艾默生電子設備的強迫風冷熱設計規范

admin 2011-09-22

5.6 散熱器的選擇與設計
5.6.1散熱器需采用的強迫冷卻方式的判別
對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。

對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。

5.6.2 強迫風冷散熱器的設計要點
5.6.2.1在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。

5.6.2.2 增加散熱器的齒片數。目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內目前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，可采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。

5.6.2.3采用針狀齒的設計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數。

5.6.2.4 當風速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。

圖9 散熱器基板厚度與熱阻的關系曲線圖10 不同通風條件下散熱器的最佳齒間距

5.6.2.5 散熱器基板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，圖9表示出了基板厚度的最佳范圍。對分散式散熱來講，基板厚度一般為3-6mm為最佳。
5.6.2.6散熱器齒間距的確定：散熱器齒間距的大小與風速有較大的關系，不同通風條件，其最佳的齒間距是不一樣的，圖10表示出了常見通風風速下最佳的齒間距。
5.6.2.7 散熱器齒片厚度的確定：不同的齒片厚度，其對應的齒間距是不一樣的，如圖11所示。

圖11表示出了不同齒厚對應的最佳齒間距。
5.6.2.8 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小按表3進行成本確定。
表3 不同冷卻條件下對應的散熱器體積熱阻

冷卻條件
散熱器體積熱阻 ℃－cm3/W

自然冷卻
500-800

1.0m/s(200CFM)
150-250

2.5m/s(500CFM)
80-150

5.0m/s(1000CFM)
50-80

注意：表2只能作為初選散熱器的參考，不能用它來計算散熱器的熱阻，散熱器的實際熱阻需按附錄A提供的方法計算。

5.6.2.9一定的冷卻體積及流向長度下，按表4確定散熱器齒片最佳間距的大小
表4 不同冷卻條件及流向長度與散熱齒片最佳齒間距的關系

冷卻條件
流向長度(mm)

75
150
225
300

自然冷卻
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 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率如表5所示，盡可能選用成型簡單的工藝以降低散熱器的加工成本。
5.6.2.11 散熱器的表面處理

? 安裝元器件的散熱器表面的光潔度Ra≤1.6μm，平面度小于0.1mm。
? 安裝元器件的散熱器表面不能進行拉絲處理。
? 散熱器表面原則上不需要任何表面處理，因為進行表面處理對熱性能的改善貢獻較小，而成本增加確實顯著的。
表5 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率

散熱器成型方法
傳熱效率，％
成本參考

沖壓件/光表面散熱器
10－18
低

帶翅片的壓鑄散熱器/常規鋁型材
15－22
較低

鏟齒散熱器
25－32
較高

小齒間距鋁型材
45－48
高

針裝散熱器/釬焊/錫焊/鏟齒/插片成型散熱器(冷板散熱器)
78－90
很高

5.6.3 風冷散熱器的輻射換熱考慮
一般情況下，如果物體表面的溫度低于50℃，可忽略顏色對輻射換熱的影響。因為此時輻射波長相當長，處于不可見的紅外區。而在紅外區，一個良好的發射體也是一個良好的吸收體，發射率和吸收率與物體表面的顏色無關。

對于強迫風冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻。

5.6.4 海拔高度對散熱器的設計要求
海拔高度對強迫風冷影響的機理是由于隨著海拔高度的增加，空氣密度減小，空氣分子間碰撞的概率降低，對流換熱能力減弱。同樣，強迫對流換熱隨海拔高度的變化最終體現在對流換熱系數的變化上，美國軍用標準規定，低于5000米以下的高空，如果忽略空氣溫度的變化，可按(8)式計算海拔高度對強迫風冷換熱影響的強弱。

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

hc(高空)，hc(海平面)－分別為高空及海平面的強迫風冷對流換熱系數，W/m.k

p高空，p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡

5.6.5 散熱器散熱量計算的經驗公式
表6 強迫風冷時對流換熱系數的計算方法

層流(Ra<105)
紊流(Ra>105)

