CN116104778A - 一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型微型散热轴流风扇，包括轮毂、设置在轮毂上的若干动叶片、导流罩、机壳、支撑以及磁环；所述导流罩位于所述机壳的来流侧和出口侧，出口侧的所述导流罩的轴向距离大于来流侧的所述导流罩的轴向距离；所述支撑位于所述机壳出口侧并用于支撑所述机壳；所述动叶片通过多次样条曲线和贝塞尔曲线控制叶型，所述动叶片按叶片各界面层参数进行控制，每个动叶片从轮毂到叶尖划分为6个空间截面，分别为layer1～6，同时引入Span确定空间截面的位置；其中，所述动叶片以贝塞尔曲线控制其掠程度，所述动叶片在子午方向其前缘叶顶至叶根部分呈先前掠后反掠再前掠的S型分布，所述动叶片后缘呈先前掠后反掠再前掠的S型分布。

Description

一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇
技术领域
本发明属于电子设备散热装置技术领域，具体涉及一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇。
背景技术
微型散热风扇广泛运用于计算机、通讯产品、光电产品、消费电子产品、汽车电子设备、交换器，医疗设备，加热器，冷气机、变频器、柜员机、汽车冷柜、焊接机、电磁炉、音响设备、环保设备、制冷设备等传统或现代仪器设备上。常见的散热风扇类型有离心风扇、鼓风机、混流风扇、贯流风扇、支架(无框)风扇以及轴流风扇。
微型散热轴流风扇主要作用于高集成设备，其主要结构十分紧凑。主体由转子叶片、(上)下游支撑、矩形外框、导流罩构成，内部由磁环、线圈、轴承等微型部件用于驱动风扇稳定旋转。
衡量散热风扇性能的主要指标为风量、效率、噪声等气动性能，通过改变风扇叶轮以外的零部件或可以不同程度地改变散热风扇的性能。而对于叶片本身特性如叶顶间隙、叶片的弯掠程度、叶片前后缘进出口角度、叶片厚度、叶根处的椭圆率、叶缘局部凸起结构抑或仿生技术支持下的如鹰翼仿生叶型、座头鲸胸鳍仿生叶片、鸮鸟翼仿生叶片、热带雨林树叶仿生叶片对于提高散热风扇性能更加显著。
微型散热轴流风扇结构紧凑尺寸较小，其相对径向间隙较大，在高转速叶片运动下，内部流动特征复杂。改变风扇整体结构参数，以减小泄露气流引起的泄露涡最终实现流场优化、气动性能的提升及噪声优化。目前仅针对某单一叶片特性进行局部优化以提高散热风扇气动性能研究较为普遍，而往往忽视了复合各叶片特性进行优化以达到风扇整体性能提升的效果。基于此，研究一种复合叶片各类特征全局优化方法较为迫切。
发明内容
为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，本发明针对现有风扇优化局限性，提出一种复合风扇弯掠特性、厚度可变性、多项式曲线控制叶片结构及叶片前后缘椭圆率的新型微型散热轴流风扇设计，在提高性能的同时降低风扇的噪声。
本发明采用的技术方案是：
一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，包括轮毂、设置在轮毂上的若干动叶片、导流罩、机壳、支撑以及磁环；所述导流罩位于所述机壳的来流侧和出口侧，出口侧的所述导流罩的轴向距离大于来流侧的所述导流罩的轴向距离；所述支撑位于所述机壳出口侧并用于支撑所述机壳；所述磁环压入所述轮毂内，并通过弹簧和双滚珠轴承配合于传动轴，所述传动轴依次穿过线圈、PCB板后通过卡扣固定安装在支撑板槽内，并与传动结构连接；所述PCB板固定在所述支撑内侧；所述动叶片通过多次样条曲线和贝塞尔曲线控制叶型，所述动叶片按叶片各界面层参数进行控制，每个动叶片从轮毂到叶尖划分为6个空间截面，分别为layer1～6，同时引入Span确定空间截面的位置；
其中，所述动叶片以贝塞尔曲线控制其掠程度，所述动叶片在子午方向其前缘叶顶至叶根部分呈先前掠后反掠再前掠的S型分布，所述动叶片后缘呈先前掠后反掠再前掠的S型分布。
进一步的，所述贝塞尔曲线的控制点为4-6个，贝塞尔曲线的阶数为3-5阶。
