LED灯具热设计之风扇篇.ppt
2023/7/7,1,启蓝内部资料,LED灯具热设计之风扇篇,风扇分类与结构风扇的基本组成与功能风扇选型计算与热设计风扇可靠性验证,2023/7/7,2,风扇分类与结构,原理：风扇的工作原理是按能量转化来实现的，即：电能电磁能机械能动能。其电路原理一般分为多种形式，采用的电路不同，风扇的性能就会有差异。通常按照气流分为三类轴流式：气流出口方向与轴心方向相同。离心式：利用离心力作用将气流沿着叶片向外甩出。混流式：拥有以上两种气流方式。按照驱动分类AC风扇与DC风扇AC风扇与DC风扇的区别。前者电源为交流，电源电压会正负交变，不像DC风扇电源电压固定，必须依赖电路控制，使两组线圈轮 流工作才能产生不同磁场。AC风扇因电源频率固定，所以硅钢片产生的磁极变化速度，由电源频率决定，频 率愈高磁场切换速度愈快，理论上转速会愈快，就像直流风扇极数愈多转速愈快的原理一样。不过，频率也不能太快，太快将造成激活困难。DC风扇稳定性高些，目前电脑散热全用DC风扇。,2023/7/7,3,风扇分类与结构,按照轴承类型分含油轴承，一般是铁环套在铜芯上，中间封存油脂。此类风扇前期噪音比较小，成本低，但寿命短，一般在20000小时以内。到了使用后期由于油脂的消耗，噪音也会慢慢增大，转速也在降低。单滚珠轴承，使用最普遍，两个铁环中间有一些钢球或者钢柱，并辅以一些油脂来减小摩擦。它使用寿命长，发热量小，噪音值会很稳定，而且成本中等。双滚珠轴承，属于比较高档的轴承，采用滚动摩擦的形式，采用了两个滚珠轴承，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇页或轴心转动时，钢珠即跟着转动。双滚珠轴承的优点是寿命超长，大约在50000-100000小时。抗老化性能好，适合转速较高的风扇。缺点是制造成本高，并且在同样的转速水平下噪音最大。合金轴承，该轴承带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，而避免含油流失，提升了轴承寿命。这种设计使得风扇的噪音明显降低，还能延长使用寿命，只是价格偏高。酷冷至尊的中高端产品都是使用的这种轴承。,2023/7/7,4,风扇分类与结构,按照轴承类型分磁悬浮轴承，它利用磁力原理使风扇悬空且凭借磁浮力吸住扇叶成 360 度定轨围绕轴心形成稳定旋转。轴承两端无任何接触物，完全避免了摩擦从而延长了其寿命。它不是单独的磁悬浮技术，通常是磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承，特点是风量偏小，使用受限。特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。散热器制造商AVC、ENERMAX制造。这项技术并没有得到欧美国家的认可。纳米陶瓷轴承，轴承核心全面采用特殊的二氧化皓材料，使用冲模及烧结工艺制成，晶体颗粒由过去的60um下降到了0.3um，具有坚固、光滑、耐磨等特性。纳米轴承的性质与陶瓷类似，越磨越光滑，该轴承寿命更长,效率更高,噪音更小。它由富士康研制，,目前仅见于富士康散热产品当中。液压轴承(Hydraulic Bearing)是由AVC首创的技术，是在含油轴承的基础上改进而来的。液压轴承拥有比含油轴承更大的储油空间，并有独特的环回式供油回路。液压轴承风扇的工作噪音有明显的降低，使用寿命也非常长，可达到40000小时。液压轴承实质上仍然是一种含油轴承。,2023/7/7,5,风扇分类与结构,按照轴承类型分来福轴承(Rifle Bearing)技术的代表厂商是CoolerMaster，目前CoolerMaster已经将旗下的大部分传统含油轴承风扇升级到来福轴承。作为传统含油轴承的改进，来福轴承采用耐磨材料制成高含油中空轴承，减小了轴承与轴芯之间摩擦力，来福轴承还带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，从而避免含油流失，因此提升了轴承寿命。来福轴承风扇通过采用以上结构及零件，使得含油及保油能力大幅提升，并降低了噪音。