保持封闭环境

当在工业设施和工厂中安装自动化系统外壳时，通常需要冷却和/或加热热管理系统。这些系统保护安装在其中的自动化组件免受极端温度和水分积聚的影响。需要一致的温度以确保最佳的操作条件。否则，周期性的大范围温度波动可能会显著降低电子元件的预期寿命。

外壳热管理系统通过使用加热器、风扇、热交换器、空调、涡流冷却器、热电冷却器、恒温器、湿度计和其他组件提供所需的运行条件。

外壳加热

与冷却系统相比，封闭式加热系统简单。外壳加热是为了保护部件不受冷凝引起的水分积聚的影响，冷凝可能导致部件故障，原因包括接触电阻变化、闪络、漏电、绝缘性能降低和腐蚀。虽然最大的风险在于暴露在高湿度或极端温度变化中的设备(如室外装置和绝缘不良的外壳)，但在某些气候条件下，高度保护和密封良好的外壳也可能发生水分积聚。

外壳加热系统通常由安装在外壳底部或靠近底部的电加热器组成。加热要求超过100w的较大的外壳可以使用带整体风扇的加热器来在整个外壳内循环热量。

为了防止电子元件过热，加热器通常由一个通常关闭的恒温器或湿度计控制。控制装置可以是加热器的一部分，也可以是一个单独的装置。加热器的恒温器有固定温度(预设开/关温度)和可调温度模型。

虽然只有一些外壳需要加热，但更多的外壳需要冷却，因为其中的组件通常会产生大量的热量。

过热问题

外壳内过热会产生许多破坏性后果，包括:

• 降低昂贵的控制设备的预期寿命，如可编程逻辑控制器(plc)，人机界面(hmi)和交流驱动器
• 电气和电子元件的有害故障，如过载意外跳闸
• 断路器和熔断器性能不稳定，可能导致整个系统意外关闭。

同样会被热损坏的部件也可能是热源。这些组件包括但不限于电源、交流驱动器/逆变器、变压器、通信设备、电池备份系统、软启动器、plc和hmi。来自这些内部热源的热量可能会被外部热源增加，如高温环境，太阳能热增益和外部产热设备，如附近的烤箱和熔炉。

外壳冷却系统有很多选择。选择合适的外壳取决于对外壳保护要求、外壳内设备和周围环境的正确理解。幸运的是，有许多处理内部和外部热源的选择。

对流冷却

“对流”是发生在流动流体或气体(本文中通常是空气)与固体表面之间的热传递的术语，其中流体和表面之间存在温差。在日常生活中，对流就是为什么在有风的日子里比空气平静的时候感觉更冷。

对流是复杂的量化，但有几个基本原则要考虑。这些原则是直观的;我们知道对流的感觉。但值得一提的是，它们有助于解释不同冷却方法的相对优点:

• 热(热能)总是从温度较高的材料转移到温度较低的材料，这样，温度较高的材料变冷，温度较低的材料变热。简单地说，这意味着你不能用热空气冷却东西，也不能用冷空气加热东西。
• 传热速率与两种材料之间的温差成正比。如果你用空气冷却东西，使用冷空气会更快地冷却它。
• 传热速率随着流体流过固体表面的速率的增加而增加。如果你用空气冷却东西，增加空气流速会使它冷却得更快。

外壳冷却最简单的方法是通过外壳表面的自然对流。自然对流是暖空气上升并被较重的冷空气所取代时产生的气流。当热源周围的空气被加热并膨胀时，外壳内就会发生自然对流，使其密度小于周围的空气。这些温暖的空气上升到外壳的顶部，被较冷的空气所取代。

这种围绕热源的空气的不断交换引起了可以用来除去热量的外壳内的空气流动。百叶窗可以加在外壳顶部附近，让热空气逸出，而格栅可以加在底部附近，让外界较冷的空气被吸入。

然而，自然对流有几个局限性:

