电脑散热风扇基础知识:气流、静压和阻抗

作者:兰洋科技    浏览量:5670    时间:2023年03月24日    标签: 电脑散热 笔记本散热 散热风扇

你知道如何使用这个图表吗?

类似于电机的速度-扭矩曲线,此图是制造商展示其风扇性能的方式,以及气流和静压规格的来源。

对于一些客户来说,这可能看起来完全陌生。我在过去担任技术支持工程师时接触过的许多客户都是根据尺寸和气流来选择风扇的。然而,需要更深入的了解才能确定风扇在现实生活场景中的实际性能。

在这篇文章中,我将讨论气流与静压的定义、它们之间的关系以及阻抗的重要性。

气流与静压

“最大风量”和“最大静压”

在上述风扇规格表中,“最大风量”和“最大静压”列为规格。

空气流量是风扇产生的空气体积,按时间测量。在这种情况下,风扇的空气流量以公制单位的立方米每分钟 (m³/min) 或英制单位的立方英尺每分钟 (CFM) 来衡量。简而言之,如果您有一个 5 英尺 x 5 英尺 x 5 英尺的机柜和一个产生 5 CFM 的风扇,则风扇可能需要 25 分钟才能使机柜中的热空气通风。(实际上,这并不容易。)

静压是外壳中风扇可以产生的气压量。在这种情况下,静压以帕斯卡 (Pa) 或英寸水柱(以H 2 O 为单位)测量。帕斯卡 (Pa) 是用于量化内部压力、压力等的压力的 SI 派生单位。该单位以 Blaise Pascal 命名,定义为每平方米一牛顿。英寸水柱 (inH 2 O) 定义为在规定条件下 1 英寸高的水柱所施加的压力。在 4 °C (39.2 °F) 的温度下,纯水的密度最高 (1000 kg/m³)。在该温度和标准重力加速度下,1 inH 2 O 约为 249.082 帕斯卡。

重要的是要知道,即使指定了气流和静压的最大值,风扇也不会同时输出两个最大值。

风量与风扇静压的关系如上图所示。 如您所见,气流和静压呈负相关。当气流增加时,静压降低;当静压增加时,气流减少。这 3 个点描述了风扇可能执行的场景。

要形象化这 3 个场景,您可能需要想象电子设备外壳被风扇通风。 请参阅上图的 3 个指定点 1)、2) 和 3)。

在示例 1) 中,我们有一个一端完全开放的外壳。没有任何东西阻碍风扇的气流,所有气流都从另一端排出。此示例创建了一个场景,其中将出现最大气流,并且我们的静压为零。

在示例 2) 中,我们有一个封闭的外壳,除了另一端有一个小排气孔或空气出口。排气孔的尺寸小于进气孔,阻碍了空气流动。外壳内不断积聚的空气无法逸出会增加内部的静压。这会产生一种情况,即气流受到增加的静压的限制。气流将小于其最大值。

在示例 3) 中,外壳是完全关闭的。在这种情况下,流入外壳的气流会导致静压升高,因为空气无处可逃。一旦超过静压规格,即使风扇继续运转,高静压也不会再让空气进入,即达到最大静压,风量降为零。

在现实生活中,示例 1) 和 3) 是不现实的。在为电子设备外壳通风的实际示例中,大多数风扇的性能接近示例 2)。然而,为了生成图表,使用了类似的方法(也称为双腔法)。

安装密度

好的,现在我们通过使用电子设备外壳为例了解气流和静压,让我们让它更真实。电子设备外壳包含关键电气设备,例如 PLC、电源和用于自动化机器内运动控制的驱动程序。由于它是一个带有发热元件的外壳,因此需要一个风扇来降低温度并保持电子设备运行。外壳内的组件数量决定了“安装密度”。

组件越少(安装密度低),空气通过的空间就越大。这种情况有点接近上面的示例 1),其中风扇会产生高气流。

组件越多(安装密度高),气流路径中的障碍物就越多。此场景类似于上面的示例 2),这是最常见的。在这种情况下,高静压会使气流降低到其最大值以下。

阻抗的重要性

如何确定实际气流和静压要求?答案是阻抗。 阻抗被定义为对气流的阻力,它可以是电子元件、墙壁或任何阻碍气流路径的东西。实际气流和静压由阻抗决定。

让我们看看这是如何完成的。对于大多数强制风冷应用,阻抗是通过“平方定律”计算的,这意味着静压随 CFM 变化的平方函数变化。

P = K r Q n

在哪里:

  • P = 静压
    K = 负载系数(这里有一些参考信息)
    r = 流体密度
    Q = 流量
    n = 常数;令n=2;近似湍流系统。

在下图中,我们显示了 3 条黄线来描绘 3 个不同级别的阻抗(A、B 和 C)。

绿线表示气流和静压。A 点表示高阻抗,而 C 点表示低阻抗。实际受阻气流和静压在阻抗曲线(黄色)与性能曲线(绿色)相交处确定。

有时,可能难以确定系统阻抗。在这种情况下,可以安全地假设实际空气流量约为风扇最大空气流量的一半,因此选择能够产生双倍所需空气流量的风扇。

对于成功的外壳通风设计,除了风扇选择外,还应考虑其他因素,例如进气/排气孔尺寸、孔位置和组件放置。在下面的视频中,我们使用烟雾来演示气流如何受到不同外壳设计的影响,例如不同的进气孔直径和隔板的使用。

使用过滤器、屏幕或护手板等附件可以提高风扇在多尘或潮湿环境中的可靠性和使用寿命,但它们也会影响气流和静压特性。



上图显示了框架尺寸为 119 毫米(4.69 英寸)风扇的风扇附件引起的压力损失数据。过滤器造成的压力损失最大,而护手板造成的压力损失很小。

上图以 MU1225S-21 风扇为例,显示了特性如何随着附件的安装而变化。更大的压力损失导致气流和静压特性的更大降低

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