8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

韋海波，耿立冬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541000）

0 引言

由于VPX標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)處理平臺(tái)具備強(qiáng)大的信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理能力，以及I/O能力和高性能網(wǎng)絡(luò)交換能力。VPX標(biāo)準(zhǔn)代表了新一代綜合信息處理平臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和方向[1，2]。在機(jī)箱中應(yīng)用VPX規(guī)范，能夠提升機(jī)箱在散熱、耐用及抗振方面的性能。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，將產(chǎn)品功能模塊化是一種設(shè)計(jì)趨勢(shì)。機(jī)箱模塊化設(shè)計(jì)首先是明確機(jī)箱要實(shí)現(xiàn)的功能，將機(jī)箱功能劃分為一系列子功能，由子功能集合實(shí)現(xiàn)機(jī)箱需求功能，進(jìn)而保障裝備的總需求[3]。模塊結(jié)構(gòu)是模塊功能的具現(xiàn)，而機(jī)箱僅是模塊的載體，功能模塊具有可維護(hù)性、靈活架構(gòu)、單個(gè)模塊功能便于調(diào)試升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，故本機(jī)箱將VPX規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合，滿足功能需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊靈活插拔、方便各個(gè)模塊的調(diào)試和維修，提高設(shè)備的可靠性。

1 總體布局設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)之初，首先對(duì)機(jī)箱內(nèi)要安裝的模塊數(shù)量、每個(gè)模塊熱耗情況、機(jī)箱安裝環(huán)境條件都進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的了解。在綜合考慮了機(jī)箱熱設(shè)計(jì)、抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上形成了機(jī)箱的初步設(shè)計(jì)思路。模塊安裝在機(jī)箱內(nèi)部相對(duì)封閉的空間，這樣有利于提高整個(gè)機(jī)箱的三防性能和電磁兼容性能。機(jī)箱內(nèi)模塊從左到右依次排列，模塊產(chǎn)生的熱量由風(fēng)機(jī)抽入機(jī)箱上側(cè)的散熱通道，再?gòu)纳嵬ǖ劳ㄟ^(guò)蜂窩狀通風(fēng)窗排出機(jī)箱，所有連接器設(shè)計(jì)在后面板上。機(jī)箱總體布局和外形尺寸如圖1所示。

圖1 機(jī)箱外形示意圖

1.1 材料選擇

6061鋁合金作為新型耐蝕可焊鋁合金材料，具有較高強(qiáng)度、較好的耐蝕性、應(yīng)力腐蝕破裂傾向低、良好的成形性能和工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電力電子和家用電器等領(lǐng)域[4]。

連接緊固件采用國(guó)標(biāo)，選用不銹鋼的材料，如304、1Cr18Ni9Ti、不銹鋼316等，以保證結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐酸性、抗腐蝕。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

在進(jìn)行機(jī)箱設(shè)計(jì)的時(shí)候，保證其功能性是重中之重，在高密度電子設(shè)備中，選用風(fēng)機(jī)對(duì)其散熱也是必不可少的，故在機(jī)箱模塊化設(shè)計(jì)中，不僅僅將其功能部分模塊化，還設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)機(jī)模塊。

機(jī)箱內(nèi)共16個(gè)功能模塊，均可快速插拔，重量小于2 kg，在滿足機(jī)箱功能要求的同時(shí)，方便各個(gè)模塊調(diào)試和快速更換，還預(yù)留了拓展槽位，便于后期功能拓展。

風(fēng)機(jī)是具有一定壽命的損耗件，為了方便后期的更換和維修，提高設(shè)備的可靠性，將其設(shè)計(jì)為一個(gè)可快速拆卸的模塊，如圖2所示，風(fēng)機(jī)模塊是將4個(gè)風(fēng)機(jī)固定在風(fēng)機(jī)安裝板上，風(fēng)機(jī)安裝板固定在上蓋板上。當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，拆掉固定風(fēng)扇安裝板的螺釘，便可將風(fēng)扇模塊從機(jī)箱內(nèi)取出，風(fēng)機(jī)安裝板上設(shè)計(jì)兩個(gè)凹槽，方便模塊的裝取。風(fēng)機(jī)控制和供電選用的是可快速拔插的矩形連接器，將其拔出，即可對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行更換。

圖2 風(fēng)扇安裝模塊

1.3 插拔設(shè)計(jì)

