8U VPX前插設(shè)備機箱優(yōu)化設(shè)計與分析

韋海波，耿立冬

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541000）

0 引言

由于VPX標準的信號處理平臺具備強大的信號處理、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標準代表了新一代綜合信息處理平臺系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和方向[1，2]。在機箱中應(yīng)用VPX規(guī)范，能夠提升機箱在散熱、耐用及抗振方面的性能。

在產(chǎn)品設(shè)計中，將產(chǎn)品功能模塊化是一種設(shè)計趨勢。機箱模塊化設(shè)計首先是明確機箱要實現(xiàn)的功能，將機箱功能劃分為一系列子功能，由子功能集合實現(xiàn)機箱需求功能，進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)，而機箱僅是模塊的載體，功能模塊具有可維護性、靈活架構(gòu)、單個模塊功能便于調(diào)試升級等優(yōu)點，故本機箱將VPX規(guī)范標準和模塊化設(shè)計相結(jié)合，滿足功能需求的同時，實現(xiàn)各個模塊靈活插拔、方便各個模塊的調(diào)試和維修，提高設(shè)備的可靠性。

1 總體布局設(shè)計

設(shè)計之初，首先對機箱內(nèi)要安裝的模塊數(shù)量、每個模塊熱耗情況、機箱安裝環(huán)境條件都進行了較為準確的了解。在綜合考慮了機箱熱設(shè)計、抗振動沖擊設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計的基礎(chǔ)上形成了機箱的初步設(shè)計思路。模塊安裝在機箱內(nèi)部相對封閉的空間，這樣有利于提高整個機箱的三防性能和電磁兼容性能。機箱內(nèi)模塊從左到右依次排列，模塊產(chǎn)生的熱量由風(fēng)機抽入機箱上側(cè)的散熱通道，再從散熱通道通過蜂窩狀通風(fēng)窗排出機箱，所有連接器設(shè)計在后面板上。機箱總體布局和外形尺寸如圖1所示。

圖1 機箱外形示意圖

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，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、電力電子和家用電器等領(lǐng)域[4]。

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

1.2 模塊設(shè)計

在進行機箱設(shè)計的時候，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)機對其散熱也是必不可少的，故在機箱模塊化設(shè)計中，不僅僅將其功能部分模塊化，還設(shè)計了一個風(fēng)機模塊。

機箱內(nèi)共16個功能模塊，均可快速插拔，重量小于2 kg，在滿足機箱功能要求的同時，方便各個模塊調(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)計為一個可快速拆卸的模塊，如圖2所示，風(fēng)機模塊是將4個風(fēng)機固定在風(fēng)機安裝板上，風(fēng)機安裝板固定在上蓋板上。當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)故障時，拆掉固定風(fēng)扇安裝板的螺釘，便可將風(fēng)扇模塊從機箱內(nèi)取出，風(fēng)機安裝板上設(shè)計兩個凹槽，方便模塊的裝取。風(fēng)機控制和供電選用的是可快速拔插的矩形連接器，將其拔出，即可對風(fēng)扇進行更換。

圖2 風(fēng)扇安裝模塊

1.3 插拔設(shè)計

8U VPX前插設(shè)備機箱可安裝16個模塊，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。機箱內(nèi)設(shè)計上導(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)計助拔器、防磨塊上/下導(dǎo)軌等零部件，模塊在插入和拔出時更方便省力。

圖3 模塊示意圖

1.4 開合設(shè)計

如圖4所示，在前面板開孔安裝前門，用鉸鏈和螺釘固定，采用前門上下開合的設(shè)計。鉸鏈選用帶阻尼鉸鏈，阻尼合頁能讓前門停在任意角度，能夠有效防止前門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，鉚接在前門上，松不脫螺釘可以在不使用任何工具的情況下，直接用手擰緊和松開，松開后，松不脫螺釘不會掉落，方便前門固定開合。前門中框安裝屏蔽玻璃，屏蔽玻璃在不影響電磁屏蔽的情況下，可以觀察機箱內(nèi)部模塊運行情況，便于及時發(fā)現(xiàn)各個模塊運行異常。

