风扇结构与噪音

[Tony]

这几天我电脑的CPU风扇和电源风扇一起大声鼓噪起来，所以关注了一下关于电脑散热器风扇噪音的资料，在PCPOP论坛看到了一篇长贴，是个学工控自动化专业的高人写的关于风扇结构和噪音内容的。我读过之后顿时觉得豁然开朗，解开了我很多以前认识比较模糊 的疑问。
我把这篇很有价值的帖子重新编辑整理了一下，发在这里，希望对各位有所帮助。

——Fireflying（流萤） 整理于2005年2月21日



原作者：johnpointc


看了N多的风扇+机油帖，觉得都成了YJ帖啦。
感觉好多情况下总是：安静 -> 响声 -> 加油 -> 安静一阵 -> 又响
其实解决这个问题也是挺简单的，完全可以自己动手解决。

按照轴承种类：
如果用的是双滚珠轴承的风扇就比较好办啦，买2个同规格的小滚珠轴承，在齿轮油里浸润一下，换上去就完事了。
下图表示滚珠轴承的端盖



如果用的是单滚珠轴承的风扇就要麻烦一点了，还要考虑同轴的含油轴承的润滑问题，要在卡簧和含油轴承之间再加一点润滑脂。这两种常见的风扇轴承都没有太多的密封要求的。

不同与上面的，市面上使用较多的是便宜的含油（油封）轴承风扇。这样的轴承形式就对密封（封闭机油和防灰尘）有一定的要求啦。
大家可以试试，轻轻按一下含油轴承风扇的扇叶中心。如果能按下去，那这个风扇的使用过程就会象上面描述的循环。
WHY？这样大的装配间隙，使得里面的O型密封圈完全不起作用啦，使用时间一长，就成了轴与轴承干磨了。

要解决这个问题，可以试一下增加一个（或2/3个）同样的O型密封圈。
直到刚好稍有过盈配合，风扇电机的线圈极靴与风叶内圈的磁胶条之间的吸合力可以稍微压紧密封圈，使得轴与轴承之间不会泄漏润滑油，这样可以有效的保持润滑。


稍微麻烦点的方法，也是更加有效的方法，就是调整轴承的位置。
这样做比加密封圈要来的精度高一些。
方法是：拆下风叶，稍微敲击（推顶）一下风叶轴穿过的那块青铜（轴承）。
移动的方向与风叶拔出的方向相同，移出的距离要略微大于原先风叶可以按动下去的距离。
没有把握可以多试几次，每次只要移动一点点，直到配合间隙合适为止。



除了含油轴承（滑动轴承）之外，常见的还有单滚珠轴承和双滚珠轴承。
其实，单/双 滚珠轴承风扇还有其他很多种结构的。不过大同小异。
对于双滚珠轴承（dual ball BEARING）风扇，适当减小那2个滚珠轴承间的弹簧的弹力，并且使用较粘稠的润滑剂，可以有效降低运转噪声并且延长轴承寿命。毕竟，使用风扇向上出风的概率较低，好像只有显卡是这种情况（显卡风扇采用双滚珠轴承的好象不多）。



另外，解决风扇噪声的一个方法，就是用大口径风扇代替小口径的。
在风量相同的情况下，大口径风扇的转速比较低，而且出风的迎角比较小，所以风切噪声就低一些。当然，这是指风扇正常的工作状态下。

风扇的噪音除了振动噪音之外，还有一部分是因为扇叶切割空气发出的风切噪音。风扇转速越高这个噪音也就越大。
我一般使用离心式风扇配合鳍片式散热器，常见的CPU散热器绝大多数使用轴流风扇。因为轴流风扇的出风口于散热鳍片间的风切噪声十分恼人。
以前都是用轴流风扇配合针式散热器来用的，针式散热器上的针（其实也是散热鳍片）排成方阵，对气流基本上各向同性，不像扁平鳍片那样有明显的方向区别，对轴流风扇那样敏感。
经过一系列的试验，偶然发现加长出风口到散热片的距离后，轴流风扇也能象离心风扇一样安静的
具体的做法是：用一个坏的同口径风扇，只留四周边框，去除电机风叶等等，作为一个加长风道，接在风扇于散热片之间。
这样比较容易加工，费用不大，效果也比较明显。
而且不会有结构固定的麻烦，原样风扇螺丝加几对小螺丝螺帽（用于对接）就行了
如果大家有兴趣可以自己试一下。


