CN201310489Y

CN201310489Y - 一种散热风扇

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Publication number: CN201310489Y
Application number: CNU2008202128989U
Authority: CN
Inventors: 秦彪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2018-11-04

Abstract

本实用新型提供了一种电子散热风扇，扇叶叶片(以及整流叶片)采用多级叶片结构、或叶片轴向分切成两段或叶片分别在多个整体部件上等结构的单级叶片结构。为的是尽可能提高风扇叶片的叶栅稠度，提高叶片的额定弯折角，控制叶片背部出现的气流分离而产生的涡流损失，以便有效提高风扇的性能(如风量、风压、噪音、尺寸等)，但扇叶叶片(以及整流叶片)又可采用现有的注射成型这种高效、低成本的工艺制造。

Description

一种散热风扇

所属技术领域

本实用新型涉及电子器件及其装置散热用的风扇，特别是轴流式风扇。

背景技术

电子器件的散热问题，已经成了电子产品设计制造中不可回避的问题，特别是计算机中CPU和GPU芯片的散热，已成了计算机发展中的瓶颈，CPU散热器成了主板上尺寸最大的部件，是主板尺寸的减小和紧凑化的最大阻碍。

散热器一般由风扇和带有许多对流换热肋片的装置构成。风扇是散热器中非常重要的部件，风扇的风量不仅要高，风压也必须足够高，以克服对流换热肋片产生的空气流动阻力。

现电子散热风扇是从通风风扇基础上发展演变过来的，考虑更多的是整个制造成本和风量，面对CPU等电子芯片发热量大幅度提高，散热器上的对流散热肋片增加带来的空气流动阻力大幅度增加，现有电子散热风扇中的叶片的设计必须修改，但由于缺乏专业的空气动力学和叶片机设计原理方面的知识作指导，新推出的产品或设计只是通过增大风扇的尺寸(如外径)，提高扇叶转速来提高风量和风压，但噪音迅速加大，风量和风压并没有得到有效提高。

中国专利申请，申请号：03142983.1和申请号：200610163711.6，两项专利申请公开的电子散热风扇中，在扇叶后设置有整流器(也称静叶和固定叶片)，目的是想减小扇叶后的空气旋转速度(周向分速度)，提高风扇的风压。但是这两项专利申请提供的风扇，缺乏专业的空气动力学和叶片机设计原理方面的知识作为设计指导，甚至得出完全相反的错误结果，也就不可能设计出有效提高风量和风压的风扇。

发明内容

本实用新型提供了一种轴流式散热风扇，是以空气动力学和叶片机设计原理为基础，并结合电子散热风扇具体结构以及制造工艺，对风扇叶片(扇叶叶片以及整流叶片)的设计做出了更为具体的要求，并提出新的结构，使之更符合空气流动特性，减小空气在叶片中的流动损失(阻力)，有效提高风扇的风压和风量，并减小风扇尺寸，使之更紧凑。

本实用新型所采用的技术方案：风扇为轴流式，主要部件有：壳罩、扇叶、电机，本实用新型的特征在于：扇叶采用了多级叶片结构，

或整个扇叶叶片为一个整体部件，叶尖处叶片弯折角不大于18°，出口几何角不大于48°，叶片之间轴向方向投影间距的最小处不大于2.0毫米的单级叶片结构、

或叶片在轴向分切成两段，分别在两个或更多个一体注射成型的整体部件上的单级叶片结构、

或叶片分别在两个或更多个一体注射成型的整体部件上，一个整体部件上的叶片夹在另外的整体部件上的叶片中间的单级叶片结构；

单级叶片结构的扇叶叶片数量或多级叶片结构的扇叶最后级的叶片数量不少于8片。

旋转的扇叶叶片驱动空气流动，将电机输出的机械能传输给空气，空气的机械能(动能和势能)得到提高，即空气的速度和压力得到提高。电机的机械能通过扇叶叶片输送给空气的过程中有机械能损失，即存在有输送效率问题，机械能损失中包括有：空气表面摩擦损失和涡流流动损失。当在叶片表面气流出现分离漩涡时，涡流流动损失将迅速增加，叶片效率将急剧下降。因而要有效提高风扇的风量和风压，必须控制涡流流动损失，也就是风扇叶片的设计必须符合空气流动特性。

