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制御盤の熱だまり、どう防ぐ？ 機器配置・通風・配線を見直す5つのポイント

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冷却ファンだけでは不十分？ 盤内の気流・機器配置・発熱量・配線を見直し、ホットスポットを防ぐ5つの設計戦略を解説

「制御盤に冷却ファンを設置しているのに、盤内の一部が高温になる」
「機器の高密度化によって、十分な放熱スペースを確保できない」
「PLCや測定機器への熱の影響が気になる」

こうした制御盤の熱対策に関する課題はありませんか？

制御盤内の機器が小型化・高密度化する一方で、機器の発熱や気流の不足によって、局所的に熱が蓄積する「ホットスポット」が発生することがあります。

ホットスポットは、電子機器の寿命や測定精度に影響する可能性があり、冷却ファンや空調設備を設置するだけでは十分に対策できない場合もあります。

本資料では、制御キャビネット内に熱が蓄積する原因と、機器配置・盤内構造・換気・発熱量・配線を考慮した「5つの熱対策戦略」を解説します。

**【本資料でわかること】**

**1. 制御盤内にホットスポットが発生する原因**

- 機器の高密度配置による熱の蓄積
- ケーブルダクトなどによる冷却気流の遮断
- 温度上昇が電子機器の寿命や測定精度に与える影響
- 自然対流と冷却ファン・空調設備の役割

**2. 制御盤の熱だまりを防ぐ5つの設計戦略**

① **デバイストポロジ（機器配置）**

機器の水平・垂直配置、間隔の確保、自然対流による放熱の考え方を解説。機器を密集させず、冷却気流が流れるスペースを確保する重要性を紹介します。

② **制御キャビネットの設計**

ケーブルダクトによって空気の流れが妨げられる問題と、配線スペースを分離する設計方法を紹介。盤内の空気の流れを確保するための構造を解説します。

③ **換気・冷却方法の選定**

自然対流、ファンによる換気、エアデフレクタ、空調設備などの冷却方法を解説。冷却した空気を必要な機器まで届けるためのポイントを紹介します。

④ **機器の発熱量と温度耐性を考慮した配置**

PLCや測定機器など、温度の影響を受けやすい機器の配置について解説。電源ユニットや周波数コンバータなどの発熱機器との位置関係を考慮する重要性を紹介します。

⑤ **接続・配線方法の見直し**

ケーブルの太さや長さ、端子の接続方法による発熱の違いを解説。配線時の注意点や、端子部での発熱を抑えるための考え方を紹介します。

**3. 制御盤設計時に確認したいポイント**

資料の最後には、制御キャビネットの組立て時に「実行すること・実行しないこと」が整理されています。

機器間隔の確保、温度に弱い機器の配置、適切なケーブルサイズの選定、換気を妨げる配線の回避など、設計や組立てを見直す際の参考になります。

**【このような方におすすめ】**

制御盤内の温度上昇やホットスポットに課題を感じている電気設計者・盤設計者、PLCや電源機器の配置を見直したい制御設計者、冷却・換気方法を検討している制御盤メーカー、既存設備の熱対策を改善したい設備保全担当者におすすめです。

