基于水下密閉環境中的電子機箱結構設計

劉 峰

（中國船舶第七一五研究所，杭州 310023）

0 引言

隨著近年來世界主要國家相繼提出海洋戰略［1］，增強對海洋的重視，裝備現代化正在快速發展。我國為了應對日趨激烈的藍水競爭，同樣對海洋裝備提出了更嚴格、更細致的要求。海洋裝備主要分為水上、水下、空中作戰裝備［2-3］，其中以水下作戰裝備最為復雜與精密，受制于水下復雜的工作環境（高濕、高壓、高阻力），水下作戰裝備不僅要滿足國家標準的各項技術指標，還要充分考慮環境適應性、熱功耗、熱傳遞、電磁互擾等技術要求［4-5］，其中以設備的散熱處理尤為復雜與困難。同時由于設備要適應不同水深條件下水壓的影響，其一級外殼一般都會采用耐壓、防腐材料，而此類材料的導熱能力相對較弱，因而會使殼體內或者二級載體（電子機箱）的熱耗器件的散熱處理變的相對困難，由于熱量的積聚會使電子元器件的溫升增加，進而影響設備的整體性能，降低設備使用的可靠性。怎樣簡單、便捷地將水下電子機箱設計的結構合理并符合可靠性標準，同時合理地將熱耗器件的熱量排出，成為世界各國水下電子機箱設計師面臨的重要問題。

本設計針對水下密閉環境，從電子機箱的結構設計、環境適應性設計、散熱設計等方面進行了統籌考慮，設計的機箱結構美觀，環境適應性強。對機箱的真實散熱情況進行了熱仿真模擬，仿真結果符合各項技術要求。

1 電子機箱結構設計方案

1.1 總體設計方案

基于水下密閉環境中的電子機箱結構形式符合HJB68 中3.4.2條的規定；其主要結構尺寸符合HJB68 中3.5 條的規定。機箱整體采用電磁兼容性設計，包括屏蔽、接地、濾波等多種設計手段［6-7］，機箱主體結構為一體化箱式結構，受制于機箱水下安裝筒體直徑空間尺寸狹窄的影響，機箱主要由左右兩塊功能區構成，其中左側是印制板的安裝空間，右側是連接器的安裝空間，采用風冷形式的散熱方式，具體為循環風將箱體上的熱量通過箱體左右兩側散熱翅片帶走。機箱由焊接框架、前蓋板、后蓋板、風機蓋、插座蓋等組合而成。框架由3A21鋁合金焊接而成以保證有足夠的強度、剛度和密封性及美觀性，同時可以減少電磁泄漏。前、后蓋板通過通用鎖緊裝置固定在框架上，可拆卸，方便調試和對機箱進行維護。機箱提供集中對外安裝接口且機箱結構貫徹標準化、系列化、人機工程的設計思路，安裝方式為常規落地式，機箱左右兩側安裝有把手，方便搬運。其外觀、組成分別如圖1、2所示。

圖1 電子機箱的外形圖

圖2 電子機箱的組成圖

1.2 機箱的功能區塊設計

機箱可分為3個主要的功能區域，分別介紹如下。

（1）機箱左部：印制板安裝區。印制板通過機箱內部的導板，可以方便地插裝在機箱內或將其拉出拆下。印制板上的導熱板與機箱導板可以緊密貼合，利于熱量的傳導與板卡的鎖緊，同時可以將各個模塊合理分隔。安裝區內部大、小信號間加裝阻隔板，可以更好地屏蔽板卡間的電磁互擾，同時也兼有增加機箱強度的作用。

（2）機箱右部：外部接口連接器區。所有印制板對外部的接口通過內部電纜統一引到機箱右部區域，在此區域可方便地將各類連接器進行分塊布置，不但可以降低不同電信號間的電磁干擾，還可以充分利用筒體內部空間及箱體空間，便于人員操作及維護。同時連接器與箱體間加裝導電襯墊，且插座蓋與箱體間安裝有導電屏蔽條，能夠使各接觸件良好接地并具備良好的電磁屏蔽性。

（3）機箱后部：風扇布置區。散熱風扇通過風機蓋安裝于機箱后部，可以充分利用筒體直徑上的空間尺寸；冷卻風通過機箱兩側的開孔風道可以將密閉空間里印制板上的熱能通過散熱翅片帶走，且風扇與供電電源間加裝了穿心電容，對外部的電磁干擾可以產生很好的屏蔽作用。

