微型散熱風(fēng)扇氣動性能測試裝置研究

豆峰　謝小芳　張洪軍

摘要：微型散熱風(fēng)扇尺寸和流量越來越小，常規(guī)氣動測試裝置不滿足其性能測試要求，該文參照AMCA-210-2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計開發(fā)一套微型散熱風(fēng)扇測試裝置。裝置流量測試范圍為1～70CFM，采用流量噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)流量計，被測風(fēng)扇接口采用窗口小法蘭以適應(yīng)多種類型和規(guī)格的風(fēng)扇，流量噴嘴和擴(kuò)壓段采用活動插拔式連接以方便拆裝。風(fēng)扇壓力計算中考慮風(fēng)扇出口流動局部損失，在流量噴嘴的流出系數(shù)計算中，考慮到Re數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)中推薦公式的計算范圍，低于下限部分采用下限Re數(shù)進(jìn)行計算，并在后續(xù)標(biāo)定中予以修正。經(jīng)標(biāo)定后，該裝置流量測量不確定度在1.3%以內(nèi)（10%～100%流量范圍），低于10%Q_max的小流量范圍流量不確定度在2%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：微型散熱風(fēng)扇;氣動測試;P-Q曲線;局部壓損

中圖分類號：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0106-06

收稿日期：2018-06-15;收到修改稿日期：2018-08-15

基金項目：廣東省質(zhì)監(jiān)局科技項目（2018PJ04）

作者簡介：豆峰（1994-），男，安徽六安市人，碩士研究生，專業(yè)方向為儀器儀表工程。

通信作者：張洪軍（1969-），男，黑龍江東寧市人，教授，博士，研究方向為流動傳熱測試技術(shù)。

0 引言

電子設(shè)備性能的飛速提高以及尺寸逐漸變小，其核心部件的相對發(fā)熱量成倍增加，這對系統(tǒng)散熱能力以及微型散熱風(fēng)扇的氣動性能提出了挑戰(zhàn)，同時也對微型散熱風(fēng)扇氣動性能測試技術(shù)提出了新的要求[1-3]。相對于大中型風(fēng)機(jī)，小型和微型風(fēng)扇及其氣動性能測試技術(shù)研究相對較少。陳云孝等[4]針對汽車風(fēng)扇設(shè)計出一種測試發(fā)動機(jī)風(fēng)扇氣動特性曲線的系統(tǒng)，流量測試范圍較大，其結(jié)構(gòu)由較大的密封箱和測試管道組成，被測風(fēng)扇直接安裝在密封箱前端，流體由入口以射流的方式進(jìn)入密封箱內(nèi)，尚未充分發(fā)展即進(jìn)入測試管道，存在較大的流量損失。近年，翁建華等[5]針對微型散熱風(fēng)扇性能進(jìn)行了實驗研究，通過用畢托管測量同一截面若干點處的動壓得到各點流速和管道總流量，同時測得微型風(fēng)扇出口靜壓，最終獲得P-Q特性曲線，其測試方案針對的被測對象比較單一，流量測量誤差相對較大。國外對于微型散熱風(fēng)扇的研究相對我國多一些[6-9]，但相比大中型風(fēng)機(jī)，微型散熱風(fēng)扇在性能、效率和結(jié)構(gòu)等方面還有很大的提升空間，需要進(jìn)行更深入的研究，風(fēng)扇測試技術(shù)也需要同步發(fā)展。

風(fēng)扇/風(fēng)機(jī)作為通用機(jī)械，國內(nèi)外都有測試標(biāo)準(zhǔn)。國外對于風(fēng)機(jī)氣動性能測試標(biāo)準(zhǔn)使用最廣的為美國AMCA-210-2007[10]，該標(biāo)準(zhǔn)在測量原理和方法方面相對比較完善，但對于微型風(fēng)扇測試中設(shè)計一些參數(shù)計算該標(biāo)準(zhǔn)還是不能完全覆蓋。例如，采用噴嘴測量流量時，流出系數(shù)的計算涉及雷諾數(shù)，由于微型風(fēng)扇流量太低，雷諾數(shù)低于下限值，公式無法使用。國內(nèi)現(xiàn)行風(fēng)機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 1236-2017《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗》[11]，該標(biāo)準(zhǔn)主要針對大中型風(fēng)機(jī)，對于微型風(fēng)扇的測試同樣不能完全覆蓋。