图1为平面叶栅示意图，也为环形叶栅在同心圆柱面上的截面的展开示意图，本实用新型中的扇叶以及整流器属于环形叶栅。叶栅的额线为图1中的11或22，叶距t为沿额线方向相邻两叶片对应点之间的距离，弦长b与叶距的比值b/t称为叶栅稠度；叶片之间轴向方向的投影的间距是指两相邻的叶片投影到额线上的之间的间距d；叶片进口几何角β_1A、出口几何角β_2A为叶片的片型中线在前缘、后缘的切线与额线之间的夹角；叶栅进、出口气流角β₁、β₂为进、出口气流相对速度W₁、W₂与额线之间的夹角；气流转折角Δβ＝β₂-β₁，为气流通过叶栅时转过的角度；进口冲角

为来流方向与叶片的叶型中线在前缘点的切线之间的夹角；出口落后角δ为气流出口方向与叶片的叶型中线在后缘点的切线之间的夹角，δ＝β_2A-β₂。可以推导出气流转折角

θ为叶片弯折角，θ＝β_2A-β_1A。

图2是平面叶栅实验得出的额定特性曲线，给出了额定气流转折角Δβ*与叶栅稠度b/t以及额定出口气流角β₂*之间的关系。当出口气流角β₂和叶栅稠度b/t一定时，气流转折角Δβ不应大于根据图2中曲线对应的值，否则将引起气流在叶栅中的流动损失剧增，其流动损失剧增的原因是叶片背面出现气流分离，涡流损失所致。图2虽然是平面叶栅的实验结果，但对本实用新型所涉及的环形叶栅的设计一样有实际指导意义。

提高扇叶输送给空气能量的方式有：1、提高扇叶旋转速度，但风扇的噪音增加，电机轴承寿命减短；2、提高空气流经扇叶后的气流转折角Δβ，这是首先推荐的方法，但根据图2得出扇叶叶片的叶栅稠度将增大，即扇叶叶片密度大，叶片之间在轴向方向的投影就可能要重叠。由于电子散热风扇的壳罩、扇叶等都是采用注射成型工艺，这种制造工艺效率高，成本低，如果叶片之间在轴向方向的投影有重叠，注射成型就不能分模，产品无法脱模取出，解决这个问题的措施有：

一、采用多级叶片结构，扇叶叶片分成两级或更多级，这样空气流经扇叶叶片后的气流转折角虽然非常大，但被多级叶片分担，单级的气流转折角不大，可以保证在高的叶片效率条件下，各级扇叶叶片的密度不会高到不能采用注射成型工艺生产。

二、将扇叶叶片在轴向分切成两段，两段分别在两个或更多个一体注射成型的整体部件上，一般采用两个整体部件，这样的单级叶片结构，虽然整个扇叶叶片之间轴向方向的投影可能有重叠，但各个整体部件上的部分叶片之间轴向投影留有一定的间隔，保证可以采用注射成型工艺生产。

三、将扇叶叶片分在两个或更多个一体注射成型的整体部件上，一般采用两个整体部件，最好是间隔均匀分配，一个整体部件上的叶片夹在另外的整体部件上的叶片中间，就构成单级叶片结构的扇叶。单个整体部件上的叶片之间轴向方向投影留有一定的间距，保证可以采用注射成型工艺制造，叶栅稠度不高，但两个部件上的叶片合在一起，叶栅稠度提高一倍，因而提高了空气流经扇叶后的额定气流转折角，提高扇叶有效向空气传输机械能量的能力。

