CN201310490Y - 一种电子散热风扇 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电子散热风扇，整流叶片(以及扇叶叶片)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)，但整流叶片(以及扇叶叶片)又可采用现有的注射成型这种高效、低成本的工艺制造。

Description

一种电子散热风扇

所属技术领域

本实用新型涉及电子器件散热用的风扇，特别是在扇叶后设置有整流器的轴流式风扇。

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阻力。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，提高流经对流换热肋片的空气量，有利于散热量提高。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，并结合风扇具体结构以及制造工艺，对风扇整流器中的整流叶片(以及扇叶叶片)的设计做出了更为具体的要求，并提出新的结构设计，使之更符合空气流动特性，减小空气在整流器中的流动损失(阻力)，更有效地发挥整流器的作用，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、整流器、电机，整流器设置在扇叶后，本实用新型的特征在于：整流器采用了多级叶片结构，或整流叶片之间轴向方向的投影的间距的最小处不大于2毫米的单级叶片结构；整流叶片的出口几何角或最后级整流叶片的出口几何角大于70°。

空气经旋转的扇叶驱动后，呈螺旋运动，有周向分速度。在扇叶后设置整流器的目的，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，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。

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和整流器就属于环形叶栅。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中得到的值，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。

减小(尽可能消除)空气的周向速度，即出口气流角β要尽可能是直角，意味着整流叶片的出口几何角要大，考虑多种因素，一般出口几何角取大于70°比较合适。但最好是出口几何角不小于85°，这样尽可能减小周向速度。如果要消除周向速度，出口几何角就要大于90°，因为流出整流叶片的空气存在有出口落后角，叶片制造成型难度增加。

出口气流角β₂大，也就意味着气流转折角Δβ大，因为进口气流角β₁由扇叶决定，并且扇叶给气流输入的能量越多，进口气流角越小。为了减小流动损失，得到高的效率，根据图2计算得出的整流叶片的叶栅稠度高，即整流叶片非常密集，整流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、扇叶和整流器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，整流器叶片分成两级或更多级，最后级整流叶片的出口几何角大于70°，保证周向分速度得到有效减小。虽然空气经整流器后的气流转折角非常大，但被多级整流叶片分担，单级的气流转折角不大，可以保证叶片背后不产生气流分离，保证在高的整流效率条件下，各级整流叶片密度没有必要高到不能采用注射成型工艺生产。

二、从结构紧凑，减小风扇轴向尺寸方面考虑，还是采用单级结构，但要牺牲整流器效率，具体措施是：在保证注射成型工艺的基础上，尽可能多地设置整流叶片，即保证尽可能高的叶栅稠度，减小流动损失。整流叶片之间轴向方向投影的间距为2毫米时，就能保证注射模具分模，产品脱模取出。由于整流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，因而本实用新型取单级结构的整流叶片之间轴向方向投影的间距的最小处不大于2毫米。

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为一种本实用新型的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为一种本实用新型的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为一种本实用新型的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为一种本实用新型的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为一种本实用新型的风扇的特征剖面示意图，整流器为单级叶片结构，电机为无刷直流电机。

图8为一种本实用新型的风扇的剖面图。

图9为图8所示的风扇的主要部件的展开立体图。

图10为一种本实用新型的风扇的特征剖面示意图，整流器为双级叶片结构。

图11为一种本实用新型的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12为一种本实用新型的风扇的特征剖面示意图，扇叶采用了两级叶片结构，或叶片在轴向裁切成两段。

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、整流器，7、电路板，8、轴，9、轴承，10、电机盘，11、壳罩，12、整流叶片A，13、整流叶片B，14、扇叶叶片，15、箍环，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整流器，可得到更高的气流转折角，并且损失低，效率高，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，保证可采用注射工艺制造。

图7是一种本实用新型风扇的特征示意图，整流器6为单级叶片结构，电机为无刷直流电机，微小型电子散热风扇一般都采用无刷直流电机。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，轮毂1套在转子4上，轴承套3固定在电机盘10上，电机盘10为电机的固定部件。装有霍尔等电子器件的电路板7在定子2和电机盘10之间。风扇的固定安装是依靠壳罩11，电机的支撑固定是通过轴承套3、电机盘10，再通过整流器6的叶片连接到壳罩11。采用注射成型工艺，一般采用塑料注射工艺，将电机盘10与整流器叶片(全部或部分)以及壳罩11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11内圆壁之间的间隙均匀。

通常气流在整流器的转折角要大于在扇叶中的转折角，因而整流器的轴向宽度一般不低于扇叶的轴向宽度，设计时应该取整流器轴向宽度不小于0.8倍的扇叶轴向宽度。风扇增设整流器，并且整流器轴向宽与扇叶宽相当或更大；为了增加扇叶动力，即电机的驱动功率，电机的轴向尺寸又要增大。图7示出的结构特征，提供了一种减小风扇轴向尺寸的方案：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6根部内，即转子4有部分伸入到整流器6的根部内。

