活用事例インタビュー― ソフトウェアクレイドル

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 熱工学研究室
機械工学科 教授 中村 元 氏
http://www.nda.ac.jp/~nhajime/
研究分野
学歴

熱工学、流体工学
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

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。十数年前に防衛大学校 機械工学科教授 中村 元 氏

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。
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

活用事例インタビュー
そこで中村氏は、羽根の枚数と回転数、中村氏はこの規格に沿った、ファン性能

そこで中村氏は、この違いを補正するたが簡単に測定できる装置を設計。全長めに、吸込口付近の加速によって生じるそして羽根の内半径、外半径、および厚3m弱で電子機器の筐体に入ったままで動圧をP-Q曲線に加えることを検討した。

さを与えれば適切に計算できるモデルをもファンの性能を測定できる装置を製作

ρを空気の密度、uをファン吸込口の平検討した。ここでヒントになったのが抗2した（図1）。こうして自前でP-Q曲線な均風速とすると、動圧は1/2ρu で表わ

力係数CDの概念だった。この値は形状にどを測定できるようになったことで、実され、Qを流量、Aをファンの空気通過

よって決まり相似則が成り立つ。例えば験を精力的に進められるようになった。

部分の断面積とすると、風速uはQ/Aで円板ならほぼ1.2で、円板がどんな大き算出できる。そこでSCRYU/Tetraのファさであっても速度が変わっても、よほどこうして測定を重ねていくうちに、解ンモデルを使用して、動圧を補正した圧小さくない限りは定数とみなせる。そこ

決すべき問題が3つあることが分かって力をPQテーブルに入力すると、実験結で中村氏が考えたのが、回転する羽根のきた。1つ目は上にも挙げた、ファンの果と一致したという（図2）。「これだと場合も、大きさや速度にかかわらず同じ前後における圧力の定義が、メーカーかファンのユーザーも簡単に補正できるの係数で表せるのではないかということだ。

ら提供されるものとCFDのファンモデルで使いやすいと思います」（中村氏）。こ

そこで、旋回力をFθ= 1/2ρuθ2ACθ でで異なるということだ。2つ目は、高密の方法については学会や講演会などで発与え、Cθを定数（旋回力係数）として計度実装になるにつれてP-Q特性がずれる表するたびに頻繁に質問があり、反響の算したところ、Cθ = 0.6 で実験データとという問題である。そして3つ目が、ファ大きさを感じるという。

良く一致することが分かった。計算結果

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。これらのと実験データを比較したのが図3だ。羽旋回成分の適切な定義を検証

問題点を検証し、その対応を検討できる根の大きさや速度が変わっても相似則が成り立つと考えられたため、さらに小型CFDソフトを探す中で、国内で開発して続いて取り組んだのが、速度分布が一および大型のファンでも検討してみたといるソフトウェアクレイドルが候補に挙意的に定まらないという問題だ。ファン

ころ、やはり Cθが0.6でこのモデルが合がったという。そして2007年ごろに実験から出る空気を軸方向速度と旋回速度にうことを確認した。ただし辺長17mmと結果とCFDのファンモデルとの比較のた分けて定められればよいが、P-Q曲線かいった小型になるとCθ が1.0程度になる

め、SCRYU/Tetraでの検証を始めた。

ら分かるのは流量だけだ。旋回成分がどこともわかったが、0.6で計算してもそのくらいあるのかわからない。そこで従れほどの違いは見られないことも確認し

来のCFDソフトでは、ソフトごとに独自たという。

P-Q補正で大きな反響の係数をユーザーが入力することで対応
1つ目の問題は早くに解決できたそうしていた。あるソフトでは、旋回速度/だ。ファンの吸込口では流れが縮小し、軸方向速度で定義されるスワール比を使ずっと悩みの種であったそうだ。それと速度が上がるために圧力が下がる。し用。またかつてのソフトウェアクレイド

いうのも、なかなか適切なモデルが考えかしメーカーによるチャンバー方式では、ルのソフトでは、旋回角速度/インペラられなかったからだ。そこでアイデアの十分に遠方で圧力を測定しているため、回転角速度で定義される旋回角速度比を一つにすぎなかった抗力係数の応用といこの圧力低下が含まれない。一方、ファ用いていた。しかしこれらの値を適切にえる旋回力係数を検証してみたという。

ンの吐出側では、近くでも遠方でも圧力決めるのは難しく、経験と試行錯誤が必

通常、一様な流れの中の円柱や球といっはほぼ同じになる。つまり、ファンモデ要となる。またこのような与え方が実際た形状に適用されているものを、回転すルとチャンバー方式では、吸込口の圧力の現象を再現するのに妥当なのかは十分る羽根に適用してよいかという不安が低下の分だけ差ができてしまっていた。に検証されていなかった。

