섀시 시스템 설계를 위해 팬을 선택하는 방법은 무엇인가요?

I. 프로젝트의 배경

대부분의 고밀도 전자 인클로저 시스템은 강제 공기 냉각을 위해 팬 또는 드럼 팬을 사용합니다. 소형 섀시 시스템은 일반적으로 공기 흐름이 팬 블레이드에 수직인 축방향 냉각 팬을 사용합니다. 그러나 더 큰 섀시 시스템에서는 높은 정압에서 충분한 공기 흐름을 제공하기 위해 원심식 드럼 팬이 필요할 수 있습니다.

섀시 시스템 설계의 초기 단계에서 엔지니어는 강제 공기 냉각 공기 흐름 요구 사항을 예측해야 합니다. 더 중요한 것은 제품 설계 단계에서 열을 발생시키는 부품에 적절한 공기 흐름을 제공하고 냉각 팬을 위한 적절한 공간과 전력을 제공해야 한다는 것입니다.

팬을 선택할 때 고려해야 할 요소로는 필요한 풍량, AC 또는 DC 전원, 전압, 속도, 기대 수명, EMI/RFI, 방열, 자동 재시작, 소음 영향 등이 있습니다.

제품 설계의 초기 단계에서는 인클로저 시스템 내에서 발생하는 열과 장치의 최대 허용 온도 상승에 따라 인클로저 시스템을 환기하고 냉각하는 데 필요한 공기 유량을 예측해야 합니다.

섀시 시스템 내의 열 방출을 추정할 때는 장치 부하가 변경되거나 열을 발생시키는 하위 섀시 시스템의 열 방출이 증가할 가능성을 고려해야 합니다. 따라서 최대 부하가 걸린 섀시 시스템의 최악의 시나리오를 사용하여 최대 열 방출을 사용하여 섀시 시스템에 필요한 공기 흐름을 추정해야 합니다.

섀시 시스템에 필요한 공기 흐름은 다음 공식 또는 차트에서 다음과 같이 계산하여 구할 수 있습니다.

여기.

Q=1.76W/T

Q = 필요한 공기 유량(ft3/분) 단위

W = 열 소비량(와트).

TC = 온도 상승

예를 들어 열 소비량이 200W인 섀시 시스템의 경우 허용 온도 상승이 20°C인 경우, 섀시 시스템에는 17.6cfm의 공기 흐름이 필요합니다.

아래 그림에서 세로축은 대표 기류에 의해 손실되는 열을 나타내고 가로축은 기류의 풍량을 나타내며, 두 축은 모두 로그입니다. 경사진 선은 온도 상승(°C)을 정의합니다. 그래프를 조회하여 허용 온도 상승을 나타내는 대각선을 찾은 다음 이 선에서 열 방출에 해당하는 지점을 찾으면 이 지점에 해당하는 가로축의 위치가 인클로저 시스템에 필요한 공기 흐름이 됩니다.

둘째, 섀시 시스템 임피던스입니다.

인클로저 시스템 내에 팬을 설치하는 방법을 결정하는 것은 필요한 공기 흐름을 계산하는 것보다 훨씬 더 어렵습니다. 공기 흐름 경로에 장애물이 있으면 정압 저항이 발생하기 때문입니다. 아래 그래프는 일반적인 팬의 공기 흐름과 정압 사이의 비선형 관계를 보여줍니다. 공기 흐름을 최대화하려면 장애물을 최소화해야 합니다. 그러나 냉각이 필요한 구성 요소에 시원한 공기 흐름을 전달하기 위해 추가 배플이 필요한 경우도 있습니다. 물론 섀시 시스템 구성 요소 자체가 공기 흐름을 방해하여 공기 흐름을 방해할 수 있습니다.

기류의 유량을 얻기 위한 실험적 방법은 매우 정확하지만 테스트에 많은 비용과 시간이 소요되고 번거롭습니다. 또한 측정을 수행하기 위한 대형 기류 챔버를 찾는 것은 거의 불가능합니다.

실제로는 경험적 방법을 사용하여 공기 흐름 저항을 추정하는 것이 일반적입니다. 경험에 따르면 그렇습니다.

빈 상자는 일반적으로 공기 흐름을 5%에서 20%까지 감소시킵니다.

고밀도 인클로저 시스템은 공기 흐름을 최대 60% 이상 줄일 수 있습니다.

