空氣彈簧帶風扇的熱管理技術

空氣彈簧帶風扇的熱管理技術

隨著物聯網和云計算的興起，今天的設計每平方英寸包含更多的傳感器、晶體管和處理器，從而導致更高的應用密度和功能。然而，這些更高的密度會引入不需要的副產品，即額外的熱量。通常情況下，這種設計的限制因素不是單個組件的容量，而更有可能是由于過熱導致的組件限制。重要的是要了解電子元件，尤其是半導體，設計為在特定溫度范圍內工作，超出該溫度范圍無法保證其性能。眾所周知cfm空氣彈簧 帶風扇的熱管理-需要考慮的事情比你想象的，元件本身（包括無源器件）產生的熱量會導致工作溫度升高，從而可能導致設備故障。

熱管理技術

為了確保任何系統設計的可靠性和正確運行，必須采用適當的熱管理技術。散熱的基本過程是傳導、對流和輻射：

通常，對流冷卻與傳導結合使用，以進一步消散已經擴散到 PCB 中的熱量cfm空氣彈簧 帶風扇的熱管理-需要考慮的事情比你想象的，或者使用散熱器從集成電路等組件中提取熱量。這種傳導和對流的結合在空氣暢通無阻的情況下效果很好，但是當電子設備放在外殼中時，這又是一個問題！

因此cfm空氣彈簧，除非機柜通風良好，自然對流空氣冷卻將不足以應對非常低的散熱水平。這將引導我們分析適當的強制空氣解決方案來冷卻應用程序，包括實現此目標所需的風扇的類型、尺寸和性能。

了解風扇

根據吸入和排出空氣的方式分類，最常見的兩種風扇類型是軸流式和離心式。軸流風機從一側吸入空氣，在同一平面的另一側排出空氣。在離心風機中，吸入的空氣向不同方向排出。這種風扇也稱為鼓風機，用于壓縮空氣，并在與吸入角成直角的方向上排出空氣。

軸流風機主要用于低靜壓和較高氣流水平的系統，而離心風機僅在高靜壓系統中產生較低的氣流水平。它們在產生的可聽噪聲量方面也有所不同。軸流風機比離心風機更安靜。風扇產生的可聽噪音量與其氣流成正比。因此，在要求低噪音的電子設備中，必須仔細設計外殼，以盡量減少冷卻量。

除了聽覺噪聲外，這兩種風扇中的直流電機還會產生電噪聲。這種不必要的電磁干擾（EMI）會影響敏感電子元件的運行，但可以使用鐵氧體磁珠、屏蔽或過濾來有效抑制它。

    表1 兩種風機類型的特點

 

風扇的工作原理是利用在軸承上旋轉的轉子來排出空氣。軸承的可靠運行是風機設計的關鍵，因為風機每分鐘可以旋轉數千次cfm空氣彈簧 帶風扇的熱管理-需要考慮的事情比你想象的，需要有多年的使用壽命。這個過程使軸承承受著巨大的壓力，因此它必須能夠勝任這項任務。

有兩種廣泛使用的軸承設計，套筒軸承和球軸承，每種設計都有其優點和缺點。

套筒軸承風扇（Fans）

套筒軸承風扇價格低廉、堅固耐用且設計簡單，因此在許多應用中得到了廣泛使用。堅固的設計確保它們可以在許多惡劣的環境中工作，它們的簡單性意味著它們不太容易出現故障。套筒軸承風扇設計的另一個好處是它們在運行過程中往往會產生較少的噪音，這使得它們可以廣泛用于辦公室等安靜的區域。

