[YeHAUS] 쿨링팬 소음에 관한 모든 것

쿨링팬 소음의 종류와 해결책에 대한 정리입니다.
쿨링팬의 소음은 아래의 분류로 나뉩니다.

 

 

 

 

1.바람 소음

바람에 의한 소음은 회전 속도(RPM)가 빨라져서 발생하는 소음으로,
현실적으로 RPM을 줄이는 것 이외에는 해결책이 없습니다.
공간의 여유가 있다면 사이즈가 큰 팬을 사용하여 RPM을 낮추는 것이 좋습니다.
 
작은 사이즈의 쿨링팬으로 큰 사이즈와 같은 쿨링 효과를 내기 위해서 RPM을 높이면 더 날카로운 소음이 발생합니다.
아래 영상에서 테슽트한 쿨링팬의 사양은 아래와 같습니다.
1) 92x25 2,800RPM / 풍량 48CFM / 소음 41dB
2) 120x25 1,500RPM / 풍량 52CFM / 소음 39dB
3) 120x25 1,850RPM / 풍량 58CFM / 소음 42dB

(쿨링 효과는 풍량뿐만 아니라 풍압도 같이 비

교를 해야하지만, 편의상 풍량으로만 비교했습니다.)

쿨링팬의 풍량 풍압 정압 PQ커브

 

 

 

1)과 2)만 비교하면, 2)의 풍량이 더 높지만 RPM이 낮아서 소음(dB)이 더 적습니다.
dB 단위는 소음의 음압을 반영하지만, 음의 높낮이(주파수)는 반영하지 않습니다.
따라서 같은 dB라도 더 거슬리는 소음이 있고, 덜 거슬리는 소음이 있습니다.
이런 소음을 감성 소음이라고 하며, 감성 소음은 보통 사람이 듣고 측정합니다.

2)의 소음은 dB가 낮기도 하지만, 낮은 RPM으로 인해 저주파 소음이 발생하여 거슬리는 소음이 덜합니다.
저주파 소음은 dB가 환경 소음보다 크게 높지 않다면 환경 소음에 묻혀서 잘 들리지 않습니다.

 

2.베어링과 축의 마찰 소음

베어링과 축의 마찰에 의한 소음입니다.

쿨링팬의 베어링은 볼 베어링과 슬리브 베어링으로 나뉩니다.

슬리브 베어링은 주석 합금 가루를 고온에서 압축하여 베어링 형태로 제작됩니다.

슬리브 베어링은 내부에 윤활유(구리스)를 일정량 함유하고 있고 쿨링팬 제작시 최종 단계에서 베어링 외부에 윤활유를 주입합니다.

아래 이미지는 사용하지 않은 쿨링팬의 슬리브 베어링 입니다. 윤활유가 많이 도포되어 있는 걸 확인할 수 있습니다.

쿨링팬을 작동하고 초반에는 윤활유에 의해서 마찰 소음이 크지 않습니다.

시간이 지날 수록 윤활유가 마르면서 축과 슬리브 베어링의 마찰 소음이 커지기 시작합니다.

이 때가 슬리브 팬의 수명이 다 된 때 입니다.

보통 20도 환경에서 팬을 동작시킬 때, 슬리브 윤활유가 다 마르는 시간은 3만 시간 정도가 됩니다.

 

볼 베어링의 원리는 아래 링크를 확인해 주세요.

볼 베어링 Ball Bearing (고온 쿨링팬 BLDC팬)

볼 베어링은 베어링 내부 작은 볼들이 같이 회전을 하기 때문에 팬 동작 중 자세히 들어보면,

자글자글 하는 소리가 들립니다. 이 소리는 보통 쿨링팬 기본 소음에 묻힙니다.

아래 이미지와 같이 직경 2mm 정도의 매우 작은 볼이 정해진 경로를 따라 이동해야 하기 때문에

제작시 공차 관리에 따라서 볼 베어링의 소음이 커지는 경우도 있습니다.