• 自然对流引起的空气流量往往较小，这限制了自然对流所能冷却的热负荷。
• 最大环境温度必须低于最大允许机框温度。
• 外壳的保护等级必须允许它对周围的空气开放，没有由于灰尘或水侵入而导致部件故障的风险。这经常是一个问题，因为允许自然对流的百叶和格栅经常允许空气污染物和/或喷水进入。在空气中粉尘浓度较低的地方，可以添加过滤器以防止粉尘侵入，但使用高密度过滤器会阻碍空气流动，降低冷却能力。

由于这些限制，百叶和格栅通常只对位于气候控制空间的具有小热负荷的NEMA 1外壳有效。这些空间通常也必须是干净和干燥的。

如果热负荷太高，不能通过自然对流来冷却，则可以使用强制对流来冷却外壳。

风扇改善对流冷却

强制对流仅仅意味着使用某种类型的空气移动设备来增加空气在外壳组件上的流动，以增加冷却速率。对于外壳来说，最简单的强制对流系统是风扇，通常需要使用过滤器。风扇可以产生比自然空气对流高得多的空气流速，从而产生更大的冷却效果。但除了较高的空气流速外，风扇与自然对流有两个相同的限制:

• 最大环境温度必须低于最大允许机框温度。与自然对流一样，温差越大，冷却效果越好。
• 外壳的保护等级必须允许它对周围的空气开放，没有由于灰尘或水侵入而导致部件故障的风险。与自然对流一样，空气中的污染物和/或喷射水可以随着风扇吸入的空气进入外壳。过滤器通常是必要的，以防止灰尘侵入。这是事实——即使空气中的灰尘浓度很低——因为风扇会以比自然对流更高的速度吸引灰尘。使用细密度过滤器也将允许外壳保持比百叶和格栅系统更高的NEMA评级。

带过滤器的风扇通常用于NEMA 1, NEMA 2或NEMA 12外壳，这些外壳位于通常清洁干燥的气候控制空间中。由于它们消耗最小的电力，过滤器/风扇系统可以安装在没有控制设备的情况下连续运行。在某些应用中，如果外壳还使用加热器，则可能需要一个常开的恒温器。这样可以防止风扇对着加热器工作。

热交换器保持外壳等级

空对空热交换器具有与风扇相同的一般冷却能力，并且像所有对流冷却系统一样，只能在最高环境温度低于最高外壳温度的情况下使用(见图1)。然而，这些热交换器创建了一个闭环系统，在该系统中，外壳内的空气被冷却并循环，而不与环境空气交换，保持外壳的NEMA等级。

热交换器使用一个简单的制冷循环来冷却外壳内部。蒸发器风扇迫使由外壳组件加热的空气通过热交换器热管的蒸发器端。传递到热管的热量导致热管内的制冷剂沸腾，产生蒸汽。制冷剂蒸汽通过热管上升到热管的冷凝器端，冷凝器风扇将环境空气吹过热管。

环境空气从热管中吸收热量，导致制冷剂冷却并凝结成液体。然后液体回流到线圈的蒸发器端，循环重复。蒸发器和冷凝器部分是分开和密封的。它们之间唯一可以通过的是热管内的制冷剂。因此，在外壳的内部和外部之间没有空气的转移。

根据其结构，热交换器可以在室内或室外应用中与NEMA 4, NEMA 4X和/或NEMA 12外壳一起使用，前提是最高环境温度低于最高外壳温度。像风扇一样，热交换器可以安装有或没有恒温控制。

空调效率很高

到目前为止，我们仅限于讨论对流冷却方法，但很多时候我们需要比环境空气更冷的空气，这给冷却系统增加了另一层复杂性。像热交换器一样，外壳空调创建闭环冷却，其中外壳内的空气由蒸发器盘管冷却，并在不与外部空气混合的情况下循环(见图2)。

不同的是，空调使用一个更复杂的制冷循环，使用一个制冷剂压缩机和一个膨胀阀。这将降低蒸发器盘管中的制冷剂温度(用于从外壳空气中吸收热量)，并提高冷凝器盘管中的制冷剂温度(用于改善向较温暖的环境空气温度散热)。

