電気エンクロージャー設計のウォークスルー

はじめに

電気工学とシステム統合のもとでは、エンクロージャーは単なる箱とは言い難い。エンクロージャーは、重要な部品の損傷に対する最初の緩衝材であり、その中の繊細な電子機器が、世の中で起こるあらゆる醜い出来事に対して安全であることを確認するための、考え抜かれたゲルなのです。シンプルなジャンクションボックスであれ、高度に洗練された産業用制御パネルであれ、電気エンクロージャーの設計が不十分であれば、安全でなく、信頼性が低く、短命に終わる可能性があります。うまくやれば、システムは何年も問題なく稼働します。しかし、設計を誤れば、致命的な故障を引き起こし、高価なダウンタイムを余儀なくされ、重大な安全上のリスクを負うことになります。

この電子筐体設計ガイドラインのウォークスルーは、電気筐体設計プロセスの各段階を紹介することを目的としています。いわばギアを次の段階、つまりアプリケーションのニーズと要件の策定へとシフトし、最後に製造に関する最終的な考え方に入ります。このガイドは、あなたが経験豊富なエンジニアで、基本的な基礎知識をブラッシュアップする必要がある場合でも、プロジェクト・マネージャーで、この分野の経験がほとんどない場合でも、あなたのコンセプトを現実の世界で成功させ、機能させるために必要な明確で実践的な戦略を提供します。

財団の定義 - 目的、範囲、要件

CADで線を引く前に、最も重要な作業が行われます。この初期段階は、将来的に高額で時間のかかる再設計を避けるのに役立ちます。どの材料を使うか、どのように熱を制御するかなど、それ以降の決定は、エンクロージャーの種類、提案された用途、動作条件の明確なイメージによって事前に決定されます。

次のような質問をする：

• その主な役割とは？ 工場フロアのプログラマブルロジックコントローラ（PLC）、データセンターの配電ユニット、あるいは屋外照明の端子セットとして機能するのでしょうか。保護する要素、その最小サイズと内部構成が含まれるため、エレクトロニクス・エンクロージャの設計戦略が事前に決定され、最終的に影響します。
• どのような場所に設置するのか？ 環境の頭は重要な役割を果たす。オフィス環境の空調管理された建物と、塩水噴霧にさらされる海岸沿いのエンクロージャーや、高温と腐食性の高い化学物質が特徴的な工場とでは、ニーズがまったく異なります。これらの要因は、適切なエンクロージャの種類に直接影響します。
• 誰がどのような根拠に基づいて協力するのか？ 閉じたら永久にしまっておくのか、技術者が定期的にメンテナンスする必要があるのか？HMIカットアウト／覗き窓／外部スイッチは必要か？ユーザーとのインタラクションにより、ドアに使用されるヒンジのタイプ、ロックシステム、ラベル付けされた性質などが決定される。

これらの質問に答えるプロセスは、ユーザー要求仕様書（URS）の作成に役立ちます。この文書は、あなたの設計図の役割を果たします。そのため、最終的な結果を得るときには、うまく機能するだけでなく、期待される仕事にぴったりとフィットします。

ソースクリス・ガイアット

素材の選択 - 耐久性、重量、コストのバランス

エンクロージャーの素材は鎧であり、さまざまな素材で作られています。その選択は、保護能力、寿命、重量、そしてもちろん予算に直接影響します。2つの主要なカテゴリは、金属と非金属（ポリマー）であり、それぞれ明確な利点があります。

