8U VPX前插设备机箱优化设计与分析

韦海波，耿立冬

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541000）

0 引言

由于VPX标准的信号处理平台具备强大的信号处理、数据处理能力，以及I/O能力和高性能网络交换能力。VPX标准代表了新一代综合信息处理平台系统的发展趋势和方向[1，2]。在机箱中应用VPX规范，能够提升机箱在散热、耐用及抗振方面的性能。

在产品设计中，将产品功能模块化是一种设计趋势。机箱模块化设计首先是明确机箱要实现的功能，将机箱功能划分为一系列子功能，由子功能集合实现机箱需求功能，进而保障装备的总需求[3]。模块结构是模块功能的具现，而机箱仅是模块的载体，功能模块具有可维护性、灵活架构、单个模块功能便于调试升级等优点，故本机箱将VPX规范标准和模块化设计相结合，满足功能需求的同时，实现各个模块灵活插拔、方便各个模块的调试和维修，提高设备的可靠性。

1 总体布局设计

设计之初，首先对机箱内要安装的模块数量、每个模块热耗情况、机箱安装环境条件都进行了较为准确的了解。在综合考虑了机箱热设计、抗振动冲击设计、电磁兼容性设计的基础上形成了机箱的初步设计思路。模块安装在机箱内部相对封闭的空间，这样有利于提高整个机箱的三防性能和电磁兼容性能。机箱内模块从左到右依次排列，模块产生的热量由风机抽入机箱上侧的散热通道，再从散热通道通过蜂窝状通风窗排出机箱，所有连接器设计在后面板上。机箱总体布局和外形尺寸如图1所示。

图1 机箱外形示意图

1.1 材料选择

6061铝合金作为新型耐蚀可焊铝合金材料，具有较高强度、较好的耐蚀性、应力腐蚀破裂倾向低、良好的成形性能和工艺性能等优点，已被广泛应用于航空航天、机械、电力电子和家用电器等领域[4]。

连接紧固件采用国标，选用不锈钢的材料，如304、1Cr18Ni9Ti、不锈钢316等，以保证结构坚固、耐酸性、抗腐蚀。

1.2 模块设计

在进行机箱设计的时候，保证其功能性是重中之重，在高密度电子设备中，选用风机对其散热也是必不可少的，故在机箱模块化设计中，不仅仅将其功能部分模块化，还设计了一个风机模块。

机箱内共16个功能模块，均可快速插拔，重量小于2 kg，在满足机箱功能要求的同时，方便各个模块调试和快速更换，还预留了拓展槽位，便于后期功能拓展。

风机是具有一定寿命的损耗件，为了方便后期的更换和维修，提高设备的可靠性，将其设计为一个可快速拆卸的模块，如图2所示，风机模块是将4个风机固定在风机安装板上，风机安装板固定在上盖板上。当风机出现故障时，拆掉固定风扇安装板的螺钉，便可将风扇模块从机箱内取出，风机安装板上设计两个凹槽，方便模块的装取。风机控制和供电选用的是可快速拔插的矩形连接器，将其拔出，即可对风扇进行更换。

图2 风扇安装模块

1.3 插拔设计

8U VPX前插设备机箱可安装16个模块，为了方便模块的安装和拆卸，如图3所示，采用了模块插拔设计。机箱内设计上导轨板、下导轨板、上防磨块、下防磨块等零部件，模块上安装助拔器、锁紧条。模块插入导轨槽中，助拔器插入防磨块中，辅助模块的插入和拔出，最后用锁紧条将模块固定在导轨板中。设计助拔器、防磨块上/下导轨等零部件，模块在插入和拔出时更方便省力。

图3 模块示意图

1.4 开合设计

如图4所示，在前面板开孔安装前门，用铰链和螺钉固定，采用前门上下开合的设计。铰链选用带阻尼铰链，阻尼合页能让前门停在任意角度，能够有效防止前门自由落体造成的屏蔽玻璃等零部件破裂、划伤。固定螺钉采用松不脱螺钉，铆接在前门上，松不脱螺钉可以在不使用任何工具的情况下，直接用手拧紧和松开，松开后，松不脱螺钉不会掉落，方便前门固定开合。前门中框安装屏蔽玻璃，屏蔽玻璃在不影响电磁屏蔽的情况下，可以观察机箱内部模块运行情况，便于及时发现各个模块运行异常。

图4 前开门设计

2 热设计

随着设备组装密度的提高，组件与设备的热流密度也在迅速增加，若不采取合理的热控制技术，必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性。电子设备热控制方法主要有自然冷却、强迫空气冷却、液体冷却、蒸发冷却等[4-8]。在一些热流密度比较大、温升要求比较高的设备中，多数采用强迫空气冷却[8]。强迫空气冷却具有设备简单、成本低的特点，故8U VPX前插设备机箱采用强迫空气冷却的方式对其内模块和电子元器件降温。

