基于水下密闭环境中的电子机箱结构设计

刘 峰

（中国船舶第七一五研究所，杭州 310023）

0 引言

随着近年来世界主要国家相继提出海洋战略［1］，增强对海洋的重视，装备现代化正在快速发展。我国为了应对日趋激烈的蓝水竞争，同样对海洋装备提出了更严格、更细致的要求。海洋装备主要分为水上、水下、空中作战装备［2-3］，其中以水下作战装备最为复杂与精密，受制于水下复杂的工作环境（高湿、高压、高阻力），水下作战装备不仅要满足国家标准的各项技术指标，还要充分考虑环境适应性、热功耗、热传递、电磁互扰等技术要求［4-5］，其中以设备的散热处理尤为复杂与困难。同时由于设备要适应不同水深条件下水压的影响，其一级外壳一般都会采用耐压、防腐材料，而此类材料的导热能力相对较弱，因而会使壳体内或者二级载体（电子机箱）的热耗器件的散热处理变的相对困难，由于热量的积聚会使电子元器件的温升增加，进而影响设备的整体性能，降低设备使用的可靠性。怎样简单、便捷地将水下电子机箱设计的结构合理并符合可靠性标准，同时合理地将热耗器件的热量排出，成为世界各国水下电子机箱设计师面临的重要问题。

本设计针对水下密闭环境，从电子机箱的结构设计、环境适应性设计、散热设计等方面进行了统筹考虑，设计的机箱结构美观，环境适应性强。对机箱的真实散热情况进行了热仿真模拟，仿真结果符合各项技术要求。

1 电子机箱结构设计方案

1.1 总体设计方案

基于水下密闭环境中的电子机箱结构形式符合HJB68 中3.4.2条的规定；其主要结构尺寸符合HJB68 中3.5 条的规定。机箱整体采用电磁兼容性设计，包括屏蔽、接地、滤波等多种设计手段［6-7］，机箱主体结构为一体化箱式结构，受制于机箱水下安装筒体直径空间尺寸狭窄的影响，机箱主要由左右两块功能区构成，其中左侧是印制板的安装空间，右侧是连接器的安装空间，采用风冷形式的散热方式，具体为循环风将箱体上的热量通过箱体左右两侧散热翅片带走。机箱由焊接框架、前盖板、后盖板、风机盖、插座盖等组合而成。框架由3A21铝合金焊接而成以保证有足够的强度、刚度和密封性及美观性，同时可以减少电磁泄漏。前、后盖板通过通用锁紧装置固定在框架上，可拆卸，方便调试和对机箱进行维护。机箱提供集中对外安装接口且机箱结构贯彻标准化、系列化、人机工程的设计思路，安装方式为常规落地式，机箱左右两侧安装有把手，方便搬运。其外观、组成分别如图1、2所示。

图1 电子机箱的外形图

图2 电子机箱的组成图

1.2 机箱的功能区块设计

机箱可分为3个主要的功能区域，分别介绍如下。

（1）机箱左部：印制板安装区。印制板通过机箱内部的导板，可以方便地插装在机箱内或将其拉出拆下。印制板上的导热板与机箱导板可以紧密贴合，利于热量的传导与板卡的锁紧，同时可以将各个模块合理分隔。安装区内部大、小信号间加装阻隔板，可以更好地屏蔽板卡间的电磁互扰，同时也兼有增加机箱强度的作用。

（2）机箱右部：外部接口连接器区。所有印制板对外部的接口通过内部电缆统一引到机箱右部区域，在此区域可方便地将各类连接器进行分块布置，不但可以降低不同电信号间的电磁干扰，还可以充分利用筒体内部空间及箱体空间，便于人员操作及维护。同时连接器与箱体间加装导电衬垫，且插座盖与箱体间安装有导电屏蔽条，能够使各接触件良好接地并具备良好的电磁屏蔽性。

（3）机箱后部：风扇布置区。散热风扇通过风机盖安装于机箱后部，可以充分利用筒体直径上的空间尺寸；冷却风通过机箱两侧的开孔风道可以将密闭空间里印制板上的热能通过散热翅片带走，且风扇与供电电源间加装了穿心电容，对外部的电磁干扰可以产生很好的屏蔽作用。

