熱対策機器の市場拡大 電子機器・装置の信頼性向上・長寿命化に不可欠 適切な温度管理が重要 省エネ・地球温暖化防止にも貢献

コンピューターをはじめとした電子機器、制御装置から発生する熱対策への関心が高まっている。熱は電子機器の寿命に大きく影響を与えるだけでなく、昨今の地球温暖化防止やエネルギーの効率的な活用といった点からも注目を集めている。工場の機械設備やデータセンターなどで使用されるコンピュータやサーバー、コントローラは年々CPUなどの半導体が高容量化や高機能化し、そこから発生する熱の温度も高くなってきている。熱対策機器はこの温度上昇を抑え、機器・装置の信頼性向上と長寿命化を図るうえで大きな役割を果たしている。用途や温度のレベルによって色々な手法と機器が採用され、市場拡大が続いている。 機械などが稼働する時に発生する熱が、最近は電子機器の高密度実装による小型化が著しくなったことで一層高温化している。その一方で、使用するCPUなどの半導体も機械の処理スピードの高速化などに対応して内部クロックの高速化が進み、発生する熱も高温化傾向を強めている。こうした高密度実装化と高容量化を背景に、電子機器から発生する熱は年々上昇を続けている。

これらを内蔵する制御盤やサーバーラックなども、電子機器の小型化傾向に合わせて小型・薄型化が強まっていることで、外部への放熱量が減少し、より盤やラック内の熱を増加させる結果につながり、熱処理対策の大きな課題になっている。

電子機器に使用される半導体やコンデンサーなどの電子部品は熱に弱く、電子部品の寿命に大きな影響を与える。アレニウスの法則によると、温度25℃では故障率は0(ゼロ)以下であるが、温度40℃では故障率が1、それが60℃になると10倍~30倍に増大、80℃では一挙に100倍~300倍まで高まり、温度によって半導体・電子部品の故障率が飛躍的に増加するとしている。

アルミ電解コンデンサーも、「10℃2倍則」として、温度が10℃高くなると寿命が半減、逆に10℃下がると2倍に伸びるとしている。したがってこうした内蔵機器の寿命を延ばすには、適切な温度管理が非常に重要になってくる。昨今は市場がグローバル化していることで、新興国など日本より暑い地域への出荷も増えていることから、今まで以上に熱への対策が必要と言える。

密閉した制御盤やサーバーラック内の温度は、室内や外気に比べ大きな差があり、機器から発生する熱によって温度が上昇して、場合によっては50℃前後になることもある。

制御盤内には、PLC(プログラマブルコントローラ)やインバータ、コントローラ、UPS(無停電電源装置)などが収納される。工場での使用を前提にしていることから使用周囲温度も40℃前後、製品によっては50℃前後の仕様になっているものもあるが、昨今の制御盤の小型・薄型化と機器の高密度実装化などで盤内温度は上昇基調だ。

データセンターでも、サーバーやスイッチングハブなどの通信機器からの排熱も非常に高くなって、収納ラック・キャビネット内が非常に高温になる。こうした電子機器を収納した制御盤やラックなどの熱対策は、発生する熱と使用機器の周囲環境によっていろいろな方法が使い分けされている。

最も一般的なのは、自然放熱・換気である。筐体の表面から放熱させる自然放熱は、筐体内部に塵や湿気が入らないことで密閉性を確保でき、騒音もない。排熱の少ない用途で使用される。

筐体上部に換気口(ルーバー)を付け、温められた空気をそこから排出する自然換気は簡単で騒音もない。

こうした自然な排熱方法に対して、強制的に熱を外に排出する方法が最近は増えている。換気扇を使った強制換気は、筐体の換気口から強制的に放出する方法で、自然換気に比べ、放熱量ははるかに多い。

換気扇の代わりに熱交換器を使う強制放熱は、筐体内の温かい空気と筐体の外の冷たい空気をファンで強制的に熱交換器に取り込み熱の吸収と放熱を同時に行う。密閉性が高く、放熱量も多いことから、主流となっている。熱交換器の冷媒も環境負荷のないものが開発され、音も年々静かになっている。

これと原理的には多少似ているのが強制冷却で、筐体内の温かい空気をクーラー内部の循環ファンで冷却部(冷却ファン・蒸発器)に送風して冷やし、低温空気として筐体内に戻すもの。筐体内の温度を外気温度より低くでき、内部に塵や湿気なども入らず密閉性が確保できる。放熱量も多い。

