CN100529415C - 冷却风扇及冷却方法 - Google Patents

Abstract

冷却风扇(14)包括配置为产生气流的转子(24)。冷却风扇(14)还包括出口导向叶片(26)，其适于接收转子(24)产生的气流并定向气流在相对于转子(24)的大致轴向方向。冷却风扇(14)还包括扩散器(34)，其配置为接收来自出口导向叶片(26)的气流并产生具有相对于扩散器(34)进口的较高静压力的气流。冷却风扇(14)产生大于1.6的工作系数和大于或等于0.4的流量系数。

Description

冷却风扇及冷却方法

技术领域

本发明总的涉及旋转风扇，更具体地，涉及用于冷却需要高体积流量以消除热的电子设备或其它部件的风扇。

背景技术

电子器材中的电子设备，诸如服务器，处理器，存储器芯片，图像芯片，电池，射频部件，和其它设备产生热，热必须消散以避免损坏。通过使设备能够高速运转，热的有效消除也可以增强设备的性能。如果包装件或设备内产生的多余的热不消除，设备的可靠性受到损害。随着部件性能和运转速度的增加，它们也趋向于增加产生的热。增加的热的产生导致改进热消散的增加的需要。

热消除的一个方法是周围的空气在产生热的设备上运动。设备的冷却通过把其放置在外壳内最冷的位置也得到改进。用于热消除的另外的热解决方案包括使用散热器，导热管，或液冷导热板。

冷却风扇在现代技术，尤其计算机冷却中起着重要作用。风扇是用来移动空气或气体的设备。风扇用来在空间内或空间之间把空气或气体从一个位置移动到另一个位置。通过把热从设备消除到空气，增加的气流较大地降低了热产生设备的温度，同时为整个外壳提供额外的冷却。

一个或更多冷却风扇可以设置在外壳内以引起穿过散热器的气流，散热器可以直接连接到热产生设备以聚集热来消除。由设备产生的热可能非常大使得需要多个风扇产生足够的气流以把热消散到希望的水平。在这种情况下，多个风扇不希望地占据设备外壳内相对大的区域。另外，多个风扇消耗的电力超出了希望的设计阈值。

因此，需要能够提供增加的流动速率而不显著地增加旋转速度的冷却风扇设计。

发明内容

根据本技术的一个方面，一种用于冷却外壳内的电子部件的冷却风扇包括：配置为产生气流的转子，转子包括多个转子轮叶和具有斜面配置的中心体，从而中心体的半径从转子轮叶的前缘到同一转子轮叶的后缘增加；适于接收转子产生的气流并定向气流在相对于转子的大致轴向方向的出口导向叶片，出口导向叶片的数量与转子轮叶的数量所限定的叶片轮叶比大于2且出口导向叶片配置为通过出口导向叶片引起空气静压力的升高；及扩散器，其配置为接收来自出口导向叶片的气流并产生具有相对于扩散器进口的较高静压力的气流；其中冷却风扇产生大于1.6的工作系数和大于或等于0.4的流量系数。

根据本技术的另一个方面，一种通过冷却风扇冷却外壳内部电子部件的方法包括：驱动冷却风扇的转子产生在具有斜面配置的转子中心体上的气流，该斜面配置促进在给定的旋转速度下较高的压力升高和较低的雷诺数；以出口导向叶片接收转子产生的气流并通过该出口导向叶片定向气流在相对于转子的大致轴向方向，通过出口导向叶片引起空气静压力的升高；以扩散器接收来自出口导向叶片的气流并产生具有相对于该扩散器进口的较高静压力的气流；和通过冷却风扇产生大于1.6的工作系数和大于或等于0.4的流量系数。

附图说明

当参照附图阅读下面详细的描述时本发明的这些和其它的特征，方面，优点将变得更好理解，其中全部附图中相似的字符表示相似的部分，其中：

图1为根据本技术的典型实施例的电子设备的简图；

图2为根据本技术的典型实施例的冷却风扇的简图；

图3为根据本技术的典型实施例的冷却风扇的简图；

图4为根据本技术的典型实施例的冷却风扇的非轴对称进口的简图；

图5为根据本技术的典型实施例的冷却风扇的轴对称进口的简图；以及

图6为示出了根据本技术方面的冷却电子设备的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考图1，示出了总的由参照数字10指出的电子设备。如本领域内的普通技术人员所认识的，电子设备可以是服务器，计算机，移动电话，电信开关，或类似设备。电子设备10包括外壳12，冷却风扇14，和散热器18。冷却风扇14，和散热器18包括在外壳12的内部。热源可以为硬盘驱动器，微处理器，存储器芯片，图像芯片，电池，射频部件视频卡，系统元件，电源元件，外围设备或类似设备。

