含防尘网的强迫风冷散热设计要点


1. 常用防尘网类别

电子设备散热常见的防尘网有:聚氨酯防尘网、尼龙防尘网两种。对于通信设备机柜一般采用聚氨酯防尘网,对于设备两种类型防尘网都有应用。
含防尘网的强迫风冷散热设计要点
 图1 聚氨酯防尘网及尼龙防尘网
聚氨酯防尘网的主要参数为PPI(Poles Per Inch)及防尘网厚度。PPI为1英寸直线长度上孔的数目,PPI越大防尘网孔数越多孔径越小,防尘网对灰尘的捕获率就越高,流阻也就越大。
含防尘网的强迫风冷散热设计要点
图2 聚氨酯防尘网的流阻及灰尘捕获率
尼龙防尘网的主要参数为目:每平方英寸的孔数,50目即每平方英寸上有50*50个孔,尼龙防尘网通常用于结构紧凑的小型设备,对灰尘的捕获率要弱于聚氨酯防尘网。


2. NEBS GR63 CORE对防尘网性能要求

NEBS GR63 CORE对通信设备防尘要求如下:
  • 所有的风冷散热设备都应对配置防尘网,且可更换;
  • 垂直子架方向超过2U的防尘网应满足(1)最小滤尘率80%,或(2)MERV 4(最低效率评价值)
  • 垂直子架方向小于等于2U的防尘网应满足(1)最小滤尘率65%,或(2)MERV 2(最低效率评价值)


3. 强迫风冷防尘网注意事项

在对采用防尘网的设备进行散热设计时,风扇选型应充分考虑防尘网自身的流阻,一般热设计工程师进行系统设计时,这一点在系统仿真分析及后期散热测试时往往会考虑。但是,对于系统设备而言,仅仅是考虑防尘网初始状态的流阻是远远不够的,随着设备的持续运行,防尘网表面会逐渐积累大量的杂物及灰尘,这些杂物及灰尘会造成防尘流阻的急剧增加。因此,在强迫风冷系统中,如果需要设置防尘网,除了满足标准规定的灰尘捕获率之外,还需要重点关注以下事项:
  • 系统散热设计时,系统阻抗需考虑防尘网不同程度堵塞下的阻抗变化,由于防尘网堵塞无法使用CFD仿真评估,因此建议制造不同堵塞程度的防尘网,利用风洞进行防尘网不同堵塞程度下的流阻测试;
  • 风扇选型时,应充分考虑系统流阻随运行时间的变化,风扇必须能够容忍在允许防尘网堵塞程度内的系统阻抗变化,在此范围内系统风量不会急剧降低导致系统散热出现问题;
  • 防尘网与风扇需要保持一定的距离,建议不小于10mm,如果防尘网紧贴风扇布置,则由于通过防尘网的有效通风区域不足,导致防尘网过早堵塞。
下图黑色线条为系统设备风扇模组的P-Q曲线(多个风扇并联P-Q曲线),因为系统设备中通常不止一个风扇,在评估时不能采用单个风扇的P-Q曲线进行分析,风扇模组的P-Q曲线可以通过风扇串并联关系进行大致模拟,建议通风风洞进行风扇模组的P-Q曲线测试。绿色为防尘网清洁时的系统流阻曲线,红色为防尘网一定程度堵塞时的系统流阻曲线。
同图中P-Q曲线及系统流阻曲线的交点(工作点)来看,此设备的系统风量会随着防尘网的堵塞急剧降低,进而导致设备内功耗器件散热出现问题,甚至导致设备宕机。根本原因在于所选择的风扇所能提供的风压不足,且存在明显的平缓过渡区,在该区域内,系统阻抗的较小变化都会带来系统风量的急剧降低。
含防尘网的强迫风冷散热设计要点
图3 不同防尘网清洁度下的风扇模组工作点
下图演示了防尘网紧贴风扇布局的堵塞效果,灰白色代表灰尘急剧的区域:
含防尘网的强迫风冷散热设计要点
图4 防尘网紧贴风扇的灰尘堵塞效果
理想的防尘网布局是距离风扇保持一定的距离,使冷却空气均匀地流过整个防尘网,从而有效增加了通风和灰尘积聚面积,延长设备防尘网清理的周期。
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图5 防尘网距离风扇一定距离的灰尘堵塞效果


4. 防尘网清洁预警

只要系统设备安装有防尘网,随着设备持续工作,防尘网最终都会因过度堵塞导致系统通风量不足,带来设备内电子器件的散热问题。因此,需要制定防尘网的堵塞周期,然而不同地域、季节等环境下,因空气的清洁度,空气中杂物的不同,防尘网堵塞周期也会有明显的差异。最佳的处理方式是系统设备具备防尘网清洁预警机制。
(1)制定合理的预警机制:如当系统风扇已处于全速工作且器件温度达到设定温度阈值时启动防尘网清洁预警,前提条件是系统设备具备正确的智能风扇调速机制。
(2)防尘网堵塞监测:比如利用激光从防尘网投射时发生衰减,且衰减程度受防尘网上的灰尘厚度影响,通过检测从防尘网投射的激光透射光强来确定防尘网的堵塞状态;
(3)温度差判断机制:利用设备内温度Tin与环境温度TA的差值变化进行防尘网的堵塞监测,在风扇档位和设备功率不变时,风量与Tin-TA的关系来判断。
(4)压力差判断机制:空气通过防尘网后,由于防尘网自身流阻导致一定的压降,压降随着防尘网堵塞程度增加而增大,通过压力传感器获得防尘网两侧压力差值,并与不同风扇转速下的压力差值门限进行对比,判定防尘网是否堵塞
本文对系统设备防尘网应用的常见问题进行描述及问题剖析,并给出解决方案,通过合理的系统散热设计来避免防尘网堵塞对系统设备散热造成致命影响,供从事含防尘网系统设备散热设计工程师参考。
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