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    • 热设计的基础知识与规范二

      第四章  强迫对流换热-风扇冷却

        当散热面热流密度超过0.08W/cm ,就必须采用强迫风冷的方式散热。强迫风冷在
      我公司产品中应用最多。有时尽管不用风扇可以散热,但散热器和机箱体积会很大,
      采用风扇冷却可以将体积减小许多。
      4.1 风道的设计
        强迫风冷中风道的设计非常重要。以下是设计的一些基本原则: 尽量采用直通风道,避免气流的转弯。在气流急剧转弯的地方,应采用导风板使气
      流逐渐转向,使压力损失达到最小。 尽量避免骤然扩展和骤然收缩。 进出风口尽量远离,防止气流短路。 在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔,防止气流短路。 为避免上游插框的热量带入下游插框,影响其散热,可以采用独立风道,分开散
      热。 风道设计应保证插框单板或模块散热均匀,避免在回流区和低速区产生热点。 对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量, 避免风道阻力不合理布局 要避免风道的高低压区的短路
        
      4.2 抽风与吹风的区别
      4.2.1 吹风的优缺点
      a. 风扇出口附近气流主要为紊流流动,局部换热强烈,宜用于发热器件比较集中的情
      况,此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件。
      b. 吹风时将在机柜内形成正压,可以防止缝隙中的灰尘进入机柜/箱。
      c. 风扇将不会受到系统散热量的影响,工作在在较低的空气温度下,风扇寿命较长。
      d. 由于吹风有一定方向性,对整个插框横截面上的送风量会不均匀。
      e. 在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区,换热较差,最好将风
      扇与插框保持50mm以上的间距,使送风均匀化。
      4.2.2 抽风的特点
      a. 送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂的情况。
      b. 进入风扇的流动主要为层流状态。
      c. 风扇将在出风口高温气流下工作,寿命会受影响。
      d. 机柜内形成负压,缝隙中的灰尘将进入机柜/箱。
      4.3 风扇选型设计
      4.3.1 风扇的种类
        通信产品中运用的风扇有轴流(Axial)、离心(Radial)、混流(Mixed-flow)
      三种,它们的典型特性曲线见图4-1
      热设计的基础知识与规范二

      热设计的基础知识与规范二#p#分页标题#e#热设计的基础知识与规范二
      图 4-1
      3 3
      图中横坐标表示风量,单位有m /h、m /min、CFM(立方英尺/分钟,
      -4 3
      1CFM=4.72X10 m /s)。纵坐标表示风扇产生的静压,单位有Pa、in. of
      water(=249Pa)、mm H2o(=9.8Pa)。由图中可以看出,要使风扇的风量越大,其产生的
      静压就越小,用于克服风道阻力的能力就越小。
        从图中的对比可以看出,轴流风扇风量大、风压低,曲线中间的平坦转折区为轴
      流风扇特有的不稳定工作区,一般要避免风扇工作在该区域。最佳工作区在低风压、
      大流量的位置(曲线的后1/3段)。如果系统的阻力比较大,也可以利用高风压、低流
      量的工作区(曲线的前1/3段),但要注意风量是否达到设计值。离心风扇的进、出风
      方向垂直,其特点为风压大、风量低,最好工作在曲线中压力较高的区域。混流风扇
      的特点介于轴流和离心之间,出风方向与进风有一倾斜角度,则风量可以立即扩散到
         

      插框的各个角落,而且风压与风量都比较大,但风扇HUB直径较大,正对HUB的部分
      风速很低,回流比较严重。
        目前公司除极个别产品采用混流风扇外,一般都采用轴流风扇。我公司采用的风
      扇产品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON,其中PAPST的风扇虽然性能好,但
      在商务采购上评级为D,不推荐采用。NMB用得较多,DELTA样品供货较快。
      4.3.2 风扇与系统的匹配
        空气流过风道将产生压力损失。系统的压力损失有沿程阻力损失和局部阻力损
      失。沿程损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与壁面或单板的摩擦所引起的。局
      部阻力损失是气流方向发生变化或风道截面发生突变所引起的损失。不管哪种损失,
      均和当地风速的平方成正比,如局部压力损失由下式计算
                                                                        (4-1)
      式中 为阻力系数, 为空气密度,v为风速。以下是一些典型的局部阻力系数
      表4-1 典型局部阻力系数
      说明
      空气由环境大空间进入进风口(流动突缩) 1
      空气由出风口进入环境大空间(流动突扩) 1
      空气经过90°转弯 1.5
      流通面积率为0.3的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2) 18
      流通面积率为0.5的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2) 4
      流通面积率为0.7的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2) 1
        系统的压力损失与风量呈抛物线关系,风扇产生的静压必须克服阻力损失,将风
      扇的特性曲线与系统的特性曲线画在同一张图中,两条曲线的交点即为风扇与系统的
      工作点,如图4-2所示热设计的基础知识与规范二
      热设计的基础知识与规范二