물속에서 대부분의 전자 인클로저 시스템은 물기둥의 정압이 0.05~0.15인치 사이입니다.

고밀도 섀시 시스템 인클로저의 경우, 이전 예제의 팬은 32cfm이 아닌 80cfm의 공기를 공급할 수 있어야 합니다.

III. 기류 및 정압 측정

AMCA 표준 210 이중 기류 챔버는 기류량과 정압을 정확하게 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

방정식 및 변수 목록

Q: 공기 흐름 = 그림

C. 노즐 기류 계수

D: 노즐 직경(m)

r: 공기 밀도 = 그림

T: 온도(℃)

P: 기압(mm Hg)

Pn: 차동 기류 압력(mm Aq)

참고: 정압(mm Aq)

g: 사진

최대 정압과 최대 기류 측정은 별도로 수행해야 합니다.

최대 정압 측정: 노즐이 닫히면 챔버 A의 압력이 최대 값에 도달합니다. 압력 차이 Ps는 팬이 도달할 수 있는 최대 정압을 나타냅니다.

최대 공기 흐름 측정: 노즐을 열고 보조 송풍기 팬을 사용하여 챔버 A의 압력을 Ps = 0으로 낮춥니다. 그런 다음 최대 공기 흐름은 Pn, D 및 위의 공기 흐름 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다. Q는 팬이 자유 공기에서 얻을 수 있는 최대 유량을 나타냅니다.

넷, 섀시 시스템 작동 지점의 팬 및 공기 덕트 권장 사항

팬의 성능은 섀시 시스템의 공기 저항 PQ 특성 곡선과 팬의 P-Q 특성 곡선의 교차점에 의해 결정됩니다. 팬의 특성 곡선은 공기 흐름 및 정압 측정 섹션에 설명되어 있습니다. 섀시 시스템 구조가 고정되면 섀시 시스템의 PQ 특성 곡선이 고정됩니다. 이 곡선은 특정 장애물과 내부 저항이 있는 섀시 시스템을 통해 공기가 흐르는 방식을 설명합니다. 흐름 저항은 체적 유량의 제곱에 대략 비례합니다. 따라서 섀시 시스템의 정압 대 공기 흐름 그래프는 이차 포물선 모양입니다. 이 곡선은 다양한 공기 유량에서 인클로저 시스템의 입구와 출구 사이의 압력 차이를 테스트하여 실험적으로 쉽게 얻을 수 있습니다.

팬의 잠재력을 최대한 발휘하려면 팬을 최적으로 배치하고 섀시 시스템 공기 덕트를 최적화해야만 가능합니다. 그렇지 않으면 팬의 특징적인 곡선이 억제되어 공기 흐름이 감소합니다. 섀시 시스템의 저항 손실을 최소화하기 위한 섀시 시스템 공기 덕트에 대한 몇 가지 권장 사항은 다음과 같습니다.

이러한 계산 또는 권장 사항은 4715 시리즈 팬을 기준으로 한 것이지만 다른 팬에도 적용됩니다. 아래 그래프는 팬 흡입구 또는 배기구 근처에 장애물이 있을 때 발생하는 특징적인 팬 곡선의 압축을 보여줍니다. X는 팬에서 장애물까지의 거리입니다.

공기 압력을 측정하는 프로브는 배출구에 배치하면 저항 손실이 적고 소음이 더 커집니다. 팬 흡입구 근처에 장애물을 놓으면 팬 배출구에 장애물을 놓는 것보다 더 많은 소음이 발생할 수 있습니다.

다섯 번째, 팬을 선택합니다.

필요한 공기 흐름을 추정하여 특정 팬을 선택할 수 있습니다. 먼저, 팬이 AC 전원을 사용할지 DC 전원을 사용할지 고려하세요. DC 팬은 더 비싸기 때문에 섀시 시스템에서는 거의 독점적으로 AC 팬을 사용합니다. 이제 이러한 가격 차이가 사라졌으므로 DC 팬의 많은 장점으로 인해 DC 팬이 최선의 선택이 될 수 있습니다. DC 팬의 장점 중 하나는 수명이 길다는 것이고, 다른 하나는 전력 소비가 AC 팬보다 60% 가까이 낮다는 것입니다. 업계 전문가에 따르면 팬 온도가 10°C 상승하면 수명이 최대 20,000시간까지 단축될 수 있다고 합니다.

