风扇选型及设计指导

港湾网络有限公司企业技术规范

风扇选型及设计指导

V1.0

2004-01-10发布 2004-01-10实施

港湾网络有限公司 发布

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本规范起草部门：中试机电设计部、生产采购部 本规范起草人：刘 勇 、陈翠莲 本规范审核人：马 庆 本规范批准人：江 岷 本规范修订记录： 修订时间 修订版本

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目 录

1. 2. 3.

目的...................................................................................................................................4 适用范围...........................................................................................................................4 风扇选型要素...................................................................................................................4 3.1.

系统风量的计算和风扇的选择.......................................................................4

3.1.1. 总冷却需求及风量的计算...............................................................................5 3.1.2. 全部系统阻抗／系统特性曲线.......................................................................7 3.1.3. 系统操作工作点的确定...................................................................................7 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.3. 3.4. 3.5.

风扇的并联与串联...........................................................................................9 风扇的并联.......................................................................................................9 风扇的串联.......................................................................................................9 系统散热的仿真.............................................................................................10 系统风扇的风向选择.....................................................................................10 风扇的噪声控制.............................................................................................10

3.5.1. 风扇的噪声与转速的关系.............................................................................10 3.5.2. 噪声控制方法.................................................................................................11 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10.

4.

风扇电压.........................................................................................................12 风扇的外型尺寸选择.....................................................................................12 风扇类型选择.................................................................................................13 风扇的控制方式选择.....................................................................................13 风扇的引线长度.............................................................................................13

风扇的控制电路设计.....................................................................................................14 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7.

风扇的信号检测.............................................................................................14 引脚定义.........................................................................................................15 降压电路.........................................................................................................15 风扇电源的滤波.............................................................................................15 与外部的接口.................................................................................................15 软启动电路.....................................................................................................15 风扇的调速电路.............................................................................................16

5. 冷却系统设计时考虑因素.............................................................................................17 5.1. 5.2.

电源的负载能力.............................................................................................17 风扇的安装.....................................................................................................17

6. 7. 项目描述规则说明.........................................................................................................17 选型清单.........................................................................................................................18

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风扇选型及设计指导

1. 目的

目的在于指导系统风扇的选型和设计，降低成本，降低设备发射噪声，提高开发效率。

2. 适用范围

本指导文件适用于公司所有产品的散热系统对风扇的选型设计，如机柜、单板和盒式结构的设备。对于个别特殊散热的系统，可特殊处理。

3. 风扇选型要素

3.1. 系统风量的计算和风扇的选择

对于所有需要使用风扇散热的产品，设计工程师必须先确定系统散热所需的风量，而所需的风量取决于了解系统的耗电量及是否能带走足够的热量，以防止系统过热。事实显示，系统的使用年限会由于风扇系统的不足而降低，所以系统的销售量与价格，可能因为系统的使用年限不符使用者的预期而下降。

要选择正确的风扇，必须考虑下列目标： z 最好的空气流动效率； z 最小的适合尺寸； z 最小的噪音； z 最小的耗电量；

z 最大的可靠度与使用寿命； z 合理的总成本。

选择正确散热扇的三个重要步骤： 步骤一：总冷却需求及风量的计算； 步骤二：全部系统阻抗／系统特性曲线； 步骤三：系统操作工作点的确定；

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3.1.1. 总冷却需求及风量的计算

首先必须了解三个关键因素以得到总冷却需求：

z 必须转换的热量 (即温差△T) z 抵消转换热量的功率 (W) z 带走热量所需的风量 (CFM)

确定总冷却需求对于系统运行十分重要。有效率的系统运作必须提供理想的运作条件，使所有系统内的组件均能发挥最大的功能与最长的使用年限。

具体的步骤如下：

（1）算出设备内部产生的热量。

（2）决定设备内部所能允许的温度上升范围。 （3）从方程式计算所需的风量。 （4）估计设备用的系统阻抗。

（5）根据目录的特性曲线或规格书来选择所需的风扇。

如果已知系统设备内部散热量与允许的总温度上升量，可得到冷却设备所需的风量。 以下为基本的热转换方程式：

H = Cp×W×△T

其中：H = 热转换量

Cp = 空气比热

△T = 设备内上升的温度

W = 流动空气重量 我们已知 W = CFM×D 其中 D = 空气密度

经由代换后，我们得到:

