散热风扇的介绍课件

風扇的性能與應用StevenLin林適之風扇的性能與應用StevenLin林適之1簡介與基本結構基本結構外框(frame)馬達(hub)(無刷直流)扇葉(impeller)引出線/連接器簡介：風扇是一種產生風量的裝置,它是使用馬達來驅動葉片的轉動,增加流體經過扇葉的速度,經由強制對流達成移熱之效果.

簡介與基本結構基本結構簡介：風扇是一種產生風量的裝置,它是使2BallBearing風扇爆炸圖1、扣簧2,5、軸承(ball)3、外框4、定子(PCB，矽鋼片+繞線，引出線)6、彈簧7、馬達殼+磁條8、扇葉BallBearing風扇爆炸圖1、扣簧3常見軸風扇尺寸-DeltaAFB25x25x10mm30x30x10mm35x35x10mm40x40x15mm45x45x10mm50x50x15mm50x50x20mm60x60x13mm60x60x15mm60x60x20mm60x60x25.4mm60x60x38mm70x70x13mm70x70x15mm70x70x20mm70x70x25.4mm70x70x38mm80x80x15mm80x80x20mm80x80x25.4mm92x92x15mm92x92x20mm92x92x25.4mm92x92x38mm120x120x25.4mm120x120x38mm172x150x25.4mmφ172x25.4常見軸風扇尺寸-DeltaAFB25x25x10mm4風扇的分類-DCAxialFan軸流扇-airflowsaxially.CentrifugalFan(Blower)離心扇(鼓風扇)-airflowsradially.CrossFan橫流扇-airflowsacrosstheaxis.風扇的分類-DCAxialFan軸流扇Centrifug5輸出與控制輸出PQ-curveNoise/HeatVibration控制FG/RDPWM/Thermistor輸出與控制輸出6外框、扇葉→流体特性風扇性能曲線PQ-curve風量(CFM,M3/min)風壓(mmH2O,inH2O)噪音(dBa)風切聲：空氣與扇葉(外框)摩擦產生氣流擾動產生的噪音外框、扇葉→流体特性風扇性能曲線PQ-curve7轂部(Hub)→電氣特性

直流無刷馬達電氣特性電流、訊號輸出(RD,FG)、絕緣、反向保護、溫升轉速控制運轉電壓：12V→全速運轉；7V→低速運轉溫控(thermistor)：轉速自動隨環溫變化PWM((pulse-widemodulation)：增加一組輸入電壓以控制轉速噪音：電磁切換噪音、摩擦異音轂部(Hub)→電氣特性

直流無刷馬達電氣特性8定子組立-4極(2極)單面印刷PCB電晶体矽鋼片驅動IC徑向繞線絕緣線架定子組立-4極(2極)單面印刷PCB電晶体矽鋼片驅動IC徑向9矽鋼片小邊大邊矽鋼片小邊大邊10Bearingsystem→LifevsCostTwoBallBearing50000/70000hrs/NT16OneBallOneSleeve40000hrs/NT10OneSleeve30000hrs/NT3Fluiddynamic(NB-fan)40000hrsLifeisonder40℃15~65%RHcontinueoperationCostestimateby830ballandsleevebearingMTTF&AcceleratedLifeTesting

at75℃0/72/300/600/1000hrs90%confidenceBearingsystem→LifevsCostTwo11一般twoball結構一般twoball結構12FGS軸承結構FGS軸承結構13皕瑞-oneball/onesleeve結構皕瑞-oneball/onesleeve結構14PWMorThermistorFromAVCwebsitePWMorThermistorFromAVCwebs15PWMandThermistorFromAVCwebsitePWMandThermistorFromAVCweb16決定成本的重要因素軸承:30%↑830(8),520(11.5),620(?),sleeve(3)830:8→外徑;3→軸心徑電子零件:30%↑-額定電壓/電流DriverIC/Hallelement(5~10/2.5)電晶体、二極体、電阻、電容(0.8~0.1)引出線&連接器(1~3)其它軸心、矽鋼片、漆包線、葉片、外框…決定成本的重要因素軸承:30%↑17風洞示意圖風洞示意圖18TestpointofPQ-curvePmax,Q=0P=0,QmaxP1+1/2ρV12=P2+1/2ρV22

