一.工程背景

大多數(shù)密集封裝的電子機(jī)箱系統(tǒng)使用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制空空氣冷卻。較小的機(jī)箱系統(tǒng)通常使用軸向冷卻風(fēng)扇，氣流垂直于風(fēng)扇葉片。然而，較大的底盤系統(tǒng)可能需要離心式鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇來(lái)在高靜壓下提供足夠的氣流。

在底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，工程師應(yīng)確定和估算強(qiáng)制空空氣冷卻風(fēng)量的需求。更重要的是，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，需要為加熱部件提供良好的氣流，為冷卻風(fēng)扇提供足夠的空空間和動(dòng)力。

風(fēng)扇選擇需要考慮的因素包括:所需的空氣流、交流或DC電源、電壓、速度、預(yù)期壽命、電磁干擾/射頻干擾、散熱、自動(dòng)重啟和噪聲影響。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，需要估算機(jī)箱系統(tǒng)通風(fēng)冷卻所需的風(fēng)量，主要取決于機(jī)箱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量和設(shè)備允許的最大溫升。

在估計(jì)底盤系統(tǒng)的熱消耗時(shí)，應(yīng)考慮加熱子底盤系統(tǒng)的設(shè)備負(fù)載變化或熱消耗增加的可能性。因此，最大熱耗應(yīng)該用來(lái)估算機(jī)箱系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最壞情況下機(jī)箱系統(tǒng)所需的風(fēng)量。

R:空氣體密度=

t:溫度(℃)

p:空氣壓力(毫米汞柱)

Pn:空氣體積壓差(mm Aq)

Ps:靜壓(mm Aq)

g：g:

最大靜壓和最大風(fēng)量的測(cè)量必須分開(kāi)進(jìn)行。

最大靜壓測(cè)量:當(dāng)噴嘴關(guān)閉時(shí)，a室的壓力將達(dá)到最大值。壓差Ps代表風(fēng)扇可以達(dá)到的最大靜壓。

最大風(fēng)量測(cè)量:打開(kāi)噴嘴，使用輔助鼓風(fēng)機(jī)將a室的壓力降低至Ps = 0。那么最大風(fēng)量就可以用Pn，D和上面的空風(fēng)量公式計(jì)算出來(lái)。q代表風(fēng)扇在自由空空氣中的最大流量。

四、風(fēng)扇底盤系統(tǒng)工作點(diǎn)及風(fēng)道建議

風(fēng)扇的性能由底盤系統(tǒng)風(fēng)阻的PQ特性曲線和風(fēng)扇的P-Q特性曲線的交點(diǎn)決定。風(fēng)扇特性曲線在測(cè)量氣流和靜壓部分說(shuō)明。在底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定的情況下，底盤系統(tǒng)的PQ特性曲線是固定的。它描述了空空氣在特定障礙物和內(nèi)部阻力下如何流經(jīng)底盤系統(tǒng)。流動(dòng)阻力大約與體積流量的平方成正比。因此，底盤系統(tǒng)中靜壓與空氣流量的關(guān)系是二次拋物線。通過(guò)測(cè)試不同氣流速度下底盤系統(tǒng)入口和出口之間的壓差，可以很容易地通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得曲線。

底盤系統(tǒng)阻抗曲線

風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)(系統(tǒng)阻抗曲線與風(fēng)機(jī)PQ曲線的交點(diǎn))

只有設(shè)計(jì)好風(fēng)扇的最佳位置，優(yōu)化底盤系統(tǒng)的風(fēng)道，才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的全部潛能。否則，風(fēng)扇特性曲線受到抑制，導(dǎo)致氣流減少。底盤系統(tǒng)的風(fēng)道有一些建議，以盡量減少底盤系統(tǒng)的阻力損失。

這些計(jì)算或建議基于4715系列風(fēng)扇；不過(guò)也適用于其他粉絲。下圖顯示了風(fēng)扇入口或出口附近堵塞導(dǎo)致的風(fēng)扇特性曲線壓縮。x是風(fēng)扇到障礙物的距離。

風(fēng)機(jī)特性曲線上障礙物距離的抑制

測(cè)量風(fēng)壓的探頭會(huì)產(chǎn)生較小的阻力損失，如果放在出風(fēng)口，會(huì)增加噪音。在風(fēng)扇入口附近放置障礙物可能比在風(fēng)扇出口放置障礙物產(chǎn)生更多噪音。

