外部環境から機器を守る 熱対策特集

■小型・高効率・省エネ重視
電子機器、制御機器などを収納し、屋内や屋外において、外部の環境から内部機器を保護するとともに、内部機器への直接接触に対する保護を行うキャビネット、ラック、ボックスは、工場、オフィス、ビル、店舗などの設備に必要不可欠なものとなっている。

近年はデータセンターや工場内で、サーバ機器の高集積化、CPUの高性能化による発熱量の増加に伴い、空調設備で消費される電力量が急増しており、地球温暖化やエネルギー問題を助長することが懸念されている。また、制御盤に収納される機器の小型高機能化に伴い、小型キャビネットや樹脂ボックスでも内部の高温化が問題になっている。盤やラックシステム内の温度上昇は、電子機器・装置の寿命を短くするばかりでなく誤動作を引き起こす原因になっており、温度上昇によるトラブルを未然に防ぐ熱交換器、ファン、クーラー、ルーバーなどの熱対策機器が求められている。

熱対策機器の分類に当たっては、まず工場、オフィス、店舗などの屋内で使用されるか、工場、店舗の敷地やポールなど屋外で使用されるかの違いがある。

屋内用の場合、温度障害、結露・高湿度などの問題があるが、最も重要なのは高温対策だ。この対策としては、自然換気、強制換気、強制放熱、強制冷却、局所冷却などが考えられる。

通風型キャビネットでは、自然換気にはルーバー、フィルターカセットなどが、強制換気には盤用換気扇、換気扇付きルーバー、換気扇付きフィルターカセットなどが使われる。密閉型キャビネットの強制放熱には盤用熱交換器が、強制冷却には水冷熱交換器などが、局所冷却には電子クーラーなどが使用される。

また、低温対策としては盤用ヒーターが、湿度対策としては盤用除湿器が、温湿度管理としては盤用温度調節器、可変式湿度センサなどがある。

屋外用も同様で、温度障害、結露・高湿度などの問題があり、高温対策には、自然換気、強制換気、強制放熱、強制冷却、局所冷却などが考えられる。

キャビネット内の冷却に最も効果的なのは、電子クーラーで、さまざまなタイプがある。

特に制御機器の小型、高密度化によりキャビネット内の熱問題が増大しており、ノンフロン、省電力化を実現、キャビネットの熱対策と環境負荷低減を行える小型・高効率の電子クーラーが増えてきている。

電子冷却素子とアルミフィンを採用した高性能ペルチェユニットを組み込んだ電子冷却式のクーラーでは、電子冷却素子の吸熱側に取り付けられた冷却フィンがキャビネット内側に、発熱側に取り付けられた放熱フィンがキャビネット外側に、それぞれ設けられている。キャビネット内の暖かい空気を内部ファンで冷却フィンに送風し、冷却を行い、低温空気としてキャビネット内に戻す。キャビネット内の熱は放熱フィンから外部ファンによりキャビネット外に放出され、キャビネットの密閉状態を損なわずに冷却でき、内蔵の機器、電子装置などを熱、ほこりの障害から守っている。

設計を工夫することで、消費電力を従来機種に比べて大幅に減らし、エネルギー効率を表すCOP（成績係数＝冷却能力／消費電力）が高いタイプが登場している。

また、大容量の電子クーラーは、コストもかかるが、冷却能力が高く需要が伸びている。クーラーは暖房能力もあるため、そのまま寒冷地でも使用できる。屋外用なので防塵・防水・耐風性能なども高い。今後は屋外の大型スクリーン・広告塔などの映像システム、太陽光発電システムなどの制御機器キャビネットの需要が見込まれている。

冷却式のコンプレッサクーラーは、高温の工場環境では使用に限界があるが、水冷式の場合、周囲温度に関係なく安定した冷却が行える。キャビネット内の空気を冷却ファンでラジエータに送風し、低温空気としてキャビネット内に戻す仕組みで、キャビネット内の熱がラジエータによって冷却水に伝達され、水と共に外部に移動する。

注意点としては、コンプレッサ式盤用クーラーを廃棄する際には、法律に基づいて、フロン回収処理を行った後、産業廃棄物として処分する必要がある。「フロン排出抑制法」に基づくと、業務用冷凍空調機器に含まれる盤用クーラーは第一種特定製品となり、フロン類の回収が義務づけられている。さらに、「産業廃棄物処理法」に基づくと、廃棄の際、盤用クーラーは産業廃棄物となるため、所有者が産業廃棄物処理業者に廃棄を依頼し、移動は所有者または産業廃棄物運搬の許可を得た収集運搬業者が行わなければならない。

