一種艦載強(qiáng)迫風(fēng)冷密閉機(jī)箱的設(shè)計(jì)

朱玉璞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

艦載設(shè)備長(zhǎng)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(jī)箱采用密閉設(shè)計(jì),能有效阻止雨水、濕氣和鹽霧進(jìn)入機(jī)箱,從而滿足設(shè)備抗?jié)駸?、鹽霧和霉菌的要求,但隨之帶來(lái)的就是機(jī)箱內(nèi)部電子元器件在密閉環(huán)境下的散熱問題,單個(gè)發(fā)熱器件散熱效果直接影響設(shè)備性能及使用壽命。因此需要設(shè)計(jì)一種有較強(qiáng)散熱能力的密閉機(jī)箱,以保證其正常工作。

本文設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)迫風(fēng)冷密閉機(jī)箱,機(jī)箱設(shè)計(jì)有獨(dú)立風(fēng)道,氣流只通過(guò)風(fēng)道流通,不與機(jī)箱內(nèi)部模塊的電子元器件直接接觸,使機(jī)箱內(nèi)部與外界完全隔離,既保證了機(jī)箱具有抗高濕熱、高鹽霧的能力,又有效解決了機(jī)箱密閉空間中的散熱問題,提高了設(shè)備可靠性。

1 機(jī)箱設(shè)計(jì)

強(qiáng)迫風(fēng)冷密閉艦載機(jī)箱由機(jī)箱箱體、安裝在機(jī)箱內(nèi)部的功能模塊組成。

1.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱為標(biāo)準(zhǔn)48.26 cm 插箱,先通過(guò)真空釬焊,將前框、左側(cè)板、右側(cè)板、后框及前/后隔板焊接組成為一個(gè)機(jī)箱框架結(jié)構(gòu),再與前面板、后面板、上蓋板及下蓋板通過(guò)螺釘連接裝配后,成為機(jī)箱箱體,其中前后面板與焊接箱體配合處設(shè)計(jì)有密封圈安裝槽,采用導(dǎo)電密封圈進(jìn)行密封;前/后隔板設(shè)計(jì)多組插槽,模塊通過(guò)楔形鎖緊裝置固定于插槽中;側(cè)板設(shè)計(jì)有散熱槽和進(jìn)風(fēng)口,減輕重量的同時(shí)提升散熱性能。機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)

機(jī)箱采用間接式強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu),散熱通過(guò)機(jī)殼自然冷卻和后面板風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)。風(fēng)道由前/后隔板、翅片和蓋板通過(guò)釬焊焊接成一體,如圖2所示。

圖2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

冷風(fēng)從機(jī)箱側(cè)板進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,流經(jīng)散熱翅片將熱量帶出隔板組件,進(jìn)入主風(fēng)道由后面板上的風(fēng)機(jī)抽出,機(jī)箱內(nèi)風(fēng)道及風(fēng)走向示意圖如圖3所示,進(jìn)風(fēng)口每側(cè)有2 個(gè),共計(jì)4 個(gè)。進(jìn)口風(fēng)道的截面積為120×9.5×4×0.5=2 280 mm,主風(fēng)道的截面積為106×27=2 862 mm,主風(fēng)道截面大于進(jìn)口風(fēng)道截面,故設(shè)備中的熱量會(huì)很快被帶出。在整個(gè)散熱過(guò)程中,氣流只通過(guò)風(fēng)道流通,不與機(jī)箱內(nèi)部模塊的電子元器件直接接觸,使機(jī)箱內(nèi)部與外界完全隔離,從而實(shí)現(xiàn)密閉功能。

圖3 風(fēng)道及風(fēng)走向示意圖

1.3 機(jī)箱電磁兼容性設(shè)計(jì)

1.3.1 屏蔽濾波設(shè)計(jì)

