多年来，直流风扇一直是设计人员热管理工具箱中的首选解决方案，为需要从几瓦到几百瓦散热的产品提供高效冷却。为确保选择合适的风扇，重要的是使系统的冷却需求与风扇的气流特性保持一致。本博客将介绍基础知识，包括正确计算气流和气压参数、将气流要求与风扇的运行曲线对齐、并联或串联运行风扇的影响以及风扇速度的影响。

重要的气流参数

在为特定系统指定风扇之前，有一些参数对于了解气流和热传递很重要。移动空气通过吸收物体的热量然后将热量转移到其他地方以消散，从而有效地冷却物体。传递的能量取决于移动空气的质量、移动空气的比热以及赋予移动空气的温度变化。

能量 = 质量 * 比热 * 温升

移动空气的质量可以通过移动空气的体积和移动空气的密度来计算。

质量 = 体积 * 密度

将第二个方程代入第一个方程，将耗散的能量与所涉及的空气体积联系起来。

能量 =（体积 * 密度）* 比热 * 温升

等式两边除以时间产生以下形式的等式。

功率=（体积/时间）*密度*比热*温升

在大多数应用中，过量功率（系统效率低下）是已知的，而气流（体积/时间）是未知的。因此，方程可以安排如下所示。

气流 = 功率/（密度 * 比热 * 温升）

正如我们在之前的博客文章中所讨论的，这个等式通常写成：

Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k
其中
Q = 气流
q = 要消散的热量
ρ = 空气的密度
C p = 空气的比热
ΔT = 空气在吸收空气时会升高的温度要消散的热量
k = 一个常数值，取决于其他参数中使用的单位

海平面 68°F (20°C) 的干燥空气密度为 0.075 lbs/ft 3 (1.20 kg/m 3 )，干燥空气的比热为 0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg ° C）。将这些值用于密度和比热，上述方程可简化为：

Q f = 3.2q/ΔT F
Q f = 1.8q/ΔT C
Q m = 0.09q/ΔT F
Q m = 0.05q/ΔT C
其中
Q f = 以立方英尺/分钟 (CFM)为单位的气流
Q m = 在立方米每分钟 (CMM)
q = 要消散的热量，以瓦特为单位
ΔT F = 空气在吸收要消散的热量时升高的温度，以°F 为单位
ΔT C = 空气在吸收要消散的热量时将升高的温度摄氏度

空气压力

上述等式说明了冷却产品所需的气流速率。还需要知道风扇输送气流的压力。气流通过待冷却产品的路径将对气流产生阻力。应选择风扇以产生足够的压力以迫使所需体积的空气通过产品以实现所需的冷却。计算所需压力将是每个独特产品的单独任务，不能以类似于流量计算的方式简化。许多 CAD 产品可用于计算设计的气压和气流特性，而风速计和压力计可用于在设计完成后测量空气速度和压力特性。

图 1：表征和绘制气流与压力的关系

达到所需的气流和压力

根据前两节的概念，必须由风扇（或多个风扇）产生气流速率和空气压力，以提供所需的冷却。风扇制造商的数据表将提供无背压的气流速率值、无气流速率的最大压力值以及气流与风扇可用压力的曲线。例如，根据要去除的热量和空气温度限制，计算出气流要求为 10 CFM 或更高的产品。产品的机械设计已被表征为产生如图 2 所示的气流与压力图。虚线表示产品所需的最小气流（更大的气流也可以接受），

图 2：系统要求、气流与静压

根据图 2 中的曲线，该项目选择了CFM-6025V-131-167 直流轴流风扇。直流风扇的数据表指定 16 CFM 的气流，无背压，静压为 0.1 inH 2 O，无气流，还提供了图 3 中的图表。

图 3：CFM-6025V-131-167 性能图

将图 2 中的系统要求叠加到图 3 中的直流风扇特性上，生成图 4 中的图表。

图 4：系统要求和风扇性能

图 4 中以红色圆圈突出显示的工作点表示使用所选风扇的系统的压力和气流。应该注意的是，气流要求计算为 10 CFM，风扇将提供 11.5 CFM 的气流。对于某些应用，这将是足够的热工作裕度，而在其他应用中，此解决方案可能无法提供足够的裕度。

并联或串联运行风扇

一般来说，更大或更快的风扇将提供更大的最大气流和更大的最大压力。如果单个风扇无法提供所需的气流或压力，则可以在物理上并联或串联两个或多个风扇。并联运行风扇会增加最大可用气流，但不会增加最大压力，而串联运行风扇会增加最大可用压力，但不会增加最大可用气流。

图 5：串联或并联运行多个风扇

用户可以轻松生成多个风扇并联运行的性能曲线。并联运行的多个风扇的组合风扇气流与压力曲线与单个风扇图相同，唯一的变化是气流值乘以并联运行的风扇数量。

图 6：并行运行的风扇将气流乘以风扇数量

可以以类似的方式生成串联运行多个风扇的性能曲线，其中压力值会根据串联风扇的数量而改变。归根结底，多个风扇并联为高气流和低压系统提供了最大的改进，而多个风扇串联为高压和低气流系统提供了最大的改进。

图 7：高和低气流阻力系统中的多个风扇

风扇速度的影响

风扇的速度 (RPM) 可以通过风扇的初始选择或风扇控制信号来确定。改变风扇的转速会影响风量、气压、消耗的功率以及风扇产生的噪音。这些关系由所谓的“风扇关系因素”来描述。

风扇关系因素

• 风扇移动的空气量与风扇的速度成正比。CFM α 转速即 3 x RPM 产生 3 x CFM
• 来自风扇的空气压力与风扇速度的平方成正比。气压 α RPM 2即 3 x RPM 产生 9 x 压力
• 运行风扇所需的功率以风扇速度的立方增加。功率 α RPM 3即 3 x RPM 需要 27 x 功率
• 当风扇速度增加一倍时，风扇产生的噪音会增加 15 分贝。噪音增加 10 分贝通常被人类听觉感知为噪音水平的两倍

图 8：风扇关系因素

结论

了解所需的气流和压力后，可以选择合适的风扇（或多个风扇）以提供足够的冷却。当单个风扇可能不够用时，并联或串联运行风扇为设计人员提供了额外的选项来满足其应用的热要求。一些大厂的直流轴流风扇系列具有多种性能等级，让设计人员在选择风扇尺寸、功耗、产生的可听噪声等时具有灵活性。