コンセプトフェーズ - 冷却とエアフロー パート1

このオープンソースのラップトッププロジェクトのインストールメントでは、冷却システムをより詳しく見ていきます。まず、デバイス内の空気の流れに焦点を当て、前の記事で定義された要件を満たすために何を考慮する必要があるかを見つけます。

コンセプトフェーズでは、最終製品に実装すべき主要な技術要件を検討しました。その要件の一つは、デバイスの下側から空気を吸い込むことができないというものでした。市場に出ている多くのラップトップがまさにそれを行っており、それには十分な理由があります。CADモデルに飛び込んで自分たちの設計を始める前に、現状を見て、実証済みのアプローチから何を学べるかを見てみましょう。

Dell XPS 9500を見てみよう

現代のラップトップで冷却ソリューションがどのように実装されているかを示すために、Dell XPS 9500を見てみます。これは、i7-10750プロセッサとNVIDIA GTX 1650 Ti GPUを搭載した15インチのデバイスで、フルロード時には100ワットを超える電力を消費することがあります。したがって、冷却ソリューションは13インチのデバイスよりもはるかに大きくなりますが、動作原理は同じです。

デバイスの底面には、大量の空気取り入れスロットがあります。換気スロットの配列は、デバイスの底面カバーのほぼ全長にわたって広がっています。

DELL XSP 9500の底面ビュー

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底面カバーを取り外すと、換気スロットの約50％が断熱フォイルで閉じられており、実際に内部ファンによって使用されているのは一部に過ぎないことがわかります。ファンの前に空気フィルターがない場所では、空気を積極的に吸い込むことができます。細かいメッシュの空気フィルターは特に高い流れ抵抗を持つことがあります。そのため、低圧側に追加のフィルターがないシステムが、3年間の使用期間を通じて冷却フィンの詰まりによる性能低下なしに管理できるのは興味深いです。もちろん、この例が完全に代表的であるわけではありません。粒子の数と粒子のサイズは場所によって異なります。

デバイスの底面カバー

この機械は、それぞれがファンの出口の直前に位置するジッパーフィンヒートシンクパッケージを備えた2つのラジアルファンを使用しています。2つのヒートシンクパッケージは、2本の8mmフラットヒートパイプを使用してメインCPUとGPUに接続されています。

底面カバーとコンポーネント配置の2つの画像を重ね合わせると、システム内のエアフローの発展がわかります。

XPS 9500内のエアフロー

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この配置の利点は以下の通りです：

• 流路が可能な限り短く、圧力損失を最小限に抑え、ヒートシンクを通る空気の速度を高めることができる；
• メインボードや他の内部コンポーネントに空気が強制的に流れることがなく、電子部品にほこりが溜まることが少ない；
• 冷たい空気の吸入口と熱い空気の排出口が十分に離れている。

この配置の欠点は以下の通りです：

• ラップトップを柔らかい表面で使用すると、底面の通気口が簡単に塞がれる；
• メインボードを横切るエアフローがないため、すべての発熱コンポーネントには大きな熱拡散板が必要であるか、CPUまたはGPUの熱拡散板に熱的に結合されている必要がある。

オープンソースラップトップのエアフローコンセプト

前述のアプローチの利点は、デバイスの底面に空気取り入れ口を配置するための非常に良い根拠です。しかし、不必要なボトルネックを作り出さずに、空気取り入れ口をデバイスの背面や側面に移動する方法があるべきです。

そこで、冷却コンセプトデザインについて2つのアプローチを検討しました：

最初のアプローチでは、デバイスの右側から空気を引き込み、メインボード上を通過させ、ラップトップの左側で排気します。ヒートシンクパッケージは、ラップトップの左側の通気スロットとラジアルファンの間に直接配置されます。

