超靜音型電腦風扇散熱器的機械設(shè)計

1、遼 寧 職 業(yè) 學 院liaoning vocational college 畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計題目： 超靜音型電腦風扇散熱器的機械設(shè)計 院 系： 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 職 稱 職 稱 成 績： 遼寧職業(yè)學院機械制造與自動化專業(yè)二一一年十二月制遼寧職業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：_分 院： 專 業(yè)： 學 號： 學 生 姓 名： 指 導 教 師： 職稱 職稱 20 年 月 日本人聲明聲明內(nèi)容如下：我聲明，本論文及其設(shè)計工作是由本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。聲明人： 日 期： 遼寧職業(yè)學院畢業(yè)論文目錄摘要11 緒論

2、21.1 本課題來源21.2 本課題意義和作用21.3 目前國內(nèi)廠商靜音版散熱器風扇的靜音情況31.4 本課題研究的內(nèi)容32 風扇扇葉的設(shè)計42.1 確定民眾化的處理器發(fā)熱量42.1.1 確定分析對象42.1.2 分析處理器發(fā)熱量52.2 分析機箱內(nèi)部環(huán)境溫度。52.2.1 分析電腦機箱其它硬件發(fā)熱量52.2.2 分析機箱自身鋼板的有效散熱面積52.2.3 分析機箱自身鋼板的被動散熱能力62.2.4 計算機箱內(nèi)每分鐘的總發(fā)熱量72.2.5 分析機箱內(nèi)部風道72.2.6 分析機箱內(nèi)部工作溫度82.3 設(shè)計風葉102.3.1 分析cpu散熱器風扇所需風量102.3.2 初步預制風葉整體設(shè)計原則11

3、2.3.3 用autocad2006繪制風扇粗略模擬草圖。112.3.4 設(shè)計風葉曲率132.3.5 設(shè)計風葉傾角132.3.6 設(shè)計風葉間距，確定風葉個數(shù)142.3.7 風葉間距和個數(shù)的校核162.3.8 設(shè)計葉端間距162.3.9 設(shè)計風葉弧度172.3.10 設(shè)計風葉的軸心高度182.3.11 計算風葉最大外徑192.3.12 整理設(shè)計參數(shù)，繪制圖樣203 計算風扇所需轉(zhuǎn)速213.1 計算風扇每轉(zhuǎn)的理論風量213.1.1 計算每片風葉的空間容量213.1.2 計算風扇每一轉(zhuǎn)的理論風量223.1.3 對理論風量進行折算233.2 計算風扇所需轉(zhuǎn)速243.2.1 計算風扇的理論轉(zhuǎn)速243.2

4、.2 綜合分析，得到額定的轉(zhuǎn)速244 軸承和電機部分的設(shè)計254.1 選擇軸承254.1.1 各種風扇軸承簡介254.1.2 選用軸承254.2 設(shè)計電機264.2.1 選擇電機類型，確定是否有無功功率264.2.2 有刷電機與無刷電機的選擇274.2.3 所需電機功率的計算274.2.4 電機漆包線截面積的計算284.2.5 電機鐵芯的設(shè)計294.2.6 選擇鐵芯材料304.2.7 確定風扇各部件的安裝方案305 散熱片的設(shè)計325.1 選擇散熱片樣式325.2 散熱片材料的選擇335.3 散熱片體積與片數(shù)等參數(shù)的確定335.4 散熱器裝配355.4.1 鋁質(zhì)散熱片與底部銅板的接觸355.4

5、.2 散熱片與風扇間的裝配356 選擇加工材料及方式366.1 風扇的加工366.1.1 風扇的加工材料366.1.2 風扇的加工方式366.2 散熱片的加工方式367 最終設(shè)計預覽圖378 結(jié)束語37參考文獻38附錄139附錄241附錄342致謝43 ii摘要近幾年個人電腦配置越來越高級，高配置必然擁有更大的熱功耗，都要配更強大的風扇式散熱器，甚至用水冷來降溫。電腦風扇噪聲越來越大，越來越影響人的心情和健康，為減小噪音，本文設(shè)計了一套靜音型cpu散熱器的機械結(jié)構(gòu)及其他構(gòu)件。本文從用戶需要的角度出發(fā)，和世界環(huán)境協(xié)會的環(huán)保要求，從電腦硬件方面的實際考查開始著手，通過實際調(diào)查，了解當今最迫切解決的

6、問題。采集大量電腦中央處理器的熱功耗資料（詳情見附錄1）。對機箱內(nèi)的環(huán)境溫度進行統(tǒng)計，針對具體的散熱環(huán)境，提出設(shè)計目準則。認真學習機械制造，了解空氣運動特性，知道物理學共振方面知識及其它物理知識。為散熱器的機械結(jié)構(gòu)實際設(shè)計做好準備。經(jīng)過理論計算和計算機模擬，確定基本設(shè)計原則，確定技術(shù)要求，根據(jù)目前機械零部件的加工能力，技術(shù)水平，確定設(shè)計方案，再根據(jù)藝術(shù)的美感，合理修改樣式，將其藝術(shù)化。此次精心設(shè)計了一個靜音版散熱風扇，可將噪音控制在18分貝以下，根據(jù)人耳對聲音感覺的靈敏度（見附錄2），10到30分貝是屬于極靜的環(huán)境。達到18分貝以下是相當安靜的。還給工作在電腦前人們健康安靜的環(huán)境。而后再經(jīng)過認

7、真計算和方案校核，修改設(shè)計的不足，查看機械零件手冊，選擇最合適的風扇低噪音長壽命且廉價電機類型和軸承類型，合理設(shè)計風扇功率，尺寸大小。最終設(shè)計出了僅擁有五個扇葉，酷似飛機的螺旋槳的樣子形狀的風扇，和與之配套的千翅蝴蝶形狀的散熱片，組成了適合多平臺的cpu散熱器。且風扇和散熱片設(shè)計成可拆卸式，更是方便了日后的除塵，非常人性化。最后整理設(shè)計方案，繪制最終圖紙，編寫本篇論文。關(guān)鍵字： 靜音 藝術(shù)化 長壽命 廉價 1 緒論1.1 本課題來源進入18世紀是科技快速發(fā)展的時代，很多新生事物接踵而來。尤其電子計算機的誕生，讓科技突飛猛進，很多疑難問題，經(jīng)過計算機都能輕易解決。需要人工大量運算的問題，經(jīng)計算機

