一、前言

    近幾年，國(guó)內(nèi)模擬環(huán)境可靠性測(cè)試廣受重視，并得到了廣泛的應(yīng)用。模擬環(huán)境可靠性測(cè)試不僅可以進(jìn)行更真實(shí)的電子產(chǎn)品的實(shí)際環(huán)境的模擬試驗(yàn)；而且還可以進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，盡早激發(fā)出因元器件和工藝缺陷造成的故障，以保證電子產(chǎn)品在使用中的可靠性，實(shí)踐證明，后者比前者的意義更大。

    環(huán)境應(yīng)力篩選的根本目的在于使產(chǎn)品交付外場(chǎng)前，消除其潛在的缺陷隱患。在產(chǎn)品研制、鑒定和生產(chǎn)的不同階段采用環(huán)境應(yīng)力篩選，可以獲益匪淺。在研制階段采用應(yīng)力篩選，能夠查出缺陷 - 故障原因，找出設(shè)計(jì)上的問題，采取有效的糾正措施，這樣不僅能大大節(jié)省以后的試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用，還能提高產(chǎn)品的固有可靠性；在可靠性鑒定試驗(yàn)前采取應(yīng)力篩選，可消除制造工藝和元件方面的缺陷，使鑒定試驗(yàn)的結(jié)果有效、正確；在產(chǎn)品生產(chǎn)前增加篩選這一工序，由于消除了產(chǎn)品中的潛在缺陷，大大提高了產(chǎn)品的使用可靠性，并可減少外場(chǎng)維修費(fèi)用。
    我司前幾年就研制成功了一款應(yīng)用于綜合環(huán)境可靠性試驗(yàn)的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱。這種溫度循環(huán)試驗(yàn)箱適用于航天航空、電子電工行業(yè)及科研單位等部門，對(duì)電子產(chǎn)品，在高溫或低溫環(huán)境下，能同時(shí)與振動(dòng)臺(tái)配會(huì)，進(jìn)行綜合環(huán)境可靠性試驗(yàn)，并且還可以以大變溫速率對(duì)電子元器件，零部件進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)。

     二、瑞凱溫度循環(huán)試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)

    作室容積：1 m3
    工作室內(nèi)部尺（長(zhǎng)*寬*高）：1000*1000*1000mm
    溫度范圍：-60℃ ～ 150℃
    變溫速率：降溫 5℃/min，升溫 10℃/min
    工作室風(fēng)速：（0.5~2）m/s連續(xù)可調(diào)
    允許試件發(fā)熱量：0.5KW
    設(shè)備總功率54.9 KW 
    壓縮機(jī)功率4*7.5 KW
    加熱器功率：2*12 KW
    照明燈功率：40 W
     油溫加熱器功率：120 W
    風(fēng)機(jī)功率：750 W
    冷凝器冷卻方式：水冷式
    制冷工質(zhì)：高溫部分R-22，低溫部分R-13

    設(shè)備耗水量：4.8噸/小時(shí)

    三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

    1、瑞凱溫度循環(huán)試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)

    箱體璧面保溫結(jié)構(gòu)見圖1。箱體內(nèi)壁的不銹鋼板為1.5毫米。外壁是1毫米厚的A3鋼板，固定在角鋼上。內(nèi)外壁之間為絕熱層，以阻斷冷熱傳遞。絕熱材料為超細(xì)玻璃棉，厚度150毫米。

    箱體的底板是活動(dòng)式的，溫箱準(zhǔn)備有兩塊底板，一塊是無孔的，用以僅有溫度循環(huán)的試驗(yàn)；另一塊是中間開孔的可以與振動(dòng)臺(tái)相連接，以滿足其有振動(dòng)項(xiàng)目的綜合環(huán)境可靠性試驗(yàn)需要。底板結(jié)構(gòu)為圖2所示。底板的絕熱材料用的是硬質(zhì)聚氨酯泡沫。