金属：スチール、ステンレススチール、アルミニウム

伝統的には金属が使用され、これらは非常に強く硬い。

• 炭素鋼： これはエンクロージャー業界の猛獣である。耐久性に優れ、加工が容易で費用対効果も高いため、住宅内の一般的な建物の建設に広く使われている。主な弱点は錆の影響を受けやすいことで、通常は耐久性のあるパウダーコート仕上げでカバーされる。
• ステンレススチール： ステンレス鋼は、耐食性が必要な場合のソリューションです。最も一般的なグレードは304と316の2種類です。タイプ304は、食品加工やウォッシュダウンのアプリケーションで非常に多くの適用性を持っています。アプリケーション（または塩化物のような塩への暴露）がヘビーデューティ（海洋アプリケーションは、時々マリングレードと呼ばれるタイプ316を頻繁に使用する）である場合、タイプ316の強化された耐食性は、高貴な投資ポイントです。
• アルミニウムだ： アルミニウム製エンクロージャーの強度重量比は非常に優れており、質量はスチールの約3分の1です。このため、ポールやポータブル機器のように重量を考慮する必要がある用途に最適です。また、アルミニウム製エンクロージャーはもともと耐腐食性に優れているため、さまざまな悪環境や非定型環境、モバイル用途に適しています。

非金属：ポリカーボネートとグラスファイバー

高分子材料には、特に腐食性のある場所やワイヤレスの場合に特有の利点があります。環境条件が問題となる場合（例えば、潜在的な化学物質との接触や湿気の多い条件など）には、電子機器の筐体設計において、非金属筐体の方が課題に耐えられることが多い。

• ポリカーボネート 耐衝撃性に優れ（ほとんどの場合IK10）、軽量で加工も容易です。優れた絶縁体であり、電波に対して透明であるため、Wi-Fiや携帯電話のアンテナを持つ機器の筐体として理想的です。電子機器筐体やその他の通信駆動電子機器のコンパクトな設計において、ポリカーボネートは最も効率的な電気めっきの選択肢のひとつとなるでしょう。
• グラスファイバー（FRP）： 高い耐薬品性と素晴らしい耐腐食性により、ガラス繊維強化ポリエステルは、ある種の酸性用途ではステンレス鋼でさえも凌ぐ耐腐食性を発揮します。丈夫で軽く、非常に多様な環境条件に耐えることができるため、廃水処理プラント、化学プラント、屋外施設で使用する耐久性のある材料です。

サイズとレイアウト - エンクロージャーの計画

ちょうどいい大きさ」のエンクロージャーは、確かに小さすぎます。効果的なサイジングと配置計画は、設置を容易にし、システムの熱バランスを確保し、システムの将来性を確保するために必要です。

内部コンポーネント空間の決定

まず、PLC、電源、コンタクター、端子台など、主要なコンポーネントをすべてCADソフトに描き始める。しかし、そこで止まってはいけません。空いたスペースも同様に重要です。次のようにしてください：

• コンポーネントのクリアランス： 熱を発生する部品はすべて、空気が自由に移動できるよう、十分なスペースを確保すること。データシート：メーカーのデータシートで、クリアランスに関する推奨事項を確認する。
• 配線ダクトとケーブルマネジメント： 配線のチャンネルを指定する。エンクロージャーが適切に管理されていれば、トラブルシューティングが容易で、より安全に操作できる。混雑した配線によって気流が制限され、ホットスポットが発生することがある。
• 曲げ半径： ケーブルは90度曲げない。損傷や信号の損失を防ぐため、すべての電源ケーブルとデータケーブルの曲げ半径を考慮してください。

一つの経験則は、コンポーネントの総フットプリントを計算し、配線とエアフローを考慮して20-25%のバッファを追加することです。

将来の拡張と修正を可能にする

今日のニーズが明日のニーズとは限らない。巧みなデザインは将来の変化を想定している。

• 追加DINレールスペース： DINレールがある場合は、少なくとも25％のDINレール容量を確保してください。将来、新しいモジュールやリレーを設置する際、配線を全面的に変更するのではなく、些細な作業で済みます。
• モジュラーバックパネル： 簡単に取り外し可能なサブパネルやバックパネルを作ることで、複雑なアセンブリをベンチで組み立ててテストし、エンクロージャーに落とし込むことが可能になり、設置や修理が大幅に簡素化される。
• 予備ノックアウト/グランドプレート： 将来的にケーブルを増設したい場合は、別の穴を開けるのではなく、取り外し可能なグランドプレートの使用を考えてください。これにより、将来I/Oを変更する際の自由度が増します。