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

為了簡化計算，忽略散熱器的導熱熱阻，即假設模塊的熱量能夠均勻傳遞到散熱器的各表面，此時計算出的散熱量為模塊的最大散熱量：

Q＝hc³F對流³△t³η……………………………………(9)

hc-----自然對流換熱系數，w/m2.k

△t---散熱器臺面允許溫升，℃

η---散熱器齒片效率(%)

對直齒肋：

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，表明散熱器的設計不滿足散熱要求，必須進行重新設計。

5.6.6強化散熱器散熱效果的措施
5.6.6.1盡可能增大散熱面積，增大散熱面積的途徑有三種：

? 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。
? 加大散熱器尺寸。
? 增加散熱器的齒片數。目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內目前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，建議采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。
5.6.6.2 盡可能提高流過散熱器的風速，主要有兩種途徑：

? 采用較大流量或壓頭的風扇；
? 增加風扇的數量，可采用風扇并聯或串聯方式。
? 優化系統及單板布局，降低系統的流動阻力，提供風扇的實際出力。
5.6.6.3 增加流體擾動，提高對流換熱系數，如加導流條等。

5.7風扇的選擇與安裝的熱設計原則
5.7.1多個風扇的安裝位置
由于風扇出口風速的方向與風扇進口風速方向一般成約45°角，即呈現倒園錐的流場分布，所以在吹風應用的場合，要求兩個風扇之間最好加一個隔板或保持一個風扇厚度的間距，以避免兩股流相交而產生的噪音和死區。

5.7.2風扇與最近障礙物間的距離要求
為了避免風扇太靠近被冷卻物體而產生噪音，建議在吹風應用場合，風扇與單板風道入口至少應保持一個40mm的距離，以大于風扇直徑為最佳。圖12、圖13顯示了在吹風時與抽風時，風扇與障礙物之間的距離對風扇靜壓曲線的影響，從圖中可以看出，在吹風時，只有在風扇與障礙物之間的距離大于75mm時其影響才較小，而在抽風時，在風扇與障礙物之間的距離大于50mm時其影響也較小。

圖12：吹風時風扇與障礙物之間的距離圖13：抽風時風扇與障礙物之間的距離

對風扇靜壓曲線的影響對風扇靜壓曲線的影響

5.7.3消除風扇SWIRL影響的措施
由于風扇旋轉慣量SWIRL的影響，加之實際產品不可能有足夠的空間允許流場能夠充分發展，所以風扇后的流場在到達障礙物時存在明顯的死區，如圖14所示。如果不考慮這一點，把功率較大的元器件布置在此處，該元器件極可能應過熱而損壞。為了消除SWIRL的影響，可選擇以下措施：

圖14 風扇SWIRL對流場的影響

5.7.3.1 在風扇出口與障礙物之間加整流柵，整流柵厚度大于2mm，強迫流場在經過整流柵后變得非常均勻，如圖15所示。

圖15 加整流柵后(有厚度、無厚度)流場的變化情況

5.7.3.2 如果不能加整流柵，必須保證風扇出口到障礙物間的間距大于于一個風扇的直徑，以使流場能夠充分發展而變得較均勻。

5.7.3.3 如果以上兩條測試都無法實現，可通過仿真分析得出流場的分布圖，再在PCB布局時避免把損耗較大的元器件布置在死區。

5.7.4抽風條件下對風扇選型的限制
選擇風扇一般以風扇進出口風溫的大小作為限制條件，對吹風條件下，進出口風溫一般沒有限制。而對于抽風的情況，由于風扇抽出的是熱風，對風扇的壽命將產生嚴重的影響。對風扇廠家，一般均以60℃作為標定風扇壽命MTBF的條件，如果風扇應用的環境溫度高于60℃，則溫度每升高5℃，風扇壽命下降一半。所以抽風條件下，風扇選擇應遵循以下原則：

5.7.4.1 如果進入風扇的風溫高于60℃時，應考慮選用高溫風扇以保證風扇的使用壽命。

5.7.4.2 如果進入風扇的風溫低于60℃時，一般以(60-環境溫度)℃作為限制條件來選擇風扇。例如：如擬選用的風扇廠家所采用的風扇壽命MTBF標定溫度為60℃，設備使用的環境溫度為45℃，則應以(60-45)=15℃作為選擇風扇風量的限制條件。