TestpointofPQ-curvePmax,Q=19SystemImpedanceandOperatingPointHighImpedanceQQPModerateImpedanceLowImpedanceHighImpedanceLowImpedanceHighPFanHighQFanPSystemImpedanceandOperating20輸出比較-相同尺寸輸出比較-相同尺寸21Q/Noise與rpm約成正比轉速愈高，風切聲佔噪音的比重愈高Q/Noise與rpm約成正比轉速愈高，風切聲佔噪音的比重愈22P與rpm的平方約成正比P與rpm的平方約成正比23輸出比較-不同尺寸相同PQ，風扇尺寸愈大Noise愈小AFB7025(3900rpm)(q,p,n)=(36.30,5.52,37.5)AFB8025(3250rpm)(q,p,n)=(37.43,4.59,28.0)相同厚度，邊(徑)長愈長則Q愈大AFB7025(3000rpm)(p,q)=(3.15,20.13)AFB8025(2700rpm)(p,q)=(3.28,31.43)相同邊(徑)長，厚度愈厚則P愈大AFB7015(2800rpm)(p,q)=(2.27,23.38)AFB7025(3600rpm)(p,q)=(4.46,24.01)輸出比較-不同尺寸相同PQ，風扇尺寸愈大Noise愈小24Delta8015AFBvsEFBAFBEFBDelta8015AFBvsEFBAFBEFB25Delta8015AFBvsEFB相同P或Q時，EFB>AFBDelta8015AFBvsEFB相同P或Q時，EFB26FansinParallelvs.FansinSerial*理想上P&Q會依風扇的數目成倍數成長。*實際上，並聯與理想較接近，較常使用，如1U。*串聯則因為流場與第二顆風扇形成阻抗，損失較多很少使用。*PSU-FAN與CPU-FAN也是一種串聯。FansinParallelvs.FansinS27均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場實際應用時不會有足夠的空間去發展一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空28非均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場實際應用時不會有足夠的空間去發展一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大非均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，29Axialfan(6010)vsBlower(6911)Axialfan(6010)vsBlower(691130軸流扇vs鼓風扇軸風扇-高風量低風壓外觀(型式/尺寸)統一，主要在翼形剖面、角度與馬達效能上作變化鼓風扇-高風壓低風量外觀變化較多，翼形剖面較固定，以角度和參考空間許可修改流道與進出風口軸流扇vs鼓風扇軸風扇-高風量低風壓31流場示意圖-Blower流場示意圖-Blower32Blower-流道與進出風口Blower-流道與進出風口33Blower葉片設計內/外徑進風後掠角度尾端前傾角度上下的開孔徑翼形Blower葉片設計內/外徑34有效進風截面積與壓縮行程截面積進風口徑-殼徑上下蓋板與葉片的間隙使用軸流扇葉時上方口徑與下方間隙要較大壓縮行程葉徑-進風口徑流道長度有效進風截面積與壓縮行程截面積35PIV-7020-進出風比較進風面出風面PIV-7020-進出風比較進風面出風面36PIV-7020-不同電壓出風口10V11.5V10V11V12VPIV-7020-不同電壓出風口10V11.5V10V11V37進風通暢與出風整流進風維持進風截面積(足夠的空氣源)保持流道的通暢(降低阻抗)出風風口與鰭片留適當空間讓流場發展均勻鰭片方向與氣流方向的搭配鰭片的整流效果-風扇安裝後轉速上升風往阻抗低處流進風通暢與出風整流進風38噪音風壓/風量/尺寸的取捨小量開口換較大的噪音降低平衡與共振減少振動傳導的機會導流罩的喇叭口效應異音軸承系統的摩擦(毛邊)電磁切換(突波與感應)噪音風壓/風量/尺寸的取捨397020-4300rpm-噪音頻譜圖7020-4300rpm-噪音頻譜圖40操作注意要點握持以外框為優，避開葉片或引出線輸入電壓不要超規輸出穩定時間(5~10min)馬達溫升增加電磁鐵的阻抗降低軸承的摩擦係數操作注意要點握持41可靠度試驗-1OperatingVoltageThedistributionofstartingvoltage 瞬間起動分佈High-VoltageStepStress 高電壓逐步應力UAclassATemperaturerisewithlockatambient 常溫鎖住溫升Temperaturerisewithrunningatambient 常溫運轉溫升Reveredapplyprotection 逆向保護Impedance 絕緣阻抗DielectricStrength 絕緣耐壓TemperatureV.S.MTTF 溫度/壽命可靠度試驗-1OperatingVoltage42可靠度試驗-2temperature&humidityStoragetestoflowtemperature 低溫儲存Storagetestofhightemperature 高溫儲存Lowtemperaturetest 低溫運轉Coldstart 低溫起動Hightemperatureandhumidity 高溫高濕運轉Temperaturecircling 高低溫循環High-TemperatureStepStress 高溫逐步應力MechanicalDrop 包裝落下Vibration 單體振動Shock 單體衝擊可靠度試驗-2temperature&humidity43風扇的性能與應用StevenLin林適之風扇的性能與應用StevenLin林適之44簡介與基本結構基本結構外框(frame)馬達(hub)(無刷直流)扇葉(impeller)引出線/連接器簡介：風扇是一種產生風量的裝置,它是使用馬達來驅動葉片的轉動,增加流體經過扇葉的速度,經由強制對流達成移熱之效果.