또 다른 선택 요소는 DC 팬의 속도가 전압에 정비례하므로 적절한 풍량 요구 사항에서 작동할 수 있다는 점입니다. 그러나 일반적으로 팬은 최대 속도 이하로 작동하므로 더 조용하고 강력하지 않습니다.

DC 팬의 다른 장점으로는 AC 팬에 비해 EMI와 RFI가 낮다는 점이 있습니다. 또한 AC 팬을 사용하면 설계자는 광범위한 공급 전압과 주파수를 처리해야 합니다. DC 팬을 사용하면 이러한 문제가 사라집니다. 전반적으로 DC 팬을 사용하는 것이 AC 팬보다 쉽습니다.

대부분의 DC 팬은 12V와 24V 버전으로 제공됩니다. 전압이 높을수록 전류가 낮고 전력 소비가 적기 때문에 선호됩니다.

팬에서 발생하는 소음의 주파수와 진폭은 속도가 증가함에 따라 증가합니다. 선택의 여지가 있다면 저속 모터를 선택하여 소음을 줄이세요.

섀시 시스템의 공기 흐름 요구 사항과 정압을 예측한 후 공급업체에서 제공하는 팬 PQ 곡선을 참조하여 적절한 냉각 공기 흐름을 제공하는 팬을 선택할 수 있습니다. 팬의 실제 PQ 성능 곡선은 표시된 공칭 곡선의 성능과 최대 10%까지 다를 수 있으므로 엔지니어는 이러한 곡선을 신중하게 사용해야 합니다.

간혹 제대로 구성되지 않은 자유 공기 상태에서 팬 성능 데이터를 테스트하면 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 오차는 대략 0.05~0.15인치의 물기둥 사이입니다.

소음은 팬의 냉각에는 영향을 미치지 않지만 섀시 시스템과 사용자에게는 매우 중요합니다. 가능한 한 가장 조용한 팬을 선택하고 팬 소음을 줄이기 위한 조치를 취해야 합니다.

소음을 줄이는 한 가지 방법은 가능한 가장 큰 팬을 사용하는 것입니다. 주어진 공기 흐름에 대해 팬의 크기가 클수록 느린 속도로 작동하므로 소음이 적습니다.

위에서 언급한 바와 같이 DC 팬은 AC 팬보다 EMI와 RFI를 훨씬 적게 발생시킵니다. 일상적인 애플리케이션의 경우 팬에서 발생하는 EMI와 RFI는 문제가 되지 않습니다. 하지만 장비가 간섭에 민감한 환경에서 작동하는 경우 EMI와 RFI는 심각한 문제가 될 수 있습니다.

여섯, 팬 라이프

베어링 마모는 팬 수명의 주요 요인입니다. 대부분의 팬 제조업체는 비슷한 베어링을 사용하므로 베어링에 큰 차이가 없습니다. 대부분의 제조업체는 50,000시간의 수명을 약속하며, 주당 40시간으로 환산하면 25년에 해당합니다. 따라서 팬은 냉각하는 장비보다 더 오래 사용할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 팬의 온도는 온도가 상승함에 따라 크게 감소합니다.

UL은 팬이 로터가 잠긴 상태에서 72시간(AC 팬의 경우 15일) 동안 손상이나 과열 없이 견딜 수 있어야 한다고 규정하고 있습니다. 또한 팬은 로터 잠김의 원인을 제거한 후 다시 시작하여 제대로 작동할 수 있어야 합니다.

임피던스는 AC 팬 권선의 전류를 제한하지만, DC 팬은 고장 시 전류를 제한하기 위해 로터에 전자 잠금 장치가 필요합니다. 현재 여러 유형의 보호 기능이 사용되고 있지만 모두 자동 재시작 기능을 제공하는 것은 아닙니다. 섀시 시스템 설계자는 팬 보호 유형을 신중하게 평가하여 장애물이 제거된 후 DC 팬이 자동으로 재시작되도록 해야 합니다. 또한 간헐적인 전원 중단 시 보호 인클로저 시스템이 제대로 작동하는지 확인해야 합니다.

일곱, 공기 흡입(송풍기) 또는 배기(추출)?

설계자는 팬을 설치하여 섀시 시스템에서 뜨거운 공기를 배출하거나 섀시 시스템으로 시원한 공기를 불어넣을 수 있습니다. 이론적으로는 열을 배출하든 배출하든 동일한 양의 공기가 열을 발산하는 데 사용됩니다. 그러나 실제로는 각 배열에 장단점이 있습니다. 팬으로 흡입되는 공기는 층류입니다. 층류 패턴은 공기 흐름 속도를 섀시 시스템 전체에 고르게 분산시킵니다. 이는 정체된 공기(와류 영역)와 국소 온도 핫스팟을 제거하는 데 중요합니다.

