一种基于MTCA标准的加固密封机箱及其装配方法与流程

本发明涉及通信或导航等电子设备领域，特别涉及一种基于mtca标准的加固密封机箱及其装配方法。

背景技术：

mtca即mircotca，其架构类似于atca的一种简化版本。它兼容了atca的高性能、高带宽、amc的灵活性，创造了极高集成度的同时，极大地降低了成本，减小了系统空间和规模，无需载板的设计更加方便了amc模块的使用。从而使其能够很好的满足中低端通信、工业、军事、医疗、多媒体等领域的应用要求。

表1术语和定义

现有的传统mtca机箱结构，如图1所示。图中所示为一个标准的、符合mtca标准的、19英寸上架式3u插箱。该机箱主要由以下几部分组成：前面板组件、机箱、顶盖板、amc模块、散热单元、背板、后面板组件等。

图1所示机箱按照mtca标准要求，按30.48mm的槽间距预留板卡槽位，各个amc模块通过机箱槽位装入机箱，与背板对插，背板再通过线缆将信号传输至后面板组件中的外部连接器中。最后装入前面板组件，形成一个完整的机箱，可装入19英寸标准机柜中。

机箱通常是由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板、支架、导轨等零件组成，通过螺钉紧固，零件数量众多。其中上盖板、下盖板、左侧板、右侧板部分或者全部开孔通风，整个机箱内部与外部环境相联通，非密封设计。

amc模块插入机箱时，依靠amc模块中的印制板两侧边沿，沿着机箱导轨插入机箱，与背板对插，装配到位后，通过amc模块面板上的安装螺钉，将amc模块固定在机箱内，实现amc模块的装配固定。

在机箱内部左侧、右侧、或者是左右两侧放置散热单元，通过机箱左右两侧外部的通风孔，气流流经各amc模块及其他电路部分表面，实现对机箱内各个amc模块及其它电路部分的散热。

对于amc模块、背板以及其它电路部分，通常会喷涂防霉漆，使机箱在一般的盐雾霉菌湿热等工作环境条件下，电路部分不失效，能够正常工作。

针对现在的通信或导航等电子设备，尤其是恶劣环境条件使用下的军用通信或导航等电子设备，以往传统的机箱设计形式很难满足恶劣的环境应用要求。

现有的传统的mtca机箱结构技术方案中，采取的设计形式是敞开式的非密封设计，这类机箱通常装配和维护不便、较弱的三防能力、较弱的散热能力、较弱的抗振动抗冲击能力、较弱的结构电磁兼容能力，具体如下：

1、较差的装配和维修性

机箱箱体是由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板、支架、导轨等零件组成，并且通过螺钉连接。组成箱体的零件种类繁多，数量也较多，通常有几十个零件，所需紧固件数量也比较多，装配难度大、时间长；

机箱在需要维护或者维修时，拆卸难度大、时间长。

2、较弱的三防能力(防盐雾、防霉菌、防湿热)

机箱不是密封机箱，外界环境空气与机箱内部的各电路部分处于联通状态，印制板和元器件暴露在外部环境的空气中，外界空气会与印制板和电子元器件直接接触，虽然印制板和电子器件在大多数情况下会喷涂防霉漆，但在恶劣环境下如海上舰艇上的设备，随着机箱使用时间增长，部分三防漆会脱落，脱落部分的表面就容易受到霉菌、盐雾或者湿热的腐蚀；

一般机箱内侧表面只做表面处理，如电镀等，不做喷漆，机箱内表面就容易受到霉菌、盐雾或者湿热的腐蚀。

3、较弱的散热能力

机箱采取的设计形式是敞开式的，外部空气可以进入机箱内部，与机箱内部的印制板接触，电子元器件直接裸露在空气中。

机箱箱体大部分通过采用以下两种方式散热：一种是符合空气冷却规范的机箱(ruggedaircooledspecification)，即冷却空气通过机箱通风孔流经各amc模块及其它电路印制板表面和器件表面，直接对热耗器件散热，带走热量；另一种是符合加固混合空气传导冷却规范的机箱(hardenedhybridairconductioncooledspecification)，即对各amc模块设计散热片，并将散热片装配至amc模块上，使amc模块的热耗器件热量传导到散热片上，冷却空气通过机箱通风孔流经各amc模块的散热片表面，对流换热，带走热量。

