de)(de)(de)(de)問題，采取有(you)(you)效的(de)(de)(de)(de)糾正措施，這樣不僅(jin)能(neng)(neng)大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)節(jie)省以后的(de)(de)(de)(de)試(shi)驗(yan)(yan)時間和費(fei)用(yong)(yong)，還能(neng)(neng)提高(gao)產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)(de)固有(you)(you)可(ke)靠性；在(zai)(zai)(zai)可(ke)靠性鑒定試(shi)驗(yan)(yan)前(qian)采取應(ying)力篩(shai)選(xuan)，可(ke)消除制造(zao)工藝和元件(jian)方面(mian)的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)，使鑒定試(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)結果(guo)有(you)(you)效、正確；在(zai)(zai)(zai)產(chan)(chan)品生(sheng)產(chan)(chan)前(qian)增加篩(shai)選(xuan)這一工序，由于消除了(le)產(chan)(chan)品中(zhong)的(de)(de)(de)(de)潛在(zai)(zai)(zai)缺(que)陷(xian)，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高(gao)了(le)產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)(de)使用(yong)(yong)可(ke)靠性，并可(ke)減(jian)少外場維修費(fei)用(yong)(yong)。
我司前幾年就研制成功了一款應用于綜合環境可靠性試驗的溫度循環試驗箱。這種溫度循環試驗箱適用于航天航空、電子電工行業及科研單位等部門，對電子產品，在高溫或低溫環境下，能同時與振動臺配會，進行綜合環境可靠性試驗，并且還可以以大變溫速率對電子元器件，零部件進行環境應力篩選試驗。
二(er)、瑞凱溫度循環(huan)試驗箱技術指標(biao)
作室容積：1 m3
工作室內部尺(chi)（長*寬*高）：1000*1000*1000mm
溫度(du)范圍(wei)：-60℃ ～ 150℃
變溫速率：降溫 5℃/min，升溫
10℃/min
工作室(shi)風速：（0.5~2）m/s連續可調
允許(xu)試件(jian)發熱(re)量：0.5KW
設備總(zong)功率54.9 KW
壓(ya)縮機功率4*7.5 KW
加熱器功率：2*12 KW
照(zhao)明燈功率：40 W
油(you)溫加(jia)熱器(qi)功(gong)率：120 W
風機功率：750 W
冷凝器冷卻方式：水冷式
制冷(leng)工質：高(gao)溫(wen)部分(fen)R-22，低溫(wen)部分(fen)R-13
設備耗水量：4.8噸/小時
三、結構設計(ji)和工(gong)作(zuo)原理
1、瑞凱溫度循環試驗箱(xiang)結構
箱(xiang)體璧面保溫結構見(jian)圖1。箱(xiang)體內壁(bi)的(de)不銹鋼(gang)板(ban)為1.5毫(hao)米(mi)(mi)。外壁(bi)是1毫(hao)米(mi)(mi)厚的(de)A3鋼(gang)板(ban)，固定在角鋼(gang)上。內外壁(bi)之間為絕熱(re)層(ceng)，以阻(zu)斷(duan)冷熱(re)傳(chuan)遞。絕熱(re)材料(liao)為超(chao)細玻璃棉，厚度150毫(hao)米(mi)(mi)。
箱體的(de)(de)底(di)板是(shi)活動式的(de)(de)，溫(wen)箱準備有(you)兩塊底(di)板，一(yi)塊是(shi)無孔的(de)(de)，用以(yi)(yi)僅有(you)溫(wen)度循環(huan)的(de)(de)試驗(yan)；另一(yi)塊是(shi)中間開孔的(de)(de)可(ke)(ke)以(yi)(yi)與(yu)振(zhen)動臺(tai)相連接，以(yi)(yi)滿足(zu)其有(you)振(zhen)動項(xiang)目的(de)(de)綜合環(huan)境可(ke)(ke)靠性試驗(yan)需要。底(di)板結構為(wei)圖2所示。底(di)板的(de)(de)絕熱材(cai)料用的(de)(de)是(shi)硬質聚氨酯(zhi)泡(pao)沫(mo)。
箱體門(men)(men)的(de)絕熱材(cai)料用(yong)的(de)也是硬質聚氨酯(zhi)泡沫，門(men)(men)上裝(zhuang)有加(jia)個(ge)用(yong)鋼化玻璃組成的(de)觀(guan)察窗，門(men)(men)的(de)結構(gou)如圖(tu)3所示。箱壁留有引線(xian)孔100mm一個(ge)，并(bing)裝(zhuang)有20個(ge)接線(xian)柱。
