一种舰载强迫风冷密闭机箱的设计

朱玉璞

(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 710068)

0 引言

舰载设备长期工作在高温、高湿、高盐雾的海洋恶劣环境下,研究表明机箱采用密闭设计,能有效阻止雨水、湿气和盐雾进入机箱,从而满足设备抗湿热、盐雾和霉菌的要求,但随之带来的就是机箱内部电子元器件在密闭环境下的散热问题,单个发热器件散热效果直接影响设备性能及使用寿命。因此需要设计一种有较强散热能力的密闭机箱,以保证其正常工作。

本文设计了一种强迫风冷密闭机箱,机箱设计有独立风道,气流只通过风道流通,不与机箱内部模块的电子元器件直接接触,使机箱内部与外界完全隔离,既保证了机箱具有抗高湿热、高盐雾的能力,又有效解决了机箱密闭空间中的散热问题,提高了设备可靠性。

1 机箱设计

强迫风冷密闭舰载机箱由机箱箱体、安装在机箱内部的功能模块组成。

1.1 机箱结构设计

机箱为标准48.26 cm 插箱,先通过真空钎焊,将前框、左侧板、右侧板、后框及前/后隔板焊接组成为一个机箱框架结构,再与前面板、后面板、上盖板及下盖板通过螺钉连接装配后,成为机箱箱体,其中前后面板与焊接箱体配合处设计有密封圈安装槽,采用导电密封圈进行密封;前/后隔板设计多组插槽,模块通过楔形锁紧装置固定于插槽中;侧板设计有散热槽和进风口,减轻重量的同时提升散热性能。机箱内部结构如图1所示。

图1 机箱内部结构示意图

1.2 机箱散热设计

机箱采用间接式强迫风冷结构,散热通过机壳自然冷却和后面板风机强迫风冷实现。风道由前/后隔板、翅片和盖板通过钎焊焊接成一体,如图2所示。

图2 风道结构示意图

冷风从机箱侧板进风口进入,流经散热翅片将热量带出隔板组件,进入主风道由后面板上的风机抽出,机箱内风道及风走向示意图如图3所示,进风口每侧有2 个,共计4 个。进口风道的截面积为120×9.5×4×0.5=2 280 mm,主风道的截面积为106×27=2 862 mm,主风道截面大于进口风道截面,故设备中的热量会很快被带出。在整个散热过程中,气流只通过风道流通,不与机箱内部模块的电子元器件直接接触,使机箱内部与外界完全隔离,从而实现密闭功能。

图3 风道及风走向示意图

1.3 机箱电磁兼容性设计

1.3.1 屏蔽滤波设计

机箱箱体采用真空钎焊技术整体焊接成型,焊缝光洁平整没有缝隙;机箱箱体与上下盖板、前后面板接触面上设计导电密封槽,安装双组份屏蔽条,该屏蔽条外侧密封,内侧导电,可在保证机箱密封性的同时具有良好的屏蔽性能。设备对外接口均采用具有电磁滤波功能的航空插座,在将功能信号引出的同时保证了设备产生的电磁能量不会泄漏到外部环境。

1.3.2 接地设计

良好的接地是减少各电路相互串扰的一种重要方法。机箱后面板设计有安全接地螺柱,通过铜质搭铁线连接到外部可靠接地点。

1.4 机箱环境适应性设计

1.4.1 材料选择

机箱选用耐蚀金属材料和非金属材料:

(1) 机箱箱体采用耐腐蚀的防锈铝合金AL-6061;

(2) 外部紧固件、连接器壳体等材质选用不锈钢316 L;

(3) 外露高分子材料如导电橡胶条、电缆橡胶护套等选用性能稳定、耐腐蚀的材料。

1.4.2 结构防护设计

机箱外表面喷涂氟碳漆,内部无导热、导电要求的表面喷涂UR 型-聚氨酯清漆,以达到长期防潮、防霉、防盐雾侵蚀的作用。

采取上述措施的舰载机箱原理样机,已顺利通过GJB150A-2009规定的军用装备湿热、盐雾和霉菌测试项目。

1.5 模块设计

模块采用标准化和模块化的设计理念,由锁紧条、起拔器、VPX 连接器、盒体、盖板组成,如图4所示。楔形锁紧装置不仅减小了两接触面之间的接触热阻,提高了模块的热传导能力,而且具有较大的夹持力和良好的防松脱效果,再结合模块上插拔件和锁紧装置可以实现模块的快速插拔。

图4 模块结构示意图

模块采用导热铝壳结构,模块内元器件产生的热量先通过导热衬垫及冷板凸台传导至模块壳体,再通过模块壳体和楔形锁紧装置将热量传导至机箱前/后隔板,最后传至风道,以强迫风冷的方式将热量带到机箱外部环境中去,如图5所示。

图5 模块风冷散热途径示意图

其中模块1、模块5、模块6和模块9壳体侧面紧贴机箱侧板或主风道盖板,可将热量迅速传导至机箱结构件,适合功耗较大的模块。

2 热仿真分析

机箱总功耗为210 W,各模块热耗见表1。

表1 模块散热示意图

通过Flotherm 软件对机箱进行热仿真分析,环境温度为60℃。机箱冷却工作模式见图6,机箱内温度分布见图7。

图6 机箱冷却工作模式

由图7可知,机箱内模块4温度最高,为77℃,考虑到仿真中未考虑辐射影响,按以往相似设备工程热设计经验,实际温度比仿真温度低4℃左右,设计满足要求。

图7 机箱温度分布示意图

3 结束语

本文设计的强迫风冷密闭舰载机箱达到了以下功能:

(1) 机箱为密闭机箱,可以在高湿和高盐雾的海洋恶劣环境下正常工作;

(2) 机箱工作时,芯片热量通过导热衬垫、凸台和模块壳体传导至机箱风道,并由强迫风冷的方式将热量散发出去,可以在高温环境下正常工作;

(3) 机箱内单元模块的数量可以根据电子设备要求的具体数量而确定,在不改变机箱结构形式下增加或减少插槽数量,并通过热仿真分析实现各模块的合理布局,从而实现电子设备机箱的快速设计。

该舰载密闭机箱能通过强迫风冷散热方式解决机箱大功耗散热问题,提高了设备在海洋工作环境下的可靠性,对该类别的密闭机箱设计具有一定的参考意义。