电子散热扇 产品设计 | 电子散热工程中风扇选择的9大因素

一.工程背景

大多数密集封装的电子机箱系统使用风扇或鼓风机进行强制空空气冷却。较小的机箱系统通常使用轴向冷却风扇，气流垂直于风扇叶片。然而，较大的底盘系统可能需要离心式鼓风机风扇来在高静压下提供足够的气流。

在底盘系统设计的初始阶段，工程师应确定和估算强制空空气冷却风量的需求。更重要的是，在产品设计阶段，需要为加热部件提供良好的气流，为冷却风扇提供足够的空空间和动力。

风扇选择需要考虑的因素包括:所需的空气流、交流或DC电源、电压、速度、预期寿命、电磁干扰/射频干扰、散热、自动重启和噪声影响。

在产品设计初期，需要估算机箱系统通风冷却所需的风量，主要取决于机箱系统产生的热量和设备允许的最大温升。

在估计底盘系统的热消耗时，应考虑加热子底盘系统的设备负载变化或热消耗增加的可能性。因此，最大热耗应该用来估算机箱系统满负荷运行时最坏情况下机箱系统所需的风量。

R:空气体密度=

t:温度(℃)

p:空气压力(毫米汞柱)

Pn:空气体积压差(mm Aq)

Ps:静压(mm Aq)

g：g:

最大静压和最大风量的测量必须分开进行。

最大静压测量:当喷嘴关闭时，a室的压力将达到最大值。压差Ps代表风扇可以达到的最大静压。

最大风量测量:打开喷嘴，使用辅助鼓风机将a室的压力降低至Ps = 0。那么最大风量就可以用Pn，D和上面的空风量公式计算出来。q代表风扇在自由空空气中的最大流量。

四、风扇底盘系统工作点及风道建议

风扇的性能由底盘系统风阻的PQ特性曲线和风扇的P-Q特性曲线的交点决定。风扇特性曲线在测量气流和静压部分说明。在底盘系统结构固定的情况下，底盘系统的PQ特性曲线是固定的。它描述了空空气在特定障碍物和内部阻力下如何流经底盘系统。流动阻力大约与体积流量的平方成正比。因此，底盘系统中静压与空气流量的关系是二次抛物线。通过测试不同气流速度下底盘系统入口和出口之间的压差，可以很容易地通过实验获得曲线。

底盘系统阻抗曲线

风机工作点(系统阻抗曲线与风机PQ曲线的交点)

只有设计好风扇的最佳位置，优化底盘系统的风道，才能实现风扇的全部潜能。否则，风扇特性曲线受到抑制，导致气流减少。底盘系统的风道有一些建议，以尽量减少底盘系统的阻力损失。

这些计算或建议基于4715系列风扇；不过也适用于其他粉丝。下图显示了风扇入口或出口附近堵塞导致的风扇特性曲线压缩。x是风扇到障碍物的距离。

风机特性曲线上障碍物距离的抑制

测量风压的探头会产生较小的阻力损失，如果放在出风口，会增加噪音。在风扇入口附近放置障碍物可能比在风扇出口放置障碍物产生更多噪音。

第五，选择风扇

通过估计所需的气流，您可以选择特定的风扇。首先，考虑风扇应该使用交流电还是DC电源。DC风扇价格昂贵，所以几乎所有机箱系统都使用交流风扇。现在差价消失了，DC粉丝的很多优势让他们成为最佳选择。直流风扇的一个优点是寿命长，另一个优点是功耗比交流风扇低近60%。据业内专家称，风扇温度每升高10℃，其使用寿命将减少多达20000小时。

另一个选择因素是直流风扇的转速与电压成正比，因此可以在合理的风量要求下运行。然而，风扇通常以低于最大速度的速度运行，从而降低噪音和功率。

DC风扇的其他优势包括比交流风扇更低的电磁干扰和射频干扰。另外，使用交流风扇，设计师还要处理各种电源电压和频率。这些问题在使用DC粉丝的时候就会消失。一般来说，用DC风扇比用交流风扇简单。

