屋外キャビネット熱管理: 完全な冷却ガイド

屋外キャビネットを涼しく保つ方法: エンクロージャ設計のための熱管理ガイド

すべての屋外電気エンクロージャは、熱という絶え間ない敵と戦わなければなりません。キャビネット表面に日射量が降り注ぐこと、内部電子機器が独自の熱負荷を追加すること、周囲温度が冬よりも寒く夏よりも暑くなることの間で、過熱を脅かす現象は目に見えて――そしてコストがかかる。 1 つの熱過渡現象により、通信ノードがシャットダウンしたり、交通管制システムが故障したり、産業プロセス機器が数時間一時的に動作しなくなったりする可能性があります。.

このドキュメントでは、屋外キャビネットの熱管理の背後にある物理学について説明し、パッシブおよびアクティブ冷却ソリューションの比較を提供し、特定の熱負荷と環境条件に適したエンクロージャ冷却システムを選択するための方法論を提供します。路傍通信キャビネット全体を運用する場合でも、少数の遠隔配電エンクロージャを運用する場合でも、目的は最終的には同じです。アレイに関係なく、内部温度を仕様内に保ち、湿度の損傷を回避し、機器の寿命を最大化します。.

屋外キャビネットに熱管理が必要な理由

屋外キャビネットの熱管理には、屋外の状況にさらされる電子機器、電力、または通信機器を収容する筐体内の温度と湿度の制御が含まれます。無視すると、そのような筐体は炉になり、内部の電子機器は必要以上に早く故障する傾向があります。.

温度が部品の寿命にどのように影響するかはよく知られています。 で報告されているとおりです エレクトロニクス 冷却 誌, 、IC の信頼性に関するデータは、動作温度が 10°C 上昇するごとに故障率が 2 倍になることを明らかにしています。密閉キャビネットを明るい太陽光にさらすと、内部温度は 60°C、さらにはそれ以上の温度に達する可能性があり、現在の商用グレードの電子機器が定格負荷を最大限に引き出す温度をはるかに上回ります。.

しかし、熱は1 つの問題だけです; ゼロ以下の凍結から100 ファーレンハイトを超える熱への急速な変化は、エンクロージャーに結露を引き起こします ――回路カードを破壊し、絶縁を損傷し、短絡接続を熱側単独よりもはるかに頻繁に破壊する湿気フィールド技術者は、湿気の問題は熱の問題の3 倍も害すると述べています。 温度と湿度を管理する効果的な熱管理戦略が、5 年キャビネットを15 年ではなく長持ちさせるものです。.

熱負荷と周囲条件を理解する

冷却ソリューションを理解するには、まずエンクロージャ内の総熱負荷 (つまり、エンクロージャに入る熱の総量) を推定する必要があります。この合計 (ワットまたは BTU/hr 単位のコア数) が必要で、冷却技術の選択、容量、コストにおける後続のすべてのステップを可能にします。 KDST での当社の標準キャビネット設計方法は、まず熱がどこから来ているかを推定することから始まります (その後、エンクロージャがどれだけの熱を除去する必要があるかを推定します)。.

総熱負荷には、次の2 つの構成要素があります:

熱負荷の式

の The サーマルエッジエンジニアリングリファレンス この計算を簡素化しますまず筐体内の発熱成分のそれぞれの全ワット数を合計します BTU/hrに変換するために合計ワット数を3.41 で乗算しますそれが内部熱負荷です。.

外部熱伝達を計算します。 (周囲空気に直接取り付けられていないエンクロージャの表面積を測定します。 (通常は背面パネル)。予想される最大周囲温度と望ましい内部温度の間の温度差を求めます。次に、その差の BTU/hr/ft を調べます。前のステップの表面積の数値にこの数値を乗算して、外部熱利得を取得します。.

2 つの数値を合計します。 総熱負荷 = 内部熱 (BTU/hr) + 外部熱伝達 (BTU/hr)

周囲条件は内部熱と同じくらい重要です。アリゾナ近郊の砂漠での熱負荷の計算は、ミネソタ州の冬の熱負荷の計算とは大きく異なります。湿度と周囲温度のレベル、太陽熱への曝露時間と海面からの高さはすべて、冷却システムが持つべき温度範囲に影響します。ベースライン設計のサイズを正しく設定すると、エンクロージャが過熱したり、コストが高くなりすぎたりするのを防ぎます。.

