本帖最后由 techff 于 2020-9-25 17:10 编辑

优化直流风扇工作的重要参数                         
作者：Bruce Rose，CUI Inc.        

对于任何工程师的热管理解决方案，直流风扇都是主要的组成部分，设计用于通过高效的强制风冷来为应用散热。尽管直流风扇是众所周知且易于识别的元器件，但仍需要对气流和其他关键参数有基本的了解，以确保所选的风扇最适合系统的需求。为了帮助了解这些参数，本文将讨论如何正确计算气流和风压、调整这些参数以适合风扇的工作曲线，以及多风扇设计的影响等等。

气流参数概述
在指定风扇之前，了解各种气流和热传导参数非常重要。强制气流的工作原理是吸收物体的热量，然后转移到别处去消散，其中传递的能量取决于强制气流的质量、比热和温度变化。
强制气流的质量由流动空气的体积和密度计算得出。
若将第二个公式插入第一个公式，可将消散的能量与风量关联起来。
接下来，将两侧除以时间以产生以下公式。
通常，多余的功率是已知的，而气流（体积/时间）是未知的，这意味着该公式可以重新构造为：
该公式通常写为：
其中
Q = 气流
q = 要消散的热量
ρ = 空气密度
Cp = 空气比热
ΔT = 当吸收要消散的热量时空气将升高的温度
k = 一个常数，取决于其他参数中所用的单位
在海平面，68°F (20°C) 下干燥空气的密度为 0.075 lbs/ft3 (1.20 kg/m3)，而干燥空气的比热为 0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C)。插入这些值可将上面的公式简化为：
其中
Qf = 气流，单位为每分钟立方英尺 (CFM)
Qm = 气流，单位为每分钟立方米 (CFM)
q = 要消散的热量，单位为瓦
ΔTF = 当吸收要消散的热量时空气将升高的温度，单位为 °F
ΔTC = 当吸收要消散的热量时空气将升高的温度，单位为 °C

风压要求
尽管上面的公式解决了充分冷却所需的气流速率，但还需要计算风扇产生的风压。穿过系统的气流路径会产生气流阻力，这意味着风扇必须能够产生足够的风压以迫使指定的风量流过系统，才能实现所需的冷却效果。但是，每个系统都会产生独特的风压要求，因此无法像气流速率一样简化为公式。幸运的是，许多 CAD 产品可用于在设计阶段对风压和气流特性进行建模。设计完成后，可以使用风速计和压力计进一步测量这些特性。
图 1：气流和风压的建模（图片来源：CUI Devices）
产生气流和风压要求
如前面部分所述，一个风扇（或多个风扇）需要产生一定的气流速率和风压，才能实现所需的冷却效果。制造商的规格书将提供以下信息：无背压的气流速率、无气流速率的最大风压，以及风扇的气流-风压性能曲线。
在此示例中，根据要消除的热量和空气温度限制，计算出产品需要的气流速率为 10 CFM 或更高，而该产品的机械设计产生的气流与风压的关系图如下（图 2）。虚线表示所需的最小气流，而橙色曲线表示气流与风压之间的关系。
图 2：在气流-风压曲线上绘制的最小气流（图片来源：CUI Devices）
利用上图，我们选择了 CUI Devices 的 CFM-6025V-131-167 直流轴流风扇，其规格书指定无背压气流速率为 16 CFM，无气流静态压为 0.1 inH2O，并提供下面的性能图（图 3）。
图 3：CUI Devices 的 CFM-6025V-131-167 性能曲线图（图片来源：CUI Devices）
然后，可以将图 3 叠加到图 2 上，从而产生图 4 所示的曲线图，该图突出显示了所选风扇的工作点。需要注意的是，尽管在此示例中 11.5 CFM 的工作点超过了 10 CFM 的气流要求，但某些应用将需要更大的热工作裕度。因此，需要选择具有不同性能规格的风扇。
图 4：用红色圆圈表示的风扇工作点（图片来源：CUI Devices）
多风扇设计和运行
更大或更快的风扇通常会提供更大的最大气流和风压。但是，当单个风扇不能满足任务要求时，可以通过并联或串联多个风扇来提高某些性能参数。例如，并联工作的风扇会增加最大气流，但不会增加最大风压，而串联工作的风扇会增加最大风压，但不会增加最大气流。
图 5：单风扇、并联风扇和串联风扇工作。（图片来源：CUI Devices）
并联或串联风扇的气流-风压性能曲线与单个风扇的曲线相同，不同之处仅在于气流或风压值分别要乘以并联或串联工作的风扇数量。下面的实例（图 6）显示了这种情况，其中气流值乘以并联风扇的数量。
图 6：气流乘以并联风扇的数量，或风压乘以串联风扇的数量。（图片来源：CUI Devices）
总体而言，并联风扇设计非常适合高气流和低风压应用，而串联风扇设计更适合高风压和低气流应用。
图 7：高低气流阻力下风扇性能比较（图片来源：CUI Devices）
风扇转速和风扇相似定律
风扇转速 (RPM) 影响风量、风压、功耗，以及风扇发出的噪音。这些关系由“风扇相似定律”进一步概括：

  • 风扇移动的风量与风扇转速成正比。

    • CFM α RPM

      • 示例：4 x RPM 产生 4 x CFM
              
      
  • 风扇产生的风压与风扇转速的平方成正比。

    • 风压 α RPM2

      • 示例：2 x RPM 产生 4 x 风压
              
      
  • 风扇工作所需的功率以风扇转速的立方增加。

    • 功率 α RPM3

      • 示例：4 x RPM 需要 64 x 功率
              
      
  • 当风扇转速加倍时，风扇产生的噪音将增加 15 dB。

    • 示例：通常，噪音增加 10 dB 会使人耳听觉感知的噪声水平加倍。
       
图 8：风扇相似定律（图片来源：CUI Devices）
总结
若对本文中概述的气流和风压要求有基本的了解，可以帮助设计人员选择合适的风扇来满足其应用的强制风冷需求。当单个风扇不能满足计算出的气流或风压参数时，将风扇并联或串联可为工程师提供更多选择。