信頼性が高く効率的なHVAC設計でのパワーリレーの重要性

パワーリレーは、サーモスタットやコントローラが実際の電力を動かすことができる、静かで重要な仲介者と言えます。コンプレッサーが始動、ファンが回転、ヒートストリップがオンになる、またはヒートポンプが流れを逆転させるその度に、リレーはそれぞれの状態間でクリーンで、繰り返し可能で、安全な遷移を行う必要があります。HVACシステムには、高い突入電流、頻繁なサイクリング、広い周囲温度変動、大量の水分が伴うため、リレーの選択と適用は、快適性、効率、そして長期的な信頼性に非常に大きな影響を与えます。夏季、電化、改造のインセンティブによって冷却ポンプとヒートポンプの展開が拡大するにつれ、より多くの機器とより厳しい信頼性が期待されています。信頼性だけでなく、SEER、HSPF、その他のローカルエネルギーコードなどの効率目標が、設計者にスタンバイドローを制限し、ボードレベルで損失を減らし、接触摩耗を管理して、システムが時間の経過とともに効率を維持できるように促します。

最初から地域差を議論することが大事です。HVAC設計は、主電源の電圧と周波数、制御規則、環境定格、規制フレームワークが異なる多くの様々な市場で販売されています。国ごとのルールを細かく説明するのではなく、もっと幅広い内容でリレーの選択と統合に影響を与える最も一般的なバリエーションについて注目していきます。貴社の製品が複数の地域に出荷される場合は、設計プロセスの遅れで再設計する必要がないように、リレーの選択とPCB間隔を最も要求の厳しい要件に合わせましょう。始めるには、Same Skyの幅広いパワーリレーと信号リレーをご覧ください。リレーとパワーリレーに関するブログも役に立ちます。

HVACシステム用リレーの概要

前述のように、リレーは、低電力制御信号と高電力電気負荷との間のブリッジとして機能します。リレーは通常、コンプレッサーなどの大きな負荷用のパネルマウントコンタクターか、屋内ファン、ヒーター、小型モーターを切り替えるPCBマウントリレーのいずれかです。パネルマウント型リレーとPCBマウントリレーはいずれも、多くの場合、過酷な環境条件で、数百万サイクルにわたって確実に動作する必要があります。

制御電圧は、設計や地域によって異なります。多くの北米のシステムでは、小型変圧器から派生した24ボルトAC制御ループが長年にわたって標準となっています。しかし、現代のインバータ駆動システムは、制御基板から直接リレーコイルに通電するために、5Vまたは12Vなどの低電圧DCロジックに依存していることがよくあります。他の地域では全く異なる慣習となるかもしれません。つまり、エンジニアは、一貫した性能を確保するために、コイル定格、ピックアップ電圧とドロップアウト電圧、電圧低下条件下での許容差を慎重に確認する必要があります。リレーは単純なコンポーネントのように見えますが、コイルタイプ、接点材料、フォームファクタの選択は、HVACユニットの寿命全体にわたる全体的な効率、保守性、信頼性に直接影響します。

HVACでリレーが直面する最大の課題の1つは、高突入電流です。モーター、特にコンプレッサー、コンデンサーファンモーター、屋内ブロワーモーターは、始動直後に定格全負荷電流の5～8倍以上を消費できます。この突入電流は、リレー接点に大きなストレスを与えます。クローズしている間、その接点は、接点が接近しているが完全には接触していない時に、電気アークがギャップを横切って形成される間、電流のサージを搬送することを強制されます。アークは接触面を侵食し、抵抗を高め、リレーの寿命を縮める熱を発生させる可能性があります。接点がわずかに跳ね返ると、アークが長くなり、強くなり、摩耗がさらに加速します。このため、酸化銀スズなどの接触材料は、誘導負荷下での溶接や浸食に抵抗することから好まれています。Same Skyでは、HVACやその他のアプリケーション向けに、さまざまなスイッチング電圧でのさまざまな電力リレーを提供しています。