屋外エンクロージャのパッシブ冷却方法

受動的冷却は熱伝達の物理現象に完全に依存しています - より低い温度で交換空気または液体を見つけるために暖かい空気または液体の自然な動き ここでは、対流、伝導および放射の決して通電されていない力に依存しています これらの受動的冷却方法は、電力なしで動作し、メンテナンスの必要な可動部品がないため、エンクロージャ設計の最初のステップを踏むことができます。.

自然対流と換気

ガスが上昇します。そのため、排気を可能にするためにエンクロージャの上部に通気口を置き、新鮮な冷たい空気を中に引き込むために底部に通気口を置くと、自然対流がアクティブな冷却コンポーネントを使用せずにキャビネットを通って空気の流れを運びます。これは、内部熱負荷が控えめであるため、周囲温度が内部最高温度未満に留まる場合にうまく機能します。ただし、空気の引き込みにより、ほこり、湿気、その他の汚染物質がエンクロージャ内に侵入する可能性があるため、通気されたエンクロージャは nema 4 または IP55 相当物を保持できません。.

エンクロージャの材質と表面処理

エンクロージャ自体の材質と着色は放熱に変化をもたらします。屋外エンクロージャメーカーが実施したテストは示唆的です。 - エンクロージャの表面に明るい色を塗装すると、エンクロージャの放熱が増加するため、利点があることがわかりました。具体的には - 明るい色は、より多くの太陽放射を吸収するのではなく反射します。エンクロージャにライトグレーまたは白のコーティングを使用すると、太陽熱利得が大幅に減少することは明らかです。 - おそらく、より小さなアクティブ冷却システムを作成するか、アクティブシステムを作成するのに十分な量です。.

ヒートシンクと伝導経路

より集中した熱源を持つエンクロージャ (たとえば、ワット数の高い 1 つの電源) の場合、エンクロージャをサーマル パッドでエンクロージャの壁に直接置きます。この伝導経路は熱と局所的な温度差を吸収します。熱は壁を通って外の冷たい空気に放射されます。この受動的なソリューションは他のソリューションに追加されますが、それだけで冷却能力の負荷全体を除去できることはほとんどありません。.

アクティブ冷却: エンクロージャー エアコン、熱交換器、ファン

パッシブ方式では内部温度を範囲内に収めることができない場合 - これは、通信、電力、または産業用制御電子機器を備えた屋外キャビネットの大部分で発生します - アクティブ冷却が始まります。 4 つのテクノロジーは主に冷却能力、電力使用、環境保護、価格において異なります。.

エンクロージャ エアコン

エンクロージャーエアコン熱伝達は、住宅用エアコンと同様の蒸気圧縮冷凍サイクルに基づいて、ミニチュアで コンプレッサーは、エンクロージャー内の蒸発器と外部の凝縮器の間で冷媒を継続的に移動させることができ、エンクロージャーの空気を周囲温度以下にする唯一のアクティブな技術であり、高い冷却能力が必要な場合や暑い気候で動作している場合に便利です サーマルエッジの技術比較, 、エアコンユニットは、大規模な産業用キャビネットのための20,000 BTU / hrまでの小さなジャンクションボックス用の1,000 BTU / hrから容量が利用可能です。 they maintain sealed nema 4/4X and IP55/IP65 ratings because the refrigerant loop is closed-the outside air can't entered the enclosure.

空対空熱交換器

空対空熱交換器は、2 つの空気流を混合することなく、エンクロージャの内側から外側に熱を移動します ユニット内では、ヒートパイプはエンクロージャの空気から熱を吸収し、内部の冷媒が沸騰して冷房の外気に熱を伝達します 温度差に依存するため、空対空熱交換器は、周囲温度がそれに匹敵するほど低い場合にのみ機能します かなりの大きさのアレイは、温度差の華氏1 度あたり約40 ワットを除去することができます-20 F、つまり820 ワットまたは2,730 BTU / hrの冷却能力で、エンクロージャの密閉された完全性を維持するだけでなく、エアコンよりもはるかに少ない電力を消費します。.

