電子設備強迫風冷設計指南

1、電子設備強迫風冷設計指南電子設備強迫風冷設計指南 目錄目錄1.1.相關知識相關知識.32.2.溫升的要求溫升的要求.33.3.風機的選擇和使用風機的選擇和使用.33.1.系統(tǒng)需求的風量大致計算方法 .33.2.風機的選擇 .33.3.風機的功率、效率和特性曲線 .43.4.系統(tǒng)阻力特性與風機工作點的確定 .43.5.風機的串連和并聯(lián)使用 .53.6.風機的噪聲 .63.7.風機的安裝位置 .84.4.結(jié)構(gòu)因素對風冷效果的影響結(jié)構(gòu)因素對風冷效果的影響.114.1.開孔設計 .114.2.常見的開孔模式 .124.3.外殼出風口的設計 .124.4.風機的位置 .134.5.風道的結(jié)構(gòu)形式 .13

2、4.6.元件的排列與走線 .154.7.熱源的位置 .154.8.漏風的影響 .15第 2 頁 共 16 頁1.1. 相關知識相關知識1)強迫風冷是利用風機驅(qū)使工作的氣流經(jīng)過發(fā)熱表面，把熱量帶走的一種冷卻方法，氣流的速度越高，帶走的熱量越多，電子設備中，強迫風冷的散熱能力要比自然散熱的能力大 10 倍左右。2)流體在流動時，不一定是先向距離近的方向流動，而是先向流動阻力小的方向流動。2.2. 溫升的要求溫升的要求1)根據(jù) IEC 的要求: 在正常使用時（環(huán)境溫度為 35 度） ，可能與患者短時間接觸的設備部件，其表面最高溫度不超過 50 度。2)根據(jù)東芝的要求: 在正常使用時（環(huán)境溫度為 35

3、 度） ，機箱內(nèi)空氣的最高溫升不允許超過 15 度。3)FDA 的要求： 在環(huán)境溫度 35條件下，工作中產(chǎn)品的可觸摸表面溫度不得超過50。如果同病人接觸，則不得超過 41。如果超過 41，則必須進行科學的解釋，并提供數(shù)據(jù)以證明不會危及病人安全。3.3. 風機的選擇和使用風機的選擇和使用3.1.3.1.系統(tǒng)需求的風量大致計算方法系統(tǒng)需求的風量大致計算方法1)測定設備的規(guī)格和工作條件：V: 整個系統(tǒng)所產(chǎn)生的總熱量（W）=100(W)T:系統(tǒng)內(nèi)部溫度上升（K）=15度2)計算冷卻所需的空氣流量：Q：馬達的空氣流量（m/min）Q：=V/(20T)=100/20*15=0.33（m/min）3) 選用

4、風扇：Q: 最大空氣流量（m/min）：Q=Q*2/3Q: = Q*3/2=0.33*3/2=0.5（m/min）確認所選用的風扇是否正確。3.2.3.2.風機的選擇風機的選擇軸流式風機就是空氣進出口的流動方向與葉輪軸線平行，其特點是風量大，風壓小，軸流式風機可以裝在而不改變氣風道中氣流的方向，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為： 螺旋漿式 ：普通的電風扇或排氣扇就是這種類型。一般用于空氣循環(huán)裝置。 園筒式：其特點是螺旋漿形葉輪的外面有圓筒，其葉尖漏損小，效率較高。 導頁式：其結(jié)構(gòu)與圓筒式的相同，僅在出口或進口處加裝導風葉。用以引導氣流，減少渦流損失，此種風扇效率高，靜壓效率一般可達 95。第 3 頁 共

5、16 頁圓筒式和導頁式風機用于中，低系統(tǒng)阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設備的冷卻，當電機用 400Hz 電源時，由于電機轉(zhuǎn)速高，軸流式風機的性能有較大的提高。但這種小型高速的風機產(chǎn)生的噪聲大（一般在我公司不推薦使用） 。 選擇風機時，應考慮的因素包括：風量,風壓,效率，空氣流速，系統(tǒng)或風道的阻力特性，應用環(huán)境條件，噪聲，以及體積，重量等，其中風量和風壓是主要參數(shù)，對于我公司生產(chǎn)的設備，要求風量大，風壓低，一般要采用軸流式風機，風機的類型確定后，再根據(jù)工作點來選擇具體的型號和尺寸。風機在工作時的噪音應控制在一定的范圍，以免影響到人員的正常工作。選擇風機時，盡量用轉(zhuǎn)速較低的風扇，可減少氣流的沖

