效能評估—散熱模組

力致科技擁有CFD散熱模擬的技術能力。
以下是四種包含或未含熱管的散熱器設計案例。


模擬顯示Type 3有較低的CPU溫度



力致科技也建立系統級的模擬技術能力。



系統配置圖


溫度分佈分析

速度分佈分析

模擬結果如下列表

 

效能評估—直流軸流風扇

性能曲線(P-Q Curve) & (SRC)系統的風壓阻抗
 
風扇型態大致分類為鼓風機或風扇。
鼓風機一般產生的吸力較風扇大，且鼓風機一般為離心式，鼓風機的主要目的在產生壓力差。
而風扇一般為軸流式，而風扇的主要目的在產生大的空氣流量。
不管是鼓風機或風扇，其的風壓風量測試之特性曲線主要是依循
美國Air Movement and Control Association (AMCA) 210-85 “
Laboratory Method of Testing Fans for Rating”測試規範。
 
其量得的特性曲線，即是一般熟知的P-Q曲線，如圖一所示。
P-Q 曲線，一般常以三個物理值來描述它：
 
n        Pmax：當風量為0 時，在某固定腔室容積狀態下，該風扇的最大靜壓值。
n        Qmax：當風扇入口與出口二端壓差為0 時的流率，為該風扇的最大流率。
n        P-Q值：為風扇入口與出口二端壓差與當時狀態下流率Q的對應值。


圖一、靜壓流量曲線(P-Q Curve)

鼓風機或風扇的尺寸一但決定，對應每一個電壓或轉速，在不同的風量之下，量測其壓力值，即可繪出一條如圖一的P-Q曲線，而此曲線可用來描述此鼓風機或風扇的特性。
因此稱為風扇特性曲線，以直流風扇而言，風扇驅動方式，可以為定電壓及PWM二種驅動
模式。不管以何種方式驅動，在固定的驅動方式及固定的電壓之下。
皆可測出其對應的風扇特性曲線(P-Q Curve)。
鼓風機或風扇的尺寸一但決定，對應每一個電壓或轉速，可繪出一條P-Q曲線，而此系統的風壓阻抗決定P-Q曲線上的操作點。
何謂鼓風機或風扇的阻抗?
空氣由沒有提供動力的組件或由系統的入風口進入，出風口流出。而空氣流動時，氣流在其流動路徑會遇上系統內部零件的阻擾，其會限制空氣自由流通，造成風壓的損失，因此稱為阻抗。
風壓損失與流量壓力之關係: 風壓之損失因風量而變化，在空氣流量Q的狀態下，組件或系統的入風口端與出風口端形成壓力差P，該壓力P與流量Q的對應關係(圖二為系統阻抗曲線，表示的是風壓損失與流量之關係)，即為該組件或系統的空氣流量阻抗特性。



圖二為系統阻抗曲線 (風壓損失與流量之關係)

系統阻抗曲線與風扇特性曲線的交點，稱為系統操作工作點(圖三)，在最佳的工作點上，風扇特性曲線之變化斜率為最小，而系統特性曲線之變化率為最低；此時對應於同一系統阻抗之靜壓值，風扇所能提供之流量恰可符合系統之需求。而系統阻抗曲線不同時，所產生之操作點也隨之不同。
例如: 風扇入風口端離地的高度不同時，其流量也不同，風扇入風口端愈接近地面，
其產生的阻抗愈大，因此形成的壓差也愈大，而流量愈小。



圖三、系統阻抗曲線與風扇特性曲線的交點為操作點

如何從特性上依 曲線 阻抗 判定風扇性能
A. 何謂風扇特性曲線？何謂客戶系統阻抗？
1. 實線FPC係風扇特性曲線；需由風洞量測
2. 虛線SRC係客戶系統阻抗；亦需由風洞量測，因客戶之不同所以一般Fan僅秀出FPC。
3. FPC與SRC交界點即為客戶使用操作點OP； Qb與Pb是可滿足客戶使用上所需求特性；   因此客戶選擇風扇時僅以Qa與Pa來選擇並不是最適切的；
＊ 建議配合 (客戶端系統) SRC可較容易選擇適用風扇，以及判定系統阻抗設計是否得宜。
B.假設有Ａ、Ｂ二風扇，應如何自特性曲線選擇較適合風扇?
1. 答案是FAN a為較適用風扇；因為特性曲線交叉於R1上之操作點OPa較操作點OPb特性佳，Qa>Qb(風量)，Pa>Pb(靜壓)。
2. 此FAN b雖然風量與靜壓都較FAN a高，但客戶使用上應以OPa 為最佳選擇；非僅以風扇最大風量與最大靜壓作為選擇依據。
3. 而系統阻抗設計的好壞也是選擇風扇的重點之一；圖中R1係最佳系統阻抗設計，R2係系統阻抗較高，R3較低；要改善系統阻抗設計應自系統進出風口之大小調整、系統內元件排放位置調整等，再經由風洞之測試即可調整及驗證出最佳的系統阻抗。
4. 比較FAN a與FAN b可得知FAN a之馬達扭力與扇葉、外框設計特性 較FAN b佳。