水冷熱交換方式が増える

これに対し最近は、大型プレスマシンや工作機械の制御盤、大型データセンターのサーバールームなど、熱の発生量が多いところで採用が増えつつあるのが、水冷熱交換方式である。筐体内の温かい空気をファンで水が循環している冷却部に送風し、そこで冷やして低温空気として筐体内に戻すもの。冷却水の配管が必要になるが、冷却能力が非常に高く、高温の排熱環境でも使える。放熱による周囲への影響やフィルタの保守もなく、密閉性も確保できる。

一般的に、データセンターなどでのラックに内蔵するサーバーなどの消費電力が2kW以下は自然空冷でも大きな問題はないが、2~3kWではファンなどを使った強制空冷が、また10kW以下ではクーラーなどが必要となってくる。

最近は10kWを超えるサーバーを使うことも多くなっていることが、水冷式の導入につながっている。逆に、水道配管が伴う水冷式が必要なほど、サーバーの高容量化と高密度実装化が進んでいる。

同時に冷却対策の一環として、ラック表面の開口率を高め、換気性を良くする動きも目立つ。従来40~50%ぐらいの開口率のラックが多かったが、従来の2倍近い開口率84%というラックも登場している。開口する穴の形状も、丸から六角形にすることで、丸穴よりたくさんの穴を空けることができ、開口率が高まるという工夫も見られる。開口率を高めることは、ラックの耐震性など強度とも関係してくることから、これを両立させることもポイントと言える。

制御盤とデータセンターでの熱対策は使用環境が大きく異なることから、方法も違ってくる。制御盤の使用は工場内が多いが、この環境は予想以上に悪く、作業に伴う粉塵やオイルミストの飛散、製造物から発生する輻射熱などが多い。制御盤の熱対策は一般的に換気扇、熱交換器、クーラーなどが使われている。

IEC規格では制御盤の中に埃などが入らないように保護構造(IP)が決められており、通常ではIP54~55の性能が必要だ。同時に制御盤内の許容温度も、デファクト化で決められる傾向にある。

制御盤の設置される周辺環境にもよるが、熱交換器や換気扇は、使用機器周辺の温度の影響を受けることや、ファン、フィルタの目詰まりなどで性能低下や内部への塵などの侵入が懸念される。

加えて、電子機器の発熱量増大が著しく、部品の寿命を確保するためにも冷却性能が高く、密閉性に優れるクーラーの採用が増えており、工作機械などの制御盤はほとんどクーラーになっている。

地球温暖化への取り組みが世界的に進展しているなかで、クーラーを稼働させる電気エネルギーへの関心も高まっている。とりわけ日本は東日本大震災以降、節電や省エネへの対応に国を挙げて取り組んでいるだけに、こうした熱対策機器の消費エネルギー、トータルコスト意識が強くなっている。

最近のクーラーは消費電力を低減するための改良が進んで、効率が非常に向上している。ファン、コンプレッサー、熱交換器などの最適な配置と、エアフロー吹き出しの工夫などで効率的な冷却を行うとともに、冷やしすぎないようなエコモードによるインテリジェントな運転機能でエネルギーコスト削減を実現している。さらに、メンテナンスコストを減らすために、凝縮器に汚れや水が付着するのを防止するナノコーティングを施すことなども行っている。クーラーを使用することで電子機器の長寿命化などにつながり、トータルコストはむしろ下がることになる。

データセンターも昨今の地球温暖化問題と省エネ・節電の点から、エネルギー削減が求められている。サーバーメーカーも性能を上げながら、電力消費と熱の排出が少ない機種の開発を進めている。

関連各社の協調が必要

データセンターは部屋全体の冷却と収納機器の冷却が必要なことから、外気や地下の活用、涼しい地域への設置などエコに配慮した対応が進んでいる。中でも床下空調活用が進んでいるが、床下のスペースがある程度限られることや、ラックの前から吸って後ろから排気するという基本的な方法は変わっていない。従って、データセンターの熱対策は、ラック、空調、電源、サーバーなどのメーカーが単独では解決できないことが多く、これらの関係者が協調して取り組むことが重要になってくる。

データセンターの部屋を小さくすることは、空調費用と設置スペース代の削減につながるために、サーバーや電源の小型化とともに、必要に応じて組み合わせるモジュール式も提案されている。冷却方法も空冷、水冷などを発熱量に応じて使い分け、局所的な冷却、稼働率に応じた冷却などで効果的な熱対策につながる。

あるメーカーの調査では、データセンターで熱対策を行っているのにもかかわらず、熱問題を解決できているユーザーは5割で、そのうち4割は今後も対策が必要という結果が出ている。

熱対策を効果的に行うことは、エネルギー消費を抑制することにもつながり、地球温暖化防止にも貢献する。工場やデータセンターではたくさんのエネルギーを消費しているが、それを少しでも減少させる上でも、より効果的な熱対策の浸透に向けて、関係するあらゆるメーカーは連携して取り組むことが必要だ。

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