8、幾秒鐘就能搞定。時代在進步，計算機也不僅僅應用在當初科學計算等專業(yè)領(lǐng)域了。由于計算機制造在進步，速度越來越快，體積越來越小，價格越來越便宜，讓計算機也走進了我們的日常生活中，走進了千家萬戶，走進了各行各界，計算機已經(jīng)無所不在了。計算機的性能也是今非昔比，單核心處理器由最初每秒計算五千次，到現(xiàn)在每秒二十億（主頻2.0ghz）次以上。但速度的提高確是以功耗增加和發(fā)熱量增大為代價的，為了讓電腦硬件不至于因高溫罷工，必然要加大散熱風扇和中塔式散熱片，與此同時噪聲增加得也非常大。圖1 占據(jù)著主板大半壁江山的高檔中塔式cpu散熱器 1.2 本課題意義和作用 人們感到暢快的同時，噪聲問題越來越讓人感到厭煩，

9、因此擁有一臺極致靜音的電腦一直是diy玩家的夢想。雖然國家已經(jīng)出了電腦噪音標準，個人電腦不得高于55分貝，網(wǎng)吧電腦不得高于45分貝，但這個標準在夜深人靜時還是讓人心煩的。而且非品牌機，個人自己組裝電腦很多達不到標準。不少diy玩家想方設(shè)法減低噪音，如為消除轉(zhuǎn)速高達每秒7200轉(zhuǎn)的硬盤噪音，采取懸掛硬盤的方式，為了消滅風扇噪音，不惜重金買水冷裝置，但還有問題，水冷裝置的水箱散熱還是需要風扇的，而且整套水冷近千元的價格也不是普通的人愿意接受的，短時間內(nèi)風冷的地位還是無可動搖的。因此設(shè)計出一種靜音型帶風扇的散熱器非常實用。本文針對通常的散熱風扇噪音大的問題，面向用戶和環(huán)保的要求，來設(shè)計可以大幅降低風

10、扇噪音的機械結(jié)構(gòu)。從扇葉角度和曲率的選擇，轉(zhuǎn)速的選擇，軸承和電機的設(shè)計，以及風量和風壓的校核，多個風扇之間的匹配問題進行了詳細設(shè)計。給電腦前的人們創(chuàng)造安靜的環(huán)境。1.3 目前國內(nèi)廠商靜音版散熱器風扇的靜音情況在本次設(shè)計之初，預先調(diào)查研究了國內(nèi)幾個知名電腦散熱配件廠商的設(shè)計和制造現(xiàn)狀。查閱了國內(nèi)四大主力廠商，九州風神、超頻三、酷冷至尊和tt的相關(guān)信息。由于靜音的概念很早就已經(jīng)提出了，所以各大廠商紛紛推出了自己的靜音版散熱器，每個廠商都有了自己的一整套技術(shù)。很多方式和技術(shù)的相似性，形成了一種趨勢，已經(jīng)掌握了靜音的基本規(guī)律，例如，優(yōu)化風葉的各種角度和曲線。以大直徑低轉(zhuǎn)速風扇取代小直徑高轉(zhuǎn)速風扇。使用

11、新型電機軸承，以滾珠軸承取代含油軸承，液態(tài)軸承取代滾珠軸承，還有更好的磁懸浮軸承及精密陶瓷軸承。扇葉數(shù)目也廣泛采用了單數(shù)。扇葉形狀也基本形成了幾大種：蟬翼形、小翼形、鐮刀形、蝠翼形等幾種。各有各的優(yōu)級點。各個靜音版散熱器如雨后春筍般出現(xiàn)在市面上。很多標稱靜音值達到了20分貝以下。圖2 超頻三的可拆卸蟬翼形風葉（引自百度圖片）1.4 本課題研究的內(nèi)容這些大廠雖然產(chǎn)品靜音效果十分顯著，但其中還存在一些問題，很多靜音版風扇，由于設(shè)計花費時間長，制造技術(shù)要求也比較高，選材也要精選，因此往往價格很高，用戶需花很多錢購買，本次課題，從大眾角度出發(fā)，站在普通用戶角度，來設(shè)計一種即節(jié)約成本，又能達到靜音效果的

12、大眾化風扇散熱器。論文總體包含以下內(nèi)容：（1）對大眾化機箱結(jié)構(gòu)分析，確定機箱風道走向，估算散熱器可制造的體積范圍。設(shè)計面積盡量大的散熱片。（2）分析中央處理器的發(fā)熱量，散熱環(huán)境情況，計算所需風量。（3）根據(jù)散熱片所需風量來設(shè)計風扇，確定使用材料。（4）根據(jù)轉(zhuǎn)速和允許噪音值合理選擇和設(shè)計軸承。（5）根據(jù)風扇參數(shù)選擇電機類型，計算電機鐵芯大小、線圈匝數(shù)及漆包線截面積。確定線圈纏繞方式，優(yōu)化電機體積。（6）與機箱其它位置風扇配套。2 風扇扇葉的設(shè)計2.1 確定民眾化的處理器發(fā)熱量2.1.1 確定分析對象本次避開了高端的發(fā)燒級別的處理器，如英特爾二代酷睿（core）i7、amd八核推土機這類號稱變態(tài)類