2、制冷和加熱系統
溫度可(ke)調(diao)范圍為-60℃ ～ 150℃。
若要將箱(xiang)內空氣(qi)溫度(du)降(jiang)至-60℃，可以(yi)采(cai)用兩種(zhong)制冷(leng)(leng)循(xun)環(huan)(huan)方式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，一(yi)種(zhong)是(shi)(shi)雙(shuang)級(ji)壓縮(suo)制冷(leng)(leng)循(xun)環(huan)(huan)，另(ling)一(yi)種(zhong)是(shi)(shi)復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)制冷(leng)(leng)循(xun)環(huan)(huan)。那么(me)如何決(jue)擇呢？從理論循(xun)環(huan)(huan)分(fen)(fen)析，復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)由(you)于冷(leng)(leng)凝蒸發器(qi)存在傳(chuan)熱溫差(cha)，使經濟(ji)性有所(suo)(suo)降(jiang)低。同(tong)時，復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)系(xi)統比(bi)較(jiao)復(fu)(fu)(fu)雜，溫度(du)調節范圍(wei)(wei)也比(bi)較(jiao)小。但(dan)是(shi)(shi)，復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)制冷(leng)(leng)系(xi)統每臺(tai)壓縮(suo)機(ji)工作壓力范圍(wei)(wei)較(jiao)適中，使低溫部分(fen)(fen)壓縮(suo)機(ji)的(de)輸氣(qi)量減少(shao)，輸氣(qi)系(xi)數(shu)及(ji)指示效(xiao)率都(dou)有所(suo)(suo)提高，特(te)別是(shi)(shi)摩(mo)擦(ca)功率大大減小，因(yin)而(er)實際循(xun)環(huan)(huan)的(de)制冷(leng)(leng)系(xi)數(shu)比(bi)雙(shuang)級(ji)壓縮(suo)制冷(leng)(leng)循(xun)環(huan)(huan)還要高。因(yin)此，一(yi)般說來以(yi)采(cai)用復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)為宜。本(ben)溫度(du)循(xun)環(huan)(huan)試驗箱(xiang)采(cai)用了復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)制冷(leng)(leng)設(she)備，制冷(leng)(leng)設(she)備是(shi)(shi)兩套復(fu)(fu)(fu)疊(die)(die)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)制冷(leng)(leng)機(ji)組。
在溫(wen)(wen)箱風道內安裝了(le)三個液(ye)氮噴咀(ju)并(bing)配(pei)(pei)置了(le)相應的(de)(de)電(dian)磁(ci)閥。這樣，只要(yao)再配(pei)(pei)置一(yi)個小液(ye)氮罐，即可用液(ye)氮制(zhi)冷的(de)(de)方法進(jin)行大(da)于5℃/分降溫(wen)(wen)速(su)率的(de)(de)低溫(wen)(wen)試(shi)驗(yan)或(huo)溫(wen)(wen)度循(xun)環試(shi)驗(yan)。可以據不同的(de)(de)降溫(wen)(wen)速(su)率要(yao)求(qiu)，來決定相應液(ye)氮噴咀(ju)的(de)(de)個數。
加熱設備用的是(shi)電加熱器，加熱功(gong)率可以從0至100%無級連續可調(diao)。
3、瑞凱溫度(du)循環試驗箱工(gong)作(zuo)原(yuan)理
溫度循環試(shi)驗箱的系統構成簡圖(tu)見圖(tu)4。
3.1 空氣(qi)循環系統
空氣(qi)(qi)循環(huan)系統配有(you)兩(liang)(liang)個蒸(zheng)發器，兩(liang)(liang)臺(tai)風機和兩(liang)(liang)組電加(jia)熱(re)器。試驗箱內的空氣(qi)(qi)經過頂(ding)部兩(liang)(liang)側的回風口，然后流向(xiang)加(jia)熱(re)器和蒸(zheng)發器。后經頂(ding)部中(zhong)間(jian)的兩(liang)(liang)個送風口又被(bei)風機送入(ru)試驗箱內，如此不斷循環(huan)。空氣(qi)(qi)循環(huan)系統圖見圖5.
