作者：Pete Bartolik

　　從云服務器到移動設備的所有設備，功能強大的電子產品正在為企業、消費者和政府帶來巨大利益。與從前一樣，如何最有效地冷卻重要組件，以滿足速度、可靠性和數據處理性能方面的要求，這是大家共同面臨的挑戰。

　　功能更強大的服務器和邊緣設備對于實現與 5G 相關的自主技術、人工智能和物聯網 (IoT) 解決方案的承諾至關重要。在設計這些系統時，為確保性能和可靠性就需要多種熱管理方法，但對于大多數應用而言，冷卻風扇是關鍵設備。因此，對于系統設計人員來說，規劃具有最佳冷卻性能、最低噪音和最小封裝的緊湊型風扇是極其關鍵的一步。

　　避免在電子系統設計時采用去折中措施

　　自 1965 年以來，電子系統設計領域一直在努力解決集成電路密度急劇增長所帶來的冷卻需求問題，即將成為 Intel 聯合創始人的 Gordon Moore 對此做出過著名的預測。1，自那時起，電子系統設計人員便一直努力解決 IC 系統不斷增大密度所造成的冷卻需求問題。當系統過熱時，組件可能會停止工作，甚至損壞。

　　為電子系統供電的電能會轉化為熱量，所以必須將熱量排出，以防過熱。在美國，高達 40% 的數據中心能耗用于冷卻;在數據中心之外，邊緣計算和各種物聯網設備的正常工作通常依賴于先進的散熱技術，以及極高的微型化和可靠性。這種用于廣泛電子系統的冷卻解決方案通常依賴于安裝維護簡單的緊湊型節能低噪風扇。

　　系統設計人員在尋求實現充分冷卻的過程中，會不斷面臨著功率吞吐量不斷提高、能效目標更加嚴格以及需要容納越來越小的組件等挑戰。由于功耗、空間和噪音的限制，僅僅計劃使用功率更大的風扇或增加風扇是不現實的。

　　設計人員在風扇方面有三種基本選擇，他們可以利用計算流體動力學 (CFD) 原理來確定哪種方法可以在壓力和氣流之間實現最佳平衡，以滿足應用需求(圖 1)：

　　軸流風扇像螺旋槳一樣，平行于風扇電機旋轉軸的軸向移動空氣，通常適用于低壓、大流量應用，用冷卻空氣替換熱空氣。這類風扇因其安裝深度小、噪音低和效率高而備受推崇，是服務器和存儲設備的理想之選，因為這些設備的每厘米空間都極其珍貴。更大的葉片氣流角可以產生更大的壓力，但這會導致湍流和增大的噪音，并降低能效。

　　與軸流風扇相比，離心或徑向式風扇能以 90? 角偏轉空氣，并在較低流速下產生較大的壓力。這使得這類風扇成為引導空氣通過管道系統進行通風的最佳選擇(如數據中心冷卻或筆記本電腦等小型應用)。在這些應用中，氣流循環的目的是垂直于進氣流移動熱量。這樣做的代價是所需功率超過了軸流風扇。

　　對角線風扇像軸流風扇一樣吸入空氣，但將氣流相對于轉軸斜向排出。這使得壓縮水平與離心風扇相似，從而能夠在更小的湍流和更高的效率下獲得更大的靜壓。

　　圖 1：三種風扇設計的最佳工作范圍。(圖片來源：EBM-PAPST)

　　新一代軸流風扇

　　緊湊型軸流風扇在電子器件冷卻應用中占了主導地位，因為這種風扇易于集成并能實現最佳的氣流速度。一體化外殼可作為吸氣漏斗，同時提供均勻的輸出氣流，而不會產生增加噪音的渦流。

　　然而，由于需要冷卻能力不斷提高和設計更加緊湊，往往會把傳統軸流風扇的性能發揮到極限。設計人員在使用傳統軸流風扇提高冷卻性能時，通常依靠帶有反向旋轉轉子的兩級緊湊型軸流風扇來提供整個機殼均勻冷卻所需的高氣壓。然而，這會增加能耗和運行噪音。