規格を満たす - NEMAとIP定格を使いこなす

安全性と保護に関する共通言語を開発することを目的とした規格が存在する。電気エンクロージャの場合、最も一般的な2種類の規格はNEMA定格とIP定格である。この2つの規格は、固体（ほこりなど）や液体（水など）の侵入を防ぐエンクロージャの能力を概説しています。

IPレーティングを理解する

IPはIngress Protection rating systemの国際規格（IEC 60529）である。IPには2つの文字がある：

• 1桁目（ソリッド）： 大きな体の一部（1）から微細な粉塵（6）に対する保護等級。IP6Xは、ハンドルが完全防塵であることを意味します。
• 2桁目（液体）： 水滴（1）、短時間または永久的な浸漬（7および8）を含む液体に対する保護等級。IPX5は噴流水でも安全であることを意味し、IPX7は水深1メートルに30分間浸漬できることを意味します。

その一例として、IP68規格のエンクロージャーは、完全な防塵性と長時間の浸漬による被写体への耐性を備えており、これは主要な規格のひとつである。

NEMA規格（全米電気機器工業会）のナビゲーション

北米ではNEMA規格が主流です。IP等級は一部重複しているが、NEMA規格は耐腐食性や建築慣習などの部分に追加要件を課している。一方を他方に直接置き換えることはできない。

代表的なNEMAタイプは以下の通り：

• NEMA 1： 偶発的な接触や汚れの落下による危険から保護する、一般的な屋内用途。
• NEMA 12： 屋内では、ほこり、汚れ、非腐食性の液体の滴下から保護します。産業機械の制御用として代表的。
• NEMA 4： 屋内/屋外に適した密閉されたボックスで、フレームは水、雪、ホースからの水に対する防水エンクロージャーとして使用できる。
• NEMA 4X： NEMA 4の保護機能をすべて備え、耐腐食性が大幅に向上しています。食品加工環境、海洋環境、化学環境において選択される規格です。

見過ごされがちな重要な要素 - 熱管理

これで、頑丈でサイズもぴったり、規格に適合したエンクロージャーが完成した。しかし、ホコリや水がかからないように気密性を高めると同時に、オーブンにもなってしまいます。エンクロージャー内のエレメントはすべて熱を発生するものであり、熱伝導の手段がない場合、温度はコンポーネントの故障やシステムの突然のシャットダウン、関係する機器の全体的な寿命の極端な低下につながる高レベルまで上昇する可能性があります。 熱管理 それはアクセサリーではなく、デザインの中心的な部分なのだ。

効果的な冷房・換気ソリューション

低出力のアプリケーションでは、受動的冷却（自然対流と放射）で十分かもしれない。しかし、電力密度が高くなると、以下のような問題が生じる、 アクティブ冷却 が必須である。これには、空気を移動させる装置を使用するか、エンクロージャーから積極的に熱を送り出す方法がある。最も普及しているのは、エンクロージャーの冷却ファンを使った強制送風システムだ。

適切なファン設計により、予測可能なエアフローパターンを容易に作り出すことができる。これは、周囲の空気が高温の内部空気を連続的に置換するために使用されることを保証するためです。 部品自体が過熱しない.

ACDCFANによる正しい冷却ソリューションの選択

熱管理システムの有効性は、選択した冷却ファンの品質と適合性にかかっています。この点で、スペシャリストとの提携が大きな違いとなります。

20年以上の経験を持つ専業メーカーとして、 ACDCFAN は、産業用エンクロージャのファンは単なる部品ではなく、重要な信頼性資産であることを理解しています。当社は、エンクロージャの冷却に特有の課題を解決するために設計されたAC、DC、EC軸流およびラジアルファンを提供しています。

