如何计算确定适合您应用的风扇

最广为人知的热交换器就是汽车散热器。在汽车散热器内，乙二醇水溶液（又称防冻液）将发动机热量传递至散热器，再由散热器将热量散发到流过的环境空气中。这个过程有助于防止汽车发动机过热。与之类似，伊顿的热交换器用于为航空发动机、光学器件、X 射线管、激光器、电源、军工设备等多种设备带走多余热量，因为这类设备的散热需求已经超出风冷散热器的能力范围。

气-液冷却应用中最重要的参数之一是风量。计算工艺散热所需风量，需要获知待散出的热量以及空气温度的变化值。然而，仅靠风量参数还不足以完成风扇选型。还必须计算风道沿线的系统阻抗。风量和系统阻抗共同决定工艺散热所需的风扇工作点。为热交换器选择风扇时，还需考虑其他因素，其他考量因素包括在风扇与鼓风机、定风量与变风量、以及交流与直流电源之间做出选择。

确定风量需求

该数值即为 STP 条件下，带走机柜内部产生的热量所需的风量。需要注意的是，决定冷却容量的是空气质量，而不是空气体积。

确定系统阻抗

ITD 为高温进风与低温进水之间的初始温差。

如下图 1 所示，搭配风量至少为 27 CFM 的风扇，且水流量大于 0.25 gpm 时，6105 铜管翅式热交换器的性能可达 6.9 W/°C。如果选用图 2 所示东方马达 MU1225S 风扇，图中粉色横竖线显示，在规定的 0.11 英寸水柱静压下，该风扇输出风量为 39 CFM，高于 27 CFM 的需求。

务必要注意，网罩、过滤器等风扇附件会影响风扇性能，参见图 2 所示 A、B、C 三点的风量差异。在像本例这样系统阻抗较高的系统中，附件对风扇性能的影响极小。在系统阻抗较低的系统中，附件对风扇性能的影响会更大。如果机柜风道通畅，系统阻抗会相对较低，附件会对风扇性能产生明显影响，参见图 1 所示 D、E 和 F 点的风量差异。所需风量的任何明显下降都会影响热交换器的性能。

除风量和系统阻抗外，选择风扇时还须考虑风扇类型、定/变风量、交直流供电、空气密度、噪音、预期寿命、电磁/射频干扰等多项因素。

轴流风扇或鼓风机

确定系统阻抗和所需总风量之后，接下来一般要考虑使用哪种类型的风扇。最常见的风扇类型是轴流风扇和鼓风机。轴流风扇出风方向与风扇叶片转轴方向互相平行。此类风扇适合低静压条件；有低噪音要求时优先选用。鼓风机采用离心式设计，气流方向与转轴互相垂直。鼓风机适合电信设备、高端服务器等高静压应用，并且在接近其峰值静压运行时效率最高。

定风量还是变风量

风扇选型常常出现规格偏大的情况，原因是规格计算是基于最恶劣场景完成的。例如，风扇可能是根据最大所需散热量或基于极高环境温度进行选型的。在这种情况下，规格偏大的风扇富余的性能可能仅在极端情况下才需要用到。多数工作阶段，较低的风量就可以满足需求。例如，环境温度较低，或者器件仅以部分负载运行时，可降低风量。对于需要随条件变化灵活调节风量的应用，“智能”风扇是有效的解决方案。采用这种基于温度的风扇控制方式，热负载较低时，转速随之下降。相应地，噪音和功耗都会下降。

交流风扇还是直流风扇

系统可用的电源决定风扇的类型。如果应用对于电源的要求宽松，应当权衡直流风扇和交流风扇的利弊。直流风扇可实现变风量，交流风扇则输出定风量。以往，直流风扇的成本远高于交流风扇。如今，二者几乎不存在价差，可以更多地依据性能和功能做出选择。虽然交流风扇目前仍在广泛使用，但直流风扇寿命更长，功耗降低约 60%，并且 EMI（电磁干扰）和 RFI（射频干扰）水平更低。

为热交换器选择风扇时，不仅要看散热需求和系统阻抗，还要综合考虑风扇类型、定/变量，以及交/直流供电方式。本文后续将继续讨论风扇的预期寿命、空气密度、噪音和 EMI/RFI 干扰等其他考量因素。

如何计算确定合适的风扇（续）

在气-液或液-气冷却应用中，风量是需要重点考虑的关键参数之一。因此，选对风扇和选对热交换器同等重要。我们计算了风量和系统阻抗需求，并讨论了交/直流供电、定/变风量，以及风扇/鼓风机的选择等因素。下面继续讨论热交换器风扇选型的其他重要因素，如空气密度影响、噪音、预期寿命，以及 EMI/EMC 干扰。

空气密度影响

本文前面提到，决定冷却容量的是空气质量，不是空气体积。这是因为每个空气分子都有质量，依靠质量可实现热量吸收与传递。在一定体积内，空气分子数量越多，这团空气吸收或传递的热量就越多。但是，在一定体积内的空气质量会随海拔和温度发生变化。谈及风量时，密度的定义更适合用时间的函数来表示，公式如下：风机输出恒定体积的风量，不受空气密度影响。换言之，无论是处于海平面处 70°F，还是处于海拔 10,000 英尺处 250°F 的空气温度，风扇输出的风量都是 300 CFM。下面举例进行说明。假设风扇提供 300 CFM 的干燥空气体积流量，那么在海平面 70°F、海平面 250°F 和海拔 10,000 英尺 250°F 条件下的空气质量流量分别是多少？

