結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速對微型風(fēng)扇性能影響的試驗研究*

石夢琦，翁建華，蔡 韌，崔曉鈺

(1.上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

隨著電子器件性能的不斷提高，電子器件的功率不斷增大，隨之而來的是電子器件的熱流密度不斷升高；為此，研究人員提出了多種新的散熱技術(shù)，如液體冷卻、微槽道冷卻[1-2]、噴射冷卻[3]和氣體節(jié)流冷卻[4]等。

空氣強制冷卻采用散熱器、微型風(fēng)扇以及熱管等，將電子器件的熱量散失到周圍環(huán)境中，適用于熱流密度不是很高的場合，如筆記本電腦中CPU的散熱[5]等。與新的散熱技術(shù)相比，空氣強制冷卻技術(shù)比較成熟，不存在液體泄漏等問題，且應(yīng)用廣泛。微型風(fēng)扇是空氣強制冷卻方案中的一個關(guān)鍵部件，其運行效率直接影響電子產(chǎn)品的功率消耗。與大中型風(fēng)機相比，微型風(fēng)扇尺寸較小，其尺度效應(yīng)、內(nèi)部的流動特性有很大的不同[6-7]。目前關(guān)于微型風(fēng)扇的研究較少。Quin等[8]研究了雷諾數(shù)對微型風(fēng)扇性能的影響。文獻[9]通過試驗測試，比較了2款微型風(fēng)扇的性能。Stafford等[10-11]設(shè)計了幾種微型風(fēng)扇，通過試驗研究了微型風(fēng)扇的內(nèi)部流動特性。

本文通過試驗測試，研究了不同葉片厚度、不同出口安裝角對微型風(fēng)扇流量-壓力性能曲線的影響，并比較了不同轉(zhuǎn)速下由比例定律計算得到的流量值與實測值之間的偏差。

1 微型風(fēng)扇

1.1 微型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)

測試所用的微型風(fēng)扇屬離心式，其葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。從表1中可以看出，與風(fēng)扇A相比，風(fēng)扇B的葉片較?。伙L(fēng)扇A、B葉片出口安裝角均為122°，其葉輪為前彎式，而風(fēng)扇C葉片出口安裝角為80°，其葉輪為后彎式。風(fēng)扇A、B和C自行設(shè)計加工，而風(fēng)扇D則由某微型風(fēng)扇廠生產(chǎn)制造。

表1 幾種微型風(fēng)扇葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 蝸殼設(shè)計

蝸殼的作用是收集從葉輪出來的氣體并導(dǎo)向出口，并將氣體的部分動能轉(zhuǎn)為壓力能。采用四點不等距方形法[12]繪制蝸殼型線后加工制作的蝸殼如圖1所示。

圖1 試驗用蝸殼實物圖

2 試驗裝置及測試方法

試驗裝置包括直流穩(wěn)壓電源、微型電動機、風(fēng)管、錐形節(jié)流門、轉(zhuǎn)速儀、微壓計、畢托管和差壓計等(見圖2)。其中，風(fēng)管內(nèi)徑為15 mm，長為400 mm，在距離入口280 mm處的管壁上開有小孔，以便安裝畢托管測量速度。試驗用的畢托管為KIMO-TPL型，直徑為3 mm，測量精度為1%；轉(zhuǎn)速的測量選用TESTO—465光電式轉(zhuǎn)速儀，量程為1～99 999 r/min，精度為±1.2 r/min；微型差壓計的型號為TESTO—510，量程為0～30 Pa，精度為±0.3 Pa。試驗時，通過調(diào)節(jié)錐形節(jié)流門的開度來改變流量，并測量風(fēng)扇出口處靜壓，從而獲得微型風(fēng)扇的流量-壓力性能曲線。

圖2 試驗裝置示意圖

微型風(fēng)扇出口靜壓由微壓計進行測量，畢托管與差壓計連接以測動壓。管道截面上動壓的測量采用等面積圓環(huán)法布點[13]，測點位置見表2。

表2 測點位置與管中心的距離 (mm)

