风扇和散热器 - 吸还是吹?

电器工程 扇子 散热器
2022-01-23 00:58:49

这个问题涵盖了外壳。但是,从连接到散热器的风扇的角度来看,空气是通过散热片吹出还是通过散热片被吸入是否重要。换句话说,气流模式的差异是否足够重要?

4个回答

这是一个如此广泛的主题,它真的不是一个你可以用一个简单的答案来回答的问题比另一个答案更好。

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与从所有方向几乎均等地吸入空气的进气侧相比,单独使用风扇的吹气侧确实会产生更集中、更快移动和更湍流的空气“河流”。您几乎可以使用任何风扇轻松地对此进行测试。将您的手放在吹风侧前面,您会感觉到气流和冷却效果。把手放在后面,效果更难察觉。

湍流也大大提高了传热的效率。湍流实际上是你的朋友。

因此,仅从这些角度来看,吹气侧确实出现了更好的冷却侧。

然而,这不仅仅是关于风扇。

所选散热器的几何形状也会极大地影响风扇的性能。在典型的线性翅片散热器顶部安装一个旋转风扇实际上效率很低。事实上,风扇中心正下方的区域几乎没有空气流动。这当然是不幸的,因为这通常是您要冷却的东西所在的位置。

此外,除非翅片非常深,否则气流通常分布不均。太浅了,由此产生的背压实际上会“停止”风扇。在这种情况下,将风扇安装在“吸入”方向实际上可以改善这种情况,因为空气会更线性地进入散热器的侧面,以填补风扇产生的气压空隙。

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可以说,上图所示的散热片可能更高效,使用更长的鳍片和安装在一端的风扇。

更好的设计使用如下所示的径向散热器。如您所见,此处的样式与风扇整个圆周上的气流径向对称,因此在中央核心周围提供更均匀的热传递。

但是,即使采用这种风格,核心本身仍然通风不良。因此,它通常被制造为用作热管的固体高导热芯。即便如此,看下图,方形部分中核心周围与芯片接触的区域实际上是一个非常低效的空隙。更好的设计是将该区域填充成圆形锥形结构的金属。但是,这当然是不可能挤出的。

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如果事实材料和表面处理也对散热器设计产生巨大影响。高导热材料显然是最好的,但表面也应该足够光滑,以免形成空气袋或抓住灰尘颗粒,但也不要太光滑以至于空气太容易通过它。

一个人当然可以花费数年时间来完善这个小配方,但一般来说,你不想要一个高抛光铬散热器。喷砂铝或镀金喷砂铜,如果你能负担得起,会更好。

另一个严重的问题是污染。

灰尘和污垢会进入您的风扇和散热器。随着时间的推移,这会累积并严重降低设备的性能。因此,将风扇和散热器布置设计为尽可能自冲洗是谨慎的做法。

这是鼓风机通常胜出的地方。在控制气流的情况下,如果进入的空气可以保持清洁,它往往会将灰尘从散热器中吹出。这让我想到了下一点。

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空气采购和去除

您可以花费数千美元开发风扇和散热器的完美布置,如果您不处理冷却系统周围的其余空气,尤其是在紧凑的外壳中,这一切都是徒劳的。

不仅需要将热量从您的设备转移到空气中,而且还需要将热空气从附近排出。不这样做只会使热空气再循环,并且您要保护的设备仍会发生热故障。

因此,您的机柜需要通风,您还应该包括机柜风扇以从机柜外部吸入冷空气。这些风扇应始终包括可拆卸的网和/或泡沫过滤器,以控制吸入设备的环境灰尘量。开放式格栅式排气板是可以接受的,但是,为了获得最佳操作,机柜内应保持正压,以便气流保持在向外的方向,以再次限制污染物进入。

特别案例

无论装置安装在极端环境中的何处,都需要采取特殊措施。地面研磨机等高粉尘环境或高环境温度环境将需要管道空气直接进入机箱,或密封单元和两级(可能是液体)冷却系统。

危急情况

如果您的系统正在控制一些关键的东西,那么将热感应和可能的主动风扇控制作为散热器系统的一部分是明智的。此类系统应包括进入安全状态并警告用户清洁过滤器或在必要时减少系统周围的环境热量以防止严重故障的功能。

多一点

您可以花费半年的开发资金来获得世界上最好的散热器设计,昂贵的风扇和完美的空气分配系统全部锁定,然后烧毁设备,因为缺少价值 2 美分的导热化合物。

将您试图保护的设备的热量引入散热器通常是系统中最薄弱的环节。未使用适当的热粘合材料正确安装到散热器上的组件比其他问题的总和还要多。

您的制造过程和程序应该被开发以优先考虑这些方面。

例如,如果说您使用三个或四个 TO220 型晶体管安装到单个散热器上,谨慎的做法是将它们机械地安装到该散热器上,如果合适的话,将散热器安装到板上,然后再通过焊接过程。这确保了热连接优先。

器件和散热器之间应始终包含导热膏、乳膏、凝胶和或电绝缘导热垫,以填充由器件或散热器表面上的不平整或凸块引起的任何气隙。

并保持清洁。污染的大小或一粒盐,甚至是一根杂散的头发,都可能导致热故障。

压力模式会有所不同。

吹入时,散热片表面(平行于叶片)的压力会更高,这意味着表面的导热性更高。

当通过翅片吸入时,翅片表面上与空气通量正交的压力会更高。

所以我认为正确的气流方向取决于散热器的尺寸比并用热扩散模式对它们进行加权。凭经验可以说,当它的宽度比它的深度大得多时,绝对吹透更好。


安德烈斯贡戈拉评论后的补充......

