作者：Pete Bartolik

　　從云服務(wù)器到移動設(shè)備的所有設(shè)備，功能強(qiáng)大的電子產(chǎn)品正在為企業(yè)、消費(fèi)者和政府帶來巨大利益。與從前一樣，如何最有效地冷卻重要組件，以滿足速度、可靠性和數(shù)據(jù)處理性能方面的要求，這是大家共同面臨的挑戰(zhàn)。

　　功能更強(qiáng)大的服務(wù)器和邊緣設(shè)備對于實(shí)現(xiàn)與 5G 相關(guān)的自主技術(shù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 解決方案的承諾至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時，為確保性能和可靠性就需要多種熱管理方法，但對于大多數(shù)應(yīng)用而言，冷卻風(fēng)扇是關(guān)鍵設(shè)備。因此，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，規(guī)劃具有最佳冷卻性能、最低噪音和最小封裝的緊湊型風(fēng)扇是極其關(guān)鍵的一步。

　　避免在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時采用去折中措施

　　自 1965 年以來，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直在努力解決集成電路密度急劇增長所帶來的冷卻需求問題，即將成為 Intel 聯(lián)合創(chuàng)始人的 Gordon Moore 對此做出過著名的預(yù)測。1，自那時起，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員便一直努力解決 IC 系統(tǒng)不斷增大密度所造成的冷卻需求問題。當(dāng)系統(tǒng)過熱時，組件可能會停止工作，甚至損壞。

　　為電子系統(tǒng)供電的電能會轉(zhuǎn)化為熱量，所以必須將熱量排出，以防過熱。在美國，高達(dá) 40% 的數(shù)據(jù)中心能耗用于冷卻;在數(shù)據(jù)中心之外，邊緣計(jì)算和各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常工作通常依賴于先進(jìn)的散熱技術(shù)，以及極高的微型化和可靠性。這種用于廣泛電子系統(tǒng)的冷卻解決方案通常依賴于安裝維護(hù)簡單的緊湊型節(jié)能低噪風(fēng)扇。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在尋求實(shí)現(xiàn)充分冷卻的過程中，會不斷面臨著功率吞吐量不斷提高、能效目標(biāo)更加嚴(yán)格以及需要容納越來越小的組件等挑戰(zhàn)。由于功耗、空間和噪音的限制，僅僅計(jì)劃使用功率更大的風(fēng)扇或增加風(fēng)扇是不現(xiàn)實(shí)的。

　　設(shè)計(jì)人員在風(fēng)扇方面有三種基本選擇，他們可以利用計(jì)算流體動力學(xué) (CFD) 原理來確定哪種方法可以在壓力和氣流之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡，以滿足應(yīng)用需求(圖 1)：

　　軸流風(fēng)扇像螺旋槳一樣，平行于風(fēng)扇電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的軸向移動空氣，通常適用于低壓、大流量應(yīng)用，用冷卻空氣替換熱空氣。這類風(fēng)扇因其安裝深度小、噪音低和效率高而備受推崇，是服務(wù)器和存儲設(shè)備的理想之選，因?yàn)檫@些設(shè)備的每厘米空間都極其珍貴。更大的葉片氣流角可以產(chǎn)生更大的壓力，但這會導(dǎo)致湍流和增大的噪音，并降低能效。

　　與軸流風(fēng)扇相比，離心或徑向式風(fēng)扇能以 90? 角偏轉(zhuǎn)空氣，并在較低流速下產(chǎn)生較大的壓力。這使得這類風(fēng)扇成為引導(dǎo)空氣通過管道系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)的最佳選擇(如數(shù)據(jù)中心冷卻或筆記本電腦等小型應(yīng)用)。在這些應(yīng)用中，氣流循環(huán)的目的是垂直于進(jìn)氣流移動熱量。這樣做的代價是所需功率超過了軸流風(fēng)扇。

　　對角線風(fēng)扇像軸流風(fēng)扇一樣吸入空氣，但將氣流相對于轉(zhuǎn)軸斜向排出。這使得壓縮水平與離心風(fēng)扇相似，從而能夠在更小的湍流和更高的效率下獲得更大的靜壓。

　　圖 1：三種風(fēng)扇設(shè)計(jì)的最佳工作范圍。(圖片來源：EBM-PAPST)

　　新一代軸流風(fēng)扇

　　緊湊型軸流風(fēng)扇在電子器件冷卻應(yīng)用中占了主導(dǎo)地位，因?yàn)檫@種風(fēng)扇易于集成并能實(shí)現(xiàn)最佳的氣流速度。一體化外殼可作為吸氣漏斗，同時提供均勻的輸出氣流，而不會產(chǎn)生增加噪音的渦流。

　　然而，由于需要冷卻能力不斷提高和設(shè)計(jì)更加緊湊，往往會把傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇的性能發(fā)揮到極限。設(shè)計(jì)人員在使用傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇提高冷卻性能時，通常依靠帶有反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的兩級緊湊型軸流風(fēng)扇來提供整個機(jī)殼均勻冷卻所需的高氣壓。然而，這會增加能耗和運(yùn)行噪音。