固定速度コンプレッサーシステムでは、この突入電流はすべての始動で発生し、これらの条件下での耐久性を主要な設計要件にします。インバーター駆動のコンプレッサーには、独自の課題があります。これらのコンプレッサーは徐々に起動するため、突入電流ははるかに低く、メインコンタクタのストレスを軽減します。しかし、その需要は、逆転バルブ、ヒーター、ポンプ、頻繁に循環する他の品目などの二次機能を制御するリレーにシフトしています。RCスナバやバリスタなどの適切な抑制ネットワークなしでは、小さな誘導負荷でも電圧スパイクが発生するため、さらに小さなリレーを慎重に選択する必要があります。

HVACシステム内のどこでリレーが使用されるか

コンプレッサーコンタクター以外にも、リレーはHVAC設計全体に使用されています。コンデンサーファンモーターと屋内ブロワーモーターは、頻繁な始動の機械的負荷と誘導電流の電気的ストレスの両方を処理するリレーを介してスイッチされることがよくあります。これらのモーターはコンプレッサーよりも小型ですが、本体寿命にわたって繰り返されるサイクルは、接触摩耗とコイル耐久性の重要な設計上の考慮事項になります。

ヒートポンプは、もうひとつの重要な用途、逆転バルブソレノイドを追加します。この比較的小さいながらも重要な負荷により、冷媒の流れの方向を決定し、システムを加熱から冷却に切り替え、戻します。リレーを駆動するリレーは、有害な圧力スパイクを避けるために、信頼性の高いタイミングとクリーンな遷移で動作する必要があります。さらに、HVACシステムは、冷媒の移動を防止するクランクケースヒーターや、非常に寒い天候で補助的な加熱を提供する補助ヒートストリップなど、抵抗発熱体を制御するためにリレーに頼ることがよくあります。これらのストリップヒーターは、それぞれ数キロワット単位で段付けすることができ、過度の温度上昇なしに高い連続電流を処理することができるリレーを必要とします。凝縮水ポンプや加湿器の操作など、小規模ながらも重要なタスクもリレーに依存しており、これらの装置がHVACシステムにとってどの程度中心的であるかを示しています。

HVACのリレー設計に関する考慮事項と懸念事項

電気性能は、設計に関する最初の考慮事項です。リレーは、連続電流だけでなく、モーター駆動負荷で一般的な高電流スパイクについても定格する必要があります。突入電流に加えて、機械的なブロックがモーターの回転を妨げると、ロックされたローターアンペア数（LRA）として知られる電流が大幅に増加します。あまり一般的ではありませんが、これらのより長いイベントは、HVACシステムの配線、電子機器、リレーに多大な負担をかける可能性があるため、設計に組み込む必要があります。最後に、接点が開いたときのブレークイベントは、しばしば最も過酷な状態であり、先に議論したアーク放電につながる可能性があります。

電気性能は最重要事項ですが、環境条件は無視できません。HVAC機器は、夏の屋上の暑さから露出した場所での冬の吹雪まで動作します。リレーは、湿度、結露、または空気中の汚染物質が存在する場合、-40°C未満から60°C以上の周囲温度で確実に動作する必要があります。これにより、絶縁、シーリング、材料選択が重要になります。

制御電圧の規則は、同じ市場内でも大きく異なります。北米のほとんどのユニットは依然として24Vac制御ループを使用していますが、他の設計では低電圧DC制御を採用して、一部の高電圧システムは主電源レベルのロジックから直接リレーを駆動します。それぞれのアプローチは、コイルの設計、ピックアップやドロップアウトの動作、効率に影響を与えます。信頼性も、もう一つの絶え間ない懸念です。HVACリレーは、機械的な劣化と電気的な劣化の両方を加速する誘導負荷で、頻繁なサイクルに耐える必要があります。最後に、UL規格やIEC規格などの規制要件により、最小安全マージン、沿面距離、クリアランス距離、可燃性定格が規定されています。リレーの選択は、後期段階のコンプライアンス問題を回避するために、これらのフレームワークと整合させる必要があります。