簡介與基本結構基本結構簡介：風扇是一種產生風量的裝置,它是使45BallBearing風扇爆炸圖1、扣簧2,5、軸承(ball)3、外框4、定子(PCB，矽鋼片+繞線，引出線)6、彈簧7、馬達殼+磁條8、扇葉BallBearing風扇爆炸圖1、扣簧46常見軸風扇尺寸-DeltaAFB25x25x10mm30x30x10mm35x35x10mm40x40x15mm45x45x10mm50x50x15mm50x50x20mm60x60x13mm60x60x15mm60x60x20mm60x60x25.4mm60x60x38mm70x70x13mm70x70x15mm70x70x20mm70x70x25.4mm70x70x38mm80x80x15mm80x80x20mm80x80x25.4mm92x92x15mm92x92x20mm92x92x25.4mm92x92x38mm120x120x25.4mm120x120x38mm172x150x25.4mmφ172x25.4常見軸風扇尺寸-DeltaAFB25x25x10mm47風扇的分類-DCAxialFan軸流扇-airflowsaxially.CentrifugalFan(Blower)離心扇(鼓風扇)-airflowsradially.CrossFan橫流扇-airflowsacrosstheaxis.風扇的分類-DCAxialFan軸流扇Centrifug48輸出與控制輸出PQ-curveNoise/HeatVibration控制FG/RDPWM/Thermistor輸出與控制輸出49外框、扇葉→流体特性風扇性能曲線PQ-curve風量(CFM,M3/min)風壓(mmH2O,inH2O)噪音(dBa)風切聲：空氣與扇葉(外框)摩擦產生氣流擾動產生的噪音外框、扇葉→流体特性風扇性能曲線PQ-curve50轂部(Hub)→電氣特性

直流無刷馬達電氣特性電流、訊號輸出(RD,FG)、絕緣、反向保護、溫升轉速控制運轉電壓：12V→全速運轉；7V→低速運轉溫控(thermistor)：轉速自動隨環溫變化PWM((pulse-widemodulation)：增加一組輸入電壓以控制轉速噪音：電磁切換噪音、摩擦異音轂部(Hub)→電氣特性

直流無刷馬達電氣特性51定子組立-4極(2極)單面印刷PCB電晶体矽鋼片驅動IC徑向繞線絕緣線架定子組立-4極(2極)單面印刷PCB電晶体矽鋼片驅動IC徑向52矽鋼片小邊大邊矽鋼片小邊大邊53Bearingsystem→LifevsCostTwoBallBearing50000/70000hrs/NT16OneBallOneSleeve40000hrs/NT10OneSleeve30000hrs/NT3Fluiddynamic(NB-fan)40000hrsLifeisonder40℃15~65%RHcontinueoperationCostestimateby830ballandsleevebearingMTTF&AcceleratedLifeTesting