如本领域内的普通技术人员所知，冷却风扇14用来冷却单个的热源或其组合。风扇通常由电动马达驱动。高工作系数和应用可能要求超过每分钟20000转(RPM)的高旋转速度。为促进可靠的运转，在一个优选的实施例中，马达和风扇转子可以包括流体动力学或空气轴承，其延长了风扇马达组件的寿命。在另一个优选的实施例中，马达和风扇转子可以包括滚动元件接触轴承。当然，本领域内的普通技术人员将认识到可以设想任何数量的轴承。在所示的实施例中，冷却风扇14包括壳体20，进口22，转子24，出口导向叶片26，及扩散器中心主体28。在所示的实施例中，风扇组件14设置在相对于散热器18的上游，使得引导来自风扇组件14的气流16至散热器18以消除热。在其它实施例中，风扇组件设置在相对于散热器18的下游，使得气流进口22可以适于在穿过风扇组件14前接收来自散热器18的空气。在另一个实施例中，出口导向叶片可以用作散热器或散热器的一部分。在另一个实施例中，散热器可以与气流进口结合为一整体。

散热器18可以是主动散热器。散热器设计可以包括翅片或突出以增加表面区域。在一个实施例中，冷却风扇14直接提供空气到散热器，从而使散热器能够为主动部件。风扇产生的增加的气流降低了热源的温度，同时对所有配备在外壳12内部的部件提供额外的冷却。增加的气流也增加了散热器的冷却效率，允许相对较小的散热器进行充分的冷却运转。具有较高效率的单个风扇的布置输送需要的气流且占据较小的空间并消耗较少的电力。

总的参考图2，示出了根据本技术的一个方面的冷却风扇。在所示的实施例中，壳体20的一端配备了进口22。转子24，出口导向叶片26和扩散器中心主体28配备在壳体20的内部。另外，驱动马达29也配备在壳体20的内部。进口22配置为引导空气到转子24。在所示的实施例中，转子24包括多个转子轮叶30和转子中心体32。外部壳体20和扩散器中心主体28形成扩散器34。

风扇的雷诺数定义为惯性力与空气或其它流体的粘性力的比值。当雷诺数低时，粘性因素是占优的，导致空气在轮叶吸力面上的分离。较小尺寸的风扇通常具有低的雷诺数。在所示实施例中，转子包括相对小数量的轮叶(为了示范的目的显示了8个轮叶)。轮叶具有相对长的弦长。轮叶的弦定义为轮叶的前缘和后缘之间的轴向长度。雷诺数与弦长成比例。诸如轮叶较小的数量和轮叶较长的弦之类的因素有利于本技术实施例的增加的雷诺数。结果，粘性力较不占优。

转子的弦充实度基于下面的关系确定：

在所示的实施例中，弦充实度可以在1到2.5的范围。

在一个实施例中，对于诸如1U计算机外壳之类的较小配置的电子设备，冷却风扇14在小于或等于100,000的雷诺数下运转。在另一个实施例中，对于较大配置的电子设备，冷却风扇14在小于或等于500,000的雷诺数下运转。典型的冷却风扇在小于或等于100,000的雷诺数下产生大于0.4的气流系数。气流系数根据下面的关系定义：

其中c_z为转子进口平均轴向速度；“u”为转子进口节线轮速度。

在所示实施例中，典型的冷却风扇产生大于1.6的工作系数。工作系数根据下面的关系定义：

其中ΔH为焓增。

转子中心体32具有斜面配置，这意味着转子中心体的半径从轮叶的前缘到轮叶的后缘增加。转子中心体的斜面配置促进相同的旋转速度下较高压力的升高和较低的雷诺数。斜面配置也减小了转子上的空气动力负载。气流效率也得到改进。转子还具有相当低的纵横比，其定义为轮叶高度与弦的比值。在一些优选实施例中，纵横比在0.3到2的范围。在所示实施例中，转子的纵横比为0.4。在一个实施例中，转子还包括圆柱形的末端，使得转子和壳体之间的间隙对转子的轴向位置不敏感。在另一个实施例中，转子包括锥形会聚末端。在另一个实施例中，转子包括锥形发散末端。圆周凹槽，具有挡板的凹槽，或具有倾斜挡板的凹槽可以配置在转子末端以扩大转子稳定运转的范围。

出口导向叶片26接收转子产生的气流并在相对于转子的大致轴向方向上转移气流。通过出口导向叶片26获得空气静压力的升高。出口导向叶片26内的叶片数量与转子24内翼片形轮叶的数量的比称为叶片轮叶比。在一些优选的实施例中，叶片轮叶比大于2。在所示实施例中，叶片轮叶比为2.9。出口导向叶片26的环形配置称之为出口导向叶片的区域流型(area ruling)。在所示实施例中，转子24和出口导向叶片26构成翼片。如本领域内的普通技术人员所认识的，计算流体动力学工具用来设计翼片轮叶的形状以消除低雷诺数下空气在轮叶吸力面上的分离。

