設計に適したDCファンの選び方

同じ空のこの記事で、設計に最適なDCファンの選び方を探りましょう。

Same SkyのDC軸流ファンは、ファンのサイズ、消費電力、ノイズなど、設計の柔軟性を提供します。また、その豊富なオプションの中から最適なDCファンを選択するには、いくつかの重要な要素を検討することが必要です。これには、設計のエアフロー（空気流量）および空気圧を計算すること、ファンの動作曲線内でのエアフロー要求を理解すること、複数のファンを並列または直列で運転するかどうかを検討すること、そしてファンの速度が設計に与える総合的な影響を考慮することが含まれます。このSame Skyの記事で、これらの検討事項についてさらに詳しく学び、設計に最適なDCファンを見つける方法を理解してください。

重要な気流パラメーター

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いくつかの重要なパラメータがあります。空気を動かすことは、物体から熱を吸収し、その熱を別の場所に移動させて散逸させることで物体を冷却するのに効果的です。移動する空気によって転送されるエネルギー量は、移動する空気の質量、移動する空気の比熱、そして移動する空気に与えられた温度変化によって決まります。

移動している空気の質量は、移動する空気の体積とその密度から計算することができます。

第2の式を第1の式に代入すると、消散するエネルギーが関与する空気の体積に関連付けられます。

両辺を時間で割ることで、次の形の方程式が得られます。

ほとんどのアプリケーションでは、余剰電力（システムの非効率）は既知であり、気流（体積/時間）は未知です。そのため、方程式は以下のように整理できます。

前回のブログ記事で述べたように、この方程式は一般的に次のように書かれます：

海面上、68°F (20°C) の乾燥空気の密度は 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。この密度と比熱の値を使用すると、上記の式は次のように簡略化されます:

気圧

上記の方程式は、製品を冷却するために必要な気流量を示しています。また、ファンが気流を供給する際の圧力について知る必要があります。冷却対象の製品内を通る気流の経路は、空気の流れに対する抵抗を生み出します。ファンは、製品を通過する必要な空気量を所定の冷却を実現するために、十分な圧力を生成できるように選定するべきです。必要な圧力の計算は、各製品固有のタスクとして個別に行う必要があり、気流量の計算のように単純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多くのCAD製品が利用可能であり、設計が完了した後は風速計や圧力計を使用して空気速度や圧力特性を測定することができます。

必要な気流と圧力の達成

前述の2つのセクションの概念に基づき、必要な冷却を提供するためには、ファン（または複数のファン）によって気流量と空気圧を生成する必要があります。ファンメーカーのデータシートでは、逆圧がない場合の気流量の値、気流がない場合の最大圧力の値、そしてファンから得られる圧力に対する気流の曲線が提示されます。例として、除去すべき熱量と空気温度の制限に基づいて気流要求が10 CFM以上であると計算された製品を挙げます。その製品の機械設計は、図2に示されたような圧力と気流の関係グラフを生み出すように特性化されています。破線は製品に必要な最低気流量（それ以上の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よる圧力と気流の関係を表しています。

図2の曲線に基づき、Same Sky社のCFM-6025V-131-167 DC軸流ファンがこのプロジェクトに選定されました。DCファンのデータシートには、バックプレッシャーがない状態での16CFMの気流、気流がない状態での静圧0.1 inH2Oが記載されており、さらに図3のグラフも提供されています。

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ことで、図4のグラフが得られます。

図4で赤い円で強調されている動作ポイントは、選択されたファンを使用したシステムの圧力と気流を示しています。気流の必要量が10 CFMと計算されたことに注意する必要がありますが、ファンは11.5 CFMの気流を供給します。ある用途では、これは十分な熱動作マージンになる場合がありますが、別の用途では、このソリューションではマージンが不十分になる可能性があります。

ファンを並列または直列で運転する

一般に、サイズが大きいファンや回転速度が速いファンは、より大きな最大風量と最大圧力を提供します。単一のファンでは必要な風量や圧力を供給できない場合、2台以上のファンを物理的に並列または直列で運転させることができます。ファンを並列で運転すると最大風量が増加しますが、最大圧力は増加しません。一方、ファンを直列で運転すると最大圧力が増加しますが、最大風量は増加しません。

複数のファンを並列で稼働させる場合の性能曲線は、ユーザーによって簡単に生成することができます。複数のファンを並列で稼働させた場合のファンの総合的な風量対圧力曲線は、単一のファンのグラフと同じであり、唯一の違いは風量の値が並列で稼働させるファンの数によって掛け算されることです。

複数のファンを直列に操作する場合の性能曲線は、同様の方法で生成できますが、直列のファンの数によって圧力値が変更されます。最終的に、複数のファンを並列に配置することで、高気流および低圧システムにおいて最大の改善が得られます。一方、複数のファンを直列に配置することで、高圧および低気流システムにおいて最大の改善が得られます。

ファン速度の影響

ファンの速度 (RPM) は、ファンの初期選定またはファン制御信号によって決定される可能性があります。ファンの速度を変更することで、空気量、空気圧、消費電力、そしてファンによって発生する音響ノイズに影響を与えます。これらの関係は、「ファンアフィニティ法則」と呼ばれるもので説明されます。

ファン親和性法則

ファンによって移動される空気の量は、ファンの速度に比例します。

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。

ファンを運転するために必要な電力量は、ファンの速度の立方に比例して増加します。

ファンの速度を倍増させると、ファンが発生する音響ノイズが15dB増加します。

結論

必要な気流量と圧力の知識があれば、適切なファン（またはファン複数）を選択して十分な冷却を提供することができます。ファンを並列または直列で運転することで、単一のファンでは不十分な場合においても、設計者がアプリケーションの熱要件を満たすための追加の選択肢が得られます。同社Same SkyのDC軸流ファンシリーズは、さまざまな性能評価を特徴としており、設計者がファンのサイズ、消費電力、発生する騒音レベルなどを選ぶ際に柔軟性を提供します。