对于风扇轴承密封性的改良，延长了润滑剂泄漏的时间。当然，在损失一定量的风力（压迫密封圈产生的阻力）后，风叶本身的噪声也有所降低。
我不知道厂家在滚珠轴承里加什么润滑剂，我是喜欢用〈埃索〉齿轮油的。这种油的粘度比较大，不容易流失，只是很难浸透（通常有端盖）。
绝大多数的厂家是给含油（油封）轴承加黄油（润滑脂），可惜用的黄油太绸了，虽然不易流失却极其缺乏流动性。
这样即使加了较多的黄油，能润滑轴承的也只是其中的一小部分。
我用的润滑脂，是用50%齿轮油（埃索）+50%润滑脂（美孚）调和成的，油膜很有弹性。

UnWilliams：
因为风扇都是工作在很多灰尘的地方,还有很高的转速。
需要轴承的清洁,和机油有良好的抗散,
我不推荐用齿轮油和用润滑脂,因为这些比较稠的润滑油,不利于冬天和高灰尘的地方,
我的建议就是使用一般摩托车SH级别,和汽车SH的润滑油来润滑风扇,因为只有SH级别的机油才有清洁添和抗散剂,对于滚珠的风扇,机油有很好的渗透能力,齿轮油和用润滑脂的渗透能力相对较差。

回答：
谢谢 UnWilliams
当然，如果轴承的密封性比较好，用润滑油的阻力会略小于用润滑脂。
不过，风扇还有一个泄漏点，就是铭牌（标帖）下面的孔。
遇到过好多风扇的端盖（橡胶塞）不够严密，漏油。
甚至没有端盖，只靠标帖密封。
这种情况下，润滑脂就会体现出优势。
还有，我曾经在应急情况下用过护手霜（凡士林）加入风扇轴承。看来短期内一切正常的说（5个月了）。


现在越来越多的PC用户关心噪声的问题，这里顺便说点风叶形状对噪声的影响。
下面的图中，风扇的3种风叶分别是
1：平直风叶
2：后掠风叶
3：前掠风叶

就流体力学的基本分析（转换为直线相对气流）
1：基本只有弦向气流，（在旋转的风扇中受离心作用，有径向发散）
2：有明显径向发散（强于1），向风叶梢部
3：有明显径向发散，向风叶根部
我曾经做过一些试验，发现：2的噪声最小，3的轴向气流最强（噪声接近2），1的噪声最大
看来各大风扇厂家曾经做过相同的试验啊（我做晚了）！呵呵
所以，现在市面上的散热器大多配备前掠风叶的（轴流式）风扇（部分配备离心式风扇）。


这是直风叶的一种改良，圆角直风叶的噪声降低不少。


典型的直风叶


这个是前掠风叶的


这个是后掠风叶的
注：当初学的那点〈流体力学〉差不多都还给导师啦，敬请高手们不要骂我（寒）。


离心式风扇，相比轴流式风扇，好处多多。


换一面


看出风口




UnWilliams：我现在用的,这种的设计怎么解释？



回答：这个有点像是双层风扇，这一面的是导流片。我也曾经做过类似的试验的，不过是用的2个转向相反的风扇，不是那样的导流片。
结果发现，风力极大加强，出风方向也比较接近轴向。可惜啸叫声太强。
那时是受俄罗斯的〈卡〉系列直升机的启发（同轴反转旋翼）。





Alessandro：
我以前显卡风扇噪音大，就拿食用油润滑
过两三个月就得再次注入。

回复：
对于Alessandro说的情况，显卡风扇的口径一般比较小，调整轴承的径向位置不容易。
可以采取以下方法（我经过试验，有效）
1 拆下风扇的风叶，看一下风叶内部的磁环（棕色胶圈）位置
注：风扇装配后，磁环与定子（极靴）间的吸合力会决定彼此（风叶/底框）轴向位置，决定密封圈与轴承间隙。

2 如果磁环与端面之间有间隙，可以挤压磁环向端面移位。
其间如果有支撑脚，可以用指甲钳剪除
这样，可以减小密封圈与轴承的间隙，而且不用移动那样小的轴承。
建议先拆除密封圈多试几次，把间隙调整到接近每逢圈的1/2厚度，再装上密封圈。
如果磁环插入时比较松（通常是磁环外的铁圈较小），可以稍微用502胶水固定。





天外飞鲜：
怎么没有经典的ＡＶＣ折缘风扇？


回复：
这种风叶，是结合了 前/后 掠风叶的优点，降噪效果不错。
转动时，这种风叶梢部的气流分离相比没有折缘（后掠部分）的风叶，要平顺得多。因此，减小了气动噪声。


