散热风扇技术文档

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 散热风扇 目录:

 风扇散热使命-----------------------------------------------------------------------------------------3 风扇基础知识-----------------------------------------------------------------------------------------3

 风扇结构介绍-------------------------------------------------------------------- --------------3

 风扇组成------------------------------------------------------------------- --------------4

  风扇转子-----------------------------------------------------------------------------4

  扇叶-----------------------------------------------------------------------------------4

  铁壳-----------------------------------------------------------------------------------6

  磁带-----------------------------------------------------------------------------------6

  轴心-----------------------------------------------------------------------------------6

  定子组合-----------------------------------------------------------------------------6

  风扇的 轴承系统--------------------------------------------------------------------------------7

 散热风扇的分类及特点-----------------------------------------------------------------------8

  轴流风扇--------------------------------------------------------------------- -------------8

  滚珠轴承-----------------------------------------------------------------------------9

  1、单滚珠轴承------------------------------------------------------------------9-

  2、双滚珠轴承-------------------------------------------------------------------9

  含油轴承-----------------------------------------------------------------------------10

 液压来福轴承----------------------------------------------------------------------11

 磁悬浮轴承-------------------------------------------------------------------------11

  离心风扇------------------------------------------------------------------------------------12

  混流风扇----------------------------------------------------------------------------- ------12

  贯流式风扇---------------------------------------------------------------------------------12 风扇尺寸风格-------------------------------------------------------------------------- ---------13 风扇电气参数--------------------------------------------------------------------------- --------13 风扇基本原理----------------------------------------------------------------------- ------------14

  DC 风扇原理-------------------------------------------------------------------------------14

  AC 风扇原理-------------------------------------------------------------------------------15 散热风扇性能-------------------------------------------------------------------------- ---------15

  功率------------------------------------------------------------------------------------------16

  启动电压--------------------------------------------------------------------------------- --16

  风 风量 量------------------------------------------------------------------------------------------16

  风压------------------------------------------------------------------------------------------17

  转速------------------------------------------------------------------------------------------19

  噪音------------------------------------------------------------------------------------------20

  风扇噪音来源-------------------------------------------------------------------------20

  如何达成低噪音----------------------------------------------------------------------21

 风扇 FG 信号-------------------------------------------------------------------------------21

  风扇 PWM 信号----------------------------------------------------------------------------22

  寿命-------------------------------------------------------------------------------------------23 风扇应用及选型------------------------------------------------------ --------- -----------------------24 如何选择正确的风扇或鼓风扇----------------------------------------------------------------24 系统设计的重点(吹气式和抽气式)------------ ----------- ----------------- ---- --- ----31 干扰问题-------------------------------------------------------------------------------------------31 降低系统噪音的原则----------------------------------------------------------------------------32

 风扇比较应用------------------------------------------------------ --------- --------------------32

 不同尺寸的风扇特性去向比较----------------------------------------------------------33

 风扇串并联应用----------------------------------------------------------------------------33 风扇尺寸规格选择注意事项-------------------------------------------------------------------34 风扇的应用---------------------------------------------------------------------------------- -----34 风扇常见失效-------------------------------------- --------------------------- ------------------34 风扇使用注意事项-------------------------------------------------------------------------------35 风扇料号编码原则-------------------------------------------------------------------------------36

  风扇散热使命

  随着科技的不断进步, 电子产品的功能愈强,个人电脑、视频监控、路由器、交换器等电子设备的普及,设备的功能的不断强大、电子元件的集成度愈发强大,电子元件所产生的热量和噪音,却让我们感到厌烦,因此电子元件的散热变的愈加重要。

  风扇是利用强制热对流的方式散热,他凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式。

  风扇基础知识

 风扇按照供电电压类型可分为直流无刷风扇和交流风扇两类,按照入风面和出风面方向上的差异,可以分为轴流风扇和离心风扇,按照轴承不同,也可分为滚珠轴承风扇和含油轴承风扇。

  直流无刷风扇工作原理: 风扇转子上存在磁性橡胶磁铁,电路板上霍尔元件会感应其磁场,以此决定电路对矽钢片上绕线线圈的通断电,两个磁场间产生的吸斥力推动风扇转动,霍尔同步感应橡胶磁铁磁极后再切换通电线圈,从而使风扇可以持续运转。

 交流风扇运转原理: 交流风扇线圈通电方向本身就在不停切换,所以不需要霍尔感应即可产生吸斥力,推动风扇运转。

 风扇广泛应用在家电、IT、通讯、制冷、暖机、工业、办公等多个领域中,只要是需要增强或加快空气流通的环境都可能选用风扇来完成。

 目前在风扇业界较有名的厂商有EBMpapst、施乐百、台达、NMB、Nidec、Sanyo Denki、Rosenberg、Comair rotron、AVC、ADDA 等。

  风扇结构介绍

 风扇组成

 风扇由转子组合(rotor assembly)、定子组合(stator assembly)、轴承系统(bearing system)、弹簧(spring)、固定环(ring)以及其他一些辅助材料组成。

 1.

 风扇转子

 转子组合主要包括有扇叶(impeller)、铁壳(case)、磁带(magnet)、轴心(shaft)组成。

 2.

