电冰箱类产品温度变化试验条件的选取与分析

江大民

1 前言
人工模拟环境试验主要用于确定元件、设备和其它产品经受环境温度迅速变化的适应性能力，是产品环境可靠性试验中不可缺少的试验项目，特别是军用设备。合理地规定产品的环境条件，正确地选择产品的环境防护措施，才能保证产品在储存运输中免遭损坏，在使用过程中安全可靠。其中主要应用的标准是GB/T2423.22-87《电工电子产品基本环境试验规程 试验N：温度变化试验方法》，对电工电子成品组件进行人工模拟环境试验有利于评定或改进生产批量的产品的质量或有效寿命。
从2007年2月起，全国推广家电下乡电冰箱类产品，实施地区包括了西藏、青海、新疆、内蒙等边远地区，产品在运输和储存过程中容易经受环境恶劣变化的考验，产品对周围环境的适应性提出了更高的要求，对于电冰箱类白电而言，主要是需要避免塑料类门把手、顶框等塑料件在受到环境温度急剧变化导致的开裂、断裂等现象，特别是避免电器部件出现功能故障无法正常工作的现象发生。虽然GB/T2423.22-87是为电工电子产品制定的，但环境试验方法在适当修改调整后仍然可以适用于家用电冰箱类产品。目前绝大多数主流冰箱厂家已经将该项试验列入新品开发阶段必须进行的可靠性检验项目之中，由于厂家试验方法不尽相同，因此作者认为有必要对检验方法进行探讨，寻求合理的检验方案。
摘要：本文对GB/T2423.22的试验目的和试验方法进行了详细的分析，对电冰箱类产品温度变化试验条件的选取着重进行了探讨，并简单介绍了冰箱基于该标准的测试应用。
关键词： 人工模拟环境试验； 温度变化试验；电冰箱；标准
2 试验条件比较
GB/T2423.22中规定了三种类型的试验，分别是：Na 规定转换时间的快速温度变化试验；Nb 规定温度变化速率的温度变化试验；
Nc 两液槽温度快速变化试验，三种试验的方法和目的不尽相同。正是基于考核元器件、备和其它产品经受环境温度迅速变化的能力，在进行试验前需合理确定不同的高温和低温环境条件。实验人员需要将试验样品暴露于人工模拟环境中,从而对其在实际中遇到的使用、运输和贮存条件下的性能做出评价。环境试验的目的是通过模拟真实的环境条件或再现某效应的方法，以一定的确信度来证实样品在规定的环境条件下保持完好和正常工作。
Na温度冲击试验是模拟产品使用贮存的运输中从一个极热环境突然进入一个极冷环境。因此，通常使用两个试验箱（冷箱和热箱）或一个试验箱中的两个室（热室和冷室），实现试验样品在冷热室之间的快速转移。另一种Nb方式是将试验样品放入可以实现高温和低温转换的温度冲击箱，通过向装有试验样品的区域输入热空气或冷空气来实现冷热交替，达到温度冲击的目的；试验的参数是高温、低温两个极端值和温度变化速率以及循环次数（为便于与“温度冲击试验”进行区分，以下简称“冷热循环试验”）。而Nc 两液槽温度快速变化试验是模拟产生一种急剧的热冲击，适用于玻璃-金属密封及类似的试验样品，试验目的性上不适用于电冰箱类产品。GB/T2423.22中对温度冲击的上下限温度不作明确规定，标准中给出了一系列的高、低温等级，具体上下限温度由使用者根据受试产品寿命期实际可能遇到的极端高低温作为确定上下限温度的根据而从相近的等级中选取和组合，使试验温度得到适当的规范化。温度冲击试验与冷热循环试验的差异主要是应力负荷机理不同。温度冲击试验主要考察由于蠕变及疲劳损伤引起的失效，而冷热循环主要考察由于剪切疲劳引起的失效。温度冲击试验时升温/降温速率不低于30℃/分钟。温度变化范围很大，同时试验严酷度还随着温度变化率的增加而增加。温度冲击试验容许使用二槽式试验装置；冷热循环试验使用单槽式试验装置。在二槽式箱体内，温度变化率要大于50℃/分钟。而冷热循环试验就是将试验样品曝露于予设的高低温交替的试验环境中。为避开温度冲击影响，试验时的温度变化率必须小于20℃/分钟。两者试验差别比较见表1。




