高效能散熱：緊湊型斜流風扇如何改變現況

從雲端伺服器到行動裝置，強大的電子產品都為企業、消費者和政府帶來莫大好處。儘管如此，在如何最有效地對元件進行散熱方面，仍面臨挑戰，以便提供速度、可靠性和資料處理效能。

具備更強大的伺服器和邊緣裝置，對於實現與 5G 相關的自主技術、人工智慧和物聯網 (IoT) 解決方案的承諾來說至關重要。要設計可以確保效能與可靠性的系統，就需要多種熱管理作法，但對絕大多數應用來說，可進行冷熱空氣交換的風扇是不可或缺的。因此，對於系統設計人員來說，規劃具有極致散熱能力、最小噪音和佔地面積的緊湊型風扇相當重要。

克服電子系統設計中的各種折衷

自 1965 年以來，在即將成為 Intel 共同創辦人的 Gorden Moore 預測下¹，電子系統的設計因為積體電路的密度爆炸式成長，一直與散熱需求不斷交戰。從那時起，電子系統的設計人員就不斷努力在 IC 系統密度持續增長下追趕著散熱需求。若系統過熱，元件可能會關閉，更糟的是，甚至會受損。

為電子系統供電的電力會轉化為熱能，必須將其取代以免過熱。在美國，資料中心的能源消耗，有高達 40% 都用於散熱；除了資料中心之外，邊緣運算和各種物聯網裝置通常需仰賴進階的散熱機制，還要搭配極致的縮小化和可靠性要求。適合如此多種電子系統的散熱解決方案，通常需仰賴容易安裝與維護的節能、低噪音、緊湊型風扇。

系統設計人員為了提供適當的散熱方法，在面對不斷提高的功率傳輸量、更嚴格的能效目標，以及為了容納越趨小型化的元件要求下，也不斷受到挑戰。礙於功耗、空間和噪音的限制，單純規劃採用更強勁的風扇或是插入額外的風扇其實不切實際。

設計人員有三種基本的風扇選項，並可利用計算流體動力學 (CFD) 的原理來確定哪種作法可以在壓力和氣流之間達到最佳平衡，以滿足應用需求 (圖 1)：

• 軸流風扇會像螺旋槳一樣，以平行於風扇轉動馬達軸心的方式搬動空氣。對於低壓、高流量應用來說，軸流風扇通常是最佳選擇，可用冷卻空氣取代熱空氣。由於安裝深度較淺、發出的噪音較少且效率較佳，因此受到重視，適合用於每一公分空間都非常寶貴的伺服器和儲存裝置。葉片的流動角度越大，就會產生更大的壓力，但會導致亂流和噪音增加，並且降低能源效率。
• 離心式或徑向式風扇會以與軸心呈 90° 角的方式偏轉空氣，並能以低於軸流風扇的流速產生更大壓力。也因此非常適合在管道間引導空氣進行通風，例如資料中心的散熱，或用於筆記型電腦等小型應用，因為在這類應用中，空氣循環的目標是將熱量以垂直於進氣流的方式搬動。代價是電力要求會超過軸流風扇真正所需。
• 斜流風扇會像軸流風扇一樣吸進空氣，但以軸心斜對角的方向排出氣流。這可讓壓縮程度類似於離心風扇，不僅可促成更高的靜壓、更少的亂流，還可達到更高的效率。

圖 1：三種風扇設計的最佳工作範圍。(圖片來源：ebm-papst)

下一代軸流風扇

緊湊型軸流風扇之所以在電子散熱應用中佔主導地位，是因為容易整合並提供最佳化氣流速率。整合式外罩可當作進氣用的吸氣漏斗，同時提供均勻的出風流量，而無會提高噪音的渦流。

然而，傳統的軸流風扇，在不斷追求散熱能力與更緊湊設計的需求下，也經常受到極限挑戰。想用傳統軸流風扇提高散熱能力的設計人員，通常需仰賴帶有逆轉轉子的雙級緊湊型軸流風扇，來提供整個機櫃均勻散熱所需的高壓。然而，這會增加能耗和運作噪音。