符合空气冷却规范的机箱，参与换热的表面积只有印制板表面和器件表面，具有较少的换热面积，同时流经机箱内部的冷却空气风阻受印制板的器件布局影响，风阻较大，散热能力及其有限。通常单个amc模块的热设计功耗不超过10w。

符合加固混合空气传导冷却规范的机箱，因为增加了散热片，与符合空气冷却规范的机箱相比，散热能力得到提升。但是，amc模块的板卡标准间距是30.48mm，因此amc模块厚度必须低于30.48mm，,通常设计厚度为29mm。amc模块散热片的设计尺寸也比较受限，散热面积也有限。同时当amc模块装满机箱时，流经各amc模块表面的冷却空气风阻也受散热片形状的影响，风阻较大，散热能力也受限，通常单个amc模块的热设计功耗不超过30w。

该机箱最高工作环境温度通常低于55℃。

4、较弱的抗振动抗冲击能力

传统的机箱设计，一方面机箱是依靠多个板拼接螺装起来，大部分拼板是较薄的板甚至是钣金件，机箱具有较低的固有频率，机箱箱体的强度较弱。

amc模块插入机箱时，依靠amc模块中的印制板两侧边沿，沿着机箱导轨插入机箱装配，印制板边沿与导轨之间是有间隙的。通过大量试验，对有松动的印制板边沿导轨机箱组件进行的振动实验数据表明，印制板的谐振频率总是与机箱谐振频率耦合在一起，即使在提高了机箱的谐振频率以试图分离这两个频率时也是如此。这样在amc模块的印制板中产生严重的耦合效应，会使印制板中的应力水平提高，而使其疲劳寿命降低。

5、较弱的结构电磁兼容能力

传统的机箱设计，一方面机箱是依靠多个板拼接螺装起来，在拼接处会有电磁泄露；机箱外表面有散热通风孔，通风孔与机箱内部各amc模块中的印制板、电子元器件相通，导致电磁泄露，整机结构电磁兼容性较弱。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于mtca标准的加固密封机箱，能够提升现在的通信或导航等电子设备，尤其是恶劣环境条件使用下的军用通信或导航等电子设备的环境适应性性能，使设备具备优良的装配和维修性、三防能力、散热能力、抗振动抗冲击能力、结构电磁兼容能力。

本发明的另一目的是提供一种基于mtca标准的加固密封机箱的装配方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于mtca标准的加固密封机箱，包括机箱本体，还包括分别固定覆盖机箱本体前面、后面、上面、下面的前面板组件、后面板组件、上盖板、下盖板；其中，机箱本体与后面板组件之间还设置有背板，后面板组件靠近机箱本体的一侧与背板通过螺钉固定在一起，后面板组件远离机箱本体的一侧设置有风机组件；

所述机箱本体的顶盖板、底盖板的外表面均匀设置有散热片，所述前面板组件、后面板组件的顶部与底部均设置有风道进出口，进气流有两条支路：第一支路的气流依次经过前面板组件顶部风道进出口、机箱本体的顶盖板的散热片所处空间、后面板组件顶部风道进出口，第二支路的气流依次经过前面板组件底部风道进出口、机箱本体的底盖板的散热片所处空间、后面板组件底部风道进出口；第一、二支路的气流在后面板组件汇合后，由后面板组件上的风机组件抽风带出；

所述机箱内部用于放置一个以上的模块，所述模块包括amc模块；模块上设置有加固导冷板，用于将amc模块产生的热量传递到散热片。

所述散热片的设置方式为：每个散热片所处平面垂直于前面板组件所处平面，且垂直于机箱本体的顶盖板所处平面，机箱本体的顶盖板所处平面与机箱本体的底盖板所处平面相互平行。此时散热片的设置方向与气流通过方向相平行，减少气流通过风道时所遇到的阻力，提高散热效率。