目前市場上能夠找到小風(fēng)扇氣動性能測試的商業(yè)化產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品往往不能滿足微小流量范圍測試需求，且在微型風(fēng)扇測試時裝置相對“龐大”，其輔助風(fēng)扇和閥門工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，測試結(jié)果不確定度增大，甚至不能正常測試。本文以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，參考AMCA-210-2007，研究針對微型散熱風(fēng)扇氣動性能的測試技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的測試裝置，流量范圍為1～70 CFM（1CFM≈28.3L/min），主要用于手提和臺式計算機(jī)常用的渦輪（離心式）或軸流式散熱風(fēng)扇的性能測試。

1 測試原理

本文主要針對手提和臺式計算機(jī)散熱風(fēng)扇氣動性能測試開發(fā)測試裝置。主要參數(shù);流量1～70CFM，最大風(fēng)壓150Pa，風(fēng)扇類型有渦輪式和軸流式，流量測量不確定度小于1.3%，小流量（10%Q_max）范圍小于2%，風(fēng)壓測量不確定度小于1Pa。

參考AMCA-210-2007，可采用簡單的管道式測量管路布置方案。如圖1所示，被測風(fēng)扇安裝在測試通道左側(cè)入口，流動由左向右，流量測量選用標(biāo)準(zhǔn)推薦的流量噴嘴方法，考慮到風(fēng)扇出口截面PL.2處流動情況復(fù)雜不適合測量靜壓，靜壓測點布置在PL.4截面，PL.6為噴嘴取壓截面。風(fēng)扇氣動性能測試的目的是得到風(fēng)扇壓力一流量特性曲線（P-Q曲線），即風(fēng)扇出口截面PL.2處的壓強P₂和體積流量Q₂的關(guān)系。其中，壓強P₂可根據(jù)PL.4處的靜壓數(shù)據(jù)和PL.2到PL.4之間流動損失推算得到;流量方面，考慮到微型散熱風(fēng)扇測試中，測試管路中氣流速度遠(yuǎn)低于音速，且PL.2和PL.4之間距離很短，溫度和壓力變化非常小，因此可以視為不可壓縮流動，各截面處的體積流量相同，即Q₂=Q₄=Q₆。

根據(jù)流量噴嘴測量原理[10]：式中：A₆——流量噴嘴出口流通截面積;

Y——空氣壓縮系數(shù)，Y= 1-（0.548+0.71β⁴）

β——噴嘴出口直接與管道直徑的比;

E——能量系數(shù)，對于管式測量通道，E=1.043;

ρ——空氣的密度;

P_b——大氣壓，由大氣壓計自動采集;0.048t）×10^-6，d₆為噴嘴直徑，t為溫度，由大氣壓計自動采集。

在噴嘴流出系數(shù)的計算中，由于微型風(fēng)扇流量太小，Re數(shù)可能低于AMCA-210-2007推薦公式的下限。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，可依據(jù)Re數(shù)下限值進(jìn)行計算，造成的誤差在后續(xù)校準(zhǔn)中予以修正。

截面PL.4處的平均流速：其中，d₄為PL.4處測試通道截面直徑。

流動壓力（動壓）：

P_v4=1/2ρv₄²（3）

截面PL.2處總壓：其中，L_2，4表示截面PL.2和截面PL.4之間的距離;L_e代表蜂窩整流器的等效長度;f=0.14/Re₄^0.17。右側(cè)第三項是管路與蜂窩整流器的摩擦阻力損失，右側(cè)最后一項是被測風(fēng)扇出口局部損失項，ζ_j為局部阻力系數(shù)。

AMCA-210-2007標(biāo)準(zhǔn)中，P_2t的計算中沒有式（4）中局部損失項，這是因為該標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)扇出口平滑連接到測試管路，不存在局部損失，而在一般實際測試裝置中風(fēng)扇出口不是平滑連接到測試管道，氣流以突擴(kuò)射流形式進(jìn)入穩(wěn)定段腔室，必定存在較大的能量損失，因此在計算總壓時需考慮此項損失。

