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電子機器などの冷却に使われるファンの形状は複雑だ。そのため流体解析に おいて厳密に形状を再現しようとするとデータが重くなってしまう。そこで 圧力流量特性を使用して簡易モデルで計算するのが一般的だ。だがそのファンモデルにおいて、しばしば誤差が生じることが問題となっていた。そこで 電子機器向けファンモデルの課題を洗い出し、より正確なモデルを考案した のが、防衛大学校 機械工学科 教授の 中村 元 氏である。
防衛大学校 機械工学科
教授 中村 元 氏
中村氏はまず、RC181研究 分科会で提供されたベンチマークモデルを使いながら、実験を進めていった。当時は メーカーが測定したP-Q曲線と市販のCFDソフトのファンモデルでは圧力差の定義が異なり、それが原因の一つであるらしいとは言われていたものの、正確なことは分からず手探りの状態だった。メーカーのP-Q曲線はファンの十分遠方で圧力を測っており、CFDソフトでは、ファンの直前と直後で定義している。とりあえずファンの近くに解決のカギがあると考えられたため、ファン周辺の速度や圧力を詳細に測定して原因を探っていった。
図1 実験装置の概略図および写真
一方、ファンの性能の測定方法だが、工業用や事務機器などに用いられる大型 から中型のファンについてはISO 5801や JIS B 8330で規定されていたものの、これらはノート型パソコンのような小型の 電子機器に使われるファンには対応していなかった。その後2003年にJBMS-72- 2003(音響―マイクロファンの空気伝播 騒音測定方法)によって、微小風量ファンの性能測定法が規定された。そこで中村氏はこの規格に沿った、ファン性能が簡単に測定できる装置を設計。全長3m 弱で電子機器の筐体に入ったままでもファンの性能を測定できる装置を製作した(図1)。こうして自前でP-Q曲線などを測定できるようになったことで、実験を精力的に進められるようになった。
こうして測定を重ねていくうちに、解決すべき問題が3つあることが分かってきた。1つ目は上にも挙げた、ファンの前後における圧力の定義が、メーカーから提供されるものとCFDのファンモデル で異なるということだ。2つ目は、高密度実装になるにつれてP-Q特性がずれるという問題である。そして3つ目が、ファンから出た空気の速度分布がP-Q特性からはわからないという問題だ。これらの 問題点を検証し、その対応を検討できるCFDソフトを探す中で、国内で開発しているソフトウェアクレイドルが候補に挙がったという。そして2007年ごろに実験結果とCFDのファンモデルとの比較のため、SCRYU/Tetra®での検証を始めた。
図2 ファンモデルにおけるPQ曲線の動圧補正
1つ目の問題は早くに解決できたそうだ。ファンの吸込口では流れが縮小し、速度が上がるために圧力が下がる。しかしメーカーによるチャンバー方式では、十分に遠方で圧力を測定しているため、この圧力低下が含まれない。一方、ファンの吐出側では、近くでも遠方でも圧力はほぼ同じになる。つまり、ファンモデルとチャンバー方式では、吸込口の圧力低下の分だけ差ができてしまっていた。そこで中村氏は、この違いを補正するために、吸込口付近の加速によって生じる動圧をP-Q曲線に加えることを検討した。ρを空気の密度、uをファン吸込口の平均風速とすると、動圧は1/2ρu2で表わされ、Qを流量、Aをファンの空気通過部分の断面積とすると、風速uはQ/Aで算出できる。そこでSCRYU/Tetra®のファンモデルを使用して、動圧を補正した圧力をPQテーブルに入力すると、実験結果と一致したという(図2)。「これだとファンのユーザーも簡単に補正できるので使いやすいと思います」(中村氏)。この方法については学会や講演会などで発表するたびに頻繁に質問があり、反響の大きさを感じるという。(後編に続く)
研究分野 | 熱工学、流体工学 |
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学歴 | 東京工業大学工学部機械 物理工学科卒業 東京工業大学大学院総合 理工学研究科博士課程エ ネルギー科学専攻修了 |
学位 | 工学博士 |
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