15 風扇 P130
許多高熱流密度的電子封裝系統都采用風扇進行強迫冷卻。小的系統通常采用軸流風扇，其氣流流動方向垂直于風扇葉片。而大的系統通常采用壓頭較高的離心風扇。
對于強迫冷卻的系統在其設計階段早期就要進行合理設計。為了使氣流流經高熱功耗元件以及為風扇提供足夠的空間和電源，制定一個設計計劃就顯得非常重要。
在風扇選擇時主要考慮以下幾個方面：所需的氣流流量、直流或交流、電壓、轉速、預期使用壽命、EMIRFI、熱功耗、自動再啟動、噪音等。
設計一個強迫冷卻系統的第一個階段是估計所需風量。這個所需風量是由系統內熱功耗和允許的最高溫升所決定的。
在估計系統內熱功耗時，需要考慮以后系統內有可能出現調整或出現額外的熱源。因此，預計的熱功耗應該是出現在系統最不利情況下。
例如：對于一個熱功耗為2000 ，允許溫升為 ℃的系統，其所需的空氣流量大約為32cfm。
在下圖中：垂直的坐標軸表示去除的熱量，水平的坐標軸表示空氣流量：這兩個軸都采用對數坐標。其中的斜線為溫升（℃）線。使用這個圖表時，首先確定系統的允許溫升，然后在圖中找到相應的直線。然后根據系統所要去除的熱功耗，來確定相應情況下所需的空氣流量。
系統阻力特性
確定由安裝在系統內的風扇實際產生的風量比計算所需風量要困難的多。空氣流動路徑上的阻礙物引起空氣壓力下降。下圖顯示了一個風扇壓降與空氣流量之間的關系。為了達到最大的空氣流動，阻礙物所引起的阻力影響應該最小化。然而，為了引導氣流更好的掠過高熱功耗元件，某些場合需要采用擋板。當然，系統內熱功耗元件也會阻礙空氣流動。
軸流風扇流量與壓降的關系
通過實驗的方法可以精確的確定系統內風扇的空氣流量，但這種方法耗時耗力。
實際上，可以采用經驗的方法來估計空氣流動阻力。具體如下：
一個空的系統，其空氣流量一般減少 ％。
一個充滿封裝元件的系統，其空氣流量可以減少 ％甚至更多。
絕大多數的電子系統其內部壓降大約為： 。
測量空氣流動和靜壓
采用AMCA標準210雙測試腔對流量和靜壓進行測量。
風扇工作點和系統阻力特性
風扇的工作點是風扇特性曲線和系統阻力特性曲線的交點。風扇特性曲線已經在前文中進行了解釋。系統阻力特性是系統的固有特性，其描述了空氣流經系統時所受的阻礙。下圖描述系統內空氣流動和靜壓降的關系。這一曲線可以通過對系統設定不同的流量來測量。
上圖顯示的風扇特性曲線只是風扇在最佳位置和風道中的特性曲線。否則，風扇特性曲線會發生變化，從而導致空氣流量的減少。下圖顯示了風扇特性曲線由于物體遮擋而發生變化。這些計算是基于4715系列風扇。下圖顯示了距離入口風扇和出口風扇X in處物體對風扇特性曲線的影響。
風扇選擇
通過確定的空氣流量，你可以選擇一個具體的風扇。首先考慮采用AC還是DC風扇。在過去由于DC風扇價格較高而多采用AC風扇。現在這兩者之間的價格差異已經不存在，而且DC風扇突出的優點使它被更多地采用。首先DC風扇地使用壽命比較長。另外DC風扇與AC風扇相比電源消耗要少 左右。根據工業專家表示：風扇溫度升高10℃，其使用壽命要減少20，000個小時。
另外DC風扇地轉速與電壓成線性關系，所以它可以運行在指定地轉速下。然而，風扇運行在最大轉速以下可以減少噪音和功耗。
除此之外，DC風扇比AC風扇有更低地EMI和RFI。所以現在DC風扇使用更為廣泛。下面提及一些DC風扇的注意點。
許多DC風扇會有12V和24V兩個型號，建議采用高電壓的風扇。這主要是因為其電流相對而言更低而且風扇產生的熱功耗也小。
DC風扇的噪音頻率和量級隨著轉速提高而增大。如果可能，盡量選用低速的馬達來減小噪音。
當獲得系統所需的空氣流量和靜壓后，通過使用風扇制造商提供的風扇特性曲線可以獲得足夠的制冷量。但這個風扇特性曲線使用時候需要注意。通常制造商提供的風扇特性曲線不會注明是處于名義狀態下或最不利狀態下。風扇特性曲線通常會在其名義特性曲線10％內波動。
有時會錯誤的選用自由空氣（風扇無遮擋）狀態下的特性曲線。需要注意的是真實機箱內部是不存在自由空氣的。
噪音對制冷沒有影響，但對系統和用戶很重要。應該盡可能的選用安靜的風扇，或者采用某些技術來降低風扇的噪音。
使用更大的風扇可以減少噪音。對于某個具體的空氣流量，采用更大的風扇可以降低風扇轉速，由此可以減小噪音。
正如先前所提到的，DC風扇比AC風扇產生更少的EMI和RFI。對于常用的風扇而言，其產生的EMI和RFI不是問題。當系統對干擾敏感時需要考慮此類問題。
風扇使用壽命
軸承是風扇使用壽命的主要影響因數。風扇制造商使用的軸承都比較類似，所以不同廠商之間的風扇使用壽命差異并不大。絕大多數制造商認定風扇的使用壽命為50，000小時，假設每個星期工作40小時，折合下來可以使用25年。因此，風扇的使用壽命很可能超出設備的使用壽命。正如前面所述，風機的使用壽命與它的溫升有很大關系。
UL要求風扇能經受轉子鎖死72個小時（直流風機15天）而不造成任何破壞和過熱。并且當去除鎖死轉子的裝置后，風扇可以正常的運行。