将气压视为电压,将空气速度视为电流,与流动正交的障碍物视为阻力,将产生的热对流视为功率。或者想想每单位时间质量与热量相互作用的压力,这是由气流速率刷新的。

因此,压力模式无法准确描述那里发生的情况,完全对流模式会很复杂,但它可以很好地了解气流的更好方向。

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热量通过传导、辐射和对流传递。为了冷却 IC,使用了所有三种模式 - 从芯片到散热器的传导、从散热器到周围环境的辐射、通过移动空气的对流。博伊尔和查尔斯定律给了我们PV=kT, 在哪里P=压力,V=体积,k是一个常数并且T是绝对温度。现在,如果我们想跟踪温度随时间的变化,我们可以区分这个方程。这给出了:

VdPdt+PdVdt=kdTdt+Tdkdt

如果你想让空气通过一个固定的体积,V,例如,计算机机箱或其电源,然后dVdt=0; 而且当然dkdt=0. 因此,方程简化为:

VdPdt=kdTdt

换句话说,如果随着时间的推移增加压力,温度会升高,反之亦然。为了帮助您理解这一原则,请考虑以下两个示例:

  1. 当您使用手动打气筒为手推车上的轮胎打气时,离出口最近的打气筒末端会变得很热。这种加热效应被 P.dV/dt 项改变,它不为零。

  2. 如果您的房子有一个立方体房间,所有四个垂直墙壁上都有门窗,并且您有来自北方的热风,您可以通过将北墙上的窗户/门打开 50 到 100 来冷却房间毫米,然后将其他墙壁上的门窗打开 200 到 500 毫米。这将降低房间内的压力并降低温度。

现在谈谈湍流问题。

来自散热器(或其他热组件)的最高热量传递发生在层流流体流动下。当气流增加时,您最终可能会达到气流变得湍流的程度。湍流的影响是:

  • 风扇的有效面积减小 - 向任何螺旋桨飞机飞行员询问当螺旋桨速度增加超过 RPM 红线时对推进力的影响
  • 噪音增加=能量损失
  • 形成漩涡,在低速区域沉积空气中的碎片
  • 风扇效率下降,温度可能升高
  • 发生空化会导致零气流区域,从而导致
    温度升高。

所以,湍流绝对不是你的朋友

您可以尝试降低风扇速度以减少湍流;如果风扇设计得很好,风扇叶片的角度将是连续曲线,以考虑空气通过叶片时空气速度的增加。因此,减慢风扇速度意味着叶片的曲率不再适用于层流。通过改变叶片的“螺距”,包括反向螺距,可以克服飞机和大型船舶螺旋桨的这种影响。对于电气设备中使用的冷却风扇的尺寸,这通常是不可能的。

粉丝的笼罩

如果从下侧(高压或出口)到上侧(低压或进气口)有一条畅通无阻的连续空气路径,则高压空气仅通过最短的路径返回进气口,下游流量减少。你一直都在看到——飞机螺旋桨、船用螺旋桨(参见供应给澳大利亚的西班牙军舰的最新推进设计)、廉价的家用冷却风扇。为了克服这种损失,从而提高风扇的效率,更好的设计在风扇叶片的尖端周围有紧密贴合的护罩。Frank Whittle 的博士学位包括在他的喷气发动机中使用带罩风扇 - 比开放式螺旋桨效率更高,并且有利于快速升温以增加废气速度。

用手检测冷却

当您在风扇下游时感受到的凉爽主要是您皮肤上的液态水蒸发的影响 - 通过蒸发损失 540 卡路里/克肯定会“感觉”凉爽。但是对皮肤上没有水的电子/电气元件的影响是zilch。因此,用手检测温度下降是错误的模型。

总之:

吸比吹更能降低温度。层流是对流和传导热量的最有效方式。风扇叶片的覆盖提高了风扇的效率和效率。

我认为这取决于设计。主要因素有:

  • 以获取较冷的空气并将较热的空气流出到预期的方向。如果从散热片吸出,散热片的进风口可能位于其他发热元件附近,从而导致进风温度不高,或者进风温度会随着运行而变化,对冷却系统的效率产生负面影响;
  • 灰尘进入散热器的小孔。如果您像许多评论员所说的那样吹入空气,那么您的进气口可能是单点,并且可能被过滤器覆盖,或者空气可能只是通过设计来自更清洁的位置。如果你吸出来,空气源很可能位于非常靠近 PCB 表面和其他组件的位置,从它们那里吸出积聚的空气。
  • 还有另一种设计冷却系统的方法。如果你打开现代笔记本或高端PC,你可能会发现它有水或其他液体冷却,风扇可能不需要靠近芯片;它可以放置在设计师认为方便且最干净的任何位置。

因此,我投票支持流入,但同样,这一切都取决于设备设计。