聲學工程
 
夾具一般設計要求：

• 從風扇到夾具邊緣的距離必須至少有一個風扇直徑尺寸以上。
• 夾具邊環的厚度必須小於或等於1cm。
• 夾具的任何部分，必須在風扇和麥克風之間的路徑。
• 夾具在測試過程中必須保持不動。
•  夾具必須不能影響風扇工作時的噪音：沒有搖鈴，夾具的共振​​，或尖叫聲。
• 夾具應佔用最小的體積。
• 夾具應減少反射。為了盡量減少反射截面的夾具必須是圓形。
• 夾具鉤住風扇的點必須對稱於夾具上。
•  夾具的支架必須佔用最小的體積與夾具本身連結。應注意，支架要減少腳的數目和大小。柱的直徑必須小於或等於5cm。

圖 1        Example fixture and suspended fan. D_fan is equal to the fan diameter.
 

儀表

• 自由場麥克風和前置放大器上Ⅰ型聲級測量系統。
• 麥克風校準器。

 

• 振動傳感器，例如，壓電加速度計。以下性能特點是必需的。
  • 低質量：小於2克方形外形軸流風扇大於尺寸60mm；小於1克的小風扇和小型鼓風機，如用於筆記本電腦。
  • 5 to 5000Hz 頻率範圍。
• 振動校準器。

 

• 噪音和振動數據採集和分析系統具有以下功能。
  • 兩個或多個通道的並行數據採集。
  • 採樣率為44100Hz的或採樣率更大。
  • 頻率範圍DC到20000HZ或更大。
  • 頻譜分析：倍頻程，三分之一倍頻程和FFT。
  • 音響質量分析：響度（ISO532B），突出的比例，和音調。
  • 調製分析。
  • 電平幅度隨時間變化的分析。
  • 指令數據跟踪和水平與速度分析。

 

• 傳感器用於測量風扇轉速，例如，轉速表。
• 直流電源有足夠的電壓和電流來驅動風扇（S）來測試。
• 函數發生器來產生PWM信號PWM速度控制風扇。
• 多功能電表。
• 溫濕度監控。

 
夾具和懸掛應進行檢查，當風扇在整個測試的速度範圍內運行，以確保它們不會產生噪音。如果夾具和懸架產生噪音，完成此檢查的最佳辦法，就是在整個速度範圍內運行的風扇和觀察（聽）。噪聲可能產生之問題有彈性懸架振動或共鳴，夾具振動或搖鈴，或者傳感器電纜振動或嘎嘎聲產生。
 
下表列出了一些說明，以減少噪音產生的懸掛和夾具。
 

DO	DO NOT
不要直接連接彈性風扇和夾具。	不要用金屬掛鉤（如回形針）鈎加彈性繩索於風扇或夾具。
不要使用單鏈彈性，如小直徑蹦極繩索。	不要使用雙鏈彈性，如環橡皮筋。如果振動和接觸緊密排列的彈性線可能會產生噪音拍打現象。
使用小直徑（1.5毫米）蹦極繩索代替橡皮筋彈性。	不要讓傳感器電線的振動影響接觸到夾具或風扇。
Table 以減低由懸架和夾具產生的噪聲。

 

風扇安裝

風扇安裝在夾具中，使得空氣的流動方向是遠離麥克風。在風扇的旋轉軸是水平的。在半無迴響室中，在地板上方的風扇的底部邊緣的高度必須至少為100cm。
 
風扇是安裝在固定裝置旋轉軸的水平，和空氣入口，面對麥克風。排氣是指垂直向上。
 
雙進氣風扇的情況下，馬達支柱必須是遠離麥克風的側面。排氣是指垂直向上。
 

風扇轉速控制

風扇或鼓風扇的旋轉速度必須加以控制，風扇的設計需使用相同的控制策略。

• 通過不同的直流電壓，線性直流電壓風扇的速度之控制。
• PWM風扇速度控制，通過改變佔空比的PWM信號。 PWM參數都必須能出報告。
• 熱敏電阻控制風扇的速度控制，通過改變模擬熱敏電阻輸出信號的電阻。

 

風扇轉速感測訊號

在此測試過程中需要定義的所有聲音和振動測量，同時對風扇轉速的監視或測量。
 
當紅外線轉速計作為風扇的轉速傳感器，用於傳感器的優選位置是在風扇排氣的下游側，看是不是在風扇和麥克風之間，如圖2所示。如果紅外線轉速計在風扇的上游側的位置，然後定位到一邊，是不會在風扇和麥克風之間的直接路徑。從風扇轉速傳感器所允許的最小距離是兩個風扇直徑，並建議更遠的距離。速度傳感器的安裝夾具必須盡量減少反射面;最好使用薄薄的支架。
 