大多数DC风扇有12V和24V两种版本。高电压是优选的，因为它导致更低的电流和更低的功耗。

风扇产生噪声的频率和幅度随着转速的增加而增加。如果可以选择，选择低速电机降低噪音。

在估算了机箱系统的气流需求和静压后，可以查阅并找到供应商提供的风扇的PQ曲线，选择能够提供足够冷却风量的风扇。工程师应该小心使用这些曲线。风扇的实际PQ性能曲线可能与标称曲线性能相差10%。

有时候在free 空 air测试风扇性能数据时，配置不合理，也会导致一些错误。这个误差在0.05到0.15英寸水柱之间。

噪音对风扇散热没有影响，但对机箱系统和用户很重要。尽可能选择最安静的风扇，并采取措施降低风扇的噪音。

降低噪音的一个方法是尽可能使用最大的风扇。对于特定的气流，较大尺寸的风扇运行速度较慢，因此产生的噪音较小。

如上所述，DC风扇产生的电磁干扰和射频干扰比交流风扇少得多。风扇产生的电磁干扰和射频干扰对传统应用来说不是问题。然而，如果设备在干扰敏感的环境中运行，电磁干扰和射频干扰可能是一个严重的问题。

不及物动词粉丝生活

轴承磨损是影响风机寿命的主要因素。大部分风机厂家用的都是类似的轴承，轴承差别不大。大部分厂家承诺寿命5万小时；每周40小时，相当于25年。因此，风扇很可能比它冷却的设备持续时间长。如前所述，风扇的温度会随着温度的升高而显著降低。

UL要求风扇必须能够承受72小时的转子锁定(15天的交流风扇)，而不会造成任何损坏和过热。排除转子锁死的原因后，风扇还必须能够重新启动并正常运转。

阻抗限制交流风机绕组中的电流，但直流风机故障时，需要电子锁锁住转子来限制电流。几种类型的保护目前正在使用，但不是所有的都提供自动重启。机箱系统设计人员应仔细评估风扇的保护类型，以确保直流风扇在清除障碍物后自动重启。他们还应确保保护底盘系统在间歇性断电期间工作正常。

七、进气(鼓风)还是排气(抽风)？

设计人员可以选择安装风扇来排出机箱系统中的热空气或冷空气。理论上讲，散热用的是同样的空风量，不管是排风还是排风。但在实践中，每种安排都各有利弊。吸入风机的空空气为层流。层流模式将在机柜系统中均匀分配气流速度。消除停滞空气体(涡流区)和局部温度热点非常重要。

从风扇排出的空空气是湍流。在相同的体积流量下，湍流中的热传递量可达到层流的两倍。但是一般来说，风扇出口附近的湍流气流区域是非常有限的，所以为整个机箱系统开发一个设计良好的气流路径是非常重要的。通风口应至少比风扇开口大50%。

必须注意消除风扇中空空气的再循环，即热空气在风扇出口处的回流。由于气流回流，许多气流冷却性能可能会丧失。挡板可用于消除空气体的再循环和回流。气流路径必须采用阻力最小的路径。

底盘系统中的子部件和部件应放置在气流可以直接冷却的位置，这些地方也应充分利用自然对流冷却。将高温部件放在冷却器部件的上游方向。避免将大型组件与小型设备的气流隔离。必要时，必须使用挡板来控制流量，并将其引导至温度较高的设备。

风扇轮毂处产生热空气回流现象

排气扇可能会导致机箱系统内的压力降低，空空气中的灰尘会通过关闭机箱系统的所有通风口和裂缝吸入机箱系统。

如果机箱系统需要除尘，最好使用将空空气吹入机箱系统的风扇，即鼓风机风扇。在这种配置中，风扇入口处的过滤器可以清除进入空的空气中的灰尘。另一个优点是机箱系统内部会产生正的气流区域；这样灰尘就不会从周围环境流入机箱系统，但必须定期更换过滤器，消除积尘。灰尘堆积会严重限制气流，导致空空气和机箱系统中的设备温度升高。