所述机箱本体的顶盖板、底盖板的外围均设置有安装凸台，且安装凸台的高度大于散热片的高度。安装凸台的设置，可以方便安装前面板组件、后面板组件、上盖板、下盖板，同时能够对散热片起到保护作用。

所述前面板组件与机箱本体的接触处、所述后面板组件与机箱本体的接触处均设置有密封槽，密封槽内装配有双峰导电密封胶条。

所述机箱本体的顶盖板、底盖板、左侧板、右侧板以及机箱内部设置的一个以上的立板通过拼焊形成上下左右四侧密封的一体机箱。

所述amc模块的加固导冷板顶部设置有一个以上的锁紧条；所述机箱本体的内侧对应设置有一个以上的机箱导槽；锁紧条与amc模块固定在一起，作为一个整体沿着机箱导槽装入到机箱内锁紧固定。

所述锁紧条为楔形锁紧条。由于锁紧条采用了楔形锁紧装置，能产生较大机械应力，减小两接触面之间的接触热阻，提高了热传导能力。

所述amc模块的加固导冷板与amc模块的发热器件之间设置有柔性导热垫。在各模块加固板卡中，各模块中的加固导冷板与印制板上发热器件紧密贴合，同时在元器件与加固导冷板之间填充柔性导热垫，以消除空气间隙，减小元器件和导热板之间的接触热阻，使元器件产生的热量迅速传到导热板上。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种基于mtca标准的加固密封机箱的装配方法，包含以下步骤：

首先将背板、后面板组件通过螺钉固定在一起，形成一个相对封闭的整体，然后装入风机组件，通过螺钉固定在一起，形成后面板部分；

顶盖板、底盖板的外表面均匀设置有散热片的机箱本体与后面板部分通过螺钉固定在一起；模块通过模块自带的辅助插拔器，沿着机箱导槽装入机箱本体内，与背板实现对插，装配到位后，通过楔形锁紧条张紧固定在机箱内；随后将前面板组件与机箱本体通过螺钉固定，整机装配完成。

所述基于mtca标准的加固密封机箱，其散热路径为：

amc模块的发热器件→amc模块的柔性导热垫→amc模块的加固导冷板→amc模块的楔形锁紧条→机箱本体的机箱导槽→机箱风道散热表面→机箱周围空气强迫对流冷却。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明所述一种基于mtca标准的加固密封机箱具有更好的装配和维修性；同时具有更好的三防性能、散热性能、抗振动抗冲击性能、结构电磁兼容能力。

附图说明

图1是现有的传统mtca机箱的结构示意图。

图2是本发明所述一种基于mtca标准的加固密封机箱的整机结构示意图。

图3是机箱的结构示意图。

图4是风道示意图。

图5为amc模块散热布局图。

其中，附图标记的含义如下：

1-传统mtca机箱的前面板组件、2-传统mtca机箱的后面板组件、3-传统mtca机箱的机箱、4-传统mtca机箱的顶盖板、5-传统mtca机箱的背板、6-传统mtca机箱的amc模块；

7-前面板组件、8-后面板组件、9-上盖板、10-下盖板、11-背板、12-风机组件、13-顶盖板、14-底盖板、15-散热片、16-左侧板、17-右侧板、18-立板、19-amc模块、20-加固导冷板、21-楔形锁紧条、22-机箱导槽、23-柔性导热垫、24-发热器件、25-第一印刷板、26-第二印刷板、27-机箱、28-前面板上进风口、29-机箱上风道、30-后面板上出风口、31-前面板下进风口、32-机箱下风道、33-后面板下出风口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图2-4，为了提升现在的通信或导航等电子设备，尤其是恶劣环境条件使用下的军用通信或导航等电子设备的环境适应性性能，使设备具备优良的装配和维修性、三防能力、散热能力、抗振动抗冲击能力、结构电磁兼容能力，提出了一种新型的基于mtca标准设计的加固密封机箱设计，具体的设计实现如下：

