高性能冷却：対角小型ファンがいかにビジネスを変えるか

著者 Pete Bartolik（ピート・バートリック）

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2024-02-08

クラウドサーバからモバイル機器に至るまで、パワフルな電子機器は企業、消費者、政府に多大な利益をもたらしています。それでも、スピード、信頼性、データ処理性能を提供するために、重要なコンポーネントをいかに効果的に冷却するかという課題がつきまといます。

5Gに関連する自律技術、人工知能、モノのインターネット（IoT）ソリューションの約束を果たすためには、より強力なサーバとエッジデバイスが不可欠です。性能と信頼性を確保するためにこれらのシステムを設計するには、複数の熱管理アプローチが必要ですが、熱風と冷風を交換するファンは、ほとんどのアプリケーションにとって極めて重要です。そのため、システム設計者にとって、最小の騒音と設置面積で究極の冷却能力を持つ小型なファンを計画することが極めて重要です。

電子システム設計における妥協の克服

1965年以来、電子システム設計は、間もなくインテルの共同創業者となるゴードン・ムーアが予言したことで有名な、集積回路の驚異的な高密度化による冷却要求に取り組んできました。¹ それ以来、電子システム設計者は、ICベースのシステムの高密度化による冷却要求に取り組んできました。システムがオーバーヒートすると、コンポーネントがシャットダウンしたり、最悪の場合、損傷したりする可能性があります。

電子システムを動かす電気は熱に変換され、過熱を防ぐために熱を放出しなければなりません。米国では、データセンターのエネルギー使用量の最大40%が冷却用です。データセンターから離れたエッジコンピューティングと多種多様なIoTデバイスは、一般に、極端な小型化と信頼性要件とともに、高度な放熱に依存しています。このような広範な電子システムの冷却ソリューションは、多くの場合、設置や保守が簡単な省エネで低騒音の小型ファンに依存しています。

適切な冷却を提供しようとするシステム設計者は、増大し続ける電力スループットへの要求、より厳しいエネルギー効率目標、および小型化するコンポーネントに対応する必要性によって、絶えず挑戦を強いられています。より強力なファンを利用したり、ファンを追加したりすることを安易に計画するのは、消費電力、スペースの制限、ノイズの制約から非現実的です。

設計者はファンについて3つの基本的な選択肢を持ち、計算流体力学（CFD）の原理を利用して、アプリケーションのニーズを満たすために圧力と気流の最適なバランスを提供できるアプローチを次のように決定することができます（図1）。

軸流ファン は、プロペラのようにファンの回転モータシャフトの軸に平行に空気を移動させます。これらは一般に、熱風を冷却空気で置き換える低圧大流量用途に最適です。設置奥行きが浅く、ノイズの発生が少なく、効率的であることが評価され、1センチメートル単位のスペースが重視されるサーバおよびストレージ機器に最適です。ブレードに対する流れの角度を大きくすれば、より大きな圧力を発生させることができますが、その結果、乱流や騒音が増加し、エネルギー効率が低下する可能性があります。
遠心ファンまたはラジアルファン は、シャフトに対して90˚の角度で空気を偏向させ、軸流ファンよりも低い流量でより大きな圧力を発生させることができます。そのため、データセンターの冷却のような換気のためにダクトを通して空気を送る場合や、ノートパソコンのような小型の用途で、吸気流に対して垂直に熱を移動させることを目的とした循環に最適です。そのトレードオフは、軸流ファンで必要とされる以上の電力要件です。
対角ファン は、軸流ファンのように空気を吸い込みますが、気流を軸に対して斜めに排出します。これにより、遠心ファンと同様の圧縮レベルが可能になり、乱流を抑えてより高い静圧を実現し、効率を高めることができます。

3つのファン設計の最適動作範囲の画像 図1：3つのファン設計の最適動作範囲。（グラフ提供：ebm-papst）

次世代軸流ファン

軸流小型ファンは、組み込みが簡単で最適な風量を提供できるため、電子機器用冷却アプリケーションの主流となっています。一体化されたハウジングは、吸気のための吸引漏斗として機能する一方で、騒音を増大させる渦を発生させることなく均質な流出量を提供します。

