淺談散熱風扇•葉輪上的關鍵一“環”

扇葉上爲什麼有個環？

在選購散熱風扇時，相信大家都能見到這樣的風扇：它們的扇葉外圈有一個“環”，觀感非常獨特。

亦或這樣：

你是否有想過這一“環”的設計目的，是否對它的功能有些疑惑？一圈小小的環，爲何成爲了各廠商爭相應用的“性能祕籍”呢？

在這篇文章裏，我們就將詳細講解這一“環”的誕生，以及這一設計的優勢。希望能解開你的疑惑。在此之前，我們需要先從“框葉間距”這一概念說起。

框葉間距是什麼？

顧名思義，“框葉間距”，抑或“尖端間隙”，指的是風扇的扇葉末端與內邊框的距離。它對風扇的性能有着相當大的影響，有時甚至能夠超越扇葉本身。

衆所周知，扇葉的尺寸越大，風扇的性能越強。但在通常情況下，12cm風扇的間距至多也僅有3mm左右。相比120mm的框體直徑，葉框間距對扇葉尺寸雖有影響，但可謂微乎其微。

而令葉框間距起決定性作用的因素，正藏在“框”與“葉”之間。在風扇轉動時，扇框與扇葉間微小的間隙會泄露一些氣流。這些泄露的氣流在附近產生渦流，造成所謂“尖端泄露”。

（圖片來自AutoAero）

渦流所產生的位置正是扇葉末端，而對我們所使用的散熱風扇而言，扇葉末端的線速度最大，因而對性能的影響也最高。泄露的氣流量越多，產生的渦流也越多，風扇的效率愈發明顯地下降，產生的噪音越來越劇烈地增加。

根據追風者的說法，在散熱器與冷排上，葉框間距每縮小0.1mm，CPU溫度便會下降1-2℃。框葉間距的重要性可見一斑。也正因此，在強調性能的風扇上，往往會不遺餘力地壓縮葉框間距。

但是，葉框間距也並非越小越好。事實上，壓縮葉框間距會遇到相當大的困難，甚至有些“喫力不討好”。

葉框間距的挑戰

在較高的轉速下，風扇的扇葉末端會承受不小的離心力。它們會讓扇葉的直徑略微變大，縮小扇葉與扇框之間的間隙。風扇的轉速越高，離心力的作用就越明顯。

儘管這一變化造成的影響非常細微，通常不足1mm，在用戶眼中常常可以忽視。但對於風扇設計而言，這是一項巨大的挑戰。

當扇葉形變量大於框葉間距時，扇葉與扇框間發生剮蹭，嚴重的“掃膛”現象就此發生。掃膛產生的噪音極爲刺耳，將讓人徹夜難眠。它更會對扇葉與扇框造成相當大的損害，意味着風扇壽命的終結。

拉高風扇的轉速，則必然會增大離心力。高轉速下，更大的形變讓扇框與扇葉的距離變小。爲了防止扇葉與扇框產生碰撞，勢必要略微增大框葉間隙，而這又會影響風扇在低轉速下的性能。

此外，風扇在工作時所產生的振動，也會對葉框間距產生微妙的影響。風扇所使用的軸承不同，高轉速下的形變量也會略有差距，搭載含油軸承的風扇，變化量會略大於雙滾珠軸承。

雪上加霜的是，考慮到風扇需要有高可靠性，熱脹冷縮的影響也不能忽視。而吊裝與垂直安裝的重力作用不同，也會造成葉框間距的變化。

此外，經年累月的反覆形變，離心力還會讓扇葉產生微小的“蠕變變形”，進一步縮小框葉間距。

越小的框葉間距，意味着留給扇葉的形變量就越小。爲了不產生災難性的“掃膛”情況，在風扇的設計階段，這些因素都應當被充分考慮進來。

也正因此，儘管對性能的影響非常大，各品牌風扇的葉框間距還是不約而同地保持在1-2mm左右。

破局者•設計篇

然而，絕對性能實在是太具有吸引力，因此也誕生不少縮小葉框間距的例外作品。大名鼎鼎的“溫柔颱風”，便是NIDEC工業設計的結晶。

“溫柔颱風”特別加強了扇葉根部，並將風扇的軸心設計得相當大。在材料方面，NIDEC在PBT與ABS中混合了玻璃纖維，以此增強扇葉的性能。這一切都是爲了對抗離心力的影響，從而儘可能地縮小框葉間距。

但即便NIDEC已經做了如此多改進，“溫柔颱風”的扇葉還是隻能達到約2500RPM的最高轉速。對於消費級市場而言，這或許已經夠用了。但對工業產品來說，這還遠遠不足。倘若要繼續提升轉速與性能，就必須得在其它方面下功夫。

對此，NIDEC所選擇的路線是——額外加固扇葉！在高轉速版本的“溫柔颱風”GT-Hi上，NIDEC祭出了那著名的“整流環”設計，成就了“溫柔颱風”在高轉速下也始終如一的微小間隙。

雖然名爲“整流環”，但它最主要的設計目的其實是加固扇葉。爲了減小在高轉速下產生的形變，“整流環”因此而誕生。

整流環的位置也經過仔細考量。如前所述，扇葉末端的線速度最大，因而對性能的影響也最高。因此，NIDEC沒有將“整流環”直接設計在扇葉的末端，而是保留了一段距離，這也造就了“溫柔颱風”奇特的外觀。

那麼，整流環是否會影響性能呢？答案是肯定的。整流環的存在，其實相當於減少了一部分扇葉體積，一定程度上降低了扇葉的同轉速性能，風量、風壓都受到了一定的影響。身爲“溫柔颱風”系列的老大哥，GT-Hi的同轉表現反而不如低轉速的GT。

但是，整流環擁有引導氣流的作用，同時保持了更小的框葉間距，因此扇葉在同轉下的噪音得以降低。相比其它高轉速的“暴力風扇”，“溫柔颱風”能夠在同等噪音下達到更高的轉速。

此外，在沒有扇框的情況下，“整流環”還能顯著提升風扇的密封性，甚至反而能大幅提升風扇的同轉性能。因此，顯卡風扇正越來越多地採用“整流環”。

“整流環”的設計得到了廣泛認可。酷冷至尊的莫比烏斯、SF120M等風扇，也採用了與“溫柔颱風”類似的環形扇葉設計。

而在Arctic的產品上，環形扇葉的設計目的更加明顯。

在AC P12/P14風扇上，標誌性的五片扇葉薄如刀片。它們承受着很大的離心力，強度限制了扇葉潛力的發揮。

因此，當ARGB版本的P12更換爲材料更加脆弱的透明葉片時，Arctic就額外爲它設計了加固環。這略微降低了P12 ARGB的同轉性能，但顯然是值得的。

最近，Arctic還發布了最新的P12 MAX系列風扇，爲普通版本的P12也附上了加強環。

小小的葉框間隙，卻凝聚了工程師無數的心血。一分一毫之間，決定着風扇性能的高低。