DC 風扇達到最佳化運作的重要參數

對於任何工程師而言，DC 風扇都是其熱管理解決方案的主力元件，可透過高效的強制氣流散熱排除應用中的熱量。雖然 DC 風扇廣為人知且容易辨識，但仍需對氣流及其他重要參數具有基本的認識，才能確保選擇的風扇完美符合系統的需求。為了幫助您瞭解，本文將探討如何正確計算氣流與風壓、如何確保這些參數符合風扇的工作曲線，以及設計多個風扇有何影響等等。

氣流參數概覽

在指定風扇之前，瞭解氣流和熱傳遞的眾多參數非常重要。強制氣流的工作原理是吸收物體的熱量，然後將其傳輸至他處進行驅散。其中，傳輸的能量仰賴於強制氣流的質量、比熱以及溫度變化。

強制氣流的質量由吹動空氣的風量和密度計算而來。

將第二個方程式代入第一個方程式，建立耗散能量與風量的關聯。

接著，將兩邊除以時間，產生下面的方程式。

通常，多餘的功率是已知的，而氣流 (風量／時間) 是未知的，因此方程式可重新構建為：

此方程式更常寫為：

其中
Q = 氣流
q = 待耗散熱量
ρ = 空氣的密度
Cp = 空氣的比熱
ΔT = 吸收待耗散熱量時空氣上升的溫度
k = 常數值，取決於其他參數中使用的單位

在 68°F (20°C) 下，海平面處乾燥空氣的密度為 0.075 lbs/ft3 (1.20 kg/m3)，乾燥空氣的比熱則為 0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C)。插入這些值可將上方的方程式簡化成：

其中
Qf = 氣流 - 單位為 CFM
Qm = 氣流 - 單位為 CMM
q = 待耗散熱量 - 單位為 W
ΔTF = 吸收待耗散熱量時空氣上升的溫度 - 單位為 °F
ΔTC = 吸收待耗散熱量時空氣上升的溫度 - 單位為 °C

風壓需求

雖然上面的方程式解答出充分散熱所需的氣流速率，但還需要計算風扇帶來的風壓。整個系統的氣流路徑會產生氣流阻力，表示風扇必須產生足夠的風壓，以迫使指定的風量流過該系統，達到所需的散熱效果。不過，由於每個系統都有獨特的風壓需求，因此無法像氣流速率一樣簡化成方程式。幸運的是，有許多 CAD 產品都可在設計階段用來建構風壓和氣流特性的模型。設計完成後，可使用風速計和風壓計進一步測量這些特性。

圖 1：氣流和風壓的模型建構 (圖片來源：Same Sky)

產生所需的氣流和風壓

如先前章節所述，風扇需要產生一定的氣流速率和風壓，才能達到所需的散熱效果。製造商的規格書會提供相關資訊，包括無背壓的氣流速率、無氣流速率的最大風壓，以及風扇的氣流與風壓效能曲線。

在此例中，根據待排除熱量及空氣溫度的限制，計算出產品需要的氣流速率為 10 CFM (或更高)，而該產品的機械設計會產生以下的氣流與風壓圖 (圖 2)。虛線代表所需的最小氣流，橘色曲線則表示氣流與風壓之間的關係。

圖 2：在氣流與風壓曲線上繪製的最小氣流 (圖片來源：Same Sky)

根據上圖，我們選擇了 Same Sky 的 CFM-6025V-131-167 DC 軸流風扇。此產品的規格書指明其無背壓的氣流速率為 16 CFM、無氣流的靜態壓力為 0.1 inH₂O，並提供以下效能圖 (圖 3)。

圖 3：Same Sky 的 CFM-6025V-131-167 效能圖 (圖片來源：Same Sky)

隨後，我們可將圖 3 的圖形疊加在圖 2 的圖形上，產生圖 4 所示的圖形，即可凸顯所選風扇的工作點。必須注意的是，雖然在此例中 11.5 CFM 這個工作點超出氣流需求 (10 CFM)，但有些應用需要更大的熱工作餘裕。因此，需要選擇具有不同效能規格的風扇。

圖 4：風扇工作點 (紅色圓圈) (圖片來源：Same Sky)

多個風扇的設計與操作

更大或更快的風扇通常會提供更大的最大氣流和風壓。但是，當單一風扇無法滿足任務需求時，就可並聯或串聯多個風扇，以提高特定效能參數。例如，並聯工作的風扇會增加最大氣流，但不會增加最大風壓，若風扇串聯工作則會增加最大風壓，但不會增加最大氣流。

圖 5：風扇單獨、並聯與串聯工作的比較。(圖片來源：Same Sky)

並聯或串聯風扇的氣流與風壓效能曲線，和單風扇曲線完全相同，只不過氣流或風壓值會分別乘以並聯或串聯工作的風扇數量。請參見以下實例 (圖 6)，其中氣流值已乘以並聯風扇數量。

圖 6：氣流乘以並聯風扇數量，或風壓乘以串聯風扇數量。(圖片來源：Same Sky)

整體而言，並聯風扇運作非常適合高氣流和低風壓應用，而串聯風扇運作則適合高風壓和低氣流應用。

圖 7：在高低氣流阻力下的風扇效能比較 (圖片來源：Same Sky)

風扇轉速和風扇定律

風扇轉速 (RPM) 會影響風量、風壓、功耗以及風扇所出的噪音。這些關係可由「風扇定律」進一步闡述：

• 風扇吹動的風量與風扇轉速成比例。
  • CFM α RPM
    • 範例：4 x RPM 產生 4 x CFM
• 風扇產生的風壓與風扇轉速的平方成比例。
  • 風壓 α RPM²
    • 範例：2 x RPM 產生 4 x 風壓
• 風扇運轉所需的功率以風扇轉速的立方增加。
  • 功率 α RPM³
    • 範例：4 x RPM 需要 64 x 功率
• 當風扇轉速加倍時，風扇產生的噪音會增加 15 dB。
  • 範例：當噪音增加 10 dB 時，人耳通常會感知兩倍的噪音量。

圖 8：風扇定律 (圖片來源：Same Sky)

結論

本文概述氣流和風壓需求。對這些需求有基本瞭解，能幫助設計人員選對風扇，符合其應用的強制氣流散熱需求。當單一風扇無法符合計算的氣流或風壓參數時，將風扇並聯或串聯能讓工程師享有更多選擇。Same Sky 提供多種 DC 風扇和鼓風扇組合，具有多樣的氣流、風壓和效能額定值，能輕鬆找到適合的風扇解決方案。