產品設計 | 電子散熱工程中風扇選擇的9大因素

2019-03-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

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

大多數密集封裝的電子機箱系統(tǒng)使用風扇或鼓風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扇,其中氣流垂直于風扇葉片。然而,較大的機箱系統(tǒng)可能需要離心式鼓風扇在高靜壓情況下提供足夠的氣流。

在機箱系統(tǒng)設計的最初階段,工程師就應確定對強制空氣冷卻風量需求進行預估。更重要的是,產品設計階段,必須為發(fā)熱部件提供良好的氣流,并為冷卻風扇提供足夠的空間和功率。

風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,預期壽命,EMI / RFI,散熱量,自動重啟和噪聲影響。

產品設計初始階段是需要預計通風冷卻機箱系統(tǒng)所需的氣流風量,這主要是取決于機箱系統(tǒng)內產生的熱量和器件允許的最大溫升。

在估算機箱系統(tǒng)內熱耗時,應該考慮器件負載發(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,橫軸表示氣流的風量;兩個軸都是對數的。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的點,此點對應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)溫升的關系

二、機箱系統(tǒng)阻抗

確定如何在機箱系統(tǒng)內安裝風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致靜壓阻力。下圖顯示了典型風扇的氣流與靜壓之間的非線性關系。為了達到最大氣流,應盡量減少障礙物。但是,有時候需要增加擋風板,以將冷氣流引導到需要冷卻的部件上。當然,機箱系統(tǒng)組件本身也會阻礙氣流、引導氣流流動。

軸流風扇風壓P-風量Q曲線

通過實驗方法得到氣流的流量是非常準確的,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,經驗方法通常用于估計氣流阻力。經驗表明:

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,前一個例子中的風扇應該能夠提供80cfm的空氣,而不是32cfm。

三、測量氣流和靜壓

可以使用AMCA標準210雙氣流室來精確測量氣流的風量和靜壓。

方程列表和變量

Q:氣流流量=

C:噴嘴風量系數

D:噴嘴直徑(m)

r:空氣密度=

T:溫度(℃)

P:氣壓(mm Hg)

Pn:風量差壓(mm Aq)

Ps:靜壓(mm Aq)

最大靜壓和最大風量測量必須單獨進行。

最大靜壓測量:當噴嘴關閉時,腔室A中的壓力將達到最大值。壓力差Ps代表風扇可達到的最大靜壓。

最大風量測量:打開噴嘴,使用輔助鼓風扇將腔室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量。Q代表風扇在自由空氣中可達到的最大流量。

四、風扇的機箱系統(tǒng)工作點和風道建議

風扇的性能是由機箱系統(tǒng)的風阻PQ特性曲線和風扇的P-Q特性曲線的交叉點來決定。風扇特性曲線在測量氣流和靜壓部分進行了解釋。當機箱系統(tǒng)結構固定后,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

風機的工作點(系統(tǒng)阻抗曲線與風機PQ曲線交點)

只有設計風扇的最佳位置,優(yōu)化機箱系統(tǒng)風道,才能實現(xiàn)風扇的全部潛力。否則,風扇特性曲線被抑制,導致氣流減少。后續(xù)有一些對機箱系統(tǒng)風道的建議,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4715系列風扇進行的;但是,它同樣適用于其他風扇。下圖顯示了由風扇入口或排氣口附近的阻塞引起的風扇特性曲線的壓縮。X是從風扇到障礙物的距離。

障礙物距離對風扇特性曲線的抑制

測量風壓的探頭會產生較小的阻力損失,如果放在出風口,將使得噪音增加。在風扇進氣口附近放置障礙物可能會比在風扇出口處放置障礙物引起更大的噪音。

五、選擇風扇

通過估算所需的氣流流量,您可以選擇特定的風扇。首先,考慮風扇是否應使用交流或直流電源。直流風扇的成本較高,因此機箱系統(tǒng)機箱系統(tǒng)幾乎全部使用交流風扇?，F(xiàn)在這個價格差異消失了,直流電風扇的許多優(yōu)點使它們成為最佳選擇。直流風扇的一個優(yōu)點是壽命更長,另一個優(yōu)點是功耗比交流風扇低近60%。據業(yè)內專家介紹,風扇溫度升高10℃會降低其使用壽命多達20,000小時。

另一個選擇因素是直流風扇的速度與電壓直接成比例,因此它可以在合理的風量要求下運行。然而,通常風扇運行速度低于最大速度,進而噪音和功率更小。

直流風扇的其他優(yōu)點包括EMI和RFI均低于交流風扇。此外,使用交流風扇,設計師不得不處理各種各樣的供電電壓和頻率。使用直流風扇時,這些問題會消失。總的來講,使用直流風扇比交流風扇更為簡單。

大多數直流風扇有12V和24V兩種版本。高電壓是優(yōu)選的,因為它導致更低的電流和更低的功耗。

風扇產生的噪音的頻率和幅度隨著轉速的增加而增加。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,可以咨詢查找供應商提供的風扇PQ曲線,以選擇能夠提供足夠冷卻風量的風扇。工程師應謹慎使用這些曲線,風扇真實的PQ性能曲線可能與標稱顯示的曲線性能相差10%。

有時在自由空氣中測試風扇性能數據,配置不合理,也會導致一些誤差。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。應盡可能選擇最安靜的風扇,并應采取措施降低風扇的噪音。

降低噪音的一種方法是盡可能使用最大的風扇。對于特定的氣流,尺寸較大的風扇以較慢的速度運行,因此產生的噪音較小。

如上所述,直流風扇比交流風扇產生的EMI和RFI要小得多。對于常規(guī)應用來說,風扇產生的EMI和RFI不是問題。但是,如果設備在干擾敏感的環(huán)境中運行,EMI和RFI可能是一個嚴重的問題。

