空氣彈簧帶風(fēng)扇的熱管理技術(shù)

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和云計算的興起，今天的設計每平方英寸包含更多的傳感器、晶體管和處理器，從而導致更高的應用密度和功能。然而，這些更高的密度會(huì )引入不需要的副產(chǎn)品，即額外的熱量。通常情況下，這種設計的限制因素不是單個(gè)組件的容量，而更有可能是由于過(guò)熱導致的組件限制。重要的是要了解電子元件，尤其是半導體，設計為在特定溫度范圍內工作，超出該溫度范圍無(wú)法保證其性能。眾所周知cfm空氣彈簧 帶風(fēng)扇的熱管理-需要考慮的事情比你想象的，元件本身（包括無(wú)源器件）產(chǎn)生的熱量會(huì )導致工作溫度升高，從而可能導致設備故障。

熱管理技術(shù)

為了確保任何系統設計的可靠性和正確運行，必須采用適當的熱管理技術(shù)。散熱的基本過(guò)程是傳導、對流和輻射：

通常，對流冷卻與傳導結合使用，以進(jìn)一步消散已經(jīng)擴散到 PCB 中的熱量cfm空氣彈簧 帶風(fēng)扇的熱管理-需要考慮的事情比你想象的，或者使用散熱器從集成電路等組件中提取熱量。這種傳導和對流的結合在空氣暢通無(wú)阻的情況下效果很好，但是當電子設備放在外殼中時(shí)，這又是一個(gè)問(wèn)題！

因此cfm空氣彈簧，除非機柜通風(fēng)良好，自然對流空氣冷卻將不足以應對非常低的散熱水平。這將引導我們分析適當的強制空氣解決方案來(lái)冷卻應用程序，包括實(shí)現此目標所需的風(fēng)扇的類(lèi)型、尺寸和性能。

了解風(fēng)扇

根據吸入和排出空氣的方式分類(lèi)，最常見(jiàn)的兩種風(fēng)扇類(lèi)型是軸流式和離心式。軸流風(fēng)機從一側吸入空氣，在同一平面的另一側排出空氣。在離心風(fēng)機中，吸入的空氣向不同方向排出。這種風(fēng)扇也稱(chēng)為鼓風(fēng)機，用于壓縮空氣，并在與吸入角成直角的方向上排出空氣。

軸流風(fēng)機主要用于低靜壓和較高氣流水平的系統，而離心風(fēng)機僅在高靜壓系統中產(chǎn)生較低的氣流水平。它們在產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲量方面也有所不同。軸流風(fēng)機比離心風(fēng)機更安靜。風(fēng)扇產(chǎn)生的可聽(tīng)噪音量與其氣流成正比。因此，在要求低噪音的電子設備中，必須仔細設計外殼，以盡量減少冷卻量。

除了聽(tīng)覺(jué)噪聲外，這兩種風(fēng)扇中的直流電機還會(huì )產(chǎn)生電噪聲。這種不必要的電磁干擾（EMI）會(huì )影響敏感電子元件的運行，但可以使用鐵氧體磁珠、屏蔽或過(guò)濾來(lái)有效抑制它。

    表1 兩種風(fēng)機類(lèi)型的特點(diǎn)

 

風(fēng)扇的工作原理是利用在軸承上旋轉的轉子來(lái)排出空氣。軸承的可靠運行是風(fēng)機設計的關(guān)鍵，因為風(fēng)機每分鐘可以旋轉數千次cfm空氣彈簧 帶風(fēng)扇的熱管理-需要考慮的事情比你想象的，需要有多年的使用壽命。這個(gè)過(guò)程使軸承承受著(zhù)巨大的壓力，因此它必須能夠勝任這項任務(wù)。

有兩種廣泛使用的軸承設計，套筒軸承和球軸承，每種設計都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

套筒軸承風(fēng)扇（Fans）

套筒軸承風(fēng)扇價(jià)格低廉、堅固耐用且設計簡(jiǎn)單，因此在許多應用中得到了廣泛使用。堅固的設計確保它們可以在許多惡劣的環(huán)境中工作，它們的簡(jiǎn)單性意味著(zhù)它們不太容易出現故障。套筒軸承風(fēng)扇設計的另一個(gè)好處是它們在運行過(guò)程中往往會(huì )產(chǎn)生較少的噪音，這使得它們可以廣泛用于辦公室等安靜的區域。

