空气弹簧带风扇的热管理技术

空气弹簧带风扇的热管理技术

随着物联网和云计算的兴起，今天的设计每平方英寸包含更多的传感器、晶体管和处理器，从而导致更高的应用密度和功能。然而，这些更高的密度会引入不需要的副产品，即额外的热量。通常情况下，这种设计的限制因素不是单个组件的容量，而更有可能是由于过热导致的组件限制。重要的是要了解电子元件，尤其是半导体，设计为在特定温度范围内工作，超出该温度范围无法保证其性能。众所周知cfm空气弹簧 带风扇的热管理-需要考虑的事情比你想象的，元件本身（包括无源器件）产生的热量会导致工作温度升高，从而可能导致设备故障。

热管理技术

为了确保任何系统设计的可靠性和正确运行，必须采用适当的热管理技术。散热的基本过程是传导、对流和辐射：

通常，对流冷却与传导结合使用，以进一步消散已经扩散到 PCB 中的热量cfm空气弹簧 带风扇的热管理-需要考虑的事情比你想象的，或者使用散热器从集成电路等组件中提取热量。这种传导和对流的结合在空气畅通无阻的情况下效果很好，但是当电子设备放在外壳中时，这又是一个问题！

因此cfm空气弹簧，除非机柜通风良好，自然对流空气冷却将不足以应对非常低的散热水平。这将引导我们分析适当的强制空气解决方案来冷却应用程序，包括实现此目标所需的风扇的类型、尺寸和性能。

了解风扇

根据吸入和排出空气的方式分类，最常见的两种风扇类型是轴流式和离心式。轴流风机从一侧吸入空气，在同一平面的另一侧排出空气。在离心风机中，吸入的空气向不同方向排出。这种风扇也称为鼓风机，用于压缩空气，并在与吸入角成直角的方向上排出空气。

轴流风机主要用于低静压和较高气流水平的系统，而离心风机仅在高静压系统中产生较低的气流水平。它们在产生的可听噪声量方面也有所不同。轴流风机比离心风机更安静。风扇产生的可听噪音量与其气流成正比。因此，在要求低噪音的电子设备中，必须仔细设计外壳，以尽量减少冷却量。

除了听觉噪声外，这两种风扇中的直流电机还会产生电噪声。这种不必要的电磁干扰（EMI）会影响敏感电子元件的运行，但可以使用铁氧体磁珠、屏蔽或过滤来有效抑制它。

    表1 两种风机类型的特点

 

风扇的工作原理是利用在轴承上旋转的转子来排出空气。轴承的可靠运行是风机设计的关键，因为风机每分钟可以旋转数千次cfm空气弹簧 带风扇的热管理-需要考虑的事情比你想象的，需要有多年的使用寿命。这个过程使轴承承受着巨大的压力，因此它必须能够胜任这项任务。

有两种广泛使用的轴承设计，套筒轴承和球轴承，每种设计都有其优点和缺点。

套筒轴承风扇（Fans）

套筒轴承风扇价格低廉、坚固耐用且设计简单，因此在许多应用中得到了广泛使用。坚固的设计确保它们可以在许多恶劣的环境中工作，它们的简单性意味着它们不太容易出现故障。套筒轴承风扇设计的另一个好处是它们在运行过程中往往会产生较少的噪音，这使得它们可以广泛用于办公室等安静的区域。

套筒轴承风机的中心轴采用套筒结构，采用油润滑，转动方便。套筒保护轴并确保转子保持在正确的位置，从而保持转子和定子之间的间隙。

滑动轴承示意图

可以采取平衡措施来获得轴和轴套之间正确的间隙尺寸。空间太小会导致摩擦增加，从而使风扇更难启动并消耗更多功率。如果间隙太大，转子可能会摆动。套筒结构的第二个缺点是套筒是将转子固定到位的唯一物理介质。随着时间的推移，轴会腐蚀轴承孔。如果转子始终同向旋转，这种现象会更加严重，最终会导致出现椭圆孔，从而产生运行噪音，缩短使用寿命。如果风扇移动或重新定位，轴承会在不同的地方被腐蚀，变得不均匀，使振动和噪音更加严重。此外，套筒式结构需要油环和聚酯薄膜垫片，以防止润滑剂泄漏，从而对轴产生更大的摩擦并防止气体逸出。被困的气体会凝固成氮化物颗粒，从而阻碍风扇的运动并缩短其寿命。

套筒轴承风扇可以在许多设计中找到，尤其是那些在室温下和静态设备上运行的设计。套筒轴承风扇设计广泛用于计算机和办公设备、暖通空调设备和工业机柜等应用。

滚珠轴承风扇（Ball Fans）

滚珠轴承风扇旨在解决套筒轴承风扇的一些缺点。一般来说，它们不易磨损，可以在任何方向和更高的温度下运行。然而，滚珠轴承风扇比套筒轴承设计更复杂、更昂贵且更不坚固。因此，冲击将极大地影响滚珠轴承风扇的整体性能。它们在使用时也往往会产生更多的噪音，这限制了它们的部署区域。

滚珠轴承风扇设计在轴周围使用一圈滚珠，解决了不均匀磨损和转子摆动的问题。大多数风扇电机设计有两个轴承，一个在另一个之前，并且这些轴承通常由弹簧隔开。与套筒设计相比，轴承提供更低的摩擦力，弹簧可以帮助解决因转子重量引起的风扇倾斜。如果弹簧完全围绕轴放置，设备可以在任何角度操作而不会磨损或摩擦，从而提供更可靠的设计。

