著者 BQUQ Engineering Team 査読 BQUQ Quality Engineering 2025年9月4日ビュー ISO 9001:2015 認証工場

サーバーのエアフローとダクト設計：必要な場所に空気を届ける

短い答え：ダクトは、ファンがすでに送り出している空気を、ヒートシンクの上をバイパスさせるのではなく、ヒートシンクのフィンを通るように強制することで機能します。一般的な1Uサーバーでは、適切に設計されたダクトと正しいフィン方向により、バイパス流が急減するため、オープンレイアウトと比較してヒートシンクの熱抵抗を25～40%削減できます。ダクト自体は通常、低コストのプレス加工または熱成形部品ですが、ヒートシンクが設計された境界条件を変えます。まずエアフローパスを修正し、次に各ヒートシンクが実際に受ける体積流量に合わせてフィン密度、フィン厚、ベース厚を調整します。

ファン仕様よりもエアフローパスが重要な理由

サーバーの熱問題のほとんどはファンの問題ではありません。経路の問題です。1Uシャーシ内で30 CFM定格の40 mmファンが、必要なコンポーネントに30 CFMを届けることはほとんどありません。空気はヒートシンクの周り、DIMMの上、ケーブルの隙間、空のドライブベイを通って漏れます。インピーダンスが上昇するとファンの静圧曲線は崩壊し、ヒートシンクは定格流量の一部しか受け取りません。

ダクトは、この損失を回収する最も安価な方法です。ダクトはオープンシャーシを定義されたチャネルのセットに変換します。前から後ろへのゾーンごとに、それぞれの流量予算を持ちます。流量予算がわかれば、ヒートシンクの形状は推測ではなく解決可能な問題になります。

実践的な手順は次のとおりです：

1. シャーシのエアフローゾーンと各ゾーンのコンポーネントを定義します。

2. 漏れを最小限に抑えてこれらのゾーンを密閉するダクトを設計します。

3. 各ヒートシンクが実際に受ける流量を測定またはシミュレーションします。

4. ファンの自由空気定格ではなく、その実際の流量に対してヒートシンクを指定します。

ステップ4は、ほとんどのプロジェクトが時間を失うところです。エンジニアは最大表面積のために高密度・高フィン数のヒートシンクを指定し、その後8 CFMではフィンが不足し、粗い設計よりもヒートシンクが高温になることを発見します。

ダクトはヒートシンクの熱抵抗をどのように変えるか？

ダクトは一度に2つの変数を変えます：アプローチ速度とバイパス率です。どちらも熱抵抗方程式の対流項に直接影響します。

条件	ヒートシンクでの実効流量	バイパス率	60 Wでの一般的なヒートシンクΔT
オープンシャーシ、ダクトなし	6～9 CFM	45～60%	42～50 °C
部分シュラウド	11～14 CFM	25～35%	32～38 °C
フルダクト、ヒートシンクに密閉	16～20 CFM	5～12%	24～30 °C

数値は、1U、60 mm × 60 mmの押出アルミニウムヒートシンク、1.0 mmフィン、2.0 mmピッチ、25 °C環境でテストした場合の目安です。数値はシャーシ、ファン曲線、高度によって異なりますが、効果の方向性は一貫しています。

改善を促進する2つのメカニズム：

バイパス削減。 空気は抵抗の少ない経路を取ります。ダクトがない場合、フィンチップ上の空間はフィンチャネル自体よりもインピーダンスが低いことが多く、流量の大部分がヒートシンクに触れません。
速度増加。 ダクトを密閉すると、同じ体積流量がより小さな断面を通るように強制され、速度が上がり、フィンチャネル内の境界層が薄くなります。

2番目の効果には限界があります。フィンピッチが狭くなるとインピーダンスが上昇し、静圧需要が増加し、ファン曲線がそれを支えられない可能性があります。そのため、ダクトとフィン形状は一緒に最適化する必要があります。

どのフィン方向を選ぶべきか？

エアフローベクトルに対するフィン方向は、サーバーヒートシンクで最も一般的な設計ミスの1つです。フィンは支配的な流れ方向と平行に走る必要があります。流れを横切るフィンはインピーダンスの壁を作り、空気を上部に押しやります。

