1、电子设备强迫风冷设计指南目录1. 相关知识 .32. 温升的要求 33. 风机的选择和使用 33.1. 系统需求的风量大致计算方法 33.2. 风机的选择 33.3. 风机的功率、效率和特性曲线 43.4. 系统阻力特性与风机工作点的确定 43.5. 风机的串连和并联使用 53.6. 风机的噪声 63.7. 风机的安装位置 84. 结构因素对风冷效果的影响 114.1. 开孔设计 114.2. 常见的开孔模式 124.3. 外壳出风口的设计 124.4. 风机的位置 134.5. 风道的结构形式 134.6. 元件的排列与走线 154.7. 热源的位置 154.8. 漏风的影响 15第 2 页
2、 共 16 页1. 相关知识1) 强迫风冷是利用风机驱使工作的气流经过发热表面，把热量带走的一种冷却方法，气流的速度越高，带走的热量越多，电子设备中，强迫风冷的散热能力要比自然散热的能力大 10 倍左右。2) 流体在流动时，不一定是先向距离近的方向流动，而是先向流动阻力小的方向流动。2. 温升的要求1) 根据 IEC 的要求: 在正常使用时（环境温度为 35 度） ，可能与患者短时间接触的设备部件，其表面最高温度不超过 50 度。2) 根据东芝的要求: 在正常使用时（环境温度为 35 度） ，机箱内空气的最高温升不允许超过 15 度。3) FDA 的要求： 在环境温度 35条件下，工作中产品的
3、可触摸表面温度不得超过50。如果同病人接触，则不得超过 41。如果超过 41，则必须进行科学的解释，并提供数据以证明不会危及病人安全。3. 风机的选择和使用3.1.系统需求的风量大致计算方法1) 测定设备的规格和工作条件：V: 整个系统所产生的总热量（W）=100(W)T:系统内部温度上升（K）=15度2) 计算冷却所需的空气流量：Q ：马达的空气流量（m/min）Q ： =V/(20T)=100/20*15=0.33（m/min）3) 选用风扇：Q: 最大空气流量（m/min）：Q=Q*2/3Q: = Q*3/2=0.33*3/2=0.5（m/min）确认所选用的风扇是否正确。3.2.风机的
4、选择軸流式风机就是空气进出口的流动方向与叶轮軸线平行，其特点是风量大，风压小，軸流式风机可以装在而不改变气风道中气流的方向，根据其结构形式可分为： 螺旋浆式 ：普通的电风扇或排气扇就是这种类型。一般用于空气循环装置。 园筒式：其特点是螺旋浆形叶轮的外面有圆筒，其叶尖漏损小，效率较高。 导页式：其结构与圆筒式的相同，仅在出口或进口处加装导风叶。用以引导气流，减少涡流损失，此种风扇效率高，静压效率一般可达 95。第 3 页 共 16 页圆筒式和导页式风机用于中，低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却，当电机用 400Hz 电源时，由于电机转速高，軸流式风机的性能有较大的提高。但这种小型
5、高速的风机产生的噪声大（一般在我公司不推荐使用） 。 选择风机时，应考虑的因素包括：风量,风压,效率，空气流速，系统或风道的阻力特性，应用环境条件，噪声，以及体积，重量等，其中风量和风压是主要参数，对于我公司生产的设备，要求风量大，风压低，一般要采用軸流式风机，风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。风机在工作时的噪音应控制在一定的范围，以免影响到人员的正常工作。选择风机时，尽量用转速较低的风扇，可减少气流的冲击，降低噪声。3.3.风机的功率、效率和特性曲线当不计一切的损失时，单位时间内流过风机的空气所做的功，称为空气的理论功率，也就是风机的动力输出，风机的动力输入称为风机的轴功
