艾默生电子设备的强迫风冷热设计规范

admin 2011-09-22

5.6 散热器的选择与设计
5.6.1散热器需采用的强迫冷却方式的判别
对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。

对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。

5.6.2 强迫风冷散热器的设计要点
5.6.2.1在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。

5.6.2.2 增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，可采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。

5.6.2.3采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。

5.6.2.4 当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。

图9 散热器基板厚度与热阻的关系曲线图10 不同通风条件下散热器的最佳齿间距

5.6.2.5 散热器基板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻反而增加，图9表示出了基板厚度的最佳范围。对分散式散热来讲，基板厚度一般为3-6mm为最佳。
5.6.2.6散热器齿间距的确定：散热器齿间距的大小与风速有较大的关系，不同通风条件，其最佳的齿间距是不一样的，图10表示出了常见通风风速下最佳的齿间距。
5.6.2.7 散热器齿片厚度的确定：不同的齿片厚度，其对应的齿间距是不一样的，如图11所示。

图11表示出了不同齿厚对应的最佳齿间距。
5.6.2.8 在一定冷却条件下，所需散热器的体积热阻大小按表3进行成本确定。
表3 不同冷却条件下对应的散热器体积热阻

冷却条件
散热器体积热阻 ℃－cm3/W

自然冷却
500-800

1.0m/s(200CFM)
150-250

2.5m/s(500CFM)
80-150

5.0m/s(1000CFM)
50-80

注意：表2只能作为初选散热器的参考，不能用它来计算散热器的热阻，散热器的实际热阻需按附录A提供的方法计算。

5.6.2.9一定的冷却体积及流向长度下，按表4确定散热器齿片最佳间距的大小
表4 不同冷却条件及流向长度与散热齿片最佳齿间距的关系

冷却条件
流向长度(mm)

75
150
225
300

自然冷却
6.5
7.5
10
13

1.0m/s(200)
4.0
5.0
6.0
7.0

2.5m/s(500)
2.5
3.3
4.0
5.0

5.0m/s(1000)
2.0
2.5
3.0
3.5

5.6.2.10 不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率如表5所示，尽可能选用成型简单的工艺以降低散热器的加工成本。
5.6.2.11 散热器的表面处理

 安装元器件的散热器表面的光洁度Ra≤1.6μm，平面度小于0.1mm。
 安装元器件的散热器表面不能进行拉丝处理。
 散热器表面原则上不需要任何表面处理，因为进行表面处理对热性能的改善贡献较小，而成本增加确实显著的。
表5 不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率

散热器成型方法
传热效率，％
成本参考

冲压件/光表面散热器
10－18
低

带翅片的压铸散热器/常规铝型材
15－22
较低

铲齿散热器
25－32
较高

小齿间距铝型材
45－48
高

针装散热器/钎焊/锡焊/铲齿/插片成型散热器(冷板散热器)
78－90
很高

5.6.3 风冷散热器的辐射换热考虑
一般情况下，如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波长相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体，发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。

对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。

5.6.4 海拔高度对散热器的设计要求
海拔高度对强迫风冷影响的机理是由于随着海拔高度的增加，空气密度减小，空气分子间碰撞的概率降低，对流换热能力减弱。同样，强迫对流换热随海拔高度的变化最终体现在对流换热系数的变化上，美国军用标准规定，低于5000米以下的高空，如果忽略空气温度的变化，可按(8)式计算海拔高度对强迫风冷换热影响的强弱。

hc(高空)＝hc(海平面)(p高空/p海平面)0.8..........................................(8)

hc(高空)，hc(海平面)－分别为高空及海平面的强迫风冷对流换热系数，W/m.k

p高空，p海平面－分别为高空及海平面的空气压力，帕斯卡

5.6.5 散热器散热量计算的经验公式
表6 强迫风冷时对流换热系数的计算方法

层流(Ra<105)
紊流(Ra>105)

hc＝(1.1-1.4) λ空气 0.66Ref 0.5/L
hc＝(1.1-1.4) λ空气 0.032Ref 0.8/L

为了简化计算，忽略散热器的导热热阻，即假设模块的热量能够均匀传递到散热器的各表面，此时计算出的散热量为模块的最大散热量：

Q＝hc³F对流³△t³η……………………………………(9)

hc-----自然对流换热系数，w/m2.k

△t---散热器台面允许温升，℃

η---散热器齿片效率(%)

