风扇

1 引言随着电子技术的飞速发展，当今的电子设备如不考虑热设计，通常会产生过热现象。强迫空气冷却作为比较经济、方便的冷却手段在电子设备热设计中得到了普遍应用。而运用强迫空气冷却电子设备的首要任务是选择合适的风扇来提供足够的冷却空气。用于电子设备冷却的风扇有各种类型，如桨式风扇、管状轴流风扇、叶翼轴式风扇以及离心式鼓风机等。桨式风扇是最简单的风扇。管状轴流风扇比较常见，尺寸种类较多并且价格不高，这种风扇通常用在要求噪音低、寿命长及成本低的场合。叶翼轴式风扇旋转速度高，噪音高，这种风扇通常用于冷却热密度高、又必须工作在恶劣热环境和振动环境的电子设备。离心式风扇能提供高的静压，但一般噪音较大。在选择风扇时首先要根据尺寸、风向、噪音以及各种风扇的特点确定风扇的种类。2 风扇曲线风扇的所有空气动力学特性可以用图1的风扇特性曲线描述。从曲线的右边向左看，风扇从正常工作状态到因动力不足而滞止。在这一过程中的风扇仍传输空气，但静压上升的同时体积流量减小，噪音增大。从能量的观点有助于理解风扇的特性曲线。在滞止点，风扇的势能最大。在自由输气状态，风扇的动能最大，因此流量最大。风扇选择的原则是在一个特定的系统中，给定的风扇只可能在一定压力下提供一定流量。这一工作点决定于风扇的特性曲线和系统流量、压力曲线的交点。图1分别列出了高、低系统阻力的工作点。选择的风扇最好工作在高的流量、低的压力以保持马达的效率避免失速。每个强迫空气冷却的电子设备都要设法减小空气流动的系统阻力。（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）3 风扇选择步骤3.1估计需要的空气流量选择风扇之前，要尽可能估准电子设备的耗散功率。因为通过设备的空气温升与耗散功率有直接关系。电子设备所用的元件通常在其手册中标明了最大功率以及典型功率。在热设计中最好尽可能使用元件在最差使用环境下的“实际使用功率”。比如一个SRAM元件标明其最大耗散功率为3W，但实际上处理器访问它的时间在微秒级，耗散功率只达到最大功率的1/10左右。相关系统散热可以用下式估计需要的冷却空气：式中:Q表示总的耗散功率(W)，CP表示空气比热(J/kg·K)，m表示质量流量(kg/s)，ΔT表示系统出口空气与进口空气的温升(K)。因为质量流量与体积流量的关系是:式中：VF表示体积流量(m3／s)，ρ表示空气密度。所以所需的体积流量是：(3)式是冷却一定功率电子设备所需空气的粗略估计。由于空气密度随海拔高度的增加而减小，对于机载设备风量应采用质量流量。可以使用不随高度变化的恒定质量流量风扇，通过控制转速来达到质量流量不变的目的。风扇厂商提供的目录说明中通常标出风扇在0静压时的单位为立方英尺/分(CFM)的体积流量，依据设备的功率快速选择风扇的流量见表1。3.2估计真实流量空气流动时，在流动的路径上截面的收缩、扩张和转弯等变化将引起静压降。前面的分析已经表明要达到预计的温升所需要的空气流量。然而实际工作时的空气流量是由风扇特性曲线和系统阻力曲线的交点决定的。可以先假定几个不同的流量(如图1中所示的：F1、F2、F3)，计算流经电子设备的每个流量的总的静压降(图中ΔP1、ΔP2、ΔP3)，得到设备的流量阻力曲线。通过叠加风扇特性曲线和设备流量、阻力曲线的交点可获得系统的工作点。通常用标记为HV的速度头来表示空气流动沿程的静压损失。某点的速度头与该点的空气流动速度的关系为:式中:HV表示速度头，V为某一流量下设备中某点的速度cm/s，其单位是cmH20。典型截面变化引起的静压损失与速度头的关系如表2所示。将各处静压损失相加，就可求得总的静压降。现举一个简单的实例：图2所示的电子设备有每块功耗20W的插入式印制板7块，间隙为0.4in。采用强迫空气冷却，试绘制流量阻力曲线。在该例中，要考虑以下几处的静压损失(用Hi表示)。(a)风扇的空气进口。轴流式风扇的空气进口非常类似于普通管道的端部，预计损失0.93速度头。取整到1.0，H1=1.0HV1。(b)进入印制板管道。空气进入管道也类似于普通管道的端部，预计损失0.93速度头。取整到1.0，H2=1.0HV2。(c)空气流经印制板管道。在这时，由于空气间隙狭小，预计压力损失1.0速度头，H3=1.0HV3。(d)印制板管道和机箱排气口。空气排出时，速度全部损失，H4=1.0HV4。假定有三种空气流量，根据这三种流量分别求出以上四处的空气流速，由式(4)计算各处的速度头来求得各处的压力损失。总的压力损失为:H1+H2+H3+H4。由三种空气流量及其总的压力损失可绘制该机箱的流量阻力曲线。（我们推荐你关注“机械工程师”公众号，第一时间掌握干货知识、行业信息）3.3考虑多个风扇风扇的并联或串联可以在不大改变系统尺寸和风扇直径的情况下获得期望的流量及压力。风扇并联时，其风压比单只风扇稍有提高，总风量是各风扇风量之和，因此可以增大体积流量。并联风扇用在系统阻力较小的情况下。风扇串联时，风量基本上是每只风扇的风量，而风压为相同风量下的风扇的风压之和。当系统阻力较大时，可以用串联风扇来增大静压力。3.4其他考虑因素1风扇的位置和工作方式风扇的布置和风的流动方向会影响整个热设计。向系统吹风的风扇应处于系统的温度最低点，从而延长风扇寿命。吹风时灰尘等杂物也能带出系统。抽风系统能提供比较一致的空气流动。另外，风扇的吸气面风阻引起的噪音比在吹气面引起的要大。当风阻离风扇太近时，风扇可能不能正常工作并且会缩短寿命。2风扇的工作电压、功率、噪音风扇的功率也是个重要因素，特别是在吹风工作方式的情况下，风扇产生的热量将使进入设备的空气预热。另外，如果人员长时间工作在设备附近，超过40dB的风扇噪音将使人感到烦躁。风扇的工作温度、振动量级限制等在设备工作于恶劣环境下时也必须考虑。已有专为恶劣环境使用时设计的风扇，可以工作在高度潮湿、盐雾及灰尘的环境中。4 结束语不充分的冷却是电子设备损坏的主要原因；而没有提供足够的冷却空气可能造成设备的过早失效。综合各种经验和计算数据选择适当尺寸、流量的风扇并布置在设备的适当位置可以提高系统可靠性，控制整机几何尺寸以及系统噪声。

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