微型散熱風(fēng)扇氣動(dòng)性能測(cè)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(lái)越小，常規(guī)氣動(dòng)測(cè)試裝置不滿足其性能測(cè)試要求，該文參照AMCA-210-2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套微型散熱風(fēng)扇測(cè)試裝置。裝置流量測(cè)試范圍為1～70CFM，采用流量噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，被測(cè)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(dòng)插拔式連接以方便拆裝。風(fēng)扇壓力計(jì)算中考慮風(fēng)扇出口流動(dòng)局部損失，在流量噴嘴的流出系數(shù)計(jì)算中，考慮到Re數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)中推薦公式的計(jì)算范圍，低于下限部分采用下限Re數(shù)進(jìn)行計(jì)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(cè)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(dòng)測(cè)試;P-Q曲線;局部壓損

中圖分類號(hào)：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xiàng)目：廣東省質(zhì)監(jiān)局科技項(xiàng)目（2018PJ04）

作者簡(jiǎn)介：豆峰（1994-），男，安徽六安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閮x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?yàn)榱鲃?dòng)傳熱測(cè)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(duì)發(fā)熱量成倍增加，這對(duì)系統(tǒng)散熱能力以及微型散熱風(fēng)扇的氣動(dòng)性能提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)微型散熱風(fēng)扇氣動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)提出了新的要求[1-3]。相對(duì)于大中型風(fēng)機(jī)，小型和微型風(fēng)扇及其氣動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)研究相對(duì)較少。陳云孝等[4]針對(duì)汽車風(fēng)扇設(shè)計(jì)出一種測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇氣動(dòng)特性曲線的系統(tǒng)，流量測(cè)試范圍較大，其結(jié)構(gòu)由較大的密封箱和測(cè)試管道組成，被測(cè)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(cè)試管道，存在較大的流量損失。近年，翁建華等[5]針對(duì)微型散熱風(fēng)扇性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)用畢托管測(cè)量同一截面若干點(diǎn)處的動(dòng)壓得到各點(diǎn)流速和管道總流量，同時(shí)測(cè)得微型風(fēng)扇出口靜壓，最終獲得P-Q特性曲線，其測(cè)試方案針對(duì)的被測(cè)對(duì)象比較單一，流量測(cè)量誤差相對(duì)較大。國(guó)外對(duì)于微型散熱風(fēng)扇的研究相對(duì)我國(guó)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(cè)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(guó)內(nèi)外都有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外對(duì)于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)使用最廣的為美國(guó)AMCA-210-2007[10]，該標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)量原理和方法方面相對(duì)比較完善，但對(duì)于微型風(fēng)扇測(cè)試中設(shè)計(jì)一些參數(shù)計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)還是不能完全覆蓋。例如，采用噴嘴測(cè)量流量時(shí)，流出系數(shù)的計(jì)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(wú)法使用。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行風(fēng)機(jī)測(cè)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(yàn)》[11]，該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)大中型風(fēng)機(jī)，對(duì)于微型風(fēng)扇的測(cè)試同樣不能完全覆蓋。

目前市場(chǎng)上能夠找到小風(fēng)扇氣動(dòng)性能測(cè)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(cè)試需求，且在微型風(fēng)扇測(cè)試時(shí)裝置相對(duì)“龐大”，其輔助風(fēng)扇和閥門工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果不確定度增大，甚至不能正常測(cè)試。本文以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，參考AMCA-210-2007，研究針對(duì)微型散熱風(fēng)扇氣動(dòng)性能的測(cè)試技術(shù)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的測(cè)試裝置，流量范圍為1～70 CFM（1CFM≈28.3L/min），主要用于手提和臺(tái)式計(jì)算機(jī)常用的渦輪（離心式）或軸流式散熱風(fēng)扇的性能測(cè)試。

1 測(cè)試原理

本文主要針對(duì)手提和臺(tái)式計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇氣動(dòng)性能測(cè)試開(kāi)發(fā)測(cè)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(cè)量不確定度小于1.3%，小流量（10%Q_max）范圍小于2%，風(fēng)壓測(cè)量不確定度小于1Pa。

參考AMCA-210-2007，可采用簡(jiǎn)單的管道式測(cè)量管路布置方案。如圖1所示，被測(cè)風(fēng)扇安裝在測(cè)試通道左側(cè)入口，流動(dòng)由左向右，流量測(cè)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(dòng)情況復(fù)雜不適合測(cè)量靜壓，靜壓測(cè)點(diǎn)布置在PL.4截面，PL.6為噴嘴取壓截面。風(fēng)扇氣動(dòng)性能測(cè)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(qiáng)P₂和體積流量Q₂的關(guān)系。其中，壓強(qiáng)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(dòng)損失推算得到;流量方面，考慮到微型散熱風(fēng)扇測(cè)試中，測(cè)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(dòng)，各截面處的體積流量相同，即Q₂=Q₄=Q₆。

根據(jù)流量噴嘴測(cè)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(duì)于管式測(cè)量通道，E=1.043;

ρ——空氣的密度;

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

在噴嘴流出系數(shù)的計(jì)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(shí)，可依據(jù)Re數(shù)下限值進(jìn)行計(jì)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(cè)試通道截面直徑。

