海洋环境下三防密闭机柜的综合防护设计

陈 娜，许自力

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007)

随着现代战争对电子设备的依赖性越来越高，而电子设备集成有大量的电路、晶体管、电子管等电子元器件，易受到不良环境因素的影响而导致性能降低、失效甚至损坏，因此，电子设备的性能发挥与环境密切相关。根据调查结果表明，电子设备发生故障的原因，环境因素占70%以上，主要为腐蚀、老化、膨胀、开裂、长霉和虫蛀等[1-2]。

电子设备机柜为电子设备营造了良好的工作环境和安全防护措施，使得电子设备的使用寿命大大延长。但是在沿海地区、岛礁及海洋工作环境中，普通机柜还不能免除高潮湿、高盐雾、高霉菌的严苛环境对于电子设备的腐蚀[3-6]。一般来说，当相对湿度达到设备内金属的临界相对湿度(70% RH)时，便会加速腐蚀，若空气或金属表面有盐类等杂质存在时，会使金属从化学腐蚀变成电化学腐蚀，大大加速了腐蚀的速度；霉菌能够在电子设备的有机材料组件中滋生，尤其是在湿度超过65%的条件下，会加速霉菌的繁殖，而霉菌通过分解有机材料摄取营养，会导致结构材料的物理性能和电性能遭到破坏。在军用电子行业，通常将设备的“防潮湿、防霉菌、防盐雾”称为三防，随着应用范围的不断拓展，现在的三防设计是以提高产品的环境可靠性为目标。

温度控制也是电子设备机柜设计过程中需要考虑的一个重要因素。试验表明，电子设备的故障率随着温度因素(高温、低温和温度的循环变化)而呈指数关系增加。电磁屏蔽是机柜的另一设计要点，考虑到机柜内集成有大量通信及传感器设备，电磁环境复杂，很容易造成机柜内设备的互相干扰和对外部的电磁干扰，当干扰电平过高时，就会造成设备性能降低，无法运行[7-10]。

为解决海洋环境下机柜设计中遇到的各种问题，本文将针对电子设备机柜设计的三防、温度、屏蔽等关键要点进行阐述。

1 需求分析

针对海洋环境使用下的电子设备机柜进行分析，以某岛礁自然环境作为参照，使用环境为终年高温高湿的海洋环境，空气含盐量高，太阳辐射强，对电子设备的使用环境提出了严苛的要求。

机柜内部安装各类电子设备，高度集聚。拟采用机柜外部加装空调对机柜内部进行散热。具体性能指标如下。

1)机柜处于10～55 ℃、相对湿度95%的环境温度中，能保障柜内设备正常工作。

2)依照GB/T 30790.2—2014《色漆和清漆 防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护 第2部分：环境分类》的大气腐蚀性分类，岛礁环境腐蚀级别为C5-M。机柜零部件和材料具有防腐蚀、防生锈能力，在大气盐雾含量不低于3 mg/m3的环境条件下能正常使用。

3)结构件满足通过中性盐雾试验240 h能力，满足通过湿热试验240 h能力。

4)霉菌：参照GJB 150.10A方法，满足一级要求。

5)电磁屏蔽：设备参照GJB 151A标准。

为满足电子设备的正常工作，参照国军标的相关技术要求，保持产品主要战技指标和技术状态不变，针对南海环境特点对设备进行环境适应性改进设计，对设备提供辅助防护措施，进行多层面综合防护设计。

2 设计方案

2.1 密闭性设计

根据军用设备的海洋使用环境要求，设计要求机柜需达到IEC 60529-2013 IP 55级别。机柜框架为全焊接结构，焊缝平整均匀，连续满焊，无夹渣、裂缝、咬边和气孔；焊缝处涂敷导电密封胶，进一步保证框架的密封性；机柜门板采用全自动点胶发泡技术，密封胶条无接口接缝。

2.2 防盐雾设计

根据GJB 150.11A—2009要求，机柜应在大气盐雾含量不低于2 mg/m3的环境下，保证内部服务器正常工作。所有外部结构件及紧固件采用316L不锈钢材质，表面结构件经打毛后钝化处理再电泳后喷涂粉末涂料，316L材质耐盐雾性能优良，表面经上述处理后中性盐雾测试能达到1 000 h；机柜内设备载体采用铝合金材质，表面需做导电氧化处理；加固显示器内所有印制板均需进行三防处理，涂覆三防漆。

2.3 防霉菌设计

选用耐霉性材料，使用的有机材料构件均选择添加有防霉填料或其他耐霉助剂的高分子材料。对需要进行重点防护的电子元件和组件进行防霉剂浸渍处理。

2.4 温湿度控制设计

在高温高湿的海洋环境下，要求机柜内设备总功率为3 000 W时，机柜内温度保持在15～30 ℃，湿度保持在20%～40%。通过在机柜外部配备制冷空调，更好地控制机柜的温湿度，使环境温度在50 ℃时，机柜内部不超过30 ℃。空调风道采用内循环设计，内循环冷风经散热设备或器件后回到内循环回风口，不与外界空气相接触。机柜内设备进行合理布局，设备壳体表面铣削散热肋片，增大散热面积，利于外部流动空气将热量及时带走。在电子组件表面和安装件表面之间的所有空隙填满弹性导热橡胶材料，所形成的热交换通道，能将电路板上产生的热量通过弹性导热橡胶材料传至壳体，实现散热。