套筒軸承風機的中心軸采用套筒結構，采用油潤滑，轉動方便。套筒保護軸并確保轉子保持在正確的位置，從而保持轉子和定子之間的間隙。

滑動軸承示意圖

可以采取平衡措施來獲得軸和軸套之間正確的間隙尺寸?？臻g太小會導致摩擦增加，從而使風扇更難啟動并消耗更多功率。如果間隙太大，轉子可能會擺動。套筒結構的第二個缺點是套筒是將轉子固定到位的唯一物理介質。隨著時間的推移，軸會腐蝕軸承孔。如果轉子始終同向旋轉，這種現象會更加嚴重，最終會導致出現橢圓孔，從而產生運行噪音，縮短使用壽命。如果風扇移動或重新定位，軸承會在不同的地方被腐蝕，變得不均勻，使振動和噪音更加嚴重。此外，套筒式結構需要油環和聚酯薄膜墊片，以防止潤滑劑泄漏，從而對軸產生更大的摩擦并防止氣體逸出。被困的氣體會凝固成氮化物顆粒，從而阻礙風扇的運動并縮短其壽命。

套筒軸承風扇可以在許多設計中找到，尤其是那些在室溫下和靜態設備上運行的設計。套筒軸承風扇設計廣泛用于計算機和辦公設備、暖通空調設備和工業機柜等應用。

滾珠軸承風扇（Ball Fans）

滾珠軸承風扇旨在解決套筒軸承風扇的一些缺點。一般來說，它們不易磨損，可以在任何方向和更高的溫度下運行。然而，滾珠軸承風扇比套筒軸承設計更復雜、更昂貴且更不堅固。因此，沖擊將極大地影響滾珠軸承風扇的整體性能。它們在使用時也往往會產生更多的噪音，這限制了它們的部署區域。

滾珠軸承風扇設計在軸周圍使用一圈滾珠，解決了不均勻磨損和轉子擺動的問題。大多數風扇電機設計有兩個軸承，一個在另一個之前，并且這些軸承通常由彈簧隔開。與套筒設計相比，軸承提供更低的摩擦力，彈簧可以幫助解決因轉子重量引起的風扇傾斜。如果彈簧完全圍繞軸放置，設備可以在任何角度操作而不會磨損或摩擦，從而提供更可靠的設計。

滾珠軸承風扇也可以在高密度計算機應用程序和數據中心中找到，其中性能、溫度和 MTBF 是比噪聲更重要的因素。它們還廣泛用于工業應用以冷卻電子系統或用作工業干燥應用的鼓風機。

選擇風扇

首先，重要的是要了解產生熱量的位置和數量。使用分布在外殼和PCB上的溫度傳感器可以實現系統的熱量分布。還需要確定系統的氣流阻力，即從入口到出口的壓降。這可以使用壓力傳感器或通過將系統放置在氣室中來測量。如下圖所示，使用計算流體動力學 (CFD) 建模也可以提供準確的輪廓。

計算流體動力學分析 (CFD) 示例

一旦知道最大允許溫升 (ΔT) 和要散發的熱量 (q)，就可以求解一個簡單的方程來確定滿足系統冷卻要求所需的空氣流量 (Q)。

Q = [q/(ρx Cpx ΔT)] x 60

如果我們將空氣的比熱 (C p) 和密度 (ρ) 替換為定義溫度（例如 26°C）下的常數，則方程簡化為：

Q = 0.05 xq/ΔT

Q 立方米/分鐘 (CMM)

或：Q = 1.76 xq/ΔT

Q 立方英尺每分鐘 (CFM)

計算出所需的風量值后，很容易將其與風機規格相匹配，廠家通常以風量與靜壓關系圖的形式提供。

CFM-120風機性能曲線

但是，靜壓，即沒有氣流的殼體內的大氣壓力，沒有考慮前面提到的氣流阻力（或背壓）。為了解決這個現實世界的問題，可以測量（或通過模擬獲得）不同氣流速率的背壓并繪制在圖表上，以便交點提供所需的工作點，