再由转换因子与代入海平面空气的比热与密度，可得到以下的散热方程式：

CFM = 3160×千瓦／△℉

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然后得到下列方程式：

其中： Q――冷却所需的风量

P――设备内部散热量 (即设备消耗的电功率) Tf――允许内部温升 (华氏) Tc――允许内部温升 (摄氏) DT = DT1与DT2之温差

温升与所需风量的换算表:

例一：设备内部消耗电功率为500瓦，温差为华氏20度，下列为其计算结果：

或

例二：设备内部消耗电功率为500瓦，温差为摄氏10度：

或

例三：有一SWITCHING电源消耗功率250瓦，风扇消耗20瓦，当地夏季气温最高55℃，设该电源允许工作95℃，所需风扇风量计算如下： P=250W+20W=270W；△Tf=95-55=40

Q=0.09×270/40=0.6075CMM=21.44CFM(为工作所需风量)

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3.1.2. 全部系统阻抗／系统特性曲线

空气流动时，气流在其流动路径会遇上系统内部零件的阻扰，其阻抗会空气自由流通。压力的变化即测量到的静压，以英吋水柱表示。

为了确认每一槽排的冷却功率，我们不但必须知道风扇的有效风扇特性曲线以决定其最大风量，而且必须知道系统的风阻曲线。系统内部的零件会造成风压的损失。此损失因风量而变化，即所谓的系统阻抗。

系统特性曲线的定义如下：

P = K（n/D）Q

其中： P = 风压； D = 空气密度 ；

K = 系统特定系数 表征系统风量与风压的关系，一般是一阶线性常系数 Q = 风量 (立方呎) ；

n = 扰流因素，1 < n < 2 平层气流时，n = 1 乱流气流时，n = 2 系统有旁路泄漏时，n <1

系统特性曲线需要在产品方案完成后仿真或风洞测试得到。在通常情况下，系统特性曲线可以近似表示如下：

3.1.3. 系统操作工作点的确定

系统特性曲线与风扇特性曲线的交点，称为系统操作工作点，该工作点即风扇的最佳

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运作点。

在工作点，风扇特性曲线的变化斜率为最小，而系统特性曲线的变化率为最低。注意此时的风扇静态效率(风量 ×风压 ÷耗电)为最佳。

以下是有二种风扇Ａ、Ｂ选择方案时，如何从特性曲线上选择较合适的风扇的实例：

（1） FAN a为较合适的风扇；因为特性曲线交叉于R1上的操作点Opa较操作点OPb特性

佳，Qa>Qb(风量)，Pa>Pb(静压)。

（2） 系统阻抗设计的好坏也是选择风扇的重点之一；图中R1是最佳系统阻抗设计，R2是系统阻抗较高，R3较低；要改善系统阻抗设计应从系统进出风口的大小调整、系统內元件排放位置调整等，再经由风洞的测试即可调整及验证出最佳的系统阻抗。

另外，设计时还应考虑：

（1）保持空气流动尽量不受阻扰，入风口与出风口保持畅通。 （2）引导气流垂直通过系统，以确保气流顺畅而提升冷却效率。

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（3）如需加装空气滤网，应考虑其增加的空气流动阻力。

3.2. 风扇的并联与串联 3.2.1. 风扇的并联

并联运行就是并列使用两个或两个以上的风扇。 并联风扇与单独风扇的运行曲线图：

两个风扇并联所产生的风量，仅在自由空间条件下，为单一风扇风量的两倍，而当并联风扇应用于较高系统阻抗的情况时，系统阻抗愈高，并联风扇所能增加的风量愈低。因此，并联的应用仅在低系统阻抗的情况下建议使用，即风扇在几乎完全自由送风的情况下运转。