表 1：不同温度和海拔条件下的空气密度与质量流量对比

从表 1 可以看出，使用上述公式 (1)，海平面 70°F 条件下的干燥空气比海平面 250°F 条件下的干燥空气重 34%，比海拔 10,000 英尺 250°F 条件下的干燥空气重 97%。因此，在海平面 250℉ 条件下，系统需要风量为 402 CFM (1.34 x 300 CFM) 的干燥空气，才能达到海平面 70℉ 条件下同等的冷却容量。在高于海拔 10,000 英尺 250℉ 条件下，系统需要风量为 591 CFM (1.97 x 300 CFM) 的干燥空气，才能达到海平面 70℉ 条件下同等的冷却容量。请注意，本次分析假设高温进液温度与冷却空气温度之间的温差保持不变。虽然湿度对风扇选型的影响可以忽略不计，但当风扇以抽风模式使用时（位于气流下游），湿度可能会影响热交换器的性能。温暖潮湿的空气发生冷凝时，水滴可能会积聚在热交换器翅片上，导致性能下降，并可能引发腐蚀。冷凝也有可能导致风扇短路。

噪音

噪音是风扇选型的另一项重要考量因素。噪音不会直接影响风扇性能，但在选型时需要考虑，主要有两点原因。首先，噪音会影响工作效率，在一些极端情况下，还会导致长期听力问题。OSHA（美国职业安全与健康管理局）的《职业噪音暴露 – 1910.95》等标准对无听力防护条件下的噪音暴露设定了限值，避免造成听力损伤。

其次，噪音会对系统运行和整体可靠性产生明显影响。噪音会影响某些电子器件的功能，这些器件可能充当了吸振器，会因振动而产生疲劳。此外，实验室等运行环境存在对噪声敏感的仪器。

通过风扇设计，可以降低叶片表面和后缘处气流分离带来的宽频噪音。合理设置螺距角度，采用开槽或锯齿形状的叶片尾缘，可以降低噪音。

预期寿命

风扇的预期寿命是指风扇能够持续运行，期间未发生转速大幅衰减或产生过大噪音导致无法继续使用的时长。通常要求风扇具备长寿命且无故障，以保持较高的系统可靠性。轴承失效是风扇发生故障的主要原因。然而，冷却风扇使用的轴承和电机、减速齿轮箱重载轴承不同，承受的负载可以忽略不计。因此，风扇寿命取决于轴承内润滑剂的劣化情况。风扇的运行转矩和启动转矩远低于重型设备驱动电机，一旦润滑剂劣化，风扇就无法正常转动。如果出现这种情况，启动电压将会升高，风扇可能无法启动。润滑剂劣化还会增大轴承产生的风扇噪音。

指定风扇寿命的两种常用指标是：较常用的 L10 寿命和 MTBF（平均无故障时间）。两者的区别在于，L10 寿命特指一组风扇中有 10% 发生故障所需的时间。风扇的 MTBF 可近似理解为 50% 的风扇发生故障时对应的时间。在温度 -40°C 至 50°C、相对湿度 75% 的正常工作条件下，风扇的 L10 寿命区间通常为 60,000–70,000 小时。相同条件下，MTBF 寿命区间通常为 200,000–300,000 小时。

如果需要更长的使用寿命，通常认为优质的滚珠轴承风扇最可靠。采用 L10 指标对比 25°C - 60°C 温度区间的套筒轴承风扇和滚珠轴承风扇，滚珠轴承风扇平均寿命要比套筒轴承风扇高出 50%。一般来说，环境温度接近常温时，套筒轴承与滚珠轴承的风扇寿命差距不大。传统上，在高温环境中，风扇电机中的滚珠轴承比套筒轴承寿命更长。近年来，标准轴流风扇所用流体润滑轴承 (FLB) 以及烧结套筒轴承的技术改进，使其可靠性数据至少达到滚珠轴承的同等水平，并且成本显著降低。

EMI 和 EMC 干扰

风扇选型中的另一个变量是 EMI（电磁干扰）和 EMC（电磁兼容性）。EMI 是指任何可能干扰设备正常运行的电能干扰。EMI 干扰主要分为两大类：传导干扰和辐射干扰。

传导干扰是指通过电源线和信号线传导的任何有害信号。辐射干扰是指从辐射源向外辐射、可能影响设备正常运行的任何有害信号。传导 EMI 带来的问题通常大于辐射 EMI。事实上，对于无刷直流风扇，一般只需要关注传导 EMI。

通常，以正弦波电压运行的交流感应电机不存在 EMI 问题。仅在电机以及输入线缆附近可能存在微弱的磁场骚扰。采用机械换向或电子换向的直流电机，以及电子控制器驱动的交流电机都具有 EMI 特征。EMI 是由电机内部磁场旋转所需的直流电压开关切换产生的。

EMC 可理解为设备运行时，不会产生有害电磁干扰影响其他电子设备运行，同时也不受其他外来有害干扰的影响的能力。

热交换器风扇选型总结

总而言之，风扇选型是液-气和气-液冷却应用非常重要的一环。要为应用选择合适的风扇，仅靠风量和静压计算是不够的。如本文所述，设计人员选择风机时，要想保障系统可靠性，还必须综合考量一些其他关键因素。这些因素包括空气密度影响、噪音、预期寿命以及 EMI/EMC 干扰。

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