陳 娜，許自力

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對電子設(shè)備的依賴性越來越高，而電子設(shè)備集成有大量的電路、晶體管、電子管等電子元器件，易受到不良環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致性能降低、失效甚至損壞，因此，電子設(shè)備的性能發(fā)揮與環(huán)境密切相關(guān)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，電子設(shè)備發(fā)生故障的原因，環(huán)境因素占70%以上，主要為腐蝕、老化、膨脹、開裂、長霉和蟲蛀等[1-2]。

電子設(shè)備機(jī)柜為電子設(shè)備營造了良好的工作環(huán)境和安全防護(hù)措施，使得電子設(shè)備的使用壽命大大延長。但是在沿海地區(qū)、島礁及海洋工作環(huán)境中，普通機(jī)柜還不能免除高潮濕、高鹽霧、高霉菌的嚴(yán)苛環(huán)境對于電子設(shè)備的腐蝕[3-6]。一般來說，當(dāng)相對濕度達(dá)到設(shè)備內(nèi)金屬的臨界相對濕度(70% RH)時(shí)，便會加速腐蝕，若空氣或金屬表面有鹽類等雜質(zhì)存在時(shí)，會使金屬從化學(xué)腐蝕變成電化學(xué)腐蝕，大大加速了腐蝕的速度；霉菌能夠在電子設(shè)備的有機(jī)材料組件中滋生，尤其是在濕度超過65%的條件下，會加速霉菌的繁殖，而霉菌通過分解有機(jī)材料攝取營養(yǎng)，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的物理性能和電性能遭到破壞。在軍用電子行業(yè)，通常將設(shè)備的“防潮濕、防霉菌、防鹽霧”稱為三防，隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，現(xiàn)在的三防設(shè)計(jì)是以提高產(chǎn)品的環(huán)境可靠性為目標(biāo)。

溫度控制也是電子設(shè)備機(jī)柜設(shè)計(jì)過程中需要考慮的一個(gè)重要因素。試驗(yàn)表明，電子設(shè)備的故障率隨著溫度因素(高溫、低溫和溫度的循環(huán)變化)而呈指數(shù)關(guān)系增加。電磁屏蔽是機(jī)柜的另一設(shè)計(jì)要點(diǎn)，考慮到機(jī)柜內(nèi)集成有大量通信及傳感器設(shè)備，電磁環(huán)境復(fù)雜，很容易造成機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的互相干擾和對外部的電磁干擾，當(dāng)干擾電平過高時(shí)，就會造成設(shè)備性能降低，無法運(yùn)行[7-10]。

為解決海洋環(huán)境下機(jī)柜設(shè)計(jì)中遇到的各種問題，本文將針對電子設(shè)備機(jī)柜設(shè)計(jì)的三防、溫度、屏蔽等關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 需求分析

針對海洋環(huán)境使用下的電子設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行分析，以某島礁自然環(huán)境作為參照，使用環(huán)境為終年高溫高濕的海洋環(huán)境，空氣含鹽量高，太陽輻射強(qiáng)，對電子設(shè)備的使用環(huán)境提出了嚴(yán)苛的要求。

機(jī)柜內(nèi)部安裝各類電子設(shè)備，高度集聚。擬采用機(jī)柜外部加裝空調(diào)對機(jī)柜內(nèi)部進(jìn)行散熱。具體性能指標(biāo)如下。

1)機(jī)柜處于10～55 ℃、相對濕度95%的環(huán)境溫度中，能保障柜內(nèi)設(shè)備正常工作。

2)依照GB/T 30790.2—2014《色漆和清漆 防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù) 第2部分：環(huán)境分類》的大氣腐蝕性分類，島礁環(huán)境腐蝕級別為C5-M。機(jī)柜零部件和材料具有防腐蝕、防生銹能力，在大氣鹽霧含量不低于3 mg/m3的環(huán)境條件下能正常使用。

3)結(jié)構(gòu)件滿足通過中性鹽霧試驗(yàn)240 h能力，滿足通過濕熱試驗(yàn)240 h能力。

4)霉菌：參照GJB 150.10A方法，滿足一級要求。

5)電磁屏蔽：設(shè)備參照GJB 151A標(biāo)準(zhǔn)。

為滿足電子設(shè)備的正常工作，參照國軍標(biāo)的相關(guān)技術(shù)要求，保持產(chǎn)品主要戰(zhàn)技指標(biāo)和技術(shù)狀態(tài)不變，針對南海環(huán)境特點(diǎn)對設(shè)備進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，對設(shè)備提供輔助防護(hù)措施，進(jìn)行多層面綜合防護(hù)設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 密閉性設(shè)計(jì)