3.2.2. 风扇的串联

串联运行就是串行使用两个或两个以上的风扇。 串联风扇与单独风扇的运作曲线图：

两个风扇串联产生的静压，在零风量条件下可达两倍，但在自由空间的情况下，并不能增加风量。多加一个串联风扇，在较高静压的系统，可增加风量。因此，串联运作对高系统阻抗的系统，可达到最高的效果。

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3.3. 系统散热的仿真

前面的计算只是在理论上的推算，实际上系统的散热效率与单板密度、结构

设计等有密切关系，一般需要在结构方案出来后，由结构设计者对于散热冷却系统进行仿真，以检验前面的计算和结构设计是否符合要求。

3.4. 系统风扇的风向选择

系统的风扇风向选择只有二种：抽风、吹风

抽风具有气流方向稳定，容易控制的特点，同时受系统风阻的影响，散热 效率低。在系统风阻较低的产品上可以使用。

吹风具有风压大，散热效率高的特点，但气流紊乱，各器件（或模块）的散热不均匀，

适合系统风阻大、局部需要强制散热的系统。

由于热气流的风向是自下而上的方向，在设计风扇位置时需要注意：抽风风扇（或风扇

框）应安装在系统的顶部；选择吹风时风扇应在系统的底部。 侧向安装的风扇不受上述要求。

3.5. 风扇的噪声控制

风扇的噪声控制需要遵守《港湾产品噪声控制标准 V1.0》

风扇的噪音是在背景噪音低于15 dBA无回响室中所测量。待测风扇在自由空气中运转，距入风口一米处置一噪音计。

3.5.1. 风扇的噪声与转速的关系

风扇的风量和转速的关系如下：

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式中1、2分别表示不同的工作点。 工作点的变动引起的静压变化如下：

转速的变化不仅影响到气流和静态压力，还影响到功耗和噪声。功耗的变化可由下式近似表示出:

噪声的近似变化可以用下式来表示：

式中dBA1和dBA2是1、2工作点的A计权噪声级。

当一个系统中多个风扇紧靠在一起、共同工作时（如风扇框），总噪声值是单个风扇发出噪声的对数和：

dBAn是是各自的噪声级。

3.5.2. 噪声控制方法

下列五项准则提供了风扇噪声控制的最佳方法，以降低噪音至最小： 1.系统阻抗：

一个机壳的入风口与出风口之间范围占全部系统阻抗的60%至80%，另外气流愈大，噪音相对愈高。系统阻抗愈高，冷却所需的气流愈大，因此为了将噪音降至最小，系统阻抗必须减至最低程度。

2.气流扰乱

延着气流路径所遇到的阻碍而造成的扰流会产生噪音。因此任何阻碍，特别在关键的入风口与出风口范围，必须避免，以降低噪音。

3.风扇转速与尺寸

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由于高转速风扇比低转速风扇产生较大的噪音，因此应尽可能尝试及选用低转速风扇。而一个尺寸较大、转速较低的风扇，通常比小尺寸、高转速的风扇，在输送相同风量时安静。

盒式产品禁止选用高转速风扇。 4.温度升高

在一个系统内，冷却所需的风量与允许的温升成反比。允许温升稍微提高，即可大量减少所需的风量。因此，如果对强加之允许温升的略微放松一些，所需风量将可降低，噪音亦可降低。

5.振动

有些情形，整个系统的重量很轻，或系统必须按照某种规定方式运作时，特别建议采用柔软的隔绝器材，以避免风扇振动的传递。

6.电压变动

电压变动会影响噪音程度。加到风扇的电压愈高，因转速升高，振动就愈大，产生的噪音也愈大。

7.设计的考虑：

构成风扇的每一零件设计，均会影响噪音程度。下列设计的考虑可达成降低噪音：绕线铁心的尺寸，扇叶与外框的设计及精确的制造与平衡。

3.6. 风扇电压

应根据整机电源来选择风扇的电源类型，以便不增加新的电源类型为宜。通常机框用风扇：电压选择DC48V或DC24V，电流按额定值。单板和盒式结构用风扇：电压推荐选用DC12V或DC5V，电流按额定值。交流风扇：电压选择AC220V。