空氣循環系統以空氣為(wei)(wei)介質，蒸發器為(wei)(wei)冷源，加熱器為(wei)(wei)熱源。實現升溫、降溫和恒溫控制(zhi)。
3.2 制(zhi)冷及加熱工作原理(li)
制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)系統(tong)(tong)示意圖見圖6。復疊式制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)機(ji)組成，分(fen)別(bie)為高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)及低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)。高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)使用中(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)。低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)使用低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)。這(zhe)兩個(ge)部(bu)(bu)(bu)分(fen)各自(zi)成分(fen)一個(ge)使用單(dan)一制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)的(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)系統(tong)(tong)。其中(zhong)(zhong)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)系統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)的(de)蒸(zheng)發(fa)(fa)用來使低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)系統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)的(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)，用一個(ge)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)蒸(zheng)發(fa)(fa)器(qi)將(jiang)兩部(bu)(bu)(bu)分(fen)聯系起來，它既是低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)的(de)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)器(qi)，也是高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)的(de)蒸(zheng)發(fa)(fa)器(qi)。這(zhe)樣低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)吸取的(de)熱量(liang)(liang)（即冷(leng)(leng)(leng)量(liang)(liang)）就可傳(chuan)給高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)的(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)，而高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)(bu)分(fen)的(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)劑(ji)(ji)再將(jiang)熱量(liang)(liang)傳(chuan)給環境介質（空氣或水）
高溫(wen)(wen)(wen)部分(fen)(fen)中的(de)制冷劑R-22在壓(ya)(ya)(ya)(ya)縮機(ji)內由(you)于飽和蒸(zheng)汽(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)縮成(cheng)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)氣(qi)體(ti)通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)油分(fen)(fen)離器(qi)(qi)(qi)(qi)，將油氣(qi)分(fen)(fen)離，冷凍機(ji)油回到(dao)壓(ya)(ya)(ya)(ya)縮機(ji)內，高壓(ya)(ya)(ya)(ya)氣(qi)體(ti)進(jin)入冷凝(ning)(ning)器(qi)(qi)(qi)(qi)被冷卻水冷凝(ning)(ning)成(cheng)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)液(ye)體(ti)；然后經(jing)過(guo)(guo)(guo)(guo)干燥過(guo)(guo)(guo)(guo)濾器(qi)(qi)(qi)(qi)，再經(jing)過(guo)(guo)(guo)(guo)熱(re)力膨脹閥(fa)節流(liu)降壓(ya)(ya)(ya)(ya)為低(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)低(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)的(de)R-22液(ye)體(ti)，后經(jing)過(guo)(guo)(guo)(guo)冷凝(ning)(ning)蒸(zheng)發(fa)器(qi)(qi)(qi)(qi)進(jin)行(xing)汽(qi)(qi)化。吸收熱(re)量，冷凝(ning)(ning)R-13高溫(wen)(wen)(wen)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)氣(qi)體(ti)，從(cong)而(er)變成(cheng)了(le)低(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)低(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)汽(qi)(qi)體(ti)。同樣，從(cong)試(shi)驗箱中的(de)蒸(zheng)發(fa)器(qi)(qi)(qi)(qi)來的(de)低(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)部分(fen)(fen)中的(de)制冷劑R-13也(ye)通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)縮機(ji)壓(ya)(ya)(ya)(ya)縮變成(cheng)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)氣(qi)體(ti)，再經(jing)過(guo)(guo)(guo)(guo)油分(fen)(fen)離器(qi)(qi)(qi)(qi)，進(jin)入冷凝(ning)(ning)蒸(zheng)發(fa)器(qi)(qi)(qi)(qi)被R-22冷凝(ning)(ning)成(cheng)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)液(ye)體(ti)，接著經(jing)過(guo)(guo)(guo)(guo)干燥過(guo)(guo)(guo)(guo)濾器(qi)(qi)(qi)(qi)，并經(jing)過(guo)(guo)(guo)(guo)熱(re)力膨脹閥(fa)節流(liu)成(cheng)低(di)(di)壓(ya)(ya)(ya)(ya)汽(qi)(qi)液(ye)兩相流(liu)體(ti)，進(jin)入蒸(zheng)發(fa)器(qi)(qi)(qi)(qi)吸熱(re)制冷。
為了(le)有效地實現快速降溫，在熱力膨脹(zhang)閥和起控制作用的電磁閥。
壓縮機組的冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)水(shui)是由冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)水(shui)系統供給。冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)水(shui)系統由水(shui)泵、水(shui)箱(xiang)、冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)塔組成(cheng)。冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)水(shui)經過冷(leng)(leng)(leng)凝器(qi)吸(xi)收高(gao)溫(wen)高(gao)壓的R-22氣(qi)體的熱量，然后進入冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)塔受風(feng)冷(leng)(leng)(leng)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)降(jiang)溫(wen)，再流到(dao)水(shui)箱(xiang)里，由水(shui)泵繼續抽入冷(leng)(leng)(leng)凝器(qi)進行冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)(que)循環。
電加(jia)(jia)熱器可(ke)分(fen)為兩組，均由(you)可(ke)控硅(gui)控制電加(jia)(jia)熱器，熱功率為24k W.