汽化轴承(VAPO Bearing)是由Sunon将磁悬浮技术改进而来的，就是把含油轴承的轴套硬度加强，并且采用特殊的材料，其内层表面特殊加工，这样就克服了含油轴承不耐高温的缺点，再和磁悬浮技术配合，就大大延长了使用寿命。外磁式（）风扇的特点是将电机移到边框周围，中心只以很小的轴承支撑。优点：增大了过风面积和极大地缩小了盲区。据称这种设计可增加30%的风量和静压，并且由于技术还将专利扇叶和导流外环结合为一体，能够使气流更集中且减少湍流的产生，从而提高了散热效率并降低5%的噪音。一般而言配备滚珠会更合适一些，摩擦力小，使用寿命也更长。使用空间局限性强，使用数量也较少。,2023/7/7,6,风扇分类与结构,按照轴承类型分流体动态轴承(Hypro Bearing)其名称来源于HY(Hydrodynamic wave，流体力学波)PRO(Oil protection system，油护系统)，系知名散热器及风扇设计制造厂家ADDA的专利产品，也是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。流体动态轴承与液压轴承可谓殊途同归，两种设计各自采用了一些独到的改进措施，但精髓同为循环油路系统，各方面的表现也基本相当。通常产品寿命可达50000小时以上。,2023/7/7,7,风扇分类与结构,目前散热风扇市场主要品牌德系：EMB日系：NMB、SANYO、NIDEC、ORIX台系：AVC、ENERMAX、cooler master、SUNON、BI-SONIC、DELTA、ADDA、SINWAN、COMMONWEALTH、KAKU、PROFANTEC、FULLTECH、SUNTRONIX等国产：永业昌、泉风、九龙据悉德系的最贵，约国产同类产品的8-10倍日系约国产同类产品的4-6倍台系约国产同类产品的1-3倍 初步资料：ADDA风扇属于台系风扇中价格比较适中，性价比较高，尤其是在DC直流机方面。DC直流机比AC交流机做得更全、更细致，除了普通直流机机种，还可以做防水型散热风扇，价格又比台达、百瑞、建准的更合理。,2023/7/7,8,风扇的基本组成与功能,风扇的基本组成定子部分与转子部分定子部分：电机、外框、轴承、扣环转子部分：扇叶、轴心、磁环、磁环外框及油圈主要部件的参数与功能扇叶：叶片倾角：倾角越大，叶片上下表面间压力差越大，相同转速下风压越大。叶片数目：风扇的叶片数目多数是7、9、11等奇数，若采用偶数扇叶，很容易使系统发生共振，将会使叶片或轴心发生断裂。叶片弧度：向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度，可保证吹出气流集中在出风口正前方的柱状空间内，增加送风距离与风压。主轴直径：由于电机与轴承的存在，轴流风扇主轴所在的中心部分难免存在无气流通过的盲区，主轴直径便决定着此盲区的大小。扇叶平衡：扇叶的物理质心与轴心不在同一轴上，扇叶在运转时会造成扇叶的不平衡，即震动。扇框：扇框可以对扇叶所带动的气流进行“约束”，控制其流出方向，抑制反激与散射，令其集中于所希望的送风方向。采用材料与结构需具有一定的强度，可以在一定程度内承受物理冲击，保护扇叶、电机等较脆弱的组件。,2023/7/7,9,风扇的基本组成与功能,风扇主要技术参数指标功率：功率即风扇单位时间内所消耗的能量（电能），单位为瓦（W）。启动电压：指当突然通电后，能够使风扇启动的最小电压。因板卡提供的电压可能会不稳定，启动电压越低，可确保在电压不稳时，能低压激活启动风扇。常规风扇的启动电压都在7V以下。转速：风扇扇叶在单位时间内旋转的周数，单位一般为rpm，即转/分钟。转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率，甚至使用寿命。转速越高，风扇性能越强，即风速越快，风量越大，风压越大；同时，转速高，摩擦、振动就多、噪音就大，轴承等损耗设备的寿命就短。风量：单位时间内通过风扇出风口（或进风口）截面的空气体积，单位一般为cfm，即立方英尺每分，或cmm，即立方米每分。风量平均风速 x 过风面积。可见，风扇风量的大小基本取决于风速的高低与过风面积的大小。