微型風扇出口速度分布及其對散熱的影響

翁建華，舒宏坤，廉東方，胡記超，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）

0 引 言

由于對小型可移動電子產品性能要求的不斷提高，微處理器及其它電子器件工作時向外界散熱的熱流密度不斷增加，出現了許多新的散熱方式與措施：如采用液體及微槽道來冷卻發熱器件［1-2］等。不過，空氣冷卻的傳統散熱方案由于系統簡單、費用低，仍被廣泛應用于筆記本電腦、通訊設備等的散熱。這種散熱方式通常由熱管、微型風扇及散熱器組成，并由熱管首先將發熱器件的熱量傳遞至散熱器，再由微型風扇驅動空氣流經散熱器將熱量帶出［3］。散熱器的散熱效果與流經散熱器的空氣流量有很大關系，而空氣流量與微型風扇的性能、散熱器的結構以及整個電子產品的系統阻抗都有關系。盡管已有一些微型風扇內部空氣流動方面的研究［4-6］，但相比其它類型的風機，在性能、效率和結構等方面還有待進一步研究。由于空間限制，許多情況下微型風扇出口直接與散熱器相連，散熱效果不僅與散熱器的結構尺寸有關，還與微型風扇的出口風速的分布有關。對散熱器換熱性能及設計方面也有一些討論［7-8］，但微型風扇出口速度分布對散熱器散熱效果影響方面的研究還很少。

本文測量了兩種不同型號微型風扇出口的速度分布，并通過計算分析了兩種不同型號風扇以及散熱器不同入口速度分布對散熱的影響。

1 微型風扇與散熱器結構尺寸

微型風扇由葉輪、蝸殼等組成，兩風扇葉輪直徑均為35.5 mm。兩風扇的葉片數不同，風扇A 為13，風扇B 為15，且兩風扇的葉片形狀也有差別。風扇出口直接與散熱器連接，散熱器上部則與熱管相連接。散熱器共由34片散熱片組成，散熱片厚0.2 mm，間距1.2 mm，下端折彎后的高度6 mm，材料為銅。

2 微型風扇出口速度分布

微型風扇出口風速由熱線風速儀測量得到。熱線風速儀固定在平移臺上，通過平移臺調節實現水平移動，并確定被測點的位置。風扇所加電源電壓為5 V，測量時熱線風速儀探頭與風扇出口相垂直，測量得到兩微型風扇出口速度分布如圖1 所示。由圖可見，風扇A 的出口速度分布較風扇B 均勻，其中風扇B 一側的風速比較高，達到8 m/s。這種出口速度分布上的差別是由于兩種風扇結構上的不同所造成的。

圖1 兩種風扇出口速度分布測量結果

3 散熱量計算方法

為確定散熱器的散熱量，首先計算兩翅片間單個通道的散熱量，而散熱器散熱量則等于空氣流經散熱器各通道散熱量的總和。由于散熱器翅片材質為銅，導熱系數較高，且翅片高度較低，散熱器各通道的散熱量按等壁溫由下式計算：

式中：Qi為空氣流經通道i 的換熱量為空氣流經通道i 的質量流量，kg/s；Cp為空氣比熱容，J/kg·℃；Tw，Ti分別為翅片表面溫度及空氣入口溫度，℃；A 為單個通道的換熱面積，m2；hi為通道i 內空氣與翅片表面的對流換熱系數，W/（m2·K）。

散熱器各通道出口空氣溫度為

式中，Toi為空氣流經散熱器通道i 后的出口溫度，℃。

空氣與散熱器翅片間的對流換熱系數按等壁溫平行平板間層流對流換熱關聯式計算［9-10］：

4 散熱量計算結果與分析

表1 風扇A 與風扇B 散熱量比較

表2 相同風量下風扇A、風扇B 及均勻出口速度分布散熱量比較

按上述方法，首先對采用A、B兩種不同型號微型風扇情況下，散熱器的散熱量進行計算，其中散熱器壁面溫度取68 ℃，空氣入口溫度40 ℃，計算結果見表1。由表可見，采用風扇A 進行散熱時，散熱器的散熱量要比風扇B 高12%左右，表明從散熱角度看風扇A 要優于風扇B。表2 為相同風量條件下，采用風扇A、風扇B 及均勻出口速度分布時散熱器散熱量的比較，由表可見，相同條件下均勻風速時散熱器的散熱量為最高，比風扇B 高近7%；相同風量下風扇A 要比風扇B 散熱量高5.7%。表2 的結果表明，相同條件下均勻的風扇出口速度有利于散熱器的散熱。進一步分析表明，表1中采用風扇A 進行散熱比采用風扇B 散熱量高，一方面是由于風扇A 的風量比風扇B 要高5.7%左右；另一方面則是由于風扇A 出口空氣速度比較均勻所致。

圖2 為采用風扇A 和風扇B 時散熱器各通道的散熱量，圖3 為各通道出口空氣溫度。對比圖1 的出口速度分布可以看出，空氣速度小，空氣的出口溫度雖然高，但流經通道的空氣流量小，帶走的熱量少。相反，空氣速度大，空氣的出口溫度雖然低，但流經通道的空氣流量大，帶走的熱量多。

5 結 論

通過對兩種不同型號微型風扇出口速度的測量，得到微型風扇出口速度分布。通過對散熱器各通道散熱量的計算，得到采用不同型號微型風扇時散熱器的散熱量，以及相同空氣流量、不同入口速度分布條件下散熱器的散熱量。計算結果表明，均勻的微型風扇出口速度分布對散熱器的散熱有利。在電子產品設計中，許多場合由于空間限制，微型風扇通常與散熱器直接相連接，因此在微型風扇的結構設計中，應盡可能使風扇出口速度分布均勻。這一方面可依據工程實踐，另一方面也可通過微型風扇內部流場分析來實現。

圖2 各通道散熱量分布

圖3 散熱器出口溫度分布

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