根(gen)據不(bu)同(tong)的(de)升(sheng)降(jiang)溫(wen)(wen)速(su)率(lv)的(de)試驗要(yao)求，開(kai)啟不(bu)同(tong)數量的(de)制(zhi)冷(leng)機(ji)組(zu)(zu)和加(jia)熱器(qi)。升(sheng)溫(wen)(wen)時，可(ke)開(kai)一組(zu)(zu)或(huo)兩(liang)組(zu)(zu)加(jia)熱器(qi)；降(jiang)溫(wen)(wen)時，也可(ke)開(kai)一套或(huo)兩(liang)套制(zhi)冷(leng)機(ji)組(zu)(zu)。在小降(jiang)溫(wen)(wen)速(su)率(lv)情況下，可(ke)用電加(jia)熱器(qi)加(jia)熱進行冷(leng)熱對抗，在保(bao)溫(wen)(wen)過(guo)程(cheng)中，也可(ke)采用冷(leng)熱對抗的(de)方法，來控制(zhi)溫(wen)(wen)度(du)精度(du)。
3.3 控制方式
控制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)是(shi)個雙工(gong)系(xi)(xi)統(tong)。它既(ji)可實(shi)現以z80為(wei)核心(xin)的(de)(de)(de)可編程(cheng)的(de)(de)(de)數字調節(jie)器(qi)的(de)(de)(de)微(wei)機控制(zhi)(zhi)，又可實(shi)現由(you)模(mo)擬儀(yi)表(biao)組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)PID調節(jie)器(qi)的(de)(de)(de)模(mo)擬控制(zhi)(zhi)。在特殊(shu)情(qing)況下，還可以切(qie)換成(cheng)人工(gong)控制(zhi)(zhi)。它的(de)(de)(de)原(yuan)理圖(tu)如圖(tu)7所(suo)示。
由于制冷(leng)壓(ya)縮(suo)機(ji)不宜頻繁(fan)啟動(dong)，所(suo)以在降溫和低溫階段，制冷(leng)機(ji)常(chang)開（根據需要開一(yi)套或兩(liang)套制冷(leng)機(ji)組），靠控制加熱(re)量來保(bao)證溫度(du)精度(du)。
這(zhe)個(ge)系統具有(you)溫(wen)度檢測，控制操(cao)作(zuo)，超限報警，屏幕顯示和(he)事故處(chu)理等功能。
作為感溫元件用的鉑電阻放置在試驗箱內，測溫電橋將溫度循環試驗箱內溫度變化轉化成電位是輸出。電位是經放大器放大，通過微機系統或模擬PID調節器，或手動調節器控制執行機構動作，使試驗箱內溫度保持在所需的控制溫度值。
升(sheng)溫(wen)時(shi)(shi)(shi)，通過控(kong)制(zhi)系(xi)統中(zhong)可控(kong)硅(gui)導(dao)通角的(de)調節作(zuo)用來提供合適的(de)加熱(re)功率(lv)，以(yi)保(bao)證試驗所需的(de)升(sheng)溫(wen)速(su)率(lv)。降溫(wen)時(shi)(shi)(shi)，先控(kong)制(zhi)啟動(dong)高溫(wen)部(bu)分R-22的(de)機(ji)組。三(san)分鐘后自動(dong)延時(shi)(shi)(shi)啟動(dong)低溫(wen)部(bu)分R-13的(de)機(ji)組。可以(yi)通過電(dian)熱(re)自動(dong)補償來減(jian)小(xiao)降溫(wen)速(su)率(lv)。保(bao)溫(wen)時(shi)(shi)(shi)，同時(shi)(shi)(shi)控(kong)制(zhi)啟動(dong)壓縮機(ji)和(he)導(dao)通加熱(re)器，進(jin)行冷熱(re)對抗來保(bao)證控(kong)溫(wen)精(jing)度。
