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211、985硕士，从业16年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。
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本期给大家带来的是影响风扇（电子产品）性能的外部因素分析研究内容，希望对大家有帮助。
关于电子产品风扇的基础知识，前面有文章提到，详细内容见下面文章
还有其它相关的内容，比如风道优化设计方向与原则、风洞试验等，大家在公众号中搜索即可。
市面上不断推出小批量提供更多功能的电子产品。集成电路越来越强大，元器件功率密度也在不断增加。为了管理这些组件，强制对流冷却是最比较常见的散热方式。
某非车载充电机风冷设计
提升系统的气流速率是较高的功率水平和较小的散热器空间的系统热管理散热优化解决方案之一。
增强气流有双重的好处。首先，它降低了组件的热阻和散热器对空气的影响，从而减低了元器件结温度。第二，较高的气流速率降低了机壳内部系统的整体温升。
一般机壳中的单个或多个风扇可用于管理高功耗元器件，以确保正常运行和长期可靠性。
在军事设备中，我们一般会放一定裕量，或者有冗余的设计，比如如果风扇出现故障，系统仍将在其工作温度范围内运行，但系统的预期寿命可能会受到影响。
风扇在系统中的安装方式对其最终性能有巨大的影响。障碍物，如挡板、格栅、过滤器件，会减少自由进气和排气，从而对风扇性能产生负面影响。在彼此旁边安装的风扇也会影响彼此的性能。
某非车载充电机挡风板设计
下面我们来举例说明相关因素对风扇性能、噪声的影响变化。
障碍物对风扇性能影响
此前，我们在之前的文章提到过，风扇被安装到系统内后，其工作点是PQ曲线与系统内部阻抗的交点。阻抗曲线表示随着气流的增加，压力损失也在增加，如下图所示。
对期望气流的初步估计可以通过解析的方法计算出。
风扇工作点和流阻特性可以通过计算流体动力学（CFD）模型或实验测试更详细地进行更详细的研究。
以平行于面板或中间挡板的轴向风扇为例。风扇的吸入侧或压力侧将被部分阻塞。
风扇离墙壁越近，在原始特征曲线（a =∞）以下的流量减少就越大。图1显示了风机进气口的壁对流量的影响。
图1 风机吸入侧阻塞的影响
图2显示了对风机压力侧壁的影响。以系统曲线为例。
图2 风机压力侧阻塞的影响
这两个图都显示出，如果风扇安装在非常靠近墙壁的地方，就会产生巨大影响。在只有5毫米的距离下，流量减少了3 - 4倍。
防尘设计对风扇性能影响
如果风扇安装得太接近滤网或过滤棉，风扇的特性曲线也会发生变化，比如我们之前做的某个非车载AC-DC充电机项目，如下图所示，
此前，文章也讲过相关的内部结构和散热设计，详情推荐大家查看下面文章。
建立一个简易的模型进行分析，如下图所示
确定有关安装位置的气流性能和噪音水平的试验安排
在没有挡板的机箱中安装风扇，外壳长度尺寸a，已经降低了气流性能，降低了风扇的特性曲线。
损失是由于风扇安装在机箱的机壳附近，因为墙壁部分阻碍了进气和排气。如果机箱a的尺寸翻倍，风扇位于中心，这样风扇的损失可以减少很多。
随风扇在机壳内部位置的变化而引起的风扇特性变化
由上图分析，在情况B中，风扇安装在中间位置，性能进一步降低。这些限制是因为壁面造成了气流损失。
在所有情况下，由于不利的安装条件，风扇性能会直接下降。这些影响被称为干扰损失；通过提供足够大、通畅的进气和排气区（通风），可以减少或消除它们。
除了气流性能外，风扇的安装条件对于保持较低风扇噪声也很重要。
海拔对风机性能影响
空气密度下降导致散热效率降低
海拔每升高1000米，空气密度降低约10%。风机风量（Q）与空气密度（ρ）呈正比关系（Q ∝ ρ），高海拔下同等转速的实际风量显著减少，散热能力下降。
- 案例
海拔5000米时，风机风量衰减可达30%，需额外增加20%转速补偿风量损失。
气压变化引发系统阻力失衡
低气压环境使气体黏性增大，风机需克服更高管道阻力，功耗增加15%~25%。
- 极端影响据某青藏高原风电项目实测显示，海拔5000米风机需定制增压叶轮，否则电机过热风险提升40%。
氧含量减少加电机过热风险
海拔3000米以上区域，氧浓度下降30%，风机电机冷却效率降低，温升比平原高8~15℃。需采用耐高温绝缘材料或强制液冷电机。
灰尘对风机性能影响
叶轮动力学性能恶化
灰尘附着叶轮增重5%~10%，破坏动平衡，引发振动超标。实验表明，0.5mm积灰层可使风机噪音增加12dB，轴承寿命缩短50%。
气流通道堵塞与热阻增加
粉尘堵塞滤网使风阻提升30%~50%，风量衰减显著。同时灰尘覆盖电子元件（如CPU散热片），形成隔热层，热阻增加40%。
- 量化影响服务器机房灰尘堆积后，GPU温度较清洁状态高15℃，故障率提升3倍。
电气系统可靠性下降
导电性粉尘（如金属碎屑）引发电路短路；吸湿性灰尘加剧电解腐蚀，PCB板寿命缩短60%。
风机安装对噪声影响
如A（安装在中间无屏幕的风扇），噪声增加到5 dB(A)以上，主要是由于自由进气的阻塞。情况B（与进气和排气挡板距离相同），噪声降低到2dB (A)，比案例A小3 dB (A)。
随着与挡板的距离减小（案例C），影响效果变得明显。当接近吸入侧的挡板时，噪音水平可高达7.5 dB (A)，而排气挡板情况的噪音水平可达2 dB (A)。
说明进气侧的障碍物比排气侧增加的噪音影响要大得多。
测试不同情况下的噪声和气流变化
在下图所示，显示了两个不同的、特殊设计的防护罩对风扇特性曲线的影响变化。
有了这些手指保护装置，只有很小的压力损失。在进气侧产生的噪音相对较低；在排气方面，它基本上可以忽略不计。
比较理想的设计方案是，尽可能保存开孔大，以减少压力损失和噪声。
总之，
风扇在为许多电子产品提供足够的冷却方面发挥着关键作用。
风扇的入口和排气口附近障碍物的安装对其性能曲线有重大影响。
挡板相对于风扇的位置和设计是至关重要；
适当使用通风将有助于最大限度地增加来自风扇的气流，并有助于保持噪音到最低。
