2023-10-15散热风扇的那些事
今天周末在家，学习散热的相关知识，先从散热风扇的选型开始吧。
散热风扇的核心指标包括以下几个方面，这些指标对于选择和评估风扇的性能非常重要：
风量（Airflow）：风扇的风量指的是每秒能够移动的空气体积，又称为空气体积流率。通常以立方米每秒（m³/s）或立方英尺每分钟（CFM）来表示。较高的风量通常意味着更好的散热性能。
风速（Air Velocity）：风速是指风扇产生的风的速度，通常以米每秒（m/s）来表示。风速直接影响空气流动的速度，较高的风速可以提高散热效率。
风压（Static Pressure）：风压是风扇产生的风所施加在障碍物上的压力，通常以帕斯卡（Pa）来表示。风压是克服阻力的关键，因此对于克服散热器、过滤器、管道等系统组件的阻力至关重要。
噪音水平（Noise Level）：噪音水平是风扇产生的噪音，通常以分贝（dB）来表示。低噪音水平的风扇适用于要求安静运行的应用，如家用电子设备。
效率（Efficiency）：效率是指风扇产生的风与其电能输入之间的比率。高效率的风扇能够在提供相同风量的情况下使用更少的电能，从而降低能源消耗。
电流（Current）：电流是风扇所需的电能，通常以安培（A）来表示。了解电流对于电力供应和热管理至关重要。
电压（Voltage）：电压是风扇所需的电压，通常以伏特（V）来表示。确保风扇的电压与系统供电电压兼容。
尺寸和安装方式（Size and Mounting）：风扇的尺寸和安装方式需要与散热器或系统的空间和安装要求相匹配。
寿命（Lifespan）：寿命是风扇的预期使用寿命，通常以小时来表示。长寿命的风扇对于需要长期可靠性的应用非常重要。
控制方式（Control Method）：一些风扇具有可调速或可控制风速的特性，这可以根据需要调整散热性能。
需要注意的是，散热风扇的风速和风压之间存在密切关系。风速是指空气被风扇吸入和排出的速度，通常以米每秒（m/s）为单位表示。风压是指风扇产生的压力，使空气以一定速度流动，通常以帕斯卡（Pa）为单位表示。
这两个参数之间的关系可以用以下公式表示：
风压（Pa）= 风速（m/s）^2 × 空气密度（kg/m³） / 2
这个公式说明了风速的平方与风压之间的关系，还受到空气密度的影响。根据这个公式，如果你增加风速，风压也会增加，而且增加得更快。风速的平方是风压的主要决定因素。
风压是一个关键参数，因为它决定了风扇的能力以克服空气阻力，将空气送入或从系统中排出。在需要克服较大空气阻力的情况下，你需要选择具有较高风压能力的风扇，以确保空气能够有效地流过系统并提供足够的冷却效果。
风量和风速之间的关系是：风速 = 风量 / 断面积。
其中，断面积是风扇出口截面的面积。通常，风扇的风速会随着距离风扇出口的增加而减小，因为相同的风量在较大的截面上分散开。
风速通常在空气流动的特定位置进行测量，而风量用于描述整个系统或风扇的性能。因此，它们是互补的概念，用于不同的评估和应用中。风扇的风速和风量都是重要的性能指标。
风扇的转速和风速之间存在一个直接关系，可以通过以下公式来表示：
风速（V） = （π * 直径（D） * 转速（N）） / 60
其中：
风速（V）以米/秒（m/s）为单位。
直径（D）是风扇的叶片直径，以米为单位。
转速（N）是风扇的转速，以每分钟的转数（RPM）为单位。
π（圆周率）是一个数学常数，约等于3.14159。
这个公式说明了风速如何与风扇的转速和叶片直径相关联。当风扇的转速或叶片直径增加时，风速也会增加，从而提供更多的空气流动。这个关系对于评估风扇的性能和风速在不同设置下的变化非常有用。
公式推导为：
风扇的周长为π * 直径（D），单位为米，对应弧度2*π；
风扇每秒旋转的角度为 (转速/60)*每圈的弧度，即转速/60*2*π 每秒
