適切なDCファンを選択するためにエアフローの基礎を理解する

2019年7月16日 Bruce Rose

適切なDCファンを選択するためにエアフローの基礎を理解する

DCファンは、設計者の温度管理ツールボックスの中でも特に便利なソリューションとして長年にわたって重宝されているアイテムで、数ワットから数百ワットまでの熱の取り外しを必要とする製品の効率的な冷却を提供します。適切なファンを確実に選択するには、システムの冷却ニーズをファンのエアフロー特性に合わせることが重要です。このブログでは基本事項として、エアフローと空気圧パラメータの適切な計算、ファンの動作曲線によるエアフロー要件の調整、ファンを並列または直列で動作させることの影響、ファン速度の影響などを説明しています。

重要なエアフローパラメータ

ファンを特定のシステムに指定する前に、エアフローや熱伝達に関して理解しておくべきパラメータがいくつかあります。空気を移動することは、対象物から熱を吸収し、その熱を移動させてどこか他の場所で消失させることで、対象物の冷却を効率的におこないます。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。

エネルギー = 質量 * 特定の熱 * 温度上昇

空気の移動の質量は、移動される空気の量と空気の移動の密度から計算することができます。

質量 = 容量 * 密度

2番目の式を1番目の式に代入すると、消失されるエネルギーは含まれる空気量に関係します。

エネルギー = (容量 * 密度) * 特定の熱 * 温度上昇

方程式の両側を時間で割ることで、次の形式の方程式が生まれます。

電力 = (容積/時間) * 密度 * 特定の熱 * 温度上昇

ほとんどのアプリケーションでは、過剰な電力(システムの非効率性)は既知であり、エアフロー(容量/時間)は不明です。従って、以下に示すように方程式を配置できます。

エアフロー = 電力/(密度 * 特定の熱 * 温度上昇)

以前のブログ記事で説明したとおり、この方程式は一般的に次のように記述されます。

Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k
記号:
Q = エアフロー
q = 消失熱
ρ = 空気の密度
Cp = 空気の特定の熱
ΔT = 熱消失を吸収する際に上昇する空気温度
k = 定常値(その他のパラメータで使用される単位による)

20°C(68°F)での海面レベルでの乾燥空気の密度は0.075 lbs/ft3(1.20 kg/m3)で、乾燥空気の特定熱は0.24 Btu/lb °F(1 kJ/kg °C)です。これらの値を密度および特定の熱に使用することで、上記方程式は以下のように簡略化されます。

Qf = 3.2q/ΔTF
Qf = 1.8q/ΔTC
Qm = 0.09q/ΔTF
Qm = 0.05q/ΔTC
記号:
Qf = 毎分ごとの1立方フィートあたりのエアフロー(CFM)
Qm = 毎分ごとの1立方メートルあたりのエアフロー(CMM)
q = 消失する熱(W)
ΔTF = 消失熱を吸収する際に上昇する空気の温度(°F)
ΔTC = 消失熱を吸収する際に上昇する空気の温度(°C)

空気圧

上の方程式は、製品の冷却に必要な空気流量を示します。また、ファンによってエアフローが送風される圧力をわかっていることも必要です。冷却する製品を通って流れるエアフローは、空気の流れに対する抵抗を生み出します。希望の冷却を有効にするためには、適切な圧力を生成し、製品中に必要な空気量を強制送付するようなファンを選択する必要があります。必要な圧力を計算することは、各固有製品に対して独立したタスクであり、流量計算と同様に簡略化することはできません。ある設計の空気圧およびエアフロー特性を計算するために、多くのCAD製品を使用することができます。それに対して、アネモメータとマノメーターは、設計完了後に、エア速度と圧力の特性を測定するために使用することができます。

流体ダイナミック計算モデル例とエアフロー対圧力のグラフ
図1:圧力に対するエアフローのキャラクタリゼーションとプロッティング

必要なエアフローと圧力を達成する

前の2つのセクションからの概念に基づき、必要な冷却を提供するために、ファン(単数または複数)によって空気流量と空気圧を作成する必要があります。ファン製造元のデータシートには、背圧なしでのエアフローレートの値、エアフローレートなしでの最大圧力値、空気流量とファンから得られる圧力曲線が記載されています。例えば、除去されるべき熱と空気温度制限に基づいて10CFM以上になるように計算されたエアフロー製品です。製品の機械設計は、図2に示すようにエアフローと圧力グラフの生成によりキャラクタリゼーションされています。破線は製品に必要な最小気流(より大きなエアフローでも可能)、一方、オレンジ色の曲線は、製品の機械設計のための圧力とエアフロー間の関係を表しています。