1.结构总体设计

整机采用标准19英寸上架式4u机箱，对外接口(航插连接器)设置于后面板组件，整机结构采取基于mtca标准的模块化设计思路，采取加固板卡形式，实现机箱的密封设计。

图2是本发明整机结构布局示意图。整机主要由前面板组件、上盖板、下盖板、机箱、10个模块(含6个amc模块)、背板、后面板组件、风机组件等部分组成。

机箱是由顶盖板、底盖板、左侧板、右侧板、两块立板等总共6块板拼焊而成，形成上下左右四侧密封的一体机箱，如图3所示。在各个拼焊的板上分别设计机箱导槽，用来引导固定10个模块(包含6个amc模块)。在顶盖板、底盖板上设计散热片和风道，用来为整机散热。在一体机箱的前后端面上，在风道内侧，设计密封槽，用来装配双峰导电密封胶条，使机箱在与前面板组件、后面板组件装配时导电密封。

整机是前进风后出风，采取抽风设计。机箱与上盖板、下盖板装配后形成一个上下左右密封的风道，仅在机箱的前后面的顶部与底部留有风道进出口。前面板零件上下位置设计通风孔用于冷却空气进入机箱顶部和底部。后面板零件上下位置设计风道，用于冷却空气流出机箱进入到尾部的风机中，然后风机抽风带走热量。

2.装配和维修性

整机机箱拼焊成型，将众多的机箱零件合为一个机箱，大幅度减少了零部件数量，缩短了装配时间；

整机的装配过程为：背板、后面板组件通过螺钉固定在一起，形成一个相对封闭的整体，然后装入风机组件，通过螺钉固定在一起，形成后面板部分；机箱与后面板部分通过螺钉固定在一起。10个模块(包含6个amc模块)，通过模块自带的辅助插拔器，沿着机箱导轨槽装入机箱内，与背板实现对插，装配到位后，通过楔形锁紧条张紧固定在机箱内；随后将前面板组件与机箱通过螺钉固定，整机装配完成。

一般情况下，该类机箱需要维修的经常是各类模块，背板及后面板组件不容易损坏。各个模块与机箱通过楔形锁紧条固定，每个模块有两根锁紧条，每个锁紧条只有一个紧固螺钉，拆卸时仅需将各个模块上的锁紧条螺钉拧松，然后通过辅助插拔器即可拆装模块，装入模块时同样的过程，反向进行一遍即可。根据实际体验，在一个装配完整的整机面前，拆装机箱内部的一个模块，五分钟之内即可完成，这满足通信和导航设备尤其是军用设备的拆装维修要求，并大幅度缩减了产品的维修时间，提高了产品的可维修性。

3.三防能力

整机能够满足gjb150.9a-2009《军用装备实验室环境试验方法湿热试验》、gjb150.10a-2009《军用装备实验室环境试验方法霉菌试验》、gjb150.11a-2009《军用装备实验室环境试验方法盐雾试验》中的试验要求。

为了提高整机的防潮湿、防霉菌、防盐雾的三防能力，主要从材料防护、工艺防护、结构防护等方面采取如下措施：

a)材料防护

选用相同电化学偶、防护性能好的铝合金作结构件材料，且对其表面进行导电氧化处理，螺钉等均采用不锈钢材料，既保证了屏蔽性能，又满足“三防”要求；

b)表面处理

在机箱外表面涂无光三防漆，以增强整个电子设备的“三防”性能；

c)机箱密封设计

在设计中，机箱采取了密闭式结构，冷却系统的空气流经机箱外表面，与机箱内部各模块和背板物理隔离。机箱整体拼焊加工成形，与前后面板、上下底板连接处均加有密封功能的双峰导电胶条，将机箱内部与外界环境相隔离，提高了机箱的三防性能。

