本申请要求于2017年5月8日提交的美国临时专利申请序列第62/503,246号的提交日期的优先权和权益，该申请通过引用并入本文中。
本发明涉及具有隔离冷却的耐电弧闪光壳体。
背景技术
电气壳体和机柜可以用于各种工业和自动化应用中。一般而言，电气壳体通常包括由大尺寸的金属板制成的壳体或者箱体。壳体被配置成将电气电路以及电气部件支承在其中，并且接收和发送电力和数据信号。壳体可以包括例如用于容置诸如接触器和其他开关的部件的小的和大的独立单元。此外，可以采用较大壳体来容置各种电力电子设备、控制电路、马达驱动器等。例如，在工业中，通常会发现大的壳体被划分为用于单相和三相开关、马达控制器、可编程逻辑控制器，数据和电力网络接口等的隔间或隔段。
壳体中的电气部件的设计和操作的一个挑战涉及设计耐受内部电弧故障(也称为电弧、电弧故障、电弧闪光、电弧作用闪光等)的机械和热效应的壳体。例如，某些类型的电气故障可能产生电弧，电弧可以使邻近的部件加热甚至蒸发并且产生突然的压力增大以及局部过热。尽管保护电路系统的开发已经专注于非常迅速地中断这样的故障，然而即使几个周期的交变电流也足以使连线、绝缘件以及甚至部件外壳蒸发。这样的故障可以导致热气体体积膨胀并且必须在壳体内或从壳体被输送和/或排放。此外，故障可以产生高温和压力增大，其在电气壳体上产生机械和热应力。电弧故障可以引起对设备和设施的损坏并且由于损失产生而增加了成本。它们也可能由于操作员控制装置位于一些壳体的前门上而对附近的人员造成危险。因此，已经开发了工业标准和指南作为由制造商证明电气壳体可以耐受内部电弧故障的机械和热效应的方式。
壳体中的电气部件的设计和操作的另一个挑战涉及对壳体内的电气部件的冷却以及提供免受外部环境中的灰尘和水分的一定程度的环境保护。空气冷却式壳体通常具有一个或更多个过滤式或非过滤式进气通孔以及一个或更多个出气通孔，其被配置为用于将外界空气抽进壳体的流动路径的一部分。被抽进壳体的外界空气吸收来自内部部件的热，然后被排放回外界环境。然而，空气冷却所必需的进气通孔和排气通孔关于在电弧故障发生时电弧等离子体从其中逸出的可能性提出了挑战。
技术实现要素：
公开的示例包括具有隔离或分隔的流动路径以及改进的电弧闪光耐受性的壳体。在一个示例中，12型、额定50℃的外界公共总线电力转换壳体设计针对嵌入式电子器件的高可靠性来提供增强的电弧闪光保护和隔离冷却，以及提供了免受循环灰尘、掉落的污垢和滴落的非腐蚀性液体的一定程度的保护。示例壳体和系统可以与ac/dc转换器结合使用以用于具有模块化阳极控制(mac)系统的电镀或涂覆系统，以实现工件和其他最终应用的阳极dc电镀。其他示例外壳和系统在各种应用中广泛使用。
根据本公开内容的一个方面，一种壳体包括：第一隔室，其在第一受控温度范围操作，第一隔室包括变频驱动器；第二隔室，其在高于第一受控温度范围的第二受控温度范围操作，第二隔室包括磁性部件和较高额定温度部件；第一进气通孔，其将外界空气接收进第一隔室中；第二进气通孔，其将外界空气接收进第二隔室中；以及鼓风机，其将空气从第一隔室和第二隔室引导出壳体。被抽进第一隔室中的外界空气沿从第一进气通孔延伸到鼓风机的第一流动路径流动，被抽进第二隔室中的外界空气沿从第二进气通孔延伸到鼓风机的第二流动路径流动，并且第一流动路径的端部在鼓风机之前与第二流动路径接合。
壳体还可以包括至少部分地将第一隔室与第二隔室分隔开的分隔件以及分隔件中的至少一个开口，通过至少一个开口，第一流动路径从第一隔室延伸到第二隔室中。至少一个开口可以在分隔件的与壳体的顶板相邻的上部处。可以设置用于进入第一隔室的至少一个门。至少一个门可以包括第一进气通孔，其中，第一进气通孔是通过门到达外界环境的唯一路径。鼓风机可以是具有2速控制的12型、50℃壳体，或者任何其他适当的鼓风机(例如连续变速)。第一隔室的第一电弧闪光路径可以在第一进气通孔与鼓风机(排气口)之间延伸，电弧闪光路径在鼓风机之前实现至少两个90度转向。第二隔室的第二电弧闪光路径可以在第二进气通孔与鼓风机(排气口)之间延伸，第一电弧闪光路径和第二电弧闪光路径在第二隔室的至少一部分中共同延伸。第一电弧闪光路径和第二电弧闪光路径都可以通过壳体的顶侧(例如，经由鼓风机的排气口)离开壳体。
