搜索產(chǎn)品設(shè)計 | 電子散熱工程中風(fēng)扇選擇的9大因素
2019-03-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
作者 | 王永康 仿真秀專欄作者
首發(fā) | 仿真秀 (ID:fangzhenxiu2018)
一、工程背景
大多數(shù)密集封裝的電子機箱系統(tǒng)使用風(fēng)扇或鼓風(fēng)扇進行強制空氣冷卻。較小的機箱系統(tǒng)通常使用軸流冷卻風(fēng)扇,其中氣流垂直于風(fēng)扇葉片。然而,較大的機箱系統(tǒng)可能需要離心式鼓風(fēng)扇在高靜壓情況下提供足夠的氣流。
在機箱系統(tǒng)設(shè)計的最初階段,工程師就應(yīng)確定對強制空氣冷卻風(fēng)量需求進行預(yù)估。更重要的是,產(chǎn)品設(shè)計階段,必須為發(fā)熱部件提供良好的氣流,并為冷卻風(fēng)扇提供足夠的空間和功率。
風(fēng)扇選擇需要考慮的因素包括:所需的空氣流量,交流或直流電源,電壓,速度,預(yù)期壽命,EMI / RFI,散熱量,自動重啟和噪聲影響。
產(chǎn)品設(shè)計初始階段是需要預(yù)計通風(fēng)冷卻機箱系統(tǒng)所需的氣流風(fēng)量,這主要是取決于機箱系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量和器件允許的最大溫升。
在估算機箱系統(tǒng)內(nèi)熱耗時,應(yīng)該考慮器件負(fù)載發(fā)生變化或者發(fā)熱子機箱系統(tǒng)熱耗增加的可能性。因此,應(yīng)該是在機箱系統(tǒng)滿載運行的最壞情況下,使用最大的熱耗來估計機箱系統(tǒng)所需的風(fēng)量。
去掉蓋子的電子機箱系統(tǒng)
機箱系統(tǒng)所需的氣流可以通過以下計算公式或從圖表獲得,計算公式為:
這里:
Q =以cfm為單位所需的氣流(ft3 / min。)
W =以瓦為單位的熱耗
TC =溫升
例如,對于熱耗200W的機箱系統(tǒng)來說,如果其允許的溫升為20℃,那么機箱系統(tǒng)需要32cfm的氣流。
在下圖中,縱軸表示代表氣流需要帶走的熱耗,橫軸表示氣流的風(fēng)量;兩個軸都是對數(shù)的。傾斜的線條定義了溫升(℃)。通過查找該圖表,找到表示允許溫升的斜線,然后,在該線上找到與熱耗相對應(yīng)的點,此點對應(yīng)的橫軸位置即為機箱系統(tǒng)所需的氣流流量。
熱耗與機箱系統(tǒng)溫升的關(guān)系
二、機箱系統(tǒng)阻抗
確定如何在機箱系統(tǒng)內(nèi)安裝風(fēng)扇比計算所需空氣流量要困難得多。氣流路徑中的障礙物導(dǎo)致靜壓阻力。下圖顯示了典型風(fēng)扇的氣流與靜壓之間的非線性關(guān)系。為了達(dá)到最大氣流,應(yīng)盡量減少障礙物。但是,有時候需要增加擋風(fēng)板,以將冷氣流引導(dǎo)到需要冷卻的部件上。當(dāng)然,機箱系統(tǒng)組件本身也會阻礙氣流、引導(dǎo)氣流流動。
軸流風(fēng)扇風(fēng)壓P-風(fēng)量Q曲線
通過實驗方法得到氣流的流量是非常準(zhǔn)確的,但測試成本高,耗時長,并且繁瑣。而且,幾乎不可能找到用于進行測量的大型氣流室。
在實踐中,經(jīng)驗方法通常用于估計氣流阻力。經(jīng)驗表明:
① 空箱通常會使氣流減少5%至20%。
② 密集的機箱系統(tǒng)可將氣流減少60%,甚者更多。