フィン方向	流れの挙動	使用する場合
流れに平行（直線チャネル）	低インピーダンス、チャネル全体が参加	標準的な前から後ろへのサーバーエアフロー
流れに垂直	高インピーダンス、大きなバイパス	専用の衝突ジェットファンがある場合のみ
ピンフィンアレイ	等方性、中程度のインピーダンス	多方向または衝突冷却
スカイブ加工された角度付きフィン	流れを高温領域にリダイレクト	共有ダクト下の局所的なホットスポット

1Uの前から後ろへのシャーシでは、シャーシ軸に沿った直線押出チャネルがほぼ常に正しいです。ヒートシンクが複数のコンポーネントにサービスする共有ダクトの下にある場合、ダクトが流れに横方向の成分を導入しないことを確認してください。15°のヨーはヒートシンク性能の10～15%を失う可能性があります。

フィンピッチ、ベース平坦度、チャネル直線性を厳密に制御する必要がある場合、押出ヒートシンクは量産で最高のコスト性能比を提供し、CNC加工ヒートシンクはリビジョン間でプロファイルが変わる低量または試作ビルドに適しています。

実際に機能するダクト設計ルール

ダクトとヒートシンクの間の隙間を密閉する

60 mmのフィンスタックに沿った密閉されていない2 mmの隙間は、ダクトを無効にするのに十分な空気を漏らす可能性があります。フォームガスケット、マイラーフラップ、またはヒートシンクに3～5 mm重なる成形リップがすべて機能します。目標は、余裕のあるクリアランスではなく、フィンチップでの接触またはほぼ接触のシールです。

ダクト断面を一定または緩やかに収束させる

突然の拡大は静圧を浪費します。突然の収縮は速度の利点なしにインピーダンスを追加します。入口からヒートシンク入口までの緩やかなテーパーで、総面積変化が20%未満が合理的な目標です。

ファンの静圧曲線を尊重する

ダクトはシステムインピーダンスを上昇させます。ファンがすでにP-Q曲線の膝に近い場合、ダクトを追加すると分布が改善されても総流量が減少する可能性があります。ダクト追加前後のファン曲線上の動作点を確認してください。

サービスアクセスを残す

DIMMやファントレイを交換するために取り外さなければならないダクトは、取り外されて再取り付けされないままになります。ツールレス取り外しを設計し、正しい方向をラベル付けします。逆に再取り付けされたダクトは、ダクトがないよりも悪いです。

高度と入口温度を考慮する

海面で35 °C入口定格のサーバーは、空気密度が約15%低下する1,500 mでは余裕が少なくなります。ダクトはバイパスを減らすためここで役立ちますが、ヒートシンクは減少した質量流量に対してサイズ設定する必要があります。

実際の流量にフィン形状を合わせる

ダクトが流量を定義したら、フィン形状はトレードスタディになります。最も重要な変数：

フィンピッチ。 狭いピッチは表面積を増やしますがインピーダンスを上げます。60 mmスタック全体で15～25 CFMのダクト付き1U流れでは、1.5～2.5 mmピッチが一般的な作業範囲です。
フィン厚。 薄いフィン（0.6～1.0 mm）はフィンに沿った伝導を減らしますが、より狭いピッチを可能にします。高さ25 mm未満の短いフィンでは、0.8 mmで十分なことが多いです。
フィン高さ。 高いフィンは面積を追加しますが、チップでの有効性を失います。ダクト付き1U流れで約30 mmを超えると、追加の高さは収穫逓減をもたらします。
ベース厚。 ベースはダイフットプリントからフィン領域に熱を広げます。60 mmヒートシンク上の60 Wソースでは、3～5 mmのベース厚が一般的です。厚いベースは質量とコストを追加しますが、比例した利点はありません。

まだ概念段階にある場合、ヒートシンク設計チェックリストはプロファイルを決定する前に必要な入力を説明しています。自然対流または低流量のエッジケースでは、ヒートシンク自然対流フィン間隔のフィン間隔ルールが適用され、強制対流ダクト設計とは大きく異なります。