本示例性公开内容的电弧闪光路径通过增加电弧在离开壳体之前必须传播的长度并且迫使电弧在离开壳体之前经历至少两个方向变化来消耗电弧能量。因此，在某些情况下，从任一隔室的下部发出的电弧在离开壳体之前可以减少75％或更多。
根据另一方面，一种用于电气设备的壳体包括：低温隔室，其在第一受控温度范围操作，低温隔室被配置成容置第一组相关电气部件；高温隔室，其在高于第一受控温度范围的第二受控温度范围操作，高温隔室被配置成容置第二组相关电气/电子部件；第一进气通孔，其将外界空气接收进低温隔室中；第二进气通孔，其将外界空气接收进高温隔室中；以及鼓风机，其将空气从低温隔室和高温隔室引导出壳体。进入低温隔室的外界空气沿从第一进气通孔延伸到鼓风机的第一流动路径流动，进入高温隔室的外界空气沿从第二进气通孔延伸到鼓风机的第二流动路径流动，并且第一流动路径的端部在鼓风机之前与第二流动路径接合。
壳体还可以包括在壳体中至少部分地将低温隔室与高温隔室分隔开的分隔件以及分隔件中的至少一个开口，通过至少一个开口，第一流动路径从低温隔室延伸到高温隔室中。至少一个开口可以在分隔件的与壳体的顶板相邻的上部处。可以设置用于进入第一隔室的至少一个门。至少一个门可以包括第一进气通孔，其中，第一进气通孔是通过门到达外界环境的唯一路径。鼓风机可以是12型、50℃、2速鼓风机(或连续变速)。低温隔室的第一电弧闪光路径可以在第一进气通孔与鼓风机之间延伸，电弧闪光路径在鼓风机之前实现至少两个90度转向。高温隔室的第二电弧闪光路径可以在第二进气通孔与鼓风机之间延伸，第一电弧闪光路径和第二电弧闪光路径在第二隔室的至少一部分中共同延伸。第一电弧闪光路径和第二电弧闪光路径都可以通过壳体的顶侧离开壳体。
附图说明
图1是根据本公开内容的示例性壳体的正视图；
图2是示例性壳体的侧视图；
图3是示例性壳体的后视图；
图4是根据本公开内容的示例性壳体的立体正视图；
图5是图4的示例性壳体的立体后视图；
图6是壳体的立体正视图，其中，外壳被移除以示出从壳体的顶部排出至壳体的前部/后部的第一电弧闪光路径；
图7是壳体的立体后视图，其中，外壳被移除以示出从壳体的顶部排出至壳体的前部/后部的第二电弧闪光路径；
图8是根据本公开内容的另一示例性壳体的立体正视图，其中，外壳被移除以示出从壳体的顶部排出至壳体的侧部的第一电弧路径；
图9是壳体的立体后视图，其中，外壳被移除以示出从壳体的顶部排出至壳体的侧部的第二电弧闪光路径；
图10是根据本公开内容的另一示例性壳体的立体正视图，其中，外壳被移除以示出某些内部特征；以及
图11是根据本公开内容的用于控制鼓风机的示例性控制器的示意图。
具体实施方式
参照图1至图11，首先参照图1至图3，示意性示出了根据本公开内容的示例性壳体10。示例性壳体10提供在一个壳体内的隔离冷却(例如，低温/高温)以及耐电弧闪光设计。如将在下文中详细描述的，某些示例提供了50℃、12型热封装冷却系统，其将电子器件隔离到冷侧空气隔室中，将电力部件和磁性部件以及较高额定温度部件隔离到热侧空气隔室中，所有部件均在一个机柜壳体内。某些示例还在壳体中提供部件(例如，vfd、dc盖等)以在冷侧空气隔室中具有不超过外界温度5℃的升高。
壳体10通常包括外壳h。外壳h限定内室c，内室c在示出的实施方式中被分隔件p划分为两个隔室——低温隔室ltc(第一隔室)和高温隔室htc(例如，第二隔室)。应当理解，内室c在期望或必要时可以被划分为另外的隔室。
低温隔室ltc包括变频驱动器vfd，以及被配置成在低温隔室ltc内操作的其他部件。在一个示例中，低温隔室ltc被配置成在系统操作期间具有不超过外界空气5℃的温度升高。高温隔室htc包括磁性部件以及相关联的高电力部件。在一些情况下，相同部件的各部分可以驻留在低温隔室ltc与高温隔室htc两者中(例如，如图2中所见的vfd)。
