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風扇

風扇是一種帶有葉輪的馬達，可以移動空氣。在 3D 印表機周圍的設備中，你不僅需要它「吹空氣」，還要通過正確的區域推動空氣：加熱器、線軸、過濾器、散熱器、室室或電子設備區間。

相同尺寸的風扇可能工作方式非常不同。一個在開放空間中空氣很好，另一個在過濾器或風道中推動空氣更好，第三個在靜音但在阻力下較弱。

應用場景

在 iDryer 類專案中，風扇用於：

  • 烘乾機內的空氣循環；
  • 將熱從加熱器傳遞到室室；
  • 從印表機室室排出空氣；
  • 透過 HEPA/活性碳過濾器過濾；
  • 冷卻電子設備；
  • 冷卻散熱器；
  • 平衡外殼內的溫度。

對於室室加熱，風扇特別重要。加熱器釋放熱，氣流將熱從元件中移除並進一步攜帶。沒有適當的氣流，加熱器可能會局部過熱，而室室加熱不足。

氣流和靜壓

在風扇的技術描述中，你通常看到兩個重要的參數：

  • 氣流 - 通常以 CFM 或 m3/h 為單位；
  • 靜壓 - 通常以 mmH2O、Pa 或 inch H2O 為單位。

氣流顯示在理想條件下阻力很小的風扇可以泵出多少空氣。

靜壓顯示風扇可以透過阻力推動空氣的能力：過濾器、柵欄、散熱器、狹窄風道或長空氣管。

實務規則：

  • 對於開放循環，氣流更重要；
  • 對於過濾器、散熱器、密集柵欄和風道，靜壓更重要；
  • 對於真實的外殼，工作點很重要，而不僅僅是規格中的最大數字。

如果你在密集的過濾器上放置安靜的機殼風扇，儘管在開放空間中氣流看起來很強，但它可能幾乎無法推動空氣。

軸向和徑向風扇

軸向風扇沿旋轉軸推動空氣。這些是典型的方形風扇 40x40、60x60、80x80、120x120 mm。

徑向風扇從側面吸入空氣並通過狹窄的出口吹出。它通常在風道、噴嘴、過濾器和需要壓力的地方工作得更好。

對於室室內的自由循環，軸向風扇通常很方便。對於緊湊的風道、過濾器或定向流，徑向風扇有時更好。

2 腳、3 腳和 4 腳

風扇通常在線的數量上有所不同。

電腦風扇上的 3 腳連接器

來源：Wikimedia Commons, Dsimic, CC BY-SA 4.0

2 腳：

  • +V；
  • GND。

這樣的風扇只是獲得電源。如果主板和風扇支援，你可以透過改變供應電壓或電源線上的 PWM 來控制速度。

3 腳：

  • +V；
  • GND；
  • 轉速測量信號（tach/sense）。

第三根線通常輸出速度信號。它本身不控制速度。

4 腳 PWM：

  • GND；
  • +V；
  • 轉速測量信號（tach/sense）；
  • PWM 控制信號。

在 4 腳 PWM 風扇上，電源通常持續供應，速度由單獨的 PWM 線設定。這與快速開啟和關閉風扇電源不同。

PWM 和轉速計

PWM 是設定所需速度的控制信號。電腦 4 腳 PWM 風扇的頻率通常約為 25 kHz，電源保持恆定。

如果 PWM 線未連接，許多 4 腳風扇以全速運行。

轉速測量信號顯示 RPM。如果設備應理解以下情況，則需要它：

  • 風扇是否旋轉或停止；
  • 速度是否與命令匹配；
  • 過濾器或風道是否造成過大的阻力；
  • 風扇是否卡住。

轉速計不能替代溫度控制。在有加熱器的設備中，如果風扇故障很危險，你需要同時監控溫度和氣流狀態。

電壓和電流

連接前，檢查：

  • 風扇電壓：5V、12V、24V；
  • 工作電流；
  • 啟動電流；
  • 連接器類型；
  • 腳位圖；
  • 它是否有 PWM；
  • 它是否有轉速計；
  • 工作溫度；
  • 氣流方向；
  • 噪聲等級；
  • 壽命和軸承類型。

