DC 팬 작업 최적화를 위한 중요 파라미터

DC 팬은 엔지니어 열 관리 솔루션의 핵심 요소로서, 효과적인 강제 공랭을 통해 응용 제품에서 열을 제거하도록 고안되었습니다. 잘 알려지고 쉽게 인식되는 부품이지만 선택한 DC 팬을 시스템 요구 사항에 맞게 최적화하려면 공기 흐름 및 기타 주요 파라미터의 기본 사항을 이해해야 합니다. 이해를 돕기 위해 이 기사에서는 적절한 공기 흐름 및 기압 계산을 설명하고 팬의 작동 곡선과 이러한 파라미터의 상호 관계, 다중 팬 설계의 영향 등을 살펴봅니다.

공기 흐름 파라미터 개요

팬을 지정하기 전에 다양한 공기 흐름 및 열전달 파라미터를 이해해야 합니다. 강제 공랭은 물체에서 열을 흡수한 다음 다른 위치로 전달하여 발산하는 방식으로 수행합니다. 여기서, 전달되는 에너지의 양은 강제 공랭 공기의 질량, 비열 및 온도 변화에 따라 달라집니다.

강제 공랭 질량은 이동하는 공기의 부피 및 밀도로부터 계산됩니다.

두 번째 방정식을 첫 번째 방정식에 삽입하여 발산되는 에너지를 공기의 부피와 연계합니다.

그런 다음 양쪽 변을 시간으로 나누어 다음 방정식을 생성합니다.

일반적으로 초과 출력은 알려지지만 공기 흐름(부피/시간)은 알 수 없습니다. 즉, 방정식을 다음과 같이 재구성할 수 있습니다.

일반적으로 이 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

여기서,
Q = 공기 흐름
q = 발산될 열
ρ = 공기 밀도
Cp = 공기의 비열
ΔT = 발산되는 열을 흡수할 때 상승하는 공기 온도
k = 상수 값(다른 파라미터에 사용되는 단위에 따라 다름)

20°C(68°F)에서 해수면 기준 건조 공기의 부피는 1.20kg/m3(0.075lbs/ft3)이고, 건조 공기의 비열은 1kJ/kg °C(0.24Btu/lb °F)입니다. 이러한 값을 삽입하면 위의 방정식이 다음과 같이 간소화됩니다.

여기서,
Qf = 공기 흐름(CFM, 분당 입방피트)
Qm = 공기 흐름(CMM, 분당 입방미터)
q = 발산될 열(W)
ΔTF = 발산되는 열을 흡수할 때 상승하는 공기 온도(°F)
ΔTC = 발산되는 열을 흡수할 때 상승하는 공기 온도(°C)

기압 요구 사항

위의 방정식에서는 충분한 냉각을 위해 필요한 풍량을 구했지만, 팬에 의해 전달되는 기압도 계산해야 합니다. 공기가 시스템을 통해 이동하는 과정에서 공기 유량 저항이 발생합니다. 즉, 팬은 시스템을 통해 지정된 풍량을 강제로 생성하여 필요한 냉각을 실현하는 데 충분한 압력을 발생할 수 있어야 합니다. 하지만 시스템마다 압력 요구 사항이 다르므로 공기 유량과 마찬가지로 압력을 방정식으로 간소화할 수 없습니다. 다행히, 설계 단계 중에 다양한 CAD 제품을 사용하여 기압 및 공기 흐름 특성을 모델링할 수 있습니다. 설계를 마친 후 풍속계 및 압력계를 사용하여 이러한 특성을 측정할 수 있습니다.

그림 1: 공기 흐름 및 기압 모델링(이미지 출처: Same Sky)

공기 흐름 및 기압 생성 요구 사항

이전 섹션에 요약된 대로 필요한 냉각을 실현하려면 팬(또는 여러 팬)에서 특정 공기 유량과 기압을 생성해야 합니다. 제조업체의 규격서에 공기 유량(배압 없음), 최대 압력(공기 유량 없음), 팬의 공기 흐름 및 압력 비교 성능 곡선이 나와 있습니다.

이 예에서는 제거할 열과 공기 온도 제한을 기반으로 하여 10CFM 이상의 공기 유량이 필요한 제품을 계산하고, 제품의 기계 설계에서 아래 공기 흐름 및 기압 비교 그래프를 생성했습니다(그림 2). 점선은 필요한 최소 공기 흐름을 나타내고, 주황색 곡선은 공기 흐름과 압력 사이의 관계를 나타냅니다.