在同样尺寸条件下，交流和直流风扇有一些不同点：

直流风扇的特点是调速容易，电源容易实现、温升低，可靠性高、技术成熟。 交流风扇的特点是功率大，转速不高、风量大，超过300mm尺寸的风扇就只能是交流的。

注：供应商提供的同一种尺寸的风扇如果有二种电压选择，应尽量选择低电压的风扇。

3.7. 风扇的外型尺寸选择

DC48V或DC24V直流风扇：外形尺寸 120*120*38＼120*120*25两种为优选型号，外形

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尺寸80×80×25、92x92x25.4为可选型号。在电压和外型尺寸确定情况下，选择风量较大的一种风扇。

AC220V交流风扇：尺寸为（119.5±1）×（119.5±1）×（38±1）。 DC5V风扇：外形尺寸为40*40*10、40*40*20、50*50*15三种尺寸。 DC12V风扇：外形尺寸为40×40×20、60×60×25、80×80×25三种尺寸。

3.8. 风扇类型选择

在风扇类型上应应综合考虑噪声、可靠性、成本等多方面因素，应选用滚珠轴承风扇，不得选用含油轴承风扇。

在对轴流、混流和离心风扇的选择上，推荐选用常用的轴流风扇。在系统阻力较大的情况下，建议选用离心风扇或混流风扇。

轴流风扇具有体积小，重量轻，安装方便，价格便宜，使用寿命长等特点。 离心风扇能够将风力集中起来，避免普通轴流风扇中心的盲区，所以散热效率更好，同时噪声小。

3.9. 风扇的控制方式选择

考虑到风扇告警的必要性，原则上要求选用带停转告警信号线的风扇。检测的基本要求为：停、转信号检测。

调速散热风扇的转速就可以随着产品内部的温度（或关键器件表面温度）的变化进行自动调整，并保持足以散热的风扇速度，具有噪声小，寿命长的优点。在产品设计初期需要考虑。目前我司的供应商均能提供调速风扇。

3.10. 风扇的引线长度

风扇的引线长度根据系统的使用情况进行规定，并在项目描述中已有说明。 风扇的引线长度与所设计的位置有直接关系，一般要求如下： （1） 风扇的位置应贴近出风口；

（2） 多个风扇应尽量集中放置，避免风道短路；

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（3） PCB距离风扇的位置应大于8mm，以避免对出风口的阻碍；

（4） 在PCB上的风扇插座和风扇的距离应约等于风扇引线长度的70%左右；

（5） 硬件工程师应提供风扇的详细型号（含引线长度）给结构设计人员（或公司），

结构设计人员（或设计公司）应在PCB的结构要素图上标注出风扇插座的位置。

风扇插座和风扇的距离应约等于风扇引线长度的70%左右

插座多个风扇应尽量集中放置，避免风道短路

PCBPCB距离风扇的位置应大于8mm，以避免对出风口的阻碍

4. 风扇的控制电路设计

风扇框上报的告警开关量必须采用光耦或继电器隔离输出，输出的方式可以采用单框输出或多框级联输出。一般情况下风扇框不用电源开关来控制风扇框的供电。

4.1. 风扇的信号检测

信号线为高低电平输出。信号检测线为开路集电极输出，加5~30V的电压，串接上拉电阻（或下拉电阻）要保证电流小于10mA，额定值在2~10mA。风扇正常运转时集电极输出低电平，风扇停转时集电极输出高电平。PCB板可根据实际需要，通过接上拉电阻或下拉电阻，取得故障告警电平信号。例如下列电路：

停转告警信号熔丝48V电源稳压风扇指示灯

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4.2. 引脚定义

将母排48VDC输入线和故障信号检测线装入6芯圆形接插件，引脚1为长针，作为输入电源地（BGND），第2脚为输入电源-48V，-48V和BGND必须从汇流条上引入，没有汇流条的产品可以考虑从一次电源引入。第3脚为输出信号线（正极），第4脚为输出信号线（负极）。第5、第6脚分别与第3、第4脚相连，作为信号线级联时使用。插座必须是带电插拔座，上电时保证BGND先上电，其次是-48V。