　　領先的風扇和電機創新企業 ebm-papst 開發出了 DiaForce 緊湊型對角線風扇。這種風扇克服了這些困難，能滿足未來電子設備冷卻的苛刻要求。氣流從軸向和徑向兩個方向流經 DiaForce 風扇，實現了結構緊湊的非軸流風扇裝置，具有反轉風扇的性能且噪音更低，功耗更小。

　　DiaForce 風扇將最先進的外置轉子馬達與軸流葉輪直接集成在一起，同時擁有了軸流風扇的強大氣流和離心風扇的更高背壓(圖 2)。葉輪和外殼的獨特幾何形狀最大限度地減少了邊緣部分的湍流，從而降低了噪音，而且葉輪出氣口大于進氣口，可在軸向和徑向上都產生氣流。

　　圖 2：緊湊型單級軸流風扇 (a)、緊湊型雙級軸流風扇 (b) 和新型 DiaForce 緊湊型對角線風扇 (c) 之間的直接比較。(照片來源：ebm-papst)

　　ebm-papst 開發的 DiaForce 緊湊型對角線風扇可滿足數據中心服務器、5G 標準通信、自動駕駛汽車和云服務等應用的高利用率要求。

　　DiaForce 風扇的幾何形狀最大限度地減少了湍流，使壓力增幅大于標準軸流風扇。根據 ebm-papst 提供的數據，DiaForce 比傳統緊湊型軸流風扇安靜 6 dB(A)，在與傳統軸流風扇相同的尺寸內，空氣性能最高達 50%2。這種風扇符合 DIN ISO 1940 標準的雙平面動態平衡規范。

　　與傳統單級風扇不同，DiaForce 風扇的轉速可以提高，以適應如外部環境溫度升高等不利條件。用來驅動 DiaForce 風扇的高效電子換向 (EC) 電機的運行效率高達 90%，而交流電機的效率僅為 20% 至 70%。EC 電機允許無級變速，并能以較小的外形尺寸提供交流或直流電機的輸出水平。

　　DiaForce120 Standard(零件編號 8315100198)具有強大的冷卻性能，能耗最低，噪音最小。這種風扇 119 mm 寬、高 119 mm、深 86 mm，重 980 g。在規定的標準測試條件下，該風扇的最大自由氣流為 680 m3/h，最大靜壓為 3.120 Pa。根據 ebm-papst 提供的數據，這種風扇可實現 6 dB(A) 至 12 dB(A) 的降噪效果(具體視不同的工作點而定)。

　　DiaForce 的驅動部分包括一個額定功率為 500 W 的三線式高能效直流電機和一個用于智能電機調節的功能強大的微控制器。后者可使電機在所有負載范圍內實現最大扭矩。

　　可選的 FanCheck 集成診斷工具可根據實際磨損情況以及溫度、轉速和預設環境參數，持續地計算實際剩余使用壽命。使用 FanCheck，制造商和客戶就可以避免在規定的使用壽命之前更換風扇的常見做法，從而降低相關成本，并能更容易地安排最合適的風扇更換時間。

　　DiaForce 風扇的其他功能選項包括：

　　轉動/停止警報

　　限速報警

　　內部溫度傳感器

　　內部溫度傳感器

　　模擬控制輸入

　　防潮保護

　　結束語

　　隨著政府、企業和消費者對更節能的計算機和網絡技術需求的不斷增長，電子系統設計人員將持續面臨提供更高性能和更高能效的挑戰。具有狀態監測功能并著眼于未來需求的現代風扇在應對這些挑戰時具有至關重要的作用。ebm-papst 的 DiaForce 緊湊型對角線風扇可幫助設計人員戰勝這些挑戰，在更緊湊的設計中實現更高的冷卻性能。