进一步的，所述动叶片的位置角与前后缘进出口角通过样条曲线控制，规定所述动叶片从前缘至后缘按曲线位置进行角度分布从而达到弯度控制。
进一步的，所述动叶片的厚度分布从前缘至后缘以贝塞尔曲线的形式控制。
进一步的，所述动叶片直径为88-90mm，轮毂比为0.41。
进一步的，所述动叶片前后缘椭圆率变化通过所述动叶片子午流道叶片根部的边界(hub)与子午流道叶片顶部的边界(shroud)前后缘椭圆比控制。
进一步的，所述动叶片按25％叶高进行等距划分，为改进叶顶处复杂流动情况，在95％叶高处插入layer，在叶片尾缘处进行局部凹陷处理；
其中，所述动叶片的叶顶间隙根据设计要求其相对径向间隙
Figure BDA0004012583850000031
应保持在0.8％～1％，由于风扇直径过小，过小的叶顶间隙会增加风扇的噪声值，故所述动叶片的叶顶间隙为1mm。
进一步的，所述动叶片数为7个，对于高转速叶片奇数个叶片解决了震动引起的相对叶片的共振，削弱了噪声；同时过多的风扇会减小其风量，故设计为7个。
进一步的，所述微型散热轴流风扇为3700RPM；根据风扇出风方向和右手定则确定风扇旋转为反转。
进一步的，所述轴承、卡扣根据所述动叶片旋转传动轴直径设计尺寸，使其配合于传动轴直径；所述线圈根据所述磁环外径和轴承外径完美配合。
与现有技术相比，本发明的有一效果体现在：
本发明是基于复合风扇弯掠特性、厚度可变性、多项式曲线控制叶片结构及叶片前后缘椭圆率的新型微型散热轴流风扇设计，主要通过复合各项叶片特性设计风扇动叶片结构。通过确定风扇流量方向和右手定则，确定叶片的正反转向为反转；
本发明根据叶片的旋转方向，确定叶片的压力及压力侧，进而设定每一翼型层的位置角、前后缘进出口角、叶片厚度等；
3、本发明提出在子午视图中通过修改子午曲线，确定动叶片的掠程度前缘呈叶根至叶顶处呈先前掠后反掠再前掠的S型分布，动叶片后缘呈先前掠后反掠再前掠的S型分布，并以多个空间翼型截面layer1～layer6设计截面处翼型形状，其中layer1～5按25％叶高进行等距划分,并在叶高95％处插入layer6,通过角度控制在叶片尾缘处进行局部凹陷处理。其中layer1～layer5的翼型形状以位置角(包角)及前后缘进出口角的形式进行设计，并以样条曲线和贝塞尔曲线来进行角度表示。
4、本发明在叶片厚度控制上，同样以动叶片空间翼型截面为划分，分别设计各翼型层的厚度分布，并同样以函数形式的样条曲线和贝塞尔曲线的形式进行厚度表示。同时通过改变动叶片hub与shroud椭圆比控制叶片根部及顶部的弯曲度。
附图说明
图1是本发明风扇装配主视图。
图2是本发明风扇装配上视图。
图3是本发明风扇装配局部示意图A。
图4是本发明风扇装配局部示意图B。
图5是本发明风扇性能测试管道yz平面测速大小云图。
图6是本发明风扇出口截面速度大小云图。
图7是本发明风扇性能测试管道三维流线图。
图8是本发明风扇时域声压示意图。
图9是本发明风扇频域声压级示意图。
图10是本发明叶轮子午视图。
图11是本发明叶轮图层角度分布。
图12是本发明叶轮图层厚度分布。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
图1至图11，本发明的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，包括轮毂、设置在轮毂1上的若干动叶片2、导流罩3、机壳4、支撑5以及磁环6；所述导流罩3位于所述机壳4的来流侧和出口侧，出口侧的所述导流罩3的轴向距离大于来流侧的所述导流罩3的轴向距离；所述支撑5位于所述机壳4出口侧并用于支撑所述机壳4；所述磁环6压入所述轮毂1内，并通过弹簧7和双滚珠轴承配合于传动轴，所述传动轴依次穿过线圈9、PCB板10后通过卡扣8固定安装在支撑板槽内，并与传动结构连接；所述PCB板10固定在所述支撑5内侧；所述动叶片2通过多次样条曲线和贝塞尔曲线控制叶型，所述动叶片2按叶片各界面层参数进行控制，每个动叶片2从轮毂到叶尖划分为6个空间截面，分别为layer1～6，同时引入Span确定空间截面的位置；