13、的處理器，發(fā)燒級玩家通常要配備更大號的機箱和更大體積散熱器，甚至加水冷，不是民眾化的，而本課題研究的是大眾化的處理器的散熱器。同時也避開了過于老舊的處理器，課題針對lga775針腳及以上、1156針腳及以下等針腳的英特爾和amd處理器散熱器的設(shè)計（注：針腳指電腦處理器接口針腳的數(shù)目類別，不同針腳處理器要搭配不同的電腦主板）。采樣了多種型號處理器的熱功耗（詳見附錄1）。圖3 lga775針腳處理器背面的針腳觸點（引自百度圖片）2.1.2 分析處理器發(fā)熱量在官方網(wǎng)站上查閱處理器廠商的技術(shù)資料，找到各個處理器的廠商標定電功耗值。雙核到四核cpu通常在60瓦到125瓦之間。分析處理器發(fā)熱的來源。分析處

14、理器消耗的電能轉(zhuǎn)換成了哪些能量，根據(jù)熱力學第一定律即能量守恒定律（能量即不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，只能由一種形式能轉(zhuǎn)換成另一種形式能），處理器工作中整體沒有運動，所以轉(zhuǎn)換成機械能的部分為零；同理重力勢能等各種勢能也沒有產(chǎn)生；處理器工作中有電磁輻射，所以有微弱電能轉(zhuǎn)換成了電磁輻射能，但太微弱了基本可忽略不計；還有微弱的不足1%電能轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號能；而剩下的99%都變成了熱能。所以處理器的發(fā)熱量大致等于它的功耗。2.2 分析機箱內(nèi)部環(huán)境溫度。2.2.1 分析電腦機箱其它硬件發(fā)熱量顯卡：機箱中另一個發(fā)熱大戶就要數(shù)獨立顯卡了，中低端顯卡甚至就要比處理器發(fā)熱量還要大。顯卡是實足的電老虎（像nvid

15、ia geforce gtx590高達365瓦 ），但大眾化顯卡通常不會超過120瓦。主板：帶有集成顯卡的主板功耗通常在35瓦以下，不帶集成顯卡的主板功耗通常在20瓦以下。硬盤：目前臺式電腦，主流硬盤還是3.5英寸直徑、7200轉(zhuǎn)每分鐘的，采用液態(tài)軸承的機械式硬盤，單碟封裝的在8瓦左右，雙碟封裝的在9瓦左右。內(nèi)存：通常在3瓦左右。電源：由于電源出風口也是機箱的一個出風口，所以不計入機箱內(nèi)部產(chǎn)熱的一部分。根據(jù)能量守恒定律，任何電器只要沒對外做功，它所消耗的電能最終都要轉(zhuǎn)換成熱能。所以硬件電功耗大致就等于它的發(fā)熱量，整個機箱內(nèi)部不計處理器其發(fā)熱量大致為150瓦。（我們假想的都是電腦在80%以上負荷

16、工作）。2.2.2 分析機箱自身鋼板的有效散熱面積通常的機箱有四個面能夠通過熱輻射方式向外散熱。一個機箱有六個面，下面緊貼地面的一面由于挨著地面，熱輻射能力很差，而且熱空氣向上流動，所以底面基本不散熱；機箱前面板最外面通常都是塑料制成的，熱傳導率很低，也可視為不散熱，就只剩下了四個面能向外輻射熱量。如果機箱做工不是很差，用來制作機箱的鋼板厚度在0.5毫米左右。目前機箱架構(gòu)主要有三個標準，atx架構(gòu)，就是我們通常使用的機箱；btx架構(gòu)，是以后要流行的，對atx架構(gòu)做了優(yōu)化；和迷你小機箱的itx架構(gòu)。我們研究的是最廣泛的atx機箱。正對著箱前面板觀察尺寸大致為長0.18m,寬0.4m,高0.4m。

17、由于熱空氣上升，上表面散熱較多需單獨計算。兩側(cè)面板的面積為： s（兩側(cè)板）=0.4（寬）×0.4（高）×2（兩個側(cè)板）=0.32后面板面積為： s（后面板）=0.18（長）×0.4（高）=0.072兩側(cè)板和后面板總面積為： s（側(cè)+后）=s（兩側(cè)板）+ s（后面板）=0.32+0.072=0.392上面板面積為： s（上面板）=0.18（長）×0.4（寬）=0.0722.2.3 分析機箱自身鋼板的被動散熱能力查找常用材料熱導率表，分別找到鋼板和空氣的熱導率。得到：鋼板的熱導率為：58.6-41.9瓦每米每開爾文（w/m·k），取中間值50?？諝?/p>

18、的熱導率為：0.0244 w/m·k(注：指的是標準環(huán)境下，即攝氏25，相對濕度60%)。由于空氣的熱導率遠遠小于鋼板的熱導率，所以計算機箱表皮所能向周圍空氣散發(fā)的熱量值，我們只計算空氣所能吸走的熱量值。計算機箱內(nèi)外溫差每增加一度時，機箱每分鐘所能自發(fā)向外散熱的熱量的值。計算熱傳導量的基本公式為：q=入×（t1-t2）×t×a/q是傳導的熱量，單位為焦耳（j）；入是材料的熱導率，與比熱容成反比，單位為：瓦每米每開爾文（w/m·k）,由于開氏溫度和攝氏溫度單位代表的溫差值相等，所以k可以用代替；是兩者之間距離，單位為米（m）；t1、t2是溫度差值

19、，單位為攝氏度（）；t是傳導時間，單位為秒（s）；a是傳導表面積單位為平方米（）。所以機箱表面在單位溫差下每分鐘對空氣的散熱值為：兩側(cè)面板加后面板：q（側(cè)+后）= 空氣熱導率× 單位溫差×60秒×s（側(cè)+后）/1（空氣距離可看作單位距離） =0.0244×1×60×0.392/1 =0.573888jq（上面板）=空氣熱導率× 單位溫差×60秒×s（上面板）/1（空氣距離可看作單位距離） =0.0244×1×60×0.072/1 =0.105408j2.2.4 計算機箱內(nèi)每分