3 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述測試方法，對表1中的幾種微型風(fēng)扇分別進行測試。轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時不同葉片厚度微型風(fēng)扇(風(fēng)扇A和風(fēng)扇B)的流量-壓力性能曲線如圖3所示。由圖3可以看出，葉片越厚，相同壓力下流量越大。這主要是由于葉片厚度不同，葉片間的間距不同，空氣流經(jīng)葉輪時的流場不同，使流量發(fā)生改變。

圖3 風(fēng)扇A和風(fēng)扇B的流量-壓力曲線

轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時不同葉片出口安裝角微型風(fēng)扇(風(fēng)扇A和風(fēng)扇C)的流量-壓力性能曲線如圖4所示。從圖4可以看出，前彎式葉輪(葉片出口安裝角>90°)風(fēng)扇的風(fēng)量要明顯大于后彎式葉輪(葉片出口安裝角<90°)風(fēng)扇；因此，在空間有限的情況下宜選用前彎式葉輪風(fēng)扇。

圖4 風(fēng)扇A和風(fēng)扇C的流量-壓力曲線

風(fēng)扇D在5 000～6 500 r/min內(nèi)4種不同轉(zhuǎn)速下的流量-壓力性能曲線如圖5所示。由圖5可見，提高轉(zhuǎn)速可以明顯增加風(fēng)扇的風(fēng)量。

圖5 風(fēng)扇D在不同轉(zhuǎn)速時的流量-壓力性能曲線

以實測6 500 r/min時的流量為基礎(chǔ)，利用比例定律分別計算了5 000、5 500和6 000 r/min時的流量值，計算結(jié)果與實測值之間的比較見表3～表5。

表3 風(fēng)扇D在5 000 r/min時流量實測值與計算值的對比

表4 風(fēng)扇D在5 500 r/min時流量實測值與計算值的對比

表5 風(fēng)扇D在6 000 r/min時流量實測值與計算值的對比

由表3～表5可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化約為10%時，實測值與計算值之間的相對誤差約為3%；當(dāng)轉(zhuǎn)速變化約為16%時，實測值與計算值之間的誤差約為6%；而當(dāng)轉(zhuǎn)速變化約為23%時，實測值與計算值之間的相對誤差約為9%。轉(zhuǎn)速變化越大，實測值與計算值之間的誤差越大。以實測6 500 r/min時的流量為基礎(chǔ)，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇D實測與計算得到的流量-壓力性能曲線的比較分別如圖6～圖8所示。

圖6 5 000 r/min時風(fēng)扇D實測與計算得到的流量-壓力曲線對比

圖7 5 500 r/min時風(fēng)扇D實測與計算得到的流量-壓力曲線對比

圖8 6 000 r/min時風(fēng)扇D實測與計算得到的流量-壓力曲線對比

4 結(jié)語

對幾種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微型風(fēng)扇以及同一風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速下的流量-壓力性能曲線進行了測試。試驗結(jié)果表明，對于不同的葉片厚度，改變了葉片間的間距，從而改變了空氣流經(jīng)葉輪的流場，使風(fēng)扇的性能曲線發(fā)生了改變；對于不同的葉片出口安裝角，前彎式葉輪風(fēng)扇的風(fēng)量要高于后彎式葉輪風(fēng)扇的風(fēng)量，因此，在空間有限的場合宜采用前彎式葉輪微型風(fēng)扇。測試了同一風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速下的性能，結(jié)果表明，提高轉(zhuǎn)速能明顯增加風(fēng)量。比較了不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量實測值與通過比例定律得到的計算值之間的偏差，結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化約為10%時，實測值與相似理論得到的計算值之間的相對誤差約為3%；當(dāng)轉(zhuǎn)速變化約為16%時，兩者之間的相對誤差約為6%；而當(dāng)轉(zhuǎn)速變化約為23%時，兩者之間的相對誤差約為9%；轉(zhuǎn)速變化越大，實測值與計算值之間的偏差越大。這些結(jié)果對微型風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化具有一定的參考價值。