第五讲机柜风冷设计ppt课件.ppt

机箱和电路板的风冷设计 新主楼C座1006室 FansImpellersBlowers 风扇 叶轮 离心风机 Fans ImpellersandBlowers Indek 120X120X38mm ACFan NidecGamma28BallBearingBlower Fans ImpellersandBlowers Fansmoveairinadirectionparalleltothefanaxis风扇使空气产生平行于轴的气流Theyaredesignedtoproducehighflowrateinalowpressureenvironment它们用在低压环境提高气流流量Impellersmoveairinadirectionnormaltotheimpelleraxis叶轮产生叶片径向的气流运动Theydeliverarelativelylowflowrateinahighpressureenvironment它们提供高压头小流量的气流Blowers forwardcurvedimpellers moveairinadirectionnormaltothebloweraxis前弯叶片离心风机产生径向气流Theydeliveralowflowrateinaveryhighpressureenvironment它们提供很高压头 小流量的气流Theoperatingpointofafan orablower isthepointwherethefanorblowercharacteristiccurveintersectsthesystempressure impedance curve工作点是指风扇特性曲线与系统压力曲线的交点 CharacteristicCurves SystemCurve FanCurve OperatingPoint 风机 轴流风机 通过改变气流风速提高气流静压 通常用于低静压气体的流速增加离心风机 通过增加气体的动能提高气流静压能 它对旋转的气流施加了一个离心力 三个主要参数 空气能 功率 提高的静压值 以及工作效率 都随风机体积流量而改变 可能具备较高的出口流速由于功率曲线平坦 所以出现过载的可能性很小 噪声最小值发生在最大效率点处最低的造价常用于低静压的电子机箱中 虽然噪音有点大 但造价很低 最大效率点靠近静压的最大值点 功率随气流体积流量的增加迅速提高 如果没有仔细计算管道的阻力损失 那么很容易发生电机过载 噪声最小值发生在最大静压点处常用于出口静压值要求较高的场合 并且噪音也小 如果进入风机的没有不稳定气流 那么风机可以工作在一个较宽的工作范围内 过载情况较少发生 风机效率一般高于前弯叶片的 但是噪声要比前弯叶片的大 噪声最小值发生在最大效率点处对出口处的气流阻碍物非常敏感 由于安装限制和较大的噪音 所以不常用于电子机箱 风机的串联特性 风机的并联特性 风机串并联后一些区域的工作特性会不稳定和不可预测 风扇安装方式 进气和排气 Dependingonthesystemrequirement fansmaybeoneoftwotypes 根据系统要求 风扇可以为两种Intake进气Exhaust排气 Exhaustfansgenerallyresultinamoreflexibleairdistributioninsidethecabinet排气风扇会在机箱内产生更灵活分布的气流Inaddition theydonotpreheattheairduetomotorpower还有 它们不会将电机的热加在机箱内Intakefansusecooleranddenserair andthushaveaslightlyhigherpressurecapability进气风扇带来的是凉的 高密度空气 因此具有带来略微高压的能力Inaddition incomingaircanbeeasilyfilteredwiththesefans进来的空气可以很容易地被风扇过滤 风机的相似理论 29Volts 24Volts 14Volts 8Volts 风机的相似理论 G KqND3m KmrND3P KrrN2D2HP KHPrN3D5where m massflowrateinibm min质量流量r airdensityinibm ft3密度N fanspeedinrpm风扇转速G volumetricflowrateinft3 min体积流量D fandiameter风扇直径HP horsepowerrequiredbythefanmotor风扇电机功率K proportionalityconstantforsimilaroperationthatdependsonthefansizeanddesign比例常数P pressure压力 风机的合理安装 风量的计算 由风机输送的冷空气 流经机箱并吸收箱内的电子元件发出的耗热量后 其温度上升 这时 风量与耗热量 温升之间的关系 可表示为 风道的压力损失 管道中流动或静止的气体都会产生一个垂直与管道壁面的静压 空气流经管道壁面时引起的摩擦损失 称静压损失 空气通过进 出口以及流经弯头 槽道横截面变化 过滤器等处由于冲击 摩擦 分离引起的压力损失以及随后动量速率变化引起的压力变化 称动压损失 总压会沿着气流流动方向逐渐减小 而理想气体会保持守恒 由摩擦引起的静压损失不能与管道直径改变引起的静压损失混为一谈 风道的压力损失 静压损失动压损失 风道设计 射流式风道 水平风道 变截面风道 隔板式风道 TheEffectofAltitude AltitudeEffects 高度的影响 TheEffectofAltitude 高空条件对风扇冷却系统性能的影响 TheEffectofAltitude weneedtousealargerfanathigheraltitude在高处我们需要用更大的风扇Thisisbecause foragivenflowresistance fanssupplyafixedvolume notmass ofair对于给定气流阻尼 风扇提供的流量是一定的 不是质量流量 Andtherateofheattransferisproportionaltothemassflowrateofair传热效率与质量流量成正比 FlowBaffles FlowBaffles 气流挡板 FlowBaffles Air andallfluidsingeneral