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CN112128124A - 电子设备风冷散热轴流冷却风机 - Google Patents

电子设备风冷散热轴流冷却风机 Download PDF

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CN112128124A CN202011043022.8A CN202011043022A CN112128124A CN 112128124 A CN112128124 A CN 112128124A CN 202011043022 A CN202011043022 A CN 202011043022A CN 112128124 A CN112128124 A CN 112128124A
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周晓东
熊长武
何智航
任建峰
翁夏
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Abstract

本发明公开的一种电子设备风冷散热轴流冷却风机，旨在提供一种效率高、振动小、风量大、背压高和噪声低的轴流风机。本发明通过下述技术方案实现：机壳为向后抽风风道，前端宽中间窄后向宽，具有倾角内壁且中间各截面按线性规律变化的双漏斗状倾角风道机壳，叶片采用前弯折缘型，由上倾角为至少‑14°的吸力曲面和下倾角至少为‑11°的压力曲面构成轴流掠形叶片，与风机气流方向和风道相匹配的螺旋状弧度导流静叶，导流静叶将叶轮后气流旋绕产生的动能转变为压力，机壳倾角内壁阻止风机叶片叶顶泄露，将机壳内壁压力进行切割，与轴流掠形叶片形成强制气流，阻止风机叶片边界层的分离，将气流送出去。

Description

电子设备风冷散热轴流冷却风机
技术领域
本发明涉及一种面向于机载、船载及车载等多种装载平台应用，能为电子设备风冷散热提供高可靠性大风量风源，并且噪声较低的高性能风机，尤其是一种大风量低噪声轴流冷却风机。
背景技术
风机是输送气体，把原动机输入的机械能转变为气体动能和压力能输出流体机械装置。长期以来轴流式风机因其结构简单、使用方便、噪音低、流量大，排气通风效果也很显著被广泛应用在各行各业中。轴流风机主要由风机叶轮和机壳组成。通常低噪音轴流风机叶柄采用法兰式安装结构，轮毂外表面周边设有用于安装法兰式叶柄的沉孔。
风机噪声以空气动力噪声为主，它主要是由于气体的非稳态流动，也就是气流的扰动，气体和气体及气体和物体互相作用所产生的噪声。根据噪声源的不同可分为涡流噪声和旋转噪声。旋转噪声由叶片周期性地与周围空气相互作用而产生，与风机叶轮及叶片的几何结构有关，具有离散特性；涡流噪声是由于流动的压力脉动和叶片边界层的分离而产生，如来流的不稳定、湍流边界层、脱落涡和叶尖涡等，具有宽频特性，是风机的主要噪声源。研究表明，风机效率和噪声的大小与叶轮的气动特性密切相关，而叶片的几何形状是决定叶轮气动特性的主要因素。如平板形叶片产生的涡流较大，故涡流噪声也较大；而直叶片的冲击噪声较大。因此，合理改善风机叶片几何形状，是降低噪音、提高风机冷却性能的有效手段。
当前航空、航天等领域应用的电子设备其功率越来越高，发热量也越来越大，需要高可靠性大风量的轴流风机辅助进行辅助散热。电子设备的冷却方式很多,主要包括空气冷却、液体冷却和相变冷却等。由于航空飞行器、雷达通讯系统和电子系统对电子散热设备的特殊性要求,采用液体冷却比较困难.空气冷却具有方便、设备简单及低成本等特性,应用相当广泛.其中风机冲击射流在局部冷却及快速散热等方面具有绝对优势,配合热沉对电子元件进行冷却,是解决航空电子设备散热问题的有效途径。发热源热量通过与其表面直接接触的热沉向外导热,再由高速转动的风机将大部分热量通过对流方式带走,从这个散热过程可以看出风机是整个散热系统的中枢,担负着将热气流吹走的重任。