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散热风扇(扇叶/外框)
扇叶:
常见的风扇扇叶截面曲线,一般基于Joukowski(茹科夫斯基,俄国著名的空气动力学家,当代航空科学的开拓者,提出了茹科夫斯基函数,奠定了机翼空气动力计算的理论基础)机翼截面曲线设计,再按照设计需要,根据叶片根部及端部与旋转轴之夹角、根部及端部宽度等数据进行旋转堆叠,形成三维扇叶曲面,并进行曲线拟合,最终完成整个扇叶模型设计。
扇叶的性能受到众多参数的影响,如层叠高度、叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片厚度、叶片数目、叶片冲角、叶端间隙、叶片宽度、主轴直径等等,且各参数间互相制约,关系复杂。不断的调整各项参数,寻找最适合目标工作要求的组合,便是进行扇叶设计的研究人员所从事的工作。若要将这些参数全部解释清楚并加以分析,足以写出几篇博士论文了,但本文只是浅要了解分析风冷散热器的相关技术,因此,仅将几个用户较为关注的参数略加介绍:
叶片曲率:在一定范围内,叶片曲率越大,相同转速下,气体动能也就越大,即风量与风压越大;同时,叶片所受的阻力也越大,要求电机的扭力更大。当弧高/弦长的比值超过0.1时,升力系数便不再呈线性增加,故一定范围0.05<弧高/弦长<0.1
叶片倾角:倾角越大,叶片上下表面间压力差越大,相同转速下风压越大;但上表面压力过大,可能产生回流反噬现象,反而降低风扇性能。因此,叶片倾角也只应在一定限度内提升。
叶片间距:叶片间的距离过小,会导致气流扰动,增加叶片表面的摩擦,降低风扇效率;叶片间的距离过大,则会导致压力损失增大,风压不足。
叶片数目:各种规格风扇叶片的截面曲线、倾角等基本相若,每片叶片宽度往往取决于扇叶的高度。为了保证叶片间距不致过大,影响风压,径高比较小(即相对较薄)的风扇多采用增加叶片数目的方法弥补。不论叶片数目是多是少,轴流风扇的叶片数目却往往是3711等奇数,这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶,又没有调整好平衡,很容易使系统发生共振,倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳,将会使叶片或心轴发生断裂,因此多设计为关于轴心不对称的奇数片扇叶设计。这一原则普遍应用于包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。

叶端间隙:如何调整扇叶与外框之间所存在的间隙是风扇设计中的一大难题。间隙过小会令此间气流与叶片、外框发生摩擦,增大噪音;增大间隙则会由于反激气流等影响耳降低风扇效率——间隙增大1%,则全压功率下降约2%。
叶片弧度:扇叶除了在截面上具有一定曲率外,在俯视平面内也并非沿着径向笔直延伸,而是向着旋转方向略有弯曲,呈一定弧度。如果叶片沿径向笔直延伸,风扇旋转所带动的气流在出风口一侧将呈散射状,送风距离短,且力量不集中;如现行产品版略带弧度,则可保证吹出气流集中在出风口正前方的柱状空间内,增加送风距离与风压。
主轴直径:由于电机与轴承的存在,轴流风扇主轴所在的中心部分难免一定无气流通过的盲区,主轴直径便决定着此盲区的大小。主轴直径的大小则主要取决于风扇电机的功率——大功率的电机需要更大的定子绕组线圈,必然占用更多的空间,在无法纵向扩展(增加高度)的情况下,便只好横向扩展(增大面积)。
叶片光滑度:这是一项非设计因素影响的指标,基本上取决于生产者的模具成形与后期处理工艺。在设计曲线之外,叶片上的不平整会在旋转中产生紊流,增加摩擦,降低风扇效率,折损风扇性能,增大工作噪音。因此,应对叶片表面的光滑度严格控制,如果所购产品处理不佳,则应考率采用手工打磨等后续手段弥补。
虽然风扇的扇叶截面曲线多源于同一基础,所能进行的各种调整也都被限制在了一定范围之内,但还是有一些厂家作出了较大的改进,提出了很有特色的设计。
由于对扇叶设计的改进大多涉及到外框设计的变化,我们将在稍后结合外框设计一齐介绍。

外框:
风扇的外框是风扇的所有部件的安身之地,保证各种部件稳固的安装其上是它最基本的功能。同时,它还应保证所采用材料与结构具有一定的强度,可以在一定程度内承受物理冲击,保护扇叶、电机等较脆弱的组件。
外框是风扇尺寸规格的最终体现者,还决定着具体的安装方式与难易程度。风扇外框上一处独具匠心的设计,就可能在不违背通行标准的同时,带用户的安装、使用过程带来方便与体贴。
风扇的外框除了作为装配的基础、安装的支架外,还对通过风扇的空气起着不可忽视的导流作用。外框可以对扇叶所带动的气流进行“约束”,控制其流出方向,抑制反激与散射,令其集中于所希望的送风方向。此外,还可以通过一些特殊设计,达到增大风压等特殊效果。

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