冷却設備の追加だけでなく、盤内の機器配置や配線方法を見直すことで、熱対策とエネルギー効率を考慮した制御盤設計に役立つホワイトペーパーです。

このカタログについて

ドキュメント名 制御盤の熱だまり、どう防ぐ？ 機器配置・通風・配線を見直す5つのポイント
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
ファイルサイズ 821.1Kb
取り扱い企業 ターク・ジャパン株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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Your Global Automation Partner 制御キャビネットのホ ットスポットを回避す るための5つの戦略 適切なデバイストポロジとスマート制御キャビ ネット設計を使用して、換気および空調設備の 稼働時にエネルギーを節約 Whitepaper | 200301
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目次 制御キャビネットの背後にある物理の原理 3 制御キャビネットを最適な温度に保つための5つの戦略 5 デバイストポロジ 5 制御キャビネットの設計 6 換気 7 デバイスが発する熱の量と、デバイスが過熱しやすい温度を考慮する 8 接続およびリンク技術 9 まとめ 9 WP 03/2020 | 2
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このホワイトペーパーでは、制御キャビネット内の過度の熱の原因について説 明し、その結果生じる可能性のある問題を特定します。制御キャビネットの組立 てには、5つの戦略があり、これがエネルギー効率に優れた制御キャビネットの 組立て方法の基盤となります。 電力の増加 – 狭い組立てスペース – 熱の上昇 技術開発は急速に進んでいます。これらの開発がもたらす新しい可能性により、 エンジニアは製品を小型化し続けることができます。しかし、より多くの技術を より狭い空間に押し込むと、制御キャビネット内の電力密度も高くなります。多く の企業にとって問題の原因となることは、革新的なテクノロジー企業では解決 策の一部と見なされています。このような企業では、サーバーファームを住宅地 に局所的に設置し、サーバーからの排熱で周辺の住宅を温めることはできない かと考えます。 制御キャビネットの背後にある物理の原理 制御キャビネットの組立てについては次のことだけを知っておいてください。 気流の考慮 熱の蓄積の問題は、データサーバーに限ったことではありません。狭い空間で 高出力を行うと、制御キャビネットにも熱が蓄積されます。処理能力とスループ ットが向上し、機器が小型化されているため、この熱を取り除くにはかなりの労 力が必要です。家を暖めるために熱を利用することは、この問題の本当の解決 策ではありません。 今日では、制御キャビネットには非常にコンパクトな最先端のデバイスが多数 装備されています。つまり、雑然としたケーブルダクトがたくさんあります。その 結果、熱を取り除くための空気の流れがないため、キャビネット内に熱が溜まる 場所が形成されます。デバイス正面の冷気がデバイスから熱を奪わずになくな るため、このような場合は、動作している冷却システムでさえその役割を果たす ことができない可能性があります。 消費電力の増加、熱の上昇 デバイスがますます小型化するにつれて、より狭い空間により多くの技術が導入 されています。つまり、より多くのエネルギーが制御キャビネットに供給されるた め、体積あたりのエネルギー（エネルギー密度）が増加します。すべての技術デ バイスで、最適な効率性を発揮していないため、制御キャビネットの消費電力が 大きくなります。このため、デバイスの小型化が進むと、デバイスの数が増加し、 必然的に消費電力が増大します。消費電力は、熱エネルギーに変換される電流 の一部です。スイッチング電源（50～95 %）、LED（5～25 %）、変圧器（50～97 %）などの電気部品の効率を見ると、最適な効率（100 %）からどれだけ離れて いるかがすぐに明らかになります。推奨されない動作条件やプロセッサの使用 も効率性を低下させる可能性があります。 WP 03/2020 | 3
