1 引言
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今的電子設(shè)備如不考慮熱設(shè)計(jì)，通常會(huì)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。強(qiáng)迫空氣冷卻作為比較經(jīng)濟(jì)、方便的冷卻手段在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中得到了普遍應(yīng)用。而運(yùn)用強(qiáng)迫空氣冷卻電子設(shè)備的首要任務(wù)是選擇合適的風(fēng)扇來提供足夠的冷卻空氣。
用于電子設(shè)備冷卻的風(fēng)扇有各種類型，如槳式風(fēng)扇、管狀軸流風(fēng)扇、葉翼軸式風(fēng)扇以及離心式鼓風(fēng)機(jī)等。槳式風(fēng)扇是最簡單的風(fēng)扇。管狀軸流風(fēng)扇比較常見，尺寸種類較多并且價(jià)格不高，這種風(fēng)扇通常用在要求噪音低、壽命長及成本低的場合。
葉翼軸式風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度高，噪音高，這種風(fēng)扇通常用于冷卻熱密度高、又必須工作在惡劣熱環(huán)境和振動(dòng)環(huán)境的電子設(shè)備。
離心式風(fēng)扇能提供高的靜壓，但一般噪音較大。在選擇風(fēng)扇時(shí)首先要根據(jù)尺寸、風(fēng)向、噪音以及各種風(fēng)扇的特點(diǎn)確定風(fēng)扇的種類。
2 風(fēng)扇曲線
風(fēng)扇的所有空氣動(dòng)力學(xué)特性可以用圖1的風(fēng)扇特性曲線描述。
從曲線的右邊向左看，風(fēng)扇從正常工作狀態(tài)到因動(dòng)力不足而滯止。在這一過程中的風(fēng)扇仍傳輸空氣，但靜壓上升的同時(shí)體積流量減小，噪音增大。
從能量的觀點(diǎn)有助于理解風(fēng)扇的特性曲線。在滯止點(diǎn)，風(fēng)扇的勢能最大。在自由輸氣狀態(tài)，風(fēng)扇的動(dòng)能最大，因此流量最大。
風(fēng)扇選擇的原則是在一個(gè)特定的系統(tǒng)中，給定的風(fēng)扇只可能在一定壓力下提供一定流量。這一工作點(diǎn)決定于風(fēng)扇的特性曲線和系統(tǒng)流量、壓力曲線的交點(diǎn)。
圖1分別列出了高、低系統(tǒng)阻力的工作點(diǎn)。選擇的風(fēng)扇最好工作在高的流量、低的壓力以保持馬達(dá)的效率避免失速。每個(gè)強(qiáng)迫空氣冷卻的電子設(shè)備都要設(shè)法減小空氣流動(dòng)的系統(tǒng)阻力。（我們推薦你關(guān)注“機(jī)械工程師”公眾號，第一時(shí)間掌握干貨知識、行業(yè)信息）
3 風(fēng)扇選擇步驟
3.1估計(jì)需要的空氣流量
選擇風(fēng)扇之前，要盡可能估準(zhǔn)電子設(shè)備的耗散功率。因?yàn)橥ㄟ^設(shè)備的空氣溫升與耗散功率有直接關(guān)系。電子設(shè)備所用的元件通常在其手冊中標(biāo)明了最大功率以及典型功率。在熱設(shè)計(jì)中最好盡可能使用元件在最差使用環(huán)境下的“實(shí)際使用功率”。比如一個(gè)SRAM元件標(biāo)明其最大耗散功率為3W，但實(shí)際上處理器訪問它的時(shí)間在微秒級，耗散功率只達(dá)到最大功率的1/10左右。
相關(guān)系統(tǒng)散熱可以用下式估計(jì)需要的冷卻空氣：
式中:
Q表示總的耗散功率(W)，
CP表示空氣比熱(J/kg·K)，
m表示質(zhì)量流量(kg/s)，
ΔT表示系統(tǒng)出口空氣與進(jìn)口空氣的溫升(K)。
因?yàn)橘|(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系是:
式中：
VF表示體積流量(m3／s)，
ρ表示空氣密度。
所以所需的體積流量是：
(3)式是冷卻一定功率電子設(shè)備所需空氣的粗略估計(jì)。由于空氣密度隨海拔高度的增加而減小，對于機(jī)載設(shè)備風(fēng)量應(yīng)采用質(zhì)量流量?？梢允褂貌浑S高度變化的恒定質(zhì)量流量風(fēng)扇，通過控制轉(zhuǎn)速來達(dá)到質(zhì)量流量不變的目的。風(fēng)扇廠商提供的目錄說明中通常標(biāo)出風(fēng)扇在0靜壓時(shí)的單位為立方英尺/分(CFM)的體積流量，依據(jù)設(shè)備的功率快速選擇風(fēng)扇的流量見表1。
3.2估計(jì)真實(shí)流量
空氣流動(dòng)時(shí)，在流動(dòng)的路徑上截面的收縮、擴(kuò)張和轉(zhuǎn)彎等變化將引起靜壓降。前面的分析已經(jīng)表明要達(dá)到預(yù)計(jì)的溫升所需要的空氣流量。然而實(shí)際工作時(shí)的空氣流量是由風(fēng)扇特性曲線和系統(tǒng)阻力曲線的交點(diǎn)決定的。