四、从结构简单、叶片强度以及减小风扇轴向尺寸方面考虑，所有扇叶叶片为一个整体部件，可采用一体注射成型工艺生产，与现散热风扇扇叶结构类似。但尽可能提高叶栅稠度，即扇叶叶片密度，叶片之间轴向方向的投影间距留有2毫米时，就能保证采用注射成型工艺制造。由于扇叶叶片之间的间距从叶根到叶尖是变化的，通常叶根处间距小，因而本实用新型的单级叶片之间轴向方向的投影的间距的最小处不大于2毫米，这样叶片密度尽可能地得到提高。采用所述结构，由于叶栅稠度提高有限，设计时必须注意扇叶叶片的弯折角和出口几何角不能太大，否则会引起叶片背面气流分离带来的流动损失急剧增加。不同的风压以及风量，最佳叶片弯折角以及出口几何角也不同，依据图2等的计算和分析，考虑到电子散热风扇的具体应用，扇叶叶片的叶尖处的弯折角不应大于18°，出口几何角不应大于48°。要进一步提高这样的风扇的风压和风量，可通过提高扇叶转速来实现。

乘坐飞机，认真观察一下飞机的喷气发动机进口，会发现进口处的叶片多得数不清。而现散热风扇中的叶片数量，少的有3～5片，这样少的扇叶叶片，是简单仿用通风扇叶叶型，缺乏叶片机原理知识的基本表现，非常不合理，对于电子散热用的风扇，依据图2曲线和考虑到其他因素，单级叶片结构的扇叶叶片数量或多级叶片结构的扇叶最后级的叶片数量，最少不少于8片。增加叶片数量，可以减小扇叶的轴向尺寸，但要考虑叶片强度等问题。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为平面叶栅示意图，也为环形叶栅在同心圆柱面上的截面展开示意图。

图2为平面叶栅额定特性曲线，Δβ*＝0.8Δβmax，表示额定转折角Δβ*取值为最大转折角Δβmax的百分之八十。

图3为一种本实用新型风扇的两级叶片结构在同心圆柱面上的截面展开示意图。

图4为一种本实用新型风扇的两级叶片结构在同心圆柱面上的截面展开示意图，与图3类似，不同之处为第一级叶片与第二级叶片中的叶片错位。

图5为一种本实用新型风扇的两级叶片结构在同心圆柱面上的截面展开示意图，第一级叶片与第二级中的部分叶片合为一体。

图6为一种本实用新型风扇的单级叶片结构的特征剖面示意图，叶片在轴向裁切成两段。

图7为一种本实用新型风扇的特征剖面示意图，扇叶采用两级叶片结构，电机为无刷直流电机。

图8为一种本实用新型风扇的特征剖面示意图，扇叶后设置有整流器。

图9为一种本实用新型风扇的剖面图，扇叶后设有整流器。

图10为图9所示的风扇的主要部件的展开立体图。

图11为一种本实用新型风扇的特征剖面示意图，整流器为双级叶片结构。

图12为一种本实用新型风扇的特征剖面示意图，有两个扇叶，并且由同一电机驱动。

图13表示风扇叶片径向弯曲的特征示意图。

图14表示风扇叶片径向倾斜的特征示意图。

图中，1、轮毂，2、定子，3、轴承套，4、转子，5、扇叶，6、箍环，7、电机盘，8、轴，9、轴承，10、壳罩，11、整流器，12、电路板，13、整流叶片A，14、整流叶片B，15、扇叶叶片，16、表示扇叶转动方向的箭头。

具体实施方式

图3示出了典型的多级叶片结构(图3所示的为两级叶片结构)，每级的叶片之间都留有轴向投影间距，保证可采用注射成型工艺，第二级叶片的数量比第一级多(多一倍)，即后级叶片片数多于前一级叶片片数，因而叶栅稠度提高，并且叶片的出口几何角也加大，依据图2可以得到更高的额定气流转折角Δβ*，也就是说，采用两级或更多级叶片结构的扇叶，可得到更高的额定气流转折角，扇叶向空气传输的有效机械能进一步提高，风扇的轴向尺寸可得到有效减小，使风扇更紧凑。

图4所示的与图3的不同之处在于：第二级中的叶片与第一级叶片有错位。这种结构的优点是：如果在第一级叶片上出现的气流分离漩涡，进入第二级时就不会发展，并逐步消失。图5所示的结构是图3所示的衍生结构，第二级中的半数叶片与第一级的叶片连为一体，也属于多级叶片结构。

