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風扇4大結構完全解析:看懂扇框、葉片、軸承、電磁4大元件

廢熱是電子元件運作效率的大敵,為了驅逐廢熱,風扇與散熱片構成的散熱系統成為冷卻電腦的主流。而其中的關鍵:風扇,同時也負責電腦整體的強制空氣對流,除了被動散熱外,主動散熱系統也會見到它的身影,且無論是空冷或是水冷皆然。

電腦使用的各類風扇的價差十分懸殊,便宜的50元就有,昂貴的甚至逼近千元大關,除了軸承會影響使用壽命,轉速會影響噪音程度之外,究竟還有什麼原因能夠讓風扇的價格區間拉得這麼大呢?

簡單的風扇主結構

風扇的結構主要可分為4大部分,分別是扇框、葉片、軸承、電磁元件,其中葉片與軸承是各大廠商爭相研發的對象,因為特殊的葉片設計可減少高速運轉下與空氣摩擦造成的異音,設計得當以及高品質的軸承可延長風扇的壽命。

扇框主要給予其他三者有個基座固定,並利用扇框將風扇固定在其它的零件身上,於葉片外沒有扇框結構的風扇稱之為無框風扇,依靠葉片下方裝有電磁零件的那片基板,延伸出幾個鎖孔以便固定在散熱片上。但也因無框風扇的鎖點規格不統一,因此無框風扇損壞時通常沒有其它替代品可供替換,僅能尋求風扇或是散熱裝置原廠的支援。

有框風扇以框體的直徑作為分類,一般做成正方形的形狀,邊長80mm為8公分風扇、邊長120mm為12公分風扇,以此類推。目前市面上的部分機殼配有大直徑風扇,以面積換取轉速,可於更低的轉速下擾動相同的風量,但這種機殼的風扇鎖點有時相當獨特,替代品也不好找。此外部分風扇的扇框採用簍空設計,扇葉可擾動更多的風量,但是噪音也會相對的提高。

奇數葉片避共振

除了LED燈光效果之外,風扇的葉片形狀應該就是第二種能夠吸引消費者目光的利器,但由於葉片牽扯到空氣動力學這個專門學科,消費者甚至是媒體很難去驗證廠商所說的特殊設計,是否真的能帶來降低噪音或是加大風流量的功能。

很多人會有疑問,為什麼風扇的葉片數量大多是奇數?因為偶數葉片會穿過旋轉軸心分別位於兩側,震動會相互傳遞,形成不必要的共振,降低風扇壽命的同時也會加大噪音。奇數數量的葉片設計葉片之間雖也會相互傳遞震動,但由於葉片兩兩之間並不在同一直線上,震動方向不同,可以避免掉波形的疊加。當然以現代的製作技術來說,葉片的平衡和精度都相當不錯,奇數或是偶數的葉片數量影響不會太大。

軸流與離心風扇

另外以葉片旋轉方向和氣流帶動方向的不同還可分為軸流風扇和離心風扇,軸流扇的葉片轉動平面和空氣流動面相互垂直,沿著轉動軸流動,離心扇則相互為平行面;使用在機殼前後方的風扇即為軸流扇,公板高階顯卡所使用的風扇就是離心扇。軸流和離心扇各有各的優缺點,軸流扇的體積較薄,空氣流動方向有一致性,風量大,但因中心必須有個馬達帶動葉片旋轉,於出風面會形成1個錐形的無風區,且因軸流扇容易發生「失速現象」,風扇操作區間不大。

離心扇使用在進排氣面積受限的場合,缺點為擾動後的空氣往360度平面方向輻射出去,需要1個罩子將空氣集中後往同一方向移動。離心扇的失速現象主要發生在高風量區域,因此操作區間比軸流扇大;公板顯示卡內部散熱片多,風阻大,又有不同風扇轉速的需求,因此採用離心扇。

▲左方為軸流扇,右方為離心扇,也有風扇是兩者的綜合體。

失速(Stall)

原本風扇的風壓與風量呈現線性的趨勢,風阻越大時,風壓越高、風量越低。但在特定的情況下,風壓和風量不呈線性反比,即為風扇的失速現象。

造成此狀況的原因在於空氣通過葉片的數量不足,使得空氣不按照葉片方向流動,反而在葉片上造成渦流,除造成風扇性能下降外,也會讓葉片震動,噪音加大,最糟的情況可使風扇損毀。

攻入角與風壓關係式

若是以類似葉片設計的風扇來說,葉片數量越多,可作功給空氣的面積就越大,風量就越高,因此較為薄型的風扇若是要達到與一般風扇相同的風量,葉片數量勢必就要增加,以維持相同的面積。

當然葉片數量並不能無限量地發展下去,過多的葉片數量會使得葉片與葉片之間增加重疊空間。塑膠射出成型時較為困難,開模或是從模具下取出成品的步驟都會較為繁瑣;一般葉片不重複的風扇分模線會位於葉片的邊緣,重疊葉片風扇則是常常可見到分模線位於葉片中間。此外就是葉片數量過多,代表的就是空氣流經的截面積變小,導致不正常的擾動讓效能下降;而葉片數量太少則會導致風壓減小的後遺症。

從葉片角度大概也可看出空氣流量以及風壓,攻入角(葉片旋轉時插入空氣的夾角)越大,對空氣作功越多,風壓也比較大,此類風扇較適合安裝在高風阻的區域(較密的散熱鰭片、風扇濾網網眼小),相對來說噪音也比較高。攻入角也並非越大越好,當攻入角大到某種程度時(通常以15度為分界點),風扇的各種效能數據都會降低,並發生失速現象。

葉片的厚度也是門學問,絕大部分的軸流扇葉片都是兩側薄、中間厚的截面形狀。以刀子切東西來比喻,讀者認為使用刀鋒切豆腐比較容易,還是用刀背切豆腐比較容易?

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印度麥可
4.  印度麥可 (發表於 2013年11月28日 20:12)
我推火幅做排風扇
之前改裝軍團特價$349時入手
風量跟噪音能取得平衡
拆洗也easy
買不到一年 耐用度倒不清楚
覺得太吵還可以去BIOS調低轉速(低階主板可能不行調)

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