5.7.5降低風扇噪音的原則
風扇產生的噪音與風扇的工作點或風量有直接關系，對于軸流風扇在大風量，低風壓的區域噪音最小，對于離心風機在高風壓，低風量的區域噪音最小，如圖14所示，這和風扇的最佳工作區是吻合的。注意不要讓風扇工作在高噪音區，

5.7.5.1 考慮合適的熱設計冗余，保持最佳的熱性能與噪音之比值。一般來講，稍微降低產品的溫度要求將導致產品噪音戲劇性降低；此外，由于在選擇風扇時總是以產品工作的最嚴酷的狀態來選定風扇的型號，而實際上產品總是工作在正常的額定功率或半載狀態下，所以風扇的冗余就顯得過大，噪音也就降不下來，如果考慮合適的冗余或通過控制風扇的轉速就可大大降低產品的噪音水平。

5.7.5.2 盡可能降低系統的流動阻力，低的流動阻力意味可以選用低轉速的風扇，其噪音水平也會相應降低。

圖16 風扇靜壓曲線與噪音變化曲線的對比圖

5.7.5.3 合理調整系統阻力與風扇的匹配，使風扇的工作點處于最佳的工作區域，而在最佳工作區域內風扇具有較低的噪音水平。

5.7.5.4 相同的風速，推薦選用大一號的風扇更有利于降低系統的噪音。

5.7.5.4 避免把障礙物放在靠近風扇的氣流速度較高的區域。

5.7.5.5 在風扇與結構件間加橡膠墊，以消除風扇振動而產生的噪音。

5.7.5.6 避免風扇與結構件共振而產生噪音。

5.7.5.7 把風扇安裝在機箱內側比安裝在外側噪音小。

5.7.5.8 把障礙物放在風扇的進風側附近較放在風扇的出風側產生的噪音大。

5.7.5.9風扇進風口受阻擋所產生的噪音比其出風口受阻擋產生的噪音大好幾倍，所以一般應保證風扇進風口離阻擋物至少30mm的距離，以免產生額外的噪音。

5.7.5.10對于不得不采用大風量，高風壓風扇從而產生較大噪音的情況，可以在機柜的進風口、出風口、前后門內側、風扇框面板、側板等處在不影響進風的條件下貼吸音材料，吸音效果較好的材料主要是多孔介質，如玻璃棉，厚度越厚越好。

5.7.5.11 有時由于沒有合適的風機而選擇了轉速較高的風機，在保證設計風量的條件下，可以通過調整風機的電壓或其他方式降低風扇的轉速，從而降低風扇的噪音。相應的噪音降低變化按下式計算：

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

5.7.6解決海拔高度對風扇性能影響的措施
分散式散熱的基本思路是合理控制熱設計冗余，所以散熱器件的細微變化可能會導致產品在工作中應器件過溫而熱損壞。對風扇來講，隨著海拔高度的增加，風扇的性能曲線及系統的阻力曲線均會發生變化，如圖17、圖18所示，由于壓力正比于空氣的密度，而空氣的密度隨海拔高度的升高而逐漸降低，所以壓力也會隨海拔高度的升高而逐漸降低。在實際應用中，應按下式來進行校正：

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

圖17 海拔高度對風扇性能曲線的影響

圖18 海拔高度對系統阻力曲線的影響

5.7.7確定風扇型號的方法
5.7.7.1 先計算實際所須風量：

q`=Q/(0.335△T)……………………………………………(13)

q`---實際所需的風量，m3/h

Q----散熱量，W

△T-- 空氣的溫升，℃，一般為10－15℃。

5.7.7.3 確定風扇的型號

5.7.7.3.1 按經驗公式：按照1.5-2倍的裕量選擇風扇的最大風量：

q=(1.5-2)q` 按最大風量選擇風扇型號。

5.7.7.3.2 按確定工作點的方法

把風道曲線與風扇的靜壓曲線繪在一張圖上，其交點就是風機的工作點。工作點對應的風量若大于冷卻風量，風扇即滿足要求，否則重新選擇風扇，重復上面的工作，直到滿足要求為止。