6、擊，降低噪聲。3.3.3.3.風機的功率、效率和特性曲線風機的功率、效率和特性曲線當不計一切的損失時，單位時間內(nèi)流過風機的空氣所做的功，稱為空氣的理論功率，也就是風機的動力輸出，風機的動力輸入稱為風機的軸功率，風機的動力輸出與動力輸入的比值稱為風機的效率。風機特性曲線是指風機在某一固定的轉(zhuǎn)速下工作時，靜壓，效率，和功率隨風而變化的關系曲線，一般以風量為橫坐標，壓力，功率或效率為縱坐標。當風機出口封閉時，沒有氣流， （風量為零， ）靜壓最大，當風機不與任何風道相聯(lián)時，其靜壓為零，而風量達到最大，在這兩個極點間有一點的效率最高，風機在效率最高的點附近工作時，功率消耗最小。這就需要選擇最佳風機，以便

7、滿足空氣流量和靜壓的要求。軸流式風機特性（ ）（ ）（ ）風量功率靜壓效率風量風量靜壓3.4.3.4.系統(tǒng)阻力特性與風機工作點的確定系統(tǒng)阻力特性與風機工作點的確定風機的總壓力是用來克服系統(tǒng)（或通風管道）的阻力,并在出口處形成一定的速度頭，系統(tǒng)（或通風管道）的阻力曲線是通風冷卻系統(tǒng)的靜壓與空氣流量的特性曲線，與流量的平方成正比。下圖中 1, 2，3 分別代表不同風道的特性曲線（1曲線表明系統(tǒng)風道的阻力最大，3最小，設計要讓系統(tǒng)的阻力盡量?。?，風道的特性曲線與通風機的特性曲線的交點就是這個通風機的工作點。為了保證足夠的風量，在選擇風機時，應有一定的余量。第 4 頁 共 16 頁 靜壓風量風機工作

8、點的確定3.5.3.5.風機的串連和并聯(lián)使用風機的串連和并聯(lián)使用所選風機的風量或風壓不能滿足要求時，可以采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式來滿足要求。1)風機的串聯(lián)使用當風機的風量能滿足要求，而風壓不夠時，可采用兩只通風機串聯(lián)使用，以提高其工作壓力，風機串聯(lián)時，其工作特性曲線發(fā)生變化，風量基本上不變（略有增加） ，而風壓倍增，當風道曲線比較陡時，也就是說，風道的阻力比較大時，可采用串聯(lián)形式。 風道特性串聯(lián)靜壓風量風機串聯(lián)特性曲線2) 風機的并聯(lián)使用風機并聯(lián)使用時，其風壓比單個的風機的風壓稍有提高，而總的風量是各風機風量的和，當風道曲線較平坦，需加大風量時，可采用并聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)的優(yōu)點是氣流路徑短，阻力損失小。

9、氣流分布比較均衡，但效率低。第 5 頁 共 16 頁并聯(lián)風道特性靜壓風量風機并聯(lián)特性曲線3.6.3.6.風機的噪聲風機的噪聲DigiQlo 的噪聲要求：離機器的前面把手 0.5 米，離地面 1 米，噪聲不大于 45 dB；離機器的后面 1 米，離地面 1 米，噪聲不大于 50 dB。3.6.1.3.6.1.風機安裝對噪聲的影響在選擇電子設備冷卻的風機時，噪聲是應重點考慮的因素之一。噪聲的大小與風機安裝方法有較大的關系，從風機抽出來的風如果沖擊到帶孔的鈑金件或塑膠件上時，會產(chǎn)生較大的噪聲。對于 DigiQlo I/0 背板上 D08T-12PG 安裝如下圖： 當風扇分別懸空 0mm, 4mm,

10、10mm 時，測得的機器的噪聲如下表（測量機器的后面，大約距地面，距機器各 1m。地點在邁瑞一樓多功能廳，正常上班時間）第 6 頁 共 16 頁：風扇懸空距離對應噪聲有后殼無后殼 10mm47.3 dB4 mm46.8 dB0 mm45.6 dB45.6 dB46.2 dB從上表可以看出，該種安裝方式，當風扇懸空時，在風扇與鈑金件之間加墊片，（懸空的高度在 010mm） ，噪聲會加大。且有塑膠外殼罩住時，噪聲會有所減小。 當風扇用另外一種安裝方式，如 2300 的出風設計，風扇固定在鈑金件上，向外抽風，如下圖：當風扇懸空時，在風扇與鈑金件之間加墊片， （懸空的高度在010mm） 。測得數(shù)據(jù)如下