機箱的各功能區塊均與機箱框架間采用了電連通與密封裝置，且設置了可靠的接地端子，不但可以保證機箱整體的良好接地，還可以保證機箱內部環境的獨立密閉，從而防止鹽霧、水汽、外部干擾對印制板件的侵害。

2 電子機箱的散熱設計與分析

為了保證機箱內電子元器件的性能與使用壽命，該機箱對電子器件的散熱做了良好的設計。將不同熱功耗的元器件分別對應做了導熱裝置，且與機箱框架能良好接觸，使電子器件的熱功耗可以方便地傳導給散熱翅片，并盡可能地縮短傳熱距離、優化導熱路徑，將機箱的熱阻控制在最小范圍內。

2.1 機箱散熱的理論計算

該機箱理論的耗散功率為0.3 kW，整個機箱從前到后進行強制抽風冷卻。考慮一部分熱量通過機箱自身向外界排走，故機箱內部實際需要排走的的耗散功率約為0.27 kW，由于此機箱是強迫風冷熱傳導散熱方式，根據熱傳遞理論經驗公式（1）、（2）和傅里葉導熱公式（3）可以得出機箱內功率芯片的理論溫升［8］。

式中：Q為熱功耗；hc為強迫空氣對流系數；A為導熱面積；Δt為溫差。

式中：J為科爾伯恩因子，理論值為0.0111；G為通過風道的單位面積的重量流量；CP為流體的比熱，此處空氣為0.24 cal/（g·℃）；u 為流體的黏度，空氣0.000 207 g/（cm·s）；K 為流體的熱導率，空氣為9.88×10-5cal/（s·cm·℃）。

式中：Q為板件的熱功耗；λ為金屬的熱傳導系數；Δt為芯片與板件間的溫差；d為熱傳導距離；A為器件的散熱面積。

設環境起始溫度為20 ℃，根據經驗，空氣通過風機的前后溫差為15 ℃左右效果較好，假設機箱的熱功耗全部能通過散熱片經風冷散出，且散熱翅片的風道截面積為2.52 ×0.3 cm2，通過公式（2）求得強迫空氣對流系數為hc＝7.34×10-4cal/（s·cm2·℃）；將其數值代入式（1），可得出Δt＝12.46 ℃，即機箱內部側板到散熱翅片的溫升大約為12.46 ℃。

通過傅里葉導熱公式可以求出芯片與導熱板間的溫差Δt。金屬鋁的熱傳導系數為120 W/（m·K），導熱板上芯片的平均傳熱距離為0.05 m，芯片總的散熱面積為7.2×10-3m2，熱功耗為270 W，代入式（3），可求得芯片的平均溫升為16 ℃。

經過上述熱傳導方程可以得出在芯片的熱功耗為270 W時，主要功耗芯片的平均溫度大約為t ＝20 ℃ +15 ℃ +12.46 ℃ +16 ℃ ＝63.46 ℃。而一般工業芯片的耐熱溫度大都大于100 ℃，因此經過理論計算的電子機箱熱傳導滿足使用技術要求。

2.2 機箱散熱的仿真分析

為了進一步驗證機箱熱設計的可靠性，利用6Sigma軟件對該電子機箱進行了熱仿真，其仿真效果圖及數據如圖3所示。

圖3 機箱熱仿真效果圖

在模擬外界水下環境溫度為15 ℃時，采用一對風冷風扇對鈦合金筒體內部的機箱進行熱力學仿真，將機箱內印制板的功耗分別設定到額定功耗，在機箱總功耗大約為300 W的條件下，仿真結果顯示功耗最大的芯片最高溫度大約為61 ℃，其他芯片均低于52 ℃。

通過分析可知，在電子機箱工作達到額定功耗的情況下，該機箱散熱充分，依然可以滿足機箱的正常使用，符合設計條件要求。

3 結束語

綜上所述，本文根據國家標準的相關規定設計了水下電子機箱，機箱整體為一體式焊接結構，主要分為3 個工作區塊，其在功能上滿足水下密閉環境條件下的各項性能，在電磁兼容、環境適應性、結構合理性上表現優異，且其綜合散熱設計符合軍用技術要求，可以充當水下設備的內置式工作載體，符合設計條件要求，為現代海軍的水下電子機箱結構設計提供一定的參照。