4.散热能力

热设计的目标主要在于控制发热元件的温度，主要方法就是把各模块产生的热量通过热阻小的路径迅速有效地传到密封机箱的外部环境中去。

整机机箱主要采取强迫风冷散热方式，热量首先通过热传导传向机箱，再通过强迫对流传到周围介质中，实现机箱设备的散热。

该机箱能满足gjb150.3a-2009《军用装备实验室环境试验方法高温试验》中的试验要求。

a)风道设计

在整机后面板中间位置放置风机，前面板上下两处设计进风口，同时机箱设计为风道与内腔体隔离的全密闭式结构，通过机箱上下表面散热片，设计上下两条风道，使冷却空气通过前面板上下进风口流入到机箱上下风道，再通过后面板上下出风口流入到尾部的轴流风机中，将各模块的热量带走。

风道示意图如图4所示。

b)零件材料选择

机箱模块和各结构件均采用导热性能好的铝合金加工而成，降低导热热阻；

c)散热路径

d)在各模块加固板卡中，各模块中的加固导冷板与印制板上发热器件紧密贴合，同时在元器件与加固导冷板之间填充柔性导热垫，以消除空气间隙，减小元器件和导热板之间的接触热阻，使元器件产生的热量迅速传到导热板上。而导热板与机箱导槽之间通过楔形锁紧条连接，由于楔形锁紧条采用了楔形锁紧装置，能产生较大机械应力，减小两接触面之间的接触热阻，提高了热传导能力。这样印制板卡元器件的传导散热路径为：发热元器件→柔性导热垫→楔形锁紧条→机箱导槽→机箱风道散热表面→机箱周围空气强迫对流冷却。图5为amc模块布局示意图。

e)散热片设计

机箱的散热片采用肋片设计，增加机箱表面的散热面积，提高散热效果；同时对肋片进行优化设计，将大面积散热片改为小面积散热片，形成多“空格式”结构，减小空气流动时的阻力，减少风压压降，提高了强迫风冷对流换热系数，增强了机箱散热效率。

f)散热性能说明

该机箱最高工作环境温度可达70℃。理论上，该机箱单个模块的最大热耗可以达到50w。

5.抗振动抗冲击能力

整机能够满足gjb150.16a-2009《军用装备实验室环境试验方法振动试验》、gjb150.18a-2009《军用装备实验室环境试验方法冲击试验》中的试验要求。

提高整机抗振动抗冲击能力，主要是从机箱设计、模块设计两方面进行，具体如下：

a)整机机箱强度设计

整机机箱采用拼焊形成一体机箱，具有较高的强度和较高的固有频率，从而提高其抗振动和抗冲击能力；

b)模块强度设计

提高模块印制板板的抗振能力，对各模块设计加固导冷板，提高了自身刚度，减小板卡在振动、冲击条件下的变形。所有模块插板采用直插式，通过楔形锁紧条与机箱导槽张紧连接，极大的提高板卡的一阶固有频率，这种连接装置张紧力大，隔振、缓冲能力强，而且通用性和互换性也很高；背板安装时，除印制板一周有安装孔外，对背板单独设计结构支撑件，使背板中间部分也有支撑，增强了背板的抗振动和抗冲击能力。

6.结构电磁兼容能力

整机机箱、各模块设计主要从材料选用、加工工艺、电搭接方面考虑，通过消除机箱与前、后面板的接触面上的缝隙，消除导电不连续点，从而降低电磁泄露：

a)模块单板磁兼容设计

各模块板卡设计时，进行单板局部屏蔽。设计盒体式屏蔽框、屏蔽盖，对单板上的局部强干扰源或者敏感电路采取屏蔽措施；

b)材料及表面处理

选用导电率高的铝合金做箱体结构材料，在加工方面对箱体的外表面特别是和前、后面板的结合面进行铣削精加工，然后对箱体、前后面板等进行导电氧化表面处理，保证其组装成一个密闭的壳体，减小可拆卸结合面的电阻。

c)机箱装配工艺

在机箱箱体和前后面板、风机组件与后面板组件之间放置双峰导电胶条，实现箱体整体的电导通连续性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。