あったが、実際に調べてみるとほとんど

図1

実験装置の概略図および写真

実 は 旋 回 成 分 の 与 え 方 に つ い て は、

図2

ファンモデルにおけるPQ曲線の動圧補正活用事例インタビュー問題なく一致した。さらにスワール比お軸流ファンはほぼ対応可能にて解明していくのが中村氏の研究テーマであることには変わりない。だがCFDをよび旋回角速度比についても同様に評価したところ、これらは羽根の中心から外中村氏は「今後はさらに、通常とは違っ使うと実験も進むというのが同氏の実感側に向かって変化し、一定の値は取らず、たタイプのファンについても検証を進めだ。ファンモデルの精度を上げ、多くのCθ を使うほうがより適切であることがていきたい」という。たとえば通常の回人に役立ててもらうためにはもちろん分かった（図4）。そこでCθ を無次元旋転翼と並んで回転しない静翼がついていCFDでの検証が重要だ。また実験結果を回力係数と名付け、これらの成果はソフるファン、旋回で広がった流れを元に戻検証する上でCFDの支えがあるのは非常トウェアクレイドルのファンモデルに導すために逆向きに回転する羽根を組み合に助かるという。「国内での開発である入された。今ではファンの形状や回転数わせた二重回転ファンなどだ。静翼付きことはとても心強いです。こんなに早くさえ入力すれば、より精度の高い計算がファンに対しては、回転翼部分は従来通研究結果を導入してもらったのも非常に簡単にできるようになっている。

りファンモデルを利用し、静翼部分の形頼もしく感じます」と中村氏は言う。ま状さえ入力すればよいのではないかと予た動圧の補正についてはかなり反響が高密度実装でもモデルは使用可能測しているという。「ファンのモデルにあった。無次元旋回力係数についてもついてはほぼ形になったかなと思ってい「フィードバックがあれば今後の参考に最後の問題点であった、高密度実装にます。今後もメーカーが、より高性能ななります。それをきっかけに新しい研究なるにしたがってP-Q曲線が合わなくな羽根形状を作り出すかもしれません。そが始まるかもしれません」（中村氏）とるということについても上記の改良モデの都度、定数などを確認していけばいいのことだ。

ルを用いて検討した。ファンに障害物がのではないかと考えています」（中村氏）。

近づくと、P-Q曲線が変化する。これは流体が非常に流れにくくなることによる。

ファンに限らず中村氏が目指すのが、だが調べたところ、見かけのP-Q曲線は熱の移動のモデル化だ。流体を流したとたしかに変わるが、これは障害物によっきの熱の移動が中村氏のテーマだが、層て圧力損失したあとの状態を見ているに流であればCFDソフトでかなり正確に計すぎないことが分かった。つまりファン算ができるという。しかし乱流になると、の性能自体は何も変わっていないという流れも温度も非常に複雑に変動するので、ことだ。ただ1つ問題があり、上流側の正確に計算するのが難しくなる。流体のごく近くに障害物がある場合は、実験と温度が変動すれば、それが固体壁の温度ファンモデルは一致しないという。これ変動を引き起こす。こうした流体と固体はファンに本来想定している角度から流間の熱の移動をどうモデル化していくか体が入らない、つまり本来の性能が発揮を進めていきたいとのことだ。

できないことによる。この条件さえ避ければ、中村氏が提案するモデルで再現で実験の検証にCFDは重要きるということが分かった。
CFDで予測できない現象を実験によっ

図3

旋回ファンモデルの計算結果と実験データの比較（左からファンモデル計算結果、スモークワイヤ法による可視化写真、速度分布の比較）

図4

旋回力係数、スワール比、旋回角速度比の半径位置による変化（羽根の旋回を考慮した詳細解析により検証）

関連製品のご紹介

SCRYU/Tetraは複雑な形状の熱流体解析を簡便に行うことをコンセプトに設計したソフトウェアです。多くのCADネイティブデータを含む形状データに対応するインターフェースを備えており、条件設定においても、ウィザードに従い、対話形式で設定していくだけとなっています。また、従来難しいとされていたメッシュ作成においても、自動化、高速化などさまざまな工夫が施されたメッシャーを有しており、初心者の方から解析専任者の方まで、多くの方にご利用頂けます。

STREAMが採用する直交構造格子は計算用格子作成が非常に簡便で、高速に演算ができます。微小な曲面や斜面を忠実に再現しなくても全体の流れを検討できる対象物において、最大のパフォーマンスを発揮します。また、離散化手法として多くの熱流体解析で採用している有限体積法を用い、1000万要素の解析でも約5.5GB程度のメモリで計算が可能です。さらに、VBインターフェースやテーブル入力型の関数登録など、お客様用にカスタマイズできる機能も充実しています。

汎用ソフトウェアであるSTREAMが持つ簡便性や安定性を生かし、特に電気電子分野の熱解析をターゲットにした専用ソフトウェアとなっています。 STREAMと共通の操作を実現しながらも、メニューを簡素化し分かりやすくしたほか、計算用のデフォルトも電気分野に最適な数値に変更しています。
微小な曲面や斜面を忠実に再現しなくても全体の流れを検討できる対象物において、最大のパフォーマンスを発揮することができ、長年の実績があるSTREAMと共通のエンジンとなっており、省メモリで高速演算できることなどが特長です。

● この記事に関するお問い合わせは下記まで。
株式会社ソフトウェアクレイドル
本社〒530-0001 大阪市北区梅田3-4-5 毎日インテシオ
Tel: 06-6343-5641 Fax: 06-6343-5580
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Tel: 03-5435-5641 Fax: 03-5435-5645
名古屋営業所〒450-0001 愛知県名古屋市中村区那古野1-47-1 名古屋国際センタービル
Tel: 052-589-8649
Email: info@cradle.co.jp ｜ Web: www.cradle.co.jp© Software Cradle※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、本パンフレット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。
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