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熱によって引き起こされる機器の問題 特殊なケース いわゆるホットスポット（熱の溜まる場所）は、内蔵 制御キャビネット内の熱は、高い充填密度以外の 機器の性能と耐用年数に直接影響を与えます。測定 問題によって発生することがあります。特に、散発 デバイスに関しては、温度は全体的な精度に大きな 的な熱のピークは、制御キャビネットの外部の状 影響を与えます。デバイスは通常、20～25 °Cの室温 況に起因することがよくあります。既知のケース で較正されます。動作温度が上昇すると、必然的にさ には、屋外の制御キャビネットが一日の特定の時 らに誤差が発生し、デバイスの全体的な誤差は2倍 間に日光にさらされたケースがあります。これに になります。温度が一定レベルを保つ場合、必要に より、金属製キャビネット内で自然に高レベルの 応じてこの誤差を修正できます。温度の不規則な変 熱が発生しました。これには、日光を遮る屋根を 動を相殺することができなくなり、測定値の信頼性 設置して対処しました。 が低下します。極端な場合には、デバイスが定義さ れた仕様外で動作することもあります。定義された 仕様外では、デバイスのメーカーは、デバイスが正確であるか、または正しく機 能するかさえ完全に保証できなくなります。 温度の上昇は、機器の耐用年数にも影響します。温度のレベルや変動に応じ て、半導体部品や電子部品の耐用年数が大幅に短縮される可能性があります。 コントローラなどのより複雑なシステムは、単純なスイッチングデバイスよりも 温度変動による影響は大きくなります。温度が上昇すると、短期的な故障が発生 したり、非常に短い期間でデバイスが完全に破損したりすることさえあります。 目的：十分な空気の流れを確保する 制御キャビネットは、デバイスの保護に加えて、制御された方法で外部に熱を放 散するために使用されます。これを実行するには、通気孔や金属パネルを介し て放熱するために、熱を制御キャビネットパネルに通す必要があります。インテ リジェントな方法で組み立てられた制御キャビネットでは、この目的の場合は 温度上昇による対流電流だけで十分です。流れがデバイスを通過するだけでな く、デバイスを効果的に冷却できる範囲において、制御キャビネット内に空気の 冷却フローが形成されるために十分なスペースが必要です。これらのことが不 可能であるか、十分でない場合は、アクティブで目標を絞った冷却対策のみが 役立ちます。 受動型の冷却は、500 Wを超える冷却能力が必要な場合に限定されます。 WP 03/2020 | 4
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この場合、密な充填密度により危険なホットスポットが発 コンポーネントを隙間を開けて配置することで、気 生します。 流が向上し、結果としてホットスポットの形成が減少 します。 次の5つのソリューション戦略は、制御キャビネット内の熱の蓄積を調整するの に役立ちます。すべての戦略で、十分な気流を確保する必要があります。これら の戦略は、決して相互に排他的なソリューションとは見なされません。むしろ、 熱に関して安定した制御キャビネットアセンブリを作成するためには、用途に応 じて5つの戦略に応じた対策の組み合わせが必要になります。 制御キャビネットを最適な温度に保つための5つ の戦略 1.デバイストポロジ ■ 従来の水平制御キャビネットアセンブリ 従来の制御キャビネットアセンブリ手順では、デバイスは水平線上に挿入され ます。ケーブルも、水平ケーブルダクト内に配線します。その際には、ケーブル ダクトがデバイスを囲むほど低くならないようにすることが重要です。デバイス から熱を遠ざけるために必要な気流はこうして遮断されます。 ■ 垂直組立て いわゆる「煙突効果」は、デバイスを垂直に組み立てるときに使用できます。暖 かい空気はデバイスの前面で上昇し、それによりデバイスから熱を吸収して、 この熱を制御キャビネットパネルに放出します。 ■ 充填密度 組み立てが垂直または水平であるかどうかにかかわらず、デバイスをブロック 状に組み合わせることをお勧めします。空気はこれらの個々のブロックの側 面を流れることができます。ブロックが長くなるほど、これらの種類のブロック の中央にあるデバイスの温度がより重要になります。 WP 03/2020 | 5