8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱可安裝16個(gè)模塊，為了方便模塊的安裝和拆卸，如圖3所示，采用了模塊插拔設(shè)計(jì)。機(jī)箱內(nèi)設(shè)計(jì)上導(dǎo)軌板、下導(dǎo)軌板、上防磨塊、下防磨塊等零部件，模塊上安裝助拔器、鎖緊條。模塊插入導(dǎo)軌槽中，助拔器插入防磨塊中，輔助模塊的插入和拔出，最后用鎖緊條將模塊固定在導(dǎo)軌板中。設(shè)計(jì)助拔器、防磨塊上/下導(dǎo)軌等零部件，模塊在插入和拔出時(shí)更方便省力。

圖3 模塊示意圖

1.4 開(kāi)合設(shè)計(jì)

如圖4所示，在前面板開(kāi)孔安裝前門(mén)，用鉸鏈和螺釘固定，采用前門(mén)上下開(kāi)合的設(shè)計(jì)。鉸鏈選用帶阻尼鉸鏈，阻尼合頁(yè)能讓前門(mén)停在任意角度，能夠有效防止前門(mén)自由落體造成的屏蔽玻璃等零部件破裂、劃傷。固定螺釘采用松不脫螺釘，鉚接在前門(mén)上，松不脫螺釘可以在不使用任何工具的情況下，直接用手?jǐn)Q緊和松開(kāi)，松開(kāi)后，松不脫螺釘不會(huì)掉落，方便前門(mén)固定開(kāi)合。前門(mén)中框安裝屏蔽玻璃，屏蔽玻璃在不影響電磁屏蔽的情況下，可以觀察機(jī)箱內(nèi)部模塊運(yùn)行情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)模塊運(yùn)行異常。

圖4 前開(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)

2 熱設(shè)計(jì)

隨著設(shè)備組裝密度的提高，組件與設(shè)備的熱流密度也在迅速增加，若不采取合理的熱控制技術(shù)，必將嚴(yán)重影響電子元器件和設(shè)備的熱可靠性。電子設(shè)備熱控制方法主要有自然冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻等[4-8]。在一些熱流密度比較大、溫升要求比較高的設(shè)備中，多數(shù)采用強(qiáng)迫空氣冷卻[8]。強(qiáng)迫空氣冷卻具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，故8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱采用強(qiáng)迫空氣冷卻的方式對(duì)其內(nèi)模塊和電子元器件降溫。

2.1 選用通風(fēng)機(jī)

通風(fēng)機(jī)按其工作原理及結(jié)構(gòu)形式可以分為兩大類：軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī)。軸流式通風(fēng)機(jī)就是空氣進(jìn)出口的流動(dòng)方向與軸線平行，其特點(diǎn)是風(fēng)量大，風(fēng)壓小。離心式通風(fēng)機(jī)由螺殼、轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪及外部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等三個(gè)主要部件組成。空氣從軸向進(jìn)入，然后轉(zhuǎn)90°，再葉輪內(nèi)作徑向流動(dòng)，并在葉輪外周壓縮，再經(jīng)螺殼由出風(fēng)口排出。葉輪由很多的葉片組成，其風(fēng)壓由離心力產(chǎn)生。離心式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)壓高、風(fēng)量小，常用于阻力較大的發(fā)熱元件或機(jī)柜的通風(fēng)冷卻。

在8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱中，由于功能模塊數(shù)量多、密集度高、散熱量大，故選用離心式通風(fēng)機(jī)散熱效果更好一些。

2.2 風(fēng)道設(shè)計(jì)

為了提高冷卻效果，設(shè)計(jì)一個(gè)專用風(fēng)道，減少風(fēng)速紊亂回流的同時(shí)，將發(fā)熱模塊裝入風(fēng)道內(nèi)，能夠有效地帶走電子元器件產(chǎn)生的熱量。如圖5所示，8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱采用4個(gè)離心式通風(fēng)機(jī)，組成抽風(fēng)系統(tǒng)，再利用擋風(fēng)板1、風(fēng)道隔板等零部件搭建軸流鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)道，整個(gè)風(fēng)道成“Z”型，冷風(fēng)從前面板進(jìn)風(fēng)口蜂窩狀通風(fēng)窗進(jìn)入，進(jìn)入發(fā)熱源“功能模塊”，再由離心式通風(fēng)機(jī)抽離至風(fēng)道隔板內(nèi)，最后再通過(guò)出風(fēng)口蜂窩狀通風(fēng)窗排除機(jī)箱外。

