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低噪音大風量風扇之設計探討
2009/05/14-唐鴻  

主動式的散熱機制中,目前大部分個人電腦或是伺服器仍是以風冷散熱為主流。風冷散熱的結構大致上就是風扇加上熱承載與加大散熱面積的散熱片所組成,後者在材料技術與導熱管(Heat Pipe)技術進步下,與過去相比有了飛躍似的進步,不過在晶片發熱量越來越大下,無論散熱片再強大,提供強制散熱能力的風扇地位仍無可動搖,目前主要研發方向,是在降低噪音的情況下,設計出高風量(higher airflow)、高靜壓(higher static pressure)的散熱風扇。

電腦運作中產生的熱,常被稱為熱能,但嚴格來說,熱實際上並不是1種能量,而是能量的傳遞方式。熱的傳遞方式眾所週知,必定以傳導、對流、輻射這3種方式進行,電腦元件或內部半導體IC的散熱方式也不例外。理論上,任何散熱系統都應該追求效率,如根據資料統計,8%的電腦故障是由散熱不足引起的,如果通通採用高效率散熱模式,可以讓前述故障比率大幅降低,不過以現實層面觀察,散熱效率卻不是電腦散熱唯一考量的變因,例如得加上成本、安全性、維護難易度等因素。


圖說:近代半導體科技的持續進展,如持續微型化、高速化及高功率化的發展潮流下,半導體科技與散熱技術的關聯性越來越密不可分,許多半導體技術無法實作或商用化,即卡在散熱問題,主因為半導體技術雖然進步,理論上晶片發熱量會降低,但晶圓面積與封裝尺寸也大幅縮小,熱的分佈越來越不平均,適當的散熱成了相當大的挑戰,也讓散熱的重要性持續受到業界的重視。

因此散熱技術發展多年,但電腦熱源元件的散熱方式,大致仍只分為氣冷(Air cooling)與液冷(Water cooling,後者未必用水,稱液冷較為妥當)。液冷散熱的效率遠大於氣冷散熱,相同材質的風冷散熱器(air cooled vapor chamber heat sink)及液冷散熱器(liquid cooled heat sink)作比較分析,結果顯示風冷散熱器的熱阻值在攝氏0.72至0.6/W,而液冷散熱器的熱阻值與壓力降之影響參數為流量,熱阻值大小在攝氏0.42 至0.35/W間。


氣冷散熱效率雖遜液冷 然安全性高維護簡單仍是主流

由前述的數據,效率幾乎是氣冷兩倍的液冷,目前卻仍不是散熱的主流架構,因氣冷模式建置較簡易且不用擔心冷卻液外漏的問題,在成本、安全性即後續維護的綜合考量下,仍是散熱架構主流。

常見的氣冷散熱大致可以分為三類:
一、在系統內配置散熱風扇形成冷熱空氣對流。
二、針對熱源元件使用鋁擠,或導熱管結合鰭片式散熱器。
三、鰭片式散熱器搭載散熱風扇。

除了前述較為普遍的解決方案,在業界亦有推出將冷氣的壓縮機微型化後放入電腦機殼內,或將致冷晶片應用在電腦機箱的散熱上等成本更高昂,但也更耗電的氣冷散熱方案。

但無論氣冷散熱如何變形使用方便又成本合理的散熱風扇在氣冷(Air cooling)散熱模組(Air Cooling Module)中,扮演著主動式散熱的重要角色。不過在越來越重要的消費性電子領域中,選擇使用風扇的考量點除了要求散熱效能高外,運轉噪音低是另1項選擇要點。

因此在電腦散熱議題,相同的散熱效能與噪音的條件下,風扇有逐漸往大尺寸與轉速較低發展的趨勢。但由於機殼空間的限制,無法無限制地加大風扇尺寸,因此以相同尺寸的散熱風扇而言,其散熱效能取決於扇葉形狀的設計,扇葉直徑和軸向長度。另外,降低運轉噪音的課題,業界多由減少扇葉風切聲,與使運轉元件(即軸承)穩定作業兩個重點著手,朝向低噪音大風量的目標研發。