20、鐘的總發(fā)熱量由于任何電器只要沒對外做功，消耗的電能最終都要轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即熱量。計算硬件總電功率為：p（總）=p（處理器）+p（獨顯）+p（主板）+p（內(nèi)存）+p（硬盤） 125+120+20+3+9 277w取整280瓦。注：以上均按最大峰值耗電計算。因為實際中電腦使用率多少對耗電影響非常大，很難估算。計算每分鐘消耗的電能：根據(jù)公式w=pt=p(總) ×60s=280×60=16800j即每分鐘產(chǎn)生16800焦耳的熱量。2.2.5 分析機箱內(nèi)部風道如圖4所示，是一個典型的機箱內(nèi)部風道圖：圖4 機箱內(nèi)部風道圖（引自百度圖片）由圖可知，機箱內(nèi)部散熱風道走向如下：進風口一共有a和

21、b兩個口，分別在機箱底板的最前面和左側(cè)側(cè)板上；出風口有三處，分別為c、d、e，c為電源的散熱出風口，d為機箱自身風扇的出風口，e為顯卡自帶的風扇的出風口。所以散熱風道的總體走向為：由底板的a口和側(cè)板的b口吸入外部溫度較低的冷空氣，經(jīng)過風扇由c、d、e三個口排出熱空氣。2.2.6 分析機箱內(nèi)部工作溫度分析各個出風口的排風量。其中c出口為電源自帶的風扇的出風口，因此我們要分析的是電源風扇的風量?，F(xiàn)在主流電源都為了靜音，采用下置直徑12cm和14cm大風扇，而一般中端電源大多采用的是12cm的風扇。電源在低功率輸出時，轉(zhuǎn)速較低，而當電源輸出功率增大時，風扇調(diào)速電路會自動將轉(zhuǎn)速增加一個檔位。本課題取電

22、源70%負載下的風扇運轉(zhuǎn)情況作為研究對象。并且以鑫谷牌電源的，勁持450黃金版電源的的風扇作為參照來研究。鑫谷勁持450黃金版電源，額定輸出功率為350瓦，最大輸出功率為450瓦，散熱風扇采用底部下壓式，直徑12cm大風扇。圖5 底部下壓大風扇式電源這個風扇額定轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)每分鐘，風量為0.8m3/min，也就是說每分鐘可以把0.8立方米的熱空氣由機箱排出。再看顯卡散熱風扇的出風口，通常帶風扇的顯卡散熱器有前后兩個出風口，其中前面風口直接通向機箱外面，即圖4中的e出口。我們來分析這個出風口每分鐘能排出多少熱空氣。本課題以代號為nvidia feforce gts450顯卡為研究對象，這個代號顯

23、卡是可以勝任大多數(shù)主流游戲的顯卡的代表。這個代號顯卡多數(shù)廠商采用下壓風扇，配鋁片加雙熱管作為散熱器，有前后兩個出風口。風扇采用的是8cm直徑的小翼形風扇，正常溫升情況下，轉(zhuǎn)速為1500r/min.風量為0.6m3/min，所以每個風口每分鐘要排出0.3立方米的熱空氣。一般情況下機箱尾部還要額外加裝一個8到10厘米直徑的風扇，作為對機箱內(nèi)部的輔助散熱，這個風扇的出風口即圖4中的d口。市面上主流的靜音版8cm的風扇，大多轉(zhuǎn)速不超過1000r/min，風量一般不會超過0.4立方米每分鐘。所以機箱每分鐘往外排出的熱空氣體積v（排）大約為： v(排)=v(電源)+v(顯卡)+v(箱尾) =0.8+0.3

24、+0.4 =1.5 m3再來計算機箱內(nèi)溫升情況。所謂的溫升指的是工作部件的溫度比外界環(huán)境溫度升高的數(shù)值。前面已經(jīng)計算出機箱每分鐘要產(chǎn)生16800j的熱量。計算溫升的方法就是讓產(chǎn)熱與散熱達到平衡，這時候內(nèi)外溫度差值為多少時，才能達到這樣的平衡。由于前面已經(jīng)算出了機箱每分鐘自發(fā)能夠向外散發(fā)的熱量為：q（側(cè)+后）=0.573888jq（上面板）=0.105408j 由此可見機箱自發(fā)散熱相當微弱，可以忽略這部分，只計算風扇帶走的部分。機箱內(nèi)硬件每分鐘要產(chǎn)生16800j的熱量，風扇每分鐘排出2.8立方米空氣，也就是說每分鐘排出的2.8立方米空氣要包含16800j的熱量，由此可算得溫升。查表得常態(tài)下：空氣

25、的比熱容為：1.005kj（kg·）?？諝獾拿芏葹?.29kg/ m3計算排出空氣質(zhì)量： m（排）=1.5 m3×1.29kg/ m3=1.935kg計算溫升： q=cmtt=q/ cm=16800/1000/(1.005×1.935)=8.6389768.7所以溫升為8.7。假設(shè)夏天外面溫度為30，則機箱內(nèi)部溫度為： t(內(nèi))=t(外)+ t =30+8.7 =38.7所以夏天機箱內(nèi)環(huán)境溫度大約為39。2.3 設(shè)計風葉2.3.1 分析cpu散熱器風扇所需風量查找cpu資料，得到cpu最高工作溫度。通常cpu超過65就有可能發(fā)生因cpu過熱而導致電腦死機或自動重啟

26、。所以本課題以65度為最高上限。所以cpu允許溫升為：t2=t(最高)-t(內(nèi)) =65-39=26所以最高溫升允許為21。由于處理器通常情況下并不能滿載工作，日常情況下，雙核處理器使用率只有30%上下，所謂的處理器性能過剩，而且算風量是按照高端處理器算的，所以本課題沒有對允許溫升進行留余量。課題按照普通民眾能夠用到的比較高端的處理器的發(fā)熱量為計算對象。我們采取的對象為附錄1中的amd fx推土機系列處理器，最中最高功耗的一個型號為125瓦。計算出其滿載時的每分鐘發(fā)熱量q（處理器）為：w=pt,即：q= pt q（處理器）=p（處理器）×60 =125×60 =7500j即

