【讨论】请问冷热冲击的温度变化时间最好控制在几分钟?

IEC 68-2-33 溫度變化試驗指引

IEC 68-2-33 Guidance on change of temperature tests



前言

本文之目的為提供設計及試驗工程師使用溫度變化試驗之指引。溫度變化試驗在決定試件於溫度變化或持續溫度變化環境下之效應。

範圍

裝備層次預期發生快速溫度變化之可能情況如下：
裝備從室內溫暖環境運送至寒冷的露天環境，反之亦然。
裝備突然遭受雨水冷卻或浸泡入冷水中。
外掛於飛機之空用裝備。
儲存及運輸歷程之某些條件。
元件層次預期發生快速溫度變化之可能情況如下：
裝備開機後會產生高溫梯度因而造成溫度變化，使元件遭受應力，例如由於高功率電阻器產生之輻射，使其附近元件之溫度升高，但其他部份元件仍然是冷的。
人為冷卻之元件由於冷卻系統開機後遭受快速溫度變化。
裝備於生產製程中，元件可能遭受快速溫度變化。
限制

本試驗法不適合模擬僅於高溫或低溫環境下之效應；有關上述之效應，請參考"IEC 68-2-1試驗方法A：冷"及"IEC 68-2-2試驗方法B：乾熱"。

溫度試驗基本原理
溫度變化試驗之設計
IEC 68-2-14溫度變化試驗方法Na、Nb及Nc乃係由高、低溫保溫某一時段後相互轉移所組成；由室溫至第一個溫度條件，再至第二個溫度條件，最後回到室溫，此情況稱之為一個試驗循環。

有關試驗之參數為：

室溫。
高溫。
低溫。
保溫時間。
高、低溫轉移時間。
循環數。
對大部份試件而言，要使試件溫度到達規定之溫度，均會有時間遲滯(time-lag)現象。

只有在例外情形下，試件才可以在規定之正常儲存或操作之溫度範圍外執行本項試驗。

本試驗屬加速試驗性質，因為在一預定時間內承受數次劇烈的溫度變化循環，比實際遭遇的情況要嚴厲很多。

試驗目的及選擇
溫度變化試驗並非真正的模擬實際情況，其目的為施加應力於試件上，以決定試件是否正確設計或製造。

溫度變化試驗評估方式建議如下：

評估試件於溫度變化下之電性；試驗方法 Nb。
評估試件於溫度變化下之機械性能；試驗方法 Nb。
評估試件在快速溫度變化循環後之電性；試驗方法 Na或Nc。
評估機械元件、材料及複合材料抵抗快速溫度變化之適合性；試驗方法 Na 或Nc。
評估元件結構抵抗人為應力之適合性；試驗方法 Na或Nc。
保溫時間之選擇
保溫時間與試件(或其關鍵零組件)之熱時間常數(thermal time constant)有關，使試件之溫度與溫度櫃或浸泡容器之溫度近似，因此瞭解試件之熱時間常數是非常重要的事。此外大試件(裝備)內、外部零組件之熱時間常數應分別考量，通常以最內部或關鍵零組件之熱時間常數為主。

熱時間常數與周遭介質之特性與移動速率有關(試驗方法Na及Nb為氣體，Nc為液體)，因此熱時間常數必須以實驗方式獲得。在選擇保溫時間時，必須考量下列關係(如圖1所示)：

若t1≧5τ 則d＜0.01 D

若t1≧2.5τ 則d＜ 0.1 D

其中

t1 ：保溫時間

τ：試件之熱時間常數

d ：試驗介質與試件之溫度差

D：高、低溫之溫度差(Tb - Ta)

