電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)指南

1、電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)指南電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)指南 目錄目錄1.1.相關(guān)知識相關(guān)知識.32.2.溫升的要求溫升的要求.33.3.風(fēng)機(jī)的選擇和使用風(fēng)機(jī)的選擇和使用.33.1.系統(tǒng)需求的風(fēng)量大致計(jì)算方法 .33.2.風(fēng)機(jī)的選擇 .33.3.風(fēng)機(jī)的功率、效率和特性曲線 .43.4.系統(tǒng)阻力特性與風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的確定 .43.5.風(fēng)機(jī)的串連和并聯(lián)使用 .53.6.風(fēng)機(jī)的噪聲 .63.7.風(fēng)機(jī)的安裝位置 .84.4.結(jié)構(gòu)因素對風(fēng)冷效果的影響結(jié)構(gòu)因素對風(fēng)冷效果的影響.114.1.開孔設(shè)計(jì) .114.2.常見的開孔模式 .124.3.外殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì) .124.4.風(fēng)機(jī)的位置 .134.5.風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式 .13

2、4.6.元件的排列與走線 .154.7.熱源的位置 .154.8.漏風(fēng)的影響 .15第 2 頁 共 16 頁1.1. 相關(guān)知識相關(guān)知識1)強(qiáng)迫風(fēng)冷是利用風(fēng)機(jī)驅(qū)使工作的氣流經(jīng)過發(fā)熱表面，把熱量帶走的一種冷卻方法，氣流的速度越高，帶走的熱量越多，電子設(shè)備中，強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱能力要比自然散熱的能力大 10 倍左右。2)流體在流動(dòng)時(shí)，不一定是先向距離近的方向流動(dòng)，而是先向流動(dòng)阻力小的方向流動(dòng)。2.2. 溫升的要求溫升的要求1)根據(jù) IEC 的要求: 在正常使用時(shí)（環(huán)境溫度為 35 度） ，可能與患者短時(shí)間接觸的設(shè)備部件，其表面最高溫度不超過 50 度。2)根據(jù)東芝的要求: 在正常使用時(shí)（環(huán)境溫度為 35

3、 度） ，機(jī)箱內(nèi)空氣的最高溫升不允許超過 15 度。3)FDA 的要求： 在環(huán)境溫度 35條件下，工作中產(chǎn)品的可觸摸表面溫度不得超過50。如果同病人接觸，則不得超過 41。如果超過 41，則必須進(jìn)行科學(xué)的解釋，并提供數(shù)據(jù)以證明不會(huì)危及病人安全。3.3. 風(fēng)機(jī)的選擇和使用風(fēng)機(jī)的選擇和使用3.1.3.1.系統(tǒng)需求的風(fēng)量大致計(jì)算方法系統(tǒng)需求的風(fēng)量大致計(jì)算方法1)測定設(shè)備的規(guī)格和工作條件：V: 整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的總熱量（W）=100(W)T:系統(tǒng)內(nèi)部溫度上升（K）=15度2)計(jì)算冷卻所需的空氣流量：Q：馬達(dá)的空氣流量（m/min）Q：=V/(20T)=100/20*15=0.33（m/min）3) 選用

4、風(fēng)扇：Q: 最大空氣流量（m/min）：Q=Q*2/3Q: = Q*3/2=0.33*3/2=0.5（m/min）確認(rèn)所選用的風(fēng)扇是否正確。3.2.3.2.風(fēng)機(jī)的選擇風(fēng)機(jī)的選擇軸流式風(fēng)機(jī)就是空氣進(jìn)出口的流動(dòng)方向與葉輪軸線平行，其特點(diǎn)是風(fēng)量大，風(fēng)壓小，軸流式風(fēng)機(jī)可以裝在而不改變氣風(fēng)道中氣流的方向，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為： 螺旋漿式 ：普通的電風(fēng)扇或排氣扇就是這種類型。一般用于空氣循環(huán)裝置。 園筒式：其特點(diǎn)是螺旋漿形葉輪的外面有圓筒，其葉尖漏損小，效率較高。 導(dǎo)頁式：其結(jié)構(gòu)與圓筒式的相同，僅在出口或進(jìn)口處加裝導(dǎo)風(fēng)葉。用以引導(dǎo)氣流，減少渦流損失，此種風(fēng)扇效率高，靜壓效率一般可達(dá) 95。第 3 頁 共

