设计散热系统时风扇选型的计算.docx

1、设计散热系统时风扇选型的计算 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。 一般铝质鳍片的散热片要求风扇的风压足够大， 而铜质鳍片的散热片则要求风扇的风量足够 大； 鳍片较密的散热片相比鳍片较疏的散热片， 需要更大风压的风扇， 否则空气在鳍片间流 动不畅， 散热效果会大打折扣。 所以说不同的散热器， 厂商会根据需要配合适当风量、 风压 的风扇，而并不是单一追求大风量或者高风压的风扇。 无论 Intel 还是 AMD 的 CPU 都已经到了与散热器不可分割、 甚至丝毫也不能马虎的 程度。 CPU 的风扇和散热片可以说是目前最实效、最方便、最常用的 CPU 降温的方法， 因此选购一款好的

2、 CPU 散热器是十分必要的。 根据空气散热三要素的原理， 热源物体表 面的面积、 空气流动速度以及热源物体与外界的温差是影响散热速度的最重要因素， 其 实所有 CPU 散热器的设计也都是围绕更好地解决这三个问题而进行的。 下面就为大家介 绍一些有关 CPU 散热器的性能参数，希望能对大家有所帮助。 风扇功率 风扇功率是影响风扇散热效果的一个很重要的条件， 功率越大通常风扇的风力也越 强劲， 散热的效果也越好。 而风扇的功率与转速又是直接联系在一起的，也就是说风扇 的转速越高，风扇也就越强劲有力。目前一般电脑市场上出售的都是直流 12V 的， 功率 则从 0.x 瓦到 2.x 瓦不等， 购买时

3、需要根据你的 CPU 发热量来选择， 理论上是功率略大 一些的更好一些，不过，也不能片面地强调高功率，如果功率过大可能会加重计算机电 源的工作负荷，从而对整体稳定性产生负面影响。 风扇口径 该性能参数对风扇的出风量也有直接的影响。 在允许的范围之内， 风扇的口径越大 出风量也就越大，风力作用面也就越大。通常在主机箱内预留位置是安装 8cm8cm 的 轴流风扇。 对于该指标， 笔者认为应选择的风扇口径一定要与自己计算机中的机箱结构 相协调， 保证风扇不影响计算机其他设备的正常工作， 以及保证计算机机箱中有足够的 自由空间来方便拆卸其他配件。 风扇转速 风扇的转速与功率是密不可分的， 转速的大小直

4、接影响到风扇功率的大小。 通常在 一定的范围内，风扇的转速越高，它向 CPU 传送的进风量就越大， CPU 获得的冷却效果 就会越好。但如果转速过高，风扇在高速运转过程中可能会产生很大的噪音，时间长了 还可能会缩短风扇寿命。 因此， 我们在选择风扇的转速时， 应该根据 CPU 的发热量决定， 最好选择转速在 3500 转至 5200 转之间的风扇。 散热片材质 CPU 散热器中的散热片的最大作用是扩展 CPU 表面积，从而提高 CPU 的热量散发速 度。不过，这其中又涉及到另一个问题， 就是散热片材质的热传导系数也就是材质 传递热量的速度。 目前导热性能最好的是金 ( 黄金白金都不错 ) ，

5、仅次于金的导热金属是 铜。如果用铜来生产散热片，那散热效果会非常理想，价格也较能接受一些。但铜质地 较结实、 加工难度较大、 重量较大，所以我们目前很难见到使用铜来生产的散热片。再 次于铜的便是很大众化的铁和铝，铁易锈、质地坚硬、不易加工、 重量大等，而铝却没 有这些麻烦事，所以铝便成为生产散热片最常见的材料了。 散热片的形状 既然散热片是为了扩大 CPU 的表面积， 那么如何使表面积最大化， 就是在材质被决 定之后最重要的设计重点了。 普通的散热片是压铸成的， 常见的形状只是多了几个叶片 的“韭”字形， 这种散热片的散热效果是最为普通的。 较高档的散热片则使用铝模经过 车床车削而成， 车削后