27、每分鐘要由空氣帶走7500j的熱量。計算所需空氣質(zhì)量： q=cmt m=q/(c×t) =7500/1000/(1.005×26) =0.2870264kg 0.29 kg計算空氣體積：v=m/1.29 kg/ m3 =0.29/1.290.22 m3 本課題考慮到實際情況很復雜，風扇的風不會全部能夠吹到散熱片上，并且吹到散熱片上的空氣不會全部能夠有效地帶走熱量，所以最后整定的風量為理論上的1.6倍，由于風扇供電電路模塊有自動調(diào)速能力，所以非滿載情況下并不會因為整定的風量過大而增加不必要的噪音。因此最后得到風量為：0.35 m3/min2.3.2 初步預制風葉整體設(shè)計原則影

28、響風扇噪音大小最大的因素最要數(shù)轉(zhuǎn)速的高低了，轉(zhuǎn)速的大小幾乎起決定性的因素，因此設(shè)計時就要盡量使風扇的轉(zhuǎn)速減低。減低轉(zhuǎn)速的方法可以增加風葉的葉片曲率，增加葉片傾角，盡量加大風葉，但風葉加大了，就會占用圓周上的過多空間，使中心電機的一周360度能夠排列的風葉個數(shù)減少。目前市面上主流風扇大多為七葉和九葉等，我們可以根據(jù)實際情況在保證風力穩(wěn)定的情況下略減一到兩片，同時再盡量加大些葉片弧度，使風扇吹出來的風，不至于過多地散射，使其能夠盡量集中地吹到正前方，增加風壓，減少風量的損失，使風扇電機功率能更有效地轉(zhuǎn)化為能夠利用的風。并且課題設(shè)計的風扇縱向厚度采用目前廣泛使用的厚度2.5厘米標準，增加互換性。2.

29、3.3 用autocad2006繪制風扇粗略模擬草圖。圖6 風葉粗略模擬草圖下面圖7是風扇風葉放到扇框中的粗略模擬草圖圖7 風扇整體模擬草圖2.3.4 設(shè)計風葉曲率葉片曲率指的是將葉片以鐵餅方式橫放在桌面，貼著桌面看去，橫向卷曲程度。如圖8所示ug模擬設(shè)計圖。圖8 葉片曲率（圖中圈圈部分）風葉曲率越大，推動空氣流動的力量越強大，但如果曲率過大，會造成葉片下的空氣過于集中在每片葉片下面一小片區(qū)域，會使氣流擾動加大，也會造成風葉轉(zhuǎn)動阻力急劇加大，降低單位電功率產(chǎn)生的風動力效率，因此必須在合理范圍內(nèi)選擇。所謂的曲率指的是半徑的倒數(shù)，當半徑為1m時，曲率為1。根據(jù)風扇對空氣的攏風特性，只要葉片稍微有一

30、點彎曲，就可以大幅度改善風葉聚攏空氣的能力，所以課題選擇風扇葉片曲率為5，即葉片的卷曲的延長圓的直徑為40厘米。這個曲率即能保證風葉有較好的集風能力，又能很大程度上減輕風的脈動，保證送風的平穩(wěn)。2.3.5 設(shè)計風葉傾角和風葉曲率一樣，風葉傾角對風扇的送風能力影響很大。風葉傾角越大，每個葉片一次能夠吹出的空氣越多。但是也不能過大，也要在合理范圍內(nèi)。如圖9圖9 葉片傾角如果葉片傾角過大，甚至大于45度，勢必會引起風力的橫向，即y方向的竄動，干擾正常的風向，引起自干擾，同時增加軸承所需的扭轉(zhuǎn)力矩。而且風葉傾角過大，會使風葉上下表面的壓強差相差很大，很有可能造成空氣的回流現(xiàn)象，由于氣流的相互攪動，使風

31、噪增加，并且引發(fā)空氣由于自身的摩擦，發(fā)熱增加，降低總體效率。因此此角最大不能大于45度。但也不能選擇臨界值45度，如果選擇45度，還不可避免地產(chǎn)生較多的橫向氣流擾動。實際運用中，要綜合各種因素進行設(shè)計，選擇最合適的葉片傾角。那么本課題到底怎么選擇才是最合適的呢？本課題的原則是盡量降低風扇轉(zhuǎn)數(shù)，但為了保證風量足夠，就要加大每一轉(zhuǎn)的送風量，于是要盡量加大葉片傾角，于是葉片傾角選擇40度。配合較大的葉片曲率，就能夠保證最大幅度加大每一轉(zhuǎn)的送風量，最大幅度降低風扇的轉(zhuǎn)數(shù)。2.3.6 設(shè)計風葉間距，確定風葉個數(shù)風葉間距與風葉個數(shù)之間存在很大的關(guān)聯(lián)，但除此之外電機直徑大小也會影響這兩者，通常的10cm的風

32、扇，電機直徑大約不32毫米，本課題先初步假計使用35毫米電機，以后可以根據(jù)需要對參數(shù)進行修正。計算直徑35毫米的周長數(shù)值： 周長l=直徑×圓周率 =35×3.14 =109.9取整數(shù)110毫米。由于我們選擇了較大的風葉曲率和較大的風葉傾角，因此風葉體積和面積也相對較大，風葉截面的頂端長度達到了32毫米，最底端也達到了25毫米，而我們選擇了風葉傾角為40度，可以計算出風葉底端在電機圓周上占用的長度。圖10 葉片傾角占用圓周長計算每個風葉底端占用的電機圓周長度： 占用圓周長度=風葉底部截面長度×葉片傾角a =25×cos40° =19.15取整數(shù)為

