設計に適したDCファンを見つける方法

CUI DevicesのDC軸流ファンは、ファンのサイズ、消費電力、ノイズなどの設計の柔軟性を提供します。非常に多様なオプションがあるため、設計に適したDCファンを選択する前に、いくつかの重要な要素を検討することが重要です。これには、設計の空気流量と空気圧の計算、ファンの動作曲線内での空気流量要件の理解、複数のファンを並列または直列で実行するかどうかの検討、ファンの速度が設計に及ぼす全体的な影響の検討が含まれます。CUI Devicesのこの記事を読んで、これらの考慮事項について詳しく学び、設計に適したDCファンを見つける方法をより深く理解してください。

重要な気流パラメータ

特定のシステムにファンを指定する前に、空気の流れと熱伝達に関して理解しておくべき重要なパラメータがいくつかあります。空気の動きは、物体から熱を吸収し、その熱を他の場所に移動させて放散させることで、物体を冷却するのに効果的です。伝達されるエネルギーの量は、移動する空気の質量、移動する空気の比熱、および移動する空気に与えられる温度変化によって決まります。

移動する空気の質量は、移動する空気の体積と移動する空気の密度から計算できます。

2番目の式を1番目の式に代入すると、消費されるエネルギーと関連する空気の体積が関係します。

方程式の両辺を時間で割ると、次の形式の方程式が生成されます。

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) は既知ですが、空気の流れ (量/時間) は不明です。したがって、方程式は以下のように整理できます。

前回のブログ投稿で説明したように、この方程式は一般的に次のように記述されます。

海面68°F (20°C) における乾燥空気の密度は0.075 lbs/ft³ (1.20 kg/m³) であり、乾燥空気の比熱は0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C) です。密度と比熱のこれらの値を使用すると、上記の式は次のように簡略化されます。

気圧

上記の式は、製品を冷却するために必要な空気流量を示しています。ファンによって送風される空気の圧力も知っておく必要があります。冷却する製品を通過する空気の流れの経路によって、空気の流れに対する抵抗が生じます。望ましい冷却を実現するために、製品に必要な量の空気を送り込むのに十分な圧力を生成できるファンを選択する必要があります。必要な圧力の計算は、各製品ごとに個別のタスクとなり、流量計算と同様に簡略化することはできません。設計の空気圧と気流特性を計算するためのCAD製品が多数用意されており、設計が完了したら風速計と圧力計を使用して空気の速度と圧力特性を測定することができます。

図1：空気の流れと圧力の特性評価とプロット

必要な空気の流れと圧力の達成

前の2つのセクションの概念に基づいて、必要な冷却を提供するには、ファン (またはファン群) によって空気流量と空気圧を生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、背圧がないときの空気流量の値、空気流量がないときの最大圧力の値、およびファンから得られる空気流量と圧力の曲線が記載されています。たとえば、除去する熱と空気温度の制限に基づいて、空気流量要件が10 CFM以上であると計算された製品を例に挙げます。製品の機械設計は、図2に示すような空気流量と圧力の関係を示すように特徴付けられています。破線は製品に必要な最小空気流量 (より大きな空気流量も許容されます) を示し、オレンジ色の曲線は製品の機械設計における圧力と空気流量の関係を表しています。

図2: システム要件、空気の流れと静圧

図2の曲線に基づいて、CUI DevicesのCFM-6025V-131-167 DC軸流ファンがプロジェクトに選択されました。DCファンのデータシートには、背圧なしで16 CFMの空気流量、空気流量なしで0.1 inH2Oの静圧が指定されており、図3のグラフも示されています。

図3：CUI DevicesのCFM-6025V-131-167の性能グラフ

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のグラフが生成されます。

図4：システム要件とファンの性能

図4の赤い円で強調表示された動作点は、選択したファンを備えたシステムの圧力と空気の流れを示しています。空気流量要件は10 CFMと計算されており、ファンは11.5 CFMの空気流量を提供することに注意してください。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が、他のアプリケーションでは、このソリューションでは十分なマージンが得られない可能性があります。

ファンを並列または直列で運転する

一般的に、ファンが大きく、または高速であれば、最大風量と最大圧力が大きくなります。1つのファンで必要な空気の流れや圧力を実現できない場合は、2つ以上のファンを物理的に並列または直列に接続して動作させることができます。ファンを並列で動作させると、利用可能な最大空気流量は増加しますが、最大圧力は増加しません。一方、ファンを直列で動作させると、利用可能な最大圧力は増加しますが、利用可能な最大空気流量は増加しません。

図5: 複数のファンを直列または並列で動作させる

複数のファンを並列に動作させるためのパフォーマンス曲線は、ユーザーが簡単に生成できます。並列に動作する複数のファンの複合ファン気流対圧力曲線は、単一ファンのグラフと同一ですが、唯一の違いは、気流の値が並列に動作するファンの数で乗算されることです。

図6: ファンを並列に動作させると、ファンの数に応じて空気の流れが増加します

複数のファンを直列に接続して動作させる場合のパフォーマンス曲線も同様の方法で生成できますが、圧力値は直列接続するファンの数によって変化します。最終的に、複数のファンを並列に接続すると、高風量および低圧システムで最大の改善が得られ、複数のファンを直列に接続すると、高圧および低風量システムで最大の改善が得られます。

図7: 空気抵抗の高いシステムと低いシステムの複数のファン

ファン速度の影響

ファンの速度 (RPM) は、ファンの初期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、風量、風圧、消費電力、ファンが発する音響ノイズに影響します。これらの関係は、「ファン親和性の法則」と呼ばれるものによって説明されます。

ファンの親和性の法則

• •  ファンによって動かされる空気の量はファンの速度に比例します。
     • CFM α RPM
         • つまり、3 x RPMは3 x CFMを生成します
• •  ファンからの空気の圧力はファンの速度の二乗に比例します。
     • 空気圧α RPM²
         • つまり3倍のRPMは9倍の圧力を生み出す
• •  ファンを動作させるために必要な電力は、ファンの速度の3乗で増加します。
     • 電力α RPM³
         • つまり3 x RPMには27 xの電力が必要
• •  ファンの速度が2倍になると、ファンによって発生する音響ノイズは15 dB増加します。
     • 音響騒音が10dB増加すると、人間の聴覚では騒音レベルが2倍になったと認識される。

図8: ファンの親和性法則グラフ

結論

必要な空気の流れと圧力がわかれば、適切なファン（1つまたは複数）を選択して十分な冷却を実現できます。ファンを並列または直列で動作させることにより、単一のファンでは不十分な場合に、設計者はアプリケーションの熱要件を満たすための追加オプションを利用できるようになります。CUI DevicesのDC軸流ファン製品ラインにはさまざまな性能評価が備わっており、設計者はファンのサイズ、消費電力、発生する可聴ノイズなどを柔軟に選択できます。