第五，選擇風(fēng)扇

通過(guò)估計(jì)所需的氣流，您可以選擇特定的風(fēng)扇。首先，考慮風(fēng)扇應(yīng)該使用交流電還是DC電源。DC風(fēng)扇價(jià)格昂貴，所以幾乎所有機(jī)箱系統(tǒng)都使用交流風(fēng)扇?，F(xiàn)在差價(jià)消失了，DC粉絲的很多優(yōu)勢(shì)讓他們成為最佳選擇。直流風(fēng)扇的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗比交流風(fēng)扇低近60%。據(jù)業(yè)內(nèi)專家稱，風(fēng)扇溫度每升高10℃，其使用壽命將減少多達(dá)20000小時(shí)。

另一個(gè)選擇因素是直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與電壓成正比，因此可以在合理的風(fēng)量要求下運(yùn)行。然而，風(fēng)扇通常以低于最大速度的速度運(yùn)行，從而降低噪音和功率。

DC風(fēng)扇的其他優(yōu)勢(shì)包括比交流風(fēng)扇更低的電磁干擾和射頻干擾。另外，使用交流風(fēng)扇，設(shè)計(jì)師還要處理各種電源電壓和頻率。這些問(wèn)題在使用DC粉絲的時(shí)候就會(huì)消失。一般來(lái)說(shuō)，用DC風(fēng)扇比用交流風(fēng)扇簡(jiǎn)單。

大多數(shù)DC風(fēng)扇有12V和24V兩種版本。高電壓是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致更低的電流和更低的功耗。

風(fēng)扇產(chǎn)生噪聲的頻率和幅度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。如果可以選擇，選擇低速電機(jī)降低噪音。

在估算了機(jī)箱系統(tǒng)的氣流需求和靜壓后，可以查閱并找到供應(yīng)商提供的風(fēng)扇的PQ曲線，選擇能夠提供足夠冷卻風(fēng)量的風(fēng)扇。工程師應(yīng)該小心使用這些曲線。風(fēng)扇的實(shí)際PQ性能曲線可能與標(biāo)稱曲線性能相差10%。

有時(shí)候在free 空 air測(cè)試風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)時(shí)，配置不合理，也會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。這個(gè)誤差在0.05到0.15英寸水柱之間。

噪音對(duì)風(fēng)扇散熱沒(méi)有影響，但對(duì)機(jī)箱系統(tǒng)和用戶很重要。盡可能選擇最安靜的風(fēng)扇，并采取措施降低風(fēng)扇的噪音。

降低噪音的一個(gè)方法是盡可能使用最大的風(fēng)扇。對(duì)于特定的氣流，較大尺寸的風(fēng)扇運(yùn)行速度較慢，因此產(chǎn)生的噪音較小。

如上所述，DC風(fēng)扇產(chǎn)生的電磁干擾和射頻干擾比交流風(fēng)扇少得多。風(fēng)扇產(chǎn)生的電磁干擾和射頻干擾對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題。然而，如果設(shè)備在干擾敏感的環(huán)境中運(yùn)行，電磁干擾和射頻干擾可能是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。

不及物動(dòng)詞粉絲生活

軸承磨損是影響風(fēng)機(jī)壽命的主要因素。大部分風(fēng)機(jī)廠家用的都是類似的軸承，軸承差別不大。大部分廠家承諾壽命5萬(wàn)小時(shí)；每周40小時(shí)，相當(dāng)于25年。因此，風(fēng)扇很可能比它冷卻的設(shè)備持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。如前所述，風(fēng)扇的溫度會(huì)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(shí)的轉(zhuǎn)子鎖定(15天的交流風(fēng)扇)，而不會(huì)造成任何損壞和過(guò)熱。排除轉(zhuǎn)子鎖死的原因后，風(fēng)扇還必須能夠重新啟動(dòng)并正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

阻抗限制交流風(fēng)機(jī)繞組中的電流，但直流風(fēng)機(jī)故障時(shí)，需要電子鎖鎖住轉(zhuǎn)子來(lái)限制電流。幾種類型的保護(hù)目前正在使用，但不是所有的都提供自動(dòng)重啟。機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)評(píng)估風(fēng)扇的保護(hù)類型，以確保直流風(fēng)扇在清除障礙物后自動(dòng)重啟。他們還應(yīng)確保保護(hù)底盤系統(tǒng)在間歇性斷電期間工作正常。