33、19毫米。而電機的圓周長為110毫米，而每個風葉的最前端和最后端不能有重疊的部分，因為也沒有必要兩個風葉有生疊的部分，即增加風扇整體的重量，也浪費材料，同時由于風葉重量的增加，會使電機功率加大，一是浪費電能，二來加大電機功率，勢必要加大電機中鐵芯和繞組的體積，使中軸電機直徑增大，使風扇中心很大一部分為風力盲區(qū)，降低單位面積風扇的有效風量。因此每兩個風葉之間最好有幾毫米的空隙。而上文計算得到每個風葉的最底部截面長度為19毫米，電機圓周長為110毫米，因此可以通過電機圓周長除以風葉底部長度，然后商取整數(shù)確定風葉個數(shù)。計算如下：電機圓周長除以風葉底部長度/每個風葉的最底部截面長度=110/19=5

34、余數(shù)為15，即風葉數(shù)目為5，空隙總量為15毫米。再來計算風相鄰風葉的空隙距離：相鄰風葉空隙距離=空隙總量/風葉個數(shù) =15/5 =3即相鄰兩個風葉之間有3毫米空隙，非常合適。然后還要計算葉片間距： 葉片間距=電機圓周長/風葉個數(shù) =110/5 =22即風葉間距為22毫米。2.3.7 風葉間距和個數(shù)的校核通過分析，葉片間距22毫米理論上是相當合適的，和葉片傾角和葉片曲率一樣，葉片間距對風扇性能也有重要影響。比較小的風葉間距可以大幅度降低風的擾動，使風力非常平穩(wěn)地吹向散熱片。也降低了風噪。風葉個數(shù)的校核：通常無論是風扇還是飛機的螺旋槳等，葉片的數(shù)目大多奇數(shù)，而不采用對稱的偶數(shù)，這是因為，如果采用偶

35、數(shù)個數(shù)，而風葉總體設(shè)計和制造中，存在一些缺陷，使風葉總體對稱和平衡性達不到最佳，往往造成運行中，由于不平衡導致噪聲和震動大大增加，甚至發(fā)生共振。共振的危害是極大的，不止加大噪音，還具有破壞性。如果軸心的電機和軸承長時間處于共振，很可能造成軸的疲勞而突然斷裂。因此為避免不必要的麻煩，風葉個數(shù)多采用不對稱的奇數(shù)形式，本課題設(shè)計了擁有五片葉片的葉片個數(shù)，也恰恰符合了這一項要求。所以風葉間距和風葉個數(shù)目前都符合要求。2.3.8 設(shè)計葉端間距葉端間隙指的是俯視風扇的圓盤面，風葉最外緣與邊框的間距，如圖11：圖11 葉端間距葉端間距可能很多人對它對風扇的總體影響到底有多大，恐怕并不知道，其實葉端間距對風扇

36、性能的影響也是很大的。也是風扇設(shè)計中的大難題。葉端間距過大會造成氣體的回流，降低效率，同時使有限的扇框的利用率降低。但如果葉端間距過大，則會使氣流與風扇外框間的摩擦加大，造成功率的浪費，也會使發(fā)熱增加，風噪增加。通常傳統(tǒng)的風葉都是風葉最前端與最尾端與扇框距離保持一致，于是課題改變傳統(tǒng)形式，讓最尾端的葉端間距與最前端的葉端間距略大一點。讓最前端與扇框保持2毫米的葉端間距，而最尾端與扇框保持4毫米葉端間距，使效率與噪音達到雙平衡。如圖12：圖12 葉端間距風葉最尾端比最前端略大2.3.9 設(shè)計風葉弧度拿來一只風扇，如果從上面俯視看去，會發(fā)現(xiàn)葉片并不是由軸心直線向外延伸出去的，而是帶有一定的弧線。如

37、圖13： 圖13 葉片弧度如果葉片沒有弧度，而是筆直地向外延伸出去，這樣風扇轉(zhuǎn)動時，吹出的風就會發(fā)散著向外吹出，風力不集中，降低風扇的有效風力。如果使風葉帶上一定的弧度向外延伸出去，這樣風葉吹出的風就會由于風葉的弧度的影響，在出葉片時，被葉片的弧形曲線聚攏一下，使風力集中，增加風壓。但是風葉弧度也不可過大，過大了會使葉片的面積增大，也會使流動的空氣產(chǎn)生橫向的攪動，產(chǎn)生紊流，降低效率，增加風噪。因此也要在合理范圍內(nèi)選取。本課題選取了曲率半徑為100mm。本課題根據(jù)了初步設(shè)計的葉片延伸的曲率，計算了弧度。根據(jù)弧度的定義：弧長等于半徑的弧，其所對的圓心角等于一弧度。所以可以看出弧度與所在圓的半徑?jīng)]有

38、關(guān)系。而所謂多少弧度指的就是其所對的圓心角的角度。因本課題將要設(shè)計的風扇尺寸為90mm，內(nèi)徑的尺寸為86mm,所以內(nèi)框半徑為43mm,而所設(shè)計的電機直徑為35mm,葉端間距最前端為2mm,最尾端為4mm。所以平均葉端間距為： 平均葉端間距=（最前端葉端間距+最尾端葉端間距）/2 =（2+4）/2 =6/2 =3mm即平均葉端間距為3mm。然后來計算弧度?；《?弧長/半徑弧長=風扇內(nèi)框直徑/2-電機直徑/2-平均葉端間距 =90/2-35/2-3 =45-17.5-3 =24.5mm本課題已經(jīng)選取曲率半徑為100mm,因此計算弧度為：弧度=24.5/100 =0.245即設(shè)計的葉片弧度為0.24