截面PL.2處靜壓：

P_S2=P_t2-1/2ρv₂²（5）

2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如前所述，方案中采用噴嘴進(jìn)行流量測量，而由于流量范圍較寬，采用單一規(guī)格的噴嘴會造成差壓范圍太大。對于寬量程的測量一般可采用多個噴嘴組合的方式，本研究中將流量分為3段，選取3個不同尺寸的流量噴嘴，出口直徑分別為10mm，18mm和38mm，對應(yīng)的流量范圍分別為1～4.8CFM，4.8～15.6CFM和15.6～70CFM，實測量中依據(jù)風(fēng)扇最大流量選取對應(yīng)流量的管路?？紤]到微型風(fēng)扇測試中測試管路都比較小，每種噴嘴對應(yīng)一個測試管道，設(shè)計了3種規(guī)格的測試管路。

圖2為微型散熱風(fēng)扇性能測試管路示意圖，該系統(tǒng)由測試管路子系統(tǒng)[10-13]和傳感與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)[14]組成。

每一條測試管路由被測風(fēng)扇接口、蜂窩整流器、穩(wěn)定段腔室、流量噴嘴、擴(kuò)壓管段、流量調(diào)節(jié)單元和輔助風(fēng)扇組成。其中，輔助風(fēng)扇的作用是提供輔助負(fù)壓以克服PL.4到管路出口的壓力損失，保證測量得到PL.4處靜壓為0時的流量。傳感與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由微差壓計1、微差壓計2、溫濕度計、大氣壓計、轉(zhuǎn)速計、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)組成。靜壓測點在距流量噴嘴人口處1D（D為管道直徑）的位置。管道一周均勻設(shè)置4個取壓口，取平均壓力，測壓軟管分別連接到微差壓計2和微差壓計1的正壓接口;流量噴嘴出口處壓力用軟管連接到微差壓計1的負(fù)壓接口，微差壓計2的負(fù)壓接口敞開（大氣壓力）。

各儀表或部件參數(shù)指標(biāo)列于表1。

3條測試管路的尺寸數(shù)據(jù)列于表2a2.2被測風(fēng)扇接口和流量噴嘴連接方式設(shè)計

考慮到微型散熱風(fēng)扇規(guī)格尺寸較多，接口設(shè)計為不同開口尺寸小法蘭與基底法蘭相結(jié)合的方式，小法蘭用螺栓固定在基底法蘭上，可根據(jù)不同規(guī)格的微型散熱風(fēng)扇選取合適的小法蘭。作為例子，圖3給出了離心式微型散熱風(fēng)扇法蘭連接方式。

為了便于拆裝，流量噴嘴出口與擴(kuò)壓管段采用插拔方式連接，連接處用小螺栓頂緊固定。流量噴嘴固定在穩(wěn)定段腔室出口法蘭內(nèi)側(cè)，且流量噴嘴入口平面與穩(wěn)定段腔室出口法蘭內(nèi)側(cè)平齊以保證流動平滑，減少流動損失。具體連接方式見圖4。

3 裝置標(biāo)定和實驗測試

3.1 裝置標(biāo)定

按AMCA-210-2007要求，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴正常工作范圍內(nèi)可以不用標(biāo)定，但本研究中流量太小（例如，對于直徑10mm的噴嘴，流速10m/s時，Re≈6700<<12000），超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，因此需要進(jìn)行流量標(biāo)定。標(biāo)定工作在蘇州市計量所流量實驗室進(jìn)行，使用ITF-2000氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用的是音速噴嘴與渦輪流量計的形式，測量范圍是0.5～2000m³/h（0.3～1176.5CFM），不確定度為03%。

圖5為標(biāo)定意圖，將擴(kuò)壓管段尾部與標(biāo)準(zhǔn)裝置相連，管路前端不放置風(fēng)扇，由標(biāo)準(zhǔn)裝置從管路尾端抽氣。標(biāo)定中，每個流量點讀取3個標(biāo)定值，同時也記錄測試系統(tǒng)計算機(jī)上對應(yīng)的3個實時顯示數(shù)據(jù)，再分別計算取其均值。

