劉 峰

（中國(guó)船舶第七一五研究所，杭州 310023）

0 引言

隨著近年來世界主要國(guó)家相繼提出海洋戰(zhàn)略［1］，增強(qiáng)對(duì)海洋的重視，裝備現(xiàn)代化正在快速發(fā)展。我國(guó)為了應(yīng)對(duì)日趨激烈的藍(lán)水競(jìng)爭(zhēng)，同樣對(duì)海洋裝備提出了更嚴(yán)格、更細(xì)致的要求。海洋裝備主要分為水上、水下、空中作戰(zhàn)裝備［2-3］，其中以水下作戰(zhàn)裝備最為復(fù)雜與精密，受制于水下復(fù)雜的工作環(huán)境（高濕、高壓、高阻力），水下作戰(zhàn)裝備不僅要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，還要充分考慮環(huán)境適應(yīng)性、熱功耗、熱傳遞、電磁互擾等技術(shù)要求［4-5］，其中以設(shè)備的散熱處理尤為復(fù)雜與困難。同時(shí)由于設(shè)備要適應(yīng)不同水深條件下水壓的影響，其一級(jí)外殼一般都會(huì)采用耐壓、防腐材料，而此類材料的導(dǎo)熱能力相對(duì)較弱，因而會(huì)使殼體內(nèi)或者二級(jí)載體（電子機(jī)箱）的熱耗器件的散熱處理變的相對(duì)困難，由于熱量的積聚會(huì)使電子元器件的溫升增加，進(jìn)而影響設(shè)備的整體性能，降低設(shè)備使用的可靠性。怎樣簡(jiǎn)單、便捷地將水下電子機(jī)箱設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理并符合可靠性標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)合理地將熱耗器件的熱量排出，成為世界各國(guó)水下電子機(jī)箱設(shè)計(jì)師面臨的重要問題。

本設(shè)計(jì)針對(duì)水下密閉環(huán)境，從電子機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了統(tǒng)籌考慮，設(shè)計(jì)的機(jī)箱結(jié)構(gòu)美觀，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)機(jī)箱的真實(shí)散熱情況進(jìn)行了熱仿真模擬，仿真結(jié)果符合各項(xiàng)技術(shù)要求。

1 電子機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

基于水下密閉環(huán)境中的電子機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式符合HJB68 中3.4.2條的規(guī)定；其主要結(jié)構(gòu)尺寸符合HJB68 中3.5 條的規(guī)定。機(jī)箱整體采用電磁兼容性設(shè)計(jì)，包括屏蔽、接地、濾波等多種設(shè)計(jì)手段［6-7］，機(jī)箱主體結(jié)構(gòu)為一體化箱式結(jié)構(gòu)，受制于機(jī)箱水下安裝筒體直徑空間尺寸狹窄的影響，機(jī)箱主要由左右兩塊功能區(qū)構(gòu)成，其中左側(cè)是印制板的安裝空間，右側(cè)是連接器的安裝空間，采用風(fēng)冷形式的散熱方式，具體為循環(huán)風(fēng)將箱體上的熱量通過箱體左右兩側(cè)散熱翅片帶走。機(jī)箱由焊接框架、前蓋板、后蓋板、風(fēng)機(jī)蓋、插座蓋等組合而成。框架由3A21鋁合金焊接而成以保證有足夠的強(qiáng)度、剛度和密封性及美觀性，同時(shí)可以減少電磁泄漏。前、后蓋板通過通用鎖緊裝置固定在框架上，可拆卸，方便調(diào)試和對(duì)機(jī)箱進(jìn)行維護(hù)。機(jī)箱提供集中對(duì)外安裝接口且機(jī)箱結(jié)構(gòu)貫徹標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、人機(jī)工程的設(shè)計(jì)思路，安裝方式為常規(guī)落地式，機(jī)箱左右兩側(cè)安裝有把手，方便搬運(yùn)。其外觀、組成分別如圖1、2所示。

圖1 電子機(jī)箱的外形圖

圖2 電子機(jī)箱的組成圖

1.2 機(jī)箱的功能區(qū)塊設(shè)計(jì)

機(jī)箱可分為3個(gè)主要的功能區(qū)域，分別介紹如下。

（1）機(jī)箱左部：印制板安裝區(qū)。印制板通過機(jī)箱內(nèi)部的導(dǎo)板，可以方便地插裝在機(jī)箱內(nèi)或?qū)⑵淅霾鹣?。印制板上的?dǎo)熱板與機(jī)箱導(dǎo)板可以緊密貼合，利于熱量的傳導(dǎo)與板卡的鎖緊，同時(shí)可以將各個(gè)模塊合理分隔。安裝區(qū)內(nèi)部大、小信號(hào)間加裝阻隔板，可以更好地屏蔽板卡間的電磁互擾，同時(shí)也兼有增加機(jī)箱強(qiáng)度的作用。

（2）機(jī)箱右部：外部接口連接器區(qū)。所有印制板對(duì)外部的接口通過內(nèi)部電纜統(tǒng)一引到機(jī)箱右部區(qū)域，在此區(qū)域可方便地將各類連接器進(jìn)行分塊布置，不但可以降低不同電信號(hào)間的電磁干擾，還可以充分利用筒體內(nèi)部空間及箱體空間，便于人員操作及維護(hù)。同時(shí)連接器與箱體間加裝導(dǎo)電襯墊，且插座蓋與箱體間安裝有導(dǎo)電屏蔽條，能夠使各接觸件良好接地并具備良好的電磁屏蔽性。

