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冷熱沖擊試驗的介紹

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冷熱沖擊試驗的介紹

1、簡述冷熱沖擊試驗
隨著電子技術的發展，各種各樣的電子設備計入到人們的生活中。對于電子設備而言，環境條件是影響產品質量和使用可靠性的關鍵因素。在各種復雜的使用環境中，溫度沖擊的影響是其中一個必須考慮的因素。這種環境給產品帶來多種典型的環境效應，如零部件的變形或破裂、絕緣保護失效、運動部件的卡緊或松弛、電氣和電子元器件的變化、快速冷凝水或結霜引起電子或機械故障等。因此，能否在溫度沖擊環境下正常工作，直接反映了產品對各種環境的適應能力的強弱。冷熱沖擊試驗正是在須求下被提出。
冷熱沖擊試驗（Thermal Shock Test，TST）是測試材料對極高溫或極低溫的抵抗力的一種試驗技術。這種情況類似于不連續地處于高溫或低溫中的情形，它能使各種物品在較短的時間內完成測試。
TST 中產生的化學變化或物理傷害是熱脹冷縮改變或其它物理性值的改變而引起的。TST 的效果包括成品裂開或破層及位移等所引起的電化學變化。例如，有一些金屬材料如體心立方晶格的中低強度鋼，當其服役溫度降低時，起塑性、韌性便急劇降低，使材料脆化。
實現這種轉化溫度可采用 TST 系統，如冷熱沖擊試驗箱，又名高低溫沖擊試驗箱（臺灣稱為冷熱沖擊機）。它們能為材料研究及工業生產廠家的批量或者電子電器零部件﹑自動化零部件、半成品﹑金屬、化學材料、通訊組件、國防工業、航天、兵工業、BGA、PCB 基扳電子芯片，測試其在瞬間經高溫、低溫的連續溫度變化環境下所能忍受的程度，試驗其在急遽變化的溫差條件下熱脹冷縮所引起的化學變化和物理傷害。

2、常見冷熱沖擊試驗設備的組成及結構
TST 設備由低溫箱、高溫箱、制冷系統、加熱系統、控制系統、轉換裝置等設備組成。其設備組成圖如圖 3 所示。低溫箱為TST 提供低溫平臺，同時也可以單獨進行低溫試驗；高溫箱為TST 提供高溫平臺，同時可以進行高溫試驗；制冷系統為低溫箱提供低溫環境；加熱系統為高溫箱提供高溫環境；控制系統完成對設備和試驗過程的控制和測量；轉換裝置用于試驗過程中試件的轉換。

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圖 3 冷熱沖擊試驗箱組成示意圖

設備結構確定
為保證 TST 指標要求，需要對箱體結構、氣流流通方式進行精心設計。低溫箱結構應滿足設備由常溫到要求低溫的制冷和溫度沖擊過程中迅速制冷的要求，并保證箱內氣流和溫度均勻性要求；高溫箱結構應滿足方便設備由常溫到要求高溫的加熱和溫度沖擊過程中迅速加熱的要求，并保證箱內氣流和溫度均勻性要求。

氣流組織方式是設備設計中的重要環節。常用的送風方式有上側送下側回和全面孔板頂送下側回的方式。由于全面孔板送風方式具有氣流混合快混合好、氣流均勻平行擴散、溫差和風速衰減快的優點，從而使工作區溫度和氣流速度分布更加均勻。因此低溫箱、高溫箱氣流循環方式采用全面孔板送風下側回風方式，其氣流循環過程為：風機抽吸的箱內氣流和制冷系統產生冷空氣或加熱系統產生的熱空氣混合，再沿循環風道進入穩壓層使氣流均流均壓后送入箱內。
低溫箱和高溫箱均采用鋼框架圍護結構，加裝保溫層。在距頂壁一定高度裝全面孔板，全面孔板與頂壁形成穩壓層，箱前端為大門，箱后端設循環風道和循環風機。低溫箱、高溫箱結構示意圖如圖 4 所示。

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圖 4 低溫箱、高溫箱結構示意圖
轉換裝置的確定
為實現快速轉換的功能，轉換裝置采用軌道式轉換方式，由軌道車和試件車組成。轉換裝置構示意圖如圖 5 所示。試件車作為試件的支架，和試件一起在兩個箱之間轉移和試驗；轉換道車用于將試件和試件車由一個箱迅速轉換到另一個箱，下設轉輪在地面軌道上滾動，上設道方便和兩個箱內軌道的對接和試件小車的移動。

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圖 5 轉換裝置結構示意圖

3、制冷、加熱流程確定
目前低溫箱制冷方式常采用蒸氣壓縮機制冷或空氣制冷。空氣制冷和蒸氣壓縮機制冷相比較具有以下優點：在較低溫度下制冷系數高，易于獲得較低溫度，調溫范圍寬；對設備泄露不敏感，小的漏氣對制冷性能影響不大，制冷性能比較穩定；制冷劑為空氣，對環境無任何危害；運行可靠，操作簡單，維護方便，運行費用低。對于較大尺寸 TST 設備，溫度變化速度要求較快，空氣制冷是一種較好的選擇。

正升壓式制冷方式是用渦輪膨脹機二次壓縮，提高渦輪的膨脹比，加大渦輪機溫降，提高制冷能力。由于正升壓式制冷方式有制冷系數高，調節性能好，制冷性能穩定，啟停以及調節過程平穩，裝機電量、運行能耗和設備投資較少等優點，系統采用正升壓式制冷系統。空氣制冷系統分為氣源和制冷兩部分。氣源部分包括空壓機組、后冷卻器、干燥塔、水分離器等；制冷部分包括渦輪機組、回冷器、水冷器、過濾器等。低溫箱空氣正升壓式制冷系統基本流程圖如圖 6 所示。高溫箱加熱采用電加熱器加熱的方式實現；采用可控硅調控器對電加熱器進行調節、控制，實現加熱量的無級調節。

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圖 6 低溫箱空氣制冷基本流程圖
制冷量、加熱量的確定
制冷量及制冷設備的確定
制冷量、加熱量的大小直接關系到制冷設備、加熱設備參數的確定、選擇、設備成本、運行能耗和費用等。因此，在確定制冷設備、加熱設備之前要先確定系統所需制冷量和加熱量。低溫箱既可作為溫度沖擊試驗的低溫部分,又可獨立完成低溫試驗功能。因此，低溫箱的制冷有兩種狀態：狀態 1：低溫試驗過程中由大氣溫度到要求低溫的制冷過程；狀態 2：冷熱沖擊試驗過程中，試件由高溫箱迅速轉移到低溫箱時恢復原低溫的制冷過程。兩種制冷狀態不同，制冷負荷和冷量的變化也不同。

加熱量及加熱設備的確定
高溫箱的加熱經歷兩種狀態:由大氣溫度到要求高溫的加熱過程和溫度沖擊試驗過程中試件由低溫箱迅速轉移到高溫箱時恢復原高溫的加熱過程。同樣的方法,分別計算兩種加熱狀態所需加熱量。以較大加熱量確定電加熱器的功率。

4、結束語

以上介紹了冷熱沖擊試驗的基本知識。如今，TST 已經成為重要的衡量產品可靠性的試驗技術之一。隨著科學技術的發展，產品的使用環境更加多樣化，對冷熱沖擊試驗提出了新的要求，也為其發展提供了動力。

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| 發布時間：2018.06.07 來源：電源適配器廠家

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