【導讀】當涉及到處理系統(tǒng)中的多余熱量時,風扇是一種常用的熱管理解決方案,用于清除不必要的熱量,并為關鍵部件提供冷卻空氣。除了限制系統(tǒng)功率、增加散熱器或利用管道或冷卻板之外,往往還需要產(chǎn)生加壓氣流來進一步冷卻機件。
風扇有軸流式或離心式兩種設計,工程師必須在這兩者之間做出選擇。雖然這不是一個怎么復雜的決定,但亦有一些基本信息需要了解。本文旨在概要性介紹每種類型風扇的基本工作原理,討論其常見的應用和用途,并總結(jié)各自的優(yōu)點和缺點。
軸流式風扇特性和應用
軸流式風扇有時被稱為螺旋槳風扇,軸流風扇的特點是有傾斜的葉片安裝在一個旋轉(zhuǎn)軸(或軸)上,由電機驅(qū)動。軸流風扇的工作原理是將空氣從一端抽進,并以與軸線平行的方向?qū)⑵鋸牧硪欢舜党觯▓D1)。管裝式軸流或翼軸式風扇是另外兩個常見的術語,它們是指為適應管道應用而設計的軸流式風扇。
圖1:軸流風扇的基本氣流方向。(圖片來源:CUI Devices)
軸流風扇幾乎有任何尺寸,從板級到房間大小,雖然功率與尺寸相關,但通常不需要太大的功率來操作。它們分交流和直流兩種版本,交流風扇利用線路電流,通常額定電壓超過 100V,而直流風扇承載的電壓則低得多,在3V至48V范圍內(nèi),通常由電池或電源驅(qū)動。
軸流風扇產(chǎn)生的氣流是高容量的,但壓力低。這種高容量、低壓力的輸出使之非常適用于冷卻設備和大小空間,因為氣流被均勻地分布在一個確定的區(qū)域。軸流風扇常用于冷卻計算機或數(shù)據(jù)中心設備,在HVAC、AC冷凝器或熱交換裝置中使用,并用于工業(yè)系統(tǒng)的定點冷卻。它們也可以作為排氣扇使用。
離心式風扇特性和應用
離心式風扇也被稱為徑向風扇或離心風機,其特點是葉輪包含在電機驅(qū)動的輪轂中,將空氣吸入殼內(nèi),然后從與進氣口成90度角(垂直)的出口排出(圖2)。
圖2:離心式風扇的基本氣流方向。(圖片來源:CUI Devices)
作為高壓力、低容量的輸出設備,離心式風扇基本上是在風扇外殼內(nèi)對空氣進行加壓,從而產(chǎn)生穩(wěn)定、高壓的氣流,但與軸流式風扇相比,其容量較有限。因為它們從一個出口排出空氣,所以它們是針對特定區(qū)域的氣流的理想選擇,可冷卻系統(tǒng)中產(chǎn)生較多熱量的特定部分,如功率FET、DSP或FPGA。與其對應的軸流產(chǎn)品類似,它們也有交流和直流版本之分,有一系列的尺寸、速度和封裝選擇,但通常消耗的功率更多。其封閉式設計確實為各種運動部件提供了一些額外的保護,使它們成為可靠、耐用和抗損傷的選擇。
離心式和軸流式風扇都會產(chǎn)生可聞和電磁噪聲,但離心式設計往往比軸流式型號更響。由于這兩種風扇設計都使用電機,EMI效應會影響敏感應用中的系統(tǒng)性能。
離心風扇的高壓、低容量輸出最終使其成為管道或管道系統(tǒng)等集中區(qū)域的理想氣流(圖3),或用于通風和排氣。這意味著它們特別適合用于空調(diào)或干燥系統(tǒng),而前面提到的額外耐用性可以允許它們在處理微粒、熱空氣和氣體的惡劣環(huán)境中運行。在電子應用方面,離心式風扇由于其扁平的外形和較高的方向性(排出氣流與進氣口成90度),通常用于筆記本電腦。
圖3:管道系統(tǒng)中使用的離心式風扇。(圖片來源:CUI Devices)
風扇的EMI和噪聲問題
風扇產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 是一個重要的設計考慮因素,要在早期就考慮到。所有的風扇都會產(chǎn)生來自風扇本身的輻射EMI或來自電源線的傳導 EMI。電機磁鐵和定子繞組產(chǎn)生的非封閉式磁場 (UMF) 也會導致干擾。雖然是應用特定的,但如在設計早期階段就仔細考慮,后期將會節(jié)省時間和金錢。一般來說,直流電扇比交流電扇產(chǎn)生的EMI要少。
圖4:軸流風扇往往比離心風扇產(chǎn)生更少的噪聲。(圖片來源:CUI Devices)
另一個應用特定的設計考慮是風扇產(chǎn)生的可聞噪聲。噪聲因應用、元器件的密度、在系統(tǒng)中的位置、風扇的大小、移動的空氣量、使用的軸承類型等而各不相同。風扇中的軸承不僅影響發(fā)出聲音,而且會影響其壽命和潛在的應用性能??陕勗肼曂ǔ?梢酝ㄟ^更好的風扇位置、機械隔離,或使用進氣格柵或出氣導葉來緩解。一般來說,有一個判斷可聞噪聲大小的經(jīng)驗,即CFM或空氣流量越高,則可聞噪聲就越大。也就是說,如果CFM額定值差不多,但一個風扇較大,另一個風扇較小,那么較大的風扇通常會讓解決方案整體更安靜。綜上所述,軸流式風扇設計通常比離心式更安靜。
兩種風扇綜合比較
為了幫助大家厘清思路,這里是對軸流式和離心式風扇的各種優(yōu)點、缺點和特性做一快速比較。最佳選擇決策完全取決于預期的應用、可用的空間和最終系統(tǒng)的整體散熱要求。
圖5:軸流式和離心式風扇基本特征比較。(圖片來源:CUI Devices)
本文小結(jié)
使用軸流式風扇或離心式風扇可以有效地清除電子系統(tǒng)中不必要熱量,降低電子元器件的溫度。通過多年的使用和不斷的改進,這兩種風扇都已在各自的領域獨領風騷。CUI Devices提供各種框架尺寸和額定風量的直流軸流風扇和離心風扇,可幫助工程師滿足特定熱管理要求。
來源:DigiKey
作者:Ryan Smoot
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