39、5弧度。2.3.10 設(shè)計風葉的軸心高度本課題的軸心高度指套在電機上的電機殼的縱向厚度。如圖14： 圖14 軸心高度 軸心的高度和葉片的大小與風扇的整體縱向尺寸密切相關(guān)，我們將要設(shè)計的風扇的縱向尺寸為25mm，假設(shè)電機底座高度為3毫米，風葉電機殼距離風電機底座也是3毫米，然后風扇最頂部距離風扇邊框為1毫米，可以算得軸心高度為18毫米。但由于本課題中要設(shè)計的風扇的葉片尺寸較大，所以要把葉片上的電機殼做成中間凸起的形狀，即可有足夠大的表面積安置風葉，又可以增加藝術(shù)美感。如圖15為設(shè)計后的預想圖?？雌饋砗芟耧w機的螺旋槳。圖15 風扇預想圖2.3.11 計算風葉最大外徑根據(jù)前面已經(jīng)求得的參數(shù)，可以輕松

40、算得風葉的最大半徑： 最大半徑=扇框內(nèi)半徑-最前端葉端間距 =43-2 =41mm所以風葉最大半徑為41毫米。2.3.12 整理設(shè)計參數(shù)，繪制圖樣綜上所述，本課題初步設(shè)計出了能夠很大程度上減少噪音的風葉結(jié)構(gòu)，其各項參數(shù)如表1：表1 風葉設(shè)計參數(shù)表格參數(shù)名稱數(shù)值風扇葉片曲率5葉片傾角40度風葉最大外徑41毫米風葉間距22毫米風葉數(shù)目5個葉端最小間距2毫米風葉弧度0.245風葉的軸心高度18毫米風葉最大半徑41毫米風葉平均半徑40毫米風葉截面最頂端長度32毫米風葉截面最底端長度25毫米根據(jù)整理得到的參數(shù)，繪制風葉圖樣：圖16 風葉圖樣3 計算風扇所需轉(zhuǎn)速3.1 計算風扇每轉(zhuǎn)的理論風量3.1.1 計

41、算每片風葉的空間容量計算每片風葉的有效空間容量：風葉長度=風葉平均半徑-電機直徑/2 =40-35/2 =22.5mm 根據(jù)圖17所示計算每個風葉的空間容量：圖17 風葉空間容量示意圖風葉平均截面長度=（風葉截面最頂端長度+風葉截面最底端長度）/2 =（32+25）/2 =57/2 =28.5mm設(shè)計的葉片傾角=40°；三角形面積s=底×高/2。風葉空間容量=(x×y)/2×風葉長度 =（28.5×sin40°）×（28.5×cos40°）/2×22.5 =（18.32×21.83）/

42、2×22.5 =399.9256/2×22.5 =199.9628×22.5 =4499.163mm3 4500 mm34500 mm3 =4.5cm3(立方厘米)所以每片風葉的空間容量為4.5立方厘米。3.1.2 計算風扇每一轉(zhuǎn)的理論風量雖然直觀上每一轉(zhuǎn)的風量是等于每一片的風葉的空間容量乘以風葉的個數(shù)，但實際上由于每一片的風葉都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，所以每片風葉轉(zhuǎn)動一周都會將整個扇框一周的空氣吹出風扇出口，風扇轉(zhuǎn)一圈相當于五倍于風扇扇框容量的空氣吹出風扇。因為空氣不是固態(tài)的，具有流動性。由于任何物體都具有慣性，空氣也一樣具有慣性，而且風扇轉(zhuǎn)動時，在風扇內(nèi)部會形成一個壓力

43、比較小的區(qū)域，這樣造成了風扇內(nèi)外的壓力差。所以當?shù)谝黄L葉將空氣推出去之后，后面的空氣還會由于慣性和壓力差的作用繼續(xù)經(jīng)過風扇。所以就不能以每片風葉容量乘以風葉個數(shù)來計算每一轉(zhuǎn)的風量了。由于風葉是高速旋轉(zhuǎn)的，所以幾乎每時每刻經(jīng)過的風量是相等的，所以每一轉(zhuǎn)的排出的空氣量就大致等于風扇扇框的空間大小乘以風葉片數(shù)。但還有不能忽略的兩個問題就是：一是風扇軸心部分是電機，這部分沒有空氣流通，所以計算空間時，還要將電機部分所占用的空間去掉。二是風葉的高度差并不等于風扇扇框的高度，而是比扇框高度要小，課題前面已經(jīng)計算出來風葉的高度為：風葉高度差=風葉平均截面長度×sin葉片傾角 =28.5×

44、;sin40° =18.32mm 18.32mm=0.01832m。然后來計算電機所占用的柱形體積：圖18 電機占用的中心空間計算的電機所占空間如下： 電機體積v=3.14×r2×風葉高度差 =3.14×（35/2×10-3）2×0.01832 =3.14×（1.75×10-2）2×0.01832 =1.761697×10-5m3 1.76×10-5m3立方米課題所設(shè)計的風扇扇框為正方形，邊長為9厘米，內(nèi)框為圓形，扇框最薄的地方厚度為2.5毫米，計算扇框內(nèi)徑大?。簝?nèi)徑=扇框邊長-扇框厚

45、度×2 =9×10-2.5×2 =85mm85mm=0.085m計算扇葉所占用的環(huán)形柱形空間： 扇葉環(huán)形柱形空間=內(nèi)框柱形空間-電機空間 =3.14×（0.085/2）2×0.01832-1.76×10-5 = 1.04×10-4-1.76×10-5 =8.64×10-5 m3最后計算風扇每一轉(zhuǎn)的理論風量： 每轉(zhuǎn)理論風量=扇葉環(huán)形柱形空間×風葉個數(shù) =8.64×10-5×5 =4.32×10-4 m33.1.3 對理論風量進行折算在實際中，考慮各種影響理論風量的因素

46、。比如風葉并不是嚴絲無縫排列在風扇整個圓周上，相鄰之間存在空隙，在空隙處可能會產(chǎn)生風葉上下表面間的回流現(xiàn)象；由于風葉附近氣壓偏低，使實際進入風葉的空氣量不足；扇葉周圍存在空氣擾動，對空氣流通產(chǎn)生阻力；還有由于風葉附近空氣流通特別快，難以避免會在風葉附近存在紊流現(xiàn)象。很多未知因素都會使實際風量低于理論值，所以本課題將理論風量折去百分之二十后作為假定的風量。每轉(zhuǎn)的風量實際計算結(jié)果如下：每轉(zhuǎn)風量=理論每轉(zhuǎn)風量×（1-20%） =4.32×10-4×80% =3.456×10-4m3所以每轉(zhuǎn)風量為：3.456×10-4立方米。3.2 計算風扇所需轉(zhuǎn)速3