5、16 頁圓筒式和導(dǎo)頁式風(fēng)機(jī)用于中，低系統(tǒng)阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設(shè)備的冷卻，當(dāng)電機(jī)用 400Hz 電源時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，軸流式風(fēng)機(jī)的性能有較大的提高。但這種小型高速的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲大（一般在我公司不推薦使用） 。 選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮的因素包括：風(fēng)量,風(fēng)壓,效率，空氣流速，系統(tǒng)或風(fēng)道的阻力特性，應(yīng)用環(huán)境條件，噪聲，以及體積，重量等，其中風(fēng)量和風(fēng)壓是主要參數(shù)，對于我公司生產(chǎn)的設(shè)備，要求風(fēng)量大，風(fēng)壓低，一般要采用軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的類型確定后，再根據(jù)工作點(diǎn)來選擇具體的型號和尺寸。風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的噪音應(yīng)控制在一定的范圍，以免影響到人員的正常工作。選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，盡量用轉(zhuǎn)速較低的風(fēng)扇，可減少氣流的沖

6、擊，降低噪聲。3.3.3.3.風(fēng)機(jī)的功率、效率和特性曲線風(fēng)機(jī)的功率、效率和特性曲線當(dāng)不計(jì)一切的損失時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)機(jī)的空氣所做的功，稱為空氣的理論功率，也就是風(fēng)機(jī)的動(dòng)力輸出，風(fēng)機(jī)的動(dòng)力輸入稱為風(fēng)機(jī)的軸功率，風(fēng)機(jī)的動(dòng)力輸出與動(dòng)力輸入的比值稱為風(fēng)機(jī)的效率。風(fēng)機(jī)特性曲線是指風(fēng)機(jī)在某一固定的轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，靜壓，效率，和功率隨風(fēng)而變化的關(guān)系曲線，一般以風(fēng)量為橫坐標(biāo)，壓力，功率或效率為縱坐標(biāo)。當(dāng)風(fēng)機(jī)出口封閉時(shí)，沒有氣流， （風(fēng)量為零， ）靜壓最大，當(dāng)風(fēng)機(jī)不與任何風(fēng)道相聯(lián)時(shí)，其靜壓為零，而風(fēng)量達(dá)到最大，在這兩個(gè)極點(diǎn)間有一點(diǎn)的效率最高，風(fēng)機(jī)在效率最高的點(diǎn)附近工作時(shí)，功率消耗最小。這就需要選擇最佳風(fēng)機(jī)，以便

7、滿足空氣流量和靜壓的要求。軸流式風(fēng)機(jī)特性（ ）（ ）（ ）風(fēng)量功率靜壓效率風(fēng)量風(fēng)量靜壓3.4.3.4.系統(tǒng)阻力特性與風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的確定系統(tǒng)阻力特性與風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的確定風(fēng)機(jī)的總壓力是用來克服系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力,并在出口處形成一定的速度頭，系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力曲線是通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的靜壓與空氣流量的特性曲線，與流量的平方成正比。下圖中 1, 2，3 分別代表不同風(fēng)道的特性曲線（1曲線表明系統(tǒng)風(fēng)道的阻力最大，3最小，設(shè)計(jì)要讓系統(tǒng)的阻力盡量?。?，風(fēng)道的特性曲線與通風(fēng)機(jī)的特性曲線的交點(diǎn)就是這個(gè)通風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。為了保證足夠的風(fēng)量，在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)有一定的余量。第 4 頁 共 16 頁 靜壓風(fēng)量風(fēng)機(jī)工作

8、點(diǎn)的確定3.5.3.5.風(fēng)機(jī)的串連和并聯(lián)使用風(fēng)機(jī)的串連和并聯(lián)使用所選風(fēng)機(jī)的風(fēng)量或風(fēng)壓不能滿足要求時(shí)，可以采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式來滿足要求。1)風(fēng)機(jī)的串聯(lián)使用當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量能滿足要求，而風(fēng)壓不夠時(shí)，可采用兩只通風(fēng)機(jī)串聯(lián)使用，以提高其工作壓力，風(fēng)機(jī)串聯(lián)時(shí)，其工作特性曲線發(fā)生變化，風(fēng)量基本上不變（略有增加） ，而風(fēng)壓倍增，當(dāng)風(fēng)道曲線比較陡時(shí)，也就是說，風(fēng)道的阻力比較大時(shí)，可采用串聯(lián)形式。 風(fēng)道特性串聯(lián)靜壓風(fēng)量風(fēng)機(jī)串聯(lián)特性曲線2) 風(fēng)機(jī)的并聯(lián)使用風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用時(shí)，其風(fēng)壓比單個(gè)的風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓稍有提高，而總的風(fēng)量是各風(fēng)機(jī)風(fēng)量的和，當(dāng)風(fēng)道曲線較平坦，需加大風(fēng)量時(shí)，可采用并聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是氣流路徑短，阻力損失小。