2.1 选用通风机

通风机按其工作原理及结构形式可以分为两大类：轴流式通风机和离心式通风机。轴流式通风机就是空气进出口的流动方向与轴线平行，其特点是风量大，风压小。离心式通风机由螺壳、转动的叶轮及外部的驱动电机等三个主要部件组成。空气从轴向进入，然后转90°，再叶轮内作径向流动，并在叶轮外周压缩，再经螺壳由出风口排出。叶轮由很多的叶片组成，其风压由离心力产生。离心式通风机的特点是风压高、风量小，常用于阻力较大的发热元件或机柜的通风冷却。

在8U VPX前插设备机箱中，由于功能模块数量多、密集度高、散热量大，故选用离心式通风机散热效果更好一些。

2.2 风道设计

为了提高冷却效果，设计一个专用风道，减少风速紊乱回流的同时，将发热模块装入风道内，能够有效地带走电子元器件产生的热量。如图5所示，8U VPX前插设备机箱采用4个离心式通风机，组成抽风系统，再利用挡风板1、风道隔板等零部件搭建轴流鼓风机风道，整个风道成“Z”型，冷风从前面板进风口蜂窝状通风窗进入，进入发热源“功能模块”，再由离心式通风机抽离至风道隔板内，最后再通过出风口蜂窝状通风窗排除机箱外。

图5 风道示意图

机箱采用抽风系统，离心式通风机是从功能模块中抽出受热的空气，不但减小机箱内的空气压力，通风电机的热量也不会进入模块区域内，还可以从机箱的其他缝隙中吸入一部分冷空气，提高冷却效果。同时离心式通风机安装在通风道的下游，风道较长，气流速度分布得到改善，冷却效果较好。

2.3 仿真验证

如图所示，图6是常见的轴流式通风机在机箱内的散热方式，图7是机箱采用的离心式通风机在机箱内的散热方式，为了验证两种通风方式在8U VPX前插设备机箱的效果，对两种通风机进行热仿真，设定极限环境温度为50℃，选用轴流式通风机额定电压12 V，运转功率7.2 W，转速5800 r/min，离心式通风机额定电压12 V，运转功率7.92 W，转速3 200 r/min。结果如图6、7所示，安装轴流式通风机的机箱最高温度为61.8℃，而安装离心式通风机的机箱最高温度为55.1℃，相差6.7℃，故离心式通风机在此机箱上热控制效果更好。

图6 轴流式通风机热仿真效果图

3 电磁屏蔽设计

电磁屏蔽的基本原则有两个：机箱导电的连续性、有没有直接穿过机箱的导体[9]。

为了保证机箱的导电连续性，机箱采用具有电磁屏蔽的连接器，电源装配有滤波器；由于机箱是拼接机箱，在机箱各个拼接接触面增加铝银共挤密封圈，同时在其他部分做填缝处理。

3.1 铝银共挤密封圈

如图8所示，在前面板、上盖板和底板上开有“口”型密封槽，装入铝银共挤密封圈，保证上盖板、底板与四周拼接板（左右侧板、前后面板）的导电密封性。在左右侧板上开2个“1”型密封槽，装入铝银共挤密封圈，保证左右侧板与前后面板的导电密封性，确保拼接机箱的导电连续性。

3.2 其余措施

提高8U VPX前插设备机箱的电磁屏蔽的可靠性，仅仅是贴装铝银共挤密封圈是远远不够的，还需对机箱各个缝隙进行处理。如图9所示，机箱在进风口和出风口选用蜂窝状通风窗，蜂窝状通风窗是截止波导式通风窗，具有明显的优点：工作频段宽，即使在微波波段仍有较高的屏蔽效能；风压损失小；机械强度高，工作稳定可靠。

图8 机箱内密封槽

图9 蜂窝状通风窗

为了方便模块的插拔，8U VPX前插设备机箱设计前门开合结构，在前门阻尼铰链安装处有较大的缝隙，影响电磁屏蔽的效果，在阻尼铰链安装处增加铰链挡块，遮盖整个阻尼铰链，提高电磁屏蔽的可靠性。

4 结语

基于VPX标准，将产品功能模块化，设计一种8U VPX前插设备机箱，将各个功能模块安装在相对封闭的机箱内部，避免了模块直接暴露在使用环境中。插箱通过了电子设备高低温、低气压、湿热、沙尘等环境试验，达到了三防的要求；也通过了电磁脉冲、老炼等可靠性试验，验证了机箱对内部电子元器件保护的可靠性。插箱内各个部分模块化布局，整齐明了，满足项目使用要求。