随着电子产品的小型化和电子器件集成度的不断提高, 电子器件热流密度不断上升, 如电力电子器件、微电脑CPU和大功率LED等^[1], 就对设备的散热技术提出了更高的要求。目前, 采用微型风扇加翅片散热器的强制对流散热方案仍是最为经济有效的方法。相比于大中型风机, 对微型风扇方面的研究还比较少。文献[2]确定了微型风扇性能的测试方法, 探讨了比例定律用于微型风扇的偏差问题; STAFFORD J等人^[3-5]设计了几种微型风扇, 通过实验研究了风扇的宽高比和转速等对微型风扇内部流动的影响。张顾钟^[6]用FLUENT数值模拟软件对离心风机内部流场进行数值模拟分析, 通过对离心风机叶片出口角、叶片数及转速的优化, 改善了叶轮低速区和蜗舌的回流现象, 流动损失相对减少, 提高了风机效率。王松岭等人^[7]用FLUENT数值模拟软件分别对叶片加长前后进行了三维定常数值模拟, 结果表明, 叶片加长后风机全压迅速提高。这些研究成果为微型风扇的结构优化和性能改进提供了参考。本文通过实验测试微型风扇叶片数和叶轮外径发生变化时风扇的流量-压力性能曲线, 分析了风扇的结构变化对其性能的影响。

实验装置和测试系统如图 1所示。实验时, 通过调节锥形节流门的开度来控制微型风扇的流量, 并通过L型毕托管测量管内流速。为了使锥形节流门与风管中心保持在同一直线上, 设计了同心桁架装置。测试时, 通过微压表测量风扇出口静压, 毕托管与差压仪测量动压。管道截面上动压的测量采用等面积圆环法布点^[8]。流量由毕托管测得的管内距风管入口250 mm处截面各点的动压计算得到^[1]。实验用的毕托管为KIMO-TPL型, 直径为3 mm, 测量精度为1%。选用TESTO-465光电式转速仪测量转速, 量程为1~99 999 r/min, 精度为±1.2 r/min。微型压差计的型号为TESTO-510, 量程为0~30 Pa, 精度为±0.3 Pa。

针对叶轮外径和叶片数目两个参数的变化, 设计制作了3种结构风扇, 参数如表 1所示。其中, 风扇A和风扇B的叶轮外径不同, 风扇A和风扇C的叶片数不同, 风扇D是某厂家的一款微型风扇。叶片形状为直板型。

在6 000 r/min的转速下, 不同叶片数的微型风扇A和风扇C的流量-压力(q_v-p)性能曲线和无因次性能曲线如图 2所示。

由图 2可以看出, 两种曲线的变化趋势基本相同。在转速为6 000 r/min时, 叶片数多的风扇较叶片数少的风扇流量要大。这主要是由于不同叶片数下, 叶片间流道的宽度不同, 导致轴向涡流的影响不同, 流道间的流场也不相同。其中, 流量系数为

$ \bar{q}_{\mathrm{v}}=\frac{q_{\mathrm{v}}}{A_{2} u_{2}} $

(1)

式中:q_v——流量, m³/s;

A₂——叶轮侧面面积, m²;

u₂——叶轮出口圆周速度, m/s。

u₂和A₂的计算分别为

$ u_{2}=\frac{\pi D_{2} n}{60} $

(2)

$ \mathrm{A}_{2}=\frac{\pi \mathrm{D}_{2}^{2}}{4} $

(3)

式中:n——叶轮转速, r/min;

D₂——叶轮外径, m。

压力系数为

$ \bar{p}=\frac{p}{\rho u_{2}^{2}} $

(4)

式中:p——压力, Pa;

ρ——空气密度, kg/m³。

在6 000 r/min转速下, 不同叶轮外径微型风扇A和风扇B的流量-压力性能曲线和无因次性能曲线如图 3所示。由图 3可以看出, 在转速为6 000 r/min时, 叶轮外径越大的风扇, 在相同流量下压力更大。

图 4是风扇D在不同转速时的流量-压力性能曲线和无因次性能曲线。由图 4可以看出, 当转速增加时, 风扇的风量明显增大; 无因次性能曲线与流量-压力性能曲线的变化基本相同。

对不同叶片数目和不同叶轮外径的微型风扇进行实验测试, 分别得到其流量-压力性能曲线。性能测试的结果表明:在相同转速下, 叶片数目多的风扇性能更好; 对于不同叶轮外径的风扇, 叶轮外径大的风扇的风量更大。同时, 计算并绘制了相应工况下微型风扇的无因次性能曲线, 其变化规律与流量-压力性能曲线基本相同。最后, 测试了同一款风扇在不同转速下的性能曲线, 发现提高转速能明显增加微型风扇的风量。这些研究可对微型散热风扇的结构优化设计提供一定的参考。