5.7.8吹風與抽風方式的選擇原則
5.7.8.1優先采用吹風方式，吹風有如下優點：

5.7.8.1.1風量相對較集中，可以以較大的風速針對局部區域進行集中冷卻。

5.7.8.1.2能夠有效防止風扇馬達過熱，提高風扇的使用壽命。

5.7.8.1.3可以以較大的壓力迫使灰塵不能夠在機箱內聚積，而通過出風口或

縫隙流出，原則上可省掉防塵網。

5.7.8.2只有在以下情況下才選擇抽風： 5.7.8.2.1希望流場規則或呈現層流。

5.7.8.2.2進風口無法安裝風扇。

5.7.8.2.3不希望風扇馬達加熱空氣而對后面的元器件產生影響。

5.7.9延長風扇壽命與降低風扇噪音的措施
通常我們在確定風扇型號時，均是按產品工作最惡劣的工況，實際上產品大部分時間工作在輕載狀態，元器件損耗較低，根本不需要風扇高速運轉。風扇高速運轉由兩個壞處：(1)系統噪音太大；(2)風扇壽命會較低。為了解決以上問題，可選用可調速風扇，通過監測元器件或散熱器的溫升來控制風扇的運轉。其原理為溫度傳感器將檢測到的溫度信號送回到監控模塊，監控模塊根據預先設置的溫度范圍來判斷風扇運轉的快慢，并自動調整風扇的電壓來使風扇按規定的轉速運轉。風扇的噪音變化可按等式(1)進行評估，而風扇的壽命預計可按(14)式評估：

L預期＝L10³(U額定/U實際)3³(1/(2(T環-40)/10))……………………….(14)

5.7.10風扇的串列與并聯
5.7.1 風扇的種類

通信產品中運用的風扇有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）三種，它們的典型特性曲線見圖19

圖19 不同類型風扇的靜壓曲線

圖中橫坐標表示風量，單位有m3/h、m3/min、CFM（立方英尺/分鐘，1CFM=4.72X10-4m3/s）。縱坐標表示風扇產生的靜壓，單位有Pa、inch of water(=249Pa)、mm H2o(=9.8Pa)。由圖中可以看出，要使風扇的風量越大，其產生的靜壓就越小，用于克服風道阻力的能力就越小。

從圖中的對比可以看出，軸流風扇風量大、風壓低，曲線中間的平坦轉折區為軸流風扇特有的不穩定工作區，一般要避免風扇工作在該區域。最佳工作區在

低風壓、大流量的位置（曲線的后1/3段）。如果系統的阻力比較大，也可以利用高風壓、低流量的工作區（曲線的前1/3段），但要注意風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風方向垂直，其特點為風壓大、風量低，最好工作在曲線中壓力較高的區域。混流風扇的特點介于軸流和離心之間，出風方向與進風有一傾斜角度，則風量可以立即擴散到插框的各個角落，而且風壓與風量都比較大，但風扇HUB直徑較大，正對HUB的部分風速很低，回流比較嚴重。

目前公司除極個別產品采用混流風扇外，一般都采用軸流風扇。我公司采用的風扇產品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的風扇雖然性能好，但在商務采購上評級為D，不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。

5.7.2 風扇與系統的匹配

空氣流過風道將產生壓力損失。系統的壓力損失有沿程阻力損失和局部阻力損失。沿程損失是由氣流相互運動產生的阻力及氣流與壁面或單板的摩擦所引起的。局部阻力損失是氣流方向發生變化或風道截面發生突變所引起的損失。不管哪種損失，均和當地風速的平方成正比，如局部壓力損失由下式計算