팬에서 나오는 공기는 난류입니다. 난류 기류의 열 전달은 동일한 체적 흐름의 층류보다 두 배가 될 수 있습니다. 그러나 일반적으로 팬 배기구 근처의 난류 기류 영역은 매우 제한적이므로 전체 인클로저 시스템에 대해 잘 설계된 기류 경로를 개발하는 것이 중요합니다. 통풍구의 면적은 팬 개구부보다 최소 50% 이상 커야 합니다.

팬의 공기 재순환, 즉 팬 배출구에서 뜨거운 공기가 역류하는 것을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다. 기류 재순환 문제로 인해 많은 기류 냉각 특성이 손실될 수 있습니다. 배플을 사용하여 공기의 재순환 역류 현상을 제거할 수 있습니다. 기류 경로는 저항이 가장 적은 경로여야 합니다.

인클로저 시스템 내의 하위 어셈블리 및 구성 요소는 공기 흐름이 직접 냉각될 수 있는 곳에 배치하고 자연 대류 냉각을 활용할 수 있도록 고온 구성 요소를 냉각기 구성 요소의 상류 방향에 배치해야 합니다. 소형 장치로의 공기 흐름을 차단하는 대형 구성 요소를 배치하지 마십시오. 필요한 경우 배플을 사용하여 공기 흐름을 더 높은 온도의 장치로 유도해야 합니다.

배출 팬으로 인해 인클로저 시스템 내부의 압력이 감소하고 밀폐형 인클로저 시스템의 모든 통풍구와 균열을 통해 공기 중 먼지가 인클로저 시스템 내부로 유입될 수 있습니다.

섀시 시스템에서 먼지를 제거해야 하는 경우 섀시 시스템으로 공기를 불어넣는 팬(예: 드럼 팬)을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 이 구성에서는 팬 입구의 필터가 유입되는 공기에서 먼지를 제거합니다. 또 다른 장점은 섀시 시스템 내부에 양의 기류 압력 영역이 생성되어 주변 환경에서 섀시 시스템으로 먼지가 유입되지 않는다는 것이지만, 필터를 주기적으로 교체하여 축적된 먼지를 제거해야 합니다. 먼지가 쌓이면 공기 흐름이 심각하게 제한되어 섀시 시스템의 공기 및 장치 온도가 높아질 수 있습니다.

송풍 팬의 또 다른 단점은 팬 모터에서 발생하는 열이 섀시 시스템 내부로 유입되어 필연적으로 공기의 냉각 효율을 떨어뜨린다는 것입니다. 이러한 이유로 온도에 더 민감하거나 내열성이 없는 장치는 팬 흡입구 가까이에 배치해야 합니다.

많은 애플리케이션에서 배기 팬 대신 송풍 팬을 사용하면 팬의 수명을 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있습니다. 뜨거운 공기가 팬을 통과하면서 팬의 수명에 영향을 미칠 수밖에 없는데, 흡입 공기 온도가 25°C인 블로어 팬은 추출 팬보다 수명이 훨씬 길어집니다. NMB의 "보증서" 및 "팬 수명 감소 곡선"에서 볼 수 있듯이 온도 감소는 팬 수명에 상당한 영향을 미칩니다.

여덟, 소음 영향

대부분의 설계는 조용한 섀시 시스템에 대한 사용자의 요구를 충족하기 위해 팬 소음을 최소화해야 합니다. 따라서 필연적으로 더 작은 섀시 시스템 크기와 더 높은 작동 성능이 필요하며, 이 두 가지 모두 섀시 시스템을 통과하는 공기 흐름에 대한 수요를 증가시켜 결과적으로 소음을 증가시킵니다.

기계적 소음은 베어링의 진동이나 블레이드의 불균형한 회전으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 진동 주파수가 섀시 시스템의 공진 주파수와 일치하면 참을 수 없는 수준, 심지어 파괴적인 수준까지 증폭될 수 있습니다. 모터도 소음을 발생시키지만 이는 냉각 인클로저 시스템에서 발생하는 소음의 일부에 불과합니다.