（3）機(jī)箱后部：風(fēng)扇布置區(qū)。散熱風(fēng)扇通過風(fēng)機(jī)蓋安裝于機(jī)箱后部，可以充分利用筒體直徑上的空間尺寸；冷卻風(fēng)通過機(jī)箱兩側(cè)的開孔風(fēng)道可以將密閉空間里印制板上的熱能通過散熱翅片帶走，且風(fēng)扇與供電電源間加裝了穿心電容，對(duì)外部的電磁干擾可以產(chǎn)生很好的屏蔽作用。

機(jī)箱的各功能區(qū)塊均與機(jī)箱框架間采用了電連通與密封裝置，且設(shè)置了可靠的接地端子，不但可以保證機(jī)箱整體的良好接地，還可以保證機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境的獨(dú)立密閉，從而防止鹽霧、水汽、外部干擾對(duì)印制板件的侵害。

2 電子機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)與分析

為了保證機(jī)箱內(nèi)電子元器件的性能與使用壽命，該機(jī)箱對(duì)電子器件的散熱做了良好的設(shè)計(jì)。將不同熱功耗的元器件分別對(duì)應(yīng)做了導(dǎo)熱裝置，且與機(jī)箱框架能良好接觸，使電子器件的熱功耗可以方便地傳導(dǎo)給散熱翅片，并盡可能地縮短傳熱距離、優(yōu)化導(dǎo)熱路徑，將機(jī)箱的熱阻控制在最小范圍內(nèi)。

2.1 機(jī)箱散熱的理論計(jì)算

該機(jī)箱理論的耗散功率為0.3 kW，整個(gè)機(jī)箱從前到后進(jìn)行強(qiáng)制抽風(fēng)冷卻?？紤]一部分熱量通過機(jī)箱自身向外界排走，故機(jī)箱內(nèi)部實(shí)際需要排走的的耗散功率約為0.27 kW，由于此機(jī)箱是強(qiáng)迫風(fēng)冷熱傳導(dǎo)散熱方式，根據(jù)熱傳遞理論經(jīng)驗(yàn)公式（1）、（2）和傅里葉導(dǎo)熱公式（3）可以得出機(jī)箱內(nèi)功率芯片的理論溫升［8］。

式中：Q為熱功耗；hc為強(qiáng)迫空氣對(duì)流系數(shù)；A為導(dǎo)熱面積；Δt為溫差。

式中：J為科爾伯恩因子，理論值為0.0111；G為通過風(fēng)道的單位面積的重量流量；CP為流體的比熱，此處空氣為0.24 cal/（g·℃）；u 為流體的黏度，空氣0.000 207 g/（cm·s）；K 為流體的熱導(dǎo)率，空氣為9.88×10-5cal/（s·cm·℃）。

式中：Q為板件的熱功耗；λ為金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Δt為芯片與板件間的溫差；d為熱傳導(dǎo)距離；A為器件的散熱面積。

設(shè)環(huán)境起始溫度為20 ℃，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空氣通過風(fēng)機(jī)的前后溫差為15 ℃左右效果較好，假設(shè)機(jī)箱的熱功耗全部能通過散熱片經(jīng)風(fēng)冷散出，且散熱翅片的風(fēng)道截面積為2.52 ×0.3 cm2，通過公式（2）求得強(qiáng)迫空氣對(duì)流系數(shù)為hc＝7.34×10-4cal/（s·cm2·℃）；將其數(shù)值代入式（1），可得出Δt＝12.46 ℃，即機(jī)箱內(nèi)部側(cè)板到散熱翅片的溫升大約為12.46 ℃。

通過傅里葉導(dǎo)熱公式可以求出芯片與導(dǎo)熱板間的溫差Δt。金屬鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)為120 W/（m·K），導(dǎo)熱板上芯片的平均傳熱距離為0.05 m，芯片總的散熱面積為7.2×10-3m2，熱功耗為270 W，代入式（3），可求得芯片的平均溫升為16 ℃。

經(jīng)過上述熱傳導(dǎo)方程可以得出在芯片的熱功耗為270 W時(shí)，主要功耗芯片的平均溫度大約為t ＝20 ℃ +15 ℃ +12.46 ℃ +16 ℃ ＝63.46 ℃。而一般工業(yè)芯片的耐熱溫度大都大于100 ℃，因此經(jīng)過理論計(jì)算的電子機(jī)箱熱傳導(dǎo)滿足使用技術(shù)要求。

2.2 機(jī)箱散熱的仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)箱熱設(shè)計(jì)的可靠性，利用6Sigma軟件對(duì)該電子機(jī)箱進(jìn)行了熱仿真，其仿真效果圖及數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 機(jī)箱熱仿真效果圖

在模擬外界水下環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，采用一對(duì)風(fēng)冷風(fēng)扇對(duì)鈦合金筒體內(nèi)部的機(jī)箱進(jìn)行熱力學(xué)仿真，將機(jī)箱內(nèi)印制板的功耗分別設(shè)定到額定功耗，在機(jī)箱總功耗大約為300 W的條件下，仿真結(jié)果顯示功耗最大的芯片最高溫度大約為61 ℃，其他芯片均低于52 ℃。

通過分析可知，在電子機(jī)箱工作達(dá)到額定功耗的情況下，該機(jī)箱散熱充分，依然可以滿足機(jī)箱的正常使用，符合設(shè)計(jì)條件要求。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)了水下電子機(jī)箱，機(jī)箱整體為一體式焊接結(jié)構(gòu)，主要分為3 個(gè)工作區(qū)塊，其在功能上滿足水下密閉環(huán)境條件下的各項(xiàng)性能，在電磁兼容、環(huán)境適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)合理性上表現(xiàn)優(yōu)異，且其綜合散熱設(shè)計(jì)符合軍用技術(shù)要求，可以充當(dāng)水下設(shè)備的內(nèi)置式工作載體，符合設(shè)計(jì)條件要求，為現(xiàn)代海軍的水下電子機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參照。