6、率，风机的动力输出与动力输入的比值称为风机的效率。风机特性曲线是指风机在某一固定的转速下工作时，静压，效率，和功率随风而变化的关系曲线，一般以风量为横坐标，压力，功率或效率为纵坐标。当风机出口封闭时，没有气流， （风量为零， ）静压最大，当风机不与任何风道相联时，其静压为零，而风量达到最大，在这两个极点间有一点的效率最高，风机在效率最高的点附近工作时，功率消耗最小。这就需要选择最佳风机，以便满足空气流量和静压的要求。 轴 流 式 风 机 特 性 （ ）（ ）（ ） 风 量功 率静 压效 率 风 量风 量静 压3.4.系统阻力特性与风机工作点的确定风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力,
7、并在出口处形成一定的速度头，系统（或通风管道）的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比。下图中 1, 2，3 分别代表不同风道的特性曲线（1曲线表明系统风道的阻力最大，3最小，设计要让系统的阻力尽量小） ，风道的特性曲线与通风机的特性曲线的交点就是这个通风机的工作点。为了保证足够的风量，在选择风机时，应有一定的余量。第 4 页 共 16 页静压 风 量风 机 工 作 点 的 确 定3.5.风机的串连和并联使用所选风机的风量或风压不能满足要求时，可以采用串联或并联的方式来满足要求。1) 风机的串联使用当风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联使用，以
8、提高其工作压力，风机串联时，其工作特性曲线发生变化，风量基本上不变（略有增加） ，而风压倍增，当风道曲线比较陡时，也就是说，风道的阻力比较大时，可采用串联形式。风 道 特 性串 联静压 风 量风 机 串 联 特 性 曲 线2) 风机的并联使用风机并联使用时，其风压比单个的风机的风压稍有提高，而总的风量是各风机风量的和，当风道曲线较平坦，需加大风量时，可采用并联系统，并联的优点是气流路径短，阻力损失小。气流分布比较均衡，但效率低。第 5 页 共 16 页并 联风 道 特 性静压 风 量风 机 并 联 特 性 曲 线3.6.风机的噪声DigiQlo 的噪声要求：离机器的前面把手 0.5 米，离地面
9、 1 米，噪声不大于 45 dB；离机器的后面 1 米，离地面 1 米，噪声不大于 50 dB。3.6.1. 风机安装对噪声的影响在选择电子设备冷却的风机时，噪声是应重点考虑的因素之一。噪声的大小与风机安装方法有较大的关系，从风机抽出来的风如果冲击到带孔的钣金件或塑胶件上时，会产生较大的噪声。对于 DigiQlo I/0 背板上 D08T-12PG 安装如下图：当风扇分别悬空 0mm, 4mm, 10mm 时，测得的机器的噪声如下表（测量机器的后面，大约距地面，距机器各 1m。地点在迈瑞一楼多功能厅，正常上班时间）第 6 页 共 16 页：风扇悬空距离 对应噪声 有后壳 无后壳10mm 47.
10、3 dB4 mm 46.8 dB0 mm 45.6 dB 45.6 dB 46.2 dB从上表可以看出，该种安装方式，当风扇悬空时，在风扇与钣金件之间加垫片，（悬空的高度在 010mm） ，噪声会加大。且有塑胶外壳罩住时，噪声会有所减小。当风扇用另外一种安装方式，如 2300 的出风设计，风扇固定在钣金件上，向外抽风，如下图：当风扇悬空时，在风扇与钣金件之间加垫片， （悬空的高度在010mm） 。测得数据如下表格所示：当间距在 0-4mm 之间时，噪声会减小，但再增大间距，噪声变化不明显。风扇悬空距离0 mm 2 mm 4mm 6mm 8mm对应噪声49.7 dB45.7 dB38.3 dB
11、39.6 dB 39.7dB另外，在出风口加尼龙布防尘网，也会对噪声有减小。第 7 页 共 16 页下图 PM-9000 上的风扇安装，当把后壳上出风口筋内侧修大约 R0.8 时，离出风口约 20cm 时测噪声，结果是有 R0.8 比没有 R 要小约 2 Db.（地点时间同上）3.6.2. 噪声的评估测试过程中发现东芝便携式 B 超的噪声从声强上比 2300 低一点,但是实际感觉 2300 却刺耳的多,感觉上是 2300 的噪音频率比东芝的要高,由于人耳对噪音的感觉不单是声强决定的,和声音的频率也有很大关系,所以降低 2300 发出噪声的频率对此问题会有改善作用3.7.风机的安装位置3.7.1