11、表格所示：當間距在 0-4mm 之間時，噪聲會減小，但再增大間距，噪聲變化不明顯。風扇懸空距離0 mm2 mm4mm 6mm8mm 對應噪聲49.7 dB45.7 dB38.3 dB39.6 dB39.7dB另外，在出風口加尼龍布防塵網(wǎng)，也會對噪聲有減小。第 7 頁 共 16 頁下圖 PM-9000 上的風扇安裝，當把后殼上出風口筋內(nèi)側(cè)修大約 R0.8 時，離出風口約 20cm 時測噪聲，結(jié)果是有 R0.8 比沒有 R 要小約 2 Db.（地點時間同上） 3.6.2.3.6.2.噪聲的評估測試過程中發(fā)現(xiàn)東芝便攜式 B 超的噪聲從聲強上比 2300 低一點,但是實際感覺 2300 卻刺耳的多,感

12、覺上是 2300 的噪音頻率比東芝的要高,由于人耳對噪音的感覺不單是聲強決定的,和聲音的頻率也有很大關系,所以降低 2300 發(fā)出噪聲的頻率對此問題會有改善作用3.7.3.7.風機的安裝位置風機的安裝位置3.7.1.3.7.1.根據(jù)東芝在這方面的設計經(jīng)驗，風機的安裝非常講究：外殼進風孔（或出風孔）的總面積要不小于風機總的通風面積。風機不論是抽風還是鼓風，安裝時都最好不要直接貼裝在開孔的鈑金上，因為這樣會出現(xiàn)較陡的風道特性曲線。單位時間的通風量會比預計的通風量減少，對散熱不利。最好的是把風扇懸空，不論是出風口還是進風口，都在外面加開孔的屏蔽罩，并且開孔面積不小于風扇的通風面積，屏蔽罩離通風機有

13、810mm 的距離。這樣保證風機是工作在風道阻力最小的點上，單位時間內(nèi)的通風量最大。散熱最好。倒圓角 R0.8第 8 頁 共 16 頁DigiQlo 的進風組件 , 風扇懸空如圖上圖是 DigiQlo 的進風組件，其風扇罩離風扇 10mm。 第 9 頁 共 16 頁 上圖是 DigiQlo 出風組件，其風扇罩離風扇 8.5mm。另外，如果在安裝空間上如果確有問題，也可以用如下的安裝方法讓風扇懸空4-6mm。 （在風扇與鈑金件間加一墊片）第 10 頁 共 16 頁3.7.2.3.7.2.根據(jù)邁瑞在鴻基公司做的試驗，風扇安裝在開孔的鈑金表面（鈑金件孔徑D=4mm,孔中心距為 5mm)，懸空 4.5

14、-6mm 或 10mm 時，風量與靜壓的關系曲線如下圖。00.511.522.501234567 Q(CFM)Ps(mmAq)風扇與鈑金間D=0mm風扇與鈑金間D=4.5mm風扇與鈑金間D=10mm風扇 P1124010H 安裝在不同位置時的特性曲線00.511.522.50510152025 Q(CFM)Ps(mmAq)風扇到鈑金件的距離D0mm風扇到鈑金件的距離D6mm風扇到鈑金件的距離D10mm風扇 D08T-12PH 安裝在不同位置時的特性曲線由上圖可以看出，兩款風扇的出風量都與安裝形式有較大的關系，風扇懸空 4-10mm 時，通風量有較大改善。第 11 頁 共 16 頁4.4. 結(jié)構(gòu)

15、因素對風冷效果的影響結(jié)構(gòu)因素對風冷效果的影響4.1.4.1.開孔設計開孔設計開孔區(qū)域最大化的優(yōu)點：開孔區(qū)域的最大化可以減低所需氣流的速度和壓力。開孔率（FAR）：開孔的面積/全部的面積，建議鈑金件設計安裝風扇時，開孔率設計在60以上。4.2.4.2.常見的開孔模式常見的開孔模式如下所示：80的開孔率和 56的開孔率比較，對氣流的阻力減小 88。第 12 頁 共 16 頁4.3.4.3.外殼出風口的設計外殼出風口的設計外殼出風口的設計要注意以下幾點：4.3.1.4.3.1.避免有氣流的瓶頸，出風口的面積和入風口的面積以及風扇的有效面積相當。減少轉(zhuǎn)交和較平滑的轉(zhuǎn)交設計對氣流有較小的阻力。4.3.2

