風冷散熱器相關技

風冷散熱器相關技術淺析

之

風扇篇前言風扇具有導流、換氣、散熱等各種用途。本篇就對風冷散熱器中使用的風扇類型為直流無刷風扇DCBrushlessFan（下文如無特別說明，簡稱“風扇”）略加介紹。風冷散熱器中使用的典型風扇外形是一個底面為正方形的扁柱體，四角留有安裝所需的固定孔位，直流電機通過支架固定在外框上，扇葉與轉(zhuǎn)子連接在一起，通過軸承安裝在電機主體之上。一些“非典型”的風扇采用了較特殊的形狀與設計，但整體結構與此并無太大差異。安培右手定則:當電流通過導體時,導體周圍會產(chǎn)生磁場磁場原理:同極相斥;異極相吸直流風扇原理:在扇葉內(nèi)部置入充有磁性橡膠磁環(huán),形成永磁的外部磁場.通電矽鋼片上兩組線圈,矽鋼片產(chǎn)生磁場,並使用霍爾感應元件同步偵測控制電路,使纏繞矽鋼片上兩組線圈輪流工作.矽鋼片產(chǎn)生不同磁極,此磁極與橡膠磁環(huán)產(chǎn)生吸斥力.當吸斥力大於風扇的靜摩擦力時，扇葉自然轉(zhuǎn)動。由於霍爾感應元件提供同步信號，扇葉因此得以持續(xù)運轉(zhuǎn)風扇的原理風扇的原理NSNSNNSSNSNSNNSSNSNST1T3T2電路控制:周期性改變電流的方向,從而形成周期性的磁場的方向膠磁(永磁體)一、風扇的類型1、軸流扇類型（AxialFan）2、鼓風機類型（BlowerFan）3、橫流扇類型（CrossFan）二、風扇的軸承類型1、含油軸承（SleeveBearing）2、液壓軸承（HydraulicBearing）3、滾珠軸承（BallBearing）a雙滾珠軸承（TwoBallBearing）b單滾珠軸承（OneBallOneSleeveBearing）4、陶瓷軸承（CeramicBearing）1、含油軸承（SleeveBearing）

傳統(tǒng)的軸承技術，軸芯嵌套在軸套之內(nèi)轉(zhuǎn)動，利用潤滑油充填軸芯與軸套間的空隙，減少摩擦與振動。

使用初期，潤滑油均勻填充軸芯與軸套間的空隙，令轉(zhuǎn)動平滑穩(wěn)定，因而工作噪音很低，軸承磨損少。但隨使用時間增長、灰塵吸附增多，潤滑油會因摩擦發(fā)熱而揮發(fā)，油量逐漸減少，軸承的摩擦與振動增加。由此導致軸承噪音增大，磨損加劇，壽命縮短，因此不適合高轉(zhuǎn)速的“暴力型”風扇，也無法達到“長壽”的目標。通常產(chǎn)品壽命為5000～8000小時。2、液壓軸承（HydraulicBearing）液壓軸承所進行的改進包括：1.增加磁懸浮擋板，令軸芯在旋轉(zhuǎn)過程中與軸套接觸的機會更少；2.軸承底部固定端密封，形成較大儲油空間，可保存較多潤滑油；3.采用低熱損耗的潤滑油脂，軸承在高溫狀態(tài)下仍可保證油脂的潤滑特性；4.液壓自動循環(huán)油路系統(tǒng)，通過特殊油路連接軸承與儲油槽，

令潤滑油形成循環(huán)回路；5.表面具有大量毛細孔，可吸附潤滑油，保證軸承的高潤滑度。

通過多方面的改進，液壓軸承可以在低于含油軸承噪音水平的同時達到滾珠軸承的轉(zhuǎn)速、工作溫度與壽命。通常產(chǎn)品壽命可達40000小時以上3、滾珠軸承（BallBearing）

有一定物理知識的人都知道：壓力與接觸面粗糙程度相同的情況下，滾動摩擦力小于滑動摩擦力。輪子便是基于此理論而誕生的人類最偉大發(fā)明之一，滾珠軸承也是此理論實際應用的一大典范

滾珠軸承不再僅依靠潤滑劑填充軸芯與軸套間的空隙，而是將空間略加擴大，在其中置入數(shù)個金屬滾珠。當軸芯與軸套相對運動時，滾珠也隨之滾動，并不與二者發(fā)生滑動摩擦，降低轉(zhuǎn)動阻力，減少能量損耗。當然，為了填補空間兼而起潤滑作用，滾珠軸承也需要使用潤滑劑，但工作空間相對含油軸承密封較好，且摩擦更小，壽命很長

若僅以一道滾珠支撐，難以保證旋轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定，因而通常需要兩道滾珠進行約束。但由于結構較為復雜，滾珠軸承的制造成本相對較高，為了控制產(chǎn)品成本，便產(chǎn)生了雙滾珠與單滾珠兩類滾珠軸承

