海洋環境下三防密閉機柜的綜合防護設計

陳 娜，許自力

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

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

電子設備機柜為電子設備營造了良好的工作環境和安全防護措施，使得電子設備的使用壽命大大延長。但是在沿海地區、島礁及海洋工作環境中，普通機柜還不能免除高潮濕、高鹽霧、高霉菌的嚴苛環境對于電子設備的腐蝕[3-6]。一般來說，當相對濕度達到設備內金屬的臨界相對濕度(70% RH)時，便會加速腐蝕，若空氣或金屬表面有鹽類等雜質存在時，會使金屬從化學腐蝕變成電化學腐蝕，大大加速了腐蝕的速度；霉菌能夠在電子設備的有機材料組件中滋生，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材料攝取營養，會導致結構材料的物理性能和電性能遭到破壞。在軍用電子行業，通常將設備的“防潮濕、防霉菌、防鹽霧”稱為三防，隨著應用范圍的不斷拓展，現在的三防設計是以提高產品的環境可靠性為目標。

溫度控制也是電子設備機柜設計過程中需要考慮的一個重要因素。試驗表明，電子設備的故障率隨著溫度因素(高溫、低溫和溫度的循環變化)而呈指數關系增加。電磁屏蔽是機柜的另一設計要點，考慮到機柜內集成有大量通信及傳感器設備，電磁環境復雜，很容易造成機柜內設備的互相干擾和對外部的電磁干擾，當干擾電平過高時，就會造成設備性能降低，無法運行[7-10]。

為解決海洋環境下機柜設計中遇到的各種問題，本文將針對電子設備機柜設計的三防、溫度、屏蔽等關鍵要點進行闡述。

1 需求分析

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

機柜內部安裝各類電子設備，高度集聚。擬采用機柜外部加裝空調對機柜內部進行散熱。具體性能指標如下。

1)機柜處于10～55 ℃、相對濕度95%的環境溫度中，能保障柜內設備正常工作。

2)依照GB/T 30790.2—2014《色漆和清漆 防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護 第2部分：環境分類》的大氣腐蝕性分類，島礁環境腐蝕級別為C5-M。機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的環境條件下能正常使用。

3)結構件滿足通過中性鹽霧試驗240 h能力，滿足通過濕熱試驗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：設備參照GJB 151A標準。

為滿足電子設備的正常工作，參照國軍標的相關技術要求，保持產品主要戰技指標和技術狀態不變，針對南海環境特點對設備進行環境適應性改進設計，對設備提供輔助防護措施，進行多層面綜合防護設計。

2 設計方案

2.1 密閉性設計

根據軍用設備的海洋使用環境要求，設計要求機柜需達到IEC 60529-2013 IP 55級別。機柜框架為全焊接結構，焊縫平整均勻，連續滿焊，無夾渣、裂縫、咬邊和氣孔；焊縫處涂敷導電密封膠，進一步保證框架的密封性；機柜門板采用全自動點膠發泡技術，密封膠條無接口接縫。

2.2 防鹽霧設計

根據GJB 150.11A—2009要求，機柜應在大氣鹽霧含量不低于2 mg/m3的環境下，保證內部服務器正常工作。所有外部結構件及緊固件采用316L不銹鋼材質，表面結構件經打毛后鈍化處理再電泳后噴涂粉末涂料，316L材質耐鹽霧性能優良，表面經上述處理后中性鹽霧測試能達到1 000 h；機柜內設備載體采用鋁合金材質，表面需做導電氧化處理；加固顯示器內所有印制板均需進行三防處理，涂覆三防漆。

2.3 防霉菌設計

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

2.4 溫濕度控制設計

在高溫高濕的海洋環境下，要求機柜內設備總功率為3 000 W時，機柜內溫度保持在15～30 ℃，濕度保持在20%～40%。通過在機柜外部配備制冷空調，更好地控制機柜的溫濕度，使環境溫度在50 ℃時，機柜內部不超過30 ℃。空調風道采用內循環設計，內循環冷風經散熱設備或器件后回到內循環回風口，不與外界空氣相接觸。機柜內設備進行合理布局，設備殼體表面銑削散熱肋片，增大散熱面積，利于外部流動空氣將熱量及時帶走。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熱橡膠材料，所形成的熱交換通道，能將電路板上產生的熱量通過彈性導熱橡膠材料傳至殼體，實現散熱。