风机的另一个缺点是风机电机产生的热量会进入机箱系统，必然会降低空空气的冷却效率。因此，对温度敏感或耐热的设备应靠近风扇的进气口。

在许多应用中，用风机代替抽风机可以延长风机的使用寿命一至三倍。热空空气会流过风机，不可避免地会影响风机的使用寿命，而当进气温度为25℃时，风机的使用寿命要比排气扇长得多。如NMB的“保修声明”和“风扇寿命降级曲线”所示，温度降低对风扇寿命有显著影响。

八.噪音影响

大多数设计要求最小的风扇噪音，以满足用户对安静机箱系统的需求。因此，必然要求底盘系统具有更小的尺寸和更高的工作性能，这两者都会增加底盘系统的气流需求，进而增加噪音。

机械噪音可能由轴承振动或叶片不平衡旋转引起。如果该振动频率与底盘系统的任何共振频率相匹配，它可能会被放大到不可容忍甚至破坏性的程度。电机也会产生噪音；但这只是冷却机箱系统产生的噪音的一小部分。

所有这些噪音成分都是风扇设计所固有的，几乎完全不受机箱系统设计人员的控制。但是，有一些细节或建议可以帮助机箱系统设计人员将噪音降至最低:

①避免在风机附近的高风速区域放置障碍物。

②使用隔振器消除机械噪声从风扇向底盘系统的传递。

③使用加强结构控制底盘系统的共振频率。

④将风扇安装在机箱系统的内表面，而不是外表面。

⑤放置在风扇入口附近的障碍物比放置在风扇出口附近的障碍物产生更多的噪音。

设计师在比较不同风扇厂商的噪声规格时要非常小心。虽然已经提出了一种标准的噪声测量方法，但并没有被所有的风扇制造商和用户所接受。这个方法是ANSI 1211方法。

九、多个风扇一起使用

尽管你尽了最大努力，但设计完成后可能会有“额外冷却”。为了应对这种情况，您应该首先选择一个特定大小的低或中气流风扇。然后，如果需要更多的冷却空空气，很容易更换现有的风扇。

反之，如果最初选择的风扇性能更高，就需要考虑“额外散热”，重新设计机箱系统的结构布局。

当考虑额外冷却并且不能使用相同尺寸的更高性能风扇时，可以考虑以下四种方案:

①改善机箱系统中的气流组织。

②重新设计机箱系统，使用更大的风扇。

③将机箱系统修改为并行使用两个或更多风扇。

④修改机箱系统以使用两个或更多风扇系列。

通常，通过改善机箱系统中的气流分布或改变通风口的位置或大小，可以提供足够的额外冷却。如果不能通过修改气流来改善，首选的解决方案是修改机箱系统以接受更大的风扇。这允许您选择符合机箱系统要求的风扇。但是有时候，这个选择是不可能的。可能没有足够性能的风扇，或者由于尺寸限制，可能禁止使用更大的风扇。这些情况需要一个或多个额外的风扇。

在某些情况下，额外的风扇用于增加机箱系统中空的空气流量。此外，备用风扇的设计可用于提高机箱系统的可靠性。

但是，额外的风扇可能会造成问题。它使成本加倍，噪音加倍，风扇产生的热量加倍，可能对系统的冷却只提供很少的改善。

风机并联P-Q曲线的修正

两台风机并联，在自由空风的情况下，只需双倍的风量。如果底盘系统静压较高，这种布置会增加较少的流量。两个风机串联会使静压翻倍，但在自由空空气的情况下不会增加风量。并联风扇可以在低静压下增加空气流量，然后风扇串联，可以进一步增加风扇的静压。

风机串联P-Q曲线的修正

此外，多个风扇并联和串联对机箱系统本身散热的影响也不容忽视。

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