滚珠轴承风扇也可以在高密度计算机应用程序和数据中心中找到，其中性能、温度和 MTBF 是比噪声更重要的因素。它们还广泛用于工业应用以冷却电子系统或用作工业干燥应用的鼓风机。

选择风扇

首先，重要的是要了解产生热量的位置和数量。使用分布在外壳和PCB上的温度传感器可以实现系统的热量分布。还需要确定系统的气流阻力，即从入口到出口的压降。这可以使用压力传感器或通过将系统放置在气室中来测量。如下图所示，使用计算流体动力学 (CFD) 建模也可以提供准确的轮廓。

计算流体动力学分析 (CFD) 示例

一旦知道最大允许温升 (ΔT) 和要散发的热量 (q)，就可以求解一个简单的方程来确定满足系统冷却要求所需的空气流量 (Q)。

Q = [q/(ρx Cpx ΔT)] x 60

如果我们将空气的比热 (C p) 和密度 (ρ) 替换为定义温度（例如 26°C）下的常数，则方程简化为：

Q = 0.05 xq/ΔT

Q 立方米/分钟 (CMM)

或：Q = 1.76 xq/ΔT

Q 立方英尺每分钟 (CFM)

计算出所需的风量值后，很容易将其与风机规格相匹配，厂家通常以风量与静压关系图的形式提供。

CFM-120风机性能曲线

但是，静压，即没有气流的壳体内的大气压力，没有考虑前面提到的气流阻力（或背压）。为了解决这个现实世界的问题，可以测量（或通过模拟获得）不同气流速率的背压并绘制在图表上，以便交点提供所需的工作点，

或者，当无法进行测量时，您可以过度指定风扇以名义上高于 50% 的速度运行所需的静压气流，但最大容量是所需性能的两倍，以允许存在误差。

使用系统阻抗来确定风扇工作点

当然，如果在设计之初就考虑到散热要求，可以采取预防措施，通过将空气引导至关键部件并确保进风口和出风口不受笨重部件的阻碍来降低系统阻抗和优化气流。进一步的风机选择考虑与风机类型有关：对于轴流风机，空气以同一方向进出风机，这是低静压系统中高气流的理想选择；向不同方向排出空气的风机具有压缩空气的作用，使得这种离心风机更适用于气流较低但静压较高的环境。

此外，在选择风机时，风机轴承的类型也是一个重点考虑的因素。套筒轴承或滚珠轴承是两种最常见的技术。套筒轴承抗冲击能力强，由于设计简单，是两种选择中性价比较高的一种，但缺点是轴承磨损引起的旋转摩擦、摆动和倾斜问题增加，并且预期寿命通常比后者短球轴承。另一方面，球轴承解决了套筒轴承中出现的许多摆动、倾斜和摩擦问题。与套筒轴承不同，它们也可以在任何角度操作，因此它们非常适用于便携式设备。然而，球轴承风扇比套筒轴承风扇抗冲击性差、噪音更大、更复杂且更昂贵。

考虑风扇的附加控制功能

机架式机柜通常使用轴流风扇，因为它们具有体积小、功率低、风量大的特点。为了进一步降低功耗，许多风扇还具有额外的控制功能。我们已经展示了如何计算冷却封闭机柜系统所需的最小空气流量。必须确保风扇规格能够在最坏的情况下（即系统在最苛刻的环境中继续满负荷运行）提供足够的冷却能力。事实上，这种最坏的情况不太可能经常发生，如果有的话，那么基于这种假设持续运行的风扇是低效且不可靠的。

一个比较实用的方法是监控机箱内的温度，需要的时候才开风扇，不需要的时候关风扇。这会增加风扇的寿命并降低噪音，但可能会引入热滞后问题（温度过低和过高）。此外，存在风扇因障碍物无法启动而发生故障的风险。为了应对这种风险，现代直流轴流风机都有一个标准的保护功能，称为“自动重启”。如果风扇电机被阻止旋转cfm空气弹簧，此功能会自动切断驱动电机的电流，以防止烧毁。

旋转检测作为锁定传感器，是某些风扇的附加控制功能。正常运行时，传感器输出信号设置为高电平，但如果风扇电机停止，则信号输出为低电平。对于需要更复杂控制级别的风扇，可以使用脉宽调制 (PWM) 方案。转速计测量的 PWM 输入信号的占空比（开/关比）决定了风扇的转速。PWM 和转速计信号（图 7））作为输入提供给微控制器。通过算法不断调整风扇的运行，以响应系统条件的变化，进一步提高运行效率。

使用转速计检测转速

其他注意事项

选择过程并不止于此。设计人员还需要考虑电气和可听噪声等问题，以及他们可能希望如何控制风扇。可听见的噪音取决于几个因素，通常由所需的气流决定。离心式或鼓风机型风扇通常比轴流风扇噪音更大，并且以较低速度运行的较大轴流风扇将比必须运行得更快以获得相同气流的较小风扇更安静。电磁干扰 (EMI) 由风扇的电机产生，但对于直流风扇，这通常仅限于电源线中的传导 EMIcfm空气弹簧，通常可以通过铁氧体磁珠或屏蔽来抑制。

随着密度的不断增加，系统的热管理可能成为首要关注的问题。对系统进行适当的热分析和选择合适的冷却方法对于防止关键部件在运行过程中过热和故障至关重要。在许多应用中，使用直流风扇进行强制风冷可能是消除多余热量的有效方法，但由于可用的风扇配置和功能如此之多，因此了解风扇性能如何满足系统需求非常重要。