      图中表明风扇在该系统中工作时的风量为35m /s,产生的静压为30Pa,系统的压力损
      失为30Pa。如果工作点显示的风量不满足设计要求,则需要选择其他型号的风扇来匹
      配,或设法降低系统阻力,增加风量。
      4.3.3 风扇的串并联
        在机柜/箱中一般为保证送风均匀和足够的风量,采用风扇并联使用的方式。风扇
      并联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的横向叠加,如图4-3所示,实际上一般会比理
      想曲线略低。由图中可以看出,两个风扇并联使用产生的风量并不是仅采用一个风扇
      时产生风量的两倍,可能只增加30%,这和系统阻力特性曲线在工作点附近的斜率大
      小有关。如果系统阻力较大,阻力特性曲线较陡,当风扇并联的数目多到一定程度
      时,并不能明显增加风量。一般建议横向上并联风扇数目不要超过3个,如果插框较
      宽,可以用4个,纵向上除非插框很深,一般只用一排。
        当机柜/箱的阻力较大时,可以采用风扇串联使用的方式。风扇串联时的特性曲线
      理论上为各风扇曲线的纵向叠加,如图4-4所示,实际曲线一般会比理论曲线略低
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      图4-4 风扇的串联特性曲线
      4.3.4 在实际安装情况下风扇特性曲线的改变
        风扇安装在系统中,由于结构限制,进风口和出风口常常会受到各种阻挡,其性
      能曲线会发生变化,如图4-5所示。由图中可以看出,风扇的进出风口最好与阻挡物有
      40mm的距离,如果有空间限制,也应至少有20mm。
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      图4-5 风扇特性曲线随阻挡物的距离发生的变化
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      4.3.5 风扇的噪音问题
        风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系,如图4-6所示,对于轴流风扇
      在大风量,低风压的区域噪音最小,对于离心风机在高风压,低风量的区域噪音最
      小,这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。

        风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍,所以一
      般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离,以免产生额外的噪音。
        对于风扇冷却的机柜,在标准机房内噪音不得超过55dB,在普通民房内不得超过65dB。
        对于不得不采用大风量,高风压风扇从而产生较大噪音的情况,可以在机柜的进
      风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材
      料,吸音效果较好的材料主要是多孔介质,如玻璃棉,厚度越厚越好。
        将风扇框置于插框之间比置于机柜的顶部或底部时噪音将略低,即插满单板或模
      块的插框有部分消音作用。
        有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机,在保证设计风量的条件下,
      可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速,从而降低风扇的噪音。当风机
      的转速n变化不超过±10%时,相应的噪音降低变化为
      式中n2为原转速,n1为调低后的转速。
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      图4-6 风扇噪音随风量的变化
      4.4 机柜/箱强迫风冷设计
        对系统进行初步的热分析,先根据结构情况依据4.1的原则进行风道设计。然后估
      算机箱冷却所需的空气流量和相应的压降,据此进行风扇的选型和确定风扇的个数。
      根据风扇的位置和风道情况,将发热元件和热敏元件尽可能地布置在合适的位置,保
      证这些位置的风速较高,避开回流区和低速区。然后对具体热流密度比较高的器件进

      行温升校核计算(见第五章),必要的话进行散热器设计(见第5章)。机柜/箱级计算的步骤如下:
      第一步:确定风道形式和风道尺寸,了解系统总热耗Q和各单板热耗Qi,环境温度Ta。
      第二步:估计机柜/箱空气进出口温差。经验表明机柜直通风道
      的一般在8℃~15℃,台式机箱或插框单独风道的一般在5℃~10℃。然后由下式
      计算冷却空气的体积流量,即风量(m3/s)(4-2)
      为空气的定压比热,常温下为1005W/kg℃。为空气密度,常温下为1.16kg/m3。
      Q为系统总热耗(W)。
        粗略估算时由上式即可获得所需风量。除以风道流通截面积即可获得平均风速。
      对于机柜插框单板间的风速,经验表明,一般在1m/s~2m/s之间。如果功耗较小,有时
      仅需0.5m/s,如果功耗很大时,有时需要2~3m/s。
      第三步:根据风道结构与单板阻力情况和空气流速,估算空气总压降。空气局部压降
      的计算公式为(4-3)
      为速度头,空气速度v由流量和风道横截面积计算, 为局部压力损失系数,由实
      验确定或凭经验估计。
      第四步:根据估算获得的单板风速和空气温升进行主要大功率元器件与热敏元件的温
      升校核计算,具体见第五章。如果部分元器件无法满足散热要求,则需要提高风速,
      增加风量,或进行电气或结构方面的方案改进,或增加散热器,直到所以元器件的温
      升均满足要求为止。

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