それがデザインにどんな価値をもたらすのか？

• 比類のない信頼性と耐用年数： エンクロージャーの目標は長期的な保護です。冷却ファンもその寿命に見合うものでなければなりません。当社の電気エンクロージャ用冷却ファンは、長寿命のために設計されています。 耐用年数70,000時間 40℃の使用温度でも高熱用途では、当社の全金属製AC軸流ファンは以下の温度で確実に動作します。 最高温度150このため、圧力がかかってもシステムは冷却されたままです。これは、高地環境でのアプリケーションにとって非常に重要です。当社のエンクロージャー・フィルター・ファンは、業界平均をはるかに上回る3年以上のMTBF（平均故障間隔）を誇ります。
• プレッシャー下のパフォーマンス： エンクロージャーファンは安定性を重視して作られています。フレームは、銅で強化された最高級のアルミニウム素材から作られています。 30% より安定したファン性能 標準的な製品に比べ、耐振動性に優れています。この堅牢な構造は、厳しい産業環境においても安定したエアフローを保証します。
• 世界的に認証され、保護されている： お客様の設計は国際規格に適合していなければなりません。ACDCFAN製品は、国際的に認められた CE、UL、RoHS、EMC認証.さらに、最も要求の厳しい環境向けに、次のようなソリューションを提供しています。 最大IP68の保護等級埃や水に対して完全に密閉されていることを保証する。
• 専門家によるテクニカル・パートナーシップ： 必要な風量（CFM）がわからない？これはよくある重要な質問です。当社の専門チームがお手伝いします。エンクロージャの寸法、内部放熱量（熱負荷）、および周囲温度に基づいています、 熱計算を行い、正確なファンモデルと設置戦略を提案します。.これにより、当て推量を排除し、熱管理システムが初日から効果的であることを保証します。

ACDCFANを選択するということは、単に筐体クーラーを購入するということではなく、数十年の専門知識に裏打ちされた、専門的に設計された信頼性の高い冷却ソリューションを統合するということです。

製造のための設計（DFM） - 生産準備

画面上ではうまくいっても、製造できない設計や、設計を下回る多くのコストがかかる設計は失敗とみなされます。製造のための設計（DFM）とは、製造が容易になるように製品を設計するために、オンラインで積極的な措置を講じることである。

エンクロージャーの設計については、以下のDFMガイドラインを考慮してください：

• デザインはシンプルに： 2つの部品で1つの部品が作れるか？穴のサイズやネジは共通で使えるのか？複雑さを軽減することで、時間とコストは節約できる。
• 板金の詳細： シートメタルを使用する場合は、素材の特性を無視しないよう、デザインに注意すること。ひび割れを防ぐため、曲げ部分の半径は少なくとも素材の厚みと同じになるようにします。取り付け穴は、曲げ部分やエッジから安全な距離だけ離す。
• コンポーネントの標準化： 可能な限り、標準的なファスナー、ヒンジ、ラッチを使用する。カスタム部品はコストもかかり、リードタイムも非常に長い。
• 配線プラン： 技術者がどのように部品を接続できるか？十分な物理的・視覚的アクセスがあるか？設計段階で組み立ての思考プロセスを適用することで、工場現場での大きな頭痛の種を避けることができる。

結論

電気エンクロージャーの作成は、慎重な選択と賢明な予防措置に関する冒険です。それは構造化された設計アプローチであり、アプリケーションのニーズと意図を包括的に把握した状態から始まり、安全で信頼できる組み立て可能な製品へと進んでいきます。

このガイドは、単にエンクロージャーを作成する以上のステップバイステップのアプローチを概説し、エンクロージャーの作成を通して歩を進めます：それは、エンクロージャーが技術的にもビジネス的にも機能することを確認するために必要なすべてを知ることで、エンクロージャーを作成するのに役立ちます。あなたは、システムの成功の基礎を確立しているのです。重要な部品が置かれるだけでなく、保護され、保管され、稼働期間中いつでも供給できるような制限された空間を作るのです。これが成功する設計の青写真です。