如何选择散热风扇(一)

2015-06-03

   在电子设备热设计中,整个系统采用多大的风量来进行散热是设计的第一步。在此基础上,才有可能确定各种功耗元器件以及相应的散热片的热环境,才能更有效的设计合适的散热片,结构布局,电气layout……
    而风扇琳琅满目,从品牌来说德国的EBM,日本的NMB,SANYO,到台系的AVC,DELTA,SUNON….太多太多了,且每家针对同样尺寸大小的还衍生出很多种类,其成本差异都很大,如轴承就有液压轴承、磁悬浮、双滚珠、单滚珠、Sleeve、来福轴承、纳米陶瓷轴承、流体保护系统轴承、汽化轴承……其寿命各不相同,若不经意买了错了,那就损失大了……. 如何选择散热风扇,这里先就风扇概况进行简单介绍。

散热风扇简介:


    风扇是一种利用扇叶的旋转对气流做功,在一定阻力下使一定体积气流动能增加的装置。起着强制对流的作用,属主动散热方式,其特点就是产生的风压低,噪音小,易于变速控制。风扇风量是在零压力的时候( 无气流阻力时)被确定的. 实际上每个风扇都有它独特的风压/风量曲线(下右图的红线所示)。M0指零风阻时的风流量,P0指风阻为无限大的时候的静态压力。更大的风扇直径或者更高的转速用以提高风扇的风量。风量由其直径,扇叶的斜度还有转速RPM所决定,风扇的噪音则受RPM和扇叶的斜度影响。一个确定了风量的风扇可以通过提高直径来降低RPM和扇叶斜度,同时增大直径也降低了噪音。

  
   

    风扇按气流流动方向来分,主要分为轴流型风扇Axial 和辐射型风扇(离心式)(Centrifugal - blower)。两种,如下图所示。两者的差别就是轴流式的风量较离心式的大,但产生的风压要比离心式的低,所以前者主要用在大流量如电子散热中作为系统风扇。从风流向来看,二者也存在差别,如下图简单而明了说明区别:


      

                      离心式风流向                                    轴流式风流向 

外型如下:
        

                                     
                    离心式风扇   
                                                                    直流式风扇
   

    技术层面上两者区别是,轴向型风扇,技术成熟,成本较低,可以通过调节RPM来调节风量,气流有涡流,机壳的阴影效应,占用体积大,存在气流的耗尽层。
    辐射型(离心式)风扇具有薄的叶片,没有涡流,气流方向性好,气流密度较高,点用体积小,技术较新,成本相对高,声学噪音受叶片的几何形状影响较严重。

PQ曲线:


    在为电子设备系统选取风扇时,起决定作用的因素就是风扇的风量风压曲线P-Q curve。在有的风扇规格书中,只给出最大静压和最大流量,这是远远不够的。实际上,由于系统风阻的缘故,风扇工作时,是不可能工作在最大流量状况下,所以实际应用中比较关心的是其性能曲线。下面就是不同类型风扇的P-Q曲线。  

          
   
                                直流风扇PQ曲线(B10~B50对应不同转速)
 
          

                       不同风扇类型PQ曲线(离心,轴流)                               


    由图可以看出所有风扇PQ曲线都有个特点:在最大风压点,风量为零,在最大流量点,风压为零;整个曲线是风压随着风量的增大而减小。这可以从能量的观点来解释,最大风压点,是风扇产生势能最大点;而最大流量点,是风扇产生最大动能点;在整个曲线中,风扇产生的动能于势能之和不变。

风扇常见设计(串并联):


    由于电子设备中,内部零组件太多,存在风压不足,风量不足的问题,因此一般来说都有可能进行风扇串并联来提高风压风量,也就是抬高了整个系统了PQ曲线,在系统的阻抗曲线不变情况下,进而风量增大,散热效果得到增强。如下为系统串并联后PQ曲线调整方法:
 
Parallel Fan(风量double,风压不变)
 

Series Fan(风量不变,风压double)

    这里额外需要注意的是,若串联安装设计,需要距离一定距离,不能紧贴,否则就可能会因为风扇流场之间干扰,造成风压不能double了,如下图所示。此外,有的风扇公司针对服务器的高阻抗特性额外开发了串联风扇(即其产品本身就是串联的),不过风扇厂的技术中心也会提供单独的PQ曲线了。如下图的SANYO和AVC产品照片
                         

     紧贴串联风扇示意(其风压非直接double)

      

                                            40mm*40mm*56mm风扇              
  
系统阻抗曲线:


    在系统结构设计中,应该考虑到减小风道阻力的因素。否则设计不当,风道阻力过大,就会影响系统流量,使得系统温升过高。
    在国际上公认的有三种方法来得到系统阻力,并以此来确定对应的系统流量。
    一:试验方法,将待实验件放置于风洞中,实验测定压降阻力和系统流量;
    二:运用计算流体力学CFD软件,建立实体模型,求解出系统阻力和系统流量;
    三:简化的计算方法,但这种方法各个研究机构都给出很多经验公式和拟合曲线,因其涉及理论性太强,以后单独列题讨论,有兴趣的可以先参考:“Thermal Design of Electronic Equipment”  Ed.Ralph Remsburg Boca Raton:CRC Press LLC,2001

                          

风洞测试Cooler阻抗曲线


CFD软件分析系统阻抗

 

选取合适的风扇:


    在我们了解了风扇概况,风扇PQ曲线以及系统阻抗后,就要开始选择合适的风扇了。针对非热能专业的电子散热工程师,这里介绍个最为简单的计算方法,以供参考。
由于系统中有很多发热元器件,要使各个元器件的温升满足一定的要求,就必须选用一定规格(主要是风量风压曲线)的风扇。对于所需要的风量确定如下:
          Q =  m ּCp ּ∆T
          ∆T = Tout -Tin
其中∆T为系统温升,由于各种元器件的允许温升各异,需依据长期设计经验选取合适的值。
    Cp为比热容,随着温度变化而微弱变化,在25℃~75℃范围时取1.005KJ/(kgּ℃)。
    Q 为系统散热量,Q = Wּη。
所以所需的风扇质量流量为:
              m = Q /(ּCp ּ∆T)
其对应的风扇体积流量为:
              V = Q /(ּCp ּ∆T ּρ)
式中的空气密度ρ取1.03 (kg/m3)
    由上式得到我们所需要的风扇流量,就可以依据这个数据进行粗步筛选了,唯一需要注意的,这个流量只是风扇和系统阻抗的交点,俗称工作点,而调整这个工作点需要依靠很多经验,欢迎有兴趣者邮件探讨:Tech@youboer.com


 
某case中,不同风扇,不同系统布局系统流量研究

结束语
    风扇的选取要考虑很多的因素,这里只是略点其一,除此之外,例如尺寸,轴承,噪音,成本,寿命,甚至其W/$(经济性)……都会影响到我们选取的结果.其中各关键要点见后期逐步补充.

由优博尔技术中心编辑,若有问题请联系: Tech@youboer.com

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