入口或者出口風扇
設計工程師可以選擇一個入口或出口風扇。理論上兩者所需要的空氣流量是一樣的。然而，在實際應用中兩者各有其優缺點。空氣被抽入風扇時是層流，可以在系統內形成比較均勻的流動。這可以很好的避免空氣滯留和出現熱點。風扇出來時的氣流是湍流。在相同體積流量下，湍流流動可以比層流流動帶走更多的熱量。仔細地設計系統內風道非常重要。注意不要產生氣流短路。如果出現氣流短路，可能會有90％以上地氣流損失。采用擋板是消除氣流短路常用地方法。另外，應盡可能地降低空氣流道內的阻力。
高熱耗元件應該置于空氣直接流經的位置上。不宜在小元件前放置大元件，因為大元件可能會遮擋氣流。必要的時候可以使用擋板來引導空氣流動。
出口風扇缺點是在系統內產生負壓，所以灰塵等會進入到系統內。當系統內對灰塵有一定限制時，建議采用入口風扇。在這種情況下，可以在入口風扇的前部加裝一個過濾網。因此不會將環境中的灰塵吸入到系統內。過濾網也要定期的清洗，從而避免其上出現灰塵的積聚。灰塵的積聚可能嚴重的限制氣流流動，從而提供系統內的溫度。
另外入口風扇所產生的熱功耗可能會使進入系統的空氣溫度略微提高。這可能會降低空氣的冷卻能力。同樣的原因，對于最重要的冷卻元件應該置于空氣的入口處。高溫的元件應該置于空氣的出口處。
在很多應用場合使用入口風扇而不是出口風扇，這主要是因為入口風扇的使用壽命更長。出口風扇的軸承溫度可以比入口風扇的軸承溫度高25℃。降低風扇軸承的溫度可以大大延長風扇的使用壽命，具體可以參見NMB的Fan Warranty Statement和Fan Life De-rating Curve。
噪音
大多數的設計工程師都被要求盡量減小風扇噪聲來滿足用戶的要求。目前的趨勢是系統越來越小，熱功耗越來越大。這兩方面的原因造成空氣流量需求更大，從而加劇了風扇噪音。
風扇噪音有若干個因素造成，其中一些因素是可以由系統設計工程師所控制的，而另外一些則由制造商所決定。空氣動力學噪音是由風扇葉片產生的湍流所造成。這個噪音中占主導的因素是葉片通過頻率。可以通過減小馬達轉速、葉片數、支撐數來降低由此產生的噪音。然而，風扇需要一個確定的轉速和葉片數來產生所需的空氣流量。同時，風扇也需要確定的支撐數來提高強度。
機械噪音是由軸承或非平衡旋轉元件震動所引起。如果這個震動的頻率和系統內其它頻率發生共振，則噪音的強度會變大。另外馬達也會產生噪音，但其產生的噪音在系統內影響很小。
幾乎所有產生噪音的器件都是不能變化的，系統設計工程師幾何沒有太大的調整余地。然而，系統內還是有一些噪音方面的細節值得注意。
1. 避免在接近風扇的高空氣流速處放置障礙物。
2. 使用震動隔離來避免風扇機械噪音進入到系統中。
3. 加強結構強度避免出現共振現象。
4. 將風扇安裝在機箱的內表面而不是在外表面。
5. 物體放置在風扇進風處比放置在風扇出口處噪音更大。
系統設計工程師應該仔細比較不同廠商之間的風機噪音。盡管已經出現了一個標準的噪音測量方法，但是目前還難以為制造商和用戶所接受。這個方法就是ANSI 12.11。
多個風扇的使用
盡管你已經很努力了，但當設計完成之后，突然系統使用的環境有所提高，這就需要增加系統制冷能力。為了做到這一點，你可以在設計之初選擇一個低風量的風扇。如果以后制冷量有所提高，可以采用一個風量更高的風扇替代之前的風扇。
當使用更大尺寸風扇無法滿足額外的制冷量要求時，可以采用以下措施，具體如下：
1. 提高系統內的空氣流量
2. 從新設計一個系統，以便使用更大的風扇
3. 修改系統，使用兩個或更多的風扇并聯。
4. 修改系統，使用兩個或更多的風扇串連。
很多情況下，僅僅通過改善系統內氣流流動和修改風道位置及尺寸無法滿足額外的制冷量。如果你不能通過改善系統內氣流流動來滿足情況，你可以通過修改系統來安裝更大的風扇。但很多時候這是不可能的。如果采用一個風扇不能達到要求，而空間沒有限制的情況下，我們可以采用多個風扇。
在很多情況下，增加風扇可以改善系統內的氣流分布。另外多個風扇也可以增加系統的可靠性。
增加風扇也可能會產生一些其它問題，諸如：費用、噪音、風扇的熱功耗。
兩個并聯風扇的理想性能
兩個并聯風扇只有在自由空氣狀態下風量才是單一風扇時兩倍。如果系統的靜壓比較高，則兩個風扇并聯產生的效果很有限。兩個串連風扇只有在流速為0時，靜壓才是單一風扇時兩倍，并且風扇串連是不增加空氣流量。在系統低靜壓情況下采用兩個風扇并聯可以提高系統內空氣流量。在系統高靜壓情況下采用串連風扇可以提高系統內靜壓。
增加風扇后產生的熱功耗不能忽略。在某些極端的情況下，由于增加風扇所產生的熱功耗甚至超過了其提供的制冷量。
Flotherm資料下載: 使用Flotherm進行電子散熱仿真過程中涉及的物理學原理.pdf
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