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このアプローチの主な欠点は、メインボードをラップトップの前面、トラックパッドの下に配置する必要があることです。バッテリーパックはキーボードの下に配置しなければなりません。これにより、ラップトップの重心が後方に移動し、画面を最大限に後ろに倒して使用する際に不安定になります。その結果、このアプローチは後に見送られました。

次のイラストは、最初のコンセプトでエアフローがどのように発展したかを示しています。（後ほど、無料のオープンソースツールを使用してこのようなシミュレーションを設定する方法を見ていきます。）

見送られた冷却コンセプトの流れの経路

バッテリーを後部に移動することが問題外であるため、内部コンポーネントの新しい配置を設計する必要がありました。そして、メインボードがキーボードの下に配置されているため、側面から空気を引き込むことはもはや選択肢ではありません。空気取り入れ口に必要なスペースはすでにIOインターフェースによって占められています。

代替アプローチとして、ラップトップの背面に空気の入口と出口の両方を配置しました。この方法では、ラップトップのほぼ全長を空気取り入れ口として利用でき、流れの抵抗を最小限に抑えることができます。入口を出口の近くに配置する場合は、温かい空気を再び機械内に吸い込まないよう注意する必要があります。

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更新されたエアフローパスは次のようになります：

更新されたエアフローパス

このアプローチでは、デバイスの背面の大部分が冷却空気の入口に割り当てられています。この空気入口の断面積が比較的大きいため、圧力降下をあまり引き起こさずに細かいメッシュのエアフィルターを入口の前に設置できます。フィルターされた冷却空気はメインボードを横切って流れ、SSD、メモリ、VRM、およびサポート回路などのコンポーネントを冷却することができます。そして、冷却空気がフィルターされているため、メインボード上にほこりが蓄積するリスクも減少します。メインボードを横切って冷却空気を引き込むことの追加の利点は、キーボードとメインボードの間に熱気のポケットが形成されないようにすることができるため、激しい使用下でのキーボード温度を効果的に低下させることができます。

以下のレンダリングは、キーボードモジュールの下にメインボードを新たに配置した様子を示しています：

キーボードモジュールの下のメインボードの配置

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冷却ファンの吸気クリアランス

上記のようにエアフローを設定することで、システムを冷却する有効なアプローチを持っています。次に、このコンセプトをCADに統合し、初期イテレーションでシミュレーションを使用してアプローチを検証する必要があります。

CADモデルを洗練する前に、システム内でのファンの配置に関する制約を理解する必要があります。冷却ファンの吸気口の周囲のクリアランスには特に注意を払う必要があります。ファンの吸気口はキーボードモジュールの直下に配置され、空気を吸い込むためのわずかな隙間しかありません。このセクションの圧力降下をシミュレーションで検証することができます。しかし、ファンの吸気口に非常に近い障害物を配置すると、追加の空力効果が発生します。軸流ファンは特に吸気経路の閉塞に敏感です。一方、遠心ファンは一般的に高流動抵抗環境に適していますが、吸気口近くの最適でない空気流は性能に大きな影響を与える可能性があります。

ファンの吸気口で渦や回転流が発生しないようにすることが重要です。これはファンの性能を低下させ、追加の騒音を発生させる可能性があります。また、ファンローターの各部分が均一な圧力差を経験するように、均等に分布した質量流がファンに入ることを確認する必要があります。

ファンの吸気口での回転流は、吸気口に近い平面の障害物が配置された場合、ファンローター自体の影響によって発生する可能性があります。残念ながら、これは概説された冷却コンセプトで使用されるファンの取り付け位置です。これらの回転流をシミュレーションでモデリングすることは非常に困難であり、ファンブレードの幾何学に関する正確な知識が必要です。シミュレーションが実行可能なオプションではないため、ファンの測定を行う必要があります。

