防衛大学校様 | 解析事例・インタビュー｜熱流体解析

防衛大学校様
ファンモデルの高精度化を追求
実験とCFDの合わせ込みで長年の課題を解決

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

　中村氏の専門は伝熱工学である。わかりやすく言えば、ものをいかに効率よく温めたり冷やしたりできるかを追求する研究分野だ。このときに重要な役割を果たすのが流体である。たとえば電子機器であれば、筐体内部の発熱したチップを冷やすために空気を流す。条件にもよるが、その時の流体の流れは複雑で、非常に細かい渦構造などもできる。乱流状態になれば予想のつかない流れになるが、そういった現象を研究するのが中村氏のテーマだ。「CFDソフトによって計算できる範囲は広がっているものの、予測できないことはまだまだあります。そういった領域で実験をすることによってメカニズムを解明しようとしています」（中村氏）。

　中村氏がファンモデルに取り組み始めたきっかけは、日本機械学会に設けられた電子機器などの信頼性設計のための研究分科会（RC181）だ。十数年前にその研究分科会に参加した時に、初めてファンモデルに関する問題を耳にしたという。その当時はすでに高密度実装が進んでおり、さまざまな部品をどのように配置すれば熱を逃がせるかがCFDソフトによって検討されていた。電子機器の冷却にファンを使用する場合、CFDではファンの形状および動作をそのまま再現せずに簡易的なファンモデルを採用することが多い。すなわち、ファンの羽根形状は省略し、P-Q特性、つまりファンの前後の圧力差に対する流量値を与えて解析を行う。だがファンモデルにメーカー提供のP-Q曲線を用いても、正しい解析結果が得られないことがたびたび指摘されていたという。これではCFDの精度を上げようとしても、ファンモデルがネックになってしまう。そこで強制対流に取り組んでいた中村氏がこの課題に取り組むことになった。

実験を重ねて原因を特定

　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

P-Q補正で大きな反響

　 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）

※SCRYU/Tetra、STREAMおよび熱設計PACは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2013年6月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

プロフィール

防衛大学校熱工学研究室機械工学科教授中村元氏

研究分野	熱工学、流体工学
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