4.3. 降压电路

大部分通信设备的电源标准为-48V，48V风扇的设计也是按此标准电压设计，电压的使用范围在-38V~-56V之间，但在实际使用时设备的电压高于-48V，我司设备的电源为-53.5V，造成风扇运行时噪音太大，降压电路的目的是将-53V的电压降低到-48V左右，降低风扇运行时的噪声，延长风扇的使用寿命。超过-56V的电压由稳压二极管嵌位。风扇供应商如能够提供基准电压为-54V左右的风扇，风扇的控制电路中可以去掉降压电路。

4.4. 风扇电源的滤波

风扇的供电电源电路需要滤波，否则会对系统电源产生干扰。如果确认风扇本身带有滤波电路，这产品的供电电路可以不用增加滤波电路。否则在供电电源侧需要增加滤波电路，典型的可以并联一个铝电解电容和一个0.1uf的陶瓷电容，尽量靠近风扇插座。铝电解电容的电压就是风扇的电压，容值根据风扇的电流值选择，通常大于47uF。

4.5. 与外部的接口

风扇控制框的输出信号线（3、4脚）是通过继电器与内部隔离的，正常状态下两信号线之间断开，故障时闭合。外部电路可通过判断两信号线之间的断开或闭合状态来确定风扇框的工作是否正常。

4.6. 软启动电路

为了实现风扇框的热插拔，防止接入-48V时，充电电流过大，连接器打火，有必要加

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入软启动电路，使输入电压缓慢上升。例如下列的电路：

4.7. 风扇的调速电路

在有些噪声控制要求很高的场合，风扇框需要设计成可调速的，根据负载温度的变化，改变风扇的转速，以达到降低风扇噪声的目的。通常调速的方法有电压调速、变频调速（也称为脉宽调速PWM）。

电压调速电路简单，成本低，但控制精度不高；变频调速电路复杂，成本高，但调速精度高。

温度控制的框图如下：

温度过高告警状态温度越限正常n-1n+1温度(℃) 此版权归港湾网络有限公司所有 翻录必究

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5. 冷却系统设计时考虑因素

5.1. 电源的负载能力

电源输出电流要有一定的余量。因为风扇在上电启动时，启动电流是风扇正常运行电流的2-3倍。

5.2. 风扇的安装

风扇安装选择上，进风口最少要留有一个风扇厚的间隙。风扇要尽可能安装在低温处，以延长使用寿命。尽量产生较大热量的热源安装在风的出风口。

风扇的安装应考虑维修更换的需要，尽量做到很容易拆卸和更换。

风扇的安装应紧固,不能有松动以免产生震动噪声，同时安装时不能将风扇挤压变形。

6. 项目描述规则说明

1

2

3 4

5 6

7

风扇-额定电压-功率-风量-外形尺寸-引线长度-（必要说明）

项1 1501类,名称：风扇，必写。

项2 风扇使用的额定电压，表明风扇使用的电压为直流5V、12V、24V、48V或交流必写。 项3 风扇使用的额定功率，供开发人员选择电源作参考，必写。

项4 额定电压下风扇的最大风量，供开发人员在风量选择上作参考，必写。

项5 风扇的外型尺寸。开发人员在机柜或风扇板设计上，对占用的风扇面积选择的参考，

必写。

项6 风扇与外部的连线长度，必写。 项7 必要的说明。如是否带停转检测信号线。 举例：

风扇-DC48V-6.24W-107.71CFM-120*120-38mm-330mm-（带停转信号检测线）

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7. 选型清单

分类

15010004

编 码 与 描 述

风扇-DC5V-40*40*10mm-0.8W-6000RPM-引线长

供应商编码 EFB0405HA

选用级别

备注

建议不选 CPU风扇，可选，推荐

15010029(带停转告警)

75mm-3pin两线-含相应散热片及扣具 15010008

风扇-DC5V-40*40*20-1.25W-7500RPM-引线长

AD0405HB-C50/ EFB0405HD AD0405HB-G70/ EFB0405HA AFB0505MB

可选 优选 建议不选

转速太大，不推荐使用

120MM(3PIN两线) 15010015

风扇-DC5V-40*40*10-0.8W-6000RPM-引线长风扇-DC5V-50*50*15-1.10W-4800RPM-引线长

优选，推荐15010030(带停转告警)