图6所示的为单级叶片结构，但叶片在轴向被裁切成两段，分别在两个或更多个部件上(一般采用两个整体部件)，虽然整个叶片之间轴向方向的投影有重叠，但被裁切后，各部件上的部分叶片之间轴向投影留有一定距离，保证可采用注射成型工艺制造。

图7是一种本实用新型风扇的特征示意图，扇叶5为两级叶片结构。扇叶5的第一级叶片和轮毂1为一整体部件，一般采用注塑成型工艺制造，第一级叶片的外圆设置有箍环6，其作用是提高该处叶片的强度；第二级叶片和其根处的环为一整体部件，套在电机的转子4上。电机为无刷直流电机，微小型电子散热风扇一般都采用这样的无刷直流电机。电机的定子2紧配合套在轴承套3上，轴承套3内是轴承9，轴8的一头嵌装在轮毂1的轴心，电机的转子4是一个环形磁铁，轴承套3固定在电机盘7上，电机盘7为电机的固定部件。

图8示出了本实用新型的一种风扇，在扇叶5后设有整流器11，图8所示的风扇中的电机也为无刷直流电机，装有霍尔等电子器件的电路板12在定子2和电机盘7之间。风扇的固定安装是依靠壳罩10，电机的支撑固定是通过轴承套3、电机盘7，再通过整流器11的叶片连接到壳罩10。采用注射成型工艺，一般采用塑料注射工艺，将电机盘7与整流器叶片(全部或部分)以及壳罩10或部分壳罩部件一体注射成型，为一整体部件。这样的结构，不仅生产效率高，成本低，而且结构紧凑，强度高，容易保证扇叶5与壳罩10内圆壁之间的间隙均匀。图中还示出：轴承套3和电机盘7为同一整体部件，这样更有利于保证强度和同心度。

空气经旋转的扇叶驱动后，呈螺旋运动，有周向分速度。风扇增设整流器的目的：一是减小(最好是消除)周向分速度，将周向分速度动能转换成静压势能，即提高风扇的风压；二是尽可能使空气流动方向与对流换热肋片的方向一致，通常对流换热肋片的设置顺着风扇轴向方向排列，因而周向分速度减小，空气相对于对流换热肋片的冲角减小，即减小冲角，减小对流换热肋片产生的空气流动损失(阻力)。要有效实现上述目的，整流器的设计就必须符合空气流动特性。

整流器和扇叶类似，都是由叶片构成，空气在叶片中流动原理一样，因而前面所述的几种扇叶结构同样可被整流器采用：

一、整流叶片分别在两个或更多个一体注射成型的整体部件上，一个整体部件上的整流叶片夹在另外的整体部件上的整流叶片中间。

二、采用图6所示的单级叶片结构，整流叶片在轴向裁切成两段，分别在两个或更多个一体注射成型的整体部件上。

三、采用多级叶片结构，后级的叶片片数多于前级的叶片片数，后级叶片的出口几何角大于前级叶片的出口几何角。

图9所示的风扇，整流器采用了上面第一种所述的单级叶片结构，整流叶片间隔均匀地分成两部分——整流叶片A13和整流叶片B14，分别在两个一体注射成型的整体部件上。整流叶片B14将电机盘7和壳罩10连接成一体，为一体注射成型的整体部件，整流叶片A13和其叶根、叶尖上的环为另一整体部件。电机也为直流无刷电机，电路板设置在壳罩10上，没有示出。

增设了整流器，风扇的轴向尺寸会增大；增加扇叶动力，即电机的驱动功率，电机的轴向尺寸又要增大，为了减小风扇轴向尺寸，图8、9示出的结构特征，提供了一种解决方案，将电机转子4比其上的扇叶轴向宽长出的部分伸到整流器11根部内，即转子4有部分伸入到整流器11的根部内。