七、進(jìn)氣(鼓風(fēng))還是排氣(抽風(fēng))？

設(shè)計(jì)人員可以選擇安裝風(fēng)扇來(lái)排出機(jī)箱系統(tǒng)中的熱空氣或冷空氣。理論上講，散熱用的是同樣的空風(fēng)量，不管是排風(fēng)還是排風(fēng)。但在實(shí)踐中，每種安排都各有利弊。吸入風(fēng)機(jī)的空空氣為層流。層流模式將在機(jī)柜系統(tǒng)中均勻分配氣流速度。消除停滯空氣體(渦流區(qū))和局部溫度熱點(diǎn)非常重要。

從風(fēng)扇排出的空空氣是湍流。在相同的體積流量下，湍流中的熱傳遞量可達(dá)到層流的兩倍。但是一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇出口附近的湍流氣流區(qū)域是非常有限的，所以為整個(gè)機(jī)箱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)設(shè)計(jì)良好的氣流路徑是非常重要的。通風(fēng)口應(yīng)至少比風(fēng)扇開(kāi)口大50%。

必須注意消除風(fēng)扇中空空氣的再循環(huán)，即熱空氣在風(fēng)扇出口處的回流。由于氣流回流，許多氣流冷卻性能可能會(huì)喪失。擋板可用于消除空氣體的再循環(huán)和回流。氣流路徑必須采用阻力最小的路徑。

底盤系統(tǒng)中的子部件和部件應(yīng)放置在氣流可以直接冷卻的位置，這些地方也應(yīng)充分利用自然對(duì)流冷卻。將高溫部件放在冷卻器部件的上游方向。避免將大型組件與小型設(shè)備的氣流隔離。必要時(shí)，必須使用擋板來(lái)控制流量，并將其引導(dǎo)至溫度較高的設(shè)備。

風(fēng)扇輪轂處產(chǎn)生熱空氣回流現(xiàn)象

排氣扇可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低，空空氣中的灰塵會(huì)通過(guò)關(guān)閉機(jī)箱系統(tǒng)的所有通風(fēng)口和裂縫吸入機(jī)箱系統(tǒng)。

如果機(jī)箱系統(tǒng)需要除塵，最好使用將空空氣吹入機(jī)箱系統(tǒng)的風(fēng)扇，即鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇。在這種配置中，風(fēng)扇入口處的過(guò)濾器可以清除進(jìn)入空的空氣中的灰塵。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生正的氣流區(qū)域；這樣灰塵就不會(huì)從周圍環(huán)境流入機(jī)箱系統(tǒng)，但必須定期更換過(guò)濾器，消除積塵?；覊m堆積會(huì)嚴(yán)重限制氣流，導(dǎo)致空空氣和機(jī)箱系統(tǒng)中的設(shè)備溫度升高。

風(fēng)機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是風(fēng)機(jī)電機(jī)產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)入機(jī)箱系統(tǒng)，必然會(huì)降低空空氣的冷卻效率。因此，對(duì)溫度敏感或耐熱的設(shè)備應(yīng)靠近風(fēng)扇的進(jìn)氣口。

在許多應(yīng)用中，用風(fēng)機(jī)代替抽風(fēng)機(jī)可以延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命一至三倍。熱空空氣會(huì)流過(guò)風(fēng)機(jī)，不可避免地會(huì)影響風(fēng)機(jī)的使用壽命，而當(dāng)進(jìn)氣溫度為25℃時(shí)，風(fēng)機(jī)的使用壽命要比排氣扇長(zhǎng)得多。如NMB的“保修聲明”和“風(fēng)扇壽命降級(jí)曲線”所示，溫度降低對(duì)風(fēng)扇壽命有顯著影響。

八.噪音影響

大多數(shù)設(shè)計(jì)要求最小的風(fēng)扇噪音，以滿足用戶對(duì)安靜機(jī)箱系統(tǒng)的需求。因此，必然要求底盤系統(tǒng)具有更小的尺寸和更高的工作性能，這兩者都會(huì)增加底盤系統(tǒng)的氣流需求，進(jìn)而增加噪音。

機(jī)械噪音可能由軸承振動(dòng)或葉片不平衡旋轉(zhuǎn)引起。如果該振動(dòng)頻率與底盤系統(tǒng)的任何共振頻率相匹配，它可能會(huì)被放大到不可容忍甚至破壞性的程度。電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生噪音；但這只是冷卻機(jī)箱系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音的一小部分。

