电子设备强迫风冷设计指南.docx

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电子设备强迫风冷设计指南

电子设备强迫风冷设计指南

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（m³/min）

－Q’：

=V/（20∆T）=100/20*15=0.33（m³/min）

3）选用风扇：

－Q:

最大空气流量（m³/min）：

Q’=Q*2/3

－Q:

=Q’*3/2=0.33*3/2=0.5（m³/min）

确认所选用的风扇是否正确。

3.2.风机的选择

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％。

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。

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,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。

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。

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。

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1米，噪声不大于45dB；

离机器的后面1米，离地面1米，噪声不大于50dB。

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DigiQloI/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）：

风扇悬空距离

对应噪声

有后壳

无后壳

10mm

47.3dB

4mm

46.8dB

0mm

45.6dB

45.6dB

46.2dB

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0－10mm），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0－10mm）。

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

0mm

2mm

4mm

6mm

8mm

对应噪声

49.7dB

45.7dB

38.3dB

39.6dB

39.7dB

另外，在出风口加尼龙布防尘网，也会对噪声有减小。

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2Db.（地点时间同上）

倒圆角R0.8

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.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8－10mm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。

DigiQlo的进风组件,风扇悬空如图

上图是DigiQlo的进风组件，其风扇罩离风扇10mm。

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）

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。

风扇P1124010H安装在不同位置时的特性曲线

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。

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/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％。

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，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。

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，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。

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