图11示出了一种本实用新型的风扇，电机为直流无刷电机，整流器11为两级叶片结构，壳罩10也分成两段，壳罩10的前段(靠进气口段)与前级整流叶片为一整体部件。后级整流叶片与壳罩10的后段以及电机盘7为另一整体部件，可采用注射成型工艺制造。

图12所示的一种本实用新型的风扇，有两个扇叶5，分别在两轮毂1上，两个扇叶5之间有整流器11，两个扇叶5由同一电机驱动，图中所示的电机为直流无刷电机。采用这种两扇叶结构的目的：增大扇叶驱动空气运动的能力，提高风扇的风压、风量。

扇叶叶片旋转时，驱动空气，给空气作功。叶片驱动空气的作用力与空气相对于叶片的速度的平方成正比，扇叶中的叶片尖处(靠近壳罩10处)的速度大于叶片根处的速度，因而靠近叶片尖处的空气得到的功比靠近叶片根处的多，因而靠近叶片尖处的空气的风压高于叶片根处，即风扇径向风压分布不均匀。风压不均匀会造成风扇后的对流换热肋片中的空气流量不均匀，这样不利于有效利用整个对流换热肋片。

克服风扇径向风压分布不均匀的方法有：(一)扇叶叶片设计成沿径向扭转，减小叶片尖处相对空气流动的冲角，因为冲角减小，叶片作用于空气的力减小；(二)如图13、14所示，扇叶叶片15设计成在径向朝着扇叶转动的方向弯曲或倾斜。图13示出扇叶叶片15径向弯曲，图14示出扇叶叶片15径向倾斜，这样可使得扇叶叶片14作用于空气上的力有向心分力，因而空气会形成有向心方向的分向运动，这样就有利于提高靠近叶片根处的风压。同样的道理，将整流叶片设计成在径向弯曲或倾斜，也能有利于提高靠叶片根处的风压，但是弯曲或倾斜的方向应该反着扇叶旋转的方向，与扇叶叶片15的弯曲或倾斜方向相反，因为空气离开旋转的扇叶5后，会有与扇叶旋转方向一致的周向分速度。整流叶片反着扇叶旋转方向弯曲或倾斜，则使得空气流经整流器时，整流叶片作用于空气上的力会产生有向心分力。

Claims

1、一种散热风扇，应用于电子器件或装置的散热，结构为轴流式，包括有：壳罩(10)、扇叶(5)、电机，其特征在于：扇叶(5)采用了多级叶片结构，

或叶片分别在两个一体注射成型的整体部件上，一个整体部件上的叶片夹在另一个整体部件上的叶片中间的单级叶片结构、

或整个扇叶叶片为一个整体部件，叶尖处叶片弯折角不大于18°和出口几何角不大于48°，叶片之间轴向方向投影间距的最小处不大于2.0毫米的单级叶片结构；

2、根据权利要求1所述的散热风扇，其特征在于：电机为直流无刷电机。

3、根据权利要求1所述的散热风扇，其特征在于：在扇叶(5)后设置有整流器(11)。

4、根据权利要求1所述的散热风扇，其特征在于：扇叶叶片(15)朝着扇叶(5)转动的方向弯曲或倾斜。

5、根据权利要求3所述的散热风扇，其特征在于：整流器(11)采用了多级叶片结构，

或叶片分别在两个或更多个一体注射成型的整体部件上，一个整体部件上的叶片夹在另外的整体部件上的叶片中间的单级叶片结构。

6、根据权利要求3或5所述的散热风扇，其特征在于：整流器叶片反着扇叶(5)转动的方向弯曲或倾斜。

7、根据权利要求1所述的散热风扇，其特征在于：扇叶(5)上设置有箍环(6)。

8、根据权利要求3或5所述的散热风扇，其特征在于：部分或全部整流器叶片与壳罩(10)或部分壳罩部件、以及电机的固定部件为一体注射成型的整体部件。

9、根据权利要求3所述的散热风扇，其特征在于：在整流器(11)后设置有另一扇叶(5)，两个扇叶由同一电机驱动。

10、根据权利要求1或5所述的散热风扇，其特征在于：多级叶片结构的扇叶或整流器，后级叶片片数要多于前一级叶片片数。