 扇叶

 轴流风扇扇叶一般为翼型(air foil)叶,离心风扇情况有弧形叶、直板叶、翼型叶,按照扇叶角度又可分为前擎叶和后擎叶。

 这里介绍几种 扇叶参数对风扇性能的影响:

  叶片倾角:倾角越大,叶片上下表面间压力差越大,相同转速下风压越大。但上表面压力过大,可能产生回流现象,反而降低风扇性能。因此,叶片倾角也应在一定限度内提升。

  叶片曲率:在一定范围内,叶片曲率越大,相同转速下,气体动能也就越大,即风量与风压越大;同时,叶片所受的阻力也越大,要求电机的扭力更大。

 左边猫头鹰 NF-P12 叶片曲率较小,右边安耐美火蝠叶片曲率较大。

   叶片数目:各种规格风扇叶片的截面曲线、倾角等基本相若,每片叶片宽度往往取决于扇叶的高度。为了保证叶片间距不致过大,影响风压,径高比较小(即相对较薄)的风扇多采用增加叶片数目的方法弥补。不论叶片数目是多是少,轴流风扇的叶片数目却往往是 3、7、11 等奇数,这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶,又没有调整好平衡,很容易使系统发生共振,倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳,将会使叶片或心轴发生断裂,因此多设计为关于轴心不对称的奇数片扇叶设计。这一原则普遍应用于包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。

 左图的猫头鹰 NF-S12 扇叶为 7 片,右侧 NF-P12 扇叶为 9 片。

  叶片光滑度:这是一项非设计因素影响的指标,基本上取决于生产者的模具成形与后期处理工艺。在设计曲线之外,叶片上的不平整会在旋转中产生紊流,增加摩擦,降低风扇效率,折损风扇性能,增大工作噪音。

  从叶片光滑度来讲,左图酷冷至尊的 UV 扇是光滑扇叶的代表,右侧的 NF-S12B表面有些许颗粒感。

   叶片弧度:扇叶除了在截面上具有一定曲率外,在俯视平面内也并非沿着径向笔直延伸,而是向着旋转方向略有弯曲,呈一定弧度。如果叶片沿径向笔直延伸,风扇旋转所带动的气流在出风口一侧将呈散射状,送风距离短,且“力量”不集中;如现行产品版向着旋转方向略有弯曲,呈一定弧度,则可保证吹出气流集中在出风口正前方的柱状空间内,增加送风距离与风压。

  左边 EVERFLOW 的风扇弧度较右边台达风扇弧度更大。

  主轴直径:由于电机与轴承的存在,轴流风扇主轴所在的中心部分难免存在无气流通过的盲区,主轴直径便决定着此盲区的大小。主轴直径的大小则主要取决于风扇电机的功率——大功率的电机需要更大的定子绕组线圈,必然占用更多的空间,在无法纵向扩展(增加高度)的情况下,便只好横向扩展(增大面积)。

 NMB-B19 额定功耗为 2.64W,猫头鹰 NF-P12 额定功耗 1.08W。因此 B19 的电机直径大于 P12。

 •

 扇叶平衡:扇叶的物理质心与轴心不在同一轴上,扇叶在运转时会造成扇叶的不平衡,即震动。

 3. 铁壳

 风扇铁壳一般是转子磁场的载体,在直流风扇上使用的多为 SECC 冲压,在交流风扇上铁壳兼作驱动磁极使用,所以多为的多为磁性材料35H440。

 4.

 磁带

 直流风扇使用的磁带多为 BQC14(TDK 型号),交流风扇使用铁芯磁极,多使用矽钢片叠片 ,不使用橡胶磁带。

 5.

 轴心

 轴心一般选用 SUS 不锈钢材料车削加工,直流无刷风扇一般选用材质SUS420。

 6. 定子组合

 定子即风扇上不转动的部分。对直流无刷风扇而言,它包括有矽钢片、漆包线、电路板、固定框等;对交流风扇而言,它包括有矽钢片、绕线、固定框。一般直接将绕线线圈叫做定子。

 1) 矽钢片

 矽钢片一般是含硅量在 0.8~4.8%的硅钢,低硅片含硅2.8%以下,它具有一定机械强度,主要用于制造电机,俗称电机硅钢片;高硅片含硅量为2.8%-4.8%,它具有磁性好,但较脆,主要用于制造变压器铁芯,俗称变压器硅钢片。风扇常用材质为35H440(日本牌号),冲压单片后采用叠片堆砌的方式,层与层之间绝缘。

 2)

 漆包线

 漆包线一般为铜线外部包一层绝缘膜,绝缘膜不同其耐温也不一样,多数风扇制造厂商选用 (聚胺基甲酸脂漆包线(型号为UEW),它以Polyester-thane 树脂为主体的油脂为绝缘皮膜烤漆於导体而成;其的最大特性为可直接焊锡且耐热等级为 130℃(B 级),如果耐温达不到要求,则可能选用聚脂漆包线(型号为PEW),它以Polyester 树脂为主体油脂为绝缘皮膜烤漆於导体而成;其的耐热等级为155℃(F 级)。

 3) 电路板

 一般交流风扇没有电路板,直流无刷风扇用电路板控制风扇磁极切换,以达到驱动的目的。风扇电路板裸板材质为FR-4,一般厚度分为0.8mm、1.0mm、1.2mm,又可分为单层板、双层板、四层板。

 4) 固定框

 风扇的扇框一般起固定作用,因为定子固定在上面,同时固定风扇也是利用扇框上的安装孔。风扇扇框另外一个作用就是导流,部分风扇设计时设计了导流叶,则导流后静压就更好,从而提高风扇的使用特性。