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2.制御キャビネットの設計 ■ ケーブルチャネルのない配線システム 制御キャビネット内のデバイスは通常、DINレ ールまたは他のレールに取り付けられていま す。DINレールまたは他のレールは、制御キャビ ネットの背面パネルの正面にある配線システ ムラックに配置されています。ケーブルは、デバ イス間のケーブルダクトに配線され、多くの場 合、気流を妨げる可能性のある高い障壁を形 成します。 ■ 別の制御キャビネットの概念では、デバイスが 取り付けられている制御キャビネット内にケー ブルチャネルがない配線システムを実現してい ます。ケーブルは、この配線フレームの背後に あるデバイスに直接通されます。これにより、ケ ーブルの配線のみに対するレイヤーが追加さ れます。これらのデバイスは、ケーブルダクトか らの干渉を受けずにフレーム上に配置されて おり、空気の流れによって最適に冷却できます。 これにより、ケーブルダクトによる気流の遮断 デバイスが多数あっても、ケーブルチャネル（AirSTREAM）のない配 線システムを備えたこの概念は、冷却空気が流れる空間を残します。 が回避され、熱が蓄積されなくなります。 対流電流は、ファンやここに示すように空調システムによって補助さ れます。 ■ しかし、この概念では、標準的なインターフェー スデバイス、コントローラ、または電源に12 cm以上の奥行があるため、制御 キャビネットに十分な奥行が必要です。この概念は、従来の受動ファンと能動 的な空調の両方で使用できます。また、温度の極端な影響を制御し、制御キャ ビネットのエネルギー消費量を効果的な改善にも適しています。 WP 03/2020 | 6
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3.換気 ■ ファンのない冷却 熱い空気の対流だけでは、空気の流れは少なくなります。制御キャビネットの サイズと容量、および外部温度の程度によっては、この流れでもデバイスを冷 却するのに十分な場合があります。 ■ ファンによる受動冷却 一般的には、放熱空気を十分に循環させるためには、従来のファンによる換 気が必要です。 ■ エアデフレクタの導入 制御キャビネットの組立てと冷却を専門とする企業 は、制御キャビネット内の冷却気流を臨界点に向ける ために使用できるエアデフレクタも提供しています。こ れにより、熱の臨界点は、目標を定めた方法で吹き払 うことができます。エアデフレクタを使用すると、コスト をかけずに冷却性能を向上させることができます。 ■ 空調による能動的冷却 制御キャビネットのサプライヤは、幅広い冷却オプショ ンを提供しています。空調のほか、水冷マウントプレー トも用意しています。能動的冷却オプションは十分に 普及していますが、制御キャビネットのエネルギー消 費量に悪影響を及ぼします。各戦略を単独で考えない ことが重要です。これは、最も強力な空調システムで さえ、デバイスを冷却できるのは、冷気がデバイスに到 達しないと熱を放散できないためです。さらに、これら の戦略は、空調システムを使用するときの制御キャビ ネットのエネルギー消費量を改善するのにも役立ちま す。 エアデフレクタは、冷却気流が臨界点に到達するように します。 WP 03/2020 | 7
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4.デバイスが発する熱の量と、デバイスが発熱しやす 常に温度の読み取り値を監視してください。 い温度を考慮する 制御キャビネット内の温度変化は、予測が困難な 場合があります。デバイスが誤動作してからでは、 ■ 制御キャビネット内のすべてのデバイスが等しく高 デバイスの冷却を実行するのは遅すぎます。多く 温の影響を受けやすいわけではありません。また、 の場合、この時点で誤った基本的な決定が行わ すべてのデバイスが同量の熱を放出するわけでは れています。この場合、CCMなどの制御キャビネッ ありません。制御キャビネットを設計する際には、 トのモニタが役に立ちます。CCMはキャビネット 各デバイスが発する熱の量とどのくらい熱の影響 の状態監視（Cabinet Condition Monitoring）を意 を受けやすいかを評価し、それに応じて制御キャ 味しています。このデバイスは、温度と湿度の読 ビネット内に配置することが重要です。 み取り値を継続的に記録します。これらの値は、 データロガーに一時的に保存することも、継続 熱の影響を最も受けやすいデバイスはできるだ 的に送信することもできます。特に大型の制御キ け低い位置に取り付け、最も熱を発するデバイス ャビネットには、複数のCCMを取り付けることが はできるだけ高い位置に取り付けてください。熱 できます。