シャーシのシステム設計にファンをどのように選択するか？

I.プロジェクトの背景

高密度にパッケージされた電子筐体システムのほとんどは、強制空冷のためにファンまたはドラムファンを使用しています。小型のシャーシシステムでは、通常、気流がファンブレードに垂直な軸流冷却ファンを使用します。しかし、大型のシャーシシステムでは、高い静圧で十分なエアフローを提供するために遠心ドラムファンが必要になる場合があります。

シャーシシステム設計の初期段階で、エンジニアは強制空冷エアフロー要件の予測を決定する必要があります。さらに重要なことは、製品設計の段階で、熱を発生するコンポーネントに良好なエアフローを提供し、冷却ファンに十分なスペースと電力を確保することです。

ファンの選択で考慮すべき要素には、必要な風量、ACまたはDC電源、電圧、速度、寿命、EMI/RFI、放熱、自動再起動、ノイズの影響などがある。

製品設計の初期段階は、筐体システムの換気と冷却に必要な風量を予測することであり、これは筐体システム内で発生する熱とデバイスの最大許容温度上昇に大きく依存する。

シャーシシステム内の熱放散を見積もるときは、デバイス負荷の変化または発熱サブシャーシシステムの熱放散の増加の可能性を考慮する必要があります。したがって、最大放熱量を使用してシャーシシステムに必要なエアフローを見積もるには、シャーシシシステ ムが完全に負荷された場合の最悪のシナリオを使用する必要があります。

シャーシシステムに必要なエアフローは、以下の式またはチャートから求めることができます。

ここだよ。

Q=1.76W/T

Q = 必要風量（単位：立方フィート/分）

W = 熱消費量（ワット）。

TC = 温度上昇

たとえば、200Wの熱を消費するシャーシシステムの場合、その許容温度上昇が20℃であれば、シャーシシステムは17.6cfmのエアフローを必要とします。

下図では、縦軸が代表的な気流によって運び去られる放熱量、横軸が気流の風量を表し、両軸は対数である。傾斜線は温度上昇（℃）を表す。グラフを調べて、許容温度上昇を表す対角線を見つけ、その線上で熱放散に対応する点を見つける。この点に対応する横軸の位置が、エンクロージャーシステムに必要な風量である。

次に、シャーシのシステム・インピーダンス。

エンクロージャーシステム内にファンをどのように設置するかを決定することは、必要なエアフローを計算するよりもはるかに難しい。気流経路に障害物があると静圧抵抗が生じます。下のグラフは、典型的なファンの気流と静圧の非線形関係を示しています。最大風量を得るためには、障害物を最小限に抑える必要があります。しかし、冷却が必要なコンポーネントに冷却気流を導くために、追加のバッフルが必要な場合もあります。もちろん、シャーシシステムコンポーネント自体がエアフローを妨げたり、エアフローを誘導したりすることもあります。

気流の流量を求める実験方法は非常に正確であるが、試験にはコストと時間がかかり、面倒である。さらに、測定を行うための大きな気流チャンバーを見つけることはほとんど不可能である。

実際には、気流抵抗の推定には経験的な方法が一般的に用いられている。経験則によると

空箱は通常5%から20%の風量を減少させる。

密なエンクロージャーシステムは、60%以上のエアフローを減少させる可能性があります。

水中では、ほとんどの電子エンクロージャー・システムの静圧は水柱の0.05～0.15インチです。

密なシャーシシステムエンクロージャの場合、前述の例のファンは、32 cfmではなく、80 cfmの空気を供給できるはずです。

III.気流と静圧の測定

AMCA標準210デュアル気流チャンバーは、気流量と静圧を正確に測定するために使用できます。

方程式と変数のリスト

Q: 気流 = 写真

C.ノズル気流係数

D：ノズル径（m）

r:空気密度＝写真

T: 温度 (℃)

P：空気圧（mmHg）

Pn：気流差圧（mm Aq）

Ps：静圧（mm Aq）

g:写真

最大静圧と最大風量の測定は別々に行う必要があります。

最大静圧の測定：ノズルが閉じられると、チャンバーA内の圧力は最大値に達する。圧力差Psはファンによって到達可能な最大静圧を表す。

最大風量の測定：ノズルを開き、補助ブロワーファンを使用してチャンバーA内の圧力をPs＝0に下げる。その後、Pn、Dおよび上記の気流方程式を使用して最大気流を計算することができる。Qは、ファンが自由空気中で達成できる最大流量を表す。