그림 2: 공기 흐름 및 압력 비교 곡선에 표시된 최소 공기 흐름(이미지 출처: Same Sky)

위의 그래프를 활용하여 Same Sky의 CFM-6025V-131-167 DC 축류 팬을 선택했습니다. 규격서에서는 16CFM 공기 유량(배압 없음), 0.1inH₂O 정압(공기 흐름 없음)을 지정하고 아래 성능 그래프를 제공합니다(그림 3).

그림 3: Same Sky의 CFM-6025V-131-167 성능 그래프(이미지 출처: Same Sky)

그림 3 그래프를 그림 2 그래프에 겹쳐서 그림 4에 표시된 그래프를 생성할 수 있습니다. 이 그래프는 선택된 팬의 작동 지점을 강조 표시합니다. 11.5CFM 작동 지점은 이 예의 10CFM 공기 흐름 요구 사항을 초과하지만, 응용 제품에 따라 더 큰 열 동작 한계가 필요할 수도 있습니다. 그럴 경우 성능 사양이 다른 팬을 선택해야 합니다.

그림 4: 빨간색 원으로 표시된 팬의 작동 지점(이미지 출처: Same Sky)

다중 팬 설계 및 작동

일반적으로 팬이 더 크거나 빠를수록 더 큰 공기 흐름 및 압력을 제공합니다. 하지만 하나의 팬으로 작업할 수 없는 경우 여러 팬을 병렬 또는 직렬로 작동하여 특정 성능 파라미터를 강화할 수 있습니다. 예를 들어, 팬을 병렬로 작동하면 최대 공기 흐름은 증가하지만 최대 압력은 증가하지 않는 데 반해서, 팬을 직렬로 작동하면 최대 압력은 증가하지만, 최대 공기 흐름은 증가하지 않습니다.

그림 5: 단일 팬 작업과 병렬 대 직렬 팬 작업 비교 (이미지 출처: Same Sky)

공기 흐름 값 또는 압력 값을 각각 병렬 또는 직렬로 작동하는 팬의 수로 각각 곱한다는 점만 제외하고, 팬 방향을 병렬 또는 직렬로 작동할 때의 공기 흐름 및 압력 비교 성능 곡선은 단일 팬 곡선과 동일합니다. 이는 아래 연습(그림 6)에 나와 있으며 공기 흐름 값에 병렬로 작동하는 팬 수를 곱하여 나타냅니다.

그림 6: 공기 흐름 x 병렬 방향 팬 수 또는 압력 x 직렬 방향 팬 수 (이미지 출처: Same Sky)

전체적으로 병렬 팬 작동은 높은 공기 흐름 및 저압 응용 분야에 적합하고, 직렬 팬 작동은 높은 압력 및 낮은 공기 흐름 응용 분야에 더 적합합니다.

그림 7: 높은 공기 흐름 저항과 낮은 공기 흐름 저항의 팬 성능 비교(이미지 출처: Same Sky)

팬 속도 및 팬 친화력 법칙

팬 속도(RPM)는 팬에서 출력되는 공기 부피, 기압, 소비 전력, 음향 잡음 등에 영향을 줍니다. 이러한 관계는 “팬 친화력 법칙”에 의해 요약됩니다.

• 팬에 의해 이동되는 공기 부피는 팬 속도에 비례합니다.
  • CFM α RPM
    • 예: 4 x RPM = 4 x CFM
• 팬에서 발생하는 기압은 팬 속도의 제곱에 비례합니다.
  • 기압 α RPM²
    • 예: 2 x RPM = 4 x 압력
• 팬을 작동하는 데 필요한 전력은 팬 속도의 세제곱만큼 증가합니다.
  • 전력 α RPM³
    • 예: 4 x RPM = 64 x 전력
• 팬 속도가 2배로 증가하면 팬에서 발생하는 음향 잡음이 15dB 커집니다.
  • 예: 일반적으로 음향 잡음이 10dB 증가하면 사람의 귀에 잡음 수준이 2배로 증가한 것처럼 들립니다.

그림 8: 팬 친화력 법칙(이미지 출처: Same Sky)

결론

이 기사에 요약된 공기 흐름 및 압력 요구 사항에 대한 기본 사항을 이해하면 설계자가 응용 분야의 강제 공랭 요구 사항을 충족하는 적절한 팬을 선택하는 데 도움이 됩니다. 엔지니어는 단일 팬으로 계산된 공기 흐름 또는 압력 파라미터를 충족할 수 없는 경우 병렬 또는 직렬 팬을 선택할 수 있습니다. 다양한 공기 흐름, 압력 및 성능 등급을 가진 Same Sky의 다양한 DC 팬 및 송풍기 포트폴리오를 활용하면 적합한 팬 솔루션을 쉽게 찾을 수 있습니다.