高性能冷却：紧凑型对角线风扇是如何改变游戏规则的

从云服务器到移动设备的所有设备，功能强大的电子产品正在为企业、消费者和政府带来巨大利益。与从前一样，如何最有效地冷却重要组件，以满足速度、可靠性和数据处理性能方面的要求，这是大家共同面临的挑战。

功能更强大的服务器和边缘设备对于实现与 5G 相关的自主技术、人工智能和物联网 (IoT) 解决方案的承诺至关重要。在设计这些系统时，为确保性能和可靠性就需要多种热管理方法，但对于大多数应用而言，冷却风扇是关键设备。因此，对于系统设计人员来说，规划具有最佳冷却性能、最低噪音和最小封装的紧凑型风扇是极其关键的一步。

避免在电子系统设计时采用去折中措施

自 1965 年以来，电子系统设计领域一直在努力解决集成电路密度急剧增长所带来的冷却需求问题，即将成为 Intel 联合创始人的 Gordon Moore 对此做出过著名的预测。¹，自那时起，电子系统设计人员便一直努力解决 IC 系统不断增大密度所造成的冷却需求问题。当系统过热时，组件可能会停止工作，甚至损坏。

为电子系统供电的电能会转化为热量，所以必须将热量排出，以防过热。在美国，高达 40% 的数据中心能耗用于冷却；在数据中心之外，边缘计算和各种物联网设备的正常工作通常依赖于先进的散热技术，以及极高的微型化和可靠性。这种用于广泛电子系统的冷却解决方案通常依赖于安装维护简单的紧凑型节能低噪风扇。

系统设计人员在寻求实现充分冷却的过程中，会不断面临着功率吞吐量不断提高、能效目标更加严格以及需要容纳越来越小的组件等挑战。由于功耗、空间和噪音的限制，仅仅计划使用功率更大的风扇或增加风扇是不现实的。

设计人员在风扇方面有三种基本选择，他们可以利用计算流体动力学 (CFD) 原理来确定哪种方法可以在压力和气流之间实现最佳平衡，以满足应用需求（图 1）：

• 轴流风扇像螺旋桨一样，平行于风扇电机旋转轴的轴向移动空气，通常适用于低压、大流量应用，用冷却空气替换热空气。这类风扇因其安装深度小、噪音低和效率高而备受推崇，是服务器和存储设备的理想之选，因为这些设备的每厘米空间都极其珍贵。更大的叶片气流角可以产生更大的压力，但这会导致湍流和增大的噪音，并降低能效。
• 与轴流风扇相比，离心或径向式风扇能以 90˚ 角偏转空气，并在较低流速下产生较大的压力。这使得这类风扇成为引导空气通过管道系统进行通风的最佳选择（如数据中心冷却或笔记本电脑等小型应用）。在这些应用中，气流循环的目的是垂直于进气流移动热量。这样做的代价是所需功率超过了轴流风扇。
• 对角线风扇像轴流风扇一样吸入空气，但将气流相对于转轴斜向排出。这使得压缩水平与离心风扇相似，从而能够在更小的湍流和更高的效率下获得更大的静压。

图 1：三种风扇设计的最佳工作范围。（图片来源：EBM-PAPST）

新一代轴流风扇

紧凑型轴流风扇在电子器件冷却应用中占了主导地位，因为这种风扇易于集成并能实现最佳的气流速度。一体化外壳可作为吸气漏斗，同时提供均匀的输出气流，而不会产生增加噪音的涡流。

然而，由于需要冷却能力不断提高和设计更加紧凑，往往会把传统轴流风扇的性能发挥到极限。设计人员在使用传统轴流风扇提高冷却性能时，通常依靠带有反向旋转转子的两级紧凑型轴流风扇来提供整个机壳均匀冷却所需的高气压。然而，这会增加能耗和运行噪音。

领先的风扇和电机创新企业 ebm-papst 开发出了 DiaForce 紧凑型对角线风扇。这种风扇克服了这些困难，能满足未来电子设备冷却的苛刻要求。气流从轴向和径向两个方向流经 DiaForce 风扇，实现了结构紧凑的非轴流风扇装置，具有反转风扇的性能且噪音更低，功耗更小。

DiaForce 风扇将最先进的外置转子马达与轴流叶轮直接集成在一起，同时拥有了轴流风扇的强大气流和离心风扇的更高背压（图 2）。叶轮和外壳的独特几何形状最大限度地减少了边缘部分的湍流，从而降低了噪音，而且叶轮出气口大于进气口，可在轴向和径向上都产生气流。

图 2：紧凑型单级轴流风扇 (a)、紧凑型双级轴流风扇 (b) 和新型 DiaForce 紧凑型对角线风扇 (c) 之间的直接比较。（照片来源：ebm-papst）

ebm-papst 开发的 DiaForce 紧凑型对角线风扇可满足数据中心服务器、5G 标准通信、自动驾驶汽车和云服务等应用的高利用率要求。

DiaForce 风扇的几何形状最大限度地减少了湍流，使压力增幅大于标准轴流风扇。根据 ebm-papst 提供的数据，DiaForce 比传统紧凑型轴流风扇安静 6 dB(A)，在与传统轴流风扇相同的尺寸内，空气性能最高达 50%²。这种风扇符合 DIN ISO 1940 标准的双平面动态平衡规范。

与传统单级风扇不同，DiaForce 风扇的转速可以提高，以适应如外部环境温度升高等不利条件。用来驱动 DiaForce 风扇的高效电子换向 (EC) 电机的运行效率高达 90%，而交流电机的效率仅为 20% 至 70%。EC 电机允许无级变速，并能以较小的外形尺寸提供交流或直流电机的输出水平。

DiaForce120 Standard（零件编号 8315100198）具有强大的冷却性能，能耗最低，噪音最小。这种风扇 119 mm 宽、高 119 mm、深 86 mm，重 980 g。在规定的标准测试条件下，该风扇的最大自由气流为 680 m³/h，最大静压为 3.120 Pa。根据 ebm-papst 提供的数据，这种风扇可实现 6 dB(A) 至 12 dB(A) 的降噪效果（具体视不同的工作点而定）。

DiaForce 的驱动部分包括一个额定功率为 500 W 的三线式高能效直流电机和一个用于智能电机调节的功能强大的微控制器。后者可使电机在所有负载范围内实现最大扭矩。

可选的 FanCheck 集成诊断工具可根据实际磨损情况以及温度、转速和预设环境参数，持续地计算实际剩余使用寿命。使用 FanCheck，制造商和客户就可以避免在规定的使用寿命之前更换风扇的常见做法，从而降低相关成本，并能更容易地安排最合适的风扇更换时间。

DiaForce 风扇的其他功能选项包括：

• 转动/停止警报
• 限速报警
• 内部温度传感器
• 内部温度传感器
• 模拟控制输入
• 防潮保护

结束语

随着政府、企业和消费者对更节能的计算机和网络技术需求的不断增长，电子系统设计人员将持续面临提供更高性能和更高能效的挑战。具有状态监测功能并着眼于未来需求的现代风扇在应对这些挑战时具有至关重要的作用。ebm-papst 的 DiaForce 紧凑型对角线风扇可帮助设计人员战胜这些挑战，在更紧凑的设计中实现更高的冷却性能。

资源：

1. https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102770836
2. https://mag.ebmpapst.com/en/industries/electronics/diaforce-diagonal-fan-combines-axial-and-centrifugal-in-one-fan_14990/