雙轉子風扇的情況下，需要兩個紅外線轉速計，下游和上游。上游紅外線轉速計不能在風扇和麥克風之間的直接路徑。定位上游紅外線轉速計在一旁。
 
如果紅外線轉速計需要風扇上有反射點，創建反射點的方式，最大限度地減少不平衡的風扇。使用最小量的反光帶或油漆，標示處盡可能靠近旋轉軸線，葉片的根，而不是葉尖。
 
風扇輸出轉速信號，該信號可被使用來監視風扇速度。
 

麥克風和風扇位置

圖2示出了麥克風的定位，以及一般的測試佈局。
 
麥克風和風扇的位置要求是：

• 麥克風必須位於所述風扇的旋轉軸線在從風扇的進氣的距離為50cm。

• 麥克風必須與任何室內牆面或地面至少100公分。對於有聲楔室，測量距離為楔子的尖端。
• 風扇的任何表面，必須從任何室內牆面或地面至少100公分。對於有聲楔室，測量距離為楔子的尖端。

圖 2                      麥克風的相對位置，風扇和轉速表之要求
 

振動傳感器的位置

對於具有方形的外形，測量振動在垂直方向上盡可能接近風扇頂部的兩個角部，在下游面的邊緣的頂部的軸流風扇。參考圖3。這是必需的，這兩個測量點之間的距離，ΔL，記錄。

圖 3    方形的外形軸流風機的加速度計的位置

加速度計必須安裝在風扇平坦的表面上。蠟或膠可用於附加加速度計。如果使用蠟，它必須是一個適當的蠟為目的，由加速度計製造商提供的安裝的加速度計規範。用蠟時，必須遵循正確的安裝技術：

• 使用蠟含量極低。
• 風扇表面必須清潔，平整。
• 塗抹加速度計和風扇表面之間的薄層。
• 確保薄蠟層覆蓋加速度基地的整個區域。
• 加速計必須牢固就位安裝表面上。無搖擺或鬆動。

 
如果使用膠水安裝的加速度計，必須遵循正確的安裝技術：

• 風扇表面必須清潔，平整。
• 避免在加速計基部積聚膠量。

• 加速計必須牢固就位安裝表面上。無搖擺或鬆動。

 

測量過程

 

一般

 

其他測試系統操作噪音

在試驗過程中在聲室中，所測試的風扇是唯一的噪音源。用於電源和控制風扇的設備必須位於外部的聲室或其他聲學隔離。
 

更正為背景噪音

沒有校正背景噪音得以應用。由背景噪聲的影響的頻率間隔要可被識別。

測量系統的輸入電壓範圍

系統的輸入電壓範圍內，優化的數據採集換能器的信號。調整的輸入電壓範圍內盡可能地低，不產生電壓過載條件。例如，使用數據採集系統自動範圍功能，之前的記錄數據。
 

風扇工作條件

風扇在自由空氣輸送條件下操作，也就是沒有任何負荷或壓力條件。風扇運行速度在後面的章節中指定。
 

測量信號

在每個作業條件同時記錄信號從麥克風和振動傳感器。
 

數字採樣率

聲信號分析需要高達20 kHz。為聲信號，用44.1千赫或更高的數字採樣率。
 
振動信號分析需要高達5千赫。對於振動信號，使用11025 Hz或更高的數字採樣率。
 

恆速工作條件

 

錄製時間

            記錄時間應至少為10秒。

高速掃描工作條件

在高速掃描操作條件，風扇轉速的增加，從開始的端部速度加快。風扇轉速必須改變平滑和連續。
 

風扇速度和掃描速度

• Start speed ≤ RPM_min
• End speed ≥ RPM_max
• 至少30秒後的速度增加一倍。

 

錄製時間

錄製時間必須是足以記錄整個風扇高速掃描。
 

資料分析

 

振動信號處理

 

直線振動加速度

正方形的外形，軸流式風扇（圖3），線性（或平移）的振動波形的時間是從2加速度計信號的平均值計算如下：
 

 

角振動加速度

正方形的外形，軸流式風機（圖3），角（或轉動）的振動波形的時間是從2加速度計信號的差值計算如下：


其中ΔL為兩個加速度計的檢測軸線之間的距離（以米為單位）。
 
對於具有其他形式的因素（例如，離心式鼓風扇）風扇必須指定用於計算角加速度的加速度計的位置和方法。角振動可能並不適用於某種形式的因素。
 
 

恆速工作條件分析

下面的分析可能是在各個風扇轉速的行為。全部有聲的分貝水平為20×10-6帕斯卡參考。
 

A加權聲壓級

• In decibels, dBA.
• 平均的至少10秒時間。

 

