浅谈散热风扇•为何扇叶有个“环”?
扇叶上为什么有个环?
在选购散热风扇时,相信大家都能见到这样的风扇:它们的扇叶外圈有一个“环”,观感非常独特。
亦或这样:
你是否有想过这一“环”的设计目的,是否对它的功能有些疑惑?一圈小小的环,为何成为了各厂商争相应用的“性能秘籍”呢?
在这篇文章里,我们就将详细讲解这一“环”的诞生,以及这一设计的优势。希望能解开你的疑惑在此之前,我们需要先从“框叶间距”这一概念说起。
框叶间距是什么?
顾名思义,“框叶间距”,抑或“尖端间隙”,指的是风扇的扇叶末端与内边框的距离。它对风扇的性能有着相当大的影响,有时甚至能够超越扇叶本身。
众所周知,扇叶的尺寸越大,风扇的性能越强。但在通常情况下,12cm风扇的间距至多也仅有3mm左右。相比120mm的框体直径,叶框间距对扇叶尺寸虽有影响,但可谓微乎其微。
而令叶框间距起决定性作用的因素,正藏在“框”与“叶”之间。在风扇转动时,扇框与扇叶间微小的间隙会泄露一些气流。这些泄露的气流在附近产生涡流,造成所谓“尖端泄露”。
涡流所产生的位置正是扇叶末端,而对我们所使用的散热风扇而言,扇叶末端的线速度最大,因而对性能的影响也最高。泄露的气流量越多,产生的涡流也越多,风扇的效率愈发明显地下降,产生的噪音越来越剧烈地增加。
根据追风者的说法,在散热器与冷排上,叶框间距每缩小0.1mm,CPU温度便会下降1-2℃。框叶间距的重要性可见一斑。也正因此,在强调性能的风扇上,往往会不遗余力地压缩叶框间距。
但是,叶框间距也并非越小越好。事实上,压缩叶框间距会遇到相当大的困难,甚至有些“吃力不讨好”。
叶框间距的挑战
在较高的转速下,风扇的扇叶末端会承受不小的离心力。它们会让扇叶的直径略微变大,缩小扇叶与扇框之间的间隙。风扇的转速越高,离心力的作用就越明显。
尽管这一变化造成的影响非常细微,通常不足1mm,在用户眼中常常可以忽视。但对于风扇设计而言,这是一项巨大的挑战。
当扇叶形变量大于框叶间距时,扇叶与扇框间发生剐蹭,严重的“扫膛”现象就此发生。扫膛产生的噪音极为刺耳,将让人彻夜难眠。它更会对扇叶与扇框造成相当大的损害,意味着风扇寿命的终结。
拉高风扇的转速,则必然会增大离心力。高转速下,更大的形变让扇框与扇叶的距离变小。为了防止扇叶与扇框产生碰撞,势必要略微增大框叶间隙,而这又会影响风扇在低转速下的性能。
此外,风扇在工作时所产生的振动,也会对叶框间距产生微妙的影响。风扇所使用的轴承不同,高转速下的形变量也会略有差距,搭载含油轴承的风扇,变化量会略大于双滚珠轴承。
雪上加霜的是,考虑到风扇需要有高可靠性,热胀冷缩的影响也不能忽视。而吊装与垂直安装的重力作用不同,也会造成叶框间距的变化。
此外,经年累月的反复形变,离心力还会让扇叶产生微小的“蠕变变形”,进一步缩小框叶间距。
越小的框叶间距,意味着留给扇叶的形变量就越小。为了不产生灾难性的“扫膛”情况,在风扇的设计阶段,这些因素都应当被充分考虑进来。
也正因此,尽管对性能的影响非常大,各品牌风扇的叶框间距还是不约而同地保持在1-2mm左右。
破局者•设计篇
然而,绝对性能实在是太具有吸引力,因此也诞生不少缩小叶框间距的例外作品。大名鼎鼎的“温柔台风”,便是NIDEC工业设计的结晶。
“温柔台风”特别加强了扇叶根部,并将风扇的轴心设计得相当大。在材料方面,NIDEC在PBT与ABS中混合了玻璃纤维,以此增强扇叶的性能。这一切都是为了对抗离心力的影响,从而尽可能地缩小框叶间距。
“温柔台风”扇叶表面的花纹,是NIDEC努力对抗离心力的结晶
但即便NIDEC已经做了如此多改进,“温柔台风”的扇叶还是只能达到约2500RPM的最高转速。对于消费级市场而言,这或许已经够用了。但对工业产品来说,这还远远不足。倘若要继续提升转速与性能,就必须得在其它方面下功夫。
对此,NIDEC所选择的路线是——额外加固扇叶!在高转速版本的“温柔台风”GT-Hi上,NIDEC祭出了那著名的“整流环”设计,成就了“温柔台风”在高转速下也始终如一的微小间隙。
虽然名为“整流环”,但它最主要的设计目的其实是加固扇叶。为了减小在高转速下产生的形变,“整流环”因此而诞生。
整流环的位置也经过仔细考量。如前所述,扇叶末端的线速度最大,因而对性能的影响也最高。因此,NIDEC没有将“整流环”直接设计在扇叶的末端,而是保留了一段距离,这也造就了“温柔台风”奇特的外观。
那么,整流环是否会影响性能呢?答案是肯定的。整流环的存在,其实相当于减少了一部分扇叶体积,一定程度上降低了扇叶的同转速性能,风量、风压都受到了一定的影响。身为“温柔台风”系列的老大哥,GT-Hi的同转表现反而不如低转速的GT。
但是,整流环拥有引导气流的作用,同时保持了更小的框叶间距,因此扇叶在同转下的噪音得以降低。相比其它高转速的“暴力风扇”,“温柔台风”能够在同等噪音下达到更高的转速。
此外,在没有扇框的情况下,“整流环”还能显著提升风扇的密封性,甚至反而能大幅提升风扇的同转性能。因此,显卡风扇正越来越多地采用“整流环”。
“整流环”的设计得到了广泛认可。酷冷至尊的莫比乌斯、SF120M等风扇,也采用了与“温柔台风”类似的环形扇叶设计。
在添加这些设计以前,酷冷至尊风扇的噪音、振动等表现均不突出。但在引入环形扇叶之后,产品性能得到了不少改善。
而在Arctic的产品上,环形扇叶的设计目的更加明显。
在AC P12/P14风扇上,标志性的五片扇叶薄如刀片。它们承受着很大的离心力,强度限制了扇叶潜力的发挥。
因此,当ARGB版本的P12更换为材料更加脆弱的透明叶片时,Arctic就额外为它设计了加固环。这略微降低了P12 ARGB的同转性能,但显然是值得的。
最近,Arctic还发布了最新的P12 MAX系列风扇,为普通版本的P12也附上了加强环。
后记
小小的叶框间隙,却凝聚了工程师无数的心血。一分一毫之间,决定着风扇性能的高低。
尽管使用非常广泛,且对成本和制造技术的要求相对较低,但整流环的设计并不算完美。它虽然显著增强了扇叶强度,并同时降低了噪音,但也略微影响了性能。
那么,有没有全都兼顾的办法,以求各方面的极致?事实上,厂商们从未止步。下一篇文章里,我们就将继续解析各大散热厂商在缩小框叶间距上所做出的努力。
这篇文章到这里就结束了。如果对本文内容与风扇选购有疑惑,随时欢迎与我交流!
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