还有一种（有些另类）的降噪风扇，是〈元山电机〉的外磁风扇
这款风扇可是没有叶梢气流分离的哦，而且通风面积较电机在中心的风扇要大许多。


磁极与磁环的位置，较传统（中心电机）风扇，刚好相反


呵呵，**运转图


我一直比较喜欢〈元山电机〉的产品。可能有些人不知道，CoolMaster的许多散热器，都是配用〈元山电机〉的风扇的。




除了〈元山电机〉，还有Thermaltake在改变传统轴流式风扇运行原理。（注：以下这段是转帖自太平洋的网页）
其高端产品中使用的五面进风风扇，采用了Hyper flow（流体力学设计），将原来的封闭式侧壁改成了百叶窗型的侧开口开放式设计，因此进风方式也随之改变，从单独的上进风变为上进风与侧进风并行。根据空气动力学的原理，上进风的方式是空气在旋转的风扇扇叶的驱使下，使其自上而下成垂直流动，此时在风扇 的中心形成一个空气压力相对较低的地区，风扇周围的空气于是向气压较低的风扇中心流动，在流动的过程中，气流在扇叶旋转的作用下发生偏移，从而形成了一个类似龙卷风的涡旋，随着涡旋的增强，周围的空气被迅速的吸过来。这样的设计，有效地防止了风扇的末端和 扇框之间形成狭窄的气流扰动区和空气湍流产生的风噪声。如此上进风与侧进风双管齐下，使得转速只有2400RPM的它，却能有30.5CFM的风量，工作噪音也只有21dBA。




刚才有一位POPER兄弟传呼问我：为什么风扇的扇页都是单数的，比如说3，5，7，9，11的。
当时也没细想，回答道： 小口径风扇如果采用双数的风叶，单个风叶的角度容易与转速耦合。磁极（定子）的数量就是4（6/8，不常见）个，要使用双数风叶就要做成剪刀形，不能是正十字形。这一切都是因为〈风切噪声〉！
这里要补充一下：正十字形之类的双数风叶，瞬间的位置会因为双数磁极的影响，在某些特定角度增减速（注：无刷电机风扇得风叶不是平滑旋转，角速度有脉冲式波动），从而引发风切噪声。
剪刀形风叶（好像仅限于4叶）刚好可以错开的。




在无法获得一些令人满意的产品时，在出现生产厂家只顾利润而无视用户利益的情况时，除了等待观望和叫骂，还有另一种方法--自己动手！

以上是个人之愚见，希望有高人来此不吝赐教，谢谢。

[Tony]

对于改造电脑的风冷散热器，补充一点我的认识。

有些人为了加强散热效果，通过提升风扇供电电压的方式（把风扇的两根电源线分别接在+12V和-5V之间）让风扇超负荷运行。这种方法很不可取。
原风扇是应用于12V供电环境的，电机绕组的漆包线的线径、硅钢片以及风扇自身的散热结构都是针对12V的情况设计的。强行把电压提高到17V，风扇电流将会超出漆包线的容许载流量。同时因为硅钢片磁饱和，会导致电流进一步上升，这部分上升的电流属于“浪 费”的电能，能量将转化成热量，最终以电机线圈严重发热的形式体现出来。而风量的增加却比较少。在这种超负荷状态下，风扇电机将迅速老化损坏，噪音系数也大幅度上升。

自己动手加强风冷系统散热效果的最佳方法，正如上文johnpointc提到的，换用更大直径的低转速风扇，可以明显增大排风量。而噪音系数却降低了。
其实，采用大直径低转速风扇来获得低噪音散热效果的方案在实际产品中也已经很常见，比如各种静音电源和静音机箱。
现在很多地方都可以买到用来换装大口径风扇的塑料变径筒，价格不超过15元；再加上一个很容易买到的低转速大口径双滚珠轴承的风扇叶（不含散热片）。花费不到40元就可以轻松改造出自己的超静音强效散热器。
自己买风扇的时候建议不要选择含油轴承（滑动轴承）的，含油轴承的风扇虽然在初期噪音稍低一点，但是随着使用时间的延长，会因为灰尘以及润滑干涸等原因噪音迅速增大，而且含油轴承寿命比较短。可以选择双滚珠轴承或者液压轴承的风扇。

从这一点上看，现在绝大多数的电脑散热器的价格水分都很大。不是制造商做不到价廉物美，而是作为商人，从经商的出发点故意这样规划产品线以期获得高额利润。包括如今价格高高在上的热管散热器，其实制造成本很低。
而且现在多数的经销商只经营成品散热器整体，不单独卖风扇叶。因为电脑散热器如果出问题，百分之九十九都是风扇电机不行了，散热片还是好的，如果有风扇叶可以买到，用户只需要花很少的钱买个风扇叶更换一下就可以了，奸商哪里有暴利赚？

自己动动手吧，让JS赚他的钱，我们自己动手Diy电脑，学知识、长能力。

[zqkv]

文章好,但图片睇唔到