现在已知弧度2*π,对应距离为π * 直径（D），则现在的风速每秒弧度为转速/60*2*π ，经类比，可得每秒的距离（转速）为：π * 直径（D）*转速/60。
空气体积流率（m³/s） = 散热功率（W） / （空气的比热容（J/(kg·°C)） × 温度差（°C）*空气密度）
通常，可以假设空气的比热容为约1005 J/(kg·°C)，密度为1.255kg/m3；温度差可以根据系统的工作条件来确定。
那么，如何根据系统的热功率选型风扇，确定核心参数指标呢？假设需要散热的功率是100W。
要选择适当的散热风扇来满足系统的散热需求，考虑一些关键参数，包括风扇的风速、风量和效率。通常步骤如下：
1、确定散热需求：首先，已经知道系统的散热功率为100W。我们需要确保这是一个准确的值，它表示系统产生的热量。
2、计算所需的空气体积流率：根据散热功率，你需要知道多少空气流经系统来带走热量。这可以使用以下公式来计算：
空气体积流率（m³/s） = 散热功率（W） / （空气的比热容（J/(kg·°C)） × 温度差（°C）*密度）
通常，你可以假设空气的比热容为约1005 J/(kg·°C)，温度差可以根据系统的工作条件来确定。
假设温度差 = 系统温度 - 环境温度 = 40°C - 25°C = 15°C
则需求空气体积流率 = 100W / (1005 J/(kg·°C) × 15°C*1.255) ≈ 0.00528 m³/s
在计算空气体积流率时，通常需要考虑在系统的极限条件下进行计算，以确保系统在最高需求情况下仍然能够正常运行。这是为了确保系统具备足够的储备容量，以处理不寻常的或极端的情况，以防止过热或不足的通风。以下是一些需要考虑的因素：
最大热负荷：计算散热或通风系统的空气体积流率时，通常需要考虑系统所能处理的最大热负荷。这是系统需要处理的最大热量，通常在极端条件下（例如高温天气或最大负荷运行）发生。
环境条件：考虑环境条件，例如高温或高湿度，因为这些条件可能导致系统需要更多的通风以保持温度和湿度在合适的范围内。
安全因素：在计算时，通常会引入一些安全因素，以确保系统能够处理非常高的负荷，同时仍能够保持安全。
3、选择风扇的风速和风量：一旦你知道所需的空气体积流率，你可以选择风扇的风速和风量，再评估风压是否满足系统要求。
风速通常以米每秒（m/s）为单位，而风量以立方米每秒（m³/s）为单位。风压与拟散热功率之间的关系是复杂的，因为它取决于多个因素，包括系统的散热需求、散热器设计、风扇的性能、空气流动阻力以及环境条件。通常情况下，随着散热功率的增加，所需的风压也会增加，但这并不是线性的关系，而是受到多个因素的影响。可以通过以下公式更准确的评估。
风压（Pa） = 风速（m/s）² × 空气密度（kg/m³） / 2 + 阻力（Pa）
这个公式包括两个部分：第一部分是由于风速而产生的动压，假设空气密度为1.2 kg/m³；第二部分是阻力。阻力是由散热器、管道、过滤器和其他系统组件引起的。要计算风扇所需的风压，需要确定阻力的大小。
通常，阻力是与系统内的流道和组件的特性以及空气流速有关的。你需要考虑以下因素：
散热器阻力：不同散热器设计具有不同的阻力，这通常会在制造商的规格表中提供。你需要查阅散热器的性能数据以确定其阻力。
管道和连接件阻力：管道、弯头、连接件等也会引起阻力。这些阻力通常会受到管道直径、弯曲度和管道长度等因素的影响。
过滤器和其他组件阻力：其他系统组件，如过滤器、风道和冷却液块等，也会增加阻力。这些阻力可以通过制造商提供的性能数据来获得。
过滤器的阻力大小会取决于过滤器的类型、规格、设计以及空气流量。不同类型的过滤器会引起不同程度的阻力。一般来说，常见的过滤器阻力范围在50帕斯卡（Pa）到300帕斯卡（Pa）之间，但也有更高阻力的过滤器，尤其是用于高效过滤的HEPA（高效颗粒空气）过滤器。