套筒軸承風(fēng)機的中心軸采用套筒結構，采用油潤滑，轉動(dòng)方便。套筒保護軸并確保轉子保持在正確的位置，從而保持轉子和定子之間的間隙。

滑動(dòng)軸承示意圖

可以采取平衡措施來(lái)獲得軸和軸套之間正確的間隙尺寸?？臻g太小會(huì )導致摩擦增加，從而使風(fēng)扇更難啟動(dòng)并消耗更多功率。如果間隙太大，轉子可能會(huì )擺動(dòng)。套筒結構的第二個(gè)缺點(diǎn)是套筒是將轉子固定到位的唯一物理介質(zhì)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，軸會(huì )腐蝕軸承孔。如果轉子始終同向旋轉，這種現象會(huì )更加嚴重，最終會(huì )導致出現橢圓孔，從而產(chǎn)生運行噪音，縮短使用壽命。如果風(fēng)扇移動(dòng)或重新定位，軸承會(huì )在不同的地方被腐蝕，變得不均勻，使振動(dòng)和噪音更加嚴重。此外，套筒式結構需要油環(huán)和聚酯薄膜墊片，以防止潤滑劑泄漏，從而對軸產(chǎn)生更大的摩擦并防止氣體逸出。被困的氣體會(huì )凝固成氮化物顆粒，從而阻礙風(fēng)扇的運動(dòng)并縮短其壽命。

套筒軸承風(fēng)扇可以在許多設計中找到，尤其是那些在室溫下和靜態(tài)設備上運行的設計。套筒軸承風(fēng)扇設計廣泛用于計算機和辦公設備、暖通空調設備和工業(yè)機柜等應用。

滾珠軸承風(fēng)扇（Ball Fans）

滾珠軸承風(fēng)扇旨在解決套筒軸承風(fēng)扇的一些缺點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，它們不易磨損，可以在任何方向和更高的溫度下運行。然而，滾珠軸承風(fēng)扇比套筒軸承設計更復雜、更昂貴且更不堅固。因此，沖擊將極大地影響滾珠軸承風(fēng)扇的整體性能。它們在使用時(shí)也往往會(huì )產(chǎn)生更多的噪音，這限制了它們的部署區域。

滾珠軸承風(fēng)扇設計在軸周?chē)褂靡蝗L珠，解決了不均勻磨損和轉子擺動(dòng)的問(wèn)題。大多數風(fēng)扇電機設計有兩個(gè)軸承，一個(gè)在另一個(gè)之前，并且這些軸承通常由彈簧隔開(kāi)。與套筒設計相比，軸承提供更低的摩擦力，彈簧可以幫助解決因轉子重量引起的風(fēng)扇傾斜。如果彈簧完全圍繞軸放置，設備可以在任何角度操作而不會(huì )磨損或摩擦，從而提供更可靠的設計。

滾珠軸承風(fēng)扇也可以在高密度計算機應用程序和數據中心中找到，其中性能、溫度和 MTBF 是比噪聲更重要的因素。它們還廣泛用于工業(yè)應用以冷卻電子系統或用作工業(yè)干燥應用的鼓風(fēng)機。

選擇風(fēng)扇

首先，重要的是要了解產(chǎn)生熱量的位置和數量。使用分布在外殼和PCB上的溫度傳感器可以實(shí)現系統的熱量分布。還需要確定系統的氣流阻力，即從入口到出口的壓降。這可以使用壓力傳感器或通過(guò)將系統放置在氣室中來(lái)測量。如下圖所示，使用計算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 建模也可以提供準確的輪廓。

計算流體動(dòng)力學(xué)分析 (CFD) 示例

一旦知道最大允許溫升 (ΔT) 和要散發(fā)的熱量 (q)，就可以求解一個(gè)簡(jiǎn)單的方程來(lái)確定滿(mǎn)足系統冷卻要求所需的空氣流量 (Q)。

Q = [q/(ρx Cpx ΔT)] x 60

如果我們將空氣的比熱 (C p) 和密度 (ρ) 替換為定義溫度（例如 26°C）下的常數，則方程簡(jiǎn)化為：

Q = 0.05 xq/ΔT

Q 立方米/分鐘 (CMM)

或：Q = 1.76 xq/ΔT

Q 立方英尺每分鐘 (CFM)

計算出所需的風(fēng)量值后，很容易將其與風(fēng)機規格相匹配，廠(chǎng)家通常以風(fēng)量與靜壓關(guān)系圖的形式提供。

CFM-120風(fēng)機性能曲線(xiàn)

但是，靜壓，即沒(méi)有氣流的殼體內的大氣壓力，沒(méi)有考慮前面提到的氣流阻力（或背壓）。為了解決這個(gè)現實(shí)世界的問(wèn)題，可以測量（或通過(guò)模擬獲得）不同氣流速率的背壓并繪制在圖表上，以便交點(diǎn)提供所需的工作點(diǎn)，

或者，當無(wú)法進(jìn)行測量時(shí)，您可以過(guò)度指定風(fēng)扇以名義上高于 50% 的速度運行所需的靜壓氣流，但最大容量是所需性能的兩倍，以允許存在誤差。

使用系統阻抗來(lái)確定風(fēng)扇工作點(diǎn)