フィルター付きファンと排気ファン

ファンは最も単純なアクティブなソリューションですエンクロージャーを通して周囲の空気を引っ張り、空気の流れを通して熱を排出します 欠点の1 つは保護です: ファンは外気を入れるので、ほこり、湿度、その他の汚染物質が一緒に行きます キャビネットの空気は周囲の環境と直接混合するので、ろ過レベルは、どのくらいの汚染が電子機器にそれを作るかを決定します これは、ファンベースの冷却がnema 1 または3Rエンクロージャーに限定されることを意味します ――近くにNEMA 4 +と評価された密閉された電気エンクロージャーがある場合は不適切です ファンは、周囲の空気が目標内部温度よりも低い場合、屋内またはきれいな屋外の空気で最もよく機能します。.

ペルティアークーラー(熱電)

ペルチェ冷却器は、DC電流の流れが存在する場合、熱電効果を使用して一方の側からもう一方の側に熱を伝達します。コンプレッサー、冷媒、小さなファン以外の可動部品はありません。冷却能力は制限されています ~ 範囲は 50 ～ 400 ワット ~ なので、熱負荷の少ない小さなエンクロージャーに適合します。密閉されたエンクロージャーを維持し、非常に静かであるため、騒音に敏感なアプリケーションでは重要です。.

“「冷却を設計するとき」 NEMA 3/IP55 屋外キャビネット, 、エンクロージャが周囲の下に行く必要があるかどうか私たちが尋ねる最初のことは、もしそうなら、それはエアコンです。 「電子機器を定格制限内に保つことが目的であり、年間のほとんどの間、周囲の空気がより涼しい場合、熱交換器の購入コストは安くなり、操作コストも大幅に安くなります。」”

⁄ KDST エンジニアリングチーム

屋外キャビネットに適した冷却システムを選択する方法

適切なエンクロージャの気候制御方法を選択することは、余裕のある最高出力クーラーを選択することではありません。熱負荷、環境、保護レベル、ポケットの混合に適切な冷却方法を選択することです。過剰仕様はエネルギーと現金を浪費します。;過小仕様は過熱、ダウンタイム、プラントの早期故障につながります。.

KDST の設計チームは、屋外キャビネット プロジェクトに熱管理システムを推奨する前に、環境、内部熱プロファイル、および必要な筐体定格という 3 つの要素を測定します。.

温度と湿度が年間を通じて広く使用される屋外用途の場合、エンジニアリングのトレードオフに最適な解決策は、熱交換器がほとんどの日に負荷を吸収し、周囲条件により熱交換器が限界を超えたときにエアコンがその背後に作動するようなハイブリッド構成を使用することです。限界。.

オプションを比較するときは、最初の購入価格だけでなく、ライフサイクルの総コストを見てください。フィルターが必要な安価なファン システムは 3 か月ごとに変更され、オンサイトになります 過酷な環境に設計された屋外キャビネット製品ライン 10 年以上は、購入できるスペアパーツがまったくない密閉型熱交換器よりも高価になる可能性があります。.

メンテナンスとモニタリングのベスト プラクティス

適切なサイズと設置済みの冷却システムであっても、定期的なケアや供給を行わなくても、時間の経過とともに速度が低下します。フィルターやコンデンサーコイルに塵が集まります。ガスケットが漏れます。.

サーモスタットの校正は古くなります。時間の経過とともに、電子機器の故障や熱停止に反映される内部温度の目に見えない緩やかな上昇があり、これは顕著になるまで明らかではない可能性があります。.

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  月刊: エアフィルター、凝縮排水管、ファン操作の目視検査。目に見える蓄積を示すフィルターを交換または清掃してください。.
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  四半期ごと: 凝縮器および蒸発器のコイルに塵および破片がないか点検して下さい。 sermostatのセット ポイントが指定温度範囲に一致することを確認して下さい。 inspectドア ガスケットにひびまたは圧縮セットがあります。.
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  毎年: 完全な熱監査 ¤ 負荷の下で実際の内部温度を測定し、設計仕様と比較します。 空調ユニットの冷媒レベルを確認します。負荷の下でバックアップまたは冗長冷却システムをテストします。.
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  連続的な: 可能であれば、遠隔監視機能を備えた温度および湿度センサーを設置してください。通常より 5 °C 高いアラートがトリガーされるため、技術者は電子機器が過熱したり停止したりする前に応答する時間を得ることができます。.

よくある質問frequently Asked Questions