  风扇的 轴承系统

 轴承是风扇寿命关键器件,其类型包括有滚珠和含油两种。轴承作为风扇寿命的瓶颈因素,同时也对风扇的工作噪音、制造成本有着重要的影响。使用含油轴承,风扇的噪音和成本都相对较低,但是对应扇叶朝下、高温环境或大尺寸风扇(轴流风扇12cm 以上,离心风扇7cm 以上)的应用,可靠性较低,此时选用滚珠轴承会较好。

 下图是各类轴承对应的寿命、工艺、噪音、价格关系,实际的寿命数值不一定准确,使用含油轴承的优势在于噪音小、成本低,在耐温和安装方向上可能不及滚珠轴承设计的自由度大,因为在高温或者倒立使用的情况下,含油轴承的使用寿命可能会比较低。( 下图只做参考)

  散热风扇的 分类及 特点

 通常,根据散热风扇的进出气流流向,可将其分为以下几类:

 一、扇 轴流风扇

 流风扇的叶片推动空气以与轴相同的方向流动(如上图)。轴流风扇的叶片推动空气以 与轴相同的方向流动。轴轴流风扇的叶轮和螺旋桨有点类似,它在工作时,绝大部

 分气流的流向与轴平行,换句话说就是沿轴线方向。轴流风扇当入口气流是 0 静压的自由空气时,其功耗最低,当运转时会随着气流反压力的上升功耗也会增加。轴流风扇通常装在电气设备的机柜上,有时也整合在电机上,由于轴流风扇结构紧凑,可以节省很多空间,同时安装方便,因此得到广泛的应用。

 其特点:较高的流率,中等风压

 以下介绍几种 常见轴承

 风扇的轴承系统一般建议最好选用 滚珠轴承,因为扇热风扇的寿命通常取决于其轴承的可靠性,滚珠轴承系统已被证实具有高效率与低生热的特点。滚珠轴承属滚动摩擦,由金属珠滚动,接触面小,摩擦系数小;而 含油轴承为滑动摩擦,接触面大,长期使用后,油会挥发,轴承容易磨损,摩擦系数大,后期噪音较大,寿命短。品质好的风扇除了通风量大、风压高以外,可靠性也是非常重要的,风扇使用的轴承形式在此显得非常重要。

 高速风扇一律使用滚珠轴承(Ball bearing)

 )

 而低速风扇则使用成本低廉的含油轴承( (Sleeve bearing )。

 含油轴承风扇只用一个轴承;而滚珠轴承风扇都需要两个轴承,单滚珠轴承,是“1 Ball + 1 Sleeve”,依然带有含油轴承的成分。比单滚珠更高级的是双滚珠轴承,即 Two Balls。含油轴承寿命一般为 10000 小时,单滚珠轴承为 30000 小时,双滚珠轴承为 50000 小时以上(环境温度均设定在 25℃以下时)。风扇使用的含油轴承由铜基粉末烧结而成,使用含油轴承需加润滑油以减少滑动摩数,润滑油由锂基润滑脂加特制机油调制而成。随着长时间的运转,轴承内的机油会挥发而变干,摩擦系数增大,风扇运转受影响,可能出现异音,转速偏慢甚至不转现象。而滚珠轴承由滚动摩擦取代了滑动摩擦,摩擦系数小并克服了摩擦系数容易变的缺点,因而运转稳定性强,寿命相对要长得多。

  散热风扇的常见轴承有:滚珠轴承,含油轴承,磁悬浮轴承。

 承 滚珠轴承 滚珠轴承(Ball Bearing)改变了轴承的摩擦方式,采用滚动摩擦,两个铁环中间有一些钢球或者钢柱,并辅以一些油脂润滑。这一方式更为有效的降低了轴承面之间的摩擦现象,有效提升了风扇轴承的使用寿命,也因此将散热器的发热量减小,使用寿命延长。所带来的缺点就是工艺更为复杂,导致成本提升,同时也带来更高的工作噪音。

  单滚珠轴承

 单滚珠轴承(1 Ball+1 Sleeve Bearing) 是对传统含油轴承的改进,采用滑动摩擦和滚动摩擦混合的形式,其实就是用一个滚珠轴承搭配一个含油轴承的方式来降低双滚珠轴承的成本,它的转子与定子之间用滚珠进行润滑,并配以润滑油。它克服了含油轴承寿命短,运行不稳定的毛病,而成本上升极为有限。单滚珠轴承吸收了含油轴承和双滚珠轴承的优点,将轴承的使用寿命提升到了 40000 小时,缺点是在加入滚珠之后,运行噪声有所增大,但仍小于双滚珠轴承。

  双滚珠轴承

 双滚珠轴承(2 Ball Bearing) 属于比较高档的轴承,采用滚动摩擦的形式,采用了两个滚珠轴承,轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心,当扇页或轴心转动时,钢珠即跟着转动。因为都是球体,所以摩擦力较小,且不存在漏油的问题。

 双滚珠轴承的优点是寿命超长,大约在 50000- -0 100000 小时。抗老化性能好,适合转速较高的风扇。

 双滚珠轴承的缺点是制造成本高,并且在同样的转速水平下噪音最大。双滚珠轴承和液压轴承的封闭性较好,尤其是双滚珠轴承。双滚珠轴承被整个嵌在风扇中,转动部分没有与外界直接接触。在密封的环境中,轴承的工作环境比较稳定。因此 5000 转级别的大口径风扇几乎都使用双滚珠轴承。不过液压轴承由于具备独特的还回式油路,所以润滑油泄露的可能性较小,根本不用过多担心。

 承 含油轴承

 含油轴承(Sleeve Bearing))是使用滑动摩擦的套筒轴承,使用润滑油作为润滑剂和减阻剂。可以说是现在市场上最常见的一种轴承技术,由于成本低廉,制造简单,不少产品包括知名品牌都还在继续使用中。