エアフローに対する圧力を示す曲線におけるシステムエアフロー要件のグラフチャート
図2:静電気圧に対するシステム要件、エアフロー

Based upon the curves in figure 2, CUI's CFM-6025V-131-167 dc axial fan has been selected for the project. このDCファンのデータシートには、背圧なしの16 CFMのエアフロー、エアフローなしの0.1 inH2Oの静電気圧を特定し、さらに図3のグラフを提供します。

異なる圧力レベルにわたるファンのエアフロー性能を示すグラフ
図3:CUI's CFM-6025V-131-167 performance graph

図2のシステム要件を図3のDCファン特性に重ね合わせると、図4のグラフが得られます。

動作ポイントを計算するためにシステム要件曲線とファンの性能曲線を重ねたグラフ
図4:システム要件とファン性能

図4にある赤で囲んで強調された動作ポイントは、選択したファンを搭載したシステムの圧力とエアフローを示しています。エアフロー要件は10CFMと計算され、ファンはエアフロー11.5CFMを提供します。一部のアプリケーションでは、これは十分な熱動作マージンとなります。一方、他のアプリケーションでは、このソリューションは十分なマージンを提供できないことがあります。

ファンの並列および直列動作

一般的に、より大きいまたは高速なファンは、エアフローが大きくなり、最大圧力が大きくなります。単一ファンでは必要なエアフローや圧力を提供できない場合、次に、2つ以上のファンを並列または直列で物理的に操作することができます。並列でのファンの動作は使用可能な最大エアフローを増大させますが、最大圧力を大きくなります。一方、直列でのファンの動作は、利用可能な最大圧を増加させますが、利用可能な最大エアフローは増加しません。

単一、並列、直列ファンのエアフローと圧力を示すグラフ
図5:直列または並列の複数ファンの動作

並列になった複数ファン動作のパフォーマンス曲線は、ユーザーが簡単に作成することができます。並列で動作している複数ファンの、ファンエアフローと圧力の組み合わせは、単一ファンのグラフと同じです。唯一異なっていることは、エアフローの値は並列に動作するファンの数で倍増します。

単一ファンおよび並列ファンの性能を示すグラフ、並列ファンの値が増加しています。
図6:ファンを並列で動作させることでエアフローはファン数によって倍増します。

直列での複数ファン動作の性能曲線は、直列でのファンの数によって調節される圧力値を使って、同様の方法で作成することができます。最終的には、並列になった複数のファンは、高エアフローと低圧システムでは最も良く改善が見られ、それに対して直列になった複数のファンは高圧および低エアフローシステムで最大の改善が見られました。

単一、並列、直列ファンのエアフロー性能と様々なエアフロー抵抗を示すグラフ
図7:高エアフローおよび低エアフローシステム内の複数のファン

ファン速度の効果

ファン(RPM)の速度は、初期のファン選択、またはファン制御信号によって決定できます。ファンの速度を変更すると、エア容量、空気圧、消費電力およびファンによって発生する音響ノイズに影響します。これらの関係は、「ファン・アフィニティの法則」と呼ばれます。

ファン・アフィニティーの法則

  • ファンによって移動するエアの量は、ファン速度に比例します。
    • CFM α RPM
      • 例:3 x RPMは3 x CFMを生成は、
  • ファンからの空気圧は、ファンの速度の二乗に比例します。
    • 空気圧α RPM2
      • 例:3 x RPMは9 x 圧を生成
  • ファンを動作するために必要な電力は、ファンの速度の二乗になります。
    • 電力α RPM3
      • 例:3 x RPMには27 x パワーが必要です
  • ファンが生成する音響ノイズは、ファンの速度が倍増した際に、15 dBずつ増加します。
    • 音響ノイズが10dB増加すると、通常ヒトの耳にはノイズレベルが倍増したように認識されます。
フロー、圧力、電力間の関係を示したファン・アフィニティの法則のグラフ
図8:ファン・アフィニティの法則のグラフ

結論

必要なエアフローと圧力に関する知識、適切なファン(単数または複数)を選択することで、十分な冷却を提供することができます。並列または直列のファン動作により、単一ファンでは十分に得ることができなかった、アプリケーションの熱要件にあった更なるオプションを設計者に提供します。CUIのDC軸上ファンのシリーズはさまざまな性能レベルを備えており、設計者はファンサイズ、消費電力、生成される可聴ノイズなどの点で柔軟性を得ることができます。

その他のリソース


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Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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