雙滾珠軸承應可算是滾珠軸承的典型代表，除具有阻力小、壽命長等特點外，因軸芯、滾珠、軸套間空隙較大，容易發(fā)生振動，還具有工作噪音大的不足之處。通常產(chǎn)品壽命可達50000～100000小時

單滾珠軸承則是為了彌補雙滾珠軸承成本高、噪音大等不足之處的折衷產(chǎn)物，采用其它形式軸承與一道滾珠軸承配合，對軸芯進行支撐。與滾珠軸承配合的軸承可選范圍很大，從傳統(tǒng)的含油軸承到磁懸浮軸承，目前都有產(chǎn)品可見，而使用采多的仍然是含油軸承與單道滾珠的組合。此種組合中，含油軸承只起小部分的支撐作用，磨損較單獨工作中大幅減少；同時，還可減少雙滾珠軸承產(chǎn)生的震動，降低工作噪音。采用此類單滾珠+含油的軸承，可兼顧壽命、成本與噪音。通常產(chǎn)品壽命根據(jù)與單滾珠搭配的軸承種類存在一定差距，一般在40000小時以上。4、陶瓷軸承（CeramicBearing）

精密陶瓷軸承堪稱從制造材質(zhì)方面對軸承進行改進的杰作

采用陶瓷材料粉末精密加工而成的軸芯，得益于精密陶瓷材料高強度、高硬度、耐高溫的特點，大幅延長軸承使用壽命。精密陶瓷軸承在各種小型電機中得到廣泛應用，典型代表有直流風扇、小型水泵、光存儲設備主軸電機等。三、風扇的性能1、轉(zhuǎn)速2、風壓3、風量4、噪音1、轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是風扇各項性能指標的根本決定因素之一

轉(zhuǎn)速即風扇扇葉在單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的周數(shù)，單位一般為rpm，即roundsperminute-轉(zhuǎn)每分。轉(zhuǎn)速是風扇最容易測量的參數(shù)，高轉(zhuǎn)速是各種“暴力”風扇力量的源泉，也是大噪音的根源相關元素：

轉(zhuǎn)速基本上取決于風扇采用的電機性能

只要確定了風扇的物理規(guī)格、結構，各種性能就全部由轉(zhuǎn)速決定。轉(zhuǎn)速可以影響到風速、風量、風壓、噪音、功率，甚至使用壽命。轉(zhuǎn)速越高，風扇性能越強，即風速越快，風量越大，風壓越大；同時，轉(zhuǎn)速高，摩擦、振動就多、噪音就大，軸承等損耗設備的壽命就短；轉(zhuǎn)速提高，電機消耗功率增大也是必然結果

風扇產(chǎn)品就算不標明風量、風壓，也都會標明額定轉(zhuǎn)速；一些對各種風扇比較熟悉的玩家更是可以根據(jù)一款風扇的尺寸規(guī)格、扇葉形狀以及轉(zhuǎn)速判斷出它的性能2、風壓

風壓即風扇能夠令出風口與入風口間產(chǎn)生的壓強差，單位一般為mm（cm）watercolumn，即毫米（厘米）水柱（類似于衡量大氣壓的毫米汞柱，但由于壓強差較小，一般以水柱為單位）。風壓是衡量風扇“強勁”程度的重要指標，如果將風量比作一把武器的揮擊力量，那幺風壓就是這把武器的鋒利程度相關元素：

風壓主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速，前三者的影響較為復雜，于轉(zhuǎn)速的關系則簡單直接——轉(zhuǎn)速越快，風壓越大

3、風量

風量即單位時間內(nèi)通過風扇出風口（或進風口）截面的空氣體積，單位一般為cfm，即立方英尺每分-cubicfeetperminute，或cmm，即立方米每分-cubicmetresperminute。風量是風扇性能的整體衡量指標，不受到尺寸、結構、方式的限制，也不限于直流無刷風扇，可適用于任何空氣導流設備相關元素：

風量＝平均風速x過風面積

可見，風扇風量的大小基本取決于風速的高低與過風面積的大小。過風面積相同，風速越高，風量越大；風速相同，過風面積越大，風量越大。

風冷散熱器是依靠空氣吹過散熱片，利用熱交換帶走散熱片上堆積熱量的。顯然，采用同樣的散熱片結構與空氣流動方式，單位時間內(nèi)通過的空氣越多，帶走的熱量也就越多。因此，其它條件不變的情況下，可以說實際風量對風冷散熱效果起著決定性的作用。測量風洞原理圖

通過調(diào)節(jié)風嘴（Nozzle）與輔助風扇（AuxiliaryBlower），控制風量，記錄風量（AirFlow）與壓強差（AirPressure）的對應數(shù)值，最終除了記錄最大風量與最大靜壓（即標稱的風壓）4、噪音噪音是各種設備越來越受到關注的指標噪音即風扇工作過程中產(chǎn)生的“非樂音”聲響。目前較為通行的測量標準為計權聲級測量，通常采用A聲級計權，常用單位：分貝（A）或dBA四、