像热交换器一样，外壳空调可以在室内或室外应用中与NEMA 4, NEMA 4X或NEMA 12外壳一起使用。空调制冷能力强，通常效率很高。但像任何空调一样，它们使用含氯氟烃制冷剂，需要定期维护。由于压缩机、多个风扇和制冷剂线圈，它们也往往相当大。小容量的机箱可能不够大，甚至安装最小的可用空调。

许多外壳空调包括一个整体温控器，以控制空调的运行。没有整体式恒温器的空调应安装常开式恒温器，以防止机组连续运行。连续运行会消耗不必要的电能，增加运行成本，缩短使用寿命。

涡流冷却器结构紧凑

空调的另一种选择是涡旋冷却器(见图3)。这些机组采用过滤后的压缩空气流，并将其旋转成高速涡旋，将空气分成热风流和冷风流。冷空气被送入外壳以冷却内部部件。冷空气也取代了外壳内的暖空气，暖空气随着涡流冷却器的暖空气流被排出。

外壳涡旋冷却器不是像热交换器和空调那样的闭环系统，因为外壳内的空气正在被替换。然而，由于外壳空气被过滤的压缩空气取代，而不是环境空气，外壳涡旋冷却器可以与NEMA 4, NEMA 4X或NEMA 12外壳一起用于室内或室外应用，只要有足够的清洁压缩空气来源。

围护式涡冷却器具有在围护内产生正压的附加功能，因此当门打开时，灰尘和其他空气污染物将不会被吸入。涡流冷却器也比热交换器或空调小得多，这在空间稀缺的情况下是一个优势。

涡旋冷却器没有活动部件，使用寿命很长，如果压缩空气供应清洁，它们几乎不需要维护。它们不含氟氯化碳，进一步减少了维护。但是涡冷却器噪音很大，而且较大的模型会消耗大量的压缩空气。

涡流冷却器可以连续运行而不会产生有害影响。然而，为了最大限度地减少压缩空气的消耗，从而降低运行成本，漩涡冷却器通常由安装在压缩空气供应处的恒温器和电磁阀的组合控制。

热电冷却器泵送热量

另一种传统空调的替代品是热电冷却器。热电冷却器是一种固态热泵，它使用一种被称为“珀尔蒂埃效应”的现象，直流电流通过两个不同的半导体，导致一侧变冷，而另一侧变热。热电冷却器的冷侧放置在外壳内部，热侧放置在外壳外部。可以在两侧加装风扇以增加传热。

热电外壳冷却器可用于NEMA 4, NEMA 4X和NEMA 12外壳。像涡冷却器一样，它们没有活动部件，所以它们需要最少的维护，使用寿命长。它们也不使用氟氯化碳，并且可以在较小的外壳中使用非常小的尺寸。

但是热电冷却器在性能方面比空调系统效率低得多，因为它们通常需要大约四倍的电力才能产生与空调相同的冷却效果。它们在每单位面积的冷却器冷板上可以除去多少热量方面也受到限制，因此具有大冷却能力的热电冷却器可以非常大。热电冷却器通常由恒温器控制，以最大限度地减少功耗。

了解你的选择

与外壳冷却选择相比，外壳加热选择非常简单。然而，通常不需要加热。但是许多外壳将需要某种类型的冷却——从简单的自然对流到更复杂的冷却系统。

了解您的选项——以及每个选项的优点和限制——将帮助您为特定的应用程序做出最佳选择。

乔迪·t·金尼(Jody T. Kinney)是乔治亚州卡明AutomationDirect公司的产品经理。在那里，他负责电气外壳、外壳热管理产品和工具的市场分析和策略、产品选择和供应商关系。他拥有佐治亚理工学院(the Georgia Institute of Technology)的机械工程学士学位。他在设计、建造、制造、实验室分析、法医工程和产品管理方面拥有超过26年的经验。

本文发表于应用自动化补充的控制工程而且设备工程．

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