目前市场上的大风量轴流风机通常噪声较大，例如对于叶片直径为70mm的轴流风机，当其风量大于105CFM@28V时，按 GB/T10069.1-2006标准测得的噪声通常大于80dB。风机的噪声对人体十分有害，影响人的听力，而且会引中枢神经系统病理性变化，导致记忆力衰退等精神综合征，同时也非常不利于电子设备的使用、调试维护和保养。影响轴流风机性能的因素很多,如何使得在一定工作条件下轴流风机气动性能最好是轴流风机设计中迫切需要解决的问题。风机叶片安装角的不同，会使得叶片表面的压力分布、速度分布等发生相应变化，从而对风机的流量、效率以及噪声等产生重要影响。在一定范围内，安装角减小，叶片的气动噪声会随着叶片表面的压力脉动和负荷减小而减小，但是过小的安装角也会使风机的流量和效率都下降，不能满足风机的静特性需求；相反的，安装角增大，叶片表面的压力脉动和负荷都增大，同时过大的安装角甚至使风机处于失速的情况，但增大安装角也会使风机流量有较大提高。在最大效率方面, 安装角愈大代表叶片越直立,所承受的风阻和损失也越大,效率降低,马达所需的功率必须增加才能使风机正常运转。在相同转速条件下,叶片数从6减为4片时,气体从叶轮得到的能量减少,风机整体的效率、静压、功率都有呈现下降的趋势.当叶片数增加至8叶时,虽然可增加气体从叶轮上得到能量,但叶片数太多会对气体形成较多的扰动,增加湍流能量损失,使得风机效率下降,流量和静压增加不多.因此合理选择叶片数对风机的性能具有显著的影响。若增加叶片高度,叶轮与气体的接触面积增加,气体得到的能量增加,进而使得静压值提升；同时气体与固体边界的摩擦损失也增大,效率维持与初始设计基本相同的水平.而减小叶片高度时,其与外框间的间隙扩大,气体的回流和逆流现象比较严重,气流能量损失增加,同时因接触面减少,气体的压力能与动能降低,造成风机总体性能下降.由此可知在设计叶片高度时,不仅要考虑到其带动的气流要大,还要避免摩擦损失的增加。急需一款能满足电子设备散热的大风量、高背压要求，同时又具有较低噪声的高性能风机。
发明内容
本实发明的目的是克服现有大风量轴流风机噪声大的缺点，提供一种效率高、振动小、风量大、背压高和噪声低的电子设备风冷散热轴流风机。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电子设备风冷散热轴流冷却风机，包括：位于机壳2内通过电缆通道4连接的电机，固定在机壳2管道中与电机轮毂连接的叶轮和叶片1，其特征在于：机壳为向后抽风风道前端宽中间窄后向宽，具有倾角内壁且中间各截面按线性规律变化的双漏斗状倾角风道机壳，叶片1叶根处采用安装角至少为27.4°，叶片前弯角度为至少30.6°，上倾角为至少-14°的吸力曲面和下倾角为至少-11°的压力曲面构成轴流掠形叶片，流道后端设有叶根处安装角为至少65°与风机气流方向和风道相匹配的螺旋导流静叶3；机壳2倾角内壁阻止风机叶片1叶顶泄露，将机壳内壁压力进行切割，减缓机壳上压力梯度后，导流静叶3将叶轮后气流旋绕产生的部分动能转变为压力，与轴流掠形叶片形成强制气流，阻止风机叶片1边界层的分离，将气流送出去。
与现有技术方法相比，本发明的有益效果为：
效率高。本发明采用机壳为向后抽风风道前端宽中间窄后向宽，具有倾角内壁的双漏斗状，将机壳内壁压力进行切割，减缓机壳上压力梯度，可以有效提高风机气动性能，减弱风机气动噪声。这种具有一定倾角的内壁的机壳相较普通的圆柱型机壳，可以更好地阻止风机叶顶泄露，可以克服了气体的回流和逆流现象,气流能量损失增加的缺陷,同时因接触面增大,避免了摩擦损失的增加，气体的压力能与动能升高，总体性能上升，效率提高。
