DCファンの制御/保護オプションの概要
著者 Jeff Smoot 氏
VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices
2020-10-13
マルツ掲載日：2021-2-15
DCファンは、よく知られ、広く実装されている熱管理デバイスで、個別で使用するか、直列や並列に接続して、強制空気対流冷却を提供することができます。その汎用性と比較的簡単な操作性により、長年にわたってエンドアプリケーションの熱プロファイルを向上させるための確固たる選択肢となっています。
基礎物理学では、ファンが発生させる移動する空気が熱を吸収し、その熱をデバイスの外に運び出して放熱することで、コンポーネントの冷却に効果があると説明されています。しかし、その効果はいくつかの要因によって影響を受けます。エンジニアはDCファンの信頼性と効率を向上させるために、DCファンで利用可能な機能とオプションをよりよく理解することでメリットを得ることができます。
図1：自然対流冷却と強制空気対流冷却(画像提供：CUI Devices)
DCファンの選択プロセスを開始するにあたり、エンジニアは、最小空気流要件を計算するために基本的な熱分析を実施する必要があります。代表的な熱分析には、熱源、周囲条件、温度上昇のモデリングが含まれるかもしれません。
適切なソリューションを確実に実装するためには、ファンのサイズ、その方向、アプリケーション内の空気流経路などのその他の要因も考慮する必要があります。CUI Devicesのブログ「適切なDCファンを選択するための空気流の基礎について」では、熱分析と選択プロセスの詳細が紹介されています。
熱分析が完了し、適切なサイズと定格のファンを選択すれば、あとはファンに電源を入れて稼働させるだけです。特定のシナリオでは、ファンをフル稼働させることでその目的を果たすことができますが、継続的な強制空冷は、一般的にエネルギー効率の高い長期的なソリューションとはなりません。
今日のDCファンは、熱管理機能を強化するための一連の制御、監視、保護オプションを設計者に提供しています。この記事では、より高度なファン制御技術から設計者が利点を得ることができるよう、これらの機能をカバーすることを目的としています。
オン/オフサイクル
上述したように、フルタイムでファンを動作させると温度に敏感なコンポーネントを確かに低温に保ちますが、消費する電力と、ファンには有限の動作寿命を持つ可動部品があるという事実の両方を無視しています。また、ファンが動作しているときには、さまざまなアプリケーションや環境で不要と思われる可聴ノイズが発生します。
温度設定値付近でのファンのオン/オフサイクルは、ファンの連続運転の欠点のいくつかを軽減することができる代替的なアプローチです。ファンのオン/オフ制御技術は、運転時間を制限することで電力を節約し、ファンの可動コンポーネントへの負担を軽減し、温度が設定値を下回るとファンがサイクルオフする際の可聴ノイズを低減することができます。
しかし、ファンのオン/オフ制御もまた、多くの点で強制空冷のアプローチとしてはあまりにも単純であり、いくつか短所があります。まず第一に、オン/オフ制御技術は、温度に敏感なコンポーネントに高温と低温のサイクルを導入します。
重要なコンポーネントにとって、熱サイクルは、一定の高温での運転と比べて同様に有害であるか、あるいはより悪影響を及ぼす可能性があります。これは、熱サイクルによって温度係数に差が生じ、材料やはんだ接合部にさらなるストレスがかかり、早期故障につながるためです。
次に、避けられないサーマルオーバーシュートの要因があります。これは、ファンのスイッチが入ってから、ファンによる強制空冷が実際に開始されるまでの時間の遅れのことです。この時間遅れの間に、「ファンオン」の設定値を下げない限り、コンポーネントの過熱が発生する可能性があります。
また、設定値を下げることで、ファンが動作して可聴ノイズを発生させる時間が長くなります。最後に、「チャタリング」として知られる設定値付近での急速なオン/オフの切り替えを避けるために、ヒステリシスを実装する必要があります。
以下のグラフは、ファンのオン/オフ制御アプリケーションでのサーマルラグ(熱遅延)に起因するサーマルオーバーシュートのジレンマを説明するのに役立ちます。このグラフは、ファンのオン/オフサイクル(緑)、実際の温度(濃い青)とともに、ステップ変化を伴う望ましい温度設定値(水色)を示しています。
図2：ファンのオン/オフサイクルは、サーマルオーバーシュートとラグを引き起こす可能性があります(画像提供：CUI Devices)
今日のファン制御オプション
今日のDCファンでは、設計者は、熱管理システムをより細かく調整することができるように、さまざまな制御および保護オプションを利用できます。これらの高度な設計により、ファンの基本的なオン/オフ制御で性能、効率、信頼性が向上します。
また、ファンやファンが冷却しているコンポーネントに損傷が及ぶ前に問題を検出する保護オプションも用意されています。最も一般的なファン制御および保護オプションのいくつかを以下に説明します。
●パルス幅変調
パルス幅変調(PWM)は、熱条件の変化に応じてファンの速度を制御したり変更したりするために使用される一般的な方法です。PWMベースの可変速制御は、ファンの速度を熱負荷に合わせた運転ダイナミクスに適応させることができる高度な制御アルゴリズムと組み合わせることで、より優れた運転効率を実現します。
また、ファンのオン/オフ制御は、比例積分微分(PIやPID)閉ループ制御戦略を採用することで、この方法を使用してアップグレードできます。これらの戦略は、空気流が望ましい温度設定値で条件を維持することを確実にすることで、負荷の変化にもかかわらず、サーマルオーバーシュートやアンダーシュートを回避するのに役立ちます。
●組み込みタコメータ信号
閉ループフィードバックやより高度なファン制御に使用される組み込みタコメータは、パルス出力信号の周波数を測定することでファンの回転速度をセンスしてレポートします。また、電力損失や障害物などによりファンが動作を停止した場合にユーザーに警告するロックセンサとしても機能します。
これらの問題を早期に検出できることは、システム運用にとって大きなメリットであり、温度に敏感なコンポーネントを保護するためのタイムリーなシャットダウンを可能にします。
●自動再起動保護
自動再起動保護は、ファンのモータの回転が阻止された場合にそれを検出し、駆動電流を自動的に切断します。これにより、ファン駆動回路を保護し、駆動電流の遮断による緊急の問題をファンコントローラに通知します。
●回転検出/ロックセンサ
回転検出/ロックセンサは、ファンモータが動作しているか停止しているかを検出するために使用され、起動時や運転中の問題を未然に防ぐことができます。
まとめ
アプリケーションが過剰な熱を発生させる場合、DCファンは、コンポーネントを動作限界内に保ち、熱放散を向上させるための一般的な選択肢です。基本的な熱分析を行った後にファンを選択して継続的に運転することは確かに選択肢の1つですが、より高度なファン制御および保護機能により、設計者は長い運転寿命と優れた効率を得ることができます。
CUI Devicesは、このプロセスを簡単にするために、さまざまなサイズ、空気流、速度、制御を備えたDCファンおよびブロワの包括的な製品ラインナップを提供しています。
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