6、的形状呈多个齿状柱体。 这种散热片常用在高档 显卡 和一些国外 原装机上， ( 有许多国外原装机根本就不使用风扇， 只使用这种散热片 ) 足见散热片形状 对散热效果的巨大影响。 在同样体积的情况下， 如果散热片拥有数目越多的鳍片或齿状柱体， 那么其表面积 肯定也越大。 一些制作得比较极端的散热片， 甚至采用在一块金属基板上密密麻麻地排 列着很薄的散热鳍片的设计， 以此来最大化地拓展表面积。 不过在重视散热面积的情况 下，好的散热片也不会忽视底部的金属板基厚度。通常必须保证一定的厚度，才能使热 传导的效率更高。这里另一个比较极端的情况是像 Intel 原装 Pentium 4 散热片，它的 中心

7、是一个“粗壮”的铜柱 ( 直径约 3cm) ，外面包围着一圈螺旋状的散热鳍片。 风扇噪声 衡量风扇质量高低的另一个外在表现是噪音大小， 毕竟太大的噪音将极大影响我们 操作电脑的心情。 通常功率越大， 转速也就越快， 此时噪声也越大。因此， 我们在购买 风扇时， 一定要试听一下风扇的噪音， 如果太大，那么最好不要购买。当然风扇噪音不 一定都是风扇质量的问题， 也有可能是风扇的转轴润滑效果不行， 或者是风扇没有被正 确安装好。如果是这样的话，我们最好能重新给风扇定位，或者给风扇的转轴加上一些 润滑剂， 以保证其润滑效果良好。此外，风扇本身的设计也决定了噪音的大小。目前常 见的风扇分为轴承式和滚珠式

8、两种， 滚珠式风扇拥有更好的散热效果和更小的噪音， 不 过价格也略高。 风扇排风量 风扇排风量可说是一个比较综合的指标， 因此我们可以这么说排风量是衡量一个风 扇性能的最直接因素。如果一个风扇可以达到 5000 转 / 分，但其扇叶如果是扁平的话， 那就不会形成任何气流的，所以对散热风扇的排风量来说，扇叶的角度是决定性因素。 通常质量好的风扇，即使我们在离它很远的位置，也仍然可以感到风流，这就是散热效 果上佳的表现。 风量与风压的测试方法有两种， 一是用风洞仪测试， 另一种是用双箱法测。 但对于一般用户 而言， 没有这样的设备， 只能看厂家提供的数据。 因此用户可将此数据作为参考， 最终还要

9、看降温效果。 1 。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。 2 。风压 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 量到的压力变化值称为静压， 即最大静压与大气压的差值。 它是气体对平行于物体表面作用 的压力，通过垂直于其表面的孔测量出来的。 把气体流动所需动能转化为压力的形式称为动压。 为实现送风

10、的目的， 需要有静压与动压。 全压为静压与动压的代数和。 风压越大， 风扇送风 能力越强。 在实际应用中， 标称的最大风量值， 并不是实际散热片得到的送风量， 风量大， 也并不代表 通风能力强。 因空气流动时， 气流在其流动路径会遇上散热鳍片的阻挠， 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。而此时的风扇静态效率（风量 X 风压 / 耗电）为最佳。 有时为了能减小系统阻抗，甚至选用尺寸较小的风扇，也可以获得相同的风压 如何选择正确的风扇或

11、鼓风扇 所有需要使用风扇散热的电机与电子产品的设计工程师，必须决定一个特定系统散热所需的风量，而所需的风量取决于了解系统的耗电量及是否能带走足够的热量，以预防系统过热的情形发生。事实显示，系统的使用年限会由于冷却系统的不足而降低，所以设计工程师也应该明白，系统的销售量与价格，可能因为系统的使用年限不符使用者的预期而下降。 欲选择正确的通风组件，必须考虑下列目标： 最好的空气流动效率最小的适合尺寸最小的噪音最小的耗电量最大的可靠度与使用寿命合理的总成本 以下三个选择正确散热扇或鼓风扇的重要步骤，可帮你达成上述几个目标。 步骤一：总冷却需求 首先必须了解三个关键因素以得到总冷却需求： 必须转换的热