机箱的各功能区块均与机箱框架间采用了电连通与密封装置，且设置了可靠的接地端子，不但可以保证机箱整体的良好接地，还可以保证机箱内部环境的独立密闭，从而防止盐雾、水汽、外部干扰对印制板件的侵害。

2 电子机箱的散热设计与分析

为了保证机箱内电子元器件的性能与使用寿命，该机箱对电子器件的散热做了良好的设计。将不同热功耗的元器件分别对应做了导热装置，且与机箱框架能良好接触，使电子器件的热功耗可以方便地传导给散热翅片，并尽可能地缩短传热距离、优化导热路径，将机箱的热阻控制在最小范围内。

2.1 机箱散热的理论计算

该机箱理论的耗散功率为0.3 kW，整个机箱从前到后进行强制抽风冷却。考虑一部分热量通过机箱自身向外界排走，故机箱内部实际需要排走的的耗散功率约为0.27 kW，由于此机箱是强迫风冷热传导散热方式，根据热传递理论经验公式（1）、（2）和傅里叶导热公式（3）可以得出机箱内功率芯片的理论温升［8］。

式中：Q为热功耗；hc为强迫空气对流系数；A为导热面积；Δt为温差。

式中：J为科尔伯恩因子，理论值为0.0111；G为通过风道的单位面积的重量流量；CP为流体的比热，此处空气为0.24 cal/（g·℃）；u 为流体的黏度，空气0.000 207 g/（cm·s）；K 为流体的热导率，空气为9.88×10-5cal/（s·cm·℃）。

式中：Q为板件的热功耗；λ为金属的热传导系数；Δt为芯片与板件间的温差；d为热传导距离；A为器件的散热面积。

设环境起始温度为20 ℃，根据经验，空气通过风机的前后温差为15 ℃左右效果较好，假设机箱的热功耗全部能通过散热片经风冷散出，且散热翅片的风道截面积为2.52 ×0.3 cm2，通过公式（2）求得强迫空气对流系数为hc＝7.34×10-4cal/（s·cm2·℃）；将其数值代入式（1），可得出Δt＝12.46 ℃，即机箱内部侧板到散热翅片的温升大约为12.46 ℃。

通过傅里叶导热公式可以求出芯片与导热板间的温差Δt。金属铝的热传导系数为120 W/（m·K），导热板上芯片的平均传热距离为0.05 m，芯片总的散热面积为7.2×10-3m2，热功耗为270 W，代入式（3），可求得芯片的平均温升为16 ℃。

经过上述热传导方程可以得出在芯片的热功耗为270 W时，主要功耗芯片的平均温度大约为t ＝20 ℃ +15 ℃ +12.46 ℃ +16 ℃ ＝63.46 ℃。而一般工业芯片的耐热温度大都大于100 ℃，因此经过理论计算的电子机箱热传导满足使用技术要求。

2.2 机箱散热的仿真分析

为了进一步验证机箱热设计的可靠性，利用6Sigma软件对该电子机箱进行了热仿真，其仿真效果图及数据如图3所示。

图3 机箱热仿真效果图

在模拟外界水下环境温度为15 ℃时，采用一对风冷风扇对钛合金筒体内部的机箱进行热力学仿真，将机箱内印制板的功耗分别设定到额定功耗，在机箱总功耗大约为300 W的条件下，仿真结果显示功耗最大的芯片最高温度大约为61 ℃，其他芯片均低于52 ℃。

通过分析可知，在电子机箱工作达到额定功耗的情况下，该机箱散热充分，依然可以满足机箱的正常使用，符合设计条件要求。

3 结束语

综上所述，本文根据国家标准的相关规定设计了水下电子机箱，机箱整体为一体式焊接结构，主要分为3 个工作区块，其在功能上满足水下密闭环境条件下的各项性能，在电磁兼容、环境适应性、结构合理性上表现优异，且其综合散热设计符合军用技术要求，可以充当水下设备的内置式工作载体，符合设计条件要求，为现代海军的水下电子机箱结构设计提供一定的参照。