空氣彈簧帶風(fēng)扇的熱管理技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的興起，今天的設(shè)計(jì)每平方英寸包含更多的傳感器、晶體管和處理器，從而導(dǎo)致更高的應(yīng)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(shè)計(jì)的限制因素不是單個(gè)組件的容量，而更有可能是由于過熱導(dǎo)致的組件限制。重要的是要了解電子元件，尤其是半導(dǎo)體，設(shè)計(jì)為在特定溫度范圍內(nèi)工作，超出該溫度范圍無法保證其性能。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（包括無源器件）產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致工作溫度升高，從而可能導(dǎo)致設(shè)備故障。

熱管理技術(shù)

為了確保任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和正確運(yùn)行，必須采用適當(dāng)?shù)臒峁芾砑夹g(shù)。散熱的基本過程是傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射：

通常，對(duì)流冷卻與傳導(dǎo)結(jié)合使用，以進(jìn)一步消散已經(jīng)擴(kuò)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(dǎo)和對(duì)流的結(jié)合在空氣暢通無阻的情況下效果很好，但是當(dāng)電子設(shè)備放在外殼中時(shí)，這又是一個(gè)問題！

因此cfm空氣彈簧，除非機(jī)柜通風(fēng)良好，自然對(duì)流空氣冷卻將不足以應(yīng)對(duì)非常低的散熱水平。這將引導(dǎo)我們分析適當(dāng)?shù)膹?qiáng)制空氣解決方案來冷卻應(yīng)用程序，包括實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)所需的風(fēng)扇的類型、尺寸和性能。

了解風(fēng)扇

根據(jù)吸入和排出空氣的方式分類，最常見的兩種風(fēng)扇類型是軸流式和離心式。軸流風(fēng)機(jī)從一側(cè)吸入空氣，在同一平面的另一側(cè)排出空氣。在離心風(fēng)機(jī)中，吸入的空氣向不同方向排出。這種風(fēng)扇也稱為鼓風(fēng)機(jī)，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(jī)主要用于低靜壓和較高氣流水平的系統(tǒng)，而離心風(fēng)機(jī)僅在高靜壓系統(tǒng)中產(chǎn)生較低的氣流水平。它們?cè)诋a(chǎn)生的可聽噪聲量方面也有所不同。軸流風(fēng)機(jī)比離心風(fēng)機(jī)更安靜。風(fēng)扇產(chǎn)生的可聽噪音量與其氣流成正比。因此，在要求低噪音的電子設(shè)備中，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)外殼，以盡量減少冷卻量。

除了聽覺噪聲外，這兩種風(fēng)扇中的直流電機(jī)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(yùn)行，但可以使用鐵氧體磁珠、屏蔽或過濾來有效抑制它。

    表1 兩種風(fēng)機(jī)類型的特點(diǎn)

 

風(fēng)扇的工作原理是利用在軸承上旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來排出空氣。軸承的可靠運(yùn)行是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)每分鐘可以旋轉(zhuǎn)數(shù)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)過程使軸承承受著巨大的壓力，因此它必須能夠勝任這項(xiàng)任務(wù)。

有兩種廣泛使用的軸承設(shè)計(jì)，套筒軸承和球軸承，每種設(shè)計(jì)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(jiān)固耐用且設(shè)計(jì)簡單，因此在許多應(yīng)用中得到了廣泛使用。堅(jiān)固的設(shè)計(jì)確保它們可以在許多惡劣的環(huán)境中工作，它們的簡單性意味著它們不太容易出現(xiàn)故障。套筒軸承風(fēng)扇設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是它們?cè)谶\(yùn)行過程中往往會(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(qū)域。

套筒軸承風(fēng)機(jī)的中心軸采用套筒結(jié)構(gòu)，采用油潤滑，轉(zhuǎn)動(dòng)方便。套筒保護(hù)軸并確保轉(zhuǎn)子保持在正確的位置，從而保持轉(zhuǎn)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獲得軸和軸套之間正確的間隙尺寸。空間太小會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)子可能會(huì)擺動(dòng)。套筒結(jié)構(gòu)的第二個(gè)缺點(diǎn)是套筒是將轉(zhuǎn)子固定到位的唯一物理介質(zhì)。隨著時(shí)間的推移，軸會(huì)腐蝕軸承孔。如果轉(zhuǎn)子始終同向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，最終會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)橢圓孔，從而產(chǎn)生運(yùn)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(yán)重。此外，套筒式結(jié)構(gòu)需要油環(huán)和聚酯薄膜墊片，以防止?jié)櫥瑒┬孤瑥亩鴮?duì)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(yùn)動(dòng)并縮短其壽命。

套筒軸承風(fēng)扇可以在許多設(shè)計(jì)中找到，尤其是那些在室溫下和靜態(tài)設(shè)備上運(yùn)行的設(shè)計(jì)。套筒軸承風(fēng)扇設(shè)計(jì)廣泛用于計(jì)算機(jī)和辦公設(shè)備、暖通空調(diào)設(shè)備和工業(yè)機(jī)柜等應(yīng)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)。一般來說，它們不易磨損，可以在任何方向和更高的溫度下運(yùn)行。然而，滾珠軸承風(fēng)扇比套筒軸承設(shè)計(jì)更復(fù)雜、更昂貴且更不堅(jiān)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?cè)谑褂脮r(shí)也往往會(huì)產(chǎn)生更多的噪音，這限制了它們的部署區(qū)域。

滾珠軸承風(fēng)扇設(shè)計(jì)在軸周圍使用一圈滾珠，解決了不均勻磨損和轉(zhuǎn)子擺動(dòng)的問題。大多數(shù)風(fēng)扇電機(jī)設(shè)計(jì)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。與套筒設(shè)計(jì)相比，軸承提供更低的摩擦力，彈簧可以幫助解決因轉(zhuǎn)子重量引起的風(fēng)扇傾斜。如果彈簧完全圍繞軸放置，設(shè)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(shè)計(jì)。