響度

• 根據 ISO 532B.
• In sones.
• 平均的至少10秒時間。

 

調性

• Aures method.
• In units of tu.
• 平均的至少10秒時間。

 

突出比

• 根據 ISO 7779 and ECMA-74.
• In decibels.
• 平均的至少10秒時間。

 

調製

• 以百分比表示
• 平均的至少10秒時間。

 

三分之一倍頻A加權聲壓水平頻譜

• 三分之一個倍頻帶中心頻率，100〜20000Hz的。
• 以分貝A-加權頻帶水準（分貝）
• 平均的至少10秒時間。

 

直線振動加速度

從線性振動加速度時域波形，分析米/秒^2的單位以下。

• Overall, 20 – 5000 Hz
• 運轉和諧波的基本頻率的幅值。
• 風扇馬達的極通頻率和諧波的振幅。
• 三倍頻帶頻譜。

 

角振動加速度

從角加速度時間波形，分析rad/sec2單位以下。

• Overall, 20 – 5000 Hz
• 運轉和諧波的基本頻率的幅值。
• 風扇馬達的極通頻率和諧波的振幅。

 

高速掃描工作條件分析

下面的分析可以進行風扇速度掃描。
 

A加權聲壓級與風扇轉速。

• 平均時間等於0.05秒。
• 轉速每隔間隔20rpm.

 

振動訂單曲目

直線振動m/sec2和角加速度rad/sec2.

• 平均時間等於0.05秒。
• 轉速每隔間隔20rpm.

 

恆速工作條件的報告

報告如下結果在每個運行速度。全部有聲分貝值用20×10-6帕斯卡的參考。
 

A加權聲壓級

報告的A計加權聲壓級（分貝）。
 

響度

報告中SONES的響度。
 

Tonality

            TU的ton値報告。
 

突出比

報告突出比率為下列頻率中是否有FFT頻譜對應的離散的峰和突出比大於5分貝。

• 運轉之基頻
• 風扇馬達的磁極頻率和諧波的振幅。
• 風扇葉片通過的頻率和諧波
• 其他的分離的峰値

 

Modulation

報告的最大百分比調製方式及相應的載波和調製頻率。
 
報告的最大調製率和相應的載頻，用於調製頻率等於旋轉和第二，第三，和第四諧波（F1，F2，F3，F4）的基頻。
 

三分之一倍頻帶的A計權聲壓譜

報告的三分之一倍頻帶聲壓級，100到20kHz。
 

線性振動

報告的線性振動加速度的m/sec2單位：

• Overall, 20 – 5000 Hz
• 運轉和諧波的基本頻率振幅值。
• 風扇馬達的磁極頻率和諧波的振幅。
• 三倍頻帶頻譜，25到5kHz。

 

角振動

報告的角振動加速度的rad/sec2單位：

• Overall, 20 – 5000 Hz
• 運轉和諧波的基本頻率振幅值。
• 風扇馬達的磁極頻率和諧波的振幅。

 

高速掃描工作條件的報告

報告結果如下，每個風扇速度之掃描。
 

A加權聲壓級與風扇轉速

• In 分貝。

 

振動加速度隨風扇速度

報告m/sec2振動加速度以下命令：

• 運轉之基頻 (1^st order).
• 風扇馬達磁極頻率 (typically 4^th or 8^th order).

 

突出比與風扇轉速

提供的XYZ圖（3維圖）突出比與頻率與風扇轉速哪裡：
X軸是風扇的轉速 (rpm);
Y軸是頻率 (Hz); and
Z軸是突出比（dB），並且可以使用顏色強度來表示。
                                       

 

效能評估—直流離心風扇

 

1. 我司自成立迄今已累計量產各式制式或客訂規格之離心風扇合計達800餘件，開發風扇直徑最大為80mm，最小為26mm，風扇厚度最大達26mm，最小可達3.5mm之超薄型風扇。
2. 搭配相關之無刷馬達設計需求，提供一系列高效率之風扇馬達及PCB。針對馬達之驅動結構，可區分為單相架構及三相架構，配合客戶需求提供不同效率及成本之產品。
3. 針對離心扇葉運作之流體效率，我司可運用現有累積之風扇效能資料庫，並輔以套裝之計算流體力學分析軟體，進行各項風扇設計參數之調整，以獲得最佳之流體運作效率表現。
4. 按目前客戶針對NB系統之低噪音需求，我司亦俱備完整之半無響聲學實驗室、人工耳、低性噪比麥克風及資料擷取分析軟體。可迅速針對我司開發樣品或是客戶NB系統按業界或ISO標準規範，進行分析確認。並針對相關設計參數進行調整，提供低噪音、無聲音品質問題之高效能風扇。