四、シャシーシステムのファン作業ポイントとエアダクトの推奨事項

ファンの性能は、シャーシシステムの空気抵抗PQ特性曲線とファンのP-Q特性曲 線の交点によって決定される。ファン特性曲線については、気流と静圧の測定の項で説明する。シャーシシステムの構造が固定されている場合、シャーシシステムのPQ特性曲線は固定される。この特性曲線は、特定の障害物および内部抵抗のあるシャーシシステム内を空気がどのように流れるかを示している。流動抵抗は体積流量の2乗にほぼ比例する。したがって、シャーシシステムにおける静圧対気流のグラフは、二次放物線状になります。この曲線は、さまざまな気流速度で筐体システムの入口と出口間の圧力差をテストすることにより、実験的に簡単に求めることができます。

ファンのポテンシャルをフルに発揮するには、ファンの最適な配置を設計し、シャーシシステムのエアダクトを最適化する必要があります。そうでなければ、特徴的なファンカーブが抑制され、その結果、エアフローが減少します。シャーシシステムの抵抗損失を最小化するためのシャーシシステムエアダクトに関する推奨事項を以下に示す。

これらの計算または推奨は4715シリーズファンを基にしていますが、他のファンにも適用できます。以下のグラフは、ファンの吸気口または排気口の近くに障害物がある場合に発生するファン特性曲線の圧縮を示しています。Xはファンから障害物までの距離です。

空気圧を測定するプローブは、出口に設置すると抵抗損失が少なくなり、ノイズが大きくなります。ファン入口付近に障害物を置くと、ファン出口に障害物を置くよりもノイズが大きくなる場合があります。

五、扇風機を選ぶ。

必要な風量を見積もることで、特定のファンを選択することができます。まず、ファンがAC電源とDC電源のどちらを使用するかを検討する。DCファンはコストが高いため、シャーシシステムではほとんどACファンしか使用されていません。この価格差がなくなった現在では、DCファンの多くの利点により、DCファンが最良の選択となっています。DCファンの利点の1つは寿命が長いことで、もう1つは消費電力がACファンより60％近く低いことです。業界の専門家によると、ファンの温度が10℃上昇すると、寿命が20,000時間も短くなるという。

もうひとつの選択要因は、DCファンの回転数が電圧に正比例するため、必要な風量で運転できることだ。しかし、通常、ファンは最高回転数以下で運転され、その分、静かでパワーも弱い。

DCファンのその他の利点としては、ACファンよりもEMIやRFIが低いことが挙げられます。さらに、ACファンの場合、設計者は幅広い電源電圧と周波数に対応しなければなりません。DCファンを使用すれば、こうした問題はなくなります。全体的に、DCファンの使用はACファンよりも簡単です。

ほとんどのDCファンには12Vと24Vの両方があります。電圧が高い方が電流が少なく、消費電力が少ないため好まれます。

ファンから発生する騒音の周波数と振幅は、回転数が上がるにつれて大きくなります。選択の余地がある場合は、ノイズを低減するために低速回転のモーターを選択してください。

シャーシシステムのエアフロー要件と静圧を見積もった後、適切な冷却エアフローを提供するファンを選択するために、サプライヤーが提供するファンのPQ曲線を参照することができます。ファンの真のPQ性能曲線は、示された公称曲線の性能から10%も異なる場合があるため、エンジニアはこれらの曲線を注意して使用する必要があります。

適切に設定されていない自由空気中でファンの性能データをテストすると、いくつかの誤差が生じることがある。このような誤差は水柱のおよそ0.05～0.15インチの間である。

騒音はファンの冷却には影響しませんが、シャーシシステムとユーザーにとっては非常に重要です。可能な限り静かなファンを選択し、ファンノイズを低減するための措置を講じる必要があります。

ノイズを減らす一つの方法は、できるだけ大きなファンを使うことです。与えられた風量に対して、大きなサイズのファンは低速で回転するため、騒音が小さくなります。

上述したように、DCファンはACファンよりもEMIやRFIの発生がはるかに少ない。日常的な用途では、ファンからのEMIやRFIは問題になりません。しかし、機器が干渉の影響を受けやすい環境で動作している場合、EMIとRFIが深刻な問題となることがあります。

