Gestion thermique des armoires extérieures : le guide de refroidissement complet

Comment garder votre armoire extérieure au frais : un guide de gestion thermique pour la conception des boîtiers

Tout boîtier électrique extérieur doit faire face à un adversaire constant : la chaleur Entre le rayonnement solaire qui frappe les surfaces des armoires, l'électronique interne ajoutant ses propres charges thermiques et le fait que la température ambiante passe d'un hiver plus froid que n'importe quel autre à un été plus chaud que jamais, les phénomènes qui menacent la surchauffe sont coûteux. Un événement transitoire thermique pourrait provoquer l'arrêt d'un nœud de télécommunications, la panne d'un système de contrôle de la circulation ou l'inactivité temporaire d'un équipement de processus industriel pendant des heures.

Ce document traite de la physique derrière la gestion thermique des armoires extérieures, fournit des comparaisons entre les solutions de refroidissement passives et actives et propose une méthodologie pour sélectionner le système de refroidissement des enceintes approprié pour votre charge thermique particulière et les conditions environnementales. Que vous exploitiez une flotte entière d'armoires de télécommunications en bordure de route ou un petit nombre d'enceintes de distribution d'énergie à distance, le but est finalement le même : quel que soit le réseau, gardez la température interne dans les spécifications, évitez les dommages causés par l'humidité et maximisez la durée de vie de l'équipement.

Pourquoi les armoires extérieures ont besoin d'une gestion thermique

La gestion thermique des armoires extérieures implique le contrôle de la température et de l'humidité dans les enceintes qui abritent des équipements électroniques, électriques ou de communication exposés aux conditions extérieures. Si elles sont ignorées, ces enceintes deviennent des fours et l'électronique à l'intérieur a tendance à tomber en panne bien plus tôt qu'elle ne le devrait.

La façon dont la température affecte la longévité des composants est bien connue. Comme indiqué dans Electronique Magazine de refroidissement, « Les données sur la fiabilité des circuits intégrés révèlent des taux de défaillance doublant chaque augmentation de 10 °C de la température de fonctionnement. Avec une armoire scellée exposée à un soleil éclatant, les températures internes peuvent atteindre 60 températures C et des températures de courant encore plus élevées qui sont bien supérieures à celles de l'électronique de qualité commerciale tirant des charges nominales complètes. ».

Cependant, la chaleur n'est qu'un problème ; le passage rapide d'une congélation inférieure à zéro à une chaleur supérieure à 100 Fahrenheit provoque une condensation dans les enceintes qui détruit les cartes de circuit, endommage l'isolation, et raccourcit les connexions beaucoup plus souvent que du seul côté thermique. Les techniciens de terrain affirment que les problèmes d'humidité font trois fois plus de mal que les problèmes de chaleur. Une stratégie de gestion thermique efficace qui gère la température et l’humidité est ce qui fait durer une armoire de cinq ans au lieu de quinze.

Comprendre la charge thermique et les conditions ambiantes

Pour comprendre toute solution de refroidissement, vous devez d'abord estimer la charge thermique totale à l'intérieur de l'enceinte, c'est-à-dire la quantité totale de chaleur entrant dans l'enceinte. Vous avez besoin que ce numéro de noyau total en wat ou BTU/hrto permette chaque étape ultérieure du choix, de la capacité et du coût de refroidissement Notre méthode de conception d'armoire standard en KDST commence par estimer d'abord d'où vient la chaleur, puis de quelle quantité l'enceinte doit être débarrassée.

La charge thermique totale comporte deux composantes :

La formule de charge thermique

Le Référence d'ingénierie Thermal Edge simplifie ce calcul. Ajoutez d'abord toute la puissance de chacun des composants générateurs de chaleur à l'intérieur de l'enceinte. Multipliez la puissance totale par 3,41 pour la convertir en BTU/h. C'est votre charge thermique interne.

Calculer le transfert de chaleur externe Mesurez la surface de l'enceinte exposée à l'air ambiant (qui n'est pas montée directement sur elle (généralement le panneau arrière).Trouvez la différence de température entre la température ambiante maximale anticipée et la température interne souhaitée. Recherchez maintenant le BTU/hr/ft pour ce différentiel. Multipliez le chiffre de surface à l’étape précédente par ce nombre pour obtenir un gain de chaleur externe.

Ajouter les deux chiffres ensemble Charge thermique totale = chaleur interne (BTU/hr) + Transfert thermique externe (BTU/hr)

les conditions ambiantes comptent à peu près autant que la chaleur interne Les calculs de charge thermique dans le désert près de l'Arizona sont très différents de ceux d'un hiver du Minnesota Les niveaux d'humidité et de température ambiante, ainsi que les heures d'exposition solaire et la hauteur au-dessus du niveau de la mer affectent tous la plage de température que doit avoir le système de refroidissement Le dimensionnement correct de la conception de base empêchera l'enceinte de surchauffer et coûtera trop cher.