flowthroughapathofleastresistance空气沿阻尼最小的轨迹流动Accordingly moreflowtendstogothroughopenareasthanthroughareaswherethereareobstructions因此 大量气流向开阔的空间流动 而不是流向有障碍的地方Bafflesareusedtoforcetheflowtoaspecific desired location气流挡板强迫气流流向特定的地方Bafflesarealsousedtoeliminatedead re circulation regions气流挡板也可用来消除滞流区Theangleandextentofbafflingmustbeselectedsothattheairvelocityisoptimumatdesiredlocation s 挡板的角度和宽度须仔细选择以期在期望的方向上得到最佳的气流流速 FlowBaffles Otherfactorstoconsiderinselectingbafflesare 选择挡板的其它因素还有 Noise噪声Vibration振动manufacturability and可加工性Cost成本Excessivebafflingcanintroducemoreflowresistanceinsidethesystemandsharplyreducetheoverallflowratethroughthesystem过多的挡板会导致气流阻尼增加 从而急剧减少系统内气流流量Theattachedfiguresshowtheeffectofbafflesonsystemperformance下图是挡板的效果 ModelingBaffles Modelwithoutusingbaffles无挡板 Filter Fan MainPCB DaughterPCB Heatsinks Outflow ModelingBaffles Temperaturedistributionwithoutusingbaffles JunctionTemp 91 3C ModelingBaffles MainBoard DaughterBoard Airflowpatternwithoutusingbaffles Fan Velocitynearthemainboard 0 2 0 6m s ModelingBaffles Modelusingbaffles有挡板 Primarybaffle Secondarybaffle Filter Fan Polygonalhollowblock Outflow ModelingBaffles Temperaturedistributionusingbaffles JunctionTemp 83 2C Adropof50 ModelingBaffles MainBoard DaughterBoard Airflowpatternusingbaffles Fan Velocitynearthemainboard 1 4 5m s WallEffects WallEffects 壁面的影响 FlowResistancesObjects Perforated platevent Honeycombvent FlowResistances Flowresistancesarecomponentsand orpassagesthatofferresistancetoflow resultinginapressuredropinsidethesystem气流阻尼是一个部件 它在系统内产生压降Flowresistancesobjectscanbevents obstructions flowbends constrictions expansions etc 气流阻尼有排风孔 挡板等Thepressuredropisproportionaltothevelocity v accordingtothefollowingequations 压降与速度成正比DP 0 5 Kl v g applicablemostlyforverylowvelocityflows DP 0 5 Kl v2 g applicableformostflows includingturbulentflows DP 0 5 Kl1 v Kl2 v2 g applicablefortransitionalflows Where KistheproportionalityconstantandiscalledtheLossCoefficientK是比例系数 称为损失系数 ConjugateHeatTransferinForcedAirCoolingofElectronicComponents EnhancedAirCoolingofElectronicEquipment EnhancementStrategiesImprovementofconvectiveheattransfercoefficientIncreaseofsurfaceareaavailableforheattransferIncreasemixingintheflow EnhancedAirCoolingofElectronicEquipment EnhancementTechniquesInherentEnhancementatelectroniccomponentsurfaceEnhancementbycontrollinggeometriclayoutVortexgeneratorsandbarriersDisplacedpromotersandflowmodulationImpingingjetsPorousmetallicmatricesImprovedsubstrateconduction EnhancedAirCoolingofElectronicEquipment EnhancedAirCoolingofElectronicEquipment LimitsofAirCooling AMethodicalApproach TheimportanceofstartingthermalmanagementatsystemlevelversusindividualcomponentorcircuitboardConvect