电冰箱类产品温度变化试验条件的选取与分析.jpg3 试验设备
对于温度冲击试验（或冷热循环试验），所使用的检测设备通常称之为“温度冲击试验箱”，该设备主要是针对于电工、电子产品，以及其原器件，及其它材料在温度急剧变化的环境下贮存、运输、使用时的适应性试验。该试验设备主要用于对产品按照国家军用标准要求或用户自定要求，在高温与低温瞬间变化条件下，对产品的物理以及其他相关特性进行环境模拟测试，测试后，通过检测，来判断产品的性能，是否仍然能够符合预定要求，以便供产品设计、改进、鉴定及出厂检验用。
3.1 满足标准
GJB150.3-86、 GJB150.4 -86、GJB150.5-86；军用设备环境试验方法GB2423.1-89 电工电子产品基本试验规程试验A:低温试验方法GB2423.2-89 电工电子产品基本试验规程
试验B:高温试验方法GB/T2423.22 电工电子产品基本环境试验规程 试验N：温度变化试验方法3.2 设备的结构及其特征箱体内壳：不锈钢外壳材质：冷轧钢板静电喷塑内胆材质：SUS304B不锈钢板。由高温室、低温室、试验室三部分组成保温层：超细玻璃棉+硬质聚氨脂发泡加热器：不锈钢翅片加热管控制仪：触摸屏控制仪



3.3 设备通常技术参数两箱式试验方式：不锈钢试样吊篮上下移动三箱式试验方式：气动风门切换3温区高温室：预热温度范围从室温～+200℃升温速率：5℃/min
降温速率：2℃/min温度偏差： ±2℃温度范围： -55～75℃　
4 试验条件的选择及应用由于电冰箱类产品是民用耐用消费品，在实际运输和使用过程中，通常不具备突然从高温环境进入低温环境的情况发生（反之亦然），也就是不具备发生冷热瞬间冲击的环境条件，家庭内使用过程中是随着年气温的变化，塑料类部件出现顶框把手开裂、内胆开裂、内胆脱粘，或电器件出现电器性能降低等状况，因此推荐对电冰箱类产品优先采用冷热循环试验进行考核。
查看一下我国气候分布特点，我国地域辽阔，西北位于世界最大的大陆——欧亚大陆的腹地，东南濒临世界上最大的水面——太平洋，西南为世界上最高的高原——青藏高原。这样极其复杂的地理条件，使我国的气候具有强烈的季风性、大陆性和类型多样性的特征。与世界同纬度的其它国家相比，我国气候的这种特征是很独特的。一月和七月平均气温分布见图2和图3。查阅气象资料，1975年7月13日的吐鲁番民航机场还曾观测到目前中国的极端最高气温：49.6℃。在1969年2月13日漠河终于诞生了中国现有气象资料中的极端最低气温记录：-52.3℃。从这个资料可以选择，试验温度的上限是+50℃，下限温度是-50℃。由于-50℃是极端条件下出现的极端温度，在图2的长江流域以北地区和西北地区，冬季温度绝大部分地区在-30℃以上，因此下限温度可以根据产品销售地低温状况在-25℃、-30℃、-35℃、-40℃中进行选择。
图4表示的是某一冷热循环试验示意图。将结构完整的电冰箱产品置于冷热循环试验室中，冷热循环试验室从环境温度降至-40℃环境温度并保持规定时间，然后升温到50℃环境温度并保持规定时间，如此共进行不少于2次循环后在-40℃环境温度规定时间后恢复至室温后将样品取出检查，之后将产品置于常温下，检查外观和电器功能状况。试验的循环次数以及温度保持时间可以根据不同的冰箱结构进行修订，但总的高温和低温保持时间建议各不小于24小时。为降低高低温转换带来的应力冲击，实验箱内空气温度的升降温的速率应保持在2℃/min以内，实验循环次数不少于2次。根据日本某知名公司对产品售后的跟踪
资料分析，若采用高温+50℃/低温-30℃，各温度保持时间6小时的试验方案，试验循次与塑料件在消费者家庭使用中出现开裂的对应时间关系：
(1)第1个试验循环出现开裂问题，通常一年内市场上的产品出现问题；
(2)第2～5个试验循环出现开裂问题，通常数年内市场上的产品出现问题；
(3)第6～10试验循环出现开裂问题，通常5年内市场上的产品出现问题；
(4)第10～20试验循环不出现开裂问题，通常市场上冰箱产品在8-10年内不易出现问。
对于（1）、（2）、（3）情况，应对塑料件结构或材质进行改进。