15 风扇 P130
许多高热流密度的电子封装系统都采用风扇进行强迫冷却。小的系统通常采用轴流风扇，其气流流动方向垂直于风扇叶片。而大的系统通常采用压头较高的离心风扇。
对于强迫冷却的系统在其设计阶段早期就要进行合理设计。为了使气流流经高热功耗元件以及为风扇提供足够的空间和电源，制定一个设计计划就显得非常重要。
在风扇选择时主要考虑以下几个方面：所需的气流流量、直流或交流、电压、转速、预期使用寿命、EMIRFI、热功耗、自动再启动、噪音等。
设计一个强迫冷却系统的第一个阶段是估计所需风量。这个所需风量是由系统内热功耗和允许的最高温升所决定的。
在估计系统内热功耗时，需要考虑以后系统内有可能出现调整或出现额外的热源。因此，预计的热功耗应该是出现在系统最不利情况下。
例如：对于一个热功耗为2000 ，允许温升为 ℃的系统，其所需的空气流量大约为32cfm。
在下图中：垂直的坐标轴表示去除的热量，水平的坐标轴表示空气流量：这两个轴都采用对数坐标。其中的斜线为温升（℃）线。使用这个图表时，首先确定系统的允许温升，然后在图中找到相应的直线。然后根据系统所要去除的热功耗，来确定相应情况下所需的空气流量。
系统阻力特性
确定由安装在系统内的风扇实际产生的风量比计算所需风量要困难的多。空气流动路径上的阻碍物引起空气压力下降。下图显示了一个风扇压降与空气流量之间的关系。为了达到最大的空气流动，阻碍物所引起的阻力影响应该最小化。然而，为了引导气流更好的掠过高热功耗元件，某些场合需要采用挡板。当然，系统内热功耗元件也会阻碍空气流动。
轴流风扇流量与压降的关系
通过实验的方法可以精确的确定系统内风扇的空气流量，但这种方法耗时耗力。
实际上，可以采用经验的方法来估计空气流动阻力。具体如下：
一个空的系统，其空气流量一般减少 ％。
一个充满封装元件的系统，其空气流量可以减少 ％甚至更多。
绝大多数的电子系统其内部压降大约为： 。
测量空气流动和静压
采用AMCA标准210双测试腔对流量和静压进行测量。
风扇工作点和系统阻力特性
风扇的工作点是风扇特性曲线和系统阻力特性曲线的交点。风扇特性曲线已经在前文中进行了解释。系统阻力特性是系统的固有特性，其描述了空气流经系统时所受的阻碍。下图描述系统内空气流动和静压降的关系。这一曲线可以通过对系统设定不同的流量来测量。
上图显示的风扇特性曲线只是风扇在最佳位置和风道中的特性曲线。否则，风扇特性曲线会发生变化，从而导致空气流量的减少。下图显示了风扇特性曲线由于物体遮挡而发生变化。这些计算是基于4715系列风扇。下图显示了距离入口风扇和出口风扇X in处物体对风扇特性曲线的影响。
风扇选择
通过确定的空气流量，你可以选择一个具体的风扇。首先考虑采用AC还是DC风扇。在过去由于DC风扇价格较高而多采用AC风扇。现在这两者之间的价格差异已经不存在，而且DC风扇突出的优点使它被更多地采用。首先DC风扇地使用寿命比较长。另外DC风扇与AC风扇相比电源消耗要少 左右。根据工业专家表示：风扇温度升高10℃，其使用寿命要减少20，000个小时。
另外DC风扇地转速与电压成线性关系，所以它可以运行在指定地转速下。然而，风扇运行在最大转速以下可以减少噪音和功耗。
除此之外，DC风扇比AC风扇有更低地EMI和RFI。所以现在DC风扇使用更为广泛。下面提及一些DC风扇的注意点。
许多DC风扇会有12V和24V两个型号，建议采用高电压的风扇。这主要是因为其电流相对而言更低而且风扇产生的热功耗也小。
DC风扇的噪音频率和量级随着转速提高而增大。如果可能，尽量选用低速的马达来减小噪音。
当获得系统所需的空气流量和静压后，通过使用风扇制造商提供的风扇特性曲线可以获得足够的制冷量。但这个风扇特性曲线使用时候需要注意。通常制造商提供的风扇特性曲线不会注明是处于名义状态下或最不利状态下。风扇特性曲线通常会在其名义特性曲线10％内波动。
有时会错误的选用自由空气（风扇无遮挡）状态下的特性曲线。需要注意的是真实机箱内部是不存在自由空气的。
噪音对制冷没有影响，但对系统和用户很重要。应该尽可能的选用安静的风扇，或者采用某些技术来降低风扇的噪音。
使用更大的风扇可以减少噪音。对于某个具体的空气流量，采用更大的风扇可以降低风扇转速，由此可以减小噪音。
正如先前所提到的，DC风扇比AC风扇产生更少的EMI和RFI。对于常用的风扇而言，其产生的EMI和RFI不是问题。当系统对干扰敏感时需要考虑此类问题。
风扇使用寿命
轴承是风扇使用寿命的主要影响因数。风扇制造商使用的轴承都比较类似，所以不同厂商之间的风扇使用寿命差异并不大。绝大多数制造商认定风扇的使用寿命为50，000小时，假设每个星期工作40小时，折合下来可以使用25年。因此，风扇的使用寿命很可能超出设备的使用寿命。正如前面所述，风机的使用寿命与它的温升有很大关系。
UL要求风扇能经受转子锁死72个小时（直流风机15天）而不造成任何破坏和过热。并且当去除锁死转子的装置后，风扇可以正常的运行。