③ 在水中大多數(shù)電子機箱系統(tǒng)的靜壓介于0.05和0.15英寸水柱之間。
對于一個密集的機箱系統(tǒng)殼體,前一個例子中的風(fēng)扇應(yīng)該能夠提供80cfm的空氣,而不是32cfm。
三、測量氣流和靜壓
可以使用AMCA標(biāo)準(zhǔn)210雙氣流室來精確測量氣流的風(fēng)量和靜壓。
方程列表和變量
Q:氣流流量=
C:噴嘴風(fēng)量系數(shù)
D:噴嘴直徑(m)
r:空氣密度=
T:溫度(℃)
P:氣壓(mm Hg)
Pn:風(fēng)量差壓(mm Aq)
Ps:靜壓(mm Aq)
g:
最大靜壓和最大風(fēng)量測量必須單獨進行。
最大靜壓測量:當(dāng)噴嘴關(guān)閉時,腔室A中的壓力將達(dá)到最大值。壓力差Ps代表風(fēng)扇可達(dá)到的最大靜壓。
最大風(fēng)量測量:打開噴嘴,使用輔助鼓風(fēng)扇將腔室A中的壓力降低到Ps = 0。然后可以使用Pn、D和上面的空氣流量公式計算最大風(fēng)量。Q代表風(fēng)扇在自由空氣中可達(dá)到的最大流量。
四、風(fēng)扇的機箱系統(tǒng)工作點和風(fēng)道建議
風(fēng)扇的性能是由機箱系統(tǒng)的風(fēng)阻PQ特性曲線和風(fēng)扇的P-Q特性曲線的交叉點來決定。風(fēng)扇特性曲線在測量氣流和靜壓部分進行了解釋。當(dāng)機箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定后,機箱系統(tǒng)的PQ特性曲線就固定不變了。它描述了空氣在特定障礙物和內(nèi)部阻力的情況下如何流過機箱系統(tǒng)。流動阻力大致與體積流量的平方成正比例。因此,機箱系統(tǒng)中靜壓與氣流流量的關(guān)系圖是二次方的拋物線形狀。通過在各種氣流速率下測試機箱系統(tǒng)進出口的壓力差,可以很容易地通過實驗得到該曲線。
機箱系統(tǒng)的阻抗曲線
風(fēng)機的工作點(系統(tǒng)阻抗曲線與風(fēng)機PQ曲線交點)
只有設(shè)計風(fēng)扇的最佳位置,優(yōu)化機箱系統(tǒng)風(fēng)道,才能實現(xiàn)風(fēng)扇的全部潛力。否則,風(fēng)扇特性曲線被抑制,導(dǎo)致氣流減少。 后續(xù)有一些對機箱系統(tǒng)風(fēng)道的建議,以盡量減少機箱系統(tǒng)的阻力損失。
這些計算或者建議是根據(jù)4715系列風(fēng)扇進行的;但是,它同樣適用于其他風(fēng)扇。下圖顯示了由風(fēng)扇入口或排氣口附近的阻塞引起的風(fēng)扇特性曲線的壓縮。X是從風(fēng)扇到障礙物的距離。
障礙物距離對風(fēng)扇特性曲線的抑制
測量風(fēng)壓的探頭會產(chǎn)生較小的阻力損失,如果放在出風(fēng)口,將使得噪音增加。在風(fēng)扇進氣口附近放置障礙物可能會比在風(fēng)扇出口處放置障礙物引起更大的噪音。
五、選擇風(fēng)扇
通過估算所需的氣流流量,您可以選擇特定的風(fēng)扇。首先,考慮風(fēng)扇是否應(yīng)使用交流或直流電源。直流風(fēng)扇的成本較高,因此機箱系統(tǒng)機箱系統(tǒng)幾乎全部使用交流風(fēng)扇。現(xiàn)在這個價格差異消失了,直流電風(fēng)扇的許多優(yōu)點使它們成為最佳選擇。直流風(fēng)扇的一個優(yōu)點是壽命更長,另一個優(yōu)點是功耗比交流風(fēng)扇低近60%。據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹,風(fēng)扇溫度升高10℃會降低其使用壽命多達(dá)20,000小時。