2.5 电磁屏蔽设计

电磁屏蔽是利用金属板、网、盖、罩、盒等屏蔽体阻止或减小电磁能量传播所采取的一种结构措施，在屏蔽设计中主要解决电源线的传导干扰问题、缝隙泄漏和电缆间串扰(走线)问题。主要电磁屏蔽设计如下。

1)柜体与前门接触处装有铍铜EMC簧片，铍铜簧片有高导电性和射频电导率，该簧片装载在密封条的内侧，当簧片压缩量为25%时，其屏蔽性能达到最佳。

2)空调与机柜通过转接板安装，转接板与机柜接触处采用矩形密封条。空调内循环进出风口采用屏蔽蜂窝波导窗，材料为不锈钢316L，蜂窝孔径为3.2 mm，高度为12.7 mm；波导窗采用压框形式安装，确保与机柜侧面开孔的充分接触。

3)机柜进出线采用带屏蔽的密封模块，同时增加电源滤波装置。

4)前后门采用双接地技术，提高设备的可靠性和安全性。前后门上下端均采用截面积为16 mm2的扁平接地铜带；机柜后部带3根接地铜牌，便于设备接地。

3 试验验证

3.1 盐雾试验

盐雾试验按GJB 150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》的相关要求执行，交替进行24 h喷盐雾和24 h干燥2种状态共96 h。测试结果表明，经过盐雾试验后的机柜，结构件未出现锈点，设备正常运行。

3.2 气密性试验

将机柜放置在实验室中央(见图1)，在合适部位安装测压管和充气管，关闭机柜。接通储气罐，通过充气管向柜内送入空气，调节空气节流阀，使机柜内超压值达到300 Pa，压差保持时间不少于1 min。测试结果表明，机柜气密性良好，最大空气泄漏量为1 m3/min，达到Ⅱ级气密等级。

图1 机柜气密性测试

3.3 温湿热控制试验

机柜的温湿度控制试验模拟了机柜在室内环境为25～32 ℃、湿度为30%～50%的条件下的运行情况。机柜内布置有7台服务器，试验过程中持续运转，为测试机柜内不同位置的温湿度变化情况，一共在机柜内部布置有4处温度传感器(见图2)：传感器1位于机柜内的底部，传感器2、3位于机柜内中部，传感器4位于机柜内顶部；1处湿度传感器与传感器4位置相重合。

机柜内的温度测试试验共运行72 h，测试仪器每间隔0.5 h记录1次测试数据。由于传感器1位于空调进风口处，因此温度低于其他3个传感器；传感器2、3处于平行位置，传感器2位于冷风循环位置，因此温度明显低于传感器3；传感器4位于机柜中最上方，因此温度较高。机柜内温度变化曲线如图3所示。从图3中可以看出，机柜内的温度明显低于正常室温，最低温度为6.8 ℃，最高温度为初始运行时的30.1 ℃。机柜内各服务器运行稳定后，各位置温度相对稳定，说明机柜的密闭性良好，空调的工作能力满足6台服务器的工作需求。

图2 传感器布置图

图3 机柜内温度变化曲线

湿度控制试验运行时间为72 h，每间隔1 h记录1次机柜内的湿度数据。机柜内湿度变化曲线如图4所示。从图4中可以看出，机柜内的湿度保持在29%～33%，总体低于室内湿度，且数值波动很小，说明机柜的密闭除湿性良好。

后续试验中，根据GJB 150.9A—2009《军用装备实验室环境试验方法-湿热试验》进行了机柜的整体测试，湿热循环箱内的条件为：温度35～60 ℃，相对湿度为95%，保持72 h。试验结果表明，机柜内所有服务器正常运行，机柜内的温度范围控制在26～33 ℃，湿度控制在35%以下。

图4 机柜内湿度变化曲线

从空调的温湿度控制试验可以看出，机柜内的密闭性良好，空调不仅可以保证柜内温度平稳，且由于空调内的风道采用内循环处理方式，尽可能地减少了与外界湿度大、盐雾高的空气接触，有助于提高机柜的三防性能。

4 结语

本文主要针对恶劣海洋环境下电子设备的使用需求，通过优化结构设计、耐腐蚀原材料选择、加入温湿度调控的空调设备等，成功实现了电子设备机柜的三防及屏蔽功能，满足了军用电子设备的使用需求，并通过了GJB 150.3A—2009《军用装备实验室环境试验方法》规定的相关测试。高性能三防机柜的研制对于军用电子设备具有重要意义，在后续的研究工作中，重点是继续提高设备的可靠性，并在此基础上进行轻量化、模块化、功能化设计，以满足军用设备更高机动性和智能化发展的需求。