振动小。本发明采用叶片1采用叶根处安装角为至少27.4°，叶片前弯角度为至少30.6°，上倾角为至少-14°的吸力曲面和下倾角为至少-11°的压力曲面构成轴流掠形叶片，流道后端设有叶根处安装角为至少65°与风机气流方向和风道相匹配的螺旋导流静叶3，可将叶轮后气流旋绕产生的部分动能转变为升高的压力，可以减少风机的风力损失。
风量大。本发明在叶片1采用吸力曲面和压力曲面构成的轴流掠形叶片，轴流掠形叶片形成强制气流，阻止风机叶片1边界层的分离，将气流送出去，在相同转速条件下,气体从叶轮得到的能量上升,风机整体的效率、静压、功率呈现上升的趋势。该轴流掠形叶片用于形成强制气流，在叶轮前使气流产生旋绕，可以改变气流进入叶片的入口气流角，从而改变叶轮的气动性能，所采用叶片可有效推迟和阻止风机叶片表明边界层的分离，对于降低风机气动噪声以及提高风机性能均有重要意义。采用与轴流掠形叶片形成强制气流，阻止风机叶片1边界层的分离，将气流送出去。在保持整体结构尺寸及叶片尺寸不增加的情况下，既能满足高功率电子设备散热的大风量要求，同时又具有较低噪声，从而为电子设备使用、调试维护和保养提供一个良好的噪声环境。
背压高和噪声低。本发明机壳2倾角内壁阻止风机叶片1叶顶泄露，将机壳内壁压力进行切割，减缓机壳上压力梯度，背压高和噪，声低避免了叶片尾端压力梯度的剧烈变化，造成出口静压略减的缺陷。风机可以有7个静叶，除了一个静叶起到电缆通道的作用，其余静叶均起到导流作用，避免了对气体形成的扰动,气体在叶轮的扰动比较缓和,气体的流动损失较少,使流道内的气流不稳定性减弱，可增加气体从叶轮上得到能量,减少湍流能量损失, 使得风机效率下降，可以更好、更舒缓地将气流送出去，使风机出口的气流更平稳，从而实现风机噪声降低的需求。
功耗减小，效能提升。本发明使用单片更薄的矽钢片叠加成一定厚度的定子7，固定在中管5外侧，在大幅提升马达扭矩的同时相应降低马达温升，减小功耗，提升效能，使得风机最高转速能达30000RPM以上。
降噪效果显著。本发明为保证风机静特性要求，叶片采用较大安装角，轴流掠形叶片叶根处安装角为27.4°，叶片前弯角度为30.6°，所承受的风阻和损失小,效率降高。叶轮与气体的接触面积增加，提供的与整个风机风道相匹配的导流静叶，气体得到的能量增加,进而使得静压值提升，同时减少了气体与固体边界的摩擦损失。在保证风机原有气动性能参数的前提下，按GB/T10069.1-2006标准测得的噪声，相比于现有技术风机模型测得均大于 80dB的噪声，噪声降低到71dB，降低值为9dB，降噪效果显著，从而大大改善了运行人员的工作环境。同时叶轮转速5000r/min可获得较高的效率，在较大风量下可得到较高效率，同时可以更好地克服系统阻力，风压也大幅提高,
具有很高的工作可靠性。本发明机壳可以采用轻质铝合金材料设计，能够保证风机外形尺寸不变，并且扇叶在高转速和高加速度等工作环境中不会发生断裂、断轴和裂纹等现象，增加了机壳的强度和稳定性。可以适应各种复杂严酷的工作环境条件，具有很高的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明电子设备风冷散热轴流冷却风机的主视结构图；
图2是图1的侧视图；
图中：1叶片，2机壳，3导流静叶，4电缆通道，5中管，6后轴承，7定子，8前轴承，9 转轴，10转子，11叶轮。
下面结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
具体实施方式
参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中，：一种电子设备风冷散热轴流冷却风机，包括：位于机壳2内通过电缆通道4连接的电机，固定在机壳2管道中与电机轮毂连接的叶轮和叶片1，其特征在于：机壳为向后抽风风道前端宽中间窄后向宽，具有倾角内壁且中间各截面按线性规律变化的双漏斗状倾角风道机壳，叶片1叶根处采用安装角至少为27.4°，叶片前弯角度为至少30.6°，上倾角为至少-14°的吸力曲面和下倾角为至少-11°的压力曲面构成轴流掠形叶片，流道后端设有叶根处安装角为至少65°与风机气流方向和风道相匹配的螺旋导流静叶3；机壳2倾角内壁阻止风机叶片1叶顶泄露，将机壳内壁压力进行切割，减缓机壳上压力梯度后，导流静叶3将叶轮后气流旋绕产生的部分动能转变为压力，与轴流掠形叶片形成强制气流，阻止风机叶片1边界层的分离，将气流送出去。