125MM(3PIN两线)-热缩套管65MM 15010022

5V

105mm-2PIN热缩套管65mm-双滚珠 15010023

风扇-DC5V-60*60*15-0.70W-3000RPM-引线长

HFB0605LB

可选

150MM(3PIN两线) 15010026

风扇-DC5V-40*40*20-0.50W-5000RPM-引线长

AD0405LB-C50/ EFB0405LD FHS-E4010B-S047

优选

优选

120MM(3PIN两线) 15010029

风扇-DC5V-40*40*10mm-0.8W/6000RPM-引线长

75mm/3Pin端子-带散热片/高报警 15010030

风扇-DC5V-40*40*10-0.8W/6000RPM-引线长

EFB0405HA-R00

优选

125mm/3Pin端子-带高报警功能

15010001风扇-DC12V-50*50*15mm-1.56W-00RPM-引线长125mm-2PIN带热缩套管65mm

15010011 风 扇-DC12V-40*40*10-0.96W-6000RPM-3Pin端子 EFB0412HA 15010016

AFB0512HHB 禁选 转速太大，噪音大，推荐 15010028

可选 可选

风扇DC12V-40*40*20-0.72W-6300RPM-引线长AD0412LB-C50/ EFB0412MD

100MM(2PIN)

15010017风扇DC12V-60*60*25.4-2.16W-5000RPM-引线长

AD0612HB-A70GL/ 可选 AFB0612HH

12V

250MM(2PIN)

15010018 风 扇-DC12V-80mm*80mm*25.4mm NMB 可选

3110KL-04W-B59-S00

15010025风扇-DC12V-120*120*25.4mm-3.96W-2800RPM 15010028风扇-DC12V-50*50*15mm-1.44W-4800RPM-引线长125mm-2PIN带热缩套管L=65mm

15010033风 扇-DC12V-92*92*25mm-3W/3200RPM-57.92CFM-3Pin

AFB1212HH-R00 AD5012MX-D70/ AFB0512MB AFB0912HH

可选 优选

优选

端子/带告警功能

48V

15010007风扇-DC48V-80*80*25-2.88W-2500RPM-引线长AFB0848L 建议不选 无告警，推荐15010024

310MM(3PIN两线) 15010010

风扇-DC48V-92*92*25-3.84W-2500RPM-引线长AFB0948M /H 禁选 无告警功能，推荐15010027

260MM(3PIN两线)

15010013风扇-DC48V-120*120*25.4-3.84W-3000RPM-引线长

AD1248UB-A72GL/ 优选 EFB1248HH-R00

机框风扇，优选(带停转告警)

600MM

15010021风扇-DC48V-φ175x69mm-36W-3100RPM-引线长450MM EBM R1G175-AB41-02/

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建议不选 POWER产品专用

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港湾网络有限公司风扇选型及设计指导V1.0 QB-HN-0044-2004

15010024风扇-DC48V-80*80*25.4mm-1.44W-3000RPM-引线长310mm-带停转告警 15010027

风扇-DC48V-92*92*25-4.32W-3200RPM-引线长

C01

EFB0848M-R00

可选

AFB0948HH-R00 可选

360MM(3PIN)-带停转信号

15010032风扇-DC48V-60*60*25.4-1.92W-3100RPM-引线长100MM(3PIN)-带停转告警

15010002 15010014

AFB08L-R00 优选

风扇-DC12V-40*40*20mm-1.44W-9000RPM EFB0412VHD 这个编码已失效 风扇-DC5V-40*40*6-1.0W-4500RPM-引线长75MM(3PIN两线)-带散热片

CF-05407B

这个编码已失效

备注：

（1） 上述是已经有编码的器件；

（2） 同一编码，不同厂家的风扇的风量、噪声是不完全相同的，需要查询资料确认； （3） 以前申请的编码描述可能不全（例如带停转功能）； （4） CPU风扇选择后，需要考虑固定螺钉的长度； 新的需求可以向采购部、机电设计部提出；

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