另一個選擇因素是直流風(fēng)扇的速度與電壓直接成比例,因此它可以在合理的風(fēng)量要求下運行。然而,通常風(fēng)扇運行速度低于最大速度,進而噪音和功率更小。
直流風(fēng)扇的其他優(yōu)點包括EMI和RFI均低于交流風(fēng)扇。此外,使用交流風(fēng)扇,設(shè)計師不得不處理各種各樣的供電電壓和頻率。使用直流風(fēng)扇時,這些問題會消失?？偟膩碇v,使用直流風(fēng)扇比交流風(fēng)扇更為簡單。
大多數(shù)直流風(fēng)扇有12V和24V兩種版本。高電壓是優(yōu)選的,因為它導(dǎo)致更低的電流和更低的功耗。
風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音的頻率和幅度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。如果可以選擇,請選擇低速電機以降低噪音。
在估算了機箱系統(tǒng)氣流要求和靜壓后,可以咨詢查找供應(yīng)商提供的風(fēng)扇PQ曲線,以選擇能夠提供足夠冷卻風(fēng)量的風(fēng)扇。工程師應(yīng)謹(jǐn)慎使用這些曲線,風(fēng)扇真實的PQ性能曲線可能與標(biāo)稱顯示的曲線性能相差10%。
有時在自由空氣中測試風(fēng)扇性能數(shù)據(jù),配置不合理,也會導(dǎo)致一些誤差。此類誤差大約在0.05和0.15英寸水柱之間。
噪音對風(fēng)扇的冷卻沒有任何影響,但對機箱系統(tǒng)及用戶非常重要。應(yīng)盡可能選擇最安靜的風(fēng)扇,并應(yīng)采取措施降低風(fēng)扇的噪音。
降低噪音的一種方法是盡可能使用最大的風(fēng)扇。對于特定的氣流,尺寸較大的風(fēng)扇以較慢的速度運行,因此產(chǎn)生的噪音較小。
如上所述,直流風(fēng)扇比交流風(fēng)扇產(chǎn)生的EMI和RFI要小得多。對于常規(guī)應(yīng)用來說,風(fēng)扇產(chǎn)生的EMI和RFI不是問題。但是,如果設(shè)備在干擾敏感的環(huán)境中運行,EMI和RFI可能是一個嚴(yán)重的問題。
六、風(fēng)扇壽命
軸承磨損是影響風(fēng)扇壽命的主要因素。大多數(shù)風(fēng)扇制造商使用類似的軸承,因此軸承沒有太大的差別。大多數(shù)制造商承諾的壽命為50,000小時;每周40小時,這相當(dāng)于25年。因此,風(fēng)扇很可能比它冷卻的設(shè)備壽命更長。如前所述,風(fēng)扇的溫度會隨著溫度的升高而顯著降低。
UL要求風(fēng)扇必須能夠承受72小時的鎖定轉(zhuǎn)子(交流風(fēng)扇15天),而不會造成任何損壞并且不會過熱。在消除鎖定轉(zhuǎn)子的原因后,風(fēng)扇也必須能夠重新啟動并正常運行。
阻抗限制了交流風(fēng)扇繞組中的電流,但直流風(fēng)扇在失效期間,需要電子鎖鎖定轉(zhuǎn)子,以限制電流。目前正在使用的幾種保護類型,但并非所有保護都提供自動重啟。機箱系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)仔細(xì)評估風(fēng)扇的保護類型,以確保直流風(fēng)扇在移除障礙物后自動重啟。他們還應(yīng)確保在間歇性電力中斷期間保護機箱系統(tǒng)運行良好。
七、進氣(鼓風(fēng))或排氣(抽風(fēng))?
