結構參數和轉速對微型風扇性能影響的試驗研究*

石夢琦，翁建華，蔡 韌，崔曉鈺

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090；2.上海理工大學 能源與動力工程學院，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，如液體冷卻、微槽道冷卻[1-2]、噴射冷卻[3]和氣體節流冷卻[4]等。

空氣強制冷卻采用散熱器、微型風扇以及熱管等，將電子器件的熱量散失到周圍環境中，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。與新的散熱技術相比，空氣強制冷卻技術比較成熟，不存在液體泄漏等問題，且應用廣泛。微型風扇是空氣強制冷卻方案中的一個關鍵部件，其運行效率直接影響電子產品的功率消耗。與大中型風機相比，微型風扇尺寸較小，其尺度效應、內部的流動特性有很大的不同[6-7]。目前關于微型風扇的研究較少。Quin等[8]研究了雷諾數對微型風扇性能的影響。文獻[9]通過試驗測試，比較了2款微型風扇的性能。Stafford等[10-11]設計了幾種微型風扇，通過試驗研究了微型風扇的內部流動特性。

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扇流量-壓力性能曲線的影響，并比較了不同轉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 微型風扇

1.1 微型風扇結構參數

測試所用的微型風扇屬離心式，其葉輪的主要結構參數見表1。從表1中可以看出，與風扇A相比，風扇B的葉片較薄；風扇A、B葉片出口安裝角均為122°，其葉輪為前彎式，而風扇C葉片出口安裝角為80°，其葉輪為后彎式。風扇A、B和C自行設計加工，而風扇D則由某微型風扇廠生產制造。

表1 幾種微型風扇葉輪的主要結構參數

1.2 蝸殼設計

蝸殼的作用是收集從葉輪出來的氣體并導向出口，并將氣體的部分動能轉為壓力能。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壓電源、微型電動機、風管、錐形節流門、轉速儀、微壓計、畢托管和差壓計等(見圖2)。其中，風管內徑為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%；轉速的測量選用TESTO—465光電式轉速儀，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，通過調節錐形節流門的開度來改變流量，并測量風扇出口處靜壓，從而獲得微型風扇的流量-壓力性能曲線。

圖2 試驗裝置示意圖

微型風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 試驗結果及分析

根據上述測試方法，對表1中的幾種微型風扇分別進行測試。轉速為6 000 r/min時不同葉片厚度微型風扇(風扇A和風扇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，空氣流經葉輪時的流場不同，使流量發生改變。

圖3 風扇A和風扇B的流量-壓力曲線

轉速為6 000 r/min時不同葉片出口安裝角微型風扇(風扇A和風扇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°)風扇的風量要明顯大于后彎式葉輪(葉片出口安裝角<90°)風扇；因此，在空間有限的情況下宜選用前彎式葉輪風扇。

圖4 風扇A和風扇C的流量-壓力曲線

風扇D在5 000～6 500 r/min內4種不同轉速下的流量-壓力性能曲線如圖5所示。由圖5可見，提高轉速可以明顯增加風扇的風量。

圖5 風扇D在不同轉速時的流量-壓力性能曲線

以實測6 500 r/min時的流量為基礎，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，計算結果與實測值之間的比較見表3～表5。

表3 風扇D在5 000 r/min時流量實測值與計算值的對比

表4 風扇D在5 500 r/min時流量實測值與計算值的對比

表5 風扇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，當轉速變化約為10%時，實測值與計算值之間的相對誤差約為3%；當轉速變化約為16%時，實測值與計算值之間的誤差約為6%；而當轉速變化約為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，不同轉速下風扇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時風扇D實測與計算得到的流量-壓力曲線對比

4 結語

對幾種不同結構參數的微型風扇以及同一風扇在不同轉速下的流量-壓力性能曲線進行了測試。試驗結果表明，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葉輪的流場，使風扇的性能曲線發生了改變；對于不同的葉片出口安裝角，前彎式葉輪風扇的風量要高于后彎式葉輪風扇的風量，因此，在空間有限的場合宜采用前彎式葉輪微型風扇。測試了同一風扇在不同轉速下的性能，結果表明，提高轉速能明顯增加風量。比較了不同轉速下風量實測值與通過比例定律得到的計算值之間的偏差，結果顯示，當轉速變化約為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%；當轉速變化約為16%時，兩者之間的相對誤差約為6%；而當轉速變化約為23%時，兩者之間的相對誤差約為9%；轉速變化越大，實測值與計算值之間的偏差越大。這些結果對微型風扇的結構設計與優化具有一定的參考價值。