 含油轴承初期使用时运行噪音低,制造成本也低。但这种轴承使用时间一长,由于油封的原因,润滑油会逐渐挥发,而且灰尘也会进入轴承,从而引起风扇转速变慢,噪音增大等问题,严重的还会因为轴承磨损造成风扇偏心引发剧烈震动。出现这些现象,要么打开油封加油,要么就只有淘汰另购新风扇。平均寿命只有8000~1500小时,与滚珠轴承相比有较大差距。

 含油轴承又分为传统含油轴承、液体动压轴承和陶瓷轴承,之所以这样划分,主要是这几种轴承在设计及工艺上存在一定的差异,传统含油轴承是普通型套筒轴承,目前很多应用在PC 上的风扇都采用这种轴承,液体动压轴承在原来传统工艺基础上在轴心和轴承上均增加油槽,让润滑油可以在内部循环自润,同时在结构上增加挡油圈、封闭油封及羊毛毡等延缓润滑油挥发。

 轴承比较

 项目

 滚珠轴承

 含油轴承

 轴承工作方向 任何方向 水平方向 使用转速 中及高转 低转 声音区别 开始时噪音较大 长期使用噪音会变小 开始时噪音较小 长期使用噪音 工作温度 -10 º C ~ +70 ºC 0 º C ~ +60 ºC 储存温度 -40 º C ~ +75 ºC -40 º C ~ +75 ºC 耐磨损 较耐磨损 不耐磨损 寿命 50,000 小时 30,000 小时 成本 高 低 量产 组件多,加工不易 简单,快速 未来发展 良好且稳定 不稳定

  液压来福轴承

 采用液压自动循环油路系统,通过特殊油路连接轴承与储油槽,令润滑油形成循环回路 ,增加储油量,避免油流失。是延长风扇寿命的经济型解决方案。

 承 磁悬浮轴承 磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)的马达采用磁悬浮(Magnetic System,MS)设计,是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直,轴芯与磁浮线是平行的,所以转子的重量就固定在运转的轨道上,利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,在固定运转轨道上。与传统的滚珠轴承、含油轴承相比,磁轴承不存在机械接触,转子可以运行到很高的转速,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点,特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能,并非是独立的轴承形式,具体应用还得配合其它的轴承形式,例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。

 二、扇 离心风扇

  离心风扇工作时,叶片推动空气以 与轴相垂直的方向(即径向)流动,进气是沿轴线方向,而出气却垂直于轴线方向(如上图所示)。大多数情况下,使用轴流风扇就可以达到冷却效果,然而,有时候如果需要气流旋转 90 度排出或者需要较大的风压时,就必须选用离心风扇。风机严格而言,也属于离心风扇。

 其特点:有限流率,高风压

 三、扇 混流风扇

  混流风扇又称 对角线流向风扇,初一看,混流风扇和轴流风扇没什么不同,其实,混流风扇的进气是沿轴线的,然而出气却是沿轴线和垂轴线的对角线方向(如上图所示)。这种风扇由于叶片和外罩称圆锥形,因此致使风压较高,在相同尺寸和其他可比性能下,与轴流风扇相比,离心风扇的噪声更低。

 其特点:高流率和相对较高的风压

 四、机 贯流式风机

 贯流式风流能产生大面积的风流,通常用于冷却设备的大表面。这种风扇的 进气和出气均垂直于轴线(如右图)。贯流风机是使用一个比较长的圆桶状扇叶轮进行工

 作,这个圆桶状扇叶的口径都比较大,因为口径大,才能在保证整体空气循环量的基础上使用比较低的转速,从而,降低由于高速运转带来的噪音。

 其特点:低流率,低风压

  风扇尺寸规格 尺寸规格通常用一个4位数字来描述,例如:4010、4020、5010、9025等。4位数字的前两位代表风扇正方形底面的边长;后两位代表风扇的厚度,单位为毫米

 风扇的电气 参数 启动电压,即风扇最小可启动电压,输入该电压风扇马达产生的转矩可达到启动所需要的最小转矩。同尺寸风扇转速较低,启动也相对困难一些。厂商的启动电压通常都定义在室温下。

 操 作电压范围,指风扇可以运转的电压操作区间。电压操作范围由选用电子零件电压工作范围、电子零件温升和线圈温升决定,同系列风扇一般低速的电压操作范围较大,而最该一档转速的范围会缩小,这是因为在最高转速档电流较大,产生热量较大,从而导致各个电子零件及线圈温升较大,为保证达到安规温升要求和使用稳定性,控制温升而将电压使用范围缩小。

 电流涉及到风扇实际功耗,是比较重要的参数。风扇的电流分为启动电流(in-rush current)、额定电流(rated current)和安规电流(safety current),其中额定电流和安规电流一般会标注在规格书上,而启动电流通常都不会标注,启动电流有时比额定电流小,有时比安规电流大,所以有时会影响到整机的运转,部分风扇采用了软启动(soft-start)设计,启动电流较小不会影响到整机开局。

 功耗就是使用时电压和电流的乘积。应用到电源上的风扇其功耗值尤其重要,因为电源本身提供功率,风扇消耗功率,减小功耗就意味着增加了输出,提高了电源利用效率。一般如果没有特殊要求应选用风压较小、风量合适的风扇,这样耗掉的功率相对较低,噪音也较小。