考虑到通常温度每升高10℃则部件寿命减少1/2的阿伦尼乌斯热降解定律关系，将低温隔室ltc与高温隔室htc隔离开是可取的。因此，具有敏感电子器件的低温隔室如果被限制于5℃的升高，则可以知道期望寿命减少25％。然而，在具有磁性部件和高电力消耗设备的高温隔室中的相同电子器件可能经历通常20℃的升高，这被认为是具有最佳成本效率的磁设计。因此，在不具有热冷却隔离的情况下，电子器件的期望寿命将经受75％的减少。
如在图2中最佳看出的，壳体10包括：第一进气通孔v1(后面附图中示出的三个百叶窗式开口)，其将外界空气接收进低温隔室ltc中；第二进气通孔v2(后面附图中示出的在前面的一个通孔和在后面的一个通孔)，其将外界空气接收进高温隔室htc中；以及鼓风机b，其将空气从低温隔室ltc和高温隔室htc引导出壳体10。第一冷却流动路径cp1和第二冷却流动路径cp2分别在通孔v1和通孔v2与鼓风机b的排气口之间延伸。将理解，可以在不脱离本公开内容的范围的情况下使用任何适当数量的进气通孔v1和v2。
根据本公开内容，低温隔室ltc的冷却流动路径cp1经由延伸穿过分隔件p的一个或更多个开口o或通道与高温冷却流动路径cp2流体连通。开口o使得空气能够离开低温隔室ltc并且在高温隔室htc的上部区域中、在与鼓风机b相邻的位置处进入高温隔室。鼓风机b被配置成将来自低温隔室ltc和高温隔室htc中的每一个的排出空气从壳体10的顶部引导出去。
与其他壳体配置(例如使用风扇将来自低温隔室ltc的空气从壳体的前面(例如前门)或侧面吹出去的现有壳体或者在壳体的侧面上另外具有在电弧故障的情况下电弧等离子体可以释放的上通孔的现有壳体)相比，壳体10经由鼓风机b将任何电弧等离子体从低温隔室ltc引导进高温隔室htc中和/或从壳体10的顶部引导出去。
除了通孔v1之外，低温隔室ltc除了经由开口o和鼓风机b之外通常对于外界是封闭的。因此，单个鼓风机b将空气从低温隔室ltc和高温隔室htc引导出壳体10，并且针对潜在的电弧闪光提供改进的出口位置。
例如，如图4和图5所示，将理解，壳体10的外壳h通常包括安装至内部框架结构f的多个板(例如，侧板sp、顶板tp、底板bp)(侧板sp在图4和图5中被移除)。壳体10还包括用于允许接近内部隔室的前门fd和后门rd(或板)。如可以看到的，仅前门fd和后门rd中的开口是用于允许冷却空气分别进入低温隔室ltc和高温隔室htc的通孔v1和通孔v2。
示例壳体10包括强力的12型热侧鼓风机b以将空气从低温隔室ltc和高温隔室htc中抽出，并且通过取消门通风和/或门上安装的风扇来降低成本(例如，门不具有排气通孔)。所公开的示例还有助于针对在低温(冷却)隔室ltc内的vfd、电子器件、低电压电源传感器(例如，相关联的反馈电压和电流传感器)等满足小于5℃的升高，以实现高的可靠性和长的寿命(因为每10℃则寿命减半)。
另外参照图6和图7，本示例性实施方式的壳体10除了提供隔离的冷却路径之外还提供改进的电弧闪光耐受性。将理解，已经从图6和图7中示出的壳体10中移除了侧板sp以及前门fd和后门rd，使得可以示出低温隔室ltc和高温隔室htc两者的电弧闪光路径。由于电气部件跨输入交流电力线发生短路(仅受限于电源短路电流中断额定值)，可能发生电弧闪光事件。尽管电路保护在几个电力线周期内尽可能快地开启，然而产生的电弧和膨胀的气体达到极高的温度和压力，并将找到立即可用的开口以排出。示例性机柜设计的一个目的是提供改进的电弧闪光人员保护，以便将最可能的电弧路径重新向上引导并且远离附近的人员，其中当膨胀的高温气体找到经由顶部安装的强力鼓风机b的最小阻力路径时，其可以被安全耗散。
在图6中，示出了冷侧电弧闪光路径cfp1。壳体10被配置成使得从靠近的通孔v1产生的电弧故障将向上传播通过低温隔室ltc，通过分隔件p中的一个或更多个开口o进入高温隔室htc，并且通过鼓风机b向上和向外到达外界环境。因此，冷侧电弧闪光路径cfp1在进入鼓风机b之前实现至少两个90度转向。在该实施方式中，鼓风机b具有面向壳体10的前面/后面的百叶窗式通孔lv。