9、氣流分布比較均衡，但效率低。第 5 頁 共 16 頁并聯(lián)風(fēng)道特性靜壓風(fēng)量風(fēng)機(jī)并聯(lián)特性曲線3.6.3.6.風(fēng)機(jī)的噪聲風(fēng)機(jī)的噪聲DigiQlo 的噪聲要求：離機(jī)器的前面把手 0.5 米，離地面 1 米，噪聲不大于 45 dB；離機(jī)器的后面 1 米，離地面 1 米，噪聲不大于 50 dB。3.6.1.3.6.1.風(fēng)機(jī)安裝對噪聲的影響在選擇電子設(shè)備冷卻的風(fēng)機(jī)時(shí)，噪聲是應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素之一。噪聲的大小與風(fēng)機(jī)安裝方法有較大的關(guān)系，從風(fēng)機(jī)抽出來的風(fēng)如果沖擊到帶孔的鈑金件或塑膠件上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。對于 DigiQlo I/0 背板上 D08T-12PG 安裝如下圖： 當(dāng)風(fēng)扇分別懸空 0mm, 4mm,

10、10mm 時(shí)，測得的機(jī)器的噪聲如下表（測量機(jī)器的后面，大約距地面，距機(jī)器各 1m。地點(diǎn)在邁瑞一樓多功能廳，正常上班時(shí)間）第 6 頁 共 16 頁：風(fēng)扇懸空距離對應(yīng)噪聲有后殼無后殼 10mm47.3 dB4 mm46.8 dB0 mm45.6 dB45.6 dB46.2 dB從上表可以看出，該種安裝方式，當(dāng)風(fēng)扇懸空時(shí)，在風(fēng)扇與鈑金件之間加墊片，（懸空的高度在 010mm） ，噪聲會(huì)加大。且有塑膠外殼罩住時(shí)，噪聲會(huì)有所減小。 當(dāng)風(fēng)扇用另外一種安裝方式，如 2300 的出風(fēng)設(shè)計(jì)，風(fēng)扇固定在鈑金件上，向外抽風(fēng)，如下圖：當(dāng)風(fēng)扇懸空時(shí)，在風(fēng)扇與鈑金件之間加墊片， （懸空的高度在010mm） 。測得數(shù)據(jù)如下

11、表格所示：當(dāng)間距在 0-4mm 之間時(shí)，噪聲會(huì)減小，但再增大間距，噪聲變化不明顯。風(fēng)扇懸空距離0 mm2 mm4mm 6mm8mm 對應(yīng)噪聲49.7 dB45.7 dB38.3 dB39.6 dB39.7dB另外，在出風(fēng)口加尼龍布防塵網(wǎng)，也會(huì)對噪聲有減小。第 7 頁 共 16 頁下圖 PM-9000 上的風(fēng)扇安裝，當(dāng)把后殼上出風(fēng)口筋內(nèi)側(cè)修大約 R0.8 時(shí)，離出風(fēng)口約 20cm 時(shí)測噪聲，結(jié)果是有 R0.8 比沒有 R 要小約 2 Db.（地點(diǎn)時(shí)間同上） 3.6.2.3.6.2.噪聲的評估測試過程中發(fā)現(xiàn)東芝便攜式 B 超的噪聲從聲強(qiáng)上比 2300 低一點(diǎn),但是實(shí)際感覺 2300 卻刺耳的多,感

12、覺上是 2300 的噪音頻率比東芝的要高,由于人耳對噪音的感覺不單是聲強(qiáng)決定的,和聲音的頻率也有很大關(guān)系,所以降低 2300 發(fā)出噪聲的頻率對此問題會(huì)有改善作用3.7.3.7.風(fēng)機(jī)的安裝位置風(fēng)機(jī)的安裝位置3.7.1.3.7.1.根據(jù)東芝在這方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)的安裝非常講究：外殼進(jìn)風(fēng)孔（或出風(fēng)孔）的總面積要不小于風(fēng)機(jī)總的通風(fēng)面積。風(fēng)機(jī)不論是抽風(fēng)還是鼓風(fēng)，安裝時(shí)都最好不要直接貼裝在開孔的鈑金上，因?yàn)檫@樣會(huì)出現(xiàn)較陡的風(fēng)道特性曲線。單位時(shí)間的通風(fēng)量會(huì)比預(yù)計(jì)的通風(fēng)量減少，對散熱不利。最好的是把風(fēng)扇懸空，不論是出風(fēng)口還是進(jìn)風(fēng)口，都在外面加開孔的屏蔽罩，并且開孔面積不小于風(fēng)扇的通風(fēng)面積，屏蔽罩離通風(fēng)機(jī)有