可以先假定幾個(gè)不同的流量(如圖1中所示的：F1、F2、F3)，計(jì)算流經(jīng)電子設(shè)備的每個(gè)流量的總的靜壓降(圖中ΔP1、ΔP2、ΔP3)，得到設(shè)備的流量阻力曲線。通過疊加風(fēng)扇特性曲線和設(shè)備流量、阻力曲線的交點(diǎn)可獲得系統(tǒng)的工作點(diǎn)。通常用標(biāo)記為HV的速度頭來表示空氣流動(dòng)沿程的靜壓損失。
某點(diǎn)的速度頭與該點(diǎn)的空氣流動(dòng)速度的關(guān)系為:
式中:
HV表示速度頭，V為某一流量下設(shè)備中某點(diǎn)的速度cm/s，其單位是cmH20。
典型截面變化引起的靜壓損失與速度頭的關(guān)系如表2所示。將各處靜壓損失相加，就可求得總的靜壓降。
現(xiàn)舉一個(gè)簡單的實(shí)例：
圖2所示的電子設(shè)備有每塊功耗20W的插入式印制板7塊，間隙為0.4in。采用強(qiáng)迫空氣冷卻，試?yán)L制流量阻力曲線。在該例中，要考慮以下幾處的靜壓損失(用Hi表示)。
(a)風(fēng)扇的空氣進(jìn)口。軸流式風(fēng)扇的空氣進(jìn)口非常類似于普通管道的端部，預(yù)計(jì)損失0.93速度頭。取整到1.0，H1=1.0HV1。
(b)進(jìn)入印制板管道?？諝膺M(jìn)入管道也類似于普通管道的端部，預(yù)計(jì)損失0.93速度頭。取整到1.0，H2=1.0HV2。
(c)空氣流經(jīng)印制板管道。在這時(shí)，由于空氣間隙狹小，預(yù)計(jì)壓力損失1.0速度頭，H3=1.0HV3。
(d)印制板管道和機(jī)箱排氣口。空氣排出時(shí)，速度全部損失，H4=1.0HV4。
假定有三種空氣流量，根據(jù)這三種流量分別求出以上四處的空氣流速，由式(4)計(jì)算各處的速度頭來求得各處的壓力損失?？偟膲毫p失為:H1+H2+H3+H4。由三種空氣流量及其總的壓力損失可繪制該機(jī)箱的流量阻力曲線。（我們推薦你關(guān)注“機(jī)械工程師”公眾號，第一時(shí)間掌握干貨知識、行業(yè)信息）
3.3考慮多個(gè)風(fēng)扇
風(fēng)扇的并聯(lián)或串聯(lián)可以在不大改變系統(tǒng)尺寸和風(fēng)扇直徑的情況下獲得期望的流量及壓力。風(fēng)扇并聯(lián)時(shí)，其風(fēng)壓比單只風(fēng)扇稍有提高，總風(fēng)量是各風(fēng)扇風(fēng)量之和，因此可以增大體積流量。并聯(lián)風(fēng)扇用在系統(tǒng)阻力較小的情況下。風(fēng)扇串聯(lián)時(shí)，風(fēng)量基本上是每只風(fēng)扇的風(fēng)量，而風(fēng)壓為相同風(fēng)量下的風(fēng)扇的風(fēng)壓之和。當(dāng)系統(tǒng)阻力較大時(shí)，可以用串聯(lián)風(fēng)扇來增大靜壓力。
3.4其他考慮因素
1風(fēng)扇的位置和工作方式
風(fēng)扇的布置和風(fēng)的流動(dòng)方向會(huì)影響整個(gè)熱設(shè)計(jì)。向系統(tǒng)吹風(fēng)的風(fēng)扇應(yīng)處于系統(tǒng)的溫度最低點(diǎn)，從而延長風(fēng)扇壽命。吹風(fēng)時(shí)灰塵等雜物也能帶出系統(tǒng)。抽風(fēng)系統(tǒng)能提供比較一致的空氣流動(dòng)。另外，風(fēng)扇的吸氣面風(fēng)阻引起的噪音比在吹氣面引起的要大。當(dāng)風(fēng)阻離風(fēng)扇太近時(shí)，風(fēng)扇可能不能正常工作并且會(huì)縮短壽命。
2風(fēng)扇的工作電壓、功率、噪音
風(fēng)扇的功率也是個(gè)重要因素，特別是在吹風(fēng)工作方式的情況下，風(fēng)扇產(chǎn)生的熱量將使進(jìn)入設(shè)備的空氣預(yù)熱。另外，如果人員長時(shí)間工作在設(shè)備附近，超過40dB的風(fēng)扇噪音將使人感到煩躁。風(fēng)扇的工作溫度、振動(dòng)量級限制等在設(shè)備工作于惡劣環(huán)境下時(shí)也必須考慮。已有專為惡劣環(huán)境使用時(shí)設(shè)計(jì)的風(fēng)扇，可以工作在高度潮濕、鹽霧及灰塵的環(huán)境中。
4 結(jié)束語
不充分的冷卻是電子設(shè)備損壞的主要原因；而沒有提供足夠的冷卻空氣可能造成設(shè)備的過早失效。綜合各種經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)尺寸、流量的風(fēng)扇并布置在設(shè)備的適當(dāng)位置可以提高系統(tǒng)可靠性，控制整機(jī)幾何尺寸以及系統(tǒng)噪聲。
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