根據(jù)軍用設(shè)備的海洋使用環(huán)境要求，設(shè)計(jì)要求機(jī)柜需達(dá)到IEC 60529-2013 IP 55級別。機(jī)柜框架為全焊接結(jié)構(gòu)，焊縫平整均勻，連續(xù)滿焊，無夾渣、裂縫、咬邊和氣孔；焊縫處涂敷導(dǎo)電密封膠，進(jìn)一步保證框架的密封性；機(jī)柜門板采用全自動(dòng)點(diǎn)膠發(fā)泡技術(shù)，密封膠條無接口接縫。

2.2 防鹽霧設(shè)計(jì)

根據(jù)GJB 150.11A—2009要求，機(jī)柜應(yīng)在大氣鹽霧含量不低于2 mg/m3的環(huán)境下，保證內(nèi)部服務(wù)器正常工作。所有外部結(jié)構(gòu)件及緊固件采用316L不銹鋼材質(zhì)，表面結(jié)構(gòu)件經(jīng)打毛后鈍化處理再電泳后噴涂粉末涂料，316L材質(zhì)耐鹽霧性能優(yōu)良，表面經(jīng)上述處理后中性鹽霧測試能達(dá)到1 000 h；機(jī)柜內(nèi)設(shè)備載體采用鋁合金材質(zhì)，表面需做導(dǎo)電氧化處理；加固顯示器內(nèi)所有印制板均需進(jìn)行三防處理，涂覆三防漆。

2.3 防霉菌設(shè)計(jì)

選用耐霉性材料，使用的有機(jī)材料構(gòu)件均選擇添加有防霉填料或其他耐霉助劑的高分子材料。對需要進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)的電子元件和組件進(jìn)行防霉劑浸漬處理。

2.4 溫濕度控制設(shè)計(jì)

在高溫高濕的海洋環(huán)境下，要求機(jī)柜內(nèi)設(shè)備總功率為3 000 W時(shí)，機(jī)柜內(nèi)溫度保持在15～30 ℃，濕度保持在20%～40%。通過在機(jī)柜外部配備制冷空調(diào)，更好地控制機(jī)柜的溫濕度，使環(huán)境溫度在50 ℃時(shí)，機(jī)柜內(nèi)部不超過30 ℃?？照{(diào)風(fēng)道采用內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)，內(nèi)循環(huán)冷風(fēng)經(jīng)散熱設(shè)備或器件后回到內(nèi)循環(huán)回風(fēng)口，不與外界空氣相接觸。機(jī)柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行合理布局，設(shè)備殼體表面銑削散熱肋片，增大散熱面積，利于外部流動(dòng)空氣將熱量及時(shí)帶走。在電子組件表面和安裝件表面之間的所有空隙填滿彈性導(dǎo)熱橡膠材料，所形成的熱交換通道，能將電路板上產(chǎn)生的熱量通過彈性導(dǎo)熱橡膠材料傳至殼體，實(shí)現(xiàn)散熱。

2.5 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

電磁屏蔽是利用金屬板、網(wǎng)、蓋、罩、盒等屏蔽體阻止或減小電磁能量傳播所采取的一種結(jié)構(gòu)措施，在屏蔽設(shè)計(jì)中主要解決電源線的傳導(dǎo)干擾問題、縫隙泄漏和電纜間串?dāng)_(走線)問題。主要電磁屏蔽設(shè)計(jì)如下。

1)柜體與前門接觸處裝有鈹銅EMC簧片，鈹銅簧片有高導(dǎo)電性和射頻電導(dǎo)率，該簧片裝載在密封條的內(nèi)側(cè)，當(dāng)簧片壓縮量為25%時(shí)，其屏蔽性能達(dá)到最佳。

2)空調(diào)與機(jī)柜通過轉(zhuǎn)接板安裝，轉(zhuǎn)接板與機(jī)柜接觸處采用矩形密封條?？照{(diào)內(nèi)循環(huán)進(jìn)出風(fēng)口采用屏蔽蜂窩波導(dǎo)窗，材料為不銹鋼316L，蜂窩孔徑為3.2 mm，高度為12.7 mm；波導(dǎo)窗采用壓框形式安裝，確保與機(jī)柜側(cè)面開孔的充分接觸。

3)機(jī)柜進(jìn)出線采用帶屏蔽的密封模塊，同時(shí)增加電源濾波裝置。

4)前后門采用雙接地技術(shù)，提高設(shè)備的可靠性和安全性。前后門上下端均采用截面積為16 mm2的扁平接地銅帶；機(jī)柜后部帶3根接地銅牌，便于設(shè)備接地。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)按GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》的相關(guān)要求執(zhí)行，交替進(jìn)行24 h噴鹽霧和24 h干燥2種狀態(tài)共96 h。測試結(jié)果表明，經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后的機(jī)柜，結(jié)構(gòu)件未出現(xiàn)銹點(diǎn)，設(shè)備正常運(yùn)行。