風扇和馬達的領導創新廠商 ebm-papst 就開發初一款緊湊型斜流風扇 DiaForce，可克服這些障礙，可滿足電子散熱未來的嚴格要求。空氣會以軸向和徑向方向流通 DiaForce 風扇，因此可促成緊湊的軸流風扇單元，提供逆轉風扇的效能且噪音更小，同時大幅降低電力需求。

DiaForce 風扇將先進的外接式轉子馬達直接與軸流葉輪整合在一起，因此可提供軸流風扇的強大氣流，以及離心風扇的更高背壓能力(圖 2)。葉輪和外罩的獨特幾何形狀可將邊緣區域的亂流降至最低，進而減少噪音，更利用大於進氣口的葉輪出風口來產生軸向和徑向氣流。

圖 2：單級緊湊型軸流風扇 (a)、雙級緊湊型軸流風扇 (b) 和新型 DiaForce 緊湊型斜流風扇 (c) 之間的直接比較。(圖片來源：ebm-papst)

ebm-papst 開發出 DiaForce 緊湊型斜流風扇，可滿足資料中心伺服器、5G 標準通訊、自駕車和雲端服務等典型應用的高可用性要求。

DiaForce 風扇的幾何形狀可將亂流降至最低，並達到比標準軸流風扇更大的增壓。ebm-papst 表示，在相同尺寸之下，DiaForce 比起傳統軸流風扇，寧靜度增加 6 dB(A)，且空氣效能提升最多 50%²。符合 DIN ISO 1940 規範，可在雙平面下達到動態平衡。

與傳統單級風扇不同之處在於，DiaForce 風扇的運轉速度可以提高，以適應不良條件，例如外部環境溫度升高等。驅動 DiaForce 風扇的高效電子換向 (EC) 馬達，運作效率高達 90%，相比之下，AC 馬達的效率則在 20% 至 70%。EC 馬達可達到無段變速，並且能以更小的外形尺寸提供 AC 或 DC 馬達的輸出位準。

DiaForce120 Standard (零件編號 8315100198) 能以最小的能耗和噪音提供強大的散熱功能。外形尺寸為寬 119 mm、高 119 mm、深 86 mm，重量為 980 g。在指定的標準測試條件下，可達到的最大自由氣流為 680 m³/h，最大靜壓為 3.120 Pa。根據 ebm-papst 的資料顯示，可達到的減噪效果介於 6 dB(A) 至 12 dB(A)，視工作點而定。

DiaForce 的驅動力來自於額定功率為 500 W 的三股節能型 DC 馬達，還有一個強大的微控制器，可達到智慧馬達調節，能在所有負載範圍內盡可能發揮最大扭力。

選配的整合式 FanCheck 診斷工具，可依據實際磨損以及溫度、速度和預設環境參數，持續計算實際的剩餘使用壽命。透過 FanCheck，製造商和客戶就不用遵循在指定使用壽命前替換風扇的常見作法，如此就可降低相關成本，並可更輕鬆地安排在最合適的時間進行更換。

其他可用的 DiaForce 風扇選項包括：

• Go/No Go 警報
• 速限警報
• 外部溫度感測器
• 內部溫度感測器
• 類比控制輸入
• 防潮保護

結論

政府、企業和消費者對更節能的電腦和網路技術需求逐漸升高，電子系統設計人員在提供更高效能和能源效率上也不斷受到挑戰。為了因應這些挑戰，現代化風扇需具備狀態監測功能且著眼於未來的需求。ebm-papst 的 DiaForce 緊湊型斜流風扇有助於設計人員克服障礙，在更緊湊的設計中發揮更高的散熱能力。

資源：

1. https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102770836
2. https://mag.ebmpapst.com/en/industries/electronics/diaforce-diagonal-fan-combines-axial-and-centrifugal-in-one-fan_14990/