16、.4.3.2.出風口要設計和加工得比較圓滑，沒有毛刺，可減少氣流的沖擊產(chǎn)生噪聲。4.4.4.4.風機的位置風機的位置強迫通風冷卻時，氣流的方向及風機的位置都將影響冷卻效果，常用的有如下幾種方法：軸流式吹風系統(tǒng)，風機位于冷空氣的入口處，把冷空氣直接吹入機箱內(nèi)，可以提高機箱內(nèi)的空氣壓力，并產(chǎn)生一定的渦流，改善換熱性能，通常當熱源較集中，并且吹風可以直接吹向熱源時，可用吹風系統(tǒng)冷卻（太空的一款電源盒就是這種形式） 。但是，在吹風系統(tǒng)中，風機的電機的熱量也被冷空氣帶入機箱，影響散熱效果。好處是便于設計防塵。軸流式抽風系統(tǒng)，是從機箱內(nèi)抽出受熱的空氣，將在機箱內(nèi)減小內(nèi)部的空氣壓力，風機電機的熱量不會進入機

17、箱，而且還可從機箱的其他縫隙中抽入一部分冷空氣，以提高冷卻效果。 （我公司的監(jiān)護產(chǎn)品都是這種冷卻形式）軸流式吹風系統(tǒng)與軸流式抽風系統(tǒng)并用，或同時還有多級風扇串聯(lián)，由于機箱內(nèi)的系統(tǒng)阻力太大，或風道太長，單是抽風或吹風不能滿足要求。如我公司的推車式 B 超系統(tǒng)就是這種散熱方式。不論有無縫隙時，抽風的冷確效果比吹風好。第 13 頁 共 16 頁4.5.4.5.風道的結(jié)構(gòu)形式風道的結(jié)構(gòu)形式合理地組織氣流沿預定的流道流動，稱為風道設計，應注意一下幾個方面：1)射流式風道風機輸出來的氣流不與固定的邊界相接觸，以自由的擴散的形式對發(fā)熱單元進行冷卻，這種風道的冷卻效果差，能源消耗大。2)具有平行風道的冷卻系統(tǒng)

18、，要求有氣流進入機箱后形成高的靜壓（機箱內(nèi)的某點的空氣壓力）和低的動壓（機箱內(nèi)兩點間空氣流動的壓力損失） ，以便提高冷卻效果，降低出口和彎曲處的壓力損失，如果機箱比較長，功率較大，而風道截面不增加時，則必須增加冷卻空氣的流速,如圖(a)所示的結(jié)構(gòu)，上下風道截面不變時，氣體流到下風道叉口處膨脹，壓力上升，而且可能出現(xiàn)下風道口的壓力大于上風道口的壓力，將導致氣流回流，為了防止氣流回流，進口風道的截面積應大于各部分支風道的截面積的總和。3)如圖（b）所示，采用錐形風道時，可使上主風道中任一點的截面積大于支風道的截面積。進風口和出風口的面積也不要小于通風機的最大通風面積。否則會產(chǎn)生較大的阻力，也就是說

19、，系統(tǒng)的阻力特性曲線會越陡，單位時間內(nèi)的通風量會越小，對散熱越不利。另外，特別注意要讓冷卻空氣從熱源中流過，防止氣流短路。低靜壓區(qū)高靜壓區(qū)高速氣流回流出口(a)第 14 頁 共 16 頁 (b)錐風道出口入口 風道結(jié)構(gòu)形式的影響4)風道布置的注意事項：風道要短而直，拐彎要少，必須采用拐彎時，盡量加大拐彎的半徑，以減少局部的壓力損失。在結(jié)構(gòu)尺寸不受影響時，增大風道面積可減小壓力損失，同時可降低風機的噪聲。當風道進口需要安裝防塵網(wǎng)時，在防塵的效果和流體阻力之間要權衡，同時防塵網(wǎng)要在系統(tǒng)外面可拆洗，以保證能定時清潔防塵網(wǎng)，防止陼塞網(wǎng)眼。 （東芝推薦 DigiQlo 的防塵網(wǎng)為線徑 0.15mm，每平方厘米 60 目的不繡鋼網(wǎng)） ，特別注意的是：加了防塵網(wǎng)會減小實際的通風面積，但此時實際的通風面積仍不能小于風機的有效通風面積。系統(tǒng)的進出風口盡量遠離，避免出現(xiàn)熱空氣的循環(huán)。4.6.4.6.元件的排列元件的排列與走線與走線4.6.1.4.6.1.為了提高冷卻效果，在冷卻氣流流速不大的情況下,元件應按叉排列方式，這樣可以提高氣流的紊流程度，增強散熱能力，如 DigiQlo 的放大板上，發(fā)熱的器件在 PCB 的兩面同一位置從上到下一線排列，導致在該板的 U2