 转速是风扇的基本参数,同尺寸风扇转速越高风压风量及噪音值也就越大,所产生的电流及功耗也就越大,转速的单位是RPM(Revolution per minute)。转速数据一般用转速计测量,有时也用散频仪测量,在电路可以以风扇的FG(F00)信号侦测,风扇失效停转侦测则一般采用RD(R00)信号。风扇转速控制方式一般包括有调压控制、PWM 脉冲控制(又分为IC 控制和MCU 控制)、逻辑控制和电压控制四种。在轴流风扇PQ 曲线上存在一个失速区,一般应用需要避开这个区域,因为失速区的风压风量及转速均不稳定,而噪音值则较大。

 风扇基本原理

 因为最终主动散热器都需要通过风扇的强制对流来加快热量的散失,因此一款风扇的好坏,对整个散热效果起到了决定性的作用。配备一个性能优良的散热风扇也是保证机器顺利运转的关键因素之一。

  C DC 风扇运转原理:

 根据安培右手定则,导体通过电流,周围会产生磁场,若将此导体置于另一固定磁场中,则将产生吸力或斥力,造成物体移动。在直流风扇的扇叶内部,附着一事先充有磁性之橡胶磁铁。环绕着硅钢片,轴心部份缠绕两组线圈,并使用霍尔感应组件作为同步侦测装置,控制一组电路,该电路使缠绕轴心的两组线圈轮流工作。硅钢片产生不同磁极,此磁极与橡胶磁铁产生吸斥力。当吸斥力大于虱扇的静摩擦力时,扇叶自然转动。由于霍尔感应组件提供同步信号,扇叶因此得以持续运转,至于其运转方向,可依佛莱明右手定则决定。

 典型直流风扇控制电路

 直流的风扇控制电路中应该有许多半导体无件,现在已经收纳在一个或多个IC 里面,有许多厂商专门设计制造出很多型号控制马达IC 供给风扇电路者设计使用。不同型号的IC 控制电路不一样,但主要目的都是为更有效的控制和保护提供线圈的有效功能及风扇相关特性需求。

 ◆ 双线圈控制

  ◆ 单线圈控制

  C AC 风扇运转原理:

 AC 风扇与 DC 风扇的区别。前者电源为交流,电源电压会正负交变,不像 DC 风扇电源电压固定,必须依赖电路控制,使两组线圈轮 流工作才能产生不同磁场。AC 风扇因电源频率固定,所以硅钢片产生的磁极变化速度,由电源频率决定, 频 率愈高磁场切换速度愈快,理论上转速会愈快,就像直流风扇极数愈多转速愈快的原理一样。不过,频率也不能太快,太快将造成激活困难。

 我们常用的风扇散热器上应用的都是 DC 风扇。而一般一款好的风扇主要考察 风量、转速、噪音、使用寿命长短、采用何种扇叶轴承等。下文将对这些参数分别加以说明。

  散热风扇性能

  制造商所提供的最大风压是指无风量输出时的风压,最大风量是指在自由场(空气自由流动,无阻碍的情况)条件下的风量输出,而标注噪音值即该条件下的噪音值,而实际应用中由于散热部件会阻碍空气的流动,造成一定的阻抗,克服该阻抗,风扇需要工作在一定风压下。实际上风扇就是在一定风压条件下输出风量,供部件散热,此时的风量可能在0~1 倍最大风量之间,而噪音可能比自由场下的噪音大。

 对于同一个系列的风扇,在转速差异不超过 30%的情况下,上述参数近似存在以下关系式:

 Q 1 /Q 2 =N 1 /N 2 ;P 1 /P 2 =(N 1 /N 2 )

 2 ;DB 2 =DB 1 +60*Lg(N 2 /N 1 ) (其中 Q---风量、P 为风压、N 为转速、DB 为噪音值)

 以下为各个性能的介绍:

 功率

 • 功率即风扇单位时间内所消耗的能量(电能),单位为 W-瓦 。

 • 额定工作电压与最大电流,将两个数值相乘即可得到风扇额定电压下的最大功率。

 • 功率低,风扇电机发热量减少,可增加风扇的寿命。

 启动电压

 • 启动电压是指当突然通电后,能够使风扇启动的最小电压。

 • 因板卡提供的电压可能会不稳定,启动电压越低,可确保在电压不稳时,能低压激活启动风扇。

 • 常规风扇的启动电压都在 7V 以下。

 风量

 风量是指风扇通风面积与该面积平面速度之积。通风面积是出口面积减去涡舌处的投影面积。

 平面速度是气流通过整个平面的气体运动速度,单位是米/秒。

 平面速度一定时,扇叶叶轮外径越大,通风面积越大,风量则越大。风量越大,冷空气吸热量则越大,空气流动转移时能带走更多的热量,散热效果越明显。

 简单的说风量是指 风冷散热器风扇每分钟排出或纳入的空气总体积,如果按立方英尺来计算,单位就是 CFM;如果按立方米来算,就是 CMM。散热器产品经常使用的风量单位是CFM(约为 0.028 立方米/分钟)。50x50x10mm CPU 风扇一般会达到 10 CFM,60x60x25mm 风扇通常能达到 20-30 的 CFM。

 在散热片材质相同的情况下,风量是衡量风冷散热器散热能力的最重要的指标。显然,风量越大的散热器其散热能力也越高。这是因为空气的热容比率是一定的,更大的风量,也就是单位时间内更多的空气能带走更多的热量。当然,同样风量的情况下散热效果和风的流动方式有关。

