omniCOOL：在風扇設計上引進獨特作法

IoT 和雲端資料服務的興起，讓搭載強大伺服器和儲存裝置的資料中心躍居電子業前線。此外眾所周知的是，這些資料中心會產生大量廢熱，且必須將廢熱從關鍵設備中排出，而這項任務的起點往往是風扇。

對於我們所仰賴的其他應用來說，也是如此。舉凡家用電腦、家電和工業機械等產品，只有在溫度維持在特定範圍內時，才可穩定發揮作用。換句話說，風扇在現代生活中扮演極為重要的角色。

套筒軸承與滾珠軸承的取捨

軸承是所有風扇的核心元件。這項關鍵元件能讓風扇轉子轉動，也是決定風扇工作壽命的關鍵因素，因此選擇適當的風扇來進行應用散熱，對設計人員和工程師而言非常重要。

傳統上，只有套筒軸承式和滾珠軸承式兩種風扇可供選擇。這兩種類型各有所長，但若要選擇其一，通常必須在某些層面進行取捨。這就是 Same Sky 為何會採用新的軸承設計作法，拉近滾珠與套筒軸承之間差距的原因。

但是，在我們探討這種新式風扇設計的原理之前，必須先溫習一下更傳統的套筒和滾珠軸承類型之間的優缺點。

瞭解套筒軸承

套筒軸承風扇中央的機軸會在套筒式圓柱內旋轉，套筒內部塗上一層油，方便機軸轉動。套筒的作用是維持轉子的正確位置，確保其永遠與馬達定子保持正確距離 (圖 1)。在兩種傳統設計中，套筒軸承較具成本效益，而且會遭遇衝擊和振動的應用中更耐久。但是這種設計有若干缺點。

圖 1：典型的套筒軸承風扇示意圖 (圖片來源：Same Sky)

為了將轉子晃動情形降到最低，套筒需要緊貼著機軸，但接觸面積越大，需要克服的磨擦力也越大，啟動風扇需要的時間也更長。這表示需要更多的能量，以便啟動風扇並維持轉動。

套筒式設計的另一個問題是，轉子的重量只靠套筒中的機軸支撐。因此，轉子旋轉時將逐漸磨損軸承內部，進而導致內孔變形。若是一直以相同方向使用風扇，套筒的截面將逐漸變成橢圓狀，這將導致風扇產生更多噪音並且晃動。

若是風扇需要以不同角度運轉 (可攜式裝置便是一例)，軸承磨損的問題可能更嚴重。當重力以不同方向拉扯轉子質量，視使用角度而定，套筒將磨耗不均，進而導致晃動和噪音問題更加惡化。

此磨損情況最終會縮短軸承壽命，而且依據您的設計而定，可能還會影響整個風扇裝置，甚至是使用風扇來散熱的產品本身。

其次，先前提到用來維持所有元件旋轉所需的潤滑劑，通常是來自軸承內孔兩端的油環和 Mylar 墊圈。這些元件的用意是減少磨擦力，但實際上這些元件的存在會增加磨擦力。此外，這些元件的位置會讓旋轉磨擦產生的氣體更難逸散。這些氣體若是無法排放，將會轉變成固態氮化物粒子並堵塞軸承，進而阻礙旋轉並縮短使用壽命。

滾珠軸承的基本原理

滾珠軸承式風扇 (圖 2) 通常在機軸周圍具有兩圈小型鋼珠，其中一圈比另一圈更靠近轉子。兩者之間有一圈壓縮彈簧，使兩者分離。此配置有助於解決使用套筒軸承時，轉子傾斜和磨損不均的問題。這麼做的原因是，轉子的重量會落在最靠近轉子本身的滾珠軸承，但彈簧有助於抵銷因重力拉扯轉子而可能導致的任何傾斜情況。這表示滾珠軸承式風扇可用於任何角度，對於可攜式裝置來說，這是更優異的設計選擇。軸承磨損減少也意味著，滾珠軸承式設計的平均故障間隔時間 (MTBF) 通常會比套筒式設計高出許多。

圖 2：典型的滾珠軸承風扇示意圖 (圖片來源：Same Sky)

儘管滾珠軸承可降低您在啟動和運轉風扇馬達時必須克服的摩擦力，但比起套筒軸承，成本更高、噪音更大、複雜度更高，且抗衝擊能力較差。

omniCOOL™ 系統：拉近差距

為了讓設計人員在選定風扇時降低取捨的需求，Same Sky 的 omniCOOL™ 系統 (圖 3) 在風扇設計中加入兩個重要元件，藉此拉近成本與性能之間的差距：磁性轉子平衡結構以及改良的套筒軸承。

圖 3：Same Sky 的 omniCOOL 系統示意圖 (圖片來源：Same Sky)

在磁性結構的幫助下，轉子能有效成為自旋陀螺，不僅不會傾倒，並能以任何角度運作。這是因為系統的磁性結構位於轉子前方，且無論風扇以何種角度運作，都能全程一致地吸引轉子。

機軸透過其頂端的支撐蓋帽維持定位，形成轉子旋轉的中心點，如同自旋陀螺上的點。

透過磁性結構作法，磁力將取代軸承套筒承擔轉子重量，使轉子在空中懸浮。如此一來，即可減少軸承內部和機軸之間的磨擦力，也能減少傳統套筒軸承的傾斜和晃動問題。

儘管磁性結構能大幅減少軸承內部與旋轉機軸的接觸範圍，omniCOOL 系統還包含一個特別硬化的套筒，能對任何可能發生的磨損情況提供更高的防護力。增強型套筒設計也具備高達 90°C 的耐熱能力，比絕大多數套筒軸承的耐熱能力還高。測試結果顯示，此增強型硬化軸承的預期工作壽命，比傳統套筒軸承大幅延長，在 70°C 時延長 3.2 倍，在 20°C 時則延長 5.5 倍 (圖 4)。

圖 4：傳統套筒軸承與 omniCOOL 系統的使用壽命比較 (圖片來源：Same Sky)

omniCOOL 系統的增強型軸承與標準套筒軸承間另一個主要差異，在於是否使用油環和 Mylar 墊圈。磁力可減少磨耗，因此無需再使用潤滑劑，上述元件得以移除。如此一來可減少磨擦，進而減少噪音以及馬達啟動和旋轉時所需的能量。此外，旋轉磨擦所產生的氣體就可自由逸散，而不會固化導致軸承阻塞。

傳統風扇設計的全新替代方案

omniCOOL 系統集結的技術能拉近滾珠軸承和套筒軸承之間的差距，提供安靜、可靠且耐久的風扇，適合以任何角度使用，而且比滾珠軸承設計更具成本效益。對工程師而言，此系統提供了新的電子設備散熱替代方案，且沒有以往的取捨問題。

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