六、風扇壽命

軸承磨損是影響風扇壽命的主要因素。大多數風扇制造商使用類似的軸承,因此軸承沒有太大的差別。大多數制造商承諾的壽命為50,000小時;每周40小時,這相當于25年。因此,風扇很可能比它冷卻的設備壽命更長。如前所述,風扇的溫度會隨著溫度的升高而顯著降低。

UL要求風扇必須能夠承受72小時的鎖定轉子(交流風扇15天),而不會造成任何損壞并且不會過熱。在消除鎖定轉子的原因后,風扇也必須能夠重新啟動并正常運行。

阻抗限制了交流風扇繞組中的電流,但直流風扇在失效期間,需要電子鎖鎖定轉子,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)設計人員應仔細評估風扇的保護類型,以確保直流風扇在移除障礙物后自動重啟。他們還應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)或排氣(抽風)?

設計人員可以選擇安裝風扇,以便從機箱系統(tǒng)中排出熱空氣,或將冷空氣吹入機箱系統(tǒng)。從理論上講,無論抽風還是抽風,都是相同的空氣量用于散熱。但在實際應用中,每種布置都有優(yōu)點和缺點。吸入風扇的空氣是層流。層流流態(tài)將在機箱系統(tǒng)中均勻分布氣流速度。這對消除停滯的空氣(渦流區(qū)域)和局部溫度熱點很重要。

從風扇排出的空氣是湍流的。湍流氣流中的換熱量可以達到具有相同體積流量的層流的兩倍。但是,通常來說,靠近風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)設計良好的氣流路徑是至關重要的。通風口的面積應至少比風扇開口大50%。

必須注意消除風扇中的空氣再循環(huán),即風扇出風口熱風的回流現(xiàn)象。由于氣流的回流問題,可能導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)內的子組件和組件應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氣流,將其引向溫度較高的器件。

風機hub處生成的熱風回流現(xiàn)象

抽風風扇可能導致機箱系統(tǒng)內壓力降低,空氣中的粉塵會通過所有通風口和封閉機箱系統(tǒng)的裂縫吸入機箱系統(tǒng)內部。

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)的風扇,即鼓風扇。在這種配置中,風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積聚會嚴重限制氣流流動,從而導致機箱系統(tǒng)中的空氣及器件的溫度升高。

鼓風風扇的另一個缺點是風扇馬達所產生的熱會進入機箱系統(tǒng)內部,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靠近風扇的進風口。

在許多應用中,使用鼓風風扇而不是抽風氣扇可以使風扇的使用壽命延長一倍或三倍。熱空氣將流過風扇,勢必影響風扇的壽命,而鼓風風扇進風溫度25℃,其壽命遠超抽風風扇。如NMB的“保修聲明”和“風扇壽命降額曲線”所示,溫度降低對風扇壽命有著顯著的影響。

八、噪音影響

大多數設計需要最小的風扇噪音以滿足用戶對安靜機箱系統(tǒng)的需求。相應的,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。電機馬達也會產生噪音;但這是冷卻機箱系統(tǒng)產生噪聲的一小部分。

所有這些噪聲成分都是風扇設計中固有的,幾乎完全不受機箱系統(tǒng)機箱系統(tǒng)設計師的控制。但是有一些細節(jié)或者建議,可以幫助機箱系統(tǒng)設計者盡量減少噪音:

① 避免在靠近風扇的高風速區(qū)域放置障礙物。

② 使用隔振器消除機械噪聲從風扇到機箱系統(tǒng)的傳遞。

③ 使用加強結構來控制機箱系統(tǒng)的共振頻率。

④ 將風扇安裝在機箱系統(tǒng)的內表面上而不是安裝在外表面。

⑤ 障礙物放置在風扇進氣口附近比放置在風扇出風口附近產生更多的噪音。

在比較不同風扇制造商的噪音規(guī)格時,設計師應該非常謹慎。盡管已經提出了一種標準的噪聲測量方法,但它并未被所有風扇制造商和用戶所接受,這種方法是ANSI 1211方法。

九、多個風扇聯(lián)合使用

盡管你付出了最大努力,但在設計完成后,可能會出現(xiàn)“額外冷卻”的工況。為了應對這種工況,你應該首先選擇一個特定尺寸低等或中等的氣流風扇。然后,如果需要更多的冷卻空氣,則很容易更換現(xiàn)有的風扇。

相比之下,如果最初選擇的風扇性能較高,那么需要對“額外冷卻”進行考慮,就必須重新設計機箱系統(tǒng)的結構布局。

當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)內的氣流組織。

② 重新設計機箱系統(tǒng)以使用更大的風扇。

③ 修改機箱系統(tǒng)以并行使用兩個或多個風扇。

④ 修改機箱系統(tǒng)以使用兩個或更多風扇系列。

通常,通過改善機箱系統(tǒng)內的氣流組織或通過改變通風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)以接受更大的風扇。這允許選擇與機箱系統(tǒng)要求相匹配的風扇。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扇,或者由于尺寸限制可能禁止使用更大的風扇。這些情況需要一個或多個額外的風扇。

在某些情況下,使用額外的風扇來增加機箱系統(tǒng)內的空氣流量。此外,備用風扇的設計可用于提高機箱系統(tǒng)可靠性。

但是額外的風扇可能會產生問題。它使成本增加一倍,噪音加倍,風扇產生的熱量增加一倍,并且可能只為系統(tǒng)的冷卻提供很少的改善。