对直齿肋：

η=th(mb)/(mb)..................................(9-1)

m=(2 hc/λδ0)0.5...............................(9-1-1)

δ0：肋片根部厚度(m)

b: 肋高(m)

如果Q<PD，表明散热器的设计不满足散热要求，必须进行重新设计。

5.6.6强化散热器散热效果的措施
5.6.6.1尽可能增大散热面积，增大散热面积的途径有三种：

 在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。
 加大散热器尺寸。
 增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
5.6.6.2 尽可能提高流过散热器的风速，主要有两种途径：

 采用较大流量或压头的风扇；
 增加风扇的数量，可采用风扇并联或串联方式。
 优化系统及单板布局，降低系统的流动阻力，提供风扇的实际出力。
5.6.6.3 增加流体扰动，提高对流换热系数，如加导流条等。

5.7风扇的选择与安装的热设计原则
5.7.1多个风扇的安装位置
由于风扇出口风速的方向与风扇进口风速方向一般成约45°角，即呈现倒园锥的流场分布，所以在吹风应用的场合，要求两个风扇之间最好加一个隔板或保持一个风扇厚度的间距，以避免两股流相交而产生的噪音和死区。

5.7.2风扇与最近障碍物间的距离要求
为了避免风扇太靠近被冷却物体而产生噪音，建议在吹风应用场合，风扇与单板风道入口至少应保持一个40mm的距离，以大于风扇直径为最佳。图12、图13显示了在吹风时与抽风时，风扇与障碍物之间的距离对风扇静压曲线的影响，从图中可以看出，在吹风时，只有在风扇与障碍物之间的距离大于75mm时其影响才较小，而在抽风时，在风扇与障碍物之间的距离大于50mm时其影响也较小。

图12：吹风时风扇与障碍物之间的距离图13：抽风时风扇与障碍物之间的距离

对风扇静压曲线的影响对风扇静压曲线的影响

5.7.3消除风扇SWIRL影响的措施
由于风扇旋转惯量SWIRL的影响，加之实际产品不可能有足够的空间允许流场能够充分发展，所以风扇后的流场在到达障碍物时存在明显的死区，如图14所示。如果不考虑这一点，把功率较大的元器件布置在此处，该元器件极可能应过热而损坏。为了消除SWIRL的影响，可选择以下措施：

图14 风扇SWIRL对流场的影响

5.7.3.1 在风扇出口与障碍物之间加整流栅，整流栅厚度大于2mm，强迫流场在经过整流栅后变得非常均匀，如图15所示。

图15 加整流栅后(有厚度、无厚度)流场的变化情况

5.7.3.2 如果不能加整流栅，必须保证风扇出口到障碍物间的间距大于于一个风扇的直径，以使流场能够充分发展而变得较均匀。

5.7.3.3 如果以上两条测试都无法实现，可通过仿真分析得出流场的分布图，再在PCB布局时避免把损耗较大的元器件布置在死区。

5.7.4抽风条件下对风扇选型的限制
选择风扇一般以风扇进出口风温的大小作为限制条件，对吹风条件下，进出口风温一般没有限制。而对于抽风的情况，由于风扇抽出的是热风，对风扇的寿命将产生严重的影响。对风扇厂家，一般均以60℃作为标定风扇寿命MTBF的条件，如果风扇应用的环境温度高于60℃，则温度每升高5℃，风扇寿命下降一半。所以抽风条件下，风扇选择应遵循以下原则：