表3、表4和表5分別列出了3個測量管路的標(biāo)定數(shù)據(jù)。其中，相對偏差δ¹⁵計算如下：相對偏差=（顯示均值-標(biāo)定均值）/標(biāo)定均值×100%

（6）

標(biāo)定均值和顯示均值之間的偏差都是正值，說明存在系統(tǒng)誤差，可采用修正系數(shù)對偏差進(jìn)行修正，采用簡單的線性修正方法：

修正后的流量顯示值Q₄'為：

Q₄'=kQ₄（8）

引入修正系數(shù)后，計算出修正后的偏差，整個測量系統(tǒng)在流量范圍內(nèi)的測量偏差最大值為1.66%，高于10%Q_max流量范圍最大偏差為1.13%?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測量不確定度為0.3%，所開發(fā)的風(fēng)扇測試裝置流量測量不確定度在10%～100%Q_max流量范圍內(nèi)不超過1.3%，低于10%Q_max小流量范圍內(nèi)不超過2%，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

3.2 實際風(fēng)扇測試

為了驗證系統(tǒng)的可用性，選取3個常見的散熱風(fēng)扇，其規(guī)格型號分別為6006（離心渦輪式，開口面積為60mm×6mm）、7512（離心渦輪式，開口面積為75mm×12mm）、9225（軸流式，直徑口為92mm，厚度25mm）進(jìn)行測試，3個風(fēng)扇分別對應(yīng)一條管道的流量范圍。

測試過程中環(huán)境濕度為49.0%RH，環(huán)境溫度為21.6℃，大氣壓為101.97kPa;測試中恒壓供電，離心式風(fēng)扇供電電壓為5V，軸流風(fēng)扇供電電壓為12V。測試過程輔助風(fēng)扇常開，由流量調(diào)節(jié)單元手動調(diào)節(jié)流量。計算機(jī)自動采集靜壓P_S4和差壓△P，并根據(jù)式（1）～（8）計算出被測風(fēng)扇出口流量與靜壓、總壓。

圖6為風(fēng)扇的P-Q特性曲線，其中縱坐標(biāo)單位mmAq，即mmH₂O，為微型散熱風(fēng)扇行業(yè)習(xí)慣用的壓強單位，1mmAq=9.78Pa。圖中可見，隨著流量的增大，靜壓與總壓變小，結(jié)果合理。圖6（a）將6006風(fēng)扇測量數(shù)據(jù)與廠家提供的6006風(fēng)扇測試結(jié)果進(jìn)行了對比，兩個比較接近。需要指出的是盡管是同一型號風(fēng)扇，但由于本次測量與廠家不是同一個風(fēng)扇，性能有所偏差是正常的。測試結(jié)果進(jìn)一步說明本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的可靠性。

整個測量過程操作方便，傳感和數(shù)據(jù)采集等器件運行可靠，系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)束語

針對微型扇熱風(fēng)扇性能測試需要，開發(fā)了一套測試系統(tǒng)，流量范圍為1～70CFM，主要工作和結(jié)論如下：

1）針對風(fēng)扇出口不連接平滑過渡管道的實際情況，對標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式進(jìn)行了修正，風(fēng)扇總壓和靜壓的計算方面考慮了風(fēng)扇出口局部壓損P_j。

2）在噴嘴流出系數(shù)的計算中，對于Re數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)給定公式應(yīng)用范圍下限值時，采用Re數(shù)下限值對應(yīng)的系數(shù)數(shù)值，造成的誤差在后續(xù)校準(zhǔn)中予以修正，保證裝置測量的準(zhǔn)確性。

3）采用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對系統(tǒng)流量測量部分進(jìn)行標(biāo)定，裝置流量測量不確定度在10%～100%Q_max流量范圍內(nèi)不超過1.3%，低于10%Q_max小流量范圍不超過2%。實際測試數(shù)據(jù)與廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，基本吻合，進(jìn)一步證明測量數(shù)據(jù)可靠。

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（編輯：商丹丹）