12、量 (即温差DT)抵消转换热量的瓦特数 (W)移除热量所需的风量 (CFM) 总冷却需求对于有效地运作系统甚为重要。有效率的系统运作必须提供理想的运作条件，使所有系统内的组件均能发挥最大的功能与最长的使用年限。 下列几个方式，可用来选择一般用的风扇马达： 1.算出设备内部产生的热量。2.决定设备内部所能允许的温度上升范围。3.从方程式计算所需的风量。4.估计设备用的系统阻抗。5.根据目录的特性曲线或规格书来选择所需的风扇。 如果已知系统设备内部散热量与允许的总温度上升量，可得到冷却设备所需的风量。 以下为基本的热转换方程式： H = CpWT其中H = 热转换量Cp = 空气比热T = 设备内

13、上升的温度W = 流动空气重量我们已知 W = CFMD其中 D = 空气密度 经由代换后，我们得到: 再由转换因子(conversion factors)与代入海平面空气的比热与密度，可得到以下的散热方程式： CFM = 3160千瓦然后得到下列方程式： 其中Q：冷却所需的风量P：设备内部散热量 (即设备消耗的电功率)Tf：允许内部温升 (华氏)Tc：允许内部温升 (摄氏)DT = DT1与DT2之温差 温升与所需风量之换算表 KWh DTDT 0.511.522.533.544.55509018355370881051231411581764581203959789811713715617

14、61954072224466881101321541761952203563255075100125151176201226251305429598811714617620523426429325453575105141176211246281316351203644881321762202643083513964391527591171762342933514104695275861018881762643514395276157047918795917635152770487910551230140615821758例一：设备内部消耗电功率为500瓦，温差为华氏20度，下列为其计算结果：

15、或例二：设备内部消耗电功率为500瓦，温差为摄氏10度： 或步骤二：全部系统阻抗系统特性曲线 空气流动时，气流在其流动路径会遇上系统内部零件的阻扰，其阻抗会限制空气自由流通。压力的变化即测量到的静压，以英吋水柱表示。 为了确认每一槽排(slot)之冷却瓦特数，系统设计或制造厂商不但必须有风扇的有效风扇特性曲线以决定其最大风量，而且必须知道系统的风阻曲线。系统内部的零件会造成风压的损失。此损失因风量而变化，即所谓的系统阻抗。 系统特性曲线之定义如下： DP = KQn其中 K = 系统特定系数Q = 风量 (立方呎)n = 扰流因素，1 n 2平层气流时，n = 1乱流气流时，n = 2 步骤三

16、：系统操作工作点 系统特性曲线与风扇特性曲线的交点，称为系统操作工作点，该工作点即风扇之最佳运作点。 操作工作点 在工作点，风扇特性曲线之变化斜率为最小，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)为最佳化。 设计时应考虑项目： 1.保持空气流动尽量不受阻扰，入风口与出风口保持畅通。2.引导气流垂直通过系统，以确保气流顺畅而提升冷却效率。3.如需加装空气滤网，应考虑其增加的空气流动阻力。 选择最佳风扇的例子： 例一： 图一为典型SUNON DC散热扇606025mm的特性曲线。此风扇可能操作在A点或C点，分别可输送6 CFM或20 CFM。如果该系统之阻抗对于气流在

17、A点会造成0.16吋水柱或C点0.04吋水柱的静压质。如果该系统因改良而运作于B点，则风扇可输送12 CFM而静压仅0.09吋水柱。 图一：606025mm中速风扇之特性曲线 例二： 如图二所示，特性曲线二是同一尺寸与形状之风扇，但其转速比特性曲线一低。如果系统仅需要15 CFM风量在0.05吋水柱静压，则静压降与风量曲线之交点应通过B点，因此风扇在零静压时可输送18 CFM已足够冷却之需。因此最后的安排是选用低速风扇。 图二：606025mm低、中速风扇之特性曲线 如图二依图表说明，从一种风扇改用另一种风扇的结论。当然有时可能甚至选用尺寸较小的风扇，如果系统阻抗能充分地减低，也可以获得相同的