    箱體門的絕熱材料用的也是硬質(zhì)聚氨酯泡沫，門上裝有加個(gè)用鋼化玻璃組成的觀察窗，門的結(jié)構(gòu)如圖3所示。箱壁留有引線孔100mm一個(gè)，并裝有20個(gè)接線柱。

     2、制冷和加熱系統(tǒng)
    溫度可調(diào)范圍為-60℃ ～ 150℃。
    若要將箱內(nèi)空氣溫度降至-60℃，可以采用兩種制冷循環(huán)方式，一種是雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)，另一種是復(fù)疊式制冷循環(huán)。那么如何決擇呢？從理論循環(huán)分析，復(fù)疊式由于冷凝蒸發(fā)器存在傳熱溫差，使經(jīng)濟(jì)性有所降低。同時(shí)，復(fù)疊式系統(tǒng)比較復(fù)雜，溫度調(diào)節(jié)范圍也比較小。但是，復(fù)疊式制冷系統(tǒng)每臺(tái)壓縮機(jī)工作壓力范圍較適中，使低溫部分壓縮機(jī)的輸氣量減少，輸氣系數(shù)及指示效率都有所提高，特別是摩擦功率大大減小，因而實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)比雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)還要高。因此，一般說來以采用復(fù)疊式為宜。本溫度循環(huán)試驗(yàn)箱采用了復(fù)疊式制冷設(shè)備，制冷設(shè)備是兩套復(fù)疊式制冷機(jī)組。
    在溫箱風(fēng)道內(nèi)安裝了三個(gè)液氮噴咀并配置了相應(yīng)的電磁閥。這樣，只要再配置一個(gè)小液氮罐，即可用液氮制冷的方法進(jìn)行大于5℃/分降溫速率的低溫試驗(yàn)或溫度循環(huán)試驗(yàn)?？梢該?jù)不同的降溫速率要求，來決定相應(yīng)液氮噴咀的個(gè)數(shù)。
加熱設(shè)備用的是電加熱器，加熱功率可以從0至100%無級(jí)連續(xù)可調(diào)。
    3、瑞凱溫度循環(huán)試驗(yàn)箱工作原理

    溫度循環(huán)試驗(yàn)箱的系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖見圖4。

    3.1 空氣循環(huán)系統(tǒng)

    空氣循環(huán)系統(tǒng)配有兩個(gè)蒸發(fā)器，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)和兩組電加熱器。試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣經(jīng)過頂部?jī)蓚?cè)的回風(fēng)口，然后流向加熱器和蒸發(fā)器。后經(jīng)頂部中間的兩個(gè)送風(fēng)口又被風(fēng)機(jī)送入試驗(yàn)箱內(nèi)，如此不斷循環(huán)?？諝庋h(huán)系統(tǒng)圖見圖5.

    空氣循環(huán)系統(tǒng)以空氣為介質(zhì)，蒸發(fā)器為冷源，加熱器為熱源。實(shí)現(xiàn)升溫、降溫和恒溫控制。
    3.2 制冷及加熱工作原理

    制冷系統(tǒng)示意圖見圖6。復(fù)疊式制冷機(jī)組成，分別為高溫部分及低溫部分。高溫部分使用中溫制冷劑。低溫部分使用低溫制冷劑。這兩個(gè)部分各自成分一個(gè)使用單一制冷劑的制冷系統(tǒng)。其中高溫部分系統(tǒng)中制冷劑的蒸發(fā)用來使低溫部分系統(tǒng)中的制冷劑冷凝，用一個(gè)冷凝蒸發(fā)器將兩部分聯(lián)系起來，它既是低溫部分的冷凝器，也是高溫部分的蒸發(fā)器。這樣低溫部分制冷劑吸取的熱量（即冷量）就可傳給高溫部分的制冷劑，而高溫部分的制冷劑再將熱量傳給環(huán)境介質(zhì)（空氣或水）

