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如前所述,风扇强化换热的原理是加剧空气的流动,提高流动的空气与固体壁面之间的对流换热效率。风量(m³/s)意指单位时间内流过系统的空气体积,表征风扇带来的空气扰动强度。因此,风量是选择风扇的关键参考因素。
确定风量依据的是热力学第一定律,即能量守恒定律。其边界条件如下:
1)主要元器件工作温度要求;
2)产品使用环境温度要求:
3)产品发热总量。
如果已知系统设备内部散热量与允许的总温度上升量,就可在产品设计前期通过公式估算出冷却设备所需的大致风量。举例阐述其过程如下:
假定产品发热量为P,需要的温升为Tout -Tin,结合能量守能定律及空气的物理性质,风量Q与温升和功耗之间存在如下关联:
P =QATρCp (2-1)
风扇需要提供的风量,可以确定为
Q=P/(∆TρCp) (2-2)
空气物理性质按照60℃计算,此时空气密度为1.060kg/m³,比热容为1.017kJ/ (kg ·℃)。式(2-2)可以简化为
Q=P/(∆TρCp)=P/(1.078∆T) (2-3)
空气温升取20℃。风扇风量约为
Q=P/(21.56) (2-4)
注意,环境温度为55℃,温升20℃时,空气已达到75℃,此时,大致推测器件的温度为85 ~100℃。20℃是一个相对的中间值,但仍要根据具体的产品要求判定。
此时功耗的单位为kW,换算成常用的W,式(2-4)成为
Q=P/(21.56*1000) (2-5)
风扇厂家给出的流量,常有不同的单位,比如 m³/min或者CFM⊖。换算完成后如下:
Q=P/(21.56*1000)*60=P/359 (2-6)
Q=P/(21.56*1000)*2118.88=0.0983P(CFM) (2-7)
如果某产品预估热耗35W,则在理想情况下,风扇需要提供的风量为(按照空气20℃温升计算):
Q=35*0.0983=3.4CFM
如果产品热耗为180W,则在理想情况下,风扇需要提供的风量为(按照空气20℃温升计算):
Q=180*0.0983=17.7CFM
使用这个公式计算出的风量值是产品的工作点对应的风量,并不能说某个风扇的最大风量满足这一数值就可以,因为系统阻力存在,风扇的实际工作风量总是低于最大风量。如图2-1所示,阻抗曲线和风扇PQ线的交点对应的风量才是系统实际获得的风量。驱动这一风量需要风扇具备对应的动力,如何根据上述值来选定合适的风扇呢?这就涉及风扇的另一个关键性能参数:风压。
图2-1 某风扇PQ线和工作点信息示意
注意,如果产品考虑海拔设计,则需要代人海平面空气的比热与密度的变化属性,在计算风量需求公式中,需要调整空气的相关参数。
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