13、810mm 的距離。這樣保證風(fēng)機(jī)是工作在風(fēng)道阻力最小的點(diǎn)上，單位時(shí)間內(nèi)的通風(fēng)量最大。散熱最好。倒圓角 R0.8第 8 頁 共 16 頁DigiQlo 的進(jìn)風(fēng)組件 , 風(fēng)扇懸空如圖上圖是 DigiQlo 的進(jìn)風(fēng)組件，其風(fēng)扇罩離風(fēng)扇 10mm。 第 9 頁 共 16 頁 上圖是 DigiQlo 出風(fēng)組件，其風(fēng)扇罩離風(fēng)扇 8.5mm。另外，如果在安裝空間上如果確有問題，也可以用如下的安裝方法讓風(fēng)扇懸空4-6mm。 （在風(fēng)扇與鈑金件間加一墊片）第 10 頁 共 16 頁3.7.2.3.7.2.根據(jù)邁瑞在鴻基公司做的試驗(yàn)，風(fēng)扇安裝在開孔的鈑金表面（鈑金件孔徑D=4mm,孔中心距為 5mm)，懸空 4.5

14、-6mm 或 10mm 時(shí)，風(fēng)量與靜壓的關(guān)系曲線如下圖。00.511.522.501234567 Q(CFM)Ps(mmAq)風(fēng)扇與鈑金間D=0mm風(fēng)扇與鈑金間D=4.5mm風(fēng)扇與鈑金間D=10mm風(fēng)扇 P1124010H 安裝在不同位置時(shí)的特性曲線00.511.522.50510152025 Q(CFM)Ps(mmAq)風(fēng)扇到鈑金件的距離D0mm風(fēng)扇到鈑金件的距離D6mm風(fēng)扇到鈑金件的距離D10mm風(fēng)扇 D08T-12PH 安裝在不同位置時(shí)的特性曲線由上圖可以看出，兩款風(fēng)扇的出風(fēng)量都與安裝形式有較大的關(guān)系，風(fēng)扇懸空 4-10mm 時(shí)，通風(fēng)量有較大改善。第 11 頁 共 16 頁4.4. 結(jié)構(gòu)

15、因素對風(fēng)冷效果的影響結(jié)構(gòu)因素對風(fēng)冷效果的影響4.1.4.1.開孔設(shè)計(jì)開孔設(shè)計(jì)開孔區(qū)域最大化的優(yōu)點(diǎn)：開孔區(qū)域的最大化可以減低所需氣流的速度和壓力。開孔率（FAR）：開孔的面積/全部的面積，建議鈑金件設(shè)計(jì)安裝風(fēng)扇時(shí)，開孔率設(shè)計(jì)在60以上。4.2.4.2.常見的開孔模式常見的開孔模式如下所示：80的開孔率和 56的開孔率比較，對氣流的阻力減小 88。第 12 頁 共 16 頁4.3.4.3.外殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì)外殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì)外殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：4.3.1.4.3.1.避免有氣流的瓶頸，出風(fēng)口的面積和入風(fēng)口的面積以及風(fēng)扇的有效面積相當(dāng)。減少轉(zhuǎn)交和較平滑的轉(zhuǎn)交設(shè)計(jì)對氣流有較小的阻力。4.3.2

16、.4.3.2.出風(fēng)口要設(shè)計(jì)和加工得比較圓滑，沒有毛刺，可減少氣流的沖擊產(chǎn)生噪聲。4.4.4.4.風(fēng)機(jī)的位置風(fēng)機(jī)的位置強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻時(shí)，氣流的方向及風(fēng)機(jī)的位置都將影響冷卻效果，常用的有如下幾種方法：軸流式吹風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)位于冷空氣的入口處，把冷空氣直接吹入機(jī)箱內(nèi)，可以提高機(jī)箱內(nèi)的空氣壓力，并產(chǎn)生一定的渦流，改善換熱性能，通常當(dāng)熱源較集中，并且吹風(fēng)可以直接吹向熱源時(shí)，可用吹風(fēng)系統(tǒng)冷卻（太空的一款電源盒就是這種形式） 。但是，在吹風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的電機(jī)的熱量也被冷空氣帶入機(jī)箱，影響散熱效果。好處是便于設(shè)計(jì)防塵。軸流式抽風(fēng)系統(tǒng)，是從機(jī)箱內(nèi)抽出受熱的空氣，將在機(jī)箱內(nèi)減小內(nèi)部的空氣壓力，風(fēng)機(jī)電機(jī)的熱量不會(huì)進(jìn)入機(jī)