Méthodes de refroidissement passif pour les boîtiers extérieurs

Le refroidissement passif dépend entièrement du phénomène physique du transfert de chaleur - le mouvement naturel de l'air chaud ou des liquides pour trouver de l'air ou des liquides de remplacement à une température plus basse Ici, nous nous appuyons sur des forces de convection, de conduction et de rayonnement jamais excitées Ces méthodes de refroidissement passif peuvent faire le premier pas dans la conception des enceintes car elles fonctionnent sans énergie et n'ont pas de pièces mobiles qui ont besoin d'entretien.

Convection naturelle et ventilation

Le gaz monte Donc si vous placez des ouvertures d'aération en haut de l'enceinte pour permettre l'échappement et en bas pour aspirer de l'air frais frais frais dans. Ensuite, la convection naturelle circulera dans l'armoire sans utiliser de composants de refroidissement actifs. Cela fonctionne bien lorsque la charge thermique interne est modeste, donc la température ambiante reste inférieure à la température interne maximale. Notez que les enceintes ventilées par 4 ne seront pas capables de retenir le nema ou les équivalents IP55 car l'aspiration d'air permet la poussière, l'humidité et d'autres contaminants dans l'enceinte.

Matériau du boîtier et traitement de surface

Le matériau et la coloration de l'enceinte elle-même font une différence pour la dissipation de chaleur Les tests effectués par les fabricants d'enceintes extérieures sont indicatifs ils ont trouvé qu'il y avait un avantage à peindre un briquet sur la surface de l'enceinte car il augmentait la dissipation de chaleur de l'enceinte Plus précisément une couleur plus claire réfléchie plus le rayonnement plutôt que absorbé Il est clair que l'utilisation d'un revêtement gris clair ou blanc sur une enceinte réduisait considérablement le gain de chaleur solaire peut-être suffisamment pour créer un système de refroidissement actif plus petit ou même aucun système actif.

Dissipateurs de chaleur et chemins de conduction

Pour les enceintes qui ont des sources de chaleur plus focalisées (une alimentation avec une puissance élevée, par exemple), placer l'enceinte directement contre la paroi de l'enceinte avec un plot thermique Ce chemin de conduction absorbe la chaleur plus les éventuelles différences locales de chaleur rayonne ensuite à travers la paroi pour refroidir l'air à l'extérieur Alors que cette solution passive s'ajoutera à d'autres solutions, elle seule peut rarement supprimer la totalité de la charge de puissance frigorifique.

Refroidissement actif : climatiseurs, échangeurs de chaleur et ventilateurs

Lorsque les méthodes passives ne peuvent pas apporter la température interne dans la plage qui se produit dans la majorité des armoires extérieures avec télécom, puissance ou électronique de contrôle industrielle, le refroidissement actif entre en jeu. Les quatre technologies diffèrent principalement par la capacité de refroidissement, l'utilisation de l'énergie, la protection de l'environnement et le prix.

Climatiseurs d'enceinte

Le transfert de chaleur des climatiseurs à boîtier est basé sur un cycle de réfrigération à compression de vapeur similaire à celui d'un climatiseur résidentiel, en miniature Un compresseur déplace continuellement un réfrigérant entre un évaporateur à l'intérieur de l'enceinte et un condenseur extérieur C'est la seule technologie active qui peut faire passer l'air de l'enceinte en dessous de la température ambiante, ce qui est pratique lorsque vous avez besoin d'une capacité de refroidissement élevée ou lorsque vous fonctionnez dans un climat chaud Selon Comparaison technologique de Thermal Edge, [traduction], les unités de climatisation sont disponibles dans des capacités de 1 000 BTU/h pour les petites boîtes de jonction jusqu'à 20 000 BTU/h pour les grandes armoires industrielles Elles conservent des valeurs nominales de nema 4/4 X et IP55/IP65 scellées parce que la boucle de réfrigérant est fermée-l'air extérieur ne peut pas entrer dans l'enceinte.

Échangeurs de chaleur air-air

Les échangeurs de chaleur air-air déplacent la chaleur de l'intérieur de l'enceinte vers l'extérieur sans mélanger les deux flux d'air Au sein de l'unité, les caloducs absorbent la chaleur de l'air de l'enceinte tandis que le réfrigérant à l'intérieur bout et transfère la chaleur à l'air extérieur plus froid. Puisqu'ils dépendent d'un différentiel de température, les échangeurs de chaleur air-air ne fonctionnent que lorsque la température ambiante est suffisamment basse pour y correspondre. Un réseau de grande taille peut éliminer environ 40 watts par degré Fahrenheit de différence de température-à 20 F, soit 820 watts ou 2 730 BTU/h de capacité de refroidissement. Ils maintiennent également l'intégrité scells de l'enceinte ainsi que les consommateurs d'air.