 1 1 、风量单位

 CFS:Cubic Feet Per Second,立方英呎/秒(ft3/s) CFM:Cubic Feet Per Minute,立方英呎/分(ft3/min) CMS:Cubic Meter Per Second,立方米/秒(m3/s) CMM:Cubic Meter Per Minute,立方米/分(m3/min) CMH:Cubic Meter Per Hour,立方米/时(m3/h) L/s:Liter Per Second,公升/秒(L/s) L/min:Liter Per Minute,公升/分(L/min) 2 、风量单位换算关系 :

  1 CMS = 60 CMM = 3600 CMH

 1 CMM =35.3 CFM 3 、风量换算表

 风压

 风压即风扇能够令 出风口与口 入风口间产生的压强差,单位一般为 mm water column,即毫米水柱(类似于衡量大气压的毫米汞柱,但由于压强差较小,一般以水柱为单位)。

 风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速,前三者的影响较为复杂,于转速的关系则简单直接——转速越快,风压越大。

 风扇产品所说明的风量与风压均为理想状态下的最大值,即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量(最大风量),以及风扇向密闭气室内吹风,直至风量为零状态下气室与外界气压的差值(最大静压)。它们并非两个孤立的性能指标,而是互相制约着,之间的关系就是流体力学中流速与压强间的关系——风量随着压强差的增大而减小,风量、风压的测量需要借助风洞仪进行.

 一般来说,在厂商节约成本的考量下,要设计风扇的风量大,就要牺牲一些风压。如果风扇可以带动大量的空气流动,但风压小,风就吹不到散热器的底部(这就是为什么一些风扇转速很高,风量很大,但就是散热效果不好的原因),相反地,风压大则往往意味着风量就小,没有足够的冷空气与散热片进行热交换,也会造成散热效果不好。

 通常为进行正常通风,需要克服风扇通风行程内的阻力,风扇必须产生克服送风阻力

 的压力,测量到的压力的变化值称为 静压,即最大静压与大气压的差压。它是气体对平行于物体表面作用的压力,静压是通过垂直于其表面的孔测量出来的。

 而把气体流动中所需要动能转化为压力形式称为 动压。为实现送风的目的,需要有静压和动压。全压为静压与动压的代数和,全压是指由风扇所给定的的全压增加量,即风扇的出口和进口之间的全压之差。

 1、静压单位

  N:Newton,1n=0.101097Kgf

 Pa:Pascal,Pa=N/m^2

 mmAq:Aq=Aqua(水柱)简称

 mmAq 又称 mmH2O;1mmAq=1Kg/m^2

 atm:大气压;一大气压等于在 0℃干燥状态下 760mmHg 的压力。

 因水银重量是水的 13.5947 倍,所以一大气压又等于 10332mmH2O 的压力

 bar:1 bar=10^5Pa

 1 mm Aq = 1 Kp/M ² = 9.8 Pa

 1 in H O =

 25.4 mm H O =

 25.4 mm Aq

 (Aq = Aqueous) 2、静压换算表

 3 3 、 空气量

  送风机单位时间吸入的空气流量称为空气量(Air volume,Air quantity),通常以Q(m*3/min)为气体量在吸入空气时特称为空气量,风扇的场合又称风量。(Capacity) 气体依其压力、温度而改变体积,所以提到吐出空气量时,一定要记该场所的压力和温度,故称吸入空气量。

 4 4 、 标准状态空气:

 温度 20°C、大气压 760mmHg,湿度 65%的潮湿空气为标准空气,此时单位体积空气的重量(又称比重量)为 L2Kg/m*3 5、基准状态空气:

 温度 O°C、大气压 760mmHg、湿度 0%的潮湿空气为标准空气,此时单位体积空气的重量(又称比重量)为 1.293Kg/m*3。以 Nm*3/min 表示。

 在实际应用中,标称的最大风量,并不是实际扇热片得到的送风量。风量大,并不代表通风能力强。因空气流动时,气流在其流动路径会遇上扇热稽片或元件的阻扰,其阻抗会限制空气自由流通。即风量增大时,风压会减小。因此必须有一个最佳操作工作点,即风扇性能曲线与风阻曲线的交点。在工作点,风扇特性曲线之斜率为最小,而系统特性曲线之变化率为最低。注意此时的风扇静态效率(风量×风压÷耗电)为最佳。

 当然有时为了能减少系统阻抗,甚至选用尺寸较小的风扇,也可以获得相同的风量。

 风扇转速

 风扇转速是指风扇扇叶每分钟旋转的次数,单位是 rpm。风扇转速由电机内线圈的匝数、工作电压、风扇扇叶的数量、倾角、高度、直径和轴承系统共同决定。转速和风扇质量没有必然的联系。风扇的转速可以通过内部的转速信号进行测量,也可以通过外部进行测量。

 转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率,甚至使用寿命。转速越高,风扇性能越强,即风速越快,风量越大,风压越大;同时,转速高,摩擦、振动就多、噪音就大,轴承等损耗设备的寿命就短。因此,在风量满足散热要求的情况下,应尽量使用低转速风扇。

 风扇产品就算不标明风量、风压,也都会标明额定转速;一些对各种风扇比较熟悉的玩家更是可以根据一款风扇的尺寸规格、扇叶形状以及转速判断出它的性能。对几种常见尺寸规格的普通轴流风扇略加说明:

 1.边长6cm,转速约3500rpm可获得尚可的风量及可接受的噪音,低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果;进一步提高转速至约5000rpm,可获得不错的风量与风压,但噪音急剧增加;转速超过6000rpm便可列入“暴力”扇之列。