入口或者出口风扇
设计工程师可以选择一个入口或出口风扇。理论上两者所需要的空气流量是一样的。然而，在实际应用中两者各有其优缺点。空气被抽入风扇时是层流，可以在系统内形成比较均匀的流动。这可以很好的避免空气滞留和出现热点。风扇出来时的气流是湍流。在相同体积流量下，湍流流动可以比层流流动带走更多的热量。仔细地设计系统内风道非常重要。注意不要产生气流短路。如果出现气流短路，可能会有90％以上地气流损失。采用挡板是消除气流短路常用地方法。另外，应尽可能地降低空气流道内的阻力。
高热耗元件应该置于空气直接流经的位置上。不宜在小元件前放置大元件，因为大元件可能会遮挡气流。必要的时候可以使用挡板来引导空气流动。
出口风扇缺点是在系统内产生负压，所以灰尘等会进入到系统内。当系统内对灰尘有一定限制时，建议采用入口风扇。在这种情况下，可以在入口风扇的前部加装一个过滤网。因此不会将环境中的灰尘吸入到系统内。过滤网也要定期的清洗，从而避免其上出现灰尘的积聚。灰尘的积聚可能严重的限制气流流动，从而提供系统内的温度。
另外入口风扇所产生的热功耗可能会使进入系统的空气温度略微提高。这可能会降低空气的冷却能力。同样的原因，对于最重要的冷却元件应该置于空气的入口处。高温的元件应该置于空气的出口处。
在很多应用场合使用入口风扇而不是出口风扇，这主要是因为入口风扇的使用寿命更长。出口风扇的轴承温度可以比入口风扇的轴承温度高25℃。降低风扇轴承的温度可以大大延长风扇的使用寿命，具体可以参见NMB的Fan Warranty Statement和Fan Life De-rating Curve。
噪音
大多数的设计工程师都被要求尽量减小风扇噪声来满足用户的要求。目前的趋势是系统越来越小，热功耗越来越大。这两方面的原因造成空气流量需求更大，从而加剧了风扇噪音。
风扇噪音有若干个因素造成，其中一些因素是可以由系统设计工程师所控制的，而另外一些则由制造商所决定。空气动力学噪音是由风扇叶片产生的湍流所造成。这个噪音中占主导的因素是叶片通过频率。可以通过减小马达转速、叶片数、支撑数来降低由此产生的噪音。然而，风扇需要一个确定的转速和叶片数来产生所需的空气流量。同时，风扇也需要确定的支撑数来提高强度。
机械噪音是由轴承或非平衡旋转元件震动所引起。如果这个震动的频率和系统内其它频率发生共振，则噪音的强度会变大。另外马达也会产生噪音，但其产生的噪音在系统内影响很小。
几乎所有产生噪音的器件都是不能变化的，系统设计工程师几何没有太大的调整余地。然而，系统内还是有一些噪音方面的细节值得注意。
1. 避免在接近风扇的高空气流速处放置障碍物。
2. 使用震动隔离来避免风扇机械噪音进入到系统中。
3. 加强结构强度避免出现共振现象。
4. 将风扇安装在机箱的内表面而不是在外表面。
5. 物体放置在风扇进风处比放置在风扇出口处噪音更大。
系统设计工程师应该仔细比较不同厂商之间的风机噪音。尽管已经出现了一个标准的噪音测量方法，但是目前还难以为制造商和用户所接受。这个方法就是ANSI 12.11。
多个风扇的使用
尽管你已经很努力了，但当设计完成之后，突然系统使用的环境有所提高，这就需要增加系统制冷能力。为了做到这一点，你可以在设计之初选择一个低风量的风扇。如果以后制冷量有所提高，可以采用一个风量更高的风扇替代之前的风扇。
当使用更大尺寸风扇无法满足额外的制冷量要求时，可以采用以下措施，具体如下：
1. 提高系统内的空气流量
2. 从新设计一个系统，以便使用更大的风扇
3. 修改系统，使用两个或更多的风扇并联。
4. 修改系统，使用两个或更多的风扇串连。
很多情况下，仅仅通过改善系统内气流流动和修改风道位置及尺寸无法满足额外的制冷量。如果你不能通过改善系统内气流流动来满足情况，你可以通过修改系统来安装更大的风扇。但很多时候这是不可能的。如果采用一个风扇不能达到要求，而空间没有限制的情况下，我们可以采用多个风扇。
在很多情况下，增加风扇可以改善系统内的气流分布。另外多个风扇也可以增加系统的可靠性。
增加风扇也可能会产生一些其它问题，诸如：费用、噪音、风扇的热功耗。
两个并联风扇的理想性能
两个并联风扇只有在自由空气状态下风量才是单一风扇时两倍。如果系统的静压比较高，则两个风扇并联产生的效果很有限。两个串连风扇只有在流速为0时，静压才是单一风扇时两倍，并且风扇串连是不增加空气流量。在系统低静压情况下采用两个风扇并联可以提高系统内空气流量。在系统高静压情况下采用串连风扇可以提高系统内静压。
增加风扇后产生的热功耗不能忽略。在某些极端的情况下，由于增加风扇所产生的热功耗甚至超过了其提供的制冷量。
Flotherm资料下载: 使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理.pdf
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