流動(dòng)壓力（動(dòng)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(zhǎng)度;f=0.14/Re₄^0.17。右側(cè)第三項(xiàng)是管路與蜂窩整流器的摩擦阻力損失，右側(cè)最后一項(xiàng)是被測(cè)風(fēng)扇出口局部損失項(xiàng)，ζ_j為局部阻力系數(shù)。

AMCA-210-2007標(biāo)準(zhǔn)中，P_2t的計(jì)算中沒(méi)有式（4）中局部損失項(xiàng)，這是因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)中風(fēng)扇出口平滑連接到測(cè)試管路，不存在局部損失，而在一般實(shí)際測(cè)試裝置中風(fēng)扇出口不是平滑連接到測(cè)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(jì)算總壓時(shí)需考慮此項(xiàng)損失。

截面PL.2處?kù)o壓：

P_S2=P_t2-1/2ρv₂²（5）

2 測(cè)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(cè)量，而由于流量范圍較寬，采用單一規(guī)格的噴嘴會(huì)造成差壓范圍太大。對(duì)于寬量程的測(cè)量一般可采用多個(gè)噴嘴組合的方式，本研究中將流量分為3段，選取3個(gè)不同尺寸的流量噴嘴，出口直徑分別為10mm，18mm和38mm，對(duì)應(yīng)的流量范圍分別為1～4.8CFM，4.8～15.6CFM和15.6～70CFM，實(shí)測(cè)量中依據(jù)風(fēng)扇最大流量選取對(duì)應(yīng)流量的管路。考慮到微型風(fēng)扇測(cè)試中測(cè)試管路都比較小，每種噴嘴對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試管道，設(shè)計(jì)了3種規(guī)格的測(cè)試管路。

圖2為微型散熱風(fēng)扇性能測(cè)試管路示意圖，該系統(tǒng)由測(cè)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(cè)試管路由被測(cè)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(cè)量得到PL.4處?kù)o壓為0時(shí)的流量。傳感與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由微差壓計(jì)1、微差壓計(jì)2、溫濕度計(jì)、大氣壓計(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。靜壓測(cè)點(diǎn)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(gè)取壓口，取平均壓力，測(cè)壓軟管分別連接到微差壓計(jì)2和微差壓計(jì)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(jì)1的負(fù)壓接口，微差壓計(jì)2的負(fù)壓接口敞開(kāi)（大氣壓力）。

各儀表或部件參數(shù)指標(biāo)列于表1。

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

考慮到微型散熱風(fēng)扇規(guī)格尺寸較多，接口設(shè)計(jì)為不同開(kāi)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(dòng)平滑，減少流動(dòng)損失。具體連接方式見(jiàn)圖4。

3 裝置標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于直徑10mm的噴嘴，流速10m/s時(shí)，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(jì)量所流量實(shí)驗(yàn)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(jì)的形式，測(cè)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(gè)流量點(diǎn)讀取3個(gè)標(biāo)定值，同時(shí)也記錄測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上對(duì)應(yīng)的3個(gè)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，再分別計(jì)算取其均值。

表3、表4和表5分別列出了3個(gè)測(cè)量管路的標(biāo)定數(shù)據(jù)。其中，相對(duì)偏差δ¹⁵計(jì)算如下：相對(duì)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(shuō)明存在系統(tǒng)誤差，可采用修正系數(shù)對(duì)偏差進(jìn)行修正，采用簡(jiǎn)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(jì)算出修正后的偏差，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在流量范圍內(nèi)的測(cè)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%。考慮到標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測(cè)量不確定度為0.3%，所開(kāi)發(fā)的風(fēng)扇測(cè)試裝置流量測(cè)量不確定度在10%～100%Q_max流量范圍內(nèi)不超過(guò)1.3%，低于10%Q_max小流量范圍內(nèi)不超過(guò)2%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 實(shí)際風(fēng)扇測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性，選取3個(gè)常見(jiàn)的散熱風(fēng)扇，其規(guī)格型號(hào)分別為6006（離心渦輪式，開(kāi)口面積為60mm×6mm）、7512（離心渦輪式，開(kāi)口面積為75mm×12mm）、9225（軸流式，直徑口為92mm，厚度25mm）進(jìn)行測(cè)試，3個(gè)風(fēng)扇分別對(duì)應(yīng)一條管道的流量范圍。

測(cè)試過(guò)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(cè)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(cè)試過(guò)程輔助風(fēng)扇常開(kāi)，由流量調(diào)節(jié)單元手動(dòng)調(diào)節(jié)流量。計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集靜壓P_S4和差壓△P，并根據(jù)式（1）～（8）計(jì)算出被測(cè)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(qiáng)單位，1mmAq=9.78Pa。圖中可見(jiàn)，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(cè)量數(shù)據(jù)與廠家提供的6006風(fēng)扇測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩個(gè)比較接近。需要指出的是盡管是同一型號(hào)風(fēng)扇，但由于本次測(cè)量與廠家不是同一個(gè)風(fēng)扇，性能有所偏差是正常的。測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

整個(gè)測(cè)量過(guò)程操作方便，傳感和數(shù)據(jù)采集等器件運(yùn)行可靠，系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

1）針對(duì)風(fēng)扇出口不連接平滑過(guò)渡管道的實(shí)際情況，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，風(fēng)扇總壓和靜壓的計(jì)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(jì)算中，對(duì)于Re數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)給定公式應(yīng)用范圍下限值時(shí)，采用Re數(shù)下限值對(duì)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(cè)量的準(zhǔn)確性。

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

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（編輯：商丹丹）