在图7中，示出了热侧电弧闪光路径cfp2。壳体被配置成使得从靠近壳体10的底部产生的电弧故障将在高温隔室htc中向上传播并且经由百叶窗式通孔lv从鼓风机b传播出去。应该理解，冷侧电弧闪光路径cfp1和热侧电弧闪光路径cfp2两者的端部通过鼓风机b从高温隔室htc的上部向外共同延伸到外界。
如图6和图7中所示，在一个示例中的壳体10的顶板tp包括入口/出口加衬垫可移除密封板。还示出了18脉冲输出隔离变压器和vfd输出正弦波滤波电感器以及18脉冲二极管整流器和dc输出阳极阻塞二极管以及ac输入线路电抗器和18脉冲输出隔离变压器。图6和图7还示出了在壳体10底部处的可移除风扇组件40，其将输入空气吹过正弦波滤波电感器以及输出隔离变压器以用于18脉冲二极管整流器，18脉冲二极管整流器产生用于电镀的可变直流电压。在于2017年3月21日提交的美国专利申请序列第15/465,110号中阐述了能够被支承在本公开内容的示例性壳体中的示例性电气/电子部件的其他细节。
图8和图9示出了根据本公开内容的另一示例性壳体10’，其中，用由单个“上撇号”表示的相同附图标记来指示先前结合图1至图7描述的部件。为了简洁起见，将仅描述与壳体10不同的壳体10’的特征。在该替选实施方式中，鼓风机b’的百叶窗式通孔lv’被布置成向壳体10’的侧面而不是在前面和背面(例如，如在图4至图7中示出的实施方式中所示的)排气。
图10示出了根据本公开内容的另一示例性壳体10”，其中，用由两个“上撇号”表示的相同附图标记来指示先前结合图1至图7描述的部件。为了简洁起见，将仅描述与壳体10不同的壳体10”的特征。在图9中未示出壳体10”的侧板和门，使得可以看见壳体的内部部件。在该实施方式中，壳体10被支承在线缆室cc”上。此外，电弧导向板d”(例如，耐电弧挡板)被安装在通孔v1和通孔v2中的每一个的后面。电弧导向板d”被配置成在电弧故障的情况下将任何电弧等离子体转向，所述任何电弧等离子体否则会从通孔v1和/或v2传播出去。于2010年8月17日公布的共同转让的美国专利第7,778,013号中阐述了示例性耐电弧挡板，其全部内容通过引用并入本文。
转向图11，应该理解，上述实施方式中的任一个的鼓风机可以被控制成以期望配置来操作。为此，恒温器可以被安装在高温隔室和低温隔室中的一者或两者内或与高温隔室和低温隔室中的一者或两者相邻(参见图2)。恒温器可以向控制器ct提供信号，控制器ct被配置成至少部分地基于从恒温器中的一个或两个接收的信号来以一个或更多个速度激活鼓风机。控制器ct可以与鼓风机集成，或者可以是独立的单元，或者可以是另一系统的一部分。应该理解的是，在一些实施方式中，控制器ct是可选的，并且可以使用恒温器直接控制鼓风机。
在一个配置中，当两个恒温器都在它们各自的设定点之下时，可以以第一速度操作鼓风机。当恒温器中的至少一个超过其设定点时，则可以以第二速度操作鼓风机。在一个示例中，第一速度是低速而第二速度是高速。可以设置关机定时器以用于在电气/电子部件关机之后将鼓风机运行一定时间段。
在操作中，低温隔室ltc很可能将在高温隔室之前升高到设定点温度以上。然而，通过在至少一部分时间期间以较低速度运行鼓风机，可以在降低鼓风机噪音的同时增加轴承寿命。
现在将理解，本公开内容提出了一种外壳，其通过将任何电弧闪光从壳体的顶部重新引导出去，向上并远离附近的人员来限制人员暴露于电弧闪光危险。
在前面的说明书中，已经参照附图描述了各种实施方式。然而，将显而易见的是，可以对其做出各种修改和改变，并且可以实现另外的实施方式，而不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明的较宽范围。相应地，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。