葉片數和葉輪外徑對微型風扇性能影響的實驗研究

石夢琦, 翁建華

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

隨著電子產品的小型化和電子器件集成度的不斷提高,電子器件熱流密度不斷上升,如電力電子器件、微電腦CPU和大功率LED等[1],就對設備的散熱技術提出了更高的要求。目前,采用微型風扇加翅片散熱器的強制對流散熱方案仍是最為經濟有效的方法。相比于大中型風機,對微型風扇方面的研究還比較少。文獻[2]確定了微型風扇性能的測試方法,探討了比例定律用于微型風扇的偏差問題;STAFFORD J等人[3-5]設計了幾種微型風扇,通過實驗研究了風扇的寬高比和轉速等對微型風扇內部流動的影響。張顧鐘[6]用FLUENT數值模擬軟件對離心風機內部流場進行數值模擬分析,通過對離心風機葉片出口角、葉片數及轉速的優化,改善了葉輪低速區和蝸舌的回流現象,流動損失相對減少,提高了風機效率。王松嶺等人[7]用FLUENT數值模擬軟件分別對葉片加長前后進行了三維定常數值模擬,結果表明,葉片加長后風機全壓迅速提高。這些研究成果為微型風扇的結構優化和性能改進提供了參考。本文通過實驗測試微型風扇葉片數和葉輪外徑發生變化時風扇的流量-壓力性能曲線,分析了風扇的結構變化對其性能的影響。

1 實驗裝置和測試方法

實驗裝置和測試系統如圖1所示。實驗時,通過調節錐形節流門的開度來控制微型風扇的流量,并通過L型畢托管測量管內流速。為了使錐形節流門與風管中心保持在同一直線上,設計了同心桁架裝置。測試時,通過微壓表測量風扇出口靜壓,畢托管與差壓儀測量動壓。管道截面上動壓的測量采用等面積圓環法布點[8]。流量由畢托管測得的管內距風管入口250 mm處截面各點的動壓計算得到[1]。實驗用的畢托管為KIMO-TPL型,直徑為3 mm,測量精度為1%。選用TESTO-465光電式轉速儀測量轉速,量程為1～99 999 r/min,精度為±1.2 r/min。微型壓差計的型號為TESTO-510,量程為0～30 Pa,精度為±0.3 Pa。

圖1 實驗裝置和測試系統示意

針對葉輪外徑和葉片數目兩個參數的變化,設計制作了3種結構風扇,參數如表1所示。其中,風扇A和風扇B的葉輪外徑不同,風扇A和風扇C的葉片數不同,風扇D是某廠家的一款微型風扇。葉片形狀為直板型。

表1 4種微型風扇的主要結構參數

2 實驗結果及分析

2.1 葉片數的影響

在6 000 r/min的轉速下,不同葉片數的微型風扇A和風扇C的流量-壓力(qv-p)性能曲線和無因次性能曲線如圖2所示。

圖2 轉速為6 000 r/min時風扇A和風扇C的流量-壓力性能曲線和無因次性能曲線

(1)

式中:qv——流量,m3/s;

A2——葉輪側面面積,m2;

u2——葉輪出口圓周速度,m/s。

u2和A2的計算分別為

(2)

(3)

式中:n——葉輪轉速,r/min;

D2——葉輪外徑,m。

(4)

式中:p——壓力,Pa;

ρ——空氣密度,kg/m3。

2.2 葉輪外徑的影響

在6 000 r/min轉速下,不同葉輪外徑微型風扇A和風扇B的流量-壓力性能曲線和無因次性能曲線如圖3所示。由圖3可以看出,在轉速為6 000 r/min時,葉輪外徑越大的風扇,在相同流量下壓力更大。

圖3 轉速為6 000 r/min時風扇A和風扇B的流量-壓力性能曲線和無因次性能曲線

2.3 不同轉速下風扇的性能

圖4是風扇D在不同轉速時的流量-壓力性能曲線和無因次性能曲線。由圖4可以看出,當轉速增加時,風扇的風量明顯增大;無因次性能曲線與流量-壓力性能曲線的變化基本相同。

圖4 不同轉速時風扇D的流量-壓力曲線和無因次性能曲線

3 結 語

對不同葉片數目和不同葉輪外徑的微型風扇進行實驗測試,分別得到其流量-壓力性能曲線。性能測試的結果表明:在相同轉速下,葉片數目多的風扇性能更好;對于不同葉輪外徑的風扇,葉輪外徑大的風扇的風量更大。同時,計算并繪制了相應工況下微型風扇的無因次性能曲線,其變化規律與流量-壓力性能曲線基本相同。最后,測試了同一款風扇在不同轉速下的性能曲線,發現提高轉速能明顯增加微型風扇的風量。這些研究可對微型散熱風扇的結構優化設計提供一定的參考。