12、. 根据东芝在这方面的设计经验，风机的安装非常讲究： 外壳进风孔（或出风孔）的总面积要不小于风机总的通风面积。 风机不论是抽风还是鼓风，安装时都最好不要直接贴装在开孔的钣金上，因为这样会出现较陡的风道特性曲线。单位时间的通风量会比预计的通风量减少，对散热不利。最好的是把风扇悬空，不论是出风口还是进风口，都在外面加开孔的屏蔽罩，并且开孔面积不小于风扇的通风面积，屏蔽罩离通风机有 810mm 的距离。这样保证风机是工作在风道阻力最小的点上，单位时间内的通风量最大。散热最好。倒圆角 R0.8第 8 页 共 16 页DigiQlo 的进风组件 , 风扇悬空如图上图是 DigiQlo 的进风组件，其风扇
13、罩离风扇 10mm。第 9 页 共 16 页上图是 DigiQlo 出风组件，其风扇罩离风扇 8.5mm。另外，如果在安装空间上如果确有问题，也可以用如下的安装方法让风扇悬空4-6mm。 （在风扇与钣金件间加一垫片）第 10 页 共 16 页3.7.2. 根据迈瑞在鸿基公司做的试验，风扇安装在开孔的钣金表面（钣金件孔径D=4mm,孔中心距为 5mm)，悬空 4.5-6mm 或 10mm 时，风量与静压的关系曲线如下图。00.511.522.50 1 2 3 4 5 6 7Q(CFM)Ps(mmAq)风 扇 与 钣 金 间D=0mm风 扇 与 钣 金 间D=4.5mm风 扇 与 钣 金 间D=1
14、0mm风扇 P1124010H 安装在不同位置时的特性曲线00.511.522.50 5 10 15 20 25Q(CFM)Ps(mmAq)风 扇 到 钣 金 件 的 距离 D 0mm风 扇 到 钣 金 件 的 距离 D 6mm风 扇 到 钣 金 件 的距 离 D 10mm风扇 D08T-12PH 安装在不同位置时的特性曲线由上图可以看出，两款风扇的出风量都与安装形式有较大的关系，风扇悬空 4-10mm 时，通风量有较大改善。第 11 页 共 16 页4. 结构因素对风冷效果的影响4.1.开孔设计开孔区域最大化的优点：开孔区域的最大化可以减低所需气流的速度和压力。开孔率（FAR）：开孔的面积/
15、全部的面积，建议钣金件设计安装风扇时，开孔率设计在60以上。4.2.常见的开孔模式如下所示：80的开孔率和 56的开孔率比较，对气流的阻力减小 88。第 12 页 共 16 页4.3.外壳出风口的设计外壳出风口的设计要注意以下几点：4.3.1. 避免有气流的瓶颈，出风口的面积和入风口的面积以及风扇的有效面积相当。减少转交和较平滑的转交设计对气流有较小的阻力。4.3.2. 出风口要设计和加工得比较圆滑，没有毛刺，可减少气流的冲击产生噪声。4.4.风机的位置强迫通风冷却时，气流的方向及风机的位置都将影响冷却效果，常用的有如下几种方法： 轴流式吹风系统，风机位于冷空气的入口处，把冷空气直接吹入机箱内
16、，可以提高机箱内的空气压力，并产生一定的涡流，改善换热性能，通常当热源较集中，并且吹风可以直接吹向热源时，可用吹风系统冷却（太空的一款电源盒就是这种形式） 。但是，在吹风系统中，风机的电机的热量也被冷空气带入机箱，影响散热效果。好处是便于设计防尘。 軸流式抽风系统，是从机箱内抽出受热的空气，将在机箱内减小内部的空气压力，风机电机的热量不会进入机箱，而且还可从机箱的其他缝隙中抽入一部分冷空气，以提高冷却效果。 （我公司的监护产品都是这种冷却形式） 轴流式吹风系统与轴流式抽风系统并用，或同时还有多级风扇串联，由于机箱内的系统阻力太大，或风道太长，单是抽风或吹风不能满足要求。如我公司的推车式 B 超
