随着工业向电气化、自动化、数字化转型，电子设备在各个领域发挥着日益重要的作用。随着工作温度升高，多余的热量会对元器件的性能、可靠性乃至使用寿命产生负面影响。与此同时，电子元器件与机箱日益紧凑，热管理对于实现最佳性能和产品寿命变得至关重要。
本文介绍电子设备的主要冷却方式、常见的散热与气流挑战，以及在不同电子系统中选型和应用散热风扇的实用最佳实践。
为什么电子设备需要冷却？
电子设备不可避免地会产生热量。电机、处理器、电源和电池在运行过程中都会将部分输入能量以热量形式释放。当热量滞留在机箱内部时，问题随之而来。内部温度上升，元器件运行温度升高，可靠性逐步下降。在高负载设备中，过热还可能触发保护功能或导致意外停机。
因此，冷却是设备设计的组成部分，而非可选附加项。其作用在于带走运行过程中产生的热量，防止温度过度积聚。
电子设备的冷却方式
主动冷却方式
主动冷却利用带动力部件将热量从设备中带走。对许多电子设备而言，使用散热风扇是最简单的解决方案。它推动空气流经机箱，将热量带离元器件。但风扇选型不应仅依据额定风量。过滤器、散热器、格栅以及狭窄通道都会减少设备内部实际可用的风量。
然而，风扇性能不能脱离气流路径单独考量。进风口、出风口以及主要热源的位置同样会影响空气流经机箱并带走热量的效率。所选散热风扇应与设备内部的实际运行工况相匹配。
被动冷却方式
被动冷却无需风扇或其他动力气流即可工作。热量通过元器件、PCB、散热器或机箱传导，并释放到周围空气中。对于发热量相对较低的设备，这种方式通常已足够。在需要更大散热面积的位置，通常会加装散热器。导热界面材料和 PCB 散热过孔也有助于将局部热量带走。
电子设备冷却面临的挑战
热密度不断升高
为了提供更强的处理能力和电输出，电子设备正变得越来越紧凑。在狭小空间内塞入更多晶体管、功率器件和数据连接，可以缩短信号路径、降低电阻，但这也会降低散热能力。对于许多高功率密度系统而言，仅依靠自然通风远远不够。有限的内部容积还会限制自然气流，使散热更加困难。
安装空间受限
电子设备的设计日益趋向更小的机箱和更高的元器件集成度，留给散热风扇的内部空间越来越少。PCB、散热器、电源、线缆和电容等元器件占据了绝大部分可用容积，限制了散热风扇的直径、厚度和安装位置。在一些紧凑型系统中，风扇必须紧邻周围元器件安装。风扇进、出风口周围的间隙不足会干扰气流输送并增加紊流。散热风扇的选型必须同时考虑可用安装尺寸和有效气流路径。
气流阻力高
高密度的元器件布局对内部冷却气流影响很大。防护格栅、线缆束、PCB 组件或狭窄通风通道等限制因素都会增大系统阻力。风扇安装到紧凑或高密度电子系统中后，实际提供的风量可能会显著降低。狭窄通道和邻近的障碍物会进一步增大压降、降低冷却性能。这意味着风扇无法按规格书中标注的额定风量运行。
气流不均与热点
电子设备内部的气流很少能均匀分布。内部结构会将空气导向阻力最小的路径，使其他区域得不到充分冷却。有些元器件风量充足，有些则处于气流死角。当气流较弱时，被加热的空气可能无法排出而在机箱内循环回流，这正是功率密集型部件周围形成热点的原因。有效的散热风扇选型不仅取决于总风量，还取决于气流是否被引导至实际发热的区域。
噪声要求
散热风扇可能成为电子设备中重要的噪声来源。风扇噪声同时受机械因素和气动因素的影响。散热风扇的电机转动会把振动引入电子设备。如果风扇与机箱刚性连接，这种振动会传递给周围元器件并增大运行噪声。由于通道狭窄，气流的突变可能产生额外的紊流，进一步抬高噪声水平。同样地，系统内安装的风扇所产生的噪声水平，也会与产品样本中标定的数值有所不同。
电子设备冷却的最佳实践
确定冷却需求