圖5 風(fēng)道示意圖

機(jī)箱采用抽風(fēng)系統(tǒng)，離心式通風(fēng)機(jī)是從功能模塊中抽出受熱的空氣，不但減小機(jī)箱內(nèi)的空氣壓力，通風(fēng)電機(jī)的熱量也不會(huì)進(jìn)入模塊區(qū)域內(nèi)，還可以從機(jī)箱的其他縫隙中吸入一部分冷空氣，提高冷卻效果。同時(shí)離心式通風(fēng)機(jī)安裝在通風(fēng)道的下游，風(fēng)道較長(zhǎng)，氣流速度分布得到改善，冷卻效果較好。

2.3 仿真驗(yàn)證

如圖所示，圖6是常見(jiàn)的軸流式通風(fēng)機(jī)在機(jī)箱內(nèi)的散熱方式，圖7是機(jī)箱采用的離心式通風(fēng)機(jī)在機(jī)箱內(nèi)的散熱方式，為了驗(yàn)證兩種通風(fēng)方式在8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱的效果，對(duì)兩種通風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱仿真，設(shè)定極限環(huán)境溫度為50℃，選用軸流式通風(fēng)機(jī)額定電壓12 V，運(yùn)轉(zhuǎn)功率7.2 W，轉(zhuǎn)速5800 r/min，離心式通風(fēng)機(jī)額定電壓12 V，運(yùn)轉(zhuǎn)功率7.92 W，轉(zhuǎn)速3 200 r/min。結(jié)果如圖6、7所示，安裝軸流式通風(fēng)機(jī)的機(jī)箱最高溫度為61.8℃，而安裝離心式通風(fēng)機(jī)的機(jī)箱最高溫度為55.1℃，相差6.7℃，故離心式通風(fēng)機(jī)在此機(jī)箱上熱控制效果更好。

圖6 軸流式通風(fēng)機(jī)熱仿真效果圖

3 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

電磁屏蔽的基本原則有兩個(gè)：機(jī)箱導(dǎo)電的連續(xù)性、有沒(méi)有直接穿過(guò)機(jī)箱的導(dǎo)體[9]。

為了保證機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性，機(jī)箱采用具有電磁屏蔽的連接器，電源裝配有濾波器；由于機(jī)箱是拼接機(jī)箱，在機(jī)箱各個(gè)拼接接觸面增加鋁銀共擠密封圈，同時(shí)在其他部分做填縫處理。

3.1 鋁銀共擠密封圈

如圖8所示，在前面板、上蓋板和底板上開(kāi)有“口”型密封槽，裝入鋁銀共擠密封圈，保證上蓋板、底板與四周拼接板（左右側(cè)板、前后面板）的導(dǎo)電密封性。在左右側(cè)板上開(kāi)2個(gè)“1”型密封槽，裝入鋁銀共擠密封圈，保證左右側(cè)板與前后面板的導(dǎo)電密封性，確保拼接機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性。

3.2 其余措施

提高8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱的電磁屏蔽的可靠性，僅僅是貼裝鋁銀共擠密封圈是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需對(duì)機(jī)箱各個(gè)縫隙進(jìn)行處理。如圖9所示，機(jī)箱在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口選用蜂窩狀通風(fēng)窗，蜂窩狀通風(fēng)窗是截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：工作頻段寬，即使在微波波段仍有較高的屏蔽效能；風(fēng)壓損失小；機(jī)械強(qiáng)度高，工作穩(wěn)定可靠。

圖8 機(jī)箱內(nèi)密封槽

圖9 蜂窩狀通風(fēng)窗

為了方便模塊的插拔，8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱設(shè)計(jì)前門(mén)開(kāi)合結(jié)構(gòu)，在前門(mén)阻尼鉸鏈安裝處有較大的縫隙，影響電磁屏蔽的效果，在阻尼鉸鏈安裝處增加鉸鏈擋塊，遮蓋整個(gè)阻尼鉸鏈，提高電磁屏蔽的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于VPX標(biāo)準(zhǔn)，將產(chǎn)品功能模塊化，設(shè)計(jì)一種8U VPX前插設(shè)備機(jī)箱，將各個(gè)功能模塊安裝在相對(duì)封閉的機(jī)箱內(nèi)部，避免了模塊直接暴露在使用環(huán)境中。插箱通過(guò)了電子設(shè)備高低溫、低氣壓、濕熱、沙塵等環(huán)境試驗(yàn)，達(dá)到了三防的要求；也通過(guò)了電磁脈沖、老煉等可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)箱對(duì)內(nèi)部電子元器件保護(hù)的可靠性。插箱內(nèi)各個(gè)部分模塊化布局，整齊明了，滿足項(xiàng)目使用要求。