2.5 電磁屏蔽設計

電磁屏蔽是利用金屬板、網、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構措施，在屏蔽設計中主要解決電源線的傳導干擾問題、縫隙泄漏和電纜間串擾(走線)問題。主要電磁屏蔽設計如下。

1)柜體與前門接觸處裝有鈹銅EMC簧片，鈹銅簧片有高導電性和射頻電導率，該簧片裝載在密封條的內側，當簧片壓縮量為25%時，其屏蔽性能達到最佳。

2)空調與機柜通過轉接板安裝，轉接板與機柜接觸處采用矩形密封條。空調內循環進出風口采用屏蔽蜂窩波導窗，材料為不銹鋼316L，蜂窩孔徑為3.2 mm，高度為12.7 mm；波導窗采用壓框形式安裝，確保與機柜側面開孔的充分接觸。

3)機柜進出線采用帶屏蔽的密封模塊，同時增加電源濾波裝置。

4)前后門采用雙接地技術，提高設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；機柜后部帶3根接地銅牌，便于設備接地。

3 試驗驗證

3.1 鹽霧試驗

鹽霧試驗按GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》的相關要求執行，交替進行24 h噴鹽霧和24 h干燥2種狀態共96 h。測試結果表明，經過鹽霧試驗后的機柜，結構件未出現銹點，設備正常運行。

3.2 氣密性試驗

將機柜放置在實驗室中央(見圖1)，在合適部位安裝測壓管和充氣管，關閉機柜。接通儲氣罐，通過充氣管向柜內送入空氣，調節空氣節流閥，使機柜內超壓值達到300 Pa，壓差保持時間不少于1 min。測試結果表明，機柜氣密性良好，最大空氣泄漏量為1 m3/min，達到Ⅱ級氣密等級。

圖1 機柜氣密性測試

3.3 溫濕熱控制試驗

機柜的溫濕度控制試驗模擬了機柜在室內環境為25～32 ℃、濕度為30%～50%的條件下的運行情況。機柜內布置有7臺服務器，試驗過程中持續運轉，為測試機柜內不同位置的溫濕度變化情況，一共在機柜內部布置有4處溫度傳感器(見圖2)：傳感器1位于機柜內的底部，傳感器2、3位于機柜內中部，傳感器4位于機柜內頂部；1處濕度傳感器與傳感器4位置相重合。

機柜內的溫度測試試驗共運行72 h，測試儀器每間隔0.5 h記錄1次測試數據。由于傳感器1位于空調進風口處，因此溫度低于其他3個傳感器；傳感器2、3處于平行位置，傳感器2位于冷風循環位置，因此溫度明顯低于傳感器3；傳感器4位于機柜中最上方，因此溫度較高。機柜內溫度變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，機柜內的溫度明顯低于正常室溫，最低溫度為6.8 ℃，最高溫度為初始運行時的30.1 ℃。機柜內各服務器運行穩定后，各位置溫度相對穩定，說明機柜的密閉性良好，空調的工作能力滿足6臺服務器的工作需求。

圖2 傳感器布置圖

圖3 機柜內溫度變化曲線

濕度控制試驗運行時間為72 h，每間隔1 h記錄1次機柜內的濕度數據。機柜內濕度變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，機柜內的濕度保持在29%～33%，總體低于室內濕度，且數值波動很小，說明機柜的密閉除濕性良好。

后續試驗中，根據GJB 150.9A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法-濕熱試驗》進行了機柜的整體測試，濕熱循環箱內的條件為：溫度35～60 ℃，相對濕度為95%，保持72 h。試驗結果表明，機柜內所有服務器正常運行，機柜內的溫度范圍控制在26～33 ℃，濕度控制在35%以下。

圖4 機柜內濕度變化曲線

從空調的溫濕度控制試驗可以看出，機柜內的密閉性良好，空調不僅可以保證柜內溫度平穩，且由于空調內的風道采用內循環處理方式，盡可能地減少了與外界濕度大、鹽霧高的空氣接觸，有助于提高機柜的三防性能。

4 結語

本文主要針對惡劣海洋環境下電子設備的使用需求，通過優化結構設計、耐腐蝕原材料選擇、加入溫濕度調控的空調設備等，成功實現了電子設備機柜的三防及屏蔽功能，滿足了軍用電子設備的使用需求，并通過了GJB 150.3A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》規定的相關測試。高性能三防機柜的研制對于軍用電子設備具有重要意義，在后續的研究工作中，重點是繼續提高設備的可靠性，并在此基礎上進行輕量化、模塊化、功能化設計，以滿足軍用設備更高機動性和智能化發展的需求。