5.7.4.1 如果进入风扇的风温高于60℃时，应考虑选用高温风扇以保证风扇的使用寿命。

5.7.4.2 如果进入风扇的风温低于60℃时，一般以(60-环境温度)℃作为限制条件来选择风扇。例如：如拟选用的风扇厂家所采用的风扇寿命MTBF标定温度为60℃，设备使用的环境温度为45℃，则应以(60-45)=15℃作为选择风扇风量的限制条件。

5.7.5降低风扇噪音的原则
风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系，对于轴流风扇在大风量，低风压的区域噪音最小，对于离心风机在高风压，低风量的区域噪音最小，如图14所示，这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区，

5.7.5.1 考虑合适的热设计冗余，保持最佳的热性能与噪音之比值。一般来讲，稍微降低产品的温度要求将导致产品噪音戏剧性降低；此外，由于在选择风扇时总是以产品工作的最严酷的状态来选定风扇的型号，而实际上产品总是工作在正常的额定功率或半载状态下，所以风扇的冗余就显得过大，噪音也就降不下来，如果考虑合适的冗余或通过控制风扇的转速就可大大降低产品的噪音水平。

5.7.5.2 尽可能降低系统的流动阻力，低的流动阻力意味可以选用低转速的风扇，其噪音水平也会相应降低。

图16 风扇静压曲线与噪音变化曲线的对比图

5.7.5.3 合理调整系统阻力与风扇的匹配，使风扇的工作点处于最佳的工作区域，而在最佳工作区域内风扇具有较低的噪音水平。

5.7.5.4 相同的风速，推荐选用大一号的风扇更有利于降低系统的噪音。

5.7.5.4 避免把障碍物放在靠近风扇的气流速度较高的区域。

5.7.5.5 在风扇与结构件间加橡胶垫，以消除风扇振动而产生的噪音。

5.7.5.6 避免风扇与结构件共振而产生噪音。

5.7.5.7 把风扇安装在机箱内侧比安装在外侧噪音小。

5.7.5.8 把障碍物放在风扇的进风侧附近较放在风扇的出风侧产生的噪音大。

5.7.5.9风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍，所以一般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离，以免产生额外的噪音。

5.7.5.10对于不得不采用大风量，高风压风扇从而产生较大噪音的情况，可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料，吸音效果较好的材料主要是多孔介质，如玻璃棉，厚度越厚越好。

5.7.5.11 有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机，在保证设计风量的条件下，可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速，从而降低风扇的噪音。相应的噪音降低变化按下式计算：

N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1) ……………………………….(10)

5.7.6解决海拔高度对风扇性能影响的措施
分散式散热的基本思路是合理控制热设计冗余，所以散热器件的细微变化可能会导致产品在工作中应器件过温而热损坏。对风扇来讲，随着海拔高度的增加，风扇的性能曲线及系统的阻力曲线均会发生变化，如图17、图18所示，由于压力正比于空气的密度，而空气的密度随海拔高度的升高而逐渐降低，所以压力也会随海拔高度的升高而逐渐降低。在实际应用中，应按下式来进行校正：

(P0)altitude = (P0)Sea Level (altitude/Sea Level)………………………….…..(12)

图17 海拔高度对风扇性能曲线的影响

图18 海拔高度对系统阻力曲线的影响

5.7.7确定风扇型号的方法
5.7.7.1 先计算实际所须风量：

q`=Q/(0.335△T)……………………………………………(13)

q`---实际所需的风量，m3/h

Q----散热量，W

△T-- 空气的温升，℃，一般为10－15℃。

5.7.7.3 确定风扇的型号

5.7.7.3.1 按经验公式：按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量：

q=(1.5-2)q` 按最大风量选择风扇型号。

5.7.7.3.2 按确定工作点的方法

把风道曲线与风扇的静压曲线绘在一张图上，其交点就是风机的工作点。工作点对应的风量若大于冷却风量，风扇即满足要求，否则重新选择风扇，重复上面的工作，直到满足要求为止。