圖4 前開門設(shè)計

2 熱設(shè)計

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)采用強迫空氣冷卻[8]。強迫空氣冷卻具有設(shè)備簡單、成本低的特點，故8U VPX前插設(shè)備機箱采用強迫空氣冷卻的方式對其內(nèi)模塊和電子元器件降溫。

2.1 選用通風(fēng)機

通風(fēng)機按其工作原理及結(jié)構(gòu)形式可以分為兩大類：軸流式通風(fēng)機和離心式通風(fēng)機。軸流式通風(fēng)機就是空氣進出口的流動方向與軸線平行，其特點是風(fēng)量大，風(fēng)壓小。離心式通風(fēng)機由螺殼、轉(zhuǎn)動的葉輪及外部的驅(qū)動電機等三個主要部件組成?？諝鈴妮S向進入，然后轉(zhuǎn)90°，再葉輪內(nèi)作徑向流動，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)機的特點是風(fēng)壓高、風(fēng)量小，常用于阻力較大的發(fā)熱元件或機柜的通風(fēng)冷卻。

在8U VPX前插設(shè)備機箱中，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)機散熱效果更好一些。

2.2 風(fēng)道設(shè)計

為了提高冷卻效果，設(shè)計一個專用風(fēng)道，減少風(fēng)速紊亂回流的同時，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)備機箱采用4個離心式通風(fēng)機，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)機風(fēng)道，整個風(fēng)道成“Z”型，冷風(fēng)從前面板進風(fēng)口蜂窩狀通風(fēng)窗進入，進入發(fā)熱源“功能模塊”，再由離心式通風(fēng)機抽離至風(fēng)道隔板內(nèi)，最后再通過出風(fēng)口蜂窩狀通風(fēng)窗排除機箱外。

圖5 風(fēng)道示意圖

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

2.3 仿真驗證

如圖所示，圖6是常見的軸流式通風(fēng)機在機箱內(nèi)的散熱方式，圖7是機箱采用的離心式通風(fēng)機在機箱內(nèi)的散熱方式，為了驗證兩種通風(fēng)方式在8U VPX前插設(shè)備機箱的效果，對兩種通風(fēng)機進行熱仿真，設(shè)定極限環(huán)境溫度為50℃，選用軸流式通風(fēng)機額定電壓12 V，運轉(zhuǎn)功率7.2 W，轉(zhuǎn)速5800 r/min，離心式通風(fēng)機額定電壓12 V，運轉(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)機的機箱最高溫度為61.8℃，而安裝離心式通風(fēng)機的機箱最高溫度為55.1℃，相差6.7℃，故離心式通風(fēng)機在此機箱上熱控制效果更好。

圖6 軸流式通風(fēng)機熱仿真效果圖

3 電磁屏蔽設(shè)計

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

為了保證機箱的導(dǎo)電連續(xù)性，機箱采用具有電磁屏蔽的連接器，電源裝配有濾波器；由于機箱是拼接機箱，在機箱各個拼接接觸面增加鋁銀共擠密封圈，同時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2個“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)備機箱的電磁屏蔽的可靠性，僅僅是貼裝鋁銀共擠密封圈是遠遠不夠的，還需對機箱各個縫隙進行處理。如圖9所示，機箱在進風(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：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；機械強度高，工作穩(wěn)定可靠。

圖8 機箱內(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)備機箱設(shè)計前門開合結(jié)構(gòu)，在前門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，遮蓋整個阻尼鉸鏈，提高電磁屏蔽的可靠性。

4 結(jié)語

基于VPX標準，將產(chǎn)品功能模塊化，設(shè)計一種8U VPX前插設(shè)備機箱，將各個功能模塊安裝在相對封閉的機箱內(nèi)部，避免了模塊直接暴露在使用環(huán)境中。插箱通過了電子設(shè)備高低溫、低氣壓、濕熱、沙塵等環(huán)境試驗，達到了三防的要求；也通過了電磁脈沖、老煉等可靠性試驗，驗證了機箱對內(nèi)部電子元器件保護的可靠性。插箱內(nèi)各個部分模塊化布局，整齊明了，滿足項目使用要求。