机壳2采用轻质铝合金材料设计，能够保证风机外形尺寸不变，并且扇叶在高转速和高加速度等工作环境中不会发生断裂、断轴和裂纹等现象，增加了机壳的强度和稳定性。
在本实施例中，风机可以共有7个导流静叶3，其中一个导流静叶3制有电缆通道4，其余静叶3均制有导流道，使流道内的气流不稳定性减弱，可以更好、更舒缓地将气流送出去，使风机出口的气流更平稳，从而实现风机噪声降低的需求。
参阅图2。风机包括5-7个导流静叶3，其中一个导流静叶3制有电缆通道4，其余静叶3均制有导流道。
电机包括：固定在机壳2管道中与电机转子10连接的叶轮11和一端与叶片1相连接的转轴9。
转子10固接于叶轮11内部，机壳2与中管5通过导流静叶3、电缆通道4连接在一起。
叶轮11通过中管5台阶筒体，以较大的间距装配在转筒上，转轴9沿风机气流方向依次通过转筒装配装配的前轴承8和后轴承6，固定在叶轮11环形腔的底端，支承风机运转的稳定性。
转子10固定于叶轮11环形腔内，包裹于定子7外面；定子7使用单片更薄的矽钢片叠加成一定厚度的，固定在中管5外侧，在大幅提升马达扭矩的同时相应降低马达温升，减小功耗，提升效能，使得风机最高转速能达30000RPM以上。
叶轮11通过中管5台阶筒体，以较大的间距装配在转筒上，轴两端装配有前轴承8和后轴承6的转轴9通过上述转筒固定在叶轮11环形腔的底端，支承风机运转的稳定性。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种电子设备风冷散热轴流冷却风机，包括：位于机壳(2)内通过电缆通道(4)连接的电机，固定在机壳(2)管道中与电机轮毂连接的叶轮(11)和叶片(1)，其特征在于：机壳为向后抽风风道前端宽中间窄后向宽，具有倾角内壁且中间各截面按线性规律变化的双漏斗状倾角风道机壳，叶片(1)叶根处采用安装角至少为27.4°，叶片前弯角度为至少30.6°，上倾角为至少-14°的吸力曲面和下倾角为至少-11°的压力曲面构成轴流掠形叶片，流道后端设有叶根处安装角为至少65°与风机气流方向和风道相匹配的螺旋导流静叶(3)，机壳(2)倾角内壁阻止风机叶片(1)叶顶泄露，将机壳内壁压力进行切割，减缓机壳上压力梯度后，导流静叶(3)将叶轮后气流旋绕产生的部分动能转变为压力，与轴流掠形叶片形成强制气流，阻止风机叶片()1边界层的分离，将气流送出去。
2.如权利要求1所述的电子设备风冷散热轴流冷却风机，其特征在于：风机包括5-7个导流静叶(3)，其中一个导流静叶(3)制有电缆通道(4)，其余静叶(3)均制有导流道。
3.如权利要求1所述的电子设备风冷散热轴流冷却风机，其特征在于：电机包括：固定在机壳(2)管道中与电机转子(10)连接的叶轮(11)和一端与叶片(1)相连接的转轴(9)。
4.如权利要求1所述的电子设备风冷散热轴流冷却风机，其特征在于：转子(10)固接于叶轮(11)内部，机壳(2)与中管(5)通过导流静叶(3)、电缆通道(4)连接在一起。
5.如权利要求1所述的电子设备风冷散热轴流冷却风机，其特征在于：叶轮(11)通过中管(5)台阶筒体，以较大的间距装配在转筒上，转轴(9)沿风机气流方向依次通过与转筒装配的前轴承(8)和后轴承(6)，固定在叶轮(11)环形腔的底端，支承风机运转的稳定性。
6.如权利要求1所述的电子设备风冷散热轴流冷却风机，其特征在于：转子(10)固定于叶轮(11)环形腔内，包裹于定子(7)外面。
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