    高溫部分中的制冷劑R-22在壓縮機(jī)內(nèi)由于飽和蒸汽壓縮成高壓氣體通過油分離器，將油氣分離，冷凍機(jī)油回到壓縮機(jī)內(nèi)，高壓氣體進(jìn)入冷凝器被冷卻水冷凝成高壓液體；然后經(jīng)過干燥過濾器，再經(jīng)過熱力膨脹閥節(jié)流降壓為低壓低溫的R-22液體，后經(jīng)過冷凝蒸發(fā)器進(jìn)行汽化。吸收熱量，冷凝R-13高溫高壓氣體，從而變成了低溫低壓汽體。同樣，從試驗(yàn)箱中的蒸發(fā)器來的低溫部分中的制冷劑R-13也通過壓縮機(jī)壓縮變成高壓氣體，再經(jīng)過油分離器，進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器被R-22冷凝成高壓液體，接著經(jīng)過干燥過濾器，并經(jīng)過熱力膨脹閥節(jié)流成低壓汽液兩相流體，進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱制冷。
    為了有效地實(shí)現(xiàn)快速降溫，在熱力膨脹閥和起控制作用的電磁閥。
    壓縮機(jī)組的冷卻水是由冷卻水系統(tǒng)供給。冷卻水系統(tǒng)由水泵、水箱、冷卻塔組成。冷卻水經(jīng)過冷凝器吸收高溫高壓的R-22氣體的熱量，然后進(jìn)入冷卻塔受風(fēng)冷冷卻降溫，再流到水箱里，由水泵繼續(xù)抽入冷凝器進(jìn)行冷卻循環(huán)。
    電加熱器可分為兩組，均由可控硅控制電加熱器，熱功率為24k W.
    根據(jù)不同的升降溫速率的試驗(yàn)要求，開啟不同數(shù)量的制冷機(jī)組和加熱器。升溫時(shí)，可開一組或兩組加熱器；降溫時(shí)，也可開一套或兩套制冷機(jī)組。在小降溫速率情況下，可用電加熱器加熱進(jìn)行冷熱對(duì)抗，在保溫過程中，也可采用冷熱對(duì)抗的方法，來控制溫度精度。
    3.3 控制方式

    控制系統(tǒng)是個(gè)雙工系統(tǒng)。它既可實(shí)現(xiàn)以z80為核心的可編程的數(shù)字調(diào)節(jié)器的微機(jī)控制，又可實(shí)現(xiàn)由模擬儀表組成的PID調(diào)節(jié)器的模擬控制。在特殊情況下，還可以切換成人工控制。它的原理圖如圖7所示。

    由于制冷壓縮機(jī)不宜頻繁啟動(dòng)，所以在降溫和低溫階段，制冷機(jī)常開（根據(jù)需要開一套或兩套制冷機(jī)組），靠控制加熱量來保證溫度精度。
     這個(gè)系統(tǒng)具有溫度檢測(cè)，控制操作，超限報(bào)警，屏幕顯示和事故處理等功能。
    作為感溫元件用的鉑電阻放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，測(cè)溫電橋?qū)?strong>溫度循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度變化轉(zhuǎn)化成電位是輸出。電位是經(jīng)放大器放大，通過微機(jī)系統(tǒng)或模擬PID調(diào)節(jié)器，或手動(dòng)調(diào)節(jié)器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使試驗(yàn)箱內(nèi)溫度保持在所需的控制溫度值。
    升溫時(shí)，通過控制系統(tǒng)中可控硅導(dǎo)通角的調(diào)節(jié)作用來提供合適的加熱功率，以保證試驗(yàn)所需的升溫速率。降溫時(shí)，先控制啟動(dòng)高溫部分R-22的機(jī)組。三分鐘后自動(dòng)延時(shí)啟動(dòng)低溫部分R-13的機(jī)組?？梢酝ㄟ^電熱自動(dòng)補(bǔ)償來減小降溫速率。保溫時(shí)，同時(shí)控制啟動(dòng)壓縮機(jī)和導(dǎo)通加熱器，進(jìn)行冷熱對(duì)抗來保證控溫精度。