冷却ファン:モニタリング、コントロール、および保護強化システムのパフォーマンス

Jeff Smoot/著

冷却ファン:モニタリング、コントロール、および保護強化システムのパフォーマンス

ファンは、多くの理由から、個々またはクラスターで強制対流空冷を提供するために広く使用されています。ファンは使い方が簡単で、風量のある気流を提供し、さまざまなシャーシやシステムのある場所に設置できます。ファンの動作基本原理は、物理の基本です:空気が移動するにつれて対象物から熱を吸収し、その熱をどこか他の場所に消失させることで対象物を効果的に冷却します。転送されるエネルギーの量は、移動した空気の質量、移動する空気の特定の熱、移動する空気に与えられる温度変化によります。

強制空冷は、既知の熱対流性原理を実行しています。

設計エンジニアは、空気の取り込みから排出ポートへの適切な気流パスに加え、熱源のモデリング、温度上昇、周囲条件などの基本的な熱分析を使用して必要な最低気流を決定したら(『適切なDCファン選択のための気流に関する基礎を理解する』を参照)、適切なサイズと気流を備えたファンを選択します。その後、エンジニアは選択したファンを電源に接続し、基本的な温度上昇テストでパフォーマンスを確認することができます。

ただし、強制空調の設計で効率的で、適切な冷却を保証するためのファンの極めて重要な役割を考えると、これは単純化された短絡的なアプローチです。直接的な電力接続は確実に機能しますが、良好に設計されたファンベースの強制空冷設計は、それよりさらに多くの利点を提供することができます。いくつかの追加的な計画と適切なファン選択をすることで、設計者はファンのモニタリング、制御、管理を通してより効率的かつ信頼性のある動作を提供できます。

On/Offファン制御

基本的なファン操作はとても簡単です。電源を入れるだけでファンを完全に動作させることができます。これは効率的な一方、大量の電力を使用するうえ、一部のアプリケーションには干渉となる可能性のある一定のバックグラウンドノイズを作成します。また、ファンは長寿命であるものの、その動作寿命は永久的ではないという現実も無視しています。代替となるアプローチは、自洗に設定された冷却しきい値(セットポイント)と比べて、感知された空気温度に基づいてファンをオンオフにすることです。これはファンの寿命を延長し、電力を節約し、ファンがオフのときに音響ノイズを排除します。

しかし依然として、熱管理の観点から、このシンプルなオン/オフによるファンの制御は弱点を持っています。まず、これは、加熱/冷却/加熱シーケンスを通じるにつれ、冷却するコンポーネントへの熱サイクルを導入します。このような周期は、温度係数の違いにより、材料や接合部への反復ストレスによって生じる早期のコンポーネント損傷につながります。場合によっては、この周期は損傷を与える可能性があるだけでなく、高温で連続的に操作するだけよりもさらに悪い影響を及ぼす可能性があります。

次に、ファンがオンになっている時間と、その気流が冷却を開始するために必要な時間との間には、回避不能な熱的なオーバーシュートがあります。これは、「電源オン」のしきい値がより低く設定されていない限り、気流冷却が「冷やし始める」まで過熱してしまうことにつながる可能性があります。最後に、希望する温度セットポイント付近でのファンの操作中に、オン/オフの「チャタリング」を回避するためにヒステリシス機能を追加する必要があります。

以下のグラフは、避けられない熱遅延によって、いかに温度がセットポイントを超過またはオーバーシュートするかについて示します。ここでは、水色の線はステップ変化などの望ましいセットポイント温度を、緑の線はファンのオン/オフサイクル、紺色は実際の温度を表します。

オン/オフ冷却によって引き起こされる熱遅延を示すグラフ

最終的には、温度のベースの追加することで、オン/オフのファン制御は電力を節約できますが、節約を最大化したり、ファン寿命を最大限まで延長したりすることはできません。

ファン制御と保護

ファンの制御は、パフォーマンス、効率、信頼性、および寿命に関して最適化されたファンと冷却システム機能の可能性を実現するために極めて重要です。今日の高度なファン設計、場合によっては適度な外部サポート機能を備えており、ファン操作の重要な側面に対する基本的なオン/オフ制御の制限を克服することができ、ファンの問題に対する影響までも防ぐことができます。また、これらにより設計者は、ファン寿命を延長することも含まれますがこれに限定はされない、システムの特徴や機能を追加することも可能になります。さまざまなファン制御や保護は、以下のセクションに概説されています。