これらのCCMが相互接続されている場 は上方に向かうことは周知のとおりです。制御キ 合、1本のケーブルで制御できます。これらのデバ ャビネットの上部にPLCを設置する一般的な戦略 イスは、他のインターフェースデバイスと同様に は、標準的な方法であっても必ずしも最善の方法 DINレールにはめ込まれているだけです。 ではないことを示す一例です。実際には、PLCを制 CCMの詳細 御キャビネットの下部に取り付ける方が合理的で す。これは、ほとんどのPLCの最大動作周囲温度が 55 °Cであり、制御キャビネットの温度が40 °Cの「健全 な」状態でも、非常にきわどい状態になる可能性があ ります。すべての測定デバイスは温度にも敏感です。 高温は測定の精度に影響を与える可能性がありま す。温度に敏感なデバイスは、過熱するデバイスの近く に設置しないでください。過熱するデバイスには、電源 や周波数コンバータがあります。これらのデバイスは 熱に影響を受けるデバイスから十分に離して設置す る必要があります。 可能であれば、より多くの電力を消費するコンポーネ ントを冷気供給の近くに配置してください。エアコン の冷気排出口と熱気抽出の間の距離は変更できない ため、ホットスポットを避けるためにコンポーネントを 配置するときは、この点を考慮する必要があります。 ファンやエアコンを使用する場合は、気流の短絡（狭い範囲 で空気が循環する現象）の発生を防ぐことが重要です。最初 の矢印はファンを示し、2番目の矢印は気流の短絡を示しま す。 WP 03/2020 | 8
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5.接続およびリンク技術 ■ ケーブルの太さ ケーブル内の熱の蓄積は、ケーブルが十分に太くなることで調整できます。細 いケーブルに流れる電流が多すぎると、ケーブルの抵抗が高くなり、熱が大量 に蓄積します。また、常に適切なケーブル長を選択する必要があります。ケーブ ルが長いほど抵抗が高くなり、より多くの熱が発生します。一方、長すぎるケー ブルをループ状に敷設すると、換気を妨げる可能性があります。 ■ ねじ式端子またはスプリング式端子 ねじ端子が正しく締め付けられていないと、遷移抵抗が発生し、熱が発生しま す。これにより、端子または絶縁体が過熱する可能性があります。スプリング式 端子は、ケーブルのスプリング圧力を比較的一定に保つことができるため便 利です。通常、ケーブルを取り外すと完全に分離されます。 まとめ これらすべての戦略を考慮に入れても、制御キャビネットのメーカーは、制御キ ャビネット内のエネルギー密度を無計画に高めることはできないことを考慮す る必要があります。上記のように、熱の蓄積とこれに伴うすべての悪影響に加え て、導入により消費するエネルギーの量と費用対効果も考慮する必要がありま す。 WP 03/2020 | 9
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制御キャビネット組立て時の注意事項 実行すること 実行しないこと ■ 温度に影響を受けやすいデバイスをできるだけ ■ PLCなど温度に影響を受けやすいデバイスや測 下部に設置する 定デバイスを、高温になるデバイス（電源ユニッ ■ すべてのデバイスの周囲に冷却気流が発生し、 トや周波数コンバータなど非常に）の隣に設置 流れることを確認する する ■ 空気が流れるよう小さなブロックを形成する ■ 熱が蓄積しないようにする ■ できる限り間隔を空けてデバイスを設置する ■ ケーブルをループ状に敷設する（換気を妨げる ■ 細いケーブルはより熱が発生するため、十分な ため） サイズのケーブルを使用する 著者|Klaus Ebinger、製品管理インターフェース技術担当ディレクター ソース/画像： Leitfaden Energieeeffiziente Schaltschrankklimatisierung（エネルギー効率 の高いスイッチキャビネット空調のガイドライン）、Friedrich L ü tze GmbH お問い合わせ Hans Turck GmbH & Co. KG | 45466 Mülheim an der Ruhr, Germany T +49 208 4952-0 | F +49 208 4952-264 | contact@turck.com Over 30 subsidiaries and 60 representatives worldwide! Whitepaper | 03/2020 www.turck.com