了解气流基础知识有助于选择合适的直流风扇

2019年7月16日 作者:Bruce Rose

了解气流基础知识有助于选择合适的直流风扇

多年来,直流风扇一直是设计师热管理工具箱的首选解决方案,可为需要降低几瓦到几百瓦热量的产品提供高效冷却。为了保证选择合适的风扇,务必要选择气流特征符合系统冷却需求的风扇。这篇博文介绍的基础知识包括正确计算气流和气压参数、根据风扇的运行曲线匹配气流要求、并联或串联运行风扇的影响以及风扇速度的影响。

重要气流参数

在为具体系统指定风扇之前,必须知道一些有关气流和传热的参数。运动的空气通过吸收物体的热量然后将这些热量传递到其他地方来散热,从而有效地冷却物体。传递的能量取决于运动空气的质量,运动空气的比热和运动空气的温度变化。

能量 = 质量 * 比热 * 温升

可以根据运动空气的体积和运动空气的密度来计算运动空气的质量。

质量 = 体积 * 密度

将第二个等式代入第一个等式之后,可以将耗散的能量与所涉及的空气体积关联起来。

能量 =(体积 * 密度)* 比热 * 温升

等式两边分别除以时间得出以下等式形式。

功率 =(体积/时间)* 密度 * 比热 * 温升

在大多数应用中,过剩功率(系统的低能效)是已知的,而气流(体积/时间)是未知的。因此,可以按如下所示编写等式。

气流 = 功率/(密度 * 比热 * 温升)

正如我们之前的博文中所讨论的,这个等式通常写成:

Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k
其中
Q = 气流
q = 耗散的热量
ρ = 空气密度
Cp = 空气的比热
ΔT = 吸收耗散的热量时空气的温升
K = 常量值,会根据其他参数中使用的单位变动

68°F (20°C)时海平面高度的干燥空气密度为0.075 lbs/ft3 (1.20 kg/m3),且干燥空气的比热为0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C)。使用这些密度和比热值,可将上述等式简化为:

Qf = 3.2q/ΔTF
Qf = 1.8q/ΔTC
Qm = 0.09q/ΔTF
Qm = 0.05q/ΔTC
其中
Qf = 以立方英尺每分钟(CFM)计的气流
Qm = 以立方米每分钟(CMM)计的气流
q = 以瓦计的散热量
ΔTF = 吸收耗散的热量后以°F计的空气温升
ΔTC = 吸收耗散的热量后以°C计的空气温升

气压

以上等式表明冷却产品所需的气流速率。还需要知道风扇输送气流采用的压力。通过待冷却产品的气流路径会对气流造成阻力。选择的风扇应当能够产生足够的压力,迫使所需体积的空气通过产品,以达到预期的冷却效果。每种产品都需要单独计算所需压力,而且还不能像计算流速那样简化计算步骤。许多CAD产品均可用于计算设计的空气压力和气流特征,而压力计和压力表则可在设计完成后用于测量空气流速和压力特征。

举例展示计算流体动力学模型以及气流与压力关系图
图1:表征和绘制气流与压力关系

达到所需的气流和压力

根据前两节的概念,风扇必须产生气流速率和气压,才能实现所需的冷却。风扇生产商的数据手册将提供无背压气流速率的值、无气流速率最大压力值,以及气流与风扇可用压力的关系曲线。例如,根据要去除的热量和空气温度范围,计算得出产品的气流必须达到10 CFM或更高。产品的机械设计已经过表征,形成气流与压力关系图,如图2所示。虚线表示产品所需的最小气流(气流也可以更大),而橙色曲线表示产品机械设计所需的压力和气流关系。

图示为气流与压力曲线上系统对气流的要求
图2:系统要求,气流与静压

根据图2中的曲线,为项目选用CUI的CFM-6025V-131-167直流轴向风扇。直流风扇的数据表规定了16无背压气流CFM,无气流0.1 inH2O静压,同时还提供图3中的关系图。

图示风扇在不同压力水平下的气流性能
图3:CUI的CFM-6025V-131-167性能关系图

将图2的系统要求叠加到图3的直流风扇特性上,即可产生图4中的图形。

图形叠加系统要求曲线和风扇性能曲线来计算工作点
图4:系统要求和风扇性能

图4中红色圆圈突出显示的工作点表示采用所选风扇的系统的压力和气流。应该注意,气流要求计算结果为10 CFM,而风扇将提供11.5 CFM的气流。对于有些应用而言,该值将是足够的热运行余量,而在有些应用中,该解决方案可能无法提供足够的余量。

并联或串联运行风扇

通常,更大或更快的风扇将具有更大的气流和压力上限。如果单个风扇无法提供所需的气流或压力,则可以通过物理并联或串联运行两个或更多个风扇。并联运行风扇将增加最大可用气流,但不会增加最大压力,而串联运行风扇将增加最大可用压力,但不会增加最大可用气流。

图示单个、并联和串联风扇气流性能与压力的关系
图5:串联或并联运行多个风扇

用户可轻松地生成并联运行多个风扇的性能曲线。并联运行的多个风扇的组合风扇气流与压力关系曲线与单个风扇的关系图相同,唯一的变化是气流值按并联运行的风扇数量翻倍了。

图示单个和并联风扇性能曲线,其中并联风扇的性能值升高了
图6:并联运行风扇的气流按风扇数量翻倍

可以按类似方式生成串联运行多个风扇的性能曲线,其中压力值根据串联风扇的数量变化。最终,并联的多个风扇为高气流和低压系统提供了最大的改进,而串联的多个风扇为高压和低气流系统提供了最大的改进。

图示为具有不同气流阻力的单个、并联和串联风扇气流性能
图7:高低气流阻力系统中的多个风扇

风扇转速带来的影响

可通过最初的风扇选择或借助风扇控制信号来确定风扇的转速(RPM)。改变风扇的转速将影响风扇产生的风量、气压、功耗和声噪。这些关系被称为“风扇亲和定律”。

风扇亲和定律

  • 风扇移动的风量与风扇的转速成比例。
    • CFM α RPM
      • 即3 x RPM产生3 x CFM
  • 风扇的气压与风扇转速的平方成比例。
    • 气压 α RPM2
      • 即3 x RPM产生9 x 压力
  • 运行风扇所需的功率按风扇转速的立方增加。
    • 功率 α RPM3
      • 即3 x RPM需要27 x 功率
  • 风扇转速翻倍,风扇产生的声噪就会增加15 dB。
    • 通常,增加10 dB的声噪,人类听觉就会感知到噪声级加倍
显示气流、压力和功率之间关系的风扇亲和定律图
图8:风扇亲和定律图

结论

知道需要的气流和压力后,就可以选择适当的风扇来提供充分的冷却。单个风扇可能不足以满足其应用的散热要求时,并联或串联运行风扇为设计人员提供了额外的选项。CUI的直流轴向风扇系列具有各种性能额定值,让设计人员能够灵活选择风扇大小、耗电量、产生的声噪等等

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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