簡易ファン測定

目的は、平面の障害物をファンの吸気口から保持しなければならない最小距離を決定することです。

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実験セットアップでは、ファンの吸入口に何も障害物がない状態で冷却ファンの空気速度を測定します。遮断板を使用し、ファンの吸入口に近づけながらファンの出口の空気速度を監視します。この方法により、出力空気速度と遮断物のファン吸入口までの距離の関数を定めることができます。この関数は、ファンの性能を10％以上低下させることなく、障害物を吸入口からどれだけの最小距離に保つべきかを教えてくれるはずです。

望ましい結果を得るためには、ファン出口での空気速度を繰り返し測定する方法が必要です。私はこのような小さなファン出口の空気速度を測定できる風速計を持っていないため、工夫する必要があります。

そのために、私たちは2つの冷却ファンを組み合わせて使用しますが、そのうちの1つのファンのみがアクティブに駆動されます。2番目のファンは、最初のファンによって生成された空気流によって駆動されるため、2番目のファンのタコ信号を使用して、周波数カウンターでローター速度を測定することができます。

外部ソースによって提供された空気流だけでファンを駆動しようとすると、特に流量が低い場合にすぐに問題に直面することがあります。ファンモーターの磁気コギングトルクが原因で、ファンは高流速でのみ回転します。

これを避けるために、2番目のファンは、タコメーター信号のためのホールセンサーを備えた回路基板を残しながら、ステーターを取り外すことによって改造する必要があります。こちらがその方法です：

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• 次に、磁石の配置を使用して、ローターをそのMagFixベアリングから押し出します：

• 最後に、コントローラーPCBを損傷することなくファンモーターを取り外すことができます：

これらの改造を施したファンを再び組み立てると、非常に低い速度の空気流を示すことができるようになります。タコ出力を使用して、回転率を正確に定量化できます。ファンは1回転あたり2パルスを出力します。

繰り返し可能で信頼性の高い測定を行うためには、適切な機械設計が必要です。シンプルな3Dプリント製のホルダーを使用して、2つのファンを固定し、テスト装置から測定ファンへの空気の流れを案内します。

3Dプリント製テスト治具

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テストおよび測定ファンを取り付けた後の3Dプリント製テスト治具

簡易ファン測定の結果

上記のテスト測定セットアップを使用して、DUTの入口の前に遮断板を設置しました。遮断板とファンの吸気口との距離は0mmから2mmまで0.1mmステップで変化しました。遮断板を設置しない状態でのテストランを、最大達成可能な空気速度の参照として使用し、同時に音レベルが記録されました。

吸気口の障害物までの距離に対する空気速度の測定結果

騒音レベルのスペクトル分布

測定結果によると、ファンの性能が10％以上低下しないようにするためには、少なくとも1.1mmの吸気ギャップが必要であることがわかりました。ファンの騒音のスペクトル分布は、すべての測定実行で驚くほど似ています。高周波数範囲では、特に近距離測定でいくつかの変動がありますが、これは予想されることです。1mm以上の距離での測定実行では、騒音スペクトルの互いの偏差は非常に小さいだけです。

エアフローシミュレーション

以前の測定から得られた重要な洞察をCADモデルに移すことができます。ファンは、ファンの吸気口とその上に取り付けられたキーボードモジュールの間に少なくとも1.1mmの距離を持って統合されるべきです。

放射ファン用の正しい取り付けスペーサーを使用すると、キーボードモジュールとファンの上側との間のクリアランスは約1.92mmです。その値から、キーボードの下にある補強材と絶縁フィルムのために0.5mmを差し引く必要があります。幸いなことに、距離はまだ1.1mmよりも大きいです。ファンのシステム内での予備配置が完了したら、既存のジオメトリからシミュレーションモデルを作成できます。

ファンの吸気口とキーボードモジュールの下側との間の距離

シミュレーションモデルの目標は、ラップトップの空気吸入口と空気排出口の間に圧力降下を提供することです。ヒートシンクパケットとエアフィルターが流路で最大の圧力降下を生じさせます。これら2つの側面はまだ定義されておらず、将来のシミュレーションで考慮される予定です。現時点では、ラップトップ内の流れのプロファイルとそれに関連する圧力降下にのみ焦点を当てています。

