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如前所述,風扇強化換熱的原理是加劇空氣的流動,提高流動的空氣與固體壁面之間的對流換熱效率。風量(m3/s)意指單位時間內(nèi)流過系統(tǒng)的空氣體積,表征風扇帶來的空氣擾動強度。因此,風量是選擇風扇的關(guān)鍵參考因素。
確定風量依據(jù)的是熱力學第一定律,即能量守恒定律。其邊界條件如下:
1)主要元器件工作溫度要求;
2)產(chǎn)品使用環(huán)境溫度要求:
3)產(chǎn)品發(fā)熱總量。
如果已知系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部散熱量與允許的總溫度上升量,就可在產(chǎn)品設(shè)計前期通過公式估算出冷卻設(shè)備所需的大致風量。舉例闡述其過程如下:
假定產(chǎn)品發(fā)熱量為P,需要的溫升為Tout -Tin,結(jié)合能量守能定律及空氣的物理性質(zhì),風量Q與溫升和功耗之間存在如下關(guān)聯(lián):
P =QATρCp (2-1)
風扇需要提供的風量,可以確定為
Q=P/(?TρCp) (2-2)
空氣物理性質(zhì)按照60℃計算,此時空氣密度為1.060kg/m3,比熱容為1.017kJ/ (kg ·℃)。式(2-2)可以簡化為
Q=P/(?TρCp)=P/(1.078?T) (2-3)
空氣溫升取20℃。風扇風量約為
Q=P/(21.56) (2-4)
注意,環(huán)境溫度為55℃,溫升20℃時,空氣已達到75℃,此時,大致推測器件的溫度為85 ~100℃。20℃是一個相對的中間值,但仍要根據(jù)具體的產(chǎn)品要求判定。
此時功耗的單位為kW,換算成常用的W,式(2-4)成為
Q=P/(21.56*1000) (2-5)
風扇廠家給出的流量,常有不同的單位,比如 m3/min或者CFM?。換算完成后如下:
Q=P/(21.56*1000)*60=P/359 (2-6)
Q=P/(21.56*1000)*2118.88=0.0983P(CFM) (2-7)
如果某產(chǎn)品預(yù)估熱耗35W,則在理想情況下,風扇需要提供的風量為(按照空氣20℃溫升計算):
Q=35*0.0983=3.4CFM
如果產(chǎn)品熱耗為180W,則在理想情況下,風扇需要提供的風量為(按照空氣20℃溫升計算):
Q=180*0.0983=17.7CFM
使用這個公式計算出的風量值是產(chǎn)品的工作點對應(yīng)的風量,并不能說某個風扇的最大風量滿足這一數(shù)值就可以,因為系統(tǒng)阻力存在,風扇的實際工作風量總是低于最大風量。如圖2-1所示,阻抗曲線和風扇PQ線的交點對應(yīng)的風量才是系統(tǒng)實際獲得的風量。驅(qū)動這一風量需要風扇具備對應(yīng)的動力,如何根據(jù)上述值來選定合適的風扇呢?這就涉及風扇的另一個關(guān)鍵性能參數(shù):風壓。

圖2-1 某風扇PQ線和工作點信息示意
注意,如果產(chǎn)品考慮海拔設(shè)計,則需要代人海平面空氣的比熱與密度的變化屬性,在計算風量需求公式中,需要調(diào)整空氣的相關(guān)參數(shù)。
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