散热器内部结构的改良设计

中国矿业大学艺术与设计学院

工业设计工程基础课程设计选题报告

姓名：学号：

专业：工业设计班级： 09级3班

设计题目：散热器内部结构的改良设计

时间： 2011年5月

指导教师：

2011年5月

目录

选题的意义 (2)

已有产品情况 (3)

典型产品的设计分析 (4)

改良或创新设计方案 (8)

时间进度表 (14)

参考文献 (15)

一、选题的意义

CPU作为一个电子计算机的核心，包括运算和控制，而且现在的集成度已经越来越高，电脑中的所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令，这个核心部件随着科技研发的进步已经成长成为热量高温高度集中的一个核心区域，而且有很大一部分DIY玩家或热爱硬件的朋友都喜欢超频，但是超频效果越好，CPU的温度热量就越大，所以对CPU进行散热便是正常使用电脑和进行超频的必备硬件，缺一不可，而随着CPU集成度的密集和提高，对CPU散热也是大势所需，必须要做的事情。

如今，显卡的功耗已经大有超越CPU之势，因此显卡的散热系统已经成为显卡做工好坏的评判标准之一。目前高端显卡由于发热量较大，因此对散热的要求也格外严格，正值暑假之时，不少玩家反映显卡满载运行时，温度可达70～80度，而待机时也接近40度。由此可以看出，显卡散热系统绝不是简单的散热片+散热风扇就可应付的。

二、已有产品或相关产品的情况

三、典型产品的设计分析

散热风扇的原理

原理：

风扇的工作原理是按能量转化来实现的，即：电能→电磁能→机械能→动能。其电路原理一般分为多种形式，采用的电路不同，风扇的性能就会有差异。

风扇在CPU风冷散热装置中起主动散热的核心作用。风扇本身的效能不佳，制作工艺不精，会导致散热片局部过热，不停烤烧风扇本身的材质塑料，继而引起风扇变形，转速下降的恶性循环，更严重的时候，会发生风扇停转，马达电路短路，烧毁CPU甚至引起起火的事故。

轴流式风扇的组成：

扇框、扇叶、轴承、PCB控制电路、驱动电机

轴流式扇叶

气流出口方向与轴心方向相同

离心式扇叶

利用离心力作用将气流沿着叶片向外甩出

当两个元件有相对运动时广义来说就构成了轴承，轴承（bearing）是用来支撑，减少摩擦以及承受负载的装置，它与其他的旋转机件有面、线或点的接触，而摩擦则随接触面的相对运动而产生。尽量减少摩擦与磨损同时占越少的空间与便宜的价格，是被期待的。

现在市面上的轴承大要可分为滑动接触轴承(sliding contact bearing)和滚动接触轴承(rolling contact bearing)以及自润轴承（Sleeve Bearing）。

下图展示了简易的滑动轴承和滚动轴承的摩擦形势，可得出结论：滑动接触摩擦更易损坏风扇材质。

自润轴承（Sleeve Bearing）：也被称作含油轴承。其工作原理主要是由于轴承中的转杆在润滑剂的作用下，在轴床中转动时，由于毛细作用，与周围只会有点接触，使得摩擦力减到了最小，保证了工作时的稳定性。自润轴承的问题在于它对润滑剂的依赖性极大，当润滑剂量不足或粘稠性不佳时，轴承很容易出现老化，致使风扇转速下降，或发出异常噪音，因此整体寿命不长。

滚珠轴承（( roller Bearing）：它的结构也并不复杂，在两个硬质金属环中间，置有由轴笼固定住相对位置的一系列金属圆柱，轴笼和金属圆柱之间加有润滑剂。这样轴承在转动的时候，圆柱与转动轨道之间的

接触面极小，只要有少量的润滑物质，整个轴承的结构就能够保持较长时间的寿命，并保持良好的性能。

相比之下，虽然自润轴承保养起来比较简单，但是如果想达到与滚珠轴承相同的转动性能，就需要比较复杂的内部结构设计，这无形中就提高了风扇制造的成本，不适合大规模生产。另外如果轴承出现问题的话，滚柱轴承往往能有比较明显的先期预兆，如转速下降、噪声等；而自润轴承的故障往往难以预料。因此，大家在市场上看到最多的还是使用滚柱轴承传动的风扇。

当前市

场主要产品

使用的材料

有两种：金

属或者塑

料。

四、改良或创新设计方案

首先需要改良的是扇叶的形式。轴流式扇叶和离心式扇叶都过于单一，并且方向的限制是散热达不到很好的效果。因此决定结合两者的优势，采用斜流式扇叶。

斜流式扇叶充分结合轴流式扇叶和离心式扇叶的优点，如下图所示

斜流式扇叶

拥有轴心方向和叶面方向两种气流方式

其次是轴承方式的改进，自润轴承和滑动轴承都易损坏机体本身，或是操作不方便和噪音过大。

滚珠轴承在运转时, 滾珠轴承的滚珠与内环,外环及上下分隔承件有间隙,在內部空间里,当沒有任何外力施加在滚柱轴承时,造成滚珠在自由空间运作,形成撞击等不规律的现象,而产生噪音,为消除噪音撞击等不规律的现象，在滚珠轴承的轴向施与适当的力量，将轴向间隙减少而达到降低噪

音的效果。

这样轴承在转动的时候，圆球与转动轨道之间的接触面极小，只要有少量的润滑物质，整个轴承的结构就能够保持较长时间的寿命，并保持良好的性能。

因此采用滚珠轴承结构。

同时，液态轴承风扇是用油膜取代滚珠轴承里的钢珠，转动时不会有金属接触，因此噪音和发热量均大幅下降，理论上无磨损。用油膜代替钢珠还使得轴承能有效吸收外来震动，保护轴承表面，从而大大增加了轴承所能承受的撞击力。它所产生的噪音是所有风扇中最小的一种，寿命最长，转速最高，散热效果也最稳定。

材质的改进：金属的导热性好，当然，金属还是可以更好地将散发出来的热量吸收并扩散出去。另外金属一般比较重，而且由于制造时工艺要求较高，一旦做工不够精细，极易成为伤人的利器。塑料材质一般比较轻便，硬度也较高，很多工程塑料的强度甚至超过金属。出于成本及轻便的考虑，塑料散热应该普及。

总体的改进方式希望能对现在的产品有所作用。