内部空気経路の圧力降下は、複数の体積流量で計算されます。複数の流量を横断することで、圧力降下と体積流量の関数を作成できます。この関数とファンデータシートによって与えられたファンカーブとの交点は、システム内のファンによって生成される最終的な体積空気流量、したがって空気速度を教えてくれます。流れのプロファイル圧力降下の関数は、ヒートシンクパックとエアフィルターの圧力降下の関数が計算された後にオフセットする必要があります。

シミュレーションを準備するために、CADモデルを簡略化し、流体シミュレーションドメインのための体積を抽出する必要があります。最初のステップでは、メインボード上に位置するコンポーネントはバウンディングボックスモデルで置き換えられます。これにより、後で作成されるシミュレーションメッシュのジオメトリの複雑さだけでなく、複雑さも大幅に削減されます。

オリジナルのジオメトリを持つマザーボード上のコンポーネント

バウンディングボックスは、ジオメトリの大きな特徴に従って設定されていますが、頂点数が多い特徴を囲むようになっています。小さくて詳細な特徴は流れのプロファイルに意味のある影響を与えないため、省略することができます。

シミュレーション領域内の重要なジオメトリ特徴を囲むバウンディングボックス

コンポーネントの簡略化された表現が配置されると、ラップトップケース、マザーボードとそのすべてのコンポーネント、そして簡略化された空気量との間の単純なブーリアン差分操作によって、ラップトップ内部の空気量を抽出することができます。

シミュレーションに使用される空気量

最初のシミュレーションを1m³/hの体積流量で実行すると、以下の速度と圧力分布が得られます：

最初のシミュレーション結果

このシミュレーションにより、2つの非常に重要な洞察が得られます。最初の結果は、入口と出口の平均圧力降下が15パスカルであることです。2番目の結果は、圧力場のヒートマップに見える濃い青の点に関するものです。この局所的な非常に低圧の領域は、ファン入口の直上にある回転する空気の流れ—小さな渦です。この回転は、ドメインに入る空気の流れがファン軸に対して垂直なインパルスを持っているために発生します。空気がファンに近づくにつれて速度が上がり、運動量の保存のために速く回転する渦が形成されます。

前のセクションで説明したように、ファンの入口での渦巻く空気の流れは追加のノイズを引き起こし、効率を低下させます。したがって、渦が形成されないようにする方法を見つけなければなりません。それは将来のアップデートでの課題になるでしょう。

体積流量を横断するスイープを実行すると、シミュレーションは次の圧力降下対流量曲線を明らかにします：

ラップトップの内部空気経路の圧力降下対体積流量

現在検討中のファンのデータシートは、次の圧力対体積流量グラフを提供しています：

ファンのデータシート

ファンカーブのX値とY値を抽出し、シミュレートされた圧力降下と同じ図に配置すると、2つの交差する関数が示されます。ファンカーブとシミュレートされた圧力降下カーブの交点は、ユニットにおいてどの体積流量とどの圧力が確立されるかを示します。しかし、まだ2つの重要なパラメーターが欠けています。フィンの熱沈下圧力降下とエアフィルターの圧力降下です。上記の確立されたワークフローを使用すると、これらの値を後で追加することは問題になりません。

ヒートシンクとエアフィルターなしのシステムの結果としての空気流量は、圧力降下28パスカルで約1.5m³/hであるべきです。

ファンカーブ対圧力降下カーブ

今後のプロジェクトアップデートでは、エアフローコンセプトをさらに洗練させ、流れと熱伝達のシミュレーションにオープンソースツールを使用する方法を深く掘り下げます。また、ラップトップの最初のコンポーネントの設計、組み立て、およびテストも行います。

まだ探求することがたくさんあるので、お楽しみに！