DINレール電源における熱および負荷ディレーティングの理解

2025/05/23
問題のある産業用電源装置
効率的な電源動作は、熱と負荷条件の管理に依存します。このブログでは、信頼性を向上させるための熱ディレーティング、対流冷却、およびPCB設計戦略について紹介します。RECOMのRACPRO1 DINレール電源が産業用アプリケーションにおいて、優れた自然冷却を実現するために煙突効果をどのように活用しているかを学びましょう。

目次

温度と負荷条件が重要な理由

電源装置（PSU）は、現代の電子機器における縁の下の力持ちであり、主電源電圧を安定した使用可能な電力に静かに変換しています。産業用制御パネルやオートメーションシステムでは、DINレールマウント電源が信頼性が高く効率的な電力供給のための定番ソリューションとなっています。他の電子部品やデバイスと同様に、PSUは真空中では動作しません。環境要因、特に周囲温度がPSUの性能に影響を与える可能性があります。

熱ディレーティングは、産業用およびオートメーションアプリケーション向けの電源設計において、よく取り上げられる重要なテーマとなっています。このブログでは、周囲温度、負荷ディレーティング、自然対流冷却と強制空冷、およびPSUにおけるPCBレイアウトの重要性など、熱ディレーティングの基礎について説明します。

周囲温度とは？

基本から始めましょう。「周囲温度」とは、機器を取り巻く空気の温度を指します。DINレール電源装置が電気キャビネット内に取り付けられている場合、これはPSUケーシングや外部の室温ではなく、キャビネット内部の温度を指します。この区別は重要です。なぜなら、PSUの放熱能力はその構成部品と周囲の空気との温度差に依存するからです。周囲温度が高い場合、PSUは効果的に冷却することができず、熱ストレスの原因となります。

熱ディレーティングとは？

「熱ディレーティング」とは、周囲温度の上昇に伴って電源装置の最大出力を低減することを指します。これは過熱を防ぐための安全対策です。すべてのPSUには、安全に動作できる熱範囲があります。例えば、ある装置は50°Cまでは定格出力の100%を供給できますが、それを超えると出力を下げる必要があります。例えば70°Cでは50%まで線形に低下させる必要があります。熱ディレーティングを無視すると、過熱、寿命の低下、熱遮断、さらには致命的な故障を引き起こす可能性があります。

負荷ディレーティングとは？

負荷ディレーティングは、熱ディレーティングを含むより広い概念で、出力電力の低下は以下のような他の要因によっても生じます：

  • 高度（空気が薄い = 冷却効果が低下）
  • 不十分な換気
  • 入力電圧（例えば、入力電圧が低下すると出力電流が減少するPSUもあります）

本質的に、熱ディレーティングは温度上昇によって引き起こされる負荷ディレーティングの一種です。

対流冷却 vs. 強制空冷

電子部品を冷却する方法は主に2つあります：

  • 対流冷却：自然な空気の流れに依存します。この冷却方式は静かで、シンプルで、可動部分がありません。
  • 強制空冷：ファンを使用して部品に空気を送り込む、または引き出します。この冷却方式は熱の除去に効果的ですが、欠点があります。

ファンは騒音を発生させる可能性があります。故障する可能性のある可動部分があり、適切なフィルター（これ自体の清掃やメンテナンスが必要）がない場合、システム内にほこりを吸い込んだり吹き込んだりする傾向があります。そのほこりが部品に堆積して断熱層となり、冷却効率を低下させ、長期的な損傷を引き起こす可能性があります。筐体全体にファンを設置することはありますが、DINレールPSUは内部ファンを必要としないように設計すべきです。なぜなら、これにより設置が簡単になり、コストが削減され、信頼性が向上するからです。

煙突効果とは？

煙突効果（スタック効果とも呼ばれる）は、煙突、建物、電子機器の筐体内などで見られる、二つの垂直な領域間の温度差によって空気の移動が引き起こされる現象です。仕組みは次のとおりです。暖かい空気は冷たい空気より密度が低いため、自然と上昇します。暖かい空気が筐体（または煙突）の上部から抜けると、底部に低圧領域が生成されます。この低圧により下部から冷たい空気が引き込まれ、継続的な上向きの気流が生まれます。