溫度變化時間之選擇
高、低溫轉移時間之選擇
大型試件若以雙櫃法執行溫度變化試驗，其高、低溫轉移時間無法在2～3分鐘內完成，則轉移時間可稍為延長，但不得超過以下之規定：

t2≦ 0.05 τ

其中

t2 ：轉移時間

τ：試件之熱時間常數

溫度變化率之選擇
試驗方法Nb之溫度變化率係用來模擬溫度快速變化。
若欲模擬緩慢溫度之變化，試驗方法Nb仍可適用，但溫度變化率則應適當降低。例如日循環溫度的變異通常每分鐘小於1℃，此種情形對於大型固定裝備較為適用。

溫度變化試驗之使用限制
試件內部之溫度變化率與試件材料之熱傳導、試件熱容之分布及試件尺寸大小有關。試件表面某一點之溫度變化近似指數定律；大型試件內部溫度變化接近周期性的正弦曲線，其高低溫度值遠小於試驗規格之溫度範圍。

試件與溫度櫃或浸泡容器介質間之熱傳機制應加以考量，移動液體介質使試件表面之溫度變化率變得很大，靜止空氣介質之溫度變化率則很小。

雙液體浸泡法以水為介質(試驗方法Nc)，則試件應限制為有水密措施或其特性對水不敏感，亦即當試件浸入水中後，不會使其功能及性質退化。若試件對水敏感則以其他液體取代，因此需考量液體與水之不同熱傳特性。

溫度變化試驗之重複性
試驗參數之影響
溫度變化試驗之重複性視試驗參數之精確性而定；下列試驗參數之變異對試驗之重複性有重大影響：

周遭介質的溫度變化率。
高、低溫。
熱傳機制(對流、熱輻射、熱傳導)。
介質特性。
任何特殊需求，如試件在溫度櫃(容器)內之擺放位置與方向，將影響試驗之重複性，上述情形在相關規範中應明確規定。
試件參數之影響
由於試件各項參數之差異，而影響溫度變化試驗結果：

熱容。
試件表面熱傳量與分布狀況。
試件內部熱傳導不均勻。
試件材料與元件之熱膨脹。
機械性質(例如元件之彈性與拉力強度及試件之材料)。
尺寸大小、容差。
影響試件內溫度分布之其他性質。
選擇試驗方式指引
試驗嚴厲度隨下列因素而增加：
加大溫度差。
加快溫度變化率。
更快速的熱傳機制。
IEC 68-2-14試驗方法N最好視為系列試驗中之一部份，因為有些失效在試驗方法N結束後不一定會馬上顯現，可能會出現在後續的試驗項目中(例如：IEC 68-2-17 試驗方法Q：密封性試驗、 IEC 68-2-6 試驗方法Fc及指引：正弦振動、IEC 68-2-3 試驗方法Ca：穩態濕熱、IEC 68-2-30 試驗方法Db：濕熱溫度循環)。
溫度變化試驗方法Nc(雙液體浸泡法)不可與試驗方法Q(密封(sealing))相互取代使用。
試驗時間之設定，儘可能配合每天的工作作息或是24小時的倍數，且注意復原及最終量測時機。
為避免高、低溫轉移時間在夜晚而需延長保溫時間t1，應將試件留置於低溫櫃中，因為若留置於高溫櫃中之時間過長會產生老化效應。
當規定溫度變化試驗時，應注意並瞭解試件在溫度變化下之性質及可能發生的失效模式，因此初始量測及最終量測亦應一併規定。在某些情況下，也許僅須考量機械性失效，除此之外，在溫度變化期間量測之執行應列為主要考量，尤其是以裝備型態執行試驗之試件。
其他

有關試件溫度隨時間成指數變化之關係計算：

T = (Ta - Tb) ×ｅ-t/τ+Tb

當 t = 0 時 ， 則 T = Ta

當 t = ∞ 時， 則 T = Tb

當t = 0 時 ， 斜率 T = (Tb-Ta)/τ(斜率)

當t = 2.5τ， 則 d = Tb-T = (Tb-Ta)ｅ-2.5 = 0.08(Tb-Ta)＜0.1D

當t = 5τ ， 則 d = Tb-T = (Tb-Ta)ｅ-5