滾珠軸承風(fēng)扇也可以在高密度計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)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(yīng)用以冷卻電子系統(tǒng)或用作工業(yè)干燥應(yīng)用的鼓風(fēng)機(jī)。

選擇風(fēng)扇

首先，重要的是要了解產(chǎn)生熱量的位置和數(shù)量。使用分布在外殼和PCB上的溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱量分布。還需要確定系統(tǒng)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將系統(tǒng)放置在氣室中來測(cè)量。如下圖所示，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 建模也可以提供準(zhǔn)確的輪廓。

計(jì)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)簡單的方程來確定滿足系統(tǒng)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(shù)，則方程簡化為：

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(jì)算出所需的風(fēng)量值后，很容易將其與風(fēng)機(jī)規(guī)格相匹配，廠家通常以風(fēng)量與靜壓關(guān)系圖的形式提供。

CFM-120風(fēng)機(jī)性能曲線

但是，靜壓，即沒有氣流的殼體內(nèi)的大氣壓力，沒有考慮前面提到的氣流阻力（或背壓）。為了解決這個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的問題，可以測(cè)量（或通過模擬獲得）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(dāng)無法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，您可以過度指定風(fēng)扇以名義上高于 50% 的速度運(yùn)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(tǒng)阻抗來確定風(fēng)扇工作點(diǎn)

當(dāng)然，如果在設(shè)計(jì)之初就考慮到散熱要求，可以采取預(yù)防措施，通過將空氣引導(dǎo)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降低系統(tǒng)阻抗和優(yōu)化氣流。進(jìn)一步的風(fēng)機(jī)選擇考慮與風(fēng)機(jī)類型有關(guān)：對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)，空氣以同一方向進(jìn)出風(fēng)機(jī)，這是低靜壓系統(tǒng)中高氣流的理想選擇；向不同方向排出空氣的風(fēng)機(jī)具有壓縮空氣的作用，使得這種離心風(fēng)機(jī)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(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)軸承的類型也是一個(gè)重點(diǎn)考慮的因素。套筒軸承或滾珠軸承是兩種最常見的技術(shù)。套筒軸承抗沖擊能力強(qiáng)，由于設(shè)計(jì)簡單，是兩種選擇中性價(jià)比較高的一種，但缺點(diǎn)是軸承磨損引起的旋轉(zhuǎn)摩擦、擺動(dòng)和傾斜問題增加，并且預(yù)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(xiàn)的許多擺動(dòng)、傾斜和摩擦問題。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(shè)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(fù)雜且更昂貴。

考慮風(fēng)扇的附加控制功能

機(jī)架式機(jī)柜通常使用軸流風(fēng)扇，因?yàn)樗鼈兙哂畜w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(jì)算冷卻封閉機(jī)柜系統(tǒng)所需的最小空氣流量。必須確保風(fēng)扇規(guī)格能夠在最壞的情況下（即系統(tǒng)在最苛刻的環(huán)境中繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)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，那么基于這種假設(shè)持續(xù)運(yùn)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(jiān)控機(jī)箱內(nèi)的溫度，需要的時(shí)候才開風(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)引入熱滯后問題（溫度過低和過高）。此外，存在風(fēng)扇因障礙物無法啟動(dòng)而發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)這種風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)代直流軸流風(fēng)機(jī)都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能，稱為“自動(dòng)重啟”。如果風(fēng)扇電機(jī)被阻止旋轉(zhuǎn)cfm空氣彈簧，此功能會(huì)自動(dòng)切斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流，以防止燒毀。

旋轉(zhuǎn)檢測(cè)作為鎖定傳感器，是某些風(fēng)扇的附加控制功能。正常運(yùn)行時(shí)，傳感器輸出信號(hào)設(shè)置為高電平，但如果風(fēng)扇電機(jī)停止，則信號(hào)輸出為低電平。對(duì)于需要更復(fù)雜控制級(jí)別的風(fēng)扇，可以使用脈寬調(diào)制 (PWM) 方案。轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量的 PWM 輸入信號(hào)的占空比（開/關(guān)比）決定了風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。PWM 和轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)（圖 7））作為輸入提供給微控制器。通過算法不斷調(diào)整風(fēng)扇的運(yùn)行，以響應(yīng)系統(tǒng)條件的變化，進(jìn)一步提高運(yùn)行效率。

使用轉(zhuǎn)速計(jì)檢測(cè)轉(zhuǎn)速

其他注意事項(xiàng)

選擇過程并不止于此。設(shè)計(jì)人員還需要考慮電氣和可聽噪聲等問題，以及他們可能希望如何控制風(fēng)扇?？陕犚姷脑胍羧Q于幾個(gè)因素，通常由所需的氣流決定。離心式或鼓風(fēng)機(jī)型風(fēng)扇通常比軸流風(fēng)扇噪音更大，并且以較低速度運(yùn)行的較大軸流風(fēng)扇將比必須運(yùn)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(jī)產(chǎn)生，但對(duì)于直流風(fēng)扇，這通常僅限于電源線中的傳導(dǎo) EMIcfm空氣彈簧，通常可以通過鐵氧體磁珠或屏蔽來抑制。

隨著密度的不斷增加，系統(tǒng)的熱管理可能成為首要關(guān)注的問題。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒岱治龊瓦x擇合適的冷卻方法對(duì)于防止關(guān)鍵部件在運(yùn)行過程中過熱和故障至關(guān)重要。在許多應(yīng)用中，使用直流風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)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)扇性能如何滿足系統(tǒng)需求非常重要。