その他の冷却方法として通風型キャビネットの自然換気には遮光板付きキャビネット、フード付きルーバーが、密閉型キャビネットの自然換気には遮光板付きキャビネットが、通風型キャビネットの強制換気には換気扇付きルーバーがある。

強制放熱としては、屋外盤用熱交換器が、強制冷却としては屋外用クーラーが用意されている。屋内用と同じく、低温対策としては盤用ヒーターが、湿度対策としては盤用除湿器が、温湿度管理としては盤用温度調節器、可変式湿度センサーなどがある。

こうした対策の効果については、実験による実証データがある。これによるとキャビネット本体に、直接日射が当たることを防ぎ、キャビネット内温度上昇を抑える遮光板を付けると、約4℃下がったという。

また、フィルター付きルーバーより外気を吸入し、キャビネット内の熱を換気扇付きルーバーから排気する強制換気タイプの換気扇仕様では、約13℃下がり、外気を吸入することなく、キャビネット内の熱を熱交換効率の良いアルミ製放熱ユニットにより放出する密閉放熱タイプの熱交換器仕様では、約11℃下がった。

さらに、外気を吸入することなく高性能ペルチェユニットにより、キャビネット内の熱を放出し、キャビネット内に冷風を送風する密閉冷却タイプの電子クーラー仕様では、冷却能力300Wの電子クーラーユニットで、最大23℃下がるという大きな効果が見られた。

■重要な設置位置と保守
これらクーラーなどの熱対策機器を設置するときの注意としては、熱対策機器をキャビネットに設置する場所は、周囲の壁、その他障害物などより200～300ミリ離さなくてはならない点がある。キャビネット内側の内部機器からも同様に離す必要がある。距離が近いと空気循環が悪くなり、冷却能力が低下する。ファン、フィルター、端子などのメンテナンスができる位置に設置することも重要。設置の際には、空気循環がショートサーキットしないように注意する。ショートサーキットとは、通風を妨げる障害物などにより、熱対策機器の吹き出し口から出た風がそのまま吸気口に吸い込まれる現象で、これにより、盤外側では吸気温度が上昇し、盤内側では吹き出し口から出た冷風が盤内全体を循環できず、結果として十分な冷却能力が得られなくなる。

盤用クーラーは、密閉型のキャビネットに設置しなければならない。換気口や電線引き込み口が開いているような、密閉性の悪いキャビネットで運転を続けると、冷却能力の低下や結露によるトラブルとなる。また、盤用クーラーの天井取り付け型は水平に、側面取り付け型は垂直に取り付ける必要がある。水平、垂直が保たれないと、キャビネット内への漏水、コンプレッサの寿命低下など故障原因になる。

熱対策機器は、日常点検や定期点検でのメンテナンスが重要。日常点検においては、フィルタの状態を確認し、汚れが目立つ場合は清掃を行う。定期点検においては、ファンモータの異音発生や停止、熱交換フィンの目詰まり、ドレンパイプの目詰まりなどが発生していないか確認し、必要に応じて修理、交換や清掃を行わなければならない。メンテナンスを行わないと冷却能力の低下や故障の原因となる。

河川、道路などを監視したり、犯罪を防止したりするため、屋外ではカメラなどの防犯・監視システムが各所に設置され、防災無線、太陽光発電関連の施設もあり、携帯電話の小規模基地局の数も増えている。こうしたシステムに対応する屋外用の熱対策通信キャビネットも需要が着実に拡大している。

IT関連企業などの超大型のデータセンターでは、熱対策がより重要になってくるため、センター全体の空調を効率的に行う大規模な熱対策システムが導入されている。ラック列間の冷却用通路をドアや天井パネルで密閉して床下空調の冷気とIT機器からの排熱を物理的に分離し、床下空調の冷気の損失を低減すると共に、ラック内への排熱の回り込みを防止することにより、効率的な空調環境を実現するシステムが開発され、引き合いが来ている。さらにラックの下から空気を取り込み、床下空調の冷風をラックの前面、上部などに送風し、熱だまりを解消するシステムもある。

今後の熱対策機器の課題としては、熱対策をより効率化すると共に、温度上昇試験、荷重試験、防塵試験などの性能評価試験を重ねて行い、さらに信頼性を高めていく必要がある。

また、顧客であるメーカーの海外進出に合わせて、海外規格の認証取得などグローバル化も欠かせない。特に中国では、低価格の現地メーカーやヨーロッパメーカーが強いが、省エネ・塗装・品質などが重視されつつあり、日本製品も浸透しつつある。

熱対策機器を取り入れたキャビネット、ラック、ボックスは、顧客のニーズに合うように、さまざまなタイプが考案されており、今後も小型化、高効率化、省エネを重視した新製品の開発が進むものとお思われる。