5.7.8吹风与抽风方式的选择原则
5.7.8.1优先采用吹风方式，吹风有如下优点：

5.7.8.1.1风量相对较集中，可以以较大的风速针对局部区域进行集中冷却。

5.7.8.1.2能够有效防止风扇马达过热，提高风扇的使用寿命。

5.7.8.1.3可以以较大的压力迫使灰尘不能够在机箱内聚积，而通过出风口或

缝隙流出，原则上可省掉防尘网。

5.7.8.2只有在以下情况下才选择抽风： 5.7.8.2.1希望流场规则或呈现层流。

5.7.8.2.2进风口无法安装风扇。

5.7.8.2.3不希望风扇马达加热空气而对后面的元器件产生影响。

5.7.9延长风扇寿命与降低风扇噪音的措施
通常我们在确定风扇型号时，均是按产品工作最恶劣的工况，实际上产品大部分时间工作在轻载状态，元器件损耗较低，根本不需要风扇高速运转。风扇高速运转由两个坏处：(1)系统噪音太大；(2)风扇寿命会较低。为了解决以上问题，可选用可调速风扇，通过监测元器件或散热器的温升来控制风扇的运转。其原理为温度传感器将检测到的温度信号送回到监控模块，监控模块根据预先设置的温度范围来判断风扇运转的快慢，并自动调整风扇的电压来使风扇按规定的转速运转。风扇的噪音变化可按等式(1)进行评估，而风扇的寿命预计可按(14)式评估：

L预期＝L10³(U额定/U实际)3³(1/(2(T环-40)/10))……………………….(14)

5.7.10风扇的串列与并联
5.7.1 风扇的种类

通信产品中运用的风扇有轴流（Axial）、离心（Radial）、混流（Mixed-flow）三种，它们的典型特性曲线见图19

图19 不同类型风扇的静压曲线

图中横坐标表示风量，单位有m3/h、m3/min、CFM（立方英尺/分钟，1CFM=4.72X10-4m3/s）。纵坐标表示风扇产生的静压，单位有Pa、inch of water(=249Pa)、mm H2o(=9.8Pa)。由图中可以看出，要使风扇的风量越大，其产生的静压就越小，用于克服风道阻力的能力就越小。

从图中的对比可以看出，轴流风扇风量大、风压低，曲线中间的平坦转折区为轴流风扇特有的不稳定工作区，一般要避免风扇工作在该区域。最佳工作区在

低风压、大流量的位置（曲线的后1/3段）。如果系统的阻力比较大，也可以利用高风压、低流量的工作区（曲线的前1/3段），但要注意风量是否达到设计值。离心风扇的进、出风方向垂直，其特点为风压大、风量低，最好工作在曲线中压力较高的区域。混流风扇的特点介于轴流和离心之间，出风方向与进风有一倾斜角度，则风量可以立即扩散到插框的各个角落，而且风压与风量都比较大，但风扇HUB直径较大，正对HUB的部分风速很低，回流比较严重。

目前公司除极个别产品采用混流风扇外，一般都采用轴流风扇。我公司采用的风扇产品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的风扇虽然性能好，但在商务采购上评级为D，不推荐采用。NMB用得较多，DELTA样品供货较快。

5.7.2 风扇与系统的匹配

空气流过风道将产生压力损失。系统的压力损失有沿程阻力损失和局部阻力损失。沿程损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与壁面或单板的摩擦所引起的。局部阻力损失是气流方向发生变化或风道截面发生突变所引起的损失。不管哪种损失，均和当地风速的平方成正比，如局部压力损失由下式计算