Ventilateurs filtrés et ventilateurs d'échappement

Les ventilateurs sont la solution active la plus simple Ils tirent l'air ambiant à travers l'enceinte et expulsent la chaleur à travers le flux d'air Un inconvénient est la protection : les ventilateurs laissent entrer l'air extérieur, donc la poussière, l'humidité et les autres contaminants de l'armoire se mélangent directement avec l'environnement ambiant de sorte que les niveaux de filtration décident de la quantité de contamination qui parvient à l'électronique Cela signifie que le refroidissement à base de ventilateur est limité aux enceintes nema 1 ou 3 R ne convient pas si vous aurez des enceintes électriques scellées notées NEMA 4+ à proximité Les ventilateurs fonctionnent mieux à l'intérieur ou dans l'air extérieur propre lorsque l'air ambiant est plus frais que la température interne cible.

Refroidisseurs Peltier (thermoélectriques)

Les refroidisseurs Peltier utilisent l'effet thermoélectrique pour transférer la chaleur d'un côté à l'autre lorsqu'un flux de courant continu existe Ils n'ont pas de compresseur, pas de réfrigérant et pas de pièces mobiles autres qu'un petit ventilateur La capacité de refroidissement est limitée 50 à 400 watts donc ils s'adaptent aux petites enceintes avec de faibles charges thermiques Ils gardent une enceinte étanche et sont très silencieux, ce qui est important dans les applications sensibles au bruit.

“Lorsque nous concevons le refroidissement pour Armoires extérieures NEMA 3/IP55, [TRADUCTION] ?, la première chose que nous demandons est si l'enceinte doit descendre en dessous de l'ambiante Si c'est le cas, c'est un climatiseur Si le maintien de l'électronique dans les limites cotées est le but recherché et que l'air ambiant est plus frais pendant la majeure partie de l'année, un échangeur de chaleur coûte moins cher à acheter et beaucoup moins à faire fonctionner.”

Équipe d'ingénierie KDST

Comment sélectionner le bon système de refroidissement pour votre armoire extérieure

Choisir la méthode de climatisation d'enceinte appropriée ne consiste pas à sélectionner le refroidisseur de plus grande puissance que vous pouvez vous permettre Il s'agit de choisir la méthode de refroidissement correcte pour votre mélange de charge thermique, d'environnement, de niveaux de protection et de poche La surspécification gaspille de l'énergie et de l'argent liquide ; la sous-spécification entraîne une surchauffe, des temps d'arrêt et une panne précoce de l'usine.

Notre équipe de conception chez KDST mesure trois facteurs avant de recommander un système de gestion thermique pour tout projet d'armoire extérieure : l'environnement, le profil thermique interne et la cote d'enceinte souhaitée.

Pour les applications extérieures où la température et l'humidité sont largement utilisées toute l'année, la solution optimale pour le compromis technique consiste à utiliser des configurations hybrides telles que l'échangeur de chaleur absorbe la charge la plupart du temps et que le climatiseur entre en jeu lorsque les conditions ambiantes placent l'échangeur au-dessus de sa charge. sa limite.

Regardez le coût total du cycle de vie, pas seulement le prix d'achat initial, en comparant les options. Un système de ventilateur moins cher qui nécessite des modifications de filtre tous les trois mois et qui laisse votre site sur place ligne de produits d'armoires extérieures conçue pour les environnements difficiles cela pourrait être plus coûteux sur dix ans que l’échangeur de chaleur scellé, sans aucune pièce de rechange à acheter.

Meilleures pratiques en matière de maintenance et de surveillance

Même le système de refroidissement correctement dimensionné et installé se dévalorisera avec le temps sans soins et alimentation réguliers La poussière s'accumule sur les filtres et les serpentins du condenseur Fuite des joints.

Âge d'étalonnage du thermostat Au fil du temps, il y a une augmentation progressive et invisible de la température interne se traduisant par des pannes électroniques et des arrêts thermiques, ce qui peut ne pas être évident tant qu'il n'est pas devenu significatif.

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  Mensuel: Inspection visuelle des filtres à air, des drains de condensation et du fonctionnement du ventilateur Remplacez ou nettoyez les filtres qui montrent une accumulation visible.
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  Trimestriel : Vérifier la présence de poussières et de débris dans les serpentins du condenseur et de l'évaporateur Vérifier que les points de consigne du thermostat correspondent à la plage de température spécifiée Inspecter les joints de porte pour déceler les fissures ou le jeu de compression.
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  Annuellement : Audit thermique complet (Full thermal audit) mesure la température interne réelle sous charge et compare aux spécifications de conception Vérifiez les niveaux de réfrigérant sur les unités de climatisation Testez les systèmes de secours ou de refroidissement redondants sous charge.
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  Continu : Dans la mesure du possible, installez des capteurs de température et d'humidité avec surveillance à distance. Les alertes déclenchées à 5 °C au-dessus de la normale donnent aux techniciens le temps de réagir avant que l'électronique ne surchauffe ou ne s'arrête.

Foire aux questions