設(shè)計人員可以選擇安裝風(fēng)扇,以便從機箱系統(tǒng)中排出熱空氣,或?qū)⒗淇諝獯等霗C箱系統(tǒng)。從理論上講,無論抽風(fēng)還是抽風(fēng),都是相同的空氣量用于散熱。但在實際應(yīng)用中,每種布置都有優(yōu)點和缺點。吸入風(fēng)扇的空氣是層流。層流流態(tài)將在機箱系統(tǒng)中均勻分布?xì)饬魉俣?。這對消除停滯的空氣(渦流區(qū)域)和局部溫度熱點很重要。
從風(fēng)扇排出的空氣是湍流的。湍流氣流中的換熱量可以達(dá)到具有相同體積流量的層流的兩倍。但是,通常來說,靠近風(fēng)扇排氣口的湍流氣流區(qū)域是非常有限的,因此對整個機箱系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計良好的氣流路徑是至關(guān)重要的。通風(fēng)口的面積應(yīng)至少比風(fēng)扇開口大50%。
必須注意消除風(fēng)扇中的空氣再循環(huán),即風(fēng)扇出風(fēng)口熱風(fēng)的回流現(xiàn)象。由于氣流的回流問題,可能導(dǎo)致很多氣流冷卻性能的丟失。擋板可用于消除空氣的再循環(huán)回流現(xiàn)象。氣流路徑必須采用阻力最小的路徑。
機箱系統(tǒng)內(nèi)的子組件和組件應(yīng)該放置在氣流可以直接冷卻的位置上,并且放置的位置也應(yīng)充分利用自然對流冷卻。將高溫組件放在較冷組件的上游方向。避免將大尺寸組件遮擋了小尺寸器件的氣流。必要時,必須使用擋板來引導(dǎo)氣流,將其引向溫度較高的器件。
風(fēng)機hub處生成的熱風(fēng)回流現(xiàn)象
抽風(fēng)風(fēng)扇可能導(dǎo)致機箱系統(tǒng)內(nèi)壓力降低,空氣中的粉塵會通過所有通風(fēng)口和封閉機箱系統(tǒng)的裂縫吸入機箱系統(tǒng)內(nèi)部。
如果機箱系統(tǒng)要求排除灰塵,最好采用將空氣吹入機箱系統(tǒng)的風(fēng)扇,即鼓風(fēng)扇。在這種配置中,風(fēng)扇入口處的過濾器可以清除進入空氣中的灰塵。另一個好處是,機箱系統(tǒng)內(nèi)部將生成氣流正壓區(qū)域;這樣灰塵就不會從周圍的環(huán)境中流入機箱系統(tǒng),但是過濾器必須定期更換以消除積累的灰塵?；覊m積聚會嚴(yán)重限制氣流流動,從而導(dǎo)致機箱系統(tǒng)中的空氣及器件的溫度升高。
鼓風(fēng)風(fēng)扇的另一個缺點是風(fēng)扇馬達(dá)所產(chǎn)生的熱會進入機箱系統(tǒng)內(nèi)部,這勢必減少空氣的冷卻效率。由于這類原因,對溫度比較敏感的器件或者不耐熱的器件應(yīng)靠近風(fēng)扇的進風(fēng)口。
在許多應(yīng)用中,使用鼓風(fēng)風(fēng)扇而不是抽風(fēng)氣扇可以使風(fēng)扇的使用壽命延長一倍或三倍。熱空氣將流過風(fēng)扇,勢必影響風(fēng)扇的壽命,而鼓風(fēng)風(fēng)扇進風(fēng)溫度25℃,其壽命遠(yuǎn)超抽風(fēng)風(fēng)扇。如NMB的“保修聲明”和“風(fēng)扇壽命降額曲線”所示,溫度降低對風(fēng)扇壽命有著顯著的影響。
八、噪音影響
大多數(shù)設(shè)計需要最小的風(fēng)扇噪音以滿足用戶對安靜機箱系統(tǒng)的需求。相應(yīng)的,這勢必要求機箱系統(tǒng)尺寸更小,工作性能更高,這兩者都增加了機箱系統(tǒng)對氣流流量的需求,反過來又增加了噪音。
機械噪音可能由軸承的振動或葉片的不平衡旋轉(zhuǎn)引起。如果這種振動頻率與機箱系統(tǒng)的任何共振頻率相匹配,則它可以被放大到不可容忍的、甚至是破壞性的水平。電機馬達(dá)也會產(chǎn)生噪音;但這是冷卻機箱系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的一小部分。
