응용 분야에 어떤 팬이 적절한지 결정하는 방법
The most well known type of heat exchanger is a car radiator. In a radiator, a solution of water and ethylene glycol, also known as antifreeze, transfers heat from the engine to the radiator and then from the radiator to the ambient air flowing through it. This process helps to keep a car’s engine from overheating. Similarly, Boyd’s heat exchangers are designed to remove excess heat from aircraft engines, optics, x-ray tubes, lasers, power supplies, military equipment, and many other types of equipment that require cooling beyond what air-cooled heat sinks can provide.
공기-액체 냉각 응용 분야에서 가장 중요한 매개 변수는 공기 흐름입니다. 공정 냉각에 필요한 공기 흐름을 계산하려면 소실될 열량과 공기 온도의 변화를 알아야 합니다. 그러나 공기 흐름만을 생각해서 팬을 선택할 수 없습니다. 공기 경로의 시스템 임피던스도 계산해야 합니다. 공기 흐름 및 시스템 임피던스는 공정 냉각에 필요한 팬 작동점을 정의합니다. 열 교환기용 팬을 선택할 때의 다른 고려 사항으로는 팬 대 송풍기, 정수 또는 가변 흐름, AC 또는 DC 전력이 있습니다.
공기 흐름 요구 사항 설정




이는 STP 조건에서 캐비닛 내부에서 생성된 열을 방출하는 데 필요한 공기 흐름입니다. 공기의 부피가 아닌 질량이 냉각 용량을 결정한다는 것을 기억해 주세요.
시스템 임피던스 결정



ITD는 유입되는 뜨거운 공기와 차가운 물 사이의 초기 온도 차이입니다.
다음 그림 1에서 알 수 있듯이, 최소 27CFM과 0.25gpm을 초과하는 물 흐름을 제공하는 팬과 페어링될 때 6105 구리 튜브 핀 열 교환기는 6.9W/°C를 제공합니다. 그림 2에서 표시된 대로 오리엔탈 모터 팬 모델 MU1225S를 선택한다면, 분홍색 세로선과 가로선이 나타내듯이 필수인 0.11인치의 물에서 팬은 39CFM을 제공하며, 이는 요구 사항인 27CFM을 훨씬 상회합니다. 그러나 핑거 가드 및 필터 등의 팬 액세서리는 그림 2 내 지점 A, B 및 C에서 공기 흐름 사이의 차이로 표시되듯이 팬 성능에 영향을 줄 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 본 예시와 같은 높은 임피던스 시스템에서는 팬 성능에 미치는 영향이 최소화됩니다. 그러나 낮은 임피던스 시스템을 사용하면 팬 성능에 미치는 영향이 클 수 있습니다. 캐비닛에 명확한 공기 흐름 경로가 있다면, 그림 1의 지점 D, E 및 F 사이의 공기 흐름 차이로 표시되듯이 시스템 임피던스는 상대적으로 낮아지며 액세서리는 팬 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 공기 흐름이 필요한 양에서 크게 떨어지면 열 교환기 성능에 영향을 미칩니다.
In addition to airflow and system impedance, other important factors must be considered when selecting a fan such as fan type, constant or variable flows, AC or DC power, air density, noise, life expectancy, EMI/RFI interference, and more.


축 팬(Axial Fan) 또는 송풍기
시스템 임피던스와 전반적으로 필요한 공기 흐름을 식별한 후에는, 사용할 팬 유형을 고려하는 것이 일반적인 순서입니다. 가장 널리 사용되는 팬 유형은 축 팬과 송풍기입니다. 축 팬은 팬 블레이드 축의 방향과 평행한 방향으로 공기를 이동시킵니다. 또한, 낮은 정압 조건에서 잘 작동하며 저소음이 필요한 환경에서 선호됩니다. 송풍기의 경우, 원심 설계를 통해 공기가 회전축에 수직으로 이동됩니다. 송풍기는 통신 및 하이 엔드 서버 등과 같은 고압 응용 분야에 적합하며, 최대 정압 근처에서 최대 효율로 작동합니다.
정수 또는 가변 흐름
팬 크기는 대부분 오버사이즈인 경우가 많은데, 이는 크기 계산 시 최악의 시나리오를 기반으로 하기 때문입니다. 예를 들어, 팬은 필요한 최대 열 분산 또는 극도로 높은 주변 온도를 기준으로 하여 그 크기를 정합니다. 이러한 경우, 넉넉한 크기의 팬에서 제공되는 추가 성능은 극단적인 상황에서만 필요할 수 있습니다. 많은 작동 단계에서, 공기 흐름 속도가 낮더라도 충분할 수 있습니다. 예를 들면, 주변 온도를 낮추거나 장치가 부분 부하만으로도 작동하는 경우입니다. '지능형' 팬은 가변하는 조건에 적응해야 하는 응용 분야에서 효과적인 솔루션입니다. 이러한 종류의 온도 종속 팬 제어를 사용하면 열 부하가 낮을 때 속도가 떨어집니다. 따라서, 결과적으로 소음 방출 및 전력 요구량이 감소합니다.