パルス幅変調(PWM)

パルス幅変調(PWM)が制御に追加され、ファン速度を変更させ、これによりスピード範囲のほぼ全体でのフルトルクとともに、効率の向上につながります。PWMベースの可変速度制御を使用することは、ファンとシステムのパフォーマンスを改善させる最初のステップです。同時に、ファン速度を温度負荷に動的に合わせる高度な制御アルゴリズムの使用を可能にします。高度な設計では、これらのアルゴリズムは、動作上のダイナミクスに適応する洗練された熱管理戦略を実装するだけでなく、コントロール戦略の一部として使用パターン、エネルギーコストなどを考慮します。

その他のパフォーマンス向上としては、シンプルなオン/オフ、しきい値ベースのファン周期設定(ヒステリシス付きでも)が、既知の比例積分誘導体(PIおよびPID)クローズドループコントロール戦略にアップグレード可能です。これにより、気流が望ましい設定温度を正確に維持し、たとえ負荷が変化しても冷却アンダーシュートやオーバーシュートなしに確実に温度を維持します。

組み込み型タコメータ信号

組み込み型タコメータは、パルスシグナルを介してファンの回転速度を感知および報告します。この機能は、ファンとより洗練されたファン制御のクローズドループフィードバック制御に使用されます。報告するファン速度の詳細は、システム操作に大きなメリットをもたらします。ファン速度は、障害物、電力喪失やその他の理由によりファンが突然停止する場合には、ロックセンサーとしても働きます。

できるだけ早くファンの問題を検出することはとても重要で、原因の如何に関わらず、少しでも早くこの状況を知ることで、冷却しているシステムをより速くシャットダウンでき、感度の高いコンポーネントを保護する静止状態に配置し、その他の適切なアクションが開始されます。

自動再起動保護

自動再起動保護は、ファンのモーターの回転が阻止された場合にそれを検出し、駆動電流を自動的に切断します。このカットオフには、次の2つの目的があります。これはファン駆動回路を保護し、ファンが実行されるように指示されていたとしても、ファン電流はゼロにカットされていることから、電流のカットオフを検出することで問題が発生しているファンコントローラを表示することもできます。

回転検出/ロックセンサー

その名前が示すように、回転検出/ロックセンサーは、ファンモーターが動作しているか停止しているかを検出するために使用します。これにより、起動時や操作中に発生する重大な問題が直ちに検出されます。

結論

ファンは非常に効果的でよく使用され、多くの場合、システムやコンポーネントを安全な動作範囲内に維持するために必要な冷却気流を供給するという、永続的な問題に対する唯一の実行可能なソリューションです。これによってコンポーネントの即時の障害を防ぎ、長期的な信頼性を保証します。とはいえ、「常時オン」のファン、あるいはシンプルなオン/オフ制御付きファンが最良のファンをベースにしたソリューションであるとは限りません。今日のシステムには、ファンユニットとその制御の両方でさらなる洗練さが求められており、高い効率と信頼性を保ちながら、十分な冷却を同時に実現しなくてはなりません。

CUI Devicesでは、幅広い物理的サイズ、エアフロー定格、保護、制御を網羅し、設計者にプロジェクトの優先順位に対して最適なファンを見つけるために必要な選択肢を提供します。

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Jeff Smoot

バイス・プレジデント(エンジニアリング担当)

2004年にCUI Devicesに入社して以来、Jeff Smootは製品の開発、サポートおよび市場投入に重点を置いて、同社の品質管理およびエンジニアリング部門を活性化してきました。顧客の成功を第一に考えたJeffはアプリケーション・エンジニアリングチームの立ち上げを主導し、設計プロセスにおけるエンジニアに対し、現場やオンラインでのエンジニアリング設計・技術サポートを強化しました。仕事以外では、アウトドア(スキー、バックパッキング、キャンプ)を楽しみ、妻や4人の子供と共に時間を過ごします。そしてJeffはずっとデンバー・ブロンコスを応援しています。

 
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