所有這些噪聲成分都是風(fēng)扇設(shè)計中固有的,幾乎完全不受機箱系統(tǒng)機箱系統(tǒng)設(shè)計師的控制。但是有一些細(xì)節(jié)或者建議,可以幫助機箱系統(tǒng)設(shè)計者盡量減少噪音:
① 避免在靠近風(fēng)扇的高風(fēng)速區(qū)域放置障礙物。
② 使用隔振器消除機械噪聲從風(fēng)扇到機箱系統(tǒng)的傳遞。
③ 使用加強結(jié)構(gòu)來控制機箱系統(tǒng)的共振頻率。
④ 將風(fēng)扇安裝在機箱系統(tǒng)的內(nèi)表面上而不是安裝在外表面。
⑤ 障礙物放置在風(fēng)扇進氣口附近比放置在風(fēng)扇出風(fēng)口附近產(chǎn)生更多的噪音。
在比較不同風(fēng)扇制造商的噪音規(guī)格時,設(shè)計師應(yīng)該非常謹(jǐn)慎。盡管已經(jīng)提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的噪聲測量方法,但它并未被所有風(fēng)扇制造商和用戶所接受,這種方法是ANSI 1211方法。
九、多個風(fēng)扇聯(lián)合使用
盡管你付出了最大努力,但在設(shè)計完成后,可能會出現(xiàn)“額外冷卻”的工況。為了應(yīng)對這種工況,你應(yīng)該首先選擇一個特定尺寸低等或中等的氣流風(fēng)扇。然后,如果需要更多的冷卻空氣,則很容易更換現(xiàn)有的風(fēng)扇。
相比之下,如果最初選擇的風(fēng)扇性能較高,那么需要對“額外冷卻”進行考慮,就必須重新設(shè)計機箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局。
當(dāng)對額外冷卻進行考慮,又不能使用相同尺寸的更高性能的風(fēng)扇時,可以通過以下四種方案進行考慮:
① 改善機箱系統(tǒng)內(nèi)的氣流組織。
② 重新設(shè)計機箱系統(tǒng)以使用更大的風(fēng)扇。
③ 修改機箱系統(tǒng)以并行使用兩個或多個風(fēng)扇。
④ 修改機箱系統(tǒng)以使用兩個或更多風(fēng)扇系列。
通常,通過改善機箱系統(tǒng)內(nèi)的氣流組織或通過改變通風(fēng)口的位置或尺寸可以提供足夠的額外冷卻。如果您無法通過修改氣流來改進,那么首選的解決方案是修改機箱系統(tǒng)以接受更大的風(fēng)扇。這允許選擇與機箱系統(tǒng)要求相匹配的風(fēng)扇。但有時候,這種選擇是不可能的?？赡軣o法獲得具有足夠性能的風(fēng)扇,或者由于尺寸限制可能禁止使用更大的風(fēng)扇。這些情況需要一個或多個額外的風(fēng)扇。
在某些情況下,使用額外的風(fēng)扇來增加機箱系統(tǒng)內(nèi)的空氣流量。此外,備用風(fēng)扇的設(shè)計可用于提高機箱系統(tǒng)可靠性。
但是額外的風(fēng)扇可能會產(chǎn)生問題。它使成本增加一倍,噪音加倍,風(fēng)扇產(chǎn)生的熱量增加一倍,并且可能只為系統(tǒng)的冷卻提供很少的改善。
風(fēng)機并聯(lián)P-Q曲線的修改
并行的兩個風(fēng)扇僅在自由空氣情況下使得氣流加倍。如果機箱系統(tǒng)具有高靜壓,則這種布置增加的流量比較少。兩個風(fēng)扇串聯(lián)將使得靜壓加倍,但在自由空氣情況下不會增加氣流流量。風(fēng)扇并行可以在低靜壓情況下增加氣流的流量,然后再使得風(fēng)扇串聯(lián),可以進一步增加風(fēng)扇的靜壓。
風(fēng)機串聯(lián)P-Q曲線的修改
另外,并聯(lián)串聯(lián)的多個風(fēng)扇對機箱系統(tǒng)本身的散熱影響也不容忽視。
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