机柜电子:热考虑

工业外壳，或电子机柜，用于在制造设施中控制自动化和仪器仪表设备的组件。由于设计人员能够在保留电源的情况下减小电子元件的尺寸，控制柜也缩小了，这在经常拥挤的工厂车间节省了空间。

然而，在更小的空间里，更小的组件仍然产生等量的热量。适当冷却具有不同温度灵敏度的电子设备，可以延长系统寿命和可靠性，并降低故障风险。在较小的机柜中，散热的表面积更小，对热管理解决方案的需求更大。

对流，风扇，冷板，热交换器

根据应用的不同，有许多解决方案(包括自然对流、风扇、冷板、空气-液体热交换器和空气-空气热交换器)可用于热控制机柜中的电子组件。

如果外壳只包含一些产生热量的组件，或者如果它非常大，来自机柜墙壁的自然对流可能足以保持它的凉爽。当它不起作用时，通常会看到许多机柜门打开，让周围的空气冷却电子设备，但这种危险的做法会使组件更容易受到灰尘、害虫和碎片的影响，这些灰尘、害虫和碎片总是杂乱地堆放在工厂地板上，使它们更容易发生故障。开着门暴露部件也是一个安全隐患。

如果机柜位于无菌环境中，例如洁净室，一个简单的解决方案是用风扇给机柜吹气。凉爽的外部空气通常会通过机柜墙壁上的百叶窗吸入，并从外壳的顶部排出。

另一种热管理选择是液冷，包括空气-液体热交换器和冷板。在空气-液体热交换器中，热量被在系统中循环的冷却剂所吸收。然而，这可能不是电子机柜的一个好的选择，因为外壳中的湿度会导致湿气凝结在冷热交换器上。机箱中的风扇会在不经意间将液滴散布到整个机柜，使电子设备处于危险之中。冷板通过液体冷却剂(包括水、乙二醇/水混合物或其他化学物质)从电子设备中散热。使用直接放置在电子设备上的冷板也会产生同样的问题:冷板中使用的冷却剂低于外壳中空气的露点，会形成冷凝物，从而导致电子元件受潮和故障。

上面的解决方案并不理想地适合大多数控制柜的独特要求，这些控制柜通常在工厂环境中发现，其中含有钢材和其他材料，可能会导致柜内的电子设备短路。这些工厂环境，以及像手机信号塔这样的室外应用，更有可能吸引虫子和害虫进入机柜，啃咬电线或短路高压组件，以及灰尘和湿气，会对组件的性能产生不利影响。在工厂环境中，控制柜通常是密封的，并符合美国电子制造商协会(NEMA)的标准。NEMA 12机柜防尘;NEMA 4外壳防水防尘。密封的机柜更可能需要使用热交换器来保持电子元件的凉爽。

热交换器

热交换器是紧凑，高效的热管理解决方案的密封电子机箱。根据机柜的大小和要求，可以选择不同种类的热交换器。空对空热交换器采用被动两相热管技术或折叠翅片冲击核心，结合节能风扇，可靠地冷却电子产品。一种热交换器通过机柜墙壁安装，一半系统在机柜内(通常在将冷却空气返回到外壳底部的风管中)，另一半位于外部。空气在交换器的每一半中循环，将热量从外壳内部传递到机柜外部。通过在热交换器和外壳之间使用垫圈，外壳保持密封。

另一种选择是安装在机柜墙壁外部的空对空热交换器。从柜内流出的热空气通过围壁上的孔进入热交换器。对于那些在设计控制柜时没有考虑热管理的客户来说，这种换热器通常被用作最后的手段，因此换热器的唯一空间就是在控制柜外。安装在机柜外部的空对空热交换器可能会占用宝贵的地面空间。此外，由于空气流动路径更曲折，更强大，更昂贵，风扇将需要通过平装式热交换器移动相同数量的空气。

设计时计算机柜散热

像空气对空气热交换器这样的热管理解决方案有助于确保电子设备正常工作。为了使热交换器(以及柜内的电子设备)获得最有效的性能，请通过准确计算冷却需求来确保热交换器的大小合适。那些没有意识到外壳中组件产生热量的设计师，在测试电子设备并注意到热问题的最后一刻才考虑使用空对空热交换器。

通过在设计过程的早期计算热量需求，客户可以确定电子设备所需的机柜大小，并为热交换器留出空间。对于一个只有几个组件的相对较小的机柜来说，这是一个简单的任务，但对于一个包含数十个定制电路板和数百甚至数千个发热组件的外壳来说，这似乎是一个压倒性的挑战。

室外应用的电子设备柜，比如手机基站，也可以通过太阳加热。如果外壳没有绝缘，阳光会增加机柜内部部件产生的热量。室外外壳的热交换器需要更大，以补偿额外的太阳能热负荷。

当试图确定热负荷时，许多客户可能会高估，以考虑未来可能安装在机柜中的设备，并确保热交换器可以保持电子设备的冷却。例如，如果组件将产生1,000 W的能量，一些客户将冷却需求提高一倍，以适应未来的潜在增长。然而，当热负荷增加时，散热所需的热交换器的尺寸也会变大，电子机柜中必须有更多的空间用于交换器。热负荷翻倍，热交换器的尺寸大约翻倍。

另一个要考虑的经验法则是，空气对空气热交换器总是要保持柜内空气的温度比环境空气的温度高。电子柜在高于外界空气20度的环境下可以正常工作。但是，如果客户希望温差为10度，以便另外10度是安全裕度，热交换器的尺寸将增加一倍以满足新的要求——客户将需要为一些并不真正需要的东西支付更多的钱。

在极少数情况下，最高外部环境温度可能被指定为等于或高于外壳内的最高温度。在这种情况下，需要安装空调，使机箱内的空气温度低于外部环境温度。由于空调通常有冷凝排水管、压缩机和密封件，它们的运行成本往往更高(由于更高的用电量和更高的维护成本)。

温度监控、报警

最后，应该对热交换器进行监控。污垢、灰尘和蜘蛛网会阻塞通过外部鳍片的气流，导致性能下降。简单地将压缩空气吹过与正常流动方向相反的翅片，可以恢复热交换器的原始性能。同样，风扇可能会故障，导致热交换器的性能立即下降。在外壳中安装一个简单的恒温器或热传感器，以确定外壳是否超过某个最高温度，这是一个好主意。超温报警可以像外壳顶部的红色闪光灯一样简单。

风扇也可以配备船体效应传感器，以验证他们正在以适当的速度转弯。在工厂环境中，恒温器通常是一个更简单、更可靠的选择。在像手机信号塔这样的偏远地方，风扇传感器的电子监控可能更有意义。

紧凑可靠的热交换

确保电子机柜有足够的空间放置热管理解决方案，以有效控制机箱内组件产生的热量，有助于延长设备的寿命并保持性能。热交换器已经成为一种紧凑、可靠的控制柜解决方案，特别是在工厂或室外环境中需要密封外壳以防止灰尘和水分伤害组件的应用。通过在设计机柜之前准确估计组件将产生的热量，客户可以确保为空对空热交换器分配足够的空间，而不必在外壳外部安装热管理解决方案。

- W. John Bilski是Thermacore公司的高级工程师。由Mark T. Hoske编辑，CFE Media，控制工程．

www.thermacore.com

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