NMB社의 베어링도 여러 등급이 있기는 하지만, 보통 NMB 베어링을 사용하면 베어링에 의한 소음 문제는 발생하지 않습니다.

중국산 중에서도 저가형 베어링을 사용할 경우 볼이 굴러가는 소리가 거슬리는 수준이 될 때도 있습니다.

볼 베어링의 수명은 보통 20도 온도에서 작동시 6만 시간 정도가 됩니다.

내부 신뢰성 테스트에서는 10만 시간 까지도 정상적으로 동작하고 있습니다.

 

NMB사의 베어링을 사용할 경우 슬리브 베어링과 동일 조건이라면 초반 소음 차이는 없습니다.

시간이 흘러 슬리브 베어링은 윤활유가 마를 수록 소음이 커지지만 볼 베어링은 소음이 거의 유지됩니다.

 

3.진동 소음

팬의 진동 소음은, 동심도와 연관이 있습니다.

아래 이미지처럼 중심축으로 잘라서 봤을 때 날개는 금형을 통해서 나왔기 때문에 좌우 무게 편차가 크지 않지만,

자석을 포함한 기타 부품들에의해 무게 균형이 정확히 맞지 않습니다.

이런 상태에서 팬을 돌리면 팬의 진동이 있습니다. 팬이 진동한다는 뜻은,

축과 베어링의 마찰이 심하다는 뜻이어서 수명에 좋지 않습니다.

 

진동 소음을 완화하는 공정은 아래 영상과 같습니다.

레이저 장비를 통해서 어떤 포인트의 무게가 상대적으로 적게 나가는지를 확인하여 그 부분에 무게를 추가해 주는 것입니다.

이 공정은 저가형 팬의 기본 공정에는 포함되어 있지 않기 때문에 추가 비용을 지불하고 요청을 해야 작업이 가능합니다.

 

진동 소음은 아래 영상과 같이 쿨링팬이 공중에 떠 있을 때에는 잘 들리지 않다가 기구물에 부착 했을 때 소음이 증폭됩니다.

이 소음은 양산시 진동 완화 작업으로 상당 부분 잡을 수 있습니다.

 

 

 

4.전자음

전자음은 팬의 ic에서 발생하는 소음입니다.

팬 내부의 코일이 전자석이 되고 영구자석을 회전시키기 위해서는 일정 시간 간격으로 전류가 흘러야 합니다.

이 스위칭 작업 중 전류가 정방향으로 흐르다가 끊어질 때 코일의 인덕턴스로 인해 역전류가 발생할 수 있습니다. 이 역전류로 인해 코일이나 주변 회로가 물리적으로 진동하게 되며, 이때 발생하는 소음이 전자음입니다.

전자음은 '지이잉~' 하는 거슬리는 소음입니다.

고급형ic를 사용하면, 인덕턴스에 대한 회피 회로가 내장되어 있어서 전자음에 의한 소음을 줄일 수 있습니다.

 

전자음은, 쿨링팬에 정격 전압 보다 낮은 전압을 인가할 때도 발생합니다.

예를 들어 12V팬에 8V를 인가할 때 전자음이 발생합니다.

2선 쿨링팬을 PWM제어를 통해 전압을 낮춘다면 이 소음은 더 커집니다.

(관련 영상 추가)

이 문제는 쿨링팬을 정격전압에 맞추어 사용하거나,

팬의 속도 제어가 필요하다면 PWM 제어 기능이 내장된 쿨링팬(3선 또는 4선)을 사용하면 됩니다.

 

전자음은, 저RPM 쿨링팬에서 나타나는 현상입니다.

고RPM 팬에서는 위 1~3번 소음에 의해 묻혀서 전자음이 잘 들리지 않습니다.

 

5.저소음 쿨링팬 소음 비교

아래 저소음 쿨링팬 세 종류의 소음 비교 영상입니다.

 

쿨링팬 DC 5V 12V 24V / 120mm 외 160종 : 쿨링팬