空気源ヒートポンプ設計に関する課題

空気源ヒートポンプは、リレーの需要を増加させるという独自の課題を提示します。主な機能は、逆止弁で冷却と加熱を交互に切り替えることです。各状態変化はコンプレッサーやファンと調整する必要があり、タイミングはより困難になります。補助電気ストリップヒーターはヒートポンプでも一般的で、冷媒サイクルだけでは快適さを提供するために屋外条件が寒すぎる場合にオンになります。これらのヒータを管理するリレーは、数十アンペアの連続電流を引き込むことができる大きな抵抗負荷を処理する必要があります。

霜取りのサイクルはさらに複雑になります。寒冷な気候では、屋外コイルが氷上になり、システムは一時的に冷却モードに逆転して霜を溶かす必要があり、さらに多くの状態変化が必要になります。このサイクルの間、リレーはコンプレッサー、ファン、ヒーターを正確な順序で切り替え、屋外の霜を確実に除去しながら屋内の快適さを維持します。低温環境ではコンプレッサーの始動電流も増加し、固定速度設計を使用すると接点により高い応力がかかります。最新の効率基準を満たすため、多くのシステムは、スタンバイ消費を削減するために、制御ボード上の低消費電力コイル設計またはラッチリレーに移行しています。しかし、設計者やエンジニアは、ラッチリレーがリレー自身のコイル電力を減少させる一方で、逆止弁ソレノイドなどの制御されたデバイスに必要な保持電力を減少させるものではないことを覚えておく必要があります。

HVAC用リレー選択のチェックリスト

HVACリレーの要件は複雑ですが、簡単なチェックリストがプロセスの指針となります。

• モータ電源、抵抗ヒーター負荷、個別のメイク/ブレーク定格、および突入またはロックされたロータアンペア数を含む負荷を確認します。
• 120Vacや240Vac、24Vac、DC、単相または3相の電圧と周波数要件を確認してください。所在する地域で最も一般的な電圧と周波数が何であれ、これらのニーズを満たすことを確認してください。
• 予想される周囲温度とエンクロージャの状態を評価し、リレーだけでなく、すべての電子コンポーネントに対して絶縁とシールを選択します。
• UL規格やIEC規格などの規制要件に準拠していることを確認します。
• リレーが現場で交換可能かどうか、技術者がそれらとどのようにやり取りするかなど、保守性を考慮します。
• コイルタイプが動作モードと一致し、コイルの電力要件が制御システムが供給できるものと一致していることを確認してください。

結論

リレーの選択はHVAC設計のほんの一側面に過ぎませんが、重要です。リレーの選択は、エネルギー効率、規制基準への準拠、現場での機器の保守点検の容易さに影響します。HVACの導入が世界的に増加し、効率基準がますます厳しくなる中、設計者はリレーを後で対処すべきものとして扱うべきではありません。慎重に選択することで、今日の気候需要を満たすことができる静かで信頼性が高く、効率的なシステムを確保しながら、長年にわたる過酷なサービスに耐えることができます。Same Skyのさまざまなパワーリレーの幅広いセレクションは、この成長を続けるが要求の厳しい分野で成功する高品質の選択肢を幅広く提供します。

主な取り組み

• パワーリレーはHVACの性能にとって極めて重要です。低電力制御信号とコンプレッサー、ファン、ヒーターなどの高電力負荷をブリッジします。
• 信頼性も大切です。リレーは高突入電流、頻繁なサイクリング、過酷な環境条件に耐える必要があります。
• 効率規格はリレー設計を推進します。低損失で耐久性のあるリレーを選択することで、SEER、HSPF、ローカルエネルギーコードのコンプライアンスを維持できます。
• 地域差は選択に影響します。電圧、周波数、規制の枠組みはさまざまであるため、最も要求の厳しい要件に合わせて設計します。
• 材質の選択は耐久性に影響します。酸化銀接点は、誘導負荷の溶接、アーク放電、浸食に耐性があります。
• ヒートポンプがあるとより複雑になります。リレーは逆転バルブ、補助ヒーター、霜取りサイクルを管理し、正確なタイミングと耐久性が必要です。
• チェックリストアプローチは、エンジニアが負荷、制御電圧、環境、コンプライアンス、保守性を見直し、長期的な信頼性を確保するのに役立ちます。