當然，如果在設計之初就考慮到散熱要求，可以采取預防措施，通過(guò)將空氣引導至關(guān)鍵部件并確保進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口不受笨重部件的阻礙來(lái)降低系統阻抗和優(yōu)化氣流。進(jìn)一步的風(fēng)機選擇考慮與風(fēng)機類(lèi)型有關(guān)：對于軸流風(fēng)機，空氣以同一方向進(jìn)出風(fēng)機，這是低靜壓系統中高氣流的理想選擇；向不同方向排出空氣的風(fēng)機具有壓縮空氣的作用，使得這種離心風(fēng)機更適用于氣流較低但靜壓較高的環(huán)境。

此外，在選擇風(fēng)機時(shí)，風(fēng)機軸承的類(lèi)型也是一個(gè)重點(diǎn)考慮的因素。套筒軸承或滾珠軸承是兩種最常見(jiàn)的技術(shù)。套筒軸承抗沖擊能力強，由于設計簡(jiǎn)單，是兩種選擇中性?xún)r(jià)比較高的一種，但缺點(diǎn)是軸承磨損引起的旋轉摩擦、擺動(dòng)和傾斜問(wèn)題增加，并且預期壽命通常比后者短球軸承。另一方面，球軸承解決了套筒軸承中出現的許多擺動(dòng)、傾斜和摩擦問(wèn)題。與套筒軸承不同，它們也可以在任何角度操作，因此它們非常適用于便攜式設備。然而，球軸承風(fēng)扇比套筒軸承風(fēng)扇抗沖擊性差、噪音更大、更復雜且更昂貴。

考慮風(fēng)扇的附加控制功能

機架式機柜通常使用軸流風(fēng)扇，因為它們具有體積小、功率低、風(fēng)量大的特點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低功耗，許多風(fēng)扇還具有額外的控制功能。我們已經(jīng)展示了如何計算冷卻封閉機柜系統所需的最小空氣流量。必須確保風(fēng)扇規格能夠在最壞的情況下（即系統在最苛刻的環(huán)境中繼續滿(mǎn)負荷運行）提供足夠的冷卻能力。事實(shí)上，這種最壞的情況不太可能經(jīng)常發(fā)生，如果有的話(huà)，那么基于這種假設持續運行的風(fēng)扇是低效且不可靠的。

一個(gè)比較實(shí)用的方法是監控機箱內的溫度，需要的時(shí)候才開(kāi)風(fēng)扇，不需要的時(shí)候關(guān)風(fēng)扇。這會(huì )增加風(fēng)扇的壽命并降低噪音，但可能會(huì )引入熱滯后問(wèn)題（溫度過(guò)低和過(guò)高）。此外，存在風(fēng)扇因障礙物無(wú)法啟動(dòng)而發(fā)生故障的風(fēng)險。為了應對這種風(fēng)險，現代直流軸流風(fēng)機都有一個(gè)標準的保護功能，稱(chēng)為“自動(dòng)重啟”。如果風(fēng)扇電機被阻止旋轉cfm空氣彈簧，此功能會(huì )自動(dòng)切斷驅動(dòng)電機的電流，以防止燒毀。

旋轉檢測作為鎖定傳感器，是某些風(fēng)扇的附加控制功能。正常運行時(shí)，傳感器輸出信號設置為高電平，但如果風(fēng)扇電機停止，則信號輸出為低電平。對于需要更復雜控制級別的風(fēng)扇，可以使用脈寬調制 (PWM) 方案。轉速計測量的 PWM 輸入信號的占空比（開(kāi)/關(guān)比）決定了風(fēng)扇的轉速。PWM 和轉速計信號（圖 7））作為輸入提供給微控制器。通過(guò)算法不斷調整風(fēng)扇的運行，以響應系統條件的變化，進(jìn)一步提高運行效率。

使用轉速計檢測轉速

其他注意事項

選擇過(guò)程并不止于此。設計人員還需要考慮電氣和可聽(tīng)噪聲等問(wèn)題，以及他們可能希望如何控制風(fēng)扇?？陕?tīng)見(jiàn)的噪音取決于幾個(gè)因素，通常由所需的氣流決定。離心式或鼓風(fēng)機型風(fēng)扇通常比軸流風(fēng)扇噪音更大，并且以較低速度運行的較大軸流風(fēng)扇將比必須運行得更快以獲得相同氣流的較小風(fēng)扇更安靜。電磁干擾 (EMI) 由風(fēng)扇的電機產(chǎn)生，但對于直流風(fēng)扇，這通常僅限于電源線(xiàn)中的傳導 EMIcfm空氣彈簧，通?？梢酝ㄟ^(guò)鐵氧體磁珠或屏蔽來(lái)抑制。

隨著(zhù)密度的不斷增加，系統的熱管理可能成為首要關(guān)注的問(wèn)題。對系統進(jìn)行適當的熱分析和選擇合適的冷卻方法對于防止關(guān)鍵部件在運行過(guò)程中過(guò)熱和故障至關(guān)重要。在許多應用中，使用直流風(fēng)扇進(jìn)行強制風(fēng)冷可能是消除多余熱量的有效方法，但由于可用的風(fēng)扇配置和功能如此之多，因此了解風(fēng)扇性能如何滿(mǎn)足系統需求非常重要。