 2..边长7cm,转速约2500rpm可获得尚可的风量及较低的噪音,低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果;进一步提高转速至约4000rpm,可获得较大的风量与风压,但噪音急剧增加;转速超过5500rpm便可列入‘暴力’风扇。

 3. 边长 8cm,转速约2000rpm 即可获得不错的风量及很低的噪音,即便低 于此转速也可保证尚可的风量,充分体现了大口径风扇的优势;进一步提高转速至约3000rpm,可获得相当不错的风量与风压,噪音仍然较低;转速超过5000rpm 便可列入“暴力”扇之列,噪音急剧增加,挑战人耳的忍耐极限。

 4. 边长 12cm,转速约1200rpm 即可获得不错的风量及很低的噪音,低于此

 转速虽然风量尚可,但风压较弱,所幸多用于液冷散热排等风道式散热片,用于 计算机开关电源散热则对空气流动设计提出了一定要求;进一步提高转速至约 1500rpm,即可获得较大的风量,噪音仍可接受;转速超过2000rpm,便可获得 颇大的风量,风压尚可,碍于扇叶较大等不利条件,噪音会急剧增加。

 5. 9cm(边长 92mm)轴流风扇扇叶尺寸与过风面积较8cm 增加不多,但可 在同等的风量下较8cm 风扇噪音更低,受到了小范围的青睐,不过并不常见。

 另一种较常见散热风扇——出风口边长8cm 的涡轮风扇:

 转速约1500rpm 即可获得不错的风量及较低的噪音,低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果;进一步提高转速至约2500rpm,可获得不错的风量,且风压较大,噪音勉强可接受;转速超过3500rpm 便可列入“暴力”扇之列,由于特殊的设计结构,噪音已可与8cm 轴流“暴力”扇比肩,挑战人耳的忍耐极限。

 风扇噪音

 除了散热效果之外,风扇的工作噪音也是人们普遍关注的问题。风扇噪音是风扇工作时产生杂音的大小,受多方面因素影响,单位为分贝(dB)。通常一般嘈杂大街为90 分贝,普通会话为 60 分贝,深夜、图书馆为 30 分贝,噪音控制好的风扇应在27分贝以内为宜,越低越好。噪音值的单位为 dB(A),它通常可用噪音计测量得到。

 风扇噪音与摩擦力、空气流动有关。风扇转速越高、风量越大,造成的噪音也会越大,另外风扇自身的震动也是不可忽视的因素。当然高品质的风扇的自身震动会很小,但前面两个者却是难以克服的。要解决这个问题,我们可以尝试使用尺寸较大的风扇。应在在风量相同的情况下,大风扇在较低转速时的工作噪声要小于小风扇在高转速时的工作噪声。另外一个我们容易忽略的因素是风扇的轴承。由于风扇高速转动时转轴和轴承之间要摩擦碰撞,不但产生噪音,而且影响性能,缩短器件寿命。

 一、 风扇噪音的来源:

 1.振动 • 一般采用塑料制作的风扇扇叶具有一定的韧性,可以承受一定程度的物理形变,同样也会在推动空气过程中因受力发生振动,但幅度一般较小。

 • 另一种较为严重的振动则是由于扇叶质量分布不均,质心与旋转轴心存在偏心距所致。当扇叶面积(质量)或偏心距较大的情况下,会带动风扇整体发生振动。

 • 对超出平衡等级的扇叶,可通过扇叶平衡校正仪来校正。

 2.风噪 风扇工作时,由于叶片周期性地承受出口不均匀气流的脉动力作用,产生噪声;另一方面,由于叶片本身及叶片上压力的不均匀分布,转动时对周围气体及零件的扰动也构成旋转噪声;气体流经叶片时产生湍流附层面、旋涡及旋涡脱离,引起叶片上压力分布的脉动而产

 生涡流噪声。这三种原因所引起的噪音可以综合性地称为“切风噪音”,一般风量风压大的风扇,其切风噪声也较大。

 简单的说就是 流动的空气之间互相冲扰,与周围物体发生摩擦,叶片对气流的分离作用,周期性送风的脉动力等,都会产生噪音。空气流速越快,湍流越多,往往风噪也越大,而且会随着风速的提高呈加速度增大 。

 3.异音 风噪听起来只有单纯的风声,而异音则不同,风扇运转时,除风声外,若还有其它声音发出,即可判断风扇出现了异音。异音可能因轴承内有异物或变形,以及组装不当而出现碰撞,或电机绕组缠绕不均,造成松脱,都可能产生异音。

 异音检测普遍用耳听的方法,主观因素较大,不容易识别,也易引起争议,通常以建立限度样品为标准,检验人员需经过培训后才可以上岗作业 二、如何达成低噪音

 下列五项准则提供风扇使用者最佳方法,以降低噪音至最小:

 1.系统阻抗:

 (System Impedance) 一个机壳的入风口与出风口之间范围占全部系统阻抗的60%至80%,另外气流愈大,噪音相对愈高。系统阻抗愈高,冷却所需的气流愈大,因此为了将噪音降至最小,系统阻抗必须减至最低程度。

 2.气流扰乱 延着气流路径所遇到的阻碍而造成的扰流会产生噪音。因此任何阻碍,特别在关键的入风口与出风口范围,必须避免,以降低噪音。

 3.风扇转速与尺寸 由于高转速风扇比低转速风扇产生较大的噪音,因此应尽可能尝试及选用低转速风扇。而一个尺寸较大、转速较低的风扇,通常比小尺寸、高转速的风扇,在输送相同风量时安静。