17、系统就是这种散热方式。 不论有无缝隙时，抽风的冷确效果比吹风好。第 13 页 共 16 页4.5.风道的结构形式合理地组织气流沿预定的流道流动，称为风道设计，应注意一下几个方面：1) 射流式风道风机输出来的气流不与固定的边界相接触，以自由的扩散的形式对发热单元进行冷却，这种风道的冷却效果差，能源消耗大。2) 具有平行风道的冷却系统，要求有气流进入机箱后形成高的静压（机箱内的某点的空气压力）和低的动压（机箱内两点间空气流动的压力损失） ，以便提高冷却效果，降低出口和弯曲处的压力损失，如果机箱比较长，功率较大，而风道截面不增加时，则必须增加冷却空气的流速,如图(a)所示的结构，上下风道截面不变时，
18、气体流到下风道叉口处膨胀，压力上升，而且可能出现下风道口的压力大于上风道口的压力，将导致气流回流，为了防止气流回流，进口风道的截面积应大于各部分支风道的截面积的总和。3) 如图（b）所示，采用锥形风道时，可使上主风道中任一点的截面积大于支风道的截面积。进风口和出风口的面积也不要小于通风机的最大通风面积。否则会产生较大的阻力，也就是说，系统的阻力特性曲线会越陡，单位时间内的通风量会越小，对散热越不利。另外，特别注意要让冷却空气从热源中流过，防止气流短路。 低 静 压 区 高 静 压 区高 速 气 流回 流 出 口(a)第 14 页 共 16 页(b)锥 风 道 出 口入 口 风 道 结 构 形
19、式 的 影 响4) 风道布置的注意事项： 风道要短而直，拐弯要少，必须采用拐弯时，尽量加大拐弯的半径，以减少局部的压力损失。 在结构尺寸不受影响时，增大风道面积可减小压力损失，同时可降低风机的噪声。 当风道进口需要安装防尘网时，在防尘的效果和流体阻力之间要权衡，同时防尘网要在系统外面可拆洗，以保证能定时清洁防尘网，防止陼塞网眼。 （东芝推荐 DigiQlo 的防尘网为线径 0.15mm，每平方厘米 60 目的不绣钢网） ，特别注意的是：加了防尘网会减小实际的通风面积，但此时实际的通风面积仍不能小于风机的有效通风面积。 系统的进出风口尽量远离，避免出现热空气的循环。4.6.元件的排列与走线4.6
20、.1. 为了提高冷却效果，在冷却气流流速不大的情况下,元件应按叉排列方式，这样可以提高气流的紊流程度，增强散热能力，如 DigiQlo 的放大板上，发热的器件在 PCB 的两面同一位置从上到下一线排列，导致在该板的 U22 处的温度极高。4.6.2. 内部走线不要挡住风路；4.6.3. 大的元器件如散热器，变压器等尽量避免布在风路上。4.6.4. 对于超声系统，尽量使板卡垂直安装，且板卡间距大于 25MM4.7.热源的位置由发热元件组成发热区的中心线，应与入风口的中心线相一致或稍低于入风口的中心线，这样可使电子机箱内受热而上升的热空气由冷空气迅速带走，并直接冷却发热元件，分层的大型电子设备，可
21、将耐热性好的热源放在冷却气流的下游，耐热性差的热源插箱放在冷却气流的上游。第 15 页 共 16 页4.8.漏风的影响大型的机柜在强迫风冷时，机柜缝隙的漏风，将直接影响到散热效果，下图中（a）是密不透风的情况，风机位置对通风冷却效果没有影响，沿机柜高度方向任一个发热区段面，风量基本相同。如果四周有缝隙，风机分别抽风，鼓风，或同时抽风鼓风时的风量分布的效果分别如(b),(c),(d) 所示，从试验效果来看，缝隙的大小对冷却也有影响，缝隙小的冷却效果比缝隙大的冷却效果好，因此，设计强迫风冷系统时，应特别注意缝隙气流的泄漏问题。 hQtQthhQtQth(a)密 闭 (b)抽 风 (c)吹 风 (d)串 联机 柜 漏 风 的 影 响风扇流量测试设备 被测量风扇安装位置第 16 页 共 16 页测量风扇噪声的静音室该静音室里，受试的风扇离测试的传感器的距离为 1 米，凸起的齿形材料为吸音良好的海棉外包绒布。备注：由于本人水平有限，该设计指南肯定有不少问题，望大家在参考时，多提宝贵意见，共同提高。