機(jī)箱箱體采用真空釬焊技術(shù)整體焊接成型,焊縫光潔平整沒有縫隙;機(jī)箱箱體與上下蓋板、前后面板接觸面上設(shè)計(jì)導(dǎo)電密封槽,安裝雙組份屏蔽條,該屏蔽條外側(cè)密封,內(nèi)側(cè)導(dǎo)電,可在保證機(jī)箱密封性的同時(shí)具有良好的屏蔽性能。設(shè)備對(duì)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(hào)引出的同時(shí)保證了設(shè)備產(chǎn)生的電磁能量不會(huì)泄漏到外部環(huán)境。

1.3.2 接地設(shè)計(jì)

良好的接地是減少各電路相互串?dāng)_的一種重要方法。機(jī)箱后面板設(shè)計(jì)有安全接地螺柱,通過(guò)銅質(zhì)搭鐵線連接到外部可靠接地點(diǎn)。

1.4 機(jī)箱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

1.4.1 材料選擇

機(jī)箱選用耐蝕金屬材料和非金屬材料:

(1) 機(jī)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(zhì)選用不銹鋼316 L;

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

1.4.2 結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)

機(jī)箱外表面噴涂氟碳漆,內(nèi)部無(wú)導(dǎo)熱、導(dǎo)電要求的表面噴涂UR 型-聚氨酯清漆,以達(dá)到長(zhǎng)期防潮、防霉、防鹽霧侵蝕的作用。

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

1.5 模塊設(shè)計(jì)

模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)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(dǎo)能力,而且具有較大的夾持力和良好的防松脫效果,再結(jié)合模塊上插拔件和鎖緊裝置可以實(shí)現(xiàn)模塊的快速插拔。

圖4 模塊結(jié)構(gòu)示意圖

模塊采用導(dǎo)熱鋁殼結(jié)構(gòu),模塊內(nèi)元器件產(chǎn)生的熱量先通過(guò)導(dǎo)熱襯墊及冷板凸臺(tái)傳導(dǎo)至模塊殼體,再通過(guò)模塊殼體和楔形鎖緊裝置將熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱前/后隔板,最后傳至風(fēng)道,以強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式將熱量帶到機(jī)箱外部環(huán)境中去,如圖5所示。

圖5 模塊風(fēng)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(cè)面緊貼機(jī)箱側(cè)板或主風(fēng)道蓋板,可將熱量迅速傳導(dǎo)至機(jī)箱結(jié)構(gòu)件,適合功耗較大的模塊。

2 熱仿真分析

機(jī)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(guò)Flotherm 軟件對(duì)機(jī)箱進(jìn)行熱仿真分析,環(huán)境溫度為60℃。機(jī)箱冷卻工作模式見圖6,機(jī)箱內(nèi)溫度分布見圖7。

圖6 機(jī)箱冷卻工作模式

由圖7可知,機(jī)箱內(nèi)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(shè)備工程熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),實(shí)際溫度比仿真溫度低4℃左右,設(shè)計(jì)滿足要求。

圖7 機(jī)箱溫度分布示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)迫風(fēng)冷密閉艦載機(jī)箱達(dá)到了以下功能:

(1) 機(jī)箱為密閉機(jī)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(jī)箱工作時(shí),芯片熱量通過(guò)導(dǎo)熱襯墊、凸臺(tái)和模塊殼體傳導(dǎo)至機(jī)箱風(fēng)道,并由強(qiáng)迫風(fēng)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(jī)箱內(nèi)單元模塊的數(shù)量可以根據(jù)電子設(shè)備要求的具體數(shù)量而確定,在不改變機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式下增加或減少插槽數(shù)量,并通過(guò)熱仿真分析實(shí)現(xiàn)各模塊的合理布局,從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備機(jī)箱的快速設(shè)計(jì)。

該艦載密閉機(jī)箱能通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式解決機(jī)箱大功耗散熱問題,提高了設(shè)備在海洋工作環(huán)境下的可靠性,對(duì)該類別的密閉機(jī)箱設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。