이러한 모든 소음 구성 요소는 팬 설계에 내재되어 있으며 섀시 시스템 설계자가 거의 전적으로 제어할 수 없습니다. 하지만 섀시 시스템 설계자가 소음을 최소화하는 데 도움이 될 수 있는 몇 가지 세부 사항이나 제안 사항이 있습니다.

풍속이 빠른 곳에 장애물을 선풍기 가까이 두지 마세요.

진동 차단기를 사용하여 팬에서 섀시 시스템으로 기계적 소음이 전달되는 것을 방지하세요.

섀시 시스템의 공진 주파수를 제어하기 위해 강화 구조를 사용합니다.

팬을 섀시 시스템의 외부 표면이 아닌 내부 표면에 설치합니다.

팬 흡입구 근처에 장애물이 있으면 팬 배출구 근처에 장애물이 있을 때보다 더 많은 소음이 발생합니다.

설계자는 여러 팬 제조업체의 소음 사양을 비교할 때 매우 신중해야 합니다. 표준 소음 측정 방법이 제안되었지만 모든 팬 제조업체와 사용자가 수용하는 것은 아니며, 그 방법이 바로 ANSI 1211 방법입니다.

아홉째, 여러 대의 팬을 공동으로 사용

최선의 노력에도 불구하고 디자인이 완료된 후 "추가 냉각" 상태가 발생할 수 있습니다. 이 문제를 해결하려면 먼저 특정 크기의 저풍량 또는 중간 풍량 팬을 선택해야 합니다. 그런 다음 더 많은 냉각 공기가 필요한 경우 기존 팬을 쉽게 교체할 수 있습니다.

반대로 팬 성능에 대한 초기 선택이 높으면 '추가 냉각'을 고려해야 하며 섀시 시스템의 구조적 레이아웃을 다시 설계해야 합니다.

추가 냉각이 고려되고 동일한 크기의 고성능 팬을 사용할 수 없는 경우 네 가지 옵션을 고려할 수 있습니다.

섀시 시스템 내 공기 흐름 조직을 개선합니다.

더 큰 팬을 사용하도록 섀시 시스템을 재설계합니다.

두 개 이상의 팬을 병렬로 사용하도록 섀시 시스템을 수정합니다.

두 개 이상의 팬 시리즈를 사용하도록 섀시 시스템을 수정합니다.

섀시 시스템 내의 공기 흐름 구성을 개선하거나 통풍구의 위치나 크기를 변경하여 적절한 추가 냉각을 제공할 수 있는 경우가 많습니다. 공기 흐름을 수정하여 개선할 수 없는 경우에는 섀시 시스템을 수정하여 더 큰 팬을 수용하도록 하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 섀시 시스템의 요구 사항에 맞는 팬을 선택할 수 있습니다. 그러나 이 옵션이 불가능한 경우도 있습니다. 적절한 성능의 팬을 사용할 수 없거나 크기 제약으로 인해 더 큰 팬이 금지될 수 있습니다. 이러한 상황에서는 하나 이상의 추가 팬이 필요합니다.

경우에 따라 섀시 시스템 내의 공기 흐름을 증가시키기 위해 추가 팬을 사용하기도 합니다. 또한 섀시 시스템 안정성을 개선하기 위해 대기 팬을 설계할 수도 있습니다.

하지만 팬을 추가하면 문제가 생길 수 있습니다. 비용이 두 배로 증가하고, 소음이 두 배로 증가하고, 팬에서 발생하는 열이 두 배로 증가하며, 시스템 냉각에 거의 도움이 되지 않을 수 있습니다.

풍력 터빈 병렬 P-Q 곡선 수정

병렬로 연결된 두 개의 팬은 자유 공기 상황에서만 공기 흐름을 두 배로 늘립니다. 인클로저 시스템의 정압이 높은 경우 이 배열은 유량을 덜 증가시킵니다. 두 개의 팬을 직렬로 연결하면 정압이 두 배가 되지만 자유 공기 상황에서는 공기 흐름이 증가하지 않습니다. 팬을 병렬로 연결하면 낮은 정압에서 공기 흐름을 늘린 다음 팬을 직렬로 연결하여 팬의 정압을 더 높일 수 있습니다.

팬 탠덤에 대한 P-Q 곡선 수정

또한 병렬 및 직렬로 연결된 여러 대의 팬이 섀시 시스템 자체에 미치는 열 영향도 무시할 수 없습니다.