電源装置では、煙突効果を利用してパッシブ冷却を実現できます。パワートランジスタやトランスなどの発熱部品により、電源装置内部の空気が暖められて上昇します。上部の通気口から熱い空気が排出され、下部の通気口から冷たい空気が引き込まれることで、装置内に自然対流の気流が維持されます。ファンなどの経時劣化する能動部品への依存を減らすことで、煙突効果を利用したパッシブ冷却は保守性と信頼性を向上させます。ファンを使用せずに過剰な熱を除去することで、煙突効果はエネルギー消費とノイズを低減します。

PCBレイアウトの役割とは？

プリント基板（PCB）のレイアウトは、電源装置（PSU）の熱管理効率に大きな影響を与えます。優れた熱設計には以下が含まれます：

  • 発熱部品の戦略的な配置。
  • 熱拡散のための広い銅箔面積。
  • 発熱部品間の適切な間隔。
  • 煙突効果を促進し気流を促す、考慮された部品の高さと方向。

これらの選択により、パッシブ冷却が改善され、部品の寿命が延長されます。

高性能RACPRO1 DINレール電源

煙突効果を活用したRACPRO1 DINレール電源
図1：RACPRO1 DINレール電源は、煙突効果を最大限に活用するよう設計されています。
DINレール電源を選択する際、デレーティングを理解することが重要です。単に銘板の電流定格を確認するだけでは不十分です。実際の運用環境におけるPSUの動作条件を考慮する必要があります。例えば、オートメーションや産業用システムの場合、PSUは他の発熱装置の隣に設置されますか？PSUが設置されるキャビネットは、施設や工場の高温のエリアに置かれますか？十分な空気の流れは確保されていますか？

最も要求の厳しい産業用途に対応するため、当社はこのほど、RACPRO1シリーズのDINレール電源を発表しました。RACPRO1-T240、-T480、-T960は、それぞれ240ワット、480ワット、960ワットを供給します。RECOMのデータシートにはRACPRO1シリーズの明確なデレーティング曲線が記載されています。これにより、エンジニアは適切な余裕を持つPSUを選択でき、早期シャットダウンや故障のない信頼性の高い運用が確保できます。

RACPRO1 DINレールPSUは、煙突効果設計原理の実践的な優れた例です。内部部品は2つの垂直な煙突を形成するように配置されています。熱が上昇すると、これらのチャネルを通じて空気が引き込まれ、部品を冷却します。この煙突効果の巧みな活用により、RACPRO1シリーズは強制空冷ではなく対流冷却に依存して動作します。RACPRO1 PSUは、暖かい密閉環境でも高い信頼性と効率を発揮します。これは、RACPRO1シリーズが産業用DINレールPSUの新たな基準を確立する方法の一つに過ぎません。

追加リソース

RECOM AC/DC、DC/DC、およびEMCの知識の本は、AC/DC電源の設計を成功させるために必要な経験と知識を幅広く集めたものです。

RECOMのAC/DC電源のエネルギー効率：エッセンシャルクイックガイドブログでは、エコデザイン規制についてわかりやすく紹介しています。これは、製品がそのライフサイクル全体を通じて環境への影響を最小限に抑えるように設計されていることを保証するために、政府または規制機関が定めた一連の規格やガイドラインです。これらの規制は主に、廃棄物、排出物、資源消費を削減することによってエネルギー効率を改善し、持続可能性を促進することに焦点を当てています。

RACPRO1ページでは、この新しい魅力的なDINレールマウント電源ファミリーについての詳細情報をご覧いただけます。
アプリケーション
  Series
1 AC/DC, 240 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T240 Series
Focus New
  • Slim Design (43mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • Active Inrush Current Limitation
  • 2-phase AC operation 2x350V to 2x575V
2 AC/DC, 480 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T480 Series
Focus New
  • Slim Design (52mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation
  • DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s
3 AC/DC, 960 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T960 Series
Focus New
  • Slim Design (80mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation
  • DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s