AC(교류) 또는 DC(직류) 팬
시스템의 가용 전력 또한 팬 유형에 영향을 줄 수 있습니다. 응용 분야의 전력 유연성이 뛰어난 경우, DC 대 AC 팬의 장점을 평가해야 합니다. DC 팬은 가변하는 흐름을, AC 팬은 일정한 흐름을 제공합니다. 과거에는 DC 팬이 AC 팬보다 훨씬 비쌌지만, 오늘날 가격 차이는 거의 없으므로 성능과 기능에 더욱 중점을 두고 결정을 내릴 수 있습니다. 오늘날에도 여전히 AC 팬이 더 널리 사용되고 있지만, DC 팬은 더 긴 수명, 약 60% 적은 전력 소비, 더 낮은 수준의 전자기 간섭(EMI) 및 라디오 주파수 간섭(RFI)의 이점을 제공합니다.
When selecting a fan for a heat exchanger, it is important to look not only at cooling requirements and system impedance, but also at fan type, constant or variable flow, and AC or DC power operation. Further down in this post additional fan considerations such as life expectancy, air density, noise, and EMI/RFI interference will be discussed.
How to Calculate Which Fan is Right Continued…
In air-to-liquid or liquid-to-air cooling applications, airflow is one of the most important parameters to consider. Therefore, selecting the right fan is just as important as selecting the right heat exchanger. We calculated airflow and system impedance requirements and discussed selection factors such as AC or DC power, constant or variable flow, and the choice of a fan or blower. This article will discuss other important heat exchanger fan selection factors such as air density effects, noise, life expectancy, and EMI/EMC interference.
공기 밀도 효과


조건 | Density (lbs/ft3) | 물질 유량(lbs/hr) |
---|---|---|
해수면, 70°F | 0.075 | 1350 |
해수면, 250°F | 0.056 | 1008 |
10,000ft, 250°F | 0.038 | 684 |
소음
팬을 선택할 때 또 다른 중요한 요소는 소음입니다. 소음은 팬 성능에 직접적인 영향을 미치지는 않지만, 다음과 같은 두 가지 이유 때문에 팬 선택에 신중해야 합니다. 첫째, 소음은 업무 효율성에 영향을 미치거나 극단적인 경우 장기적인 청각 문제를 초래할 수 있습니다. 미국 산업 안전 보건국(OSHA)의 산업 소음 노출 - 1910.95 표준에서는 청력 보호 장치 없이 다양한 소음 수준에 노출되는 것을 제한하여 청력 손실이 발생하지 않도록 합니다.
둘째, 소음은 시스템 작동 및 전반적인 안정성에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 소음은 일부 전자 장치의 기능에 영향을 줄 수 있는데, 전자 장치가 진동 흡수제 역할을 함으로써 진동에 의해 장치에 무리가 갈 수 있습니다. 또한, 실험실 등의 일부 작업 환경에는 소음에 민감한 계측 장치가 포함되어 있습니다.
팬 설계를 통해 팬 블레이드 표면과 트레일링 엣지에서 공기가 분리될 때 발생하는 광대역 소음을 최소화할 수 있습니다. 또한 적절한 피치 각도와 노치 또는 톱니 모양의 트레일링 블레이드 엣지를 통해 소음을 최소화할 수 있습니다. 당사의 고성능 DWDI(Double Width Double Inlet) 송풍기는 음향을 완화하고 소음 수준을 줄여, 사용자 경험을 개선하고 민감한 장치의 주변 진동을 줄이도록 특별히 설계되었습니다.
기대 수명
팬 기대 수명이란 팬이 회전 속도가 줄어들거나 더 이상 사용할 수 없을 정도의 큰 소음을 방출하지 않는 상태에서 지속적으로 작동할 수 있는 기간을 말합니다. 높은 시스템 안정성을 위해서는 수명이 긴 팬이 필요한 것이 일반적입니다. 대부분의 팬 고장은 베어링의 문제인 경우가 많습니다. 그러나, 매우 큰 하중을 전달하는 모터 또는 기어 헤드 베어링과는 달리, 냉각 팬에 사용되는 베어링은 일반적으로는 무시될 정도의 아주 낮은 하중을 감당하고 있습니다. 따라서, 팬 수명은 베어링의 윤활제 저하에 따라 결정될 수 있습니다. 중장비 구동에 사용되는 모터에 비해, 팬의 작동 및 시동 토크는 낮기 때문에 윤활유가 열화되면 팬이 제대로 회전하지 않습니다. 이러한 경우, 시동 전압이 증가하고 팬이 작동되지 않을 수 있습니다. 윤활유의 열화는 베어링에서 발생하는 팬 소음을 증가시킵니다.