しかし、従来の軸流ファンは、増大し続ける冷却能力とより小型な設計の必要性によって、しばしばその限界に追い込まれています。従来の軸流ファンで冷却能力を高めようとする設計者は、エンクロージャ全体を均一に冷却するために必要な高圧を供給するために、逆回転ローターを備えた2段軸流小型ファンに頼ることがよくあります。しかし、これはエネルギー消費と運転騒音を増加させます。

ファンとモータのイノベーターをリードする ebm-papst は、このような障害を克服し、電子機器冷却の厳しい将来要件を満たすことを目的とした対角配置の小型ファン DiaForceを開発しました。DiaForceファンを通る空気は軸方向と半径方向の両方向に流れるため、小型な軸流ファンユニットでありながら、騒音が少なく、電力需要が大幅に少ない逆回転ファンの性能を実現します。

DiaForceファンは、外付けの最新式ローターモータを軸流インペラに直接統合し、遠心ファンの背圧性能を高めながら軸流ファンの強力な気流を供給することができます(図2)。インペラとハウジングのユニークな形状により、エッジ部分の乱流を最小限に抑えて騒音を低減し、吸気口よりも大きなインペラ出口開口部を利用して、軸方向と半径方向の両方に気流を発生させます。

1段軸流ファン、2段軸流ファン、DiaForce対角ファンの直接比較の画像 図2：1段軸流小型ファン（a）、2段軸流小型ファン（b）、および新しいDiaForce対角小型ファン（c）の直接比較。（写真提供：ebm-papst）

ebm-papstは、データセンターサーバ、5G標準通信、自律走行車、クラウドサービスなどのアプリケーションに代表される高可用性要件に対応する対角配置の小型ファンDiaForceを開発しました。

DiaForceファンの形状は乱流を最小限に抑え、標準的な軸流ファンよりも大きな圧力上昇を可能にします。ebm-papst社によると、DiaForceは従来の軸流ファンと同じ寸法で、従来の軸流小型ファンより6dB（A）静かで、風量性能² は最大50%向上しています。これは、2つの平面におけるダイナミックバランシングのためのDIN ISO 1940仕様に準拠しています。

従来の1段式ファンとは異なり、DiaForceファンの運転速度は、外部環境の温度上昇などの悪条件に対応するために上げることができます。DiaForceファンを駆動する高効率の電子整流（EC）モータは、ACモータの20%から70%の効率レベルと比較して、最大90%の効率レベルで動作します。ECモータは無段階の速度可変が可能で、ACまたはDCモータの出力レベルをより小さなフォームファクタで提供できます。

標準のDiaForce120（部品番号 8315100198）は、最小限のエネルギー消費と騒音で強力な冷却を実現します。フォームファクタは幅119mm、高さ119mm、奥行き86mm、重量980gです。指定された標準試験条件下で、最大自由気流680m³/h、最大静圧3.120Paを実現しています。ebm-papstによれば、動作点にもよりますが、6dB（A）から12dB（A）のノイズ低減が可能です。

DiaForceを駆動するのは、定格500Wの3ストランドでエネルギー効率に優れたDCモータと、あらゆる負荷範囲で最大限のトルクを可能にするインテリジェントモータレギュレーション用の強力なマイクロコントローラです。

オプションの内蔵診断ツールFanCheckは、実際に発生した摩耗、温度、回転数、および事前に設定された環境パラメータに基づいて、現実的な残存寿命を継続的に計算します。FanCheckを使用することで、メーカーと顧客は、指定された耐用年数よりも早くファンを交換するという一般的な慣習をなくすことができ、関連コストを削減し、最も適切な時期にファンを交換するスケジュールを立てやすくなります。

その他、DiaForceファンには、次のようなオプションも用意されています。

Go/NoGoアラーム
制限速度付きアラーム
外部温度センサ
内部温度センサ
アナログ制御入力
湿気保護

まとめ

政府、企業、消費者が、よりエネルギー効率の高いコンピュータやネットワーキング技術を求める中、電子システム設計者は、より高い性能とエネルギー効率を提供することが常に求められています。このような課題に対応するためには、状態監視機能と将来のニーズを見据えた最新のファンが不可欠です。ebm-papstの対角小型ファンDiaForceは、設計者がより小型な設計でより高い冷却能力を達成するための障害を克服するのに役立ちます。