其中，所述动叶片以贝塞尔曲线控制其掠程度，所述动叶片在子午方向其前缘叶顶至叶根部分呈先前掠后反掠再前掠的S型分布，所述动叶片后缘呈先前掠后反掠再前掠的S型分布。
在一种实施例中，所述贝塞尔曲线的控制点为4-6个，贝塞尔曲线的阶数为3-5阶。
在一种实施例中，所述动叶片的位置角与前后缘进出口角通过样条曲线控制，规定所述动叶片从前缘至后缘按曲线位置进行角度分布从而达到弯度控制。
在一种实施例中，所述动叶片的厚度分布从前缘至后缘以贝塞尔曲线的形式控制。
在一种实施例中，所述动叶片直径为88-90mm，轮毂比为0.41。
在一种实施例中，所述动叶片前后缘椭圆率变化通过所述动叶片子午流道叶片根部的边界(hub)与子午流道叶片顶部的边界(shroud)前后缘椭圆比控制。
在一种实施例中，所述动叶片按25％叶高进行等距划分，为改进叶顶处复杂流动情况，在95％叶高处插入layer，在叶片尾缘处进行局部凹陷处理；
其中，所述动叶片的叶顶间隙根据设计要求其相对径向间隙
Figure BDA0004012583850000071
应保持在0.8％～1％，由于风扇直径过小，过小的叶顶间隙会增加风扇的噪声值，故所述动叶片的叶顶间隙为1mm。
在一种实施例中，所述动叶片数为7个，对于高转速叶片奇数个叶片解决了震动引起的相对叶片的共振，削弱了噪声；同时过多的风扇会减小其风量，故设计为7个。
在一种实施例中，所述微型散热轴流风扇为3700RPM；根据风扇出风方向和右手定则确定风扇旋转为反转。
在一种实施例中，所述轴承、卡扣根据所述动叶片旋转传动轴直径设计尺寸，使其配合于传动轴直径；所述线圈根据所述磁环外径和轴承外径完美配合。
本发明中，微型散热轴流风扇的参数规格：
风扇扇叶和外框均使用聚对苯二甲酸丁二酯的一种高分子材料。所设计的散热风扇叶片，风扇外径为88mm，风扇轮毂比为0.41，叶片的叶顶间隙为1mm。翼型最大厚度Cmax为1cm。确定6个空间截面分别为layer1～6，对应Span分别为Span＝0、Span＝0.25、Span＝0.5、Span＝0.75、Span＝0.9、Span＝1。叶轮和轮毂处的前后缘进出口角度分别为63.7°、65.1°；51.8°、45°。叶轮和轮毂处的前后缘位置角度分别为-0.5、34.74°；0°、44.40°。
图10是叶轮子午面分布，通过调整叶片的前后缘投影坐标，控制叶片的前后缘掠程度。
图11为所设计的叶片空间翼型截面layer1～layer6位置角和进出口角设计，到达叶片弯度控制。(以95％叶高的layer6为例，分别以2点式样条曲线控制，前缘进口角为62.2°，后缘出口角为60.18°，前缘位置角为-36.15°，后缘位置角为-2.81°)。
图12为叶片空间翼型截面layer1～layer6叶片厚度设计。(以95％叶高的layer6为例，以四点式贝塞尔曲线控制厚度，前缘至后缘的四点位置为0.99，1.01，1.02，0.99)。
Blade Angles Table为六个空间翼型截面从前缘至尾缘的连续角度分布。具体分布为以下表格所示。
表格1Span为0-0.2500时从前缘至尾缘的连续角度分布
Figure BDA0004012583850000091
表格2Span为0.2500-0.5000时从前缘至尾缘的连续角度分布
Figure BDA0004012583850000092
Figure BDA0004012583850000101
表格3Span为0.7500-0.9500时从前缘至尾缘的连续角度分布
Figure BDA0004012583850000111
Figure BDA0004012583850000121
表格4Span为0.9500-1.0000时从前缘至尾缘的连续角度分布
Figure BDA0004012583850000122
Figure BDA0004012583850000131
本发明轴流风扇的模拟：