过风面积相同，风速越高，风量越大；风速相同，过风面积越大，风量越大。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。,2023/7/7,10,风扇的基本组成与功能,风扇主要技术参数指标风压：风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差，单位一般为mm water column，即毫米水柱（类似于衡量大气压的毫米汞柱，但由于压强差较小，一般以水柱为单位）。风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速，前三者的影响较为复杂，于转速的关系则简单直接转速越快，风压越大。风压与风量之间关系：风扇产品所说明的风量与风压均为理想状态下的最大值，即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量（最大风量），以及风扇向密闭气室内吹风，直至风量为零状态下气室与外界气压的差值（最大静压）。它们并非两个孤立的性能指标，而是互相制约着，之间的关系就是流体力学中流速与压强间的关系风量随着压强差的增大而减小，风量、风压的测量需要借助风洞仪进行.就是风扇的特性曲线噪音：它主要有三个来源：轴承的摩擦与振动、扇叶的振动、风噪。通常一般嘈杂大街为90分贝，普通会话为60分贝，深夜、图书馆为30分贝，噪音控制好的风扇应在分贝以内为宜，越低越好。噪音值的单位为dB（A），它通常可用噪音计测量得到。（风噪：流动的空气之间互相冲扰，与周围物体发生摩擦，叶片对气流的分离作用，周期性送风的脉动力等，都会产生噪音。空气流速越快，湍流越多，往往风噪也越大，而且会随着风速的提高呈加速度增大。）,2023/7/7,11,风扇的基本组成与功能,风扇主要技术参数指标振动：一般采用塑料制作的风扇扇叶具有一定的韧性，可以承受一定程度的物理形变，同样也会在推动空气过程中因受力发生振动，但幅度一般较小。产品寿命期望值L10：指产品发生10%不良时之预期时间，或称信赖度90%之时间。L10=t1+(t2-t1)*0.1t1：达不良率值最短时间t2：达不良率值最长时间不良之定义并无一定之规范，譬如：(1)可以用一批产品作测试，经2000，3000，5000，10000，18000小时后测试其转速、消耗电流是否超出规格做为不良之定义。(2)或以精密测量仪器测量轴心润滑油料残余量剩多少为不良之定义。测试之样品数越多则数据越可靠，最少三个。,2023/7/7,12,风扇选型计算,风扇选型计算 当电子设备的热流密度超过 0.08W/cm2，体积功率密度超过 0.18W/cm3 时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需采用强迫风冷散热。右下图为温升40时，各种方式的体积功率密度。,2023/7/7,13,风扇选型计算,风扇选型计算在选用风扇之前，首先对系统的散热风量预估，利用热力学原理分析系统的散热，得到如下公式：H=CpM（T2-T1）=CpMT（1）其中：H：排热量 Cp：比热 M：空气的质量流率（单位时间内流过的空气质量）T2：出风口的空气温度 T1：进风口的空气温度 T：（T2-T1），称作温升 质量流率 M 的定义为：M=pQ（2）其中 Q：空气的体积流率（风量）p：空气密度 将（2）式代入（1）式运算求 Q，得到下式：Q=H（3）Cp pT 若以常温常压下的 Cp 和 p 代入（3）式：取 Cp=1.0kj/kg，p=1.175kg/m得到公制 Q(M/min)=49.7H(KW)(4)英制 Q（）=6160H(KW)(5)T()T()根据这两个公式，将排热量 H 和温升T 代入，便得到所需要的风量。,2023/7/7,14,风扇选型计算,风扇选型计算系统的风阻特性曲线，根据流体力学分析风阻，风压与风量的关系为：P=p KQ n(6)其中P 为风压，假设密度 p 为常数，则(6)式可以写成下式：P=KQ n(7)其中 K 为风阻系数，随系统而定，N 的值在流场中为层流(LaminarFlow)时，n=1；流场为紊流时，n=2；一般风扇散热系统的流场都是紊流，所以得到：P=KQ 2(8)若画成风压与风量的关系图，其曲线为抛物线，称作风阻曲线（如下图所示），由于风压和风量有这种抛物线形的关系，只要得到一组系统的风压风量值，便可得到整条的系统风阻曲线。