47、.2.1 計算風扇的理論轉(zhuǎn)速課題前面章節(jié)通過計算得出，散熱器需要的風量為0.35m3/min。因此我們只需用每分鐘總的風量除以風扇每一轉(zhuǎn)的風量就可以得出需要的轉(zhuǎn)速。但計算前還需要進行單位轉(zhuǎn)換：每轉(zhuǎn)風量為3.456×10-4立方米。所以風扇的理論轉(zhuǎn)速為： 轉(zhuǎn)速=風量/每轉(zhuǎn)風量 =0.35/（3.456×10-4） =1012r/min最后得到結(jié)果：風扇理論轉(zhuǎn)速為1012轉(zhuǎn)/分鐘。3.2.2 綜合分析，得到額定的轉(zhuǎn)速實際運用中，由于風扇的風是往散熱片上吹，風的路徑并不是暢通無阻的，很多因素都會使有效的風量大打折扣，如果風壓不是足夠大，很有可能風到達不了散熱片最底端，還有主機中各

48、種電源線及電子元氣件的阻擋，都會使有效風量降低。都要在理論的基礎(chǔ)上另加折算。本課題選擇了較大的葉片曲率和葉片傾角，有效地保證了風壓，使風不至于吹不到散熱器最底端。而本課題設(shè)計的風扇，也沒有過于使用直過大的風扇，雖然直徑再大些，能更有效地降低轉(zhuǎn)速，同時風扇直徑過大，雖然風量設(shè)計成一樣，但風壓會降低很多，吹出的風不能夠保證到達散熱片最底端。所以本課題綜合考慮選擇了直徑九厘米，延續(xù)了市面上的九厘米風扇尺寸，沒有設(shè)計成偏僻的尺寸，使產(chǎn)品具有相當高的互換性，不用重新再購買散熱片，直接換風扇就可以。課題理論計算出的每分鐘一千轉(zhuǎn)，雖然風量足夠，但風壓會不夠大，為了使風一定能夠吹到散熱片最底端，課題整定的轉(zhuǎn)速

49、為1500轉(zhuǎn)每分鐘。配合電機的溫控調(diào)速電路，通常不會讓其工作在額定轉(zhuǎn)速下，只有當cpu滿載和溫度過高時才會工作在額定轉(zhuǎn)速下，平時由于有溫控調(diào)速電路的調(diào)節(jié)，故轉(zhuǎn)速通常不會很高，所以靜音效果是很明顯的。綜上所述，最后設(shè)計額定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘。比市面上平均2000轉(zhuǎn)降低了很多。4 軸承和電機部分的設(shè)計4.1 選擇軸承4.1.1 各種風扇軸承簡介目前散熱風扇的軸承種類繁多，附錄3中列出了目前大多數(shù)軸承的參數(shù)。含油軸承：目前市面上的十元左右的風扇大多選用的是含油軸承，這種軸承不帶有滾珠，軸和軸瓦間依靠油來潤滑。這種軸承噪音較小，工作環(huán)境要求低，但壽命較短，不超過八千小時，而且噪音會隨著使用時間的延

50、長時加大。液態(tài)軸承：最昂貴的風扇所使用的軸承就要數(shù)現(xiàn)在用在硬盤上的液態(tài)軸承了，它以油來代替滾珠，最大幅度地降低了噪音，增加了工作壽命，同時由于采用油作為填充物，所以散熱良好，常作為高速軸承，如用于服務器上的每分鐘萬轉(zhuǎn)甚至一萬五千轉(zhuǎn)的高速硬盤都采用的是液態(tài)軸承，就連普通個人電腦硬盤，也在十年前采用了液態(tài)軸承。液態(tài)軸承由于軸承與軸瓦不存在直接接的機械接觸，并且有油作為緩沖物，所以抗震能力了相當好。缺點就是價格很高，只有很高端的風扇才會采用液態(tài)軸承。滾珠軸承：風扇軸承還有滾珠軸承，并且滾珠軸承還分為雙滾珠和單滾珠軸承。滾珠軸承相比含油軸承，采用滾動摩擦來代替滑動摩擦，所以壽命比含油軸承長。但如果由于

51、滾珠的制造精度不夠高，噪音會比較大。其中單滾珠軸承作為雙滾珠軸承與含油軸承的折衷產(chǎn)物，因價格比雙滾珠軸承低，比含油軸承略高，但壽命比含油軸承長，并且噪音一般不會隨著使用時間的延長時增加，所以一般很多風扇配的是這種軸承。除此之外還有含油軸承的改進型來福軸承（含油軸承的改進型）、磁懸浮軸承和納米陶瓷軸承等。4.1.2 選用軸承風扇的壽命往往取決于軸承的壽命。本課題的宗旨是價格低，也要靜音，使用壽命也不能過短。而來福軸承比較適合。來福軸承工藝要求較低，所以加工起來比較容易，將加工的成本降了下來。來福軸承是普通含油軸承的改進型，適合轉(zhuǎn)速較低的場合。繼承了噪音低的特點，其增加了逆向螺旋形導油槽，壽命大大增加，可以達到四萬小時。來福軸承對高轉(zhuǎn)速的適應能力差，而靜音版的風扇轉(zhuǎn)速都不能太高，所以很適合本課題的遷用。所以本課題選擇來福軸承作本風扇的軸承。4.2 設(shè)計電機4.2.1 選擇電機類型，確定是否有無功功率臺式電腦的cpu散熱風扇都是由專門的供電線路供電的，風扇的供電線都是通過特別的插頭插到電腦主板上專門的供電插座上的。風扇上的供電導線通常都