17、箱，而且還可從機(jī)箱的其他縫隙中抽入一部分冷空氣，以提高冷卻效果。 （我公司的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品都是這種冷卻形式）軸流式吹風(fēng)系統(tǒng)與軸流式抽風(fēng)系統(tǒng)并用，或同時(shí)還有多級風(fēng)扇串聯(lián)，由于機(jī)箱內(nèi)的系統(tǒng)阻力太大，或風(fēng)道太長，單是抽風(fēng)或吹風(fēng)不能滿足要求。如我公司的推車式 B 超系統(tǒng)就是這種散熱方式。不論有無縫隙時(shí)，抽風(fēng)的冷確效果比吹風(fēng)好。第 13 頁 共 16 頁4.5.4.5.風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式合理地組織氣流沿預(yù)定的流道流動(dòng)，稱為風(fēng)道設(shè)計(jì)，應(yīng)注意一下幾個(gè)方面：1)射流式風(fēng)道風(fēng)機(jī)輸出來的氣流不與固定的邊界相接觸，以自由的擴(kuò)散的形式對發(fā)熱單元進(jìn)行冷卻，這種風(fēng)道的冷卻效果差，能源消耗大。2)具有平行風(fēng)道的冷卻系統(tǒng)

18、，要求有氣流進(jìn)入機(jī)箱后形成高的靜壓（機(jī)箱內(nèi)的某點(diǎn)的空氣壓力）和低的動(dòng)壓（機(jī)箱內(nèi)兩點(diǎn)間空氣流動(dòng)的壓力損失） ，以便提高冷卻效果，降低出口和彎曲處的壓力損失，如果機(jī)箱比較長，功率較大，而風(fēng)道截面不增加時(shí)，則必須增加冷卻空氣的流速,如圖(a)所示的結(jié)構(gòu)，上下風(fēng)道截面不變時(shí)，氣體流到下風(fēng)道叉口處膨脹，壓力上升，而且可能出現(xiàn)下風(fēng)道口的壓力大于上風(fēng)道口的壓力，將導(dǎo)致氣流回流，為了防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道的截面積應(yīng)大于各部分支風(fēng)道的截面積的總和。3)如圖（b）所示，采用錐形風(fēng)道時(shí)，可使上主風(fēng)道中任一點(diǎn)的截面積大于支風(fēng)道的截面積。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的面積也不要小于通風(fēng)機(jī)的最大通風(fēng)面積。否則會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，也就是說

19、，系統(tǒng)的阻力特性曲線會(huì)越陡，單位時(shí)間內(nèi)的通風(fēng)量會(huì)越小，對散熱越不利。另外，特別注意要讓冷卻空氣從熱源中流過，防止氣流短路。低靜壓區(qū)高靜壓區(qū)高速氣流回流出口(a)第 14 頁 共 16 頁 (b)錐風(fēng)道出口入口 風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式的影響4)風(fēng)道布置的注意事項(xiàng)：風(fēng)道要短而直，拐彎要少，必須采用拐彎時(shí)，盡量加大拐彎的半徑，以減少局部的壓力損失。在結(jié)構(gòu)尺寸不受影響時(shí)，增大風(fēng)道面積可減小壓力損失，同時(shí)可降低風(fēng)機(jī)的噪聲。當(dāng)風(fēng)道進(jìn)口需要安裝防塵網(wǎng)時(shí)，在防塵的效果和流體阻力之間要權(quán)衡，同時(shí)防塵網(wǎng)要在系統(tǒng)外面可拆洗，以保證能定時(shí)清潔防塵網(wǎng)，防止陼塞網(wǎng)眼。 （東芝推薦 DigiQlo 的防塵網(wǎng)為線徑 0.15mm，每平方厘米 60 目的不繡鋼網(wǎng)） ，特別注意的是：加了防塵網(wǎng)會(huì)減小實(shí)際的通風(fēng)面積，但此時(shí)實(shí)際的通風(fēng)面積仍不能小于風(fēng)機(jī)的有效通風(fēng)面積。系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，避免出現(xiàn)熱空氣的循環(huán)。4.6.4.6.元件的排列元件的排列與走線與走線4.6.1.4.6.1.為了提高冷卻效果，在冷卻氣流流速不大的情況下,元件應(yīng)按叉排列方式，這樣可以提高氣流的紊流程度，增強(qiáng)散熱能力，如 DigiQlo 的放大板上，發(fā)熱的器件在 PCB 的兩面同一位置從上到下一線排列，導(dǎo)致在該板的 U2