你無法從控制器的 GPIO 為風扇供電。GPIO 是信號，不是電源輸出。風扇電流必須來自電源、主板電源輸出或 MOSFET 模組。

啟動時，風扇可能會短暫吸取比正常工作更多的電流。如果多個風扇連接到一個輸出，它們的電流相加。

噪聲、振動和軸承

噪聲不僅取決於 RPM。

聲音受以下因素影響：

  • 葉片形狀；
  • 平衡；
  • 軸承類型；
  • 安裝；
  • 柵欄；
  • 風道；
  • 過濾器；
  • 外殼共振；
  • 附近的多個風扇。

技術描述以 dB(A) 列出噪聲，但在真實的外殼中，風扇的聲音可能會有所不同。具有不良幾何形狀的柵欄、附近的牆或對薄面板的硬安裝可能會使好風扇噪音很大。

對於運行數小時的設備，最好不只是按價格和尺寸選擇風扇，而是按壽命、軸承和溫度選擇。

溫度和安裝位置

在工作臺上運行良好的風扇可能在熱室室中迅速降級。

檢查：

  • 風扇工作溫度；
  • 加熱器附近的空氣溫度；
  • 與發熱元件的距離；
  • 熱流是否直接撞擊馬達；
  • 安裝是否軟化；
  • 線路是否乾燥；
  • 風扇是否被灰塵或纖維堵塞。

如果風扇負責加熱器氣流，它的故障應在安全邏輯中考慮。你無法設計加熱器，使得停止的風扇立即在沒有應急關機的情況下造成危險的溫度。

過濾器和風道

過濾器、柵欄和風道可能會大大降低有用的氣流。

典型的跡象：

  • 風扇很大聲但氣流很弱；
  • 過濾器幾乎沒有任何空氣通過；
  • 空氣透過間隙繞過過濾器；
  • 加熱器附近的溫度上升比室室溫度快；
  • 安裝蓋後，氣流比工作臺上差。

要有效地過濾室室，你不僅需要放置風扇，還要確保氣流路徑通過過濾器。如果空氣發現通過間隙更容易，它就會這樣做。

購買前要檢查的事項

在購買風扇之前，檢查：

  • 尺寸和厚度；
  • 電壓；
  • 電流；
  • 類型：軸向或徑向；
  • 氣流；
  • 靜壓；
  • 噪聲；
  • RPM；
  • 軸承類型；
  • 2 腳/3 腳/4 腳；
  • 工作溫度；
  • 壽命；
  • 氣流方向；
  • 連接器和腳位圖；
  • 它是否適合過濾器、風道或自由循環。

對於過濾器和狹窄的風道，不要只按 CFM 選擇風扇。查看靜壓並在真實組件中測試。

常見錯誤

  • 將 12V 風扇連接到 24V；
  • 將 24V 風扇連接到 12V 並認為它壞了；
  • 從 GPIO 為風扇供電；
  • 未為外部 MOSFET/PWM 建立共同接地；
  • 未考慮啟動電流；
  • 將多個風扇連接到弱輸出；
  • 僅按尺寸選擇風扇；
  • 在密集的過濾器上安裝自由流風扇；
  • 認為 tach 線是控制線；
  • 認為 4 腳 PWM 與 2 腳相同；
  • 透過開啟/關閉電源來控制 4 腳 PWM 風扇；
  • 在無溫度檢查的熱區安裝風扇；
  • 安裝蓋、過濾器和風道後未檢查氣流。

要點

風扇是為任務選擇的：自由循環、過濾器、風道、散熱器、加熱器或電子設備冷卻。對於開放空間，氣流很重要；對於過濾器和風道，壓力很重要。

檢查電壓、電流、線類型、PWM/轉速計、工作溫度和實際系統阻力。在有加熱器的設備中，風扇應該是安全熱系統的一部分，而不是裝飾性元件。

參考資料