朱玉璞

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

艦載設備長期工作在高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境下，研究表明機箱采用密閉設計，能有效阻止雨水、濕氣和鹽霧進入機箱，從而滿足設備抗?jié)駸?、鹽霧和霉菌的要求[1-2]，但隨之帶來的就是機箱內部電子元器件在密閉環(huán)境下的散熱問題，單個發(fā)熱器件散熱效果直接影響設備性能及使用壽命[3]。因此需要設計一種有較強散熱能力的密閉機箱，以保證其正常工作。

本文設計了一種強迫風冷密閉機箱，機箱設計有獨立風道，氣流只通過風道流通，不與機箱內部模塊的電子元器件直接接觸，使機箱內部與外界完全隔離，既保證了機箱具有抗高濕熱、高鹽霧的能力，又有效解決了機箱密閉空間中的散熱問題，提高了設備可靠性。

1 機箱設計

強迫風冷密閉艦載機箱由機箱箱體、安裝在機箱內部的功能模塊組成。

1.1 機箱結構設計

機箱為標準48.26 cm插箱，先通過真空釬焊，將前框、左側板、右側板、后框及前/后隔板焊接組成為一個機箱框架結構，再與前面板、后面板、上蓋板及下蓋板通過螺釘連接裝配后，成為機箱箱體，其中前后面板與焊接箱體配合處設計有密封圈安裝槽，采用導電密封圈進行密封；前/后隔板設計多組插槽，模塊通過楔形鎖緊裝置固定于插槽中；側板設計有散熱槽和進風口，減輕重量的同時提升散熱性能。機箱內部結構如圖1所示。

圖1 機箱內部結構示意圖

1.2 機箱散熱設計

機箱采用間接式強迫風冷結構，散熱通過機殼自然冷卻和后面板風機強迫風冷實現(xiàn)。風道由前/后隔板、翅片和蓋板通過釬焊焊接成一體，如圖2所示。

圖2 風道結構示意圖

冷風從機箱側板進風口進入，流經散熱翅片將熱量帶出隔板組件，進入主風道由后面板上的風機抽出，機箱內風道及風走向示意圖如圖3所示，進風口每側有2個，共計4個。進口風道的截面積為120×9.5×4×0.5=2 280 mm2，主風道的截面積為106×27=2 862 mm2，主風道截面大于進口風道截面，故設備中的熱量會很快被帶出。在整個散熱過程中，氣流只通過風道流通，不與機箱內部模塊的電子元器件直接接觸，使機箱內部與外界完全隔離，從而實現(xiàn)密閉功能。

圖3 風道及風走向示意圖

1.3 機箱電磁兼容性設計

1.3.1 屏蔽濾波設計

機箱箱體采用真空釬焊技術整體焊接成型，焊縫光潔平整沒有縫隙；機箱箱體與上下蓋板、前后面板接觸面上設計導電密封槽，安裝雙組份屏蔽條，該屏蔽條外側密封，內側導電，可在保證機箱密封性的同時具有良好的屏蔽性能。設備對外接口均采用具有電磁濾波功能的航空插座，在將功能信號引出的同時保證了設備產生的電磁能量不會泄漏到外部環(huán)境。

1.3.2 接地設計

良好的接地是減少各電路相互串擾的一種重要方法[4]。機箱后面板設計有安全接地螺柱，通過銅質搭鐵線連接到外部可靠接地點。

1.4 機箱環(huán)境適應性設計

1.4.1 材料選擇

機箱選用耐蝕金屬材料和非金屬材料[5]：

(1) 機箱箱體采用耐腐蝕的防銹鋁合金AL-6061；

(2) 外部緊固件、連接器殼體等材質選用不銹鋼316 L；

(3) 外露高分子材料如導電橡膠條、電纜橡膠護套等選用性能穩(wěn)定、耐腐蝕的材料。

1.4.2 結構防護設計

機箱外表面噴涂氟碳漆，內部無導熱、導電要求的表面噴涂UR型-聚氨酯清漆，以達到長期防潮、防霉、防鹽霧侵蝕的作用。

采取上述措施的艦載機箱原理樣機，已順利通過GJB150A-2009規(guī)定的軍用裝備濕熱、鹽霧和霉菌測試項目。

1.5 模塊設計

模塊采用標準化和模塊化的設計理念，由鎖緊條、起拔器、VPX連接器、盒體、蓋板組成，如圖4所示。楔形鎖緊裝置不僅減小了兩接觸面之間的接觸熱阻，提高了模塊的熱傳導能力，而且具有較大的夾持力和良好的防松脫效果，再結合模塊上插拔件和鎖緊裝置可以實現(xiàn)模塊的快速插拔。

圖4 模塊結構示意圖

模塊采用導熱鋁殼結構，模塊內元器件產生的熱量先通過導熱襯墊及冷板凸臺傳導至模塊殼體，再通過模塊殼體和楔形鎖緊裝置將熱量傳導至機箱前/后隔板，最后傳至風道，以強迫風冷的方式將熱量帶到機箱外部環(huán)境中去，如圖5所示。

圖5 模塊風冷散熱途徑示意圖

其中模塊1、模塊5、模塊6和模塊9殼體側面緊貼機箱側板或主風道蓋板，可將熱量迅速傳導至機箱結構件，適合功耗較大的模塊。

2 熱仿真分析

機箱總功耗為210 W，各模塊熱耗見表1。

表1 模塊散熱示意圖

通過Flotherm軟件對機箱進行熱仿真分析[6]，環(huán)境溫度為60 ℃。機箱冷卻工作模式見圖6，機箱內溫度分布見圖7。

圖6 機箱冷卻工作模式

圖7 機箱溫度分布示意圖

由圖7可知，機箱內模塊4溫度最高，為77 ℃，考慮到仿真中未考慮輻射影響，按以往相似設備工程熱設計經驗，實際溫度比仿真溫度低4 ℃左右，設計滿足要求。

3 結束語

本文設計的強迫風冷密閉艦載機箱達到了以下功能：

(1) 機箱為密閉機箱，可以在高濕和高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境下正常工作；

(2) 機箱工作時，芯片熱量通過導熱襯墊、凸臺和模塊殼體傳導至機箱風道，并由強迫風冷的方式將熱量散發(fā)出去，可以在高溫環(huán)境下正常工作；

(3) 機箱內單元模塊的數(shù)量可以根據(jù)電子設備要求的具體數(shù)量而確定，在不改變機箱結構形式下增加或減少插槽數(shù)量，并通過熱仿真分析實現(xiàn)各模塊的合理布局，從而實現(xiàn)電子設備機箱的快速設計。

該艦載密閉機箱能通過強迫風冷散熱方式解決機箱大功耗散熱問題，提高了設備在海洋工作環(huán)境下的可靠性，對該類別的密閉機箱設計具有一定的參考意義。