　　領(lǐng)先的風(fēng)扇和電機(jī)創(chuàng)新企業(yè) ebm-papst 開發(fā)出了 DiaForce 緊湊型對角線風(fēng)扇。這種風(fēng)扇克服了這些困難，能滿足未來電子設(shè)備冷卻的苛刻要求。氣流從軸向和徑向兩個方向流經(jīng) DiaForce 風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊的非軸流風(fēng)扇裝置，具有反轉(zhuǎn)風(fēng)扇的性能且噪音更低，功耗更小。

　　DiaForce 風(fēng)扇將最先進(jìn)的外置轉(zhuǎn)子馬達(dá)與軸流葉輪直接集成在一起，同時擁有了軸流風(fēng)扇的強(qiáng)大氣流和離心風(fēng)扇的更高背壓(圖 2)。葉輪和外殼的獨(dú)特幾何形狀最大限度地減少了邊緣部分的湍流，從而降低了噪音，而且葉輪出氣口大于進(jìn)氣口，可在軸向和徑向上都產(chǎn)生氣流。

　　圖 2：緊湊型單級軸流風(fēng)扇 (a)、緊湊型雙級軸流風(fēng)扇 (b) 和新型 DiaForce 緊湊型對角線風(fēng)扇 (c) 之間的直接比較。(照片來源：ebm-papst)

　　ebm-papst 開發(fā)的 DiaForce 緊湊型對角線風(fēng)扇可滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、5G 標(biāo)準(zhǔn)通信、自動駕駛汽車和云服務(wù)等應(yīng)用的高利用率要求。

　　DiaForce 風(fēng)扇的幾何形狀最大限度地減少了湍流，使壓力增幅大于標(biāo)準(zhǔn)軸流風(fēng)扇。根據(jù) ebm-papst 提供的數(shù)據(jù)，DiaForce 比傳統(tǒng)緊湊型軸流風(fēng)扇安靜 6 dB(A)，在與傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇相同的尺寸內(nèi)，空氣性能最高達(dá) 50%2。這種風(fēng)扇符合 DIN ISO 1940 標(biāo)準(zhǔn)的雙平面動態(tài)平衡規(guī)范。

　　與傳統(tǒng)單級風(fēng)扇不同，DiaForce 風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以提高，以適應(yīng)如外部環(huán)境溫度升高等不利條件。用來驅(qū)動 DiaForce 風(fēng)扇的高效電子換向 (EC) 電機(jī)的運(yùn)行效率高達(dá) 90%，而交流電機(jī)的效率僅為 20% 至 70%。EC 電機(jī)允許無級變速，并能以較小的外形尺寸提供交流或直流電機(jī)的輸出水平。

　　DiaForce120 Standard(零件編號 8315100198)具有強(qiáng)大的冷卻性能，能耗最低，噪音最小。這種風(fēng)扇 119 mm 寬、高 119 mm、深 86 mm，重 980 g。在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，該風(fēng)扇的最大自由氣流為 680 m3/h，最大靜壓為 3.120 Pa。根據(jù) ebm-papst 提供的數(shù)據(jù)，這種風(fēng)扇可實(shí)現(xiàn) 6 dB(A) 至 12 dB(A) 的降噪效果(具體視不同的工作點(diǎn)而定)。

　　DiaForce 的驅(qū)動部分包括一個額定功率為 500 W 的三線式高能效直流電機(jī)和一個用于智能電機(jī)調(diào)節(jié)的功能強(qiáng)大的微控制器。后者可使電機(jī)在所有負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大扭矩。

　　可選的 FanCheck 集成診斷工具可根據(jù)實(shí)際磨損情況以及溫度、轉(zhuǎn)速和預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)，持續(xù)地計(jì)算實(shí)際剩余使用壽命。使用 FanCheck，制造商和客戶就可以避免在規(guī)定的使用壽命之前更換風(fēng)扇的常見做法，從而降低相關(guān)成本，并能更容易地安排最合適的風(fēng)扇更換時間。

　　DiaForce 風(fēng)扇的其他功能選項(xiàng)包括：

　　轉(zhuǎn)動/停止警報

　　限速報警

　　內(nèi)部溫度傳感器

　　內(nèi)部溫度傳感器

　　模擬控制輸入

　　防潮保護(hù)

　　結(jié)束語

　　隨著政府、企業(yè)和消費(fèi)者對更節(jié)能的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求的不斷增長，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將持續(xù)面臨提供更高性能和更高能效的挑戰(zhàn)。具有狀態(tài)監(jiān)測功能并著眼于未來需求的現(xiàn)代風(fēng)扇在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時具有至關(guān)重要的作用。ebm-papst 的 DiaForce 緊湊型對角線風(fēng)扇可幫助設(shè)計(jì)人員戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)，在更緊湊的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能。