風扇基礎知識：氣流、靜壓和阻抗

你知道如何使用這個圖表嗎？

類似于電機的速度-扭矩曲線，此圖是制造商展示其風扇性能的方式，以及氣流和靜壓規(guī)格的來源。

對于一些客戶來說，這可能看起來完全陌生。我在過去擔任技術(shù)支持工程師時接觸過的許多客戶都是根據(jù)尺寸和氣流來選擇風扇的。然而，需要更深入的了解才能確定風扇在現(xiàn)實生活場景中的實際性能。

在這篇文章中，我將討論氣流與靜壓的定義、它們之間的關系以及阻抗的重要性。

氣流與靜壓

在上述風扇規(guī)格表中，“最大風量”和“最大靜壓”列為規(guī)格。

空氣流量是風扇產(chǎn)生的空氣體積，按時間測量。在這種情況下，風扇的空氣流量以公制單位的立方米每分鐘 (m3/min) 或英制單位的立方英尺每分鐘 (CFM) 來衡量。簡而言之，如果您有一個 5 英尺 x 5 英尺 x 5 英尺的機柜和一個產(chǎn)生 5 CFM 的風扇，則風扇可能需要 25 分鐘才能使機柜中的熱空氣通風。（實際上，這并不容易。）

靜壓是外殼中風扇可以產(chǎn)生的氣壓量。在這種情況下，靜壓以帕斯卡 (Pa) 或英寸水柱（以H 2 O 為單位）測量。帕斯卡 (Pa) 是用于量化內(nèi)部壓力、壓力等的壓力的 SI 派生單位。該單位以 Blaise Pascal 命名，定義為每平方米一牛頓。英寸水柱 (inH 2 O) 定義為在規(guī)定條件下 1 英寸高的水柱所施加的壓力。在 4 °C (39.2 °F) 的溫度下，純水的密度最高 (1000 kg/m3)。在該溫度和標準重力加速度下，1 inH 2 O 約為 249.082 帕斯卡。

重要的是要知道，即使指定了氣流和靜壓的最大值，風扇也不會同時輸出兩個最大值。

風量與風扇靜壓的關系如上圖所示。 如您所見，氣流和靜壓呈負相關。當氣流增加時，靜壓降低；當靜壓增加時，氣流減少。這 3 個點描述了風扇可能執(zhí)行的場景。

要形象化這 3 個場景，您可能需要想象電子設備外殼被風扇通風。 請參閱上圖的 3 個指定點 1)、2) 和 3)。

在示例 1) 中，我們有一個一端完全開放的外殼。沒有任何東西阻礙風扇的氣流，所有氣流都從另一端排出。此示例創(chuàng)建了一個場景，其中將出現(xiàn)最大氣流，并且我們的靜壓為零。

在示例 2) 中，我們有一個封閉的外殼，除了另一端有一個小排氣孔或空氣出口。排氣孔的尺寸小于進氣孔，阻礙了空氣流動。外殼內(nèi)不斷積聚的空氣無法逸出會增加內(nèi)部的靜壓。這會產(chǎn)生一種情況，即氣流受到增加的靜壓的限制。氣流將小于其最大值。

在示例 3) 中，外殼是完全關閉的。在這種情況下，流入外殼的氣流會導致靜壓升高，因為空氣無處可逃。一旦超過靜壓規(guī)格，即使風扇繼續(xù)運轉(zhuǎn)，高靜壓也不會再讓空氣進入，即達到最大靜壓，風量降為零。

在現(xiàn)實生活中，示例 1) 和 3) 是不現(xiàn)實的。在為電子設備外殼通風的實際示例中，大多數(shù)風扇的性能接近示例 2)。然而，為了生成圖表，使用了類似的方法（也稱為雙腔法）。

安裝密度

好的，現(xiàn)在我們通過使用電子設備外殼為例了解氣流和靜壓，讓我們讓它更真實。電子設備外殼包含關鍵電氣設備，例如 PLC、電源和用于自動化機器內(nèi)運動控制的驅(qū)動程序。由于它是一個帶有發(fā)熱元件的外殼，因此需要一個風扇來降低溫度并保持電子設備運行。外殼內(nèi)的組件數(shù)量決定了“安裝密度”。

組件越少（安裝密度低），空氣通過的空間就越大。這種情況有點接近上面的示例 1)，其中風扇會產(chǎn)生高氣流。

組件越多（安裝密度高），氣流路徑中的障礙物就越多。此場景類似于上面的示例 2)，這是最常見的。在這種情況下，高靜壓會使氣流降低到其最大值以下。

阻抗的重要性

如何確定實際氣流和靜壓要求？答案是阻抗。 阻抗被定義為對氣流的阻力，它可以是電子元件、墻壁或任何阻礙氣流路徑的東西。實際氣流和靜壓由阻抗決定。

讓我們看看這是如何完成的。對于大多數(shù)強制風冷應用，阻抗是通過“平方定律”計算的，這意味著靜壓隨 CFM 變化的平方函數(shù)變化。

P = K r Q n

在哪里：

P = 靜壓
K = 負載系數(shù)（這里有一些參考信息）
r = 流體密度
Q = 流量
n = 常數(shù)；令n=2；近似湍流系統(tǒng)。

在下圖中，我們顯示了 3 條黃線來描繪 3 個不同級別的阻抗（A、B 和 C）。

綠線表示氣流和靜壓。A 點表示高阻抗，而 C 點表示低阻抗。實際受阻氣流和靜壓在阻抗曲線（黃色）與性能曲線（綠色）相交處確定。

有時，可能難以確定系統(tǒng)阻抗。在這種情況下，可以安全地假設實際空氣流量約為風扇最大空氣流量的一半，因此選擇能夠產(chǎn)生雙倍所需空氣流量的風扇。

對于成功的外殼通風設計，除了風扇選擇外，還應考慮其他因素，例如進氣/排氣孔尺寸、孔位置和組件放置。在下面的視頻中，我們使用煙霧來演示氣流如何受到不同外殼設計的影響，例如不同的進氣孔直徑和隔板的使用。

使用過濾器、屏幕或護手板等附件可以提高風扇在多塵或潮濕環(huán)境中的可靠性和使用壽命，但它們也會影響氣流和靜壓特性。

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審核編輯黃宇