式中为阻力系数，为空气密度，v为风速。以下是一些典型的局部阻力系数

表7 典型局部阻力系数

空气由环境大空间进入进风口（流动突缩）
1
空气由出风口进入环境大空间（流动突扩）
1
空气经过90°转弯
1.5

流通面积率为0.3的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2)
18

流通面积率为0.5的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2)
4

流通面积率为0.7的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2)
1

系统的压力损失与风量呈抛物线关系，风扇产生的静压必须克服阻力损失，将风扇的特性曲线与系统的特性曲线画在同一张图中，两条曲线的交点即为风扇与系统的工作点，如图20所示

图20 风扇与系统的匹配工作点

图中表明风扇在该系统中工作时的风量为35m3/s，产生的静压为30Pa，系统的压力损失为30Pa。如果工作点显示的风量不满足设计要求，则需要选择其他型号的风扇来匹配，或设法降低系统阻力，增加风量。

5.7.3 风扇的串并联

在机柜/箱中一般为保证送风均匀和足够的风量，采用风扇并联使用的方式。风扇并联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的横向叠加，如图21所示，实际上一般会比理想曲线略低。由图中可以看出，两个风扇并联使用产生的风量并不是仅采用一个风扇时产生风量的两倍，可能只增加30%，这和系统阻力特性曲线在工作点附近的斜率大小有关。如果系统阻力较大，阻力特性曲线较陡，当风扇并联的数目多到一定程度时，并不能明显增加风量。一般建议横向上并联风扇数目不要超过3个，如果插框较宽，可以用4个，纵向上除非插框很深，一般只用一排。

当机柜/箱的阻力较大时，可以采用风扇串联使用的方式。风扇串联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的纵向叠加，如图22所示，实际曲线一般会比理论曲线略低。

图21 风扇的并联特性曲线图22 风扇的串联特性曲线

5.7.4 在实际安装情况下风扇特性曲线的改变

风扇安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，

其性能曲线会发生变化，如图23所示。由图中可以看出，风扇的进出风口最好与阻挡物有40mm的距离，如果有空间限制，也应至少有20mm。

图23 风扇特性曲线随阻挡物的距离发生的变化

5.8防尘对产品散热的影响
由于吹风与抽风方式对灰尘的吸附强弱是不一样的，因而对是否安装防尘网的需求也不一样。一般来讲，安装防尘网后，元器件的温升将升高10－15℃，在决定安装防尘网的产品，必须考虑10－15℃的热设计冗余。

5.8.1抽风方式的防尘措施
对抽风来讲，由于外部压力大于模块内部的压力，灰尘非常容易进入模块并附着在模块内部的PCB表面及功率管表面，严重影响产品的散热性能及电气性能，所以，抽风条件下，必须安装防尘网。

5.8.2吹风方式下的防尘措施
对吹风来讲，由于外部压力小于模块内部的压力，灰尘即使进入模块内部，也不容易附着在模块内部的PCB表面及功率管表面上，在压差的作用下，进入模块内部的会通过出风口或机箱的缝隙飞出，所有，在吹风条件下，实际上不需要安装防尘网，这在竞争对手的分散式散热产品都可以得到验证，如APC的50A模块、Delta的50A模块等。当然，为了照顾特殊应用的场合如室外或比较脏的地方，也可以把防尘网作为选件提供给用户，但选用使用防尘网时，产品必须降额使用。

如果不加防尘网，散热器的体积可以减小20％，散热成本至少可以减少30％，而噪音水平也就更加容易达到标准了。

5.8.3防尘网的选择方法
5.8.3.1 输入条件

防尘网的性能需求

防尘网与风扇通风量的匹配需求

安装防尘网的许可空间

须满足的标准或规范（NEBS、ETSI、CE、UL60950）

5.8.3.2 选择防尘网的布骤

5.8.3.2.1 确定防尘网的尺寸（长、宽、高）。

5.8.3.2.2 计算气流速度

气流速度＝所须的空气流量/防尘网的表面积

5.8.3.2.3 确定防尘网的回收方式：一次性使用或可重复使用。

5.8.3.2.4 根据防尘网供应商提供的初阻力与来流速度的关系曲线(数据表)来初步选定防尘网的型号。