6、ファンの生活

ベアリングの摩耗はファンの寿命に大きく影響します。ほとんどのファンメーカーは同じようなベアリングを使っているので、ベアリングに大きな違いはありません。ほとんどのメーカーは50,000時間の寿命を約束しており、週40時間とすると、これは25年に相当する。したがって、ファンは冷却する機器よりも長持ちする可能性が高い。前述したように、ファンの温度は、温度が上昇するにつれて大幅に低下する。

ULは、ファンが72時間（ACファンは15日間）ローターがロックした状態でも損傷を与えず、過熱しないことを要求しています。また、ローターがロックした原因を取り除いた後、ファンを再始動させ、適切に動作させることができなければならない。

インピーダンスはACファン巻線の電流を制限するが、DCファンでは故障時に電流を制限するためにローターに電子ロックをかける必要がある。現在、いくつかのタイプの保護が使用されていますが、すべてが自動再起動を提供するわけではありません。シャーシのシステム設計者は、障害物を取り除いた後にDCファンが自動的に再起動するよう、ファン保護タイプを慎重に評価する必要があります。また、保護エンクロージャーシステムが断続的な停電時にも良好に動作することを確認する必要があります。

7、吸気（ブロワー）か排気（エクストラクション）か？

設計者は、シャーシシステムから熱気を排気するファンを取り付けるか、シャーシシステムに冷気を吹き込むファンを取り付けるかを選択できます。理論的には、熱を放散させるために使用される空気の量は、排気される場合も吹き出される場合も同じです。しかし実際には、それぞれの配置に利点と欠点があります。ファンに吸い込まれる空気は層流です。層流パターンは、気流の速度をシャーシシステム全体に均等に分散させます。これは、滞留空気（渦領域）や局所的な温度ホットスポットをなくすために重要です。

ファンから出る空気は乱流である。乱流気流の熱伝達は、同じ体積流で層流の2倍になることがある。しかし、一般に、ファン排気口付近の乱流気流の面積は非常に限られているため、エンクロージャーシステム全体のためにうまく設計された気流経路を開発することが重要である。排気口の面積は、ファン開口部より少なくとも50%大きくする必要がある。

ファン内の空気の再循環、すなわちファン出口からの高温空気の逆流をなくすように注意しなければならない。気流の再循環の問題により、多くの気流冷却特性が失われる可能性がある。バッフルを使用することで、空気の再循環逆流現象をなくすことができる。気流の経路は、最も抵抗の少ない経路でなければならない。

エンクロージャーシステム内のサブアセンブリーやコンポーネントは、気流が直接冷却できる場所に配置し、自然対流冷却を利用できるようにする。小型機器への気流を妨げるような大型部品の配置は避ける。必要であれば、バッフルを使用して気流を高温の機器に導く必要があります。

換気ファンによってエンクロージャーシステム内の圧力が低下し、密閉されたエンクロージャーシステムのすべての通気口や亀裂を通して、空気中のほこりがエンクロージャーシステム内に吸い込まれる可能性があります。

シャーシシステムで埃の除去が必要な場合は、シャーシシステムに送風するファン、すなわちドラムファンを使用するのが最善です。この構成では、ファン入口のフィルターが流入空気からほこりを除去します。もう1つの利点は、シャーシシステム内に正の気流圧力ゾーンが生成されることです。この方法では、周囲の環境からシャーシシステム内にほこりが流入することはありませんが、蓄積したほこりを除去するために定期的にフィルターを交換する必要があります。埃が蓄積すると、エアフローが著しく制限され、シャーシシステム内の空気やデバイスの温度が上昇する可能性があります。

ブロワーファンのもう一つの欠点は、ファンモーターから発生する熱がシャーシシステム内部に入り込み、必然的に冷却効率が低下することである。このような理由から、温度に敏感なデバイスや耐熱性のないデバイスは、ファン吸入口の近くに配置する必要があります。