3.2 氣密性試驗(yàn)

將機(jī)柜放置在實(shí)驗(yàn)室中央(見圖1)，在合適部位安裝測壓管和充氣管，關(guān)閉機(jī)柜。接通儲氣罐，通過充氣管向柜內(nèi)送入空氣，調(diào)節(jié)空氣節(jié)流閥，使機(jī)柜內(nèi)超壓值達(dá)到300 Pa，壓差保持時(shí)間不少于1 min。測試結(jié)果表明，機(jī)柜氣密性良好，最大空氣泄漏量為1 m3/min，達(dá)到Ⅱ級氣密等級。

圖1 機(jī)柜氣密性測試

3.3 溫濕熱控制試驗(yàn)

機(jī)柜的溫濕度控制試驗(yàn)?zāi)M了機(jī)柜在室內(nèi)環(huán)境為25～32 ℃、濕度為30%～50%的條件下的運(yùn)行情況。機(jī)柜內(nèi)布置有7臺服務(wù)器，試驗(yàn)過程中持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，為測試機(jī)柜內(nèi)不同位置的溫濕度變化情況，一共在機(jī)柜內(nèi)部布置有4處溫度傳感器(見圖2)：傳感器1位于機(jī)柜內(nèi)的底部，傳感器2、3位于機(jī)柜內(nèi)中部，傳感器4位于機(jī)柜內(nèi)頂部；1處濕度傳感器與傳感器4位置相重合。

機(jī)柜內(nèi)的溫度測試試驗(yàn)共運(yùn)行72 h，測試儀器每間隔0.5 h記錄1次測試數(shù)據(jù)。由于傳感器1位于空調(diào)進(jìn)風(fēng)口處，因此溫度低于其他3個(gè)傳感器；傳感器2、3處于平行位置，傳感器2位于冷風(fēng)循環(huán)位置，因此溫度明顯低于傳感器3；傳感器4位于機(jī)柜中最上方，因此溫度較高。機(jī)柜內(nèi)溫度變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，機(jī)柜內(nèi)的溫度明顯低于正常室溫，最低溫度為6.8 ℃，最高溫度為初始運(yùn)行時(shí)的30.1 ℃。機(jī)柜內(nèi)各服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定后，各位置溫度相對穩(wěn)定，說明機(jī)柜的密閉性良好，空調(diào)的工作能力滿足6臺服務(wù)器的工作需求。

圖2 傳感器布置圖

圖3 機(jī)柜內(nèi)溫度變化曲線

濕度控制試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為72 h，每間隔1 h記錄1次機(jī)柜內(nèi)的濕度數(shù)據(jù)。機(jī)柜內(nèi)濕度變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，機(jī)柜內(nèi)的濕度保持在29%～33%，總體低于室內(nèi)濕度，且數(shù)值波動(dòng)很小，說明機(jī)柜的密閉除濕性良好。

后續(xù)試驗(yàn)中，根據(jù)GJB 150.9A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法-濕熱試驗(yàn)》進(jìn)行了機(jī)柜的整體測試，濕熱循環(huán)箱內(nèi)的條件為：溫度35～60 ℃，相對濕度為95%，保持72 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)柜內(nèi)所有服務(wù)器正常運(yùn)行，機(jī)柜內(nèi)的溫度范圍控制在26～33 ℃，濕度控制在35%以下。

圖4 機(jī)柜內(nèi)濕度變化曲線

從空調(diào)的溫濕度控制試驗(yàn)可以看出，機(jī)柜內(nèi)的密閉性良好，空調(diào)不僅可以保證柜內(nèi)溫度平穩(wěn)，且由于空調(diào)內(nèi)的風(fēng)道采用內(nèi)循環(huán)處理方式，盡可能地減少了與外界濕度大、鹽霧高的空氣接觸，有助于提高機(jī)柜的三防性能。

4 結(jié)語

本文主要針對惡劣海洋環(huán)境下電子設(shè)備的使用需求，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐腐蝕原材料選擇、加入溫濕度調(diào)控的空調(diào)設(shè)備等，成功實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備機(jī)柜的三防及屏蔽功能，滿足了軍用電子設(shè)備的使用需求，并通過了GJB 150.3A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》規(guī)定的相關(guān)測試。高性能三防機(jī)柜的研制對于軍用電子設(shè)備具有重要意義，在后續(xù)的研究工作中，重點(diǎn)是繼續(xù)提高設(shè)備的可靠性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化、模塊化、功能化設(shè)計(jì)，以滿足軍用設(shè)備更高機(jī)動(dòng)性和智能化發(fā)展的需求。