静压损失的计算风机向机箱内吹风或抽风，气流通过不同的狭窄风道产生摩擦力和静压损失，使风压降低、风速减小。静压损失分为沿程压力损失和局部压力损失，一般地，可根据风道的形状做出估算。通常将静压损失数称为速度头。Pi=(Vi/1277)2其中，Pi-静压损失（或速度头），厘米水柱；-为一系数，按空气流经不同的风道估算，见下表；Vi-风速，cm/s。风速Vi 由下式确定：Vi=Q/Ai其中，Q-风量，cm3/s；Ai-风道的截面积，cm2。,2023/7/7,15,风扇选型计算,风扇选型计算风扇的选型时必须要考虑到沿程静压损失。,2023/7/7,16,风扇选型计算,风扇选型计算系统的风阻特性曲线，根据流体力学分析风阻，风压与风量的关系为：P=p KQ n(6)其中P 为风压，假设密度 p 为常数，则(6)式可以写成下式：P=KQ n(7)其中 K 为风阻系数，随系统而定，N 的值在流场中为层流(LaminarFlow)时，n=1；流场为紊流时，n=2；一般风扇散热系统的流场都是紊流，所以得到：P=KQ 2(8)若画成风压与风量的关系图，其曲线为抛物线，称作风阻曲线（如下图所示），由于风压和风量有这种抛物线形的关系，只要得到一组系统的风压风量值，便可得到整条的系统风阻曲线。系统设计的重点气流方式：散热风扇的使用有吹气式和抽气式两种，其优劣比较如下：防尘的比较：使用吹气式便利在入口装设防尘纲阻绝灰尘进入系统，又由于系统内部处于较高气压下，系统所有缺口风都会向外吹，同样起到防尘作用。散热的比较：吹气式风扇将风扇的热量带进系统，抽气式则将风扇所有的热量送到外界。操作温度的比较：吹气式风扇在较低温度下操作，所以能有较长的寿命，抽气式风扇的操作温度高，寿命相对短。,2023/7/7,17,风扇选型计算,系统设计的重点 气流比较：风扇在气流吸入部份是平均吸入，而吸出的气流则较集中，使用吹气式便利设计者选择重点散热区域加强吹气。干扰问题 直流风扇在运转时由于电流的切换以及线圈电感的影响，将会产生传导性 EMI，设计者必须注意到是否会与共同电源的线路发生干扰。如果风扇在严重 EMI的环境下运转，就要考虑一些敏感零件受到幅射 EMI干扰的可能性，另外，永久磁铁与线圈可能会有少量磁场外溢，即所谓的 UMF，如果刚好靠近一些敏感电路或是 CRT，可能就会对系统造成干扰，提供良好的UMF 遮蔽外壳是风扇制造厂商的责任，但是从使用者的角度，替风扇选取适当的位置是减少干扰的有效做法。降低系统噪音的原则 减少风阻，以免需要更大更快的风扇来达成散热目 的。减少流场干扰，以降低紊流产生的噪音 在相同的风量需求之下，尽量选用尺寸大而转速小的风扇。使用柔软且富有弹性的材料为风扇和系统做振动隔离，避免振动发出噪音。零件的排列重点 为得到较佳的散热效果，下列重点提供使用或设计者参考。对温度较敏感的零件应该靠近入风口，以保持较低的操作温度。将大型的热源靠近出风口，以免增加其它零组件的工作温度。,2023/7/7,18,风扇选型计算与热设计,系统设计的重点 减少风道的障碍，以免降低了风量，浪费风扇的功率，尤其在出口及入口是风道最窄的位置，应该预留足够的风道空间。如果有区域性的高热源，不妨多加一个小型风扇作局部冷却。,2023/7/7,19,风扇选型计算,风扇特性曲线图,A曲线高风阻 C曲线低风阻,2023/7/7,20,风扇选型计算,风扇特性曲线操作点介绍性能曲线和风阻曲线的交点称作“操作点”，操作点的意义便是风扇装在系统上时所产生的风压风量。操作点的风量越大，自然有较优的散热效果，但是还需考 虑噪音、空间、功率、成本等因素才能得到一个最佳的设计。通常在斜率较平坦的这一段区域内是风扇的最佳使用区域，在此区域内，风扇的实际寿命与理论使用寿命相近（温度环境较好的情况下）。