式中為阻力系數，為空氣密度，v為風速。以下是一些典型的局部阻力系數

表7 典型局部阻力系數

空氣由環境大空間進入進風口（流動突縮）
1
空氣由出風口進入環境大空間（流動突擴）
1
空氣經過90°轉彎
1.5

流通面積率為0.3的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2)
18

流通面積率為0.5的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2)
4

流通面積率為0.7的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2)
1

系統的壓力損失與風量呈拋物線關系，風扇產生的靜壓必須克服阻力損失，將風扇的特性曲線與系統的特性曲線畫在同一張圖中，兩條曲線的交點即為風扇與系統的工作點，如圖20所示

圖20 風扇與系統的匹配工作點

圖中表明風扇在該系統中工作時的風量為35m3/s，產生的靜壓為30Pa，系統的壓力損失為30Pa。如果工作點顯示的風量不滿足設計要求，則需要選擇其他型號的風扇來匹配，或設法降低系統阻力，增加風量。

5.7.3 風扇的串并聯

在機柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量，采用風扇并聯使用的方式。風扇并聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加，如圖21所示，實際上一般會比理想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯使用產生的風量并不是僅采用一個風扇時產生風量的兩倍，可能只增加30%，這和系統阻力特性曲線在工作點附近的斜率大小有關。如果系統阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯的數目多到一定程度時，并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯風扇數目不要超過3個，如果插框較寬，可以用4個，縱向上除非插框很深，一般只用一排。

當機柜/箱的阻力較大時，可以采用風扇串聯使用的方式。風扇串聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的縱向疊加，如圖22所示，實際曲線一般會比理論曲線略低。

圖21 風扇的并聯特性曲線圖22 風扇的串聯特性曲線

5.7.4 在實際安裝情況下風扇特性曲線的改變

風扇安裝在系統中，由于結構限制，進風口和出風口常常會受到各種阻擋，

其性能曲線會發生變化，如圖23所示。由圖中可以看出，風扇的進出風口最好與阻擋物有40mm的距離，如果有空間限制，也應至少有20mm。

圖23 風扇特性曲線隨阻擋物的距離發生的變化

5.8防塵對產品散熱的影響
由于吹風與抽風方式對灰塵的吸附強弱是不一樣的，因而對是否安裝防塵網的需求也不一樣。一般來講，安裝防塵網后，元器件的溫升將升高10－15℃，在決定安裝防塵網的產品，必須考慮10－15℃的熱設計冗余。

5.8.1抽風方式的防塵措施
對抽風來講，由于外部壓力大于模塊內部的壓力，灰塵非常容易進入模塊并附著在模塊內部的PCB表面及功率管表面，嚴重影響產品的散熱性能及電氣性能，所以，抽風條件下，必須安裝防塵網。

5.8.2吹風方式下的防塵措施
對吹風來講，由于外部壓力小于模塊內部的壓力，灰塵即使進入模塊內部，也不容易附著在模塊內部的PCB表面及功率管表面上，在壓差的作用下，進入模塊內部的會通過出風口或機箱的縫隙飛出，所有，在吹風條件下，實際上不需要安裝防塵網，這在競爭對手的分散式散熱產品都可以得到驗證，如APC的50A模塊、Delta的50A模塊等。當然，為了照顧特殊應用的場合如室外或比較臟的地方，也可以把防塵網作為選件提供給用戶，但選用使用防塵網時，產品必須降額使用。

如果不加防塵網，散熱器的體積可以減小20％，散熱成本至少可以減少30％，而噪音水平也就更加容易達到標準了。

5.8.3防塵網的選擇方法
5.8.3.1 輸入條件

防塵網的性能需求

防塵網與風扇通風量的匹配需求

安裝防塵網的許可空間

須滿足的標準或規范（NEBS、ETSI、CE、UL60950）

5.8.3.2 選擇防塵網的布驟

5.8.3.2.1 確定防塵網的尺寸（長、寬、高）。

5.8.3.2.2 計算氣流速度

氣流速度＝所須的空氣流量/防塵網的表面積

5.8.3.2.3 確定防塵網的回收方式：一次性使用或可重復使用。

5.8.3.2.4 根據防塵網供應商提供的初阻力與來流速度的關系曲線(數據表)來初步選定防塵網的型號。