at75℃0/72/300/600/1000hrs90%confidenceBearingsystem→LifevsCostTwo54一般twoball結構一般twoball結構55FGS軸承結構FGS軸承結構56皕瑞-oneball/onesleeve結構皕瑞-oneball/onesleeve結構57PWMorThermistorFromAVCwebsitePWMorThermistorFromAVCwebs58PWMandThermistorFromAVCwebsitePWMandThermistorFromAVCweb59決定成本的重要因素軸承:30%↑830(8),520(11.5),620(?),sleeve(3)830:8→外徑;3→軸心徑電子零件:30%↑-額定電壓/電流DriverIC/Hallelement(5~10/2.5)電晶体、二極体、電阻、電容(0.8~0.1)引出線&連接器(1~3)其它軸心、矽鋼片、漆包線、葉片、外框…決定成本的重要因素軸承:30%↑60風洞示意圖風洞示意圖61TestpointofPQ-curvePmax,Q=0P=0,QmaxP1+1/2ρV12=P2+1/2ρV22

TestpointofPQ-curvePmax,Q=62SystemImpedanceandOperatingPointHighImpedanceQQPModerateImpedanceLowImpedanceHighImpedanceLowImpedanceHighPFanHighQFanPSystemImpedanceandOperating63輸出比較-相同尺寸輸出比較-相同尺寸64Q/Noise與rpm約成正比轉速愈高，風切聲佔噪音的比重愈高Q/Noise與rpm約成正比轉速愈高，風切聲佔噪音的比重愈65P與rpm的平方約成正比P與rpm的平方約成正比66輸出比較-不同尺寸相同PQ，風扇尺寸愈大Noise愈小AFB7025(3900rpm)(q,p,n)=(36.30,5.52,37.5)AFB8025(3250rpm)(q,p,n)=(37.43,4.59,28.0)相同厚度，邊(徑)長愈長則Q愈大AFB7025(3000rpm)(p,q)=(3.15,20.13)AFB8025(2700rpm)(p,q)=(3.28,31.43)相同邊(徑)長，厚度愈厚則P愈大AFB7015(2800rpm)(p,q)=(2.27,23.38)AFB7025(3600rpm)(p,q)=(4.46,24.01)輸出比較-不同尺寸相同PQ，風扇尺寸愈大Noise愈小67Delta8015AFBvsEFBAFBEFBDelta8015AFBvsEFBAFBEFB68Delta8015AFBvsEFB相同P或Q時，EFB>AFBDelta8015AFBvsEFB相同P或Q時，EFB69FansinParallelvs.FansinSerial*理想上P&Q會依風扇的數目成倍數成長。*實際上，並聯與理想較接近，較常使用，如1U。*串聯則因為流場與第二顆風扇形成阻抗，損失較多很少使用。*PSU-FAN與CPU-FAN也是一種串聯。FansinParallelvs.FansinS70均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場實際應用時不會有足夠的空間去發展一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空71非均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場實際應用時不會有足夠的空間去發展一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大非均勻流場示意圖PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，72Axialfan(6010)vsBlower(6911)Axialfan(6010)vsBlower(691173軸流扇vs鼓風扇軸風扇-高風量低風壓外觀(型式/尺寸)統一，主要在翼形剖面、角度與馬達效能上作變化鼓風扇-高風壓低風量外觀變化較多，翼形剖面較固定，以角度和參考空間許可修改流道與進出風口軸流扇vs鼓風扇軸風扇-高風量低風壓74流場示意圖-Blower流場示意圖-Blower75Blower-流道與進出風口Blower-流道與進出風口76Blower葉片設計內/外徑進風後掠角度尾端前傾角度上下的開孔徑翼形Blower葉片設計內/外徑77有效進風截面積與壓縮行程截面積進風口徑-殼徑上下蓋板與葉片的間隙使用軸流扇葉時上方口徑與下方間隙要較大壓縮行程葉徑-進風口徑流道長度有效進風截面積與壓縮行程截面積78PIV-7020-進出風比較進風面出風面PIV-7020-進出風比較進風面出風面79PIV-7020-不同電壓出風口10V11.5V10V11V12VPIV-7020-不同電壓出風口10V11.5V10V11V80進風通暢與