「熱対策」への取組み進展大きなビジネスに成長 電子機器の長寿命化、エネルギーの効率活用に直結 データセンターエコに配慮した取組み進制御盤クーラーの採用増える

2013年3月27日

電子機器や制御盤などで熱対策への取り組みが進展している。電子機器の寿命やエネルギーの効率活用などの点からも熱の管理は重要性を増しており、大きなビジネス規模に育ちつつある。熱対策が必要な領域は非常に広範囲にわたるだけに、対象領域ごとに応じた最適な工夫がされている。年々効果的な使い方が行われるようになってきており、システム全体への信頼性向上にも効果が生まれている。
■部品の寿命に大きな影響

工場などの生産現場では、機械加工作業に伴う熱が発生するが、これに加えて、作業機械が稼働することで機械そのものから発生する熱も増加している。特に最近は、電子機器・装置に内蔵されたコンピュータや半導体などから発生する熱が増えており、一層の熱対策が求められている。コンピュータの頭脳であるCPUなどの半導体は、年々高速化が進んでおり、これに比例してそこから発生する熱量も増えている。

一方で、電子機器そのものは年々小型化傾向を強めていることで、機器内部の実装密度は高くなり、熱を冷却するためのスペースに制約が生じて、機器本体の温度上昇を招いている。

こうした電子機器・装置に使用されている半導体やコンデンサーなどの電子部品は熱に対して非常に弱く、熱は部品の寿命に大きな影響を与える。

アレニウスの法則では、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倍まで高まると言われており、温度上昇による電子部品の故障率が飛躍的に増加することが判明している。
■最適な温度管理がポイント

また、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℃下がると寿命が2倍に伸びるとしている。したがって電子機器・装置の寿命を延ばすには、適切な温度管理を行うことが大きなポイントになってくる。特に、FA機器や産業機器は、温度管理が十分に行われるところで使用されることは非常に少なく、むしろ温度の上昇・下降が激しかったり、水やほこりの飛び交う過酷な周囲環境で使用されることが多い。しかも、24時間ノンストップ稼働といった停止が許されない用途も多く、どんな環境でも安定して動くことが求められる。

熱対策は、電子機器本体の冷却と、その電子機器が収納された制御盤やラックなどの冷却の2つの面から必要だ。

PLC(プログラマブルコントローラ)やFAコントローラ、インバータ、UPS(無停電電源装置)などの電子機器は、本体に冷却ファンを内蔵して、本体内の電子部品やデータを冷却し保護している。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℃前後の使用にも耐えられるような設計になっている。しかも、長期間使用されることが多いことから、熱に強い電子部品の採用と、最適な冷却とメンテナンスしやすい構造を採用して、信頼性を高める設計にしている。

しかし、これらの電子機器を単体でむき出しの状態のまま使用することは稀で、ほとんどが装置や制御盤などに組み込まれての使用になる。密閉された装置や制御盤、ラック内の温度は、室内に比べると大きな差があり、これに機器から発生する熱が加わり温度がさらに相乗的に上昇、内部温度が50℃を超えることが起こる。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一層高まる傾向にあり、温度対策の重要性が増している。
■省エネにつながる冷却必要

しかし一方、過度な冷却はエネルギーのロスにもつながってくる。昨今、地球温暖化対応やエネルギー政策の見直しが世界的レベルで進展しており、省エネにつながる効率的な冷却方法が求められている。

データセンターでは、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が多いことから、収納ラック・キャビネット内は非常に高温になる。ここではデータセンター室内を冷却しながら、さらに収納ラック・キャビネット内も冷却している。コンピュータを動かす電気だけでなく、冷却するための電気も必要になることから、データセンターの省エネ化をどうやって行うかは、事業者にとって大きなテーマになっている。

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で、空調費と設置スペース費用の削減につなげるために、サーバーや電源の小型化と、必要に応じて組み合わせ使用でき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げている。
■水冷式冷却が増える

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4~10kW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おり、水道配管を伴う水冷式で冷却するところが増えている。

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、開口率が80%を超えるラックも増えている。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。開口率を高めると一方では、ラックの強度とも関係してくるため、これを両立させるのも技術的な見どころだ。

工場はデータセンターほど厳密な室内の温度管理がされていないことから、電子機器・装置にとっては、こうした使用環境下での熱対策が重要になってくる。工場は制御盤の使用が多いが、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ある。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。
■自然放熱・換気が一般的

一般的に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。換気扇の羽の形状も斜めにすることで、空気の流れをより広く均一に拡散するようにして、ホットスポットの発生を防止する工夫も行われている。

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。熱交換器の冷媒も温室効果ガスが発生することを防ぐために環境負荷のないものが志向されているが、最近は自然冷媒CO2を使った完全ノンフロン製品も開発されている。

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。

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。
■トータルコストは下がる

クーラーを稼働させるための消費電力が問題になるが、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もなってくる。

また、熱対策を効果的に行うことは機器の機能を最大限に引き出し、無駄なエネルギーの消費を防ぐ効果もある。

電子機器の小型化と高密度実装化はさらに進むことは確実であり、比例してこうした機器からの発熱も増加してくる。熱対策の進歩が今後の電子機器・装置の普及にも大きな役割を果たそうとしていると言えるだろう。