18、风量。 例三： 如图三所示，为40406mm(曲线三)、30306mm(曲线二)、25256mm(曲线一)中转速DC风扇之特性曲线。 情况一： 假如系统阻抗为0.025吋水柱而需要2 CFM的风量来冷却，建议你使用406mm DC风扇。(请参考B点运作) 情况二： 假如有更多组件加进系统且(或)外形变得更密实时，将产生更多的系统阻抗。现在假设系统阻抗上升至0.038吋水柱，并需要0.85 CFM的风量来冷却，有两种风扇可供选择：406mm、306mm。(请参考操作工作点A)。另一种用来冷却具有高系统阻抗之系统的选择为小型DC鼓风扇。 图三：40406mm与30306mm风扇之特性曲线 并联与串

19、联运作 并联运作就是并列使用两个或两个以上的风扇。 并联风扇与单独风扇的运作曲线图 两个风扇并联所产生的风量体积，仅在自由空间条件下，为单一风扇风量的两倍，而当并联风扇应用于较高系统阻抗的情况时，系统阻抗愈高，并联风扇所能增加的风量愈低。因此，并联的应用仅在低系统阻抗的情况下建议使用，即风扇在几乎完全自由送风的情况下运作。 串联风扇与单独风扇的运作曲线图 串联运作就是串行使用两个或两个以上的风扇。 两个风扇串联产生的静压，在零风量条件下可达两倍，但在自由空间的情况下，并不能增加风量。多加一个串联风扇，在较高静压之系统，可增加风量。 因此，串联运作对高系统阻抗的系统，可达到最高的效果。 噪音值

20、SUNON风扇的噪音是在背景噪音低于15 dBA无回响室中所测量。待测风扇在自由空气中运转，距入风口一米处置一噪音计。 音压级(Sound Pressure Level)依背景因素而定，与音能级(Sound Power Level)由下列公式表示之： SPL = 2010PPref及 SWL = 1010WWref其中 P = 音压Pref = 基准音压W = 音源的噪音能量Wref = 音源的噪音能量 风扇的噪音值通常以音压级(SPL)之倍频带绘出。分贝(dBA)的改变所形成的效应，如下列征兆所示： 3 dBA 几乎没有感觉5 dBA 感觉出来10 dBA 感觉两倍大声响 噪音程度：0 20

21、 dBA 很微弱20 40 dBA 微弱40 60 dBA 中度60 80 dBA 大声80 100 dBA 很大声100 140 dBA 震耳欲聋 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

22、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。 5.振动 有些情形，整个系统的重量很轻，或系统必须按照某种规定方式运作时，特别建议采用柔软的隔绝器材，以避免风扇振动的传递。 6.电压变动 电压变动会影响噪音程度。加到风扇的电压愈高，因转速升高，振动就愈大，产生的噪音也愈大。 7.设计的考虑： 构成

23、风扇的每一零件设计，均会影响噪音程度。下列设计的考虑可达成降低噪音：绕线铁心的尺寸，扇叶与外框的设计及精确的制造与平衡。 建准风扇第三条导线讯号信息 1.风扇之切换驱动电路设计提供转速的测量： 此风扇马达有三条导线 (红线：，黑线：，黄线：第三条讯号传出导线) OCM型: 低电压激活 第三条导线方形波经一晶体管放大后输出 (开集极回路型，open collector type) TM型 : 第三条导线方形波经一晶体管放大后输出 M型 : 第三条导线方形波未经晶体管放大 仅0.5 2.2V (5V风扇) 或0.5 6V (12V风扇) OCM与TM型之输出线路为晶体管之集极(开集极设计) 2.风扇采用驱动集成电路(IC) R型 (运转检知器) 第三条导线讯号：运转时：低电位(VL)锁住时：高电位(VH)F型 (方形波产生器) 第三条导线讯号：运转时：方形波锁住时：高电位(VH)