低噪音大風量風扇:扇葉設計

關於提升扇葉散熱效能,有葉片設計的角度、葉數及葉形幾項因素。最佳葉片角度及葉數,已有許多研究結果。一般常見的葉形有鐮刀形與梯形扇葉,兩者相比,鐮刀形扇葉運轉時比較平穩安靜,但所能產生的風壓也較小;梯形扇葉容易產生較大風壓,但噪音也較大。

如何在最佳角度下,找到增加風量並降低風切的最佳葉形,並在不高的風扇轉速下產生較大的風量和風壓,同時也不會產生太大的風噪聲,成為課題之1。除了形狀以外,葉片傾斜的角度也很重要,需配合的馬達定子特性和散熱需求來設計。

若一昧追求葉片傾角大,可能會出現風切噪音大風力小的情況。近年業界開發出「雙波葉形」,其特點為增加扇葉表面積,並因形成兩道掃風的波形,散熱效能較一般常見的單波葉形高。


圖說:風扇葉片可經由風洞實驗測試風扇靜壓與風量之性能曲線圖以及無響室測試風切噪音,以驗證設計。傳統單波葉風扇的風量曲線。(ENERMAX)


圖說:改良的雙波葉風扇,能夠在長度相當的情況下,增加扇葉表面的面積,並有兩道掃風的波型,效率較高。(ENERMAX)


低噪音大風量風扇:軸承設計
運轉元件-軸承有許多種類,常見為滾珠軸承、含油軸承。一般而言,含油軸承在使用初期噪音低,但隨著潤滑油的揮發以及灰塵進入軸承內,引起風扇轉速變慢噪音增大等問題,使用壽命相對其他軸承類型要短。

滾珠軸承,分為單滾珠軸承與雙滾珠軸承兩種。單滾珠軸承是改進含油軸承,採用滑動摩擦和滾動摩擦混合的形式,其轉子與定子之間用滾珠進行潤滑,並配以潤滑油。優點是擁有含油軸承的靜音特點與雙滾珠的長壽特點,但由於加入滾珠,會有噪音增大的缺點。

另外,業界也有許多成本較滾珠軸承經濟,從含油軸承結構改良的種類。但這些軸承仍不脫含油軸承的關鍵因素-潤滑油,一旦因積塵運轉不順,或油封結構不良而耗損,則開始產生運轉異音,壽命告終。

業界另開發出結構為磁力滾珠的奈米塑鋼軸承,簡稱磁力滾珠軸承。奈米製程的塑鋼軸承本身具有自潤性,無須潤滑油,便可穩定運轉。目前相較於其他種類的軸承,磁力滾珠軸承的構成組件數量最少,組件之間的摩擦也最小,可降低軸承的摩擦損耗,延長軸承運轉壽命。

此外,此軸承的結構設計讓扇葉好拆卸及安裝,方便使用者清潔。因此磁力滾珠軸承具有10萬小時長壽命、低噪音與扇葉可拆的特點。


圖說:新設計的磁力滾珠軸承解剖圖,其優點是能夠減緩磨耗與軸承噪音。(ENERMAX)


新設計風扇首個應用案例 落實於電源供應器

結合雙波葉、奈米塑鋼軸承之風扇,擁有低噪音、高風量、高耐久之特性,且成本合理,是諸多消費性電子之理想主動式散熱方案,例如電源供應器、CPU/顯示卡,系統機殼等所需要的散熱風扇。

例如採用此散熱方案的電源供應器,經過專業評測者測試比對,在靜肅、溫昇、節能表現上,都明顯領先採用滾珠軸承或是含油軸承的風扇的產品。此應用的產品,於今年Q1上市,已經在日本、歐洲區域廣受注意。(本文由保銳科技提供)


圖說:最後設計完成的新概念雙波葉風扇。(ENERMAX)


圖說:雙波葉風扇的第一個應用案例,出現在電源供應器上。

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商情專輯-讓高密度高熱量IC能穩定運作的散熱新效率
關鍵字 
保銳科技(ENERMAX)散熱器風扇
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