由于电子元器件的失效率随温度升高呈指数增长，电气设备制造商建议将机箱温度保持在 10°C 至 35°C（50°F 至 95°F）之间。在选型散热风扇之前，应先确定主要发热元器件，并估算需要带走的总热量。分析还应考虑环境温度、机箱尺寸和使用环境条件。
设计有效的气流路径
冷却气流路径的设计应从进风口开始，流经关键发热元器件，最后到达出风口。元器件布置不当可能会阻碍气流，或使空气绕过需要冷却的区域。高热元器件通常可布置在更靠近排风侧的位置，而对温度敏感的元器件则更适合接收较冷的进风。在某些设计中，还可使用挡板或风道将气流导向特定区域。
考虑系统阻力
风扇规格书中所标注的风量通常是在自由空气条件下测得的。风扇安装后，过滤器、格栅、散热器、PCB、线缆和狭窄通道都会阻碍气流，因此实际风量通常会偏低。
对于气流路径受限的设备，不能只看自由空气额定值，还应核查风扇在所需静压下能否提供足够的风量。真实工作点位于风扇 P-Q 曲线与系统阻力曲线的交点处。如果需要更强的冷却，压力能力更高的风扇可能是更好的选择。
风扇冗余
常见的冗余方式有两种，即 N+1 冗余和 N-1 冗余。
- N+1冗余：系统在满足正常风量需求所需的风扇数量之外，额外配备一台风扇。这台额外风扇是备用风扇，当某台运行中的风扇失效时接替其工作。
- N-1冗余：所有安装的风扇都具备足够的储备能力，一旦某台风扇失效，它们可以提高输出。这样系统无需专门设置备用风扇，即可维持所需的总风量。
适用于电子设备冷却的风机类型
轴流散热风扇
轴流风机使空气沿与转轴相同的方向流动。它通常安装在机箱的出风侧，将热空气从设备中排出。随着空气排出，较冷的空气通过过滤开口进入，形成贯穿机箱的连续气流路径。对于电子设备而言，安装位置至关重要。风扇应布置在热空气能够离开机箱、且不会反复流经敏感元器件的位置。一条畅通的进风-排风气流路径通常能带来更有效的散热。
贯流风机
贯流风机使空气沿宽大的出风口流动，而不是集中于圆形气流束中。其较长的叶轮使其适用于需要在大面积范围内进行冷却的设备。
在传统轴流或离心风机难以安装的长条或狭窄空间中，贯流风机尤为适用。它可以沿设备一侧布置，在更大的范围内提供气流。
当需要在多个元器件之间或沿延长的发热表面获得相对均匀的气流时，贯流风机尤为合适。因此，对于有特定空间和气流分布要求的电子设备，贯流风机可以成为轴流或离心设计之外的一种替代方案。
朗伟电子设备冷却解决方案
朗伟为电子设备提供冷却解决方案。朗伟并非仅依据风量来选型风扇，而是将风机配置与所需风量、静压、电压、控制方式、安装空间以及系统运行工况相匹配。
对于紧凑型和机架级电子设备，朗伟提供小型直流轴流风机，用于元器件和机箱的直接冷却。对于 CRAH、CRAC 等更高容量的系统，后倾离心 EC 插接风机可提供更受限冷却路径所需的风量和静压能力。在需要更高风量和可靠性的场合，可将多台 EC 插接风机集成到风机墙中。这种模块化布置使风量能力可随风机数量扩展，并支持集中调速。
这些方案使 OEM 工程师能够根据电子设备的热负荷、气流阻力、控制要求和可靠性等级来选型或定制冷却解决方案。
常见问题
电气设备过热的迹象有哪些？
你会注意到以下几种现象：机箱比平时更热，设备更频繁地因过热保护而停机，处理速度变慢，功率输出下降，以及散热风扇似乎始终无法降速。
什么温度会损坏电子元器件？
长时间在 40°C（104°F）以上的温度下工作，元器件的老化速度会超过正常使用寿命。如果工作温度持续超过 80–100°C（176–212°F），将造成永久性损坏或实际故障。
电气机柜风扇如何防止过热？
它们让空气持续流过机箱。冷空气经进风口进入，吸收热负荷后，再经排风口排出。