シミュレーションが役立つところと誤解を招くところ

CFDはダクトレイアウトの比較に価値がありますが、境界条件次第です。3つの一般的な失敗モード：

1. 理想化されたファン曲線。 マルチファンシャーシに単一のファン曲線を適用すると、ファン間の相互作用と逆流を無視します。

2. 漏れの無視。 すべての隙間を密閉するモデルは、物理的なビルドが達成できない性能を予測します。

3. 簡略化されたヒートシンクモデル。 多孔質ジャンプ近似はフィンチップバイパスと入口効果を見逃す可能性があります。

実践的なアプローチは、相対比較のためにシミュレーションすることです — ダクトA対ダクトB、ピッチ1.5 mm対2.0 mm — その後、ベース、フィンチップ、入口に熱電対を備えた物理モックアップで勝ち構成を検証します。ヒートシンク熱シミュレーションツールのレビューでは、どのソルバーがダクト付きサーバー流れをうまく処理し、どれが過度に簡略化するかをカバーしています。

ダクト付きサーバーヒートシンクの製造上の考慮事項

ダクト設計は特定の場所で公差を押し上げます：

特徴	一般的な要件	プロセスノート
ベース平坦度	0.05～0.10 mm	一貫したTIMボンドラインに必要
フィンチャネル直線性	60 mmで±0.15 mm	フィンチップでのダクトシールに影響
フィンピッチ一貫性	±0.10 mm	ユニット間のインピーダンス変動を制御
取り付け穴位置	±0.10 mm	ヒートシンクをダクトとボードキープアウトに位置合わせ
ベースからフィンへのフィレット	R0.3～R0.5	組み立て中の応力集中を低減

押出プロファイルは量産でピッチ一貫性と直線性をうまく処理します。設計がアルミニウムフィンスタックに接合された銅ベース、またはダイフットプリントの下に埋め込まれたベーパーチャンバーを必要とする場合、製造ルートが変わり、リードタイムも変わります。BQUQはDongguanの1つの工場で4つのラインにわたってCNC加工（±0.005 mm）、金属プレス、カスタムばね、ヒートシンク生産を実行しており、プレスブラケットと機械加工ベースを備えたダクト付きヒートシンクを、3つの別々のサプライチェーンではなく単一パッケージとして見積もり、構築できます。

柔軟なMOQが適用されるため、熱検証用の200個のパイロットビルドは例外ではなく通常の注文です。

FAQ

Q: 1Uサーバーヒートシンクには実際にどのくらいのエアフローが必要ですか？

A: 60 mm × 60 mmヒートシンクを備えた60 Wコンポーネントの場合、15～25 CFMのダクト流量が通常、ケース温度を入口から30 °C以内に保ちます。10 CFM未満では熱抵抗が急激に上昇し、フィン密度を減らす必要があります。ファンの自由空気定格を仮定するのではなく、特定のファン曲線とシャーシインピーダンスに対して常に検証してください。

Q: ヒートシンクを変更せずに既存のサーバー設計にダクトを追加できますか？

A: 多くの場合可能ですが、再検証してください。ダクトを追加するとシステムインピーダンスが上昇し、各ヒートシンクが受ける流量が変わります。一部のヒートシンクは大幅に改善しますが、高密度・高フィン数のヒートシンクはインピーダンスがすでに高かったため、利得が少ない可能性があります。ダクト設置前後でベースとフィンチップの温度を測定してください。

Q: ダクトは自然対流または低流量設計に役立ちますか？

A: 強制対流よりも少ないです。ダクトは主にバイパスを減らし、自然対流にはリダイレクトする指向性流れがほとんどありません。パッシブまたはほぼパッシブな設計では、フィン間隔と煙突高さがより重要です。それらのケースについては、自然対流フィン間隔のガイダンスを参照してください。

Q: サーバーダクトはどの材料で作るべきですか？

A: マイラーとポリカーボネートは、低コスト、低温ゾーンで一般的です。高温コンポーネントに近いダクトや構造剛性が必要な場合は、プレスアルミニウムまたは難燃性ABSが一般的です。選択は温度、UL定格要件、ダクトが構造部材としても機能する必要があるかどうかによって決まります。

Q: ヒートシンクがバイパス制限か伝導制限かをどうやって知ることができますか？

A: ベース温度とフィンチップ温度を比較します。ベースからフィンチップへの大きな勾配は、ベースまたはフィンルートの伝導限界を示します。小さな勾配で絶対温度が高い場合は、対流限界を示します — つまり、エアフロー、ダクト、またはフィン形状が制約です。この単一の測定で通常、正しい修正が特定されます。

サーバーのエアフローとダクト設計：必要な場所に空気を届ける