1 引言

隨著電子技術的飛速發展，當今的電子設備如不考慮熱設計，通常會產生過熱現象。強迫空氣冷卻作為比較經濟、方便的冷卻手段在電子設備熱設計中得到了普遍應用。而運用強迫空氣冷卻電子設備的首要任務是選擇合適的風扇來提供足夠的冷卻空氣。

用于電子設備冷卻的風扇有各種類型，如槳式風扇、管狀軸流風扇、葉翼軸式風扇以及離心式鼓風機等。槳式風扇是最簡單的風扇。管狀軸流風扇比較常見，尺寸種類較多并且價格不高，這種風扇通常用在要求噪音低、壽命長及成本低的場合。

葉翼軸式風扇旋轉速度高，噪音高，這種風扇通常用于冷卻熱密度高、又必須工作在惡劣熱環境和振動環境的電子設備。

離心式風扇能提供高的靜壓，但一般噪音較大。在選擇風扇時首先要根據尺寸、風向、噪音以及各種風扇的特點確定風扇的種類。

2 風扇曲線

風扇的所有空氣動力學特性可以用圖1的風扇特性曲線描述。

從曲線的右邊向左看，風扇從正常工作狀態到因動力不足而滯止。在這一過程中的風扇仍傳輸空氣，但靜壓上升的同時體積流量減小，噪音增大。

從能量的觀點有助于理解風扇的特性曲線。在滯止點，風扇的勢能最大。在自由輸氣狀態，風扇的動能最大，因此流量最大。

風扇選擇的原則是在一個特定的系統中，給定的風扇只可能在一定壓力下提供一定流量。這一工作點決定于風扇的特性曲線和系統流量、壓力曲線的交點。

圖1分別列出了高、低系統阻力的工作點。選擇的風扇最好工作在高的流量、低的壓力以保持馬達的效率避免失速。每個強迫空氣冷卻的電子設備都要設法減小空氣流動的系統阻力。（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

3 風扇選擇步驟

3.1估計需要的空氣流量

選擇風扇之前，要盡可能估準電子設備的耗散功率。因為通過設備的空氣溫升與耗散功率有直接關系。電子設備所用的元件通常在其手冊中標明了最大功率以及典型功率。在熱設計中最好盡可能使用元件在最差使用環境下的“實際使用功率”。比如一個SRAM元件標明其最大耗散功率為3W，但實際上處理器訪問它的時間在微秒級，耗散功率只達到最大功率的1/10左右。

相關系統散熱可以用下式估計需要的冷卻空氣：

式中:

式中：

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備所需空氣的粗略估計。由于空氣密度隨海拔高度的增加而減小，對于機載設備風量應采用質量流量。可以使用不隨高度變化的恒定質量流量風扇，通過控制轉速來達到質量流量不變的目的。風扇廠商提供的目錄說明中通常標出風扇在0靜壓時的單位為立方英尺/分(CFM)的體積流量，依據設備的功率快速選擇風扇的流量見表1。

3.2估計真實流量

空氣流動時，在流動的路徑上截面的收縮、擴張和轉彎等變化將引起靜壓降。前面的分析已經表明要達到預計的溫升所需要的空氣流量。然而實際工作時的空氣流量是由風扇特性曲線和系統阻力曲線的交點決定的。

可以先假定幾個不同的流量(如圖1中所示的：F1、F2、F3)，計算流經電子設備的每個流量的總的靜壓降(圖中ΔP1、ΔP2、ΔP3)，得到設備的流量阻力曲線。通過疊加風扇特性曲線和設備流量、阻力曲線的交點可獲得系統的工作點。通常用標記為H_V的速度頭來表示空氣流動沿程的靜壓損失。

某點的速度頭與該點的空氣流動速度的關系為:

式中:

典型截面變化引起的靜壓損失與速度頭的關系如表2所示。將各處靜壓損失相加，就可求得總的靜壓降。

現舉一個簡單的實例：

圖2所示的電子設備有每塊功耗20W的插入式印制板7塊，間隙為0.4in。采用強迫空氣冷卻，試繪制流量阻力曲線。在該例中，要考慮以下幾處的靜壓損失(用H_i表示)。

(a)風扇的空氣進口。軸流式風扇的空氣進口非常類似于普通管道的端部，預計損失0.93速度頭。取整到1.0，H₁=1.0H_V1。

(b)進入印制板管道。空氣進入管道也類似于普通管道的端部，預計損失0.93速度頭。取整到1.0，H₂=1.0H_V2。

(c)空氣流經印制板管道。在這時，由于空氣間隙狹小，預計壓力損失1.0速度頭，H₃=1.0H_V3。

(d)印制板管道和機箱排氣口。空氣排出時，速度全部損失，H₄=1.0H_V4。

假定有三種空氣流量，根據這三種流量分別求出以上四處的空氣流速，由式(4)計算各處的速度頭來求得各處的壓力損失。總的壓力損失為:H₁+H₂+H3+H₄。由三種空氣流量及其總的壓力損失可繪制該機箱的流量阻力曲線。（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）

3.3考慮多個風扇

風扇的并聯或串聯可以在不大改變系統尺寸和風扇直徑的情況下獲得期望的流量及壓力。風扇并聯時，其風壓比單只風扇稍有提高，總風量是各風扇風量之和，因此可以增大體積流量。并聯風扇用在系統阻力較小的情況下。風扇串聯時，風量基本上是每只風扇的風量，而風壓為相同風量下的風扇的風壓之和。當系統阻力較大時，可以用串聯風扇來增大靜壓力。

3.4其他考慮因素

風扇的布置和風的流動方向會影響整個熱設計。向系統吹風的風扇應處于系統的溫度最低點，從而延長風扇壽命。吹風時灰塵等雜物也能帶出系統。抽風系統能提供比較一致的空氣流動。另外，風扇的吸氣面風阻引起的噪音比在吹氣面引起的要大。當風阻離風扇太近時，風扇可能不能正常工作并且會縮短壽命。

風扇的功率也是個重要因素，特別是在吹風工作方式的情況下，風扇產生的熱量將使進入設備的空氣預熱。另外，如果人員長時間工作在設備附近，超過40dB的風扇噪音將使人感到煩躁。風扇的工作溫度、振動量級限制等在設備工作于惡劣環境下時也必須考慮。已有專為惡劣環境使用時設計的風扇，可以工作在高度潮濕、鹽霧及灰塵的環境中。

4 結束語

不充分的冷卻是電子設備損壞的主要原因；而沒有提供足夠的冷卻空氣可能造成設備的過早失效。綜合各種經驗和計算數據選擇適當尺寸、流量的風扇并布置在設備的適當位置可以提高系統可靠性，控制整機幾何尺寸以及系統噪聲。

來源：第七十一五研究所 葛新法

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