所有這些噪音成分都是風(fēng)扇設(shè)計(jì)所固有的，幾乎完全不受機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的控制。但是，有一些細(xì)節(jié)或建議可以幫助機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將噪音降至最低:

①避免在風(fēng)機(jī)附近的高風(fēng)速區(qū)域放置障礙物。

②使用隔振器消除機(jī)械噪聲從風(fēng)扇向底盤系統(tǒng)的傳遞。

③使用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制底盤系統(tǒng)的共振頻率。

④將風(fēng)扇安裝在機(jī)箱系統(tǒng)的內(nèi)表面，而不是外表面。

⑤放置在風(fēng)扇入口附近的障礙物比放置在風(fēng)扇出口附近的障礙物產(chǎn)生更多的噪音。

設(shè)計(jì)師在比較不同風(fēng)扇廠商的噪聲規(guī)格時(shí)要非常小心。雖然已經(jīng)提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的噪聲測(cè)量方法，但并沒(méi)有被所有的風(fēng)扇制造商和用戶所接受。這個(gè)方法是ANSI 1211方法。

九、多個(gè)風(fēng)扇一起使用

盡管你盡了最大努力，但設(shè)計(jì)完成后可能會(huì)有“額外冷卻”。為了應(yīng)對(duì)這種情況，您應(yīng)該首先選擇一個(gè)特定大小的低或中氣流風(fēng)扇。然后，如果需要更多的冷卻空空氣，很容易更換現(xiàn)有的風(fēng)扇。

反之，如果最初選擇的風(fēng)扇性能更高，就需要考慮“額外散熱”，重新設(shè)計(jì)機(jī)箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局。

當(dāng)考慮額外冷卻并且不能使用相同尺寸的更高性能風(fēng)扇時(shí)，可以考慮以下四種方案:

①改善機(jī)箱系統(tǒng)中的氣流組織。

②重新設(shè)計(jì)機(jī)箱系統(tǒng)，使用更大的風(fēng)扇。

③將機(jī)箱系統(tǒng)修改為并行使用兩個(gè)或更多風(fēng)扇。

④修改機(jī)箱系統(tǒng)以使用兩個(gè)或更多風(fēng)扇系列。

通常，通過(guò)改善機(jī)箱系統(tǒng)中的氣流分布或改變通風(fēng)口的位置或大小，可以提供足夠的額外冷卻。如果不能通過(guò)修改氣流來(lái)改善，首選的解決方案是修改機(jī)箱系統(tǒng)以接受更大的風(fēng)扇。這允許您選擇符合機(jī)箱系統(tǒng)要求的風(fēng)扇。但是有時(shí)候，這個(gè)選擇是不可能的?？赡軟](méi)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(gè)或多個(gè)額外的風(fēng)扇。

在某些情況下，額外的風(fēng)扇用于增加機(jī)箱系統(tǒng)中空的空氣流量。此外，備用風(fēng)扇的設(shè)計(jì)可用于提高機(jī)箱系統(tǒng)的可靠性。

但是，額外的風(fēng)扇可能會(huì)造成問(wèn)題。它使成本加倍，噪音加倍，風(fēng)扇產(chǎn)生的熱量加倍，可能對(duì)系統(tǒng)的冷卻只提供很少的改善。

風(fēng)機(jī)并聯(lián)P-Q曲線的修正

兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)，在自由空風(fēng)的情況下，只需雙倍的風(fēng)量。如果底盤系統(tǒng)靜壓較高，這種布置會(huì)增加較少的流量。兩個(gè)風(fēng)機(jī)串聯(lián)會(huì)使靜壓翻倍，但在自由空空氣的情況下不會(huì)增加風(fēng)量。并聯(lián)風(fēng)扇可以在低靜壓下增加空氣流量，然后風(fēng)扇串聯(lián)，可以進(jìn)一步增加風(fēng)扇的靜壓。

風(fēng)機(jī)串聯(lián)P-Q曲線的修正

此外，多個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)和串聯(lián)對(duì)機(jī)箱系統(tǒng)本身散熱的影響也不容忽視。

聲明:原創(chuàng)文章，部分圖片來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)，如有錯(cuò)誤請(qǐng)聯(lián)系我們，歡迎分享，未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系我們。