扩散器34配置为接收来自出口导向叶片26的气流。气流的轴向速度通过扩散器34降低了。扩散器34允许更多的气流在相同的压力比下穿过风扇。扩散器34的任务为喷射空气并最小化分离。通过降低空气速度，穿过扩散器34的空气的扩散弥补了压差的大部分，因为扩散器34具有相对于扩散器34的进口面积相当大的出口面积。扩散器34可以为轴对称形状或非轴对称形状。

总的参考图3，示出了冷却风扇14的另一个实施例。在所示实施例中，冷却风扇包括转子24，电动马达29，出口导向叶片26，支柱框架27，及蒸汽室36。典型的支柱框架27包括多个用于对扩散器中心主体提供机械支撑的支柱，扩散器中心主体没有显示。在所示实施例中，支柱也作为把热从蒸汽室消散到空气的翅片。所示蒸汽室36为具有工作流体的真空容器。当施加热时，流体立即汽化且蒸汽涌出填充真空。蒸汽与较冷的壁区域接触，造成冷凝并释放汽化潜热。冷凝的流体返回热源，准备再一次汽化。随后重复该循环。蒸汽室散布热以帮助消除局部热点。

参考图4，示出了具有非轴对称进口22的冷却风扇14。在所示实施例中，非轴对称进口22包括圆形部分38，及矩形部分40。配备非轴对称进口22以引导空气以最小的损失进入转子24。

参考图5，示出了具有轴对称进口22的冷却风扇14。在所示实施例中，轴对称进口22包括喇叭口形部分，其沿着轴向方向对称。

图6为示出了根据本技术的实施例的冷却过程的流程图。由参考数字42指明的冷却过程，从图6的步骤44指出的驱动转子产生气流开始。在步骤46，空气通过进口被引导至转子。空气可以以发生最小损失的方式被引导至转子。转子轮叶的吸力面上空气的分离减小或最小化了。转子上的空气动力负载也降低了。

在步骤48，来自转子的气流定向在相对于转子的大致轴向方向。在步骤50，扩散器接收来自出口导向叶片的气流并产生具有相对于扩散器进口的较高静压力的气流。扩散器降低了气流的轴向速度。在步骤52，通过扩散器产生的气流用于冷却配备在电子设备外壳内部的热产生部件。在一个实施例中，引导来自风扇组件的气流至散热器以消除热。在另一个实施例中，气流进口适于在穿过风扇组件前接收来自散热器18的空气以消除热。根据本技术，冷却风扇产生大于1.6的工作系数和小于或等于0.4的流量系数。

尽管此处已经示出和描述了本发明的仅仅某些特点，本领域内的普通技术人员将想到很多更改和变化。因此，应理解所附的权利要求书意在覆盖所有这些在本发明真正精神范围内的更改和变化。

Claims (8)

1.一种用于冷却外壳内的电子部件的冷却风扇，该冷却风扇包括：

配置为产生气流的转子，转子包括多个转子轮叶和具有斜面配置的中心体，从而中心体的半径从转子轮叶的前缘到同一转子轮叶的后缘增加；

适于接收转子产生的气流并定向气流在相对于转子的大致轴向方向的出口导向叶片，出口导向叶片的数量与转子轮叶的数量所限定的叶片轮叶比大于2且出口导向叶片配置为通过出口导向叶片引起空气静压力的升高；及

扩散器，其配置为接收来自出口导向叶片的气流并产生具有相对于扩散器进口的较高静压力的气流；

其中冷却风扇产生大于1.6的工作系数和大于或等于0.4的流量系数。

2.根据权利要求1所述的冷却风扇，其还包括适于扩散电子部件产生的热的蒸汽室。

3.根据权利要求1所述的冷却风扇，其中出口导向叶片包括称之为出口导向叶片的区域流型的环形配置。

4.一种通过冷却风扇冷却外壳内部电子部件的方法，该方法包括：

驱动冷却风扇的转子产生在具有斜面配置的转子中心体上的气流，该斜面配置促进在给定的旋转速度下较高的压力升高和较低的雷诺数；

以出口导向叶片接收转子产生的气流并通过该出口导向叶片定向气流在相对于转子的大致轴向方向，通过出口导向叶片引起空气静压力的升高；

以扩散器接收来自出口导向叶片的气流并产生具有相对于该扩散器进口的较高静压力的气流；和

通过冷却风扇产生大于1.6的工作系数和大于或等于0.4的流量系数。

5.根据权利要求4所述的方法，其还包括在小于或等于500,000的雷诺数下运转冷却风扇。

6.根据权利要求4所述的方法，其还包括在小于或等于100,000的雷诺数下运转冷却风扇。

7.根据权利要求4所述的方法，其还包括通过进口引导空气至转子。

8.根据权利要求4所述的方法，其中气流用于冷却电子设备。

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