多くの用途において、換気扇の代わりに送風ファンを使用することで、ファンの寿命を2倍から3倍にすることができる。熱風はファンを通過し、必然的にファンの寿命に影響を与えるが、吸気温度が25℃のブロワーファンは抽気ファンよりはるかに長い寿命を持つ。NMBの "Warranty Statement "および "Fan Life Derating Curve "に示されているように、温度の低下はファン寿命に大きな影響を与える。

8、騒音への影響

ほとんどの設計では、静かなシャーシシステムを求めるユーザーのニーズに応えるため、ファンノイズを最小限に抑える必要があります。そのため、必然的にシャーシシステムの小型化と動作性能の向上が求められますが、いずれもシャーシシステムを通過するエアフローの需要を増大させ、その結果、騒音が増大します。

機械ノイズは、ベアリングの振動やブレードのアンバランスな回転によって発生します。この振動周波数がシャーシシステムの共振周波数と一致すると、耐えられないレベル、破壊的なレベルまで増幅される可能性があります。モーターモーターもノイズを発生させますが、これは冷却エンクロージャーシステムから発生するノイズのごく一部です。

これらのノイズ成分はすべて、ファン設計に固有のものであり、シャーシシステム設計者がほとんどコントロールできないものです。しかし、シャーシシステム設計者がノイズを最小限に抑えるのに役立ついくつかの詳細や提案があります。

風速の速い場所に障害物を置かないでください。

防振装置を使用して、ファンからシャーシシステムへの機械的ノイズの伝達を排除してください。

シャーシシステムの共振周波数を制御するために、補強構造を使用する。

ファンをシャーシシステムの外面ではなく内面に取り付けてください。

ファン吸入口付近に障害物がある場合、ファン吐出口付近に障害物がある場合よりも騒音が大きくなります。

設計者は、異なるファンメーカーの騒音仕様を比較する際には十分な注意を払う必要があります。標準的な騒音測定方法が提案されていますが、すべてのファンメーカーやユーザーに受け入れられているわけではありません。

9、複数のファンの共同使用

最善を尽くしても、設計完了後に「余分な冷却」が発生する場合があります。このような状況に対処するには、まず、特定のサイズの低風量ファンまたは中風量ファンを選択する必要があります。その後、より多くの冷却風が必要になれば、既存のファンを交換するのは簡単です。

対照的に、ファン性能の初期選択が高い場合、「余分な冷却」を考慮する必要があり、シャーシシステムの構造レイアウトを再設計する必要がある。

追加冷却を検討し、同じサイズの高性能ファンを使用できない場合、4つのオプションが考えられる。

シャーシシステム内のエアフローを改善する。

シャーシシステムを再設計し、より大きなファンを使用する。

2つ以上のファンを並列に使用するようにシャーシシステムを変更する。

2つ以上のファンシリーズを使用するようにシャーシシステムを変更する。

多くの場合、シャーシシステム内のエアフローを改善するか、通気口の位置またはサイズを変更することで、適切な冷却を追加できます。エアフローを変更しても改善できない場合は、シャーシシステムを変更し、より大きなファンを使用できるようにするのが望ましい解決策です。これにより、シャーシシステムの要件に適合するファンを選択できます。ただし、このオプションが不可能な場合もあります。十分な性能を持つファンが入手できない場合や、サイズの制約により大型のファンが禁止されている場合があります。このような状況では、1つまたは複数のファンを追加する必要があります。

場合によっては、追加のファンを使用してシャーシシステム内のエアフローを増加させます。さらに、シャーシシステムの信頼性を向上させるために、スタンバイファンを設計することもできます。

しかし、ファンの増設は問題を引き起こす可能性がある。コストが2倍になり、騒音も2倍になり、ファンから発生する熱も2倍になり、システムの冷却はほとんど改善されないかもしれない。

風力タービンパラレルP-Q曲線の修正

2つのファンを並列に配置することで、自由空 気状態においてのみ風量が2倍になる。エンクロージャーシステムの静圧が高い場合、この配置は流量をあまり増加させません。2台のファンを直列に並べると、静圧は2倍になりますが、自由空気状態での気流は増加しません。ファンを並列に並べると、低い静圧で風量を増加させることができ、その後ファンを直列に並べると、ファンの静圧をさらに増加させることができます。

タンデムファンのP-Q曲線の修正

さらに、並列および直列に接続された複数のファンがシャーシシステム自体に与える熱的影響も無視できません。