为了增加单级叶片结构的叶片密度，即提高叶栅稠度，但又可采用注射成型工艺制造，可采用如下措施：单级叶片中的整流叶片分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器叶片夹在另外的整体部件上的整流叶片中间，这样每个部件中的整流叶片密度不高，可采用注射成型工艺制造，部分整流叶片(或全部整流叶片)和电机固定部件(比如电机盘)、以及壳罩或部分壳罩部件为一体注射成型的整体部件。如图8所示的风扇，整流器为单级叶片结构，整流叶片间隔均匀地分成两部分——整流叶片A12和整流叶片B13，整流叶片B13将电机盘10和壳罩11连接成一体，为一体注射成型的整体部件。图8中示出，转子4也伸入到整流器的根部内。电机也为直流无刷电机，电路板设置在壳罩11上，没有示出。

图10示出了一种本实用新型的风扇，电机为直流无刷电机，整流器为两级叶片结构，壳罩11也分成两段，壳罩11的前段(靠进气口段)与前级整流叶片为一整体部件，壳罩11的后段与后级整流叶片以及电机盘10为另一整体部件，可采用注射成型工艺制造。图中还示出：轴承套3和电机盘10为同一整体部件，这样更有利于保证强度和同心度。

图11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6，两个扇叶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有：增大扇叶驱动空气运动的能力，提高风扇的风压、风量。

根据空气力学原理，气流在扇叶叶栅中的转折角越大，扇叶给空气做的功也越大，静压也增加更多，也就是说提高气流转折角，即叶片的弯折角和出口几何角，能提高风扇的风压、风量。前面所示的几种整流器叶片设计结构，同样可以在扇叶设计中被采用：

一、扇叶之间轴向方向的投影间距的最小处不大于2毫米。这样可以得到高的叶栅稠度，保证有高效率和低的涡流损失情况下，叶片弯折角和出口几何角高，但又能采用注射成型工艺制造。

二、采用类似图8、9中的整流器结构，扇叶叶片分别在两个一体注射成型的整体部件上，一个整体部件上的扇叶叶片夹在另一个整体部件上的扇叶叶片中间。

三、采用图6所示的结构，扇叶叶片在轴向裁切成两段，分别在两个一体注射成型的整体部件上。

四、采用两级叶片结构。如图3、4、5所示的结构，两级扇叶叶片叶型不同，两级扇叶叶片分别在两个一体注射成型的整体部件上，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12所示的一种本实用新型的风扇中，扇叶5采用了上述三或四所述的结构，电机为直流无刷电机，整流器6也采用了多级叶片结构(图中为两级叶片结构)。靠进口处的扇叶5的叶片尖有一箍环，其作用是提高该处叶片的强度。

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11处)的速度大于叶片根处(靠近轮毂1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14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14径向弯曲，图14示出扇叶叶片14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14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向心分力。

Claims (10)

1、一种电子散热风扇、用于电子器件散热，包括有：壳罩(11)、扇叶(5)、整流器(6)、电机，整流器(6)设置在扇叶(5)后，其特征在于：整流器(6)采用了多级叶片结构，或整流叶片之间轴向方向投影的间距的最小处不大于2毫米的单级叶片结构；整流叶片的出口几何角或最后级整流叶片的出口几何角大于70°。

2、根据权利要求1所述的电子散热风扇，其特征在于：单级叶片结构整流器中的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、

或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。

3、根据权利要求1或2所述的电子散热风扇，其特征在于：部分或全部整流叶片与电机的固定部件、以及壳罩(11)或部分壳罩部件为一体注射成型的整体部件。

4、根据权利要求1或2所述的电子散热风扇，其特征在于：电机为直流无刷电机。

5、根据权利要求1或2所述的电子散热风扇，其特征在于：有两个扇叶(5)，两个扇叶(5)之间有整流器(6)；两个扇叶由同一电机驱动。

6、根据权利要求1所述的电子散热风扇，其特征在于：扇叶(5)采用了两级叶片结构、

或扇叶叶片之间轴向方向投影间距的最小处不大于2毫米的单级叶片结构、

或扇叶叶片在轴向裁切成两段，分别在两个一体注射成型的整体部件上的单级叶片结构、

或扇叶(5)由两个一体注射成型的整体部件构成，一个整体部件上的扇叶叶片夹在另一个整体部件上的扇叶叶片中间的单级叶片结构。

7、根据权利要求1或6所述的电子散热风扇，其特征在于：多级叶片结构的后级的叶片片数多于前一级的叶片片数。

8、根据权利要求1、或2、或6所述的电子散热风扇，其特征在于：扇叶叶片(14)朝着扇叶(5)转动的方向弯曲或倾斜。

9、根据权利要求1或2所述的电子散热风扇，其特征在于：整流叶片反着扇叶(5)转动的方向弯曲或倾斜。

10、根据权利要求4中所述的电子散热风扇，其特征在于：转子(4)有部分伸入到整流器(6)的根部内。

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