我们在设计一个灯具时，其系统阻抗是无法预知的，只能通过热流体力学软件如Flotherm、fluent、EFD等仿真软件模拟分析或者通过风洞测试仪测试出来。目前存在的关键问题点：系统阻抗的确定,2023/7/7,21,风扇可靠性验证,锁定保护验证主要效应为风扇不烧毁，结构不失效；失效模式式为风扇不转，结构变形等。将风扇在额定电压下锁定转子，不让其风扇运转来检验风扇定子的安全设置性能好坏。安规锁定时间为 72 小时，若72 小时过后将锁定取消，风扇还能正常工作运转，同时电气性能正常。反向保护验证主要效应为风扇不烧毁，风扇反向电动式不回路；失效模式为风扇不转，有反向电动回路。将风扇正负极电源线与供电器电源正负极反接在额定电压下测试 72 小时，风扇不能有烧毁不转，同时反向电流值为零 mA。正确反向保护方式为在风扇电源正极端加二极体，其作用 为：A)反向接线时电压电流完全截止，不会造成风扇烧毁。B)风扇运转中定子线圈会因切换电极时产生反向电动式，若没有反向保护易造成该电动式电压引起设备（特别是精密性设备和仪器）不稳定等异常。抗湿度验证主要效应为零件焊接及抗氧化性；失效模式为电性短路/断路，风扇不转、时转时不转或转速不稳定。因风扇长期在使用环境中面临不同温湿度，湿度大小将会影响电子零件的焊接效果，以最短有效的方法测试为将风扇置于水中通电能正常运转 12 小时（这为破坏性实验）。,2023/7/7,22,风扇可靠性验证,材料防火等级验证主要效应为扇叶、外框的防火性；失效模式为防火等级不相符（为确保风扇产品在使用过程中安全，不因风扇产品选用材料不当而导致在高温条件下引起热变形及燃烧导常）。UL 94HB 可燃性标准 一个距 20mm 高蓝色本生灯（酒精灯）火焰燃烧被测物本体(固定一端)30 秒钟后移开。在火焰移开后被测体继续燃烧，熔化物滴下来的火焰分子掉落距被测物下端 300mm处干燥的棉花层引起点燃。UL 94V-O，V-1，V-2 可燃性标准 一个距 20mm 高蓝色本生灯（酒精灯）火焰燃烧被测物本体(固定一端)10 秒钟后移开。假如被测物在 30 秒之内停止燃烧，则本生灯再次燃烧原处 10 秒钟。假如待测物熔化物滴下来的火焰分子掉落距被测物下端 300mm 处干燥的棉花层。A)V-O 要求：A-1)被测物火焰点燃 10 秒钟后移开，被测物被点燃不超过 10 秒钟熄灭 A-2)被测物二次点燃移开，待测物被点燃持续不超过30 秒钟熄灭 A-3)被测物点燃滴下来的火焰分子掉落距被测物下端300mm 处的干燥棉花层不会被点燃 B)V-1 要求：B-1)被测物火焰点燃 10 秒钟后移开，被测物被点燃不超过 30 秒钟熄灭 B-2)被测物二次点燃移开，待测物被点燃持续不超过60 秒钟熄灭,2023/7/7,23,风扇可靠性验证,材料防火等级验证 B-3)被测物点燃滴下来的火焰分子掉落距被测物下端300mm 处的干燥棉花层不会被点燃 C)V-2 要求：C-1)被测物火焰点燃 10 秒钟后移开，被测物被点燃不超过 30 秒钟熄灭 C-2)被测物二次点燃移开，待测物被点燃持续不超过60 秒钟熄灭 C-3)被测物点燃滴下来的火焰分子掉落距被测物下端300mm 处的干燥棉花层会被点燃 低温性能验证主要效应为油品粘度增加或凝固，材料硬 化、脆化及收缩；失效模式为风扇不转，材料裂损等。将风扇置于-202密闭空室里通电（额定电压）和 不通电两种方式测试 168 小时，通电风扇正常运转，不通电风扇取出后额定电压通电测试能正常运转。高温性能验证主要效应为结构变化，油品粘度降低蒸发；失效模式为结构失效，改变特性，润滑失效等。将风扇置于 752密闭空室里通电（额定电压）和 不通电两种方式测试 500 小时，通电风扇正常运转，不 通电风扇取出后额定电压通电测试能正常运转。,2023/7/7,24,风扇可靠性验证,高低温循环（冷热冲击）验证主要效应为检验风扇产品 在两温度间快速变化材料异常及电子性能异常；失效模式 为外框/扇叶脆裂，零件焊点脱落等引起风扇不正常工作。将风扇置于-102至 652密闭空室里通电（额定电压）和不通电两种方式测试（一个周期为 12 小 时，共 10 个周期），10 个周期通电风扇正常运转，不 通电风扇取出后额定电压通电测试能正常运转。,