 4.温度升高 在一个系统内,冷却所需的风量与允许的温升成反比。允许温升稍微提高,即可大量减少所需的风量。因此,如果对强加之允许温升的限制略微放松一些,所需风量将可降低,噪音亦可降低。

 风扇 G FG 信号

 • 风扇除正负两条电源线以外,还有第三条导线,输出 FG 信号。

 • FG 信号的作用是供主板计算风扇 的转速,还有当风扇出现异常停止转动时,信号线输出高压信号反馈给主板报警。

 • 3Pin 风扇无方波或波形有长短波,突波,都可能导致主板无法测速或出现测速误差。

 风扇的 M PWM 信号

 4Pin 接口将提供 PWM(风扇转速模组),新一代 PWM 模组采用以电源的频率范围来调整其功率,而没有采用较为常见的减少电压方式,令风扇不会因为经常改变电压而损坏。

 在很多 i915/i925X 主板来看,未来风扇的接口将逐渐从 3Pin 向 4Pin 转变。当然,并不是说 3Pin 接口的风扇不能用于 4Pin 接口,只要插前三个针角就可以了 有经验的朋友知道,以往的风扇都是 3pin 的,其中的功能是,一个电源,一个接地,一个是信号线,用来向主板发送风扇转速的信息。那么 4pin 风扇多出来的一根线是做什么的呢?这根线就是 Intel 在 soket T 架构的原包风扇中采用的 PWM 只能温控风扇的 PWM 信号线。下面就来简单介绍一下 PWM 风扇的技术背景, 功能特点,和简单原理。

 1.PWM 的技术背景

  随着 CPU 技术的发展,更多的晶体管和更高的主频,以及纳米级的工艺,都造成了 CPU功率的飙升。尤其是第一个走进 90 纳米的 Intel。更高的功率,就需要更好的散热设备。Intel 为了对付 prescott 核心,开始从多方面加强散热,比如 38 度机箱,比如 BTX,比如9CM 风扇的主流应用,其中 PWM 技术,是最重要的技术之一。

  传统的温控风扇是利用风扇轴承附近的测温探头侦测风扇的进风口温度,从而对风扇的转速进行调节。这种温控虽然解决了一定的问题,但是存在着精度粗糙,而且温控的转速只能做到高速低速两极变速。

  PWM 是脉宽调制电路的简称,它本身并不是一个新技术,在工业控制,单片机上早已经广泛的应用。而 Intel 将他和主板的 CPU 温度侦测相结合,将其应用于散热器风扇的转速精确控制上,取得了良好的效果。

 2.PWM 智能温控风扇的功能特点

  首先,PWM 风扇调节风扇转速是直接从 CPU 获取温度信息,在风扇上无任何测温装置。根据不同的 CPU 温度,温控风扇会有不同的转速调节与之对应,并且风扇的转速变化可以做到四级五级,甚至更多,基本上是无极变速的感觉。由于是脉宽信号的实时调节,风扇转速的变化非常灵敏,转速和 CPU 温度的变化几乎是同步的。

  第二,PWM 风扇在计算机待机的时候,可以保持在一个非常低的转速上。例如原包的Intel 风扇,在待机时候,CPU 温度在四五十度以下,其转速仅为一千多转,大大降低了运转的噪音。而设计的最高转速,四千多转,只有在 CPU 温度接近极限温度,即 65-67 度时候,才会出现。相比传统的温控风扇有着更大的转速控制范围,更好的解决了噪音和性能的问题。

  第三,PWM 温控风扇在开机的瞬间,转速会提升到最高,持续数秒后,降低到待机的低转速水平。这个特点也是 PWM 智能温控风扇的最明显特征,可以用来判断风扇和主板是不是真的具有 PWM 功能,或者其功能是否有故障,甚至可以用来作为真假盒包散热器的参考判断标准。

 3.PWM 智能温控风扇的简单原理。

  在具有 PWM 功能的主板上,除了原先的测温电路之外,多了一个 PWM 的控制芯片,他的作用是根据测温电路测得的 CPU 温度,发出不同占空比的 PWM 脉冲信号。这个脉冲是一种方波,在一个周期内,此方波信号的高电平时段占整个周期的比例,我们称之为占空比。整个周期都是高电平信号,则占空比为 100%,反之占空比为零。最简单的 PWM 温控电路,在风扇的电路板上多了个控制电路,我们把它简单的理解为一个三极管,其中一级和 PWM 的方波脉冲连接,这个级上如果出现高电平,则三极管另外两极处于导通状态,如果是低电平,则另外两极处于断开状态。如果发出的方波脉冲信号的占空比为 50%,即高电平信号占一个周期的一半时间,那么此三极管在一个周期内就有一半时间处于导通状态。通过此三极管在一个周期内的导通时间长短,我们很容易实现对风扇转速的控制。如果 PWM 的方波脉冲信号的占空比可以做到多种级别,那么风扇的转速也可以做到多种级别。

  以上就是最简单的 PWM 智能温控风扇的原理,其中很多地方都简化了,在实际中,不是一个三极管这么简单,还有一个另外的电路和芯片负责此功能,但是其原理都是类似的。我不是电子专业的,上述有什么不专业和不标准的地方,请大家包涵。

 4.最后,有一点需要注意。此只能温控风扇的信息来源是主板的测温电路。但 我们知道,目前各个厂家在测温时候的误差有大有小,温度的补偿也不一样。最后提一句,千万不要把 4pin 的散热器插在 3pin 的电源口使用。这样使用只要插的对,不会有任何危险,...