气流从风扇吸力面进入，气流进入的第一段为弯梯形式导流罩，以减小速度梯度，降低进气噪声的声调。使用粘结粘结钕铁硼多极磁环压入风扇轮毂内，将弹簧与双滚珠轴承配合于传动轴使其穿过线圈与PCB板(印制电路板)，用另一枚双滚珠轴承和卡扣将其固定于支撑板槽内。其中PCB板固定在支撑内侧，通过定子稳定。
采用CFD分析软件进行模拟分析，按上述轴流风扇尺寸在建模软件中完成建模后导入CFD数值模拟软件进行模拟计算。计算结束后导出出口截面与入口截面的质量流量，通过模拟得到该尺寸风扇的气动性能和噪声。在经过一段时间流场计算后，风道流场进入比较稳定的状态，呈现风力的速度梯度呈风扇轴向分布，在叶轮出口两侧由于存在空气回流呈现两个涡。随着管道轴向延生，涡量逐渐消失，气流趋于稳定。该微型轴流风扇的流量为50.07CFM，其噪声幅值较小为35.91dB。
从图5、图6和图7可以明显看出，风扇性能测试管道内的速度大小较大，该微型散热风扇的水平送风距离近半米左右，且送风相对稳定。风扇出风口的风速可到达5m/s左右。图8为时域图声压，最高为1×10^-3Mpa，经傅里叶变换后的频域声压级如图9所示，整体声压为35.91dB。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，包括轮毂、设置在轮毂上的若干动叶片、导流罩、机壳、支撑以及磁环；所述导流罩位于所述机壳的来流侧和出口侧，出口侧的所述导流罩的轴向距离大于来流侧的所述导流罩的轴向距离；所述支撑位于所述机壳出口侧并用于支撑所述机壳；所述磁环压入所述轮毂内，并通过弹簧和双滚珠轴承配合于传动轴，所述传动轴依次穿过线圈、PCB板后通过卡扣固定安装在支撑板槽内，并与传动结构连接；所述PCB板固定在所述支撑内侧；所述动叶片通过多次样条曲线和贝塞尔曲线控制叶型，所述动叶片按叶片各界面层参数进行控制，每个动叶片从轮毂到叶尖划分为6个空间截面，分别为layer1～6，同时引入Span确定空间截面的位置；
其中，所述动叶片以贝塞尔曲线控制其掠程度，所述动叶片在子午方向其前缘叶顶至叶根部分呈先前掠后反掠再前掠的S型分布，所述动叶片后缘呈先前掠后反掠再前掠的S型分布。
2.如权利要求1所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述贝塞尔曲线的控制点为4-6个，贝塞尔曲线的阶数为3-5阶。
3.如权利要求1所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述动叶片的位置角与前后缘进出口角通过样条曲线控制，规定所述动叶片从前缘至后缘按曲线位置进行角度分布从而达到弯度控制。
4.如权利要求1所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述动叶片的厚度分布从前缘至后缘以贝塞尔曲线的形式控制。
5.如权利要求1所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述动叶片直径为88-90mm，轮毂比为0.41。
6.如权利要求1所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述动叶片前后缘椭圆率变化通过所述动叶片子午流道叶片根部的边界与子午流道叶片顶部的边界前后缘椭圆比控制。
7.如权利要求1所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述动叶片按25％叶高进行等距划分，为改进叶顶处复杂流动情况，在95％叶高处插入layer，在叶片尾缘处进行局部凹陷处理；
其中，所述动叶片的叶顶间隙根据设计要求其相对径向间隙
Figure FDA0004012583840000021
应保持在0.8％～1％，由于风扇直径过小，过小的叶顶间隙会增加风扇的噪声值，故所述动叶片的叶顶间隙为1mm。
8.如权利要求1～7任意一项所述的一种基于叶片多特征设计的微型散热轴流风扇，其特征在于，所述动叶片数为7个。
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