팬 수명을 지정하는 데 가장 널리 사용하는 두 가지 방법으로 일반적으로 많이 사용하는 L10 수명 방법과 MTBF(Mean Time Between Failures) 방법이 있습니다. 이 둘의 차이점을 설명하면 L10 수명은 구체적으로 팬 그룹의 10%가 고장나는 데 걸리는 시간을 나타냅니다. MTBF는 팬의 50%가 고장나는 시간을 근사치로 구하는 것입니다. 팬 L10 수명은 일반적으로 75% RH에서 -40°C와 50°C 사이 일반 작동 조건에서 60,000-70,000 시간 범위입니다. MTBF 수명 범위는 일반적으로 동일한 조건에서 200,000-300,000 시간 사이입니다.
고품질 볼 베어링 팬은 기대 수명이 길기 때문에 가장 신뢰할 수 있는 것으로 간주됩니다. L10 방법을 사용하여 25°C~60°C 범위의 온도에서 슬리브 베어링과 볼 베어링 팬의 수명을 비교할 때, 볼 베어링 팬은 슬리브보다 평균적으로 50% 더 오래 지속됩니다. 일반적으로 온도가 주변 환경에 가까울 때에는 슬리브와 볼 베어링 팬의 수명에는 큰 차이가 없습니다. 보통 볼 베어링은 높은 환경 조건에서 팬 모터의 슬리브 베어링보다 수명이 길었습니다. 최근 당사의 표준 축 팬과 소결 슬리브 베어링에 사용된 것과 같은 유체 윤활제 베어링(FLB)에 대한 기술 개선을 통해, 슬리브 베어링은 훨씬 낮은 비용으로도 볼 베어링만큼 신뢰할 만한 수치를 제공하게 되었습니다.
EMI 및 EMC 간섭
팬 선택에 대한 또 다른 변수는 전자기 간섭(EMI) 및 전자기 호환성(EMC)입니다. 정의에 따르자면, EMI는 장비의 정상적인 작동을 방해할 수 있는 모든 전기적 부담입니다. EMI 간섭에는 크게 두 가지 영역인 전도 간섭과 방사 간섭이 있습니다.
전도 간섭은 전원 및 신호선을 통해 전달되나 불필요한 신호(undesired signal)를 말합니다. 방사 간섭은 공급원에서 방출되고 장비의 정상적인 작동에 영향을 줄 수 있는, 불필요한 신호를 말합니다. 전도 EMI는 일반적으로 방사 EMI보다 문제가 많습니다. 실제로 브러시리스 DC 팬에서는 전도 EMI가 유일한 문제거리가 되는 것이 보통입니다.
일반적으로 사인파 전압을 실행하는 AC 유도 모터에는 EMI에 대한 문제가 없습니다. 그러나, 모터와 입력 리드 근처에 작은 자기 간섭이 발생할 수 있습니다. 기계 또는 전자적으로 정류된 DC 모터 및 전자 제어 장치로 구동되는 AC 모터에는 EMI 서명이 있습니다. EMI는 DC 전압의 전환에 의해 생성되며, 이는 모터에서 자기장의 회전을 생성하는 데 필요합니다.
전자기 호환성(EMC)은 다른 전자 장비의 작동에 영향을 줄 수 있는, 불필요한 전자기 간섭을 발생시키지 않으면서 장비를 작동할 수 있는 능력, 그리고 다른 곳에서 발생하는 불필요한 간섭에 의해 부정적인 영향을 받지 않는 능력이라고 할 수 있습니다.
요약하자면, 팬 선택은 액체-공기 및 공기-액체 냉각 응용 분야에서 매우 중요한 부분입니다. 응용 분야에 적합한 팬의 크기를 결정하려면 공기 흐름 및 정압 계산보다 더욱 정밀한 작업이 필요합니다. 기사의 제 1편과 제 2편에서 논의한 것처럼, 안정적인 시스템 제공을 위해 팬의 크기를 조정할 때에는 설계자가 고려해야 하는 다른 중요한 요소가 있습니다. 여기에는 공기 밀도 효과, 소음, 기대 수명 및 EMI/EMC 간섭이 포함됩니다.
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