以下是一些常见过滤器类型和其典型阻力范围的示例：
粗颗粒过滤器：这些过滤器用于捕捉较大的颗粒物质，如灰尘和大颗粒，通常具有较低的阻力，大约在50 Pa到100 Pa之间。
中等效率过滤器：中等效率过滤器用于捕捉中等大小的颗粒，阻力范围通常在100 Pa到200 Pa之间。
高效率过滤器（HEPA过滤器）：HEPA过滤器用于捕捉非常小的颗粒，如细菌、病毒和微尘，通常具有较高的阻力，通常在200 Pa到300 Pa或更高。
需要注意的是，过滤器的阻力会随着时间而增加，因为过滤器会逐渐积聚灰尘和颗粒物。因此，在选择风扇和计算所需的风压时，你应该考虑到过滤器的初始阻力以及其随时间的增加。
防尘网（或滤尘网）的阻力通常较低，因为它的主要功能是捕捉较大的颗粒和防止灰尘进入系统，而不像高效率过滤器那样捕捉微小颗粒。防尘网通常用于保护风扇、散热器和其他散热系统组件，以减少粗颗粒和大颗粒物质的进入。
防尘网的阻力通常在数十帕斯卡（Pa）到100 Pa之间，这是相对较低的数值。这个阻力级别对于大多数风扇来说并不构成问题，因为它们通常能够提供足够的风压来克服这种程度的阻力。
在选择风扇和计算所需的风压时，你可以考虑防尘网的阻力，但通常它不会对风扇的选型产生显著的影响。如果你使用了防尘网，最好查看制造商提供的规格表或技术数据，以了解防尘网的阻力，以便更准确地计算所需的风扇风压以克服阻力。同时，要记住，随着时间的推移，防尘网也会累积灰尘和颗粒，增加阻力，因此定期清洁或更换防尘网对于保持系统的性能是重要的。
一旦你确定了系统内的阻力值，可以将其加入到公式中，然后根据选择的风速，以确保风扇能够提供足够的风压来克服系统内的阻力并满足散热需求。
4、考虑风扇效率：风扇的效率对其散热性能非常重要。通常情况下，更高效的风扇会提供更好的散热性能。因此，选择一个高效的风扇可以帮助减少能源消耗和噪音。
5、查找适当的风扇规格：一旦你知道所需的风速、风量和效率，你可以查找具有这些规格的散热风扇。厂商通常提供有关其产品性能的详细信息，包括风速、风量和效率。
6、安装和配置：最后，确保正确安装和配置所选的散热风扇，以确保其正常运行并满足系统的散热需求。
请注意，除了以上列出的参数，还应考虑风扇的噪音水平、寿命和可靠性等因素，以确保选择的风扇适合你的具体应用。
附常见的风扇参数表：
风扇的性能曲线（通常称为风扇性能曲线或风扇特性曲线）显示了在不同转速下，风扇产生的静压力以及相应的风量。静压力通常在曲线的纵轴上，风量在横轴上。这些曲线可用于评估风扇在各种工程应用中的适用性，以确保它能够提供所需的静压力，以满足管道或系统的压力要求。静压力是设计和选择风扇时的一个关键参数，因为它直接影响风扇能否有效地推动空气穿过管道或设备，以实现预定的空气流量和空气分布。
以下是如何解释静压力和风量之间的关系：
静压力随风量增加而减小：一般来说，当风扇的风量增加时，静压力会下降。这是因为风扇需要克服更少的阻力来推动更多的空气，因此静压力降低。这种关系通常呈递减趋势。
静压力和风量的关系受风扇的设计和性能影响：不同类型和尺寸的风扇在性能曲线上显示出不同的静压力和风量关系。例如，某些风扇可能在较低风量下产生较高的静压力，而其他风扇可能在较高风量下产生更高的静压力。
峰值静压力：性能曲线通常会显示出峰值静压力点，这是风扇在特定转速下产生的最大静压力。这点通常位于曲线的某处，具体位置取决于风扇的设计。选择适当的风扇，以满足应用的静压要求，通常涉及到找到所需静压力的峰值点。
静压力和风扇转速：静压力和风扇的转速密切相关。通常情况下，增加风扇的转速会增加静压力和风量。这是因为更高的转速导致风扇叶片更快地移动，产生更多的压力和风量。