或者，當無法進行測量時，您可以過度指定風扇以名義上高于 50% 的速度運行所需的靜壓氣流，但最大容量是所需性能的兩倍，以允許存在誤差。

使用系統阻抗來確定風扇工作點

當然，如果在設計之初就考慮到散熱要求，可以采取預防措施，通過將空氣引導至關鍵部件并確保進風口和出風口不受笨重部件的阻礙來降低系統阻抗和優化氣流。進一步的風機選擇考慮與風機類型有關：對于軸流風機，空氣以同一方向進出風機，這是低靜壓系統中高氣流的理想選擇；向不同方向排出空氣的風機具有壓縮空氣的作用，使得這種離心風機更適用于氣流較低但靜壓較高的環境。

此外，在選擇風機時，風機軸承的類型也是一個重點考慮的因素。套筒軸承或滾珠軸承是兩種最常見的技術。套筒軸承抗沖擊能力強，由于設計簡單，是兩種選擇中性價比較高的一種，但缺點是軸承磨損引起的旋轉摩擦、擺動和傾斜問題增加，并且預期壽命通常比后者短球軸承。另一方面，球軸承解決了套筒軸承中出現的許多擺動、傾斜和摩擦問題。與套筒軸承不同，它們也可以在任何角度操作，因此它們非常適用于便攜式設備。然而，球軸承風扇比套筒軸承風扇抗沖擊性差、噪音更大、更復雜且更昂貴。

考慮風扇的附加控制功能

機架式機柜通常使用軸流風扇，因為它們具有體積小、功率低、風量大的特點。為了進一步降低功耗，許多風扇還具有額外的控制功能。我們已經展示了如何計算冷卻封閉機柜系統所需的最小空氣流量。必須確保風扇規格能夠在最壞的情況下（即系統在最苛刻的環境中繼續滿負荷運行）提供足夠的冷卻能力。事實上，這種最壞的情況不太可能經常發生，如果有的話，那么基于這種假設持續運行的風扇是低效且不可靠的。

一個比較實用的方法是監控機箱內的溫度，需要的時候才開風扇，不需要的時候關風扇。這會增加風扇的壽命并降低噪音，但可能會引入熱滯后問題（溫度過低和過高）。此外，存在風扇因障礙物無法啟動而發生故障的風險。為了應對這種風險，現代直流軸流風機都有一個標準的保護功能，稱為“自動重啟”。如果風扇電機被阻止旋轉cfm空氣彈簧，此功能會自動切斷驅動電機的電流，以防止燒毀。

旋轉檢測作為鎖定傳感器，是某些風扇的附加控制功能。正常運行時，傳感器輸出信號設置為高電平，但如果風扇電機停止，則信號輸出為低電平。對于需要更復雜控制級別的風扇，可以使用脈寬調制 (PWM) 方案。轉速計測量的 PWM 輸入信號的占空比（開/關比）決定了風扇的轉速。PWM 和轉速計信號（圖 7））作為輸入提供給微控制器。通過算法不斷調整風扇的運行，以響應系統條件的變化，進一步提高運行效率。

使用轉速計檢測轉速

其他注意事項

選擇過程并不止于此。設計人員還需要考慮電氣和可聽噪聲等問題，以及他們可能希望如何控制風扇?？陕犚姷脑胍羧Q于幾個因素，通常由所需的氣流決定。離心式或鼓風機型風扇通常比軸流風扇噪音更大，并且以較低速度運行的較大軸流風扇將比必須運行得更快以獲得相同氣流的較小風扇更安靜。電磁干擾 (EMI) 由風扇的電機產生，但對于直流風扇，這通常僅限于電源線中的傳導 EMIcfm空氣彈簧，通?？梢酝ㄟ^鐵氧體磁珠或屏蔽來抑制。

隨著密度的不斷增加，系統的熱管理可能成為首要關注的問題。對系統進行適當的熱分析和選擇合適的冷卻方法對于防止關鍵部件在運行過程中過熱和故障至關重要。在許多應用中，使用直流風扇進行強制風冷可能是消除多余熱量的有效方法，但由于可用的風扇配置和功能如此之多，因此了解風扇性能如何滿足系統需求非常重要。