微型风扇出口速度分布及其对散热的影响

翁建华，舒宏坤，廉东方，胡记超，崔晓钰

（1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引 言

由于对小型可移动电子产品性能要求的不断提高，微处理器及其它电子器件工作时向外界散热的热流密度不断增加，出现了许多新的散热方式与措施：如采用液体及微槽道来冷却发热器件［1-2］等。不过，空气冷却的传统散热方案由于系统简单、费用低，仍被广泛应用于笔记本电脑、通讯设备等的散热。这种散热方式通常由热管、微型风扇及散热器组成，并由热管首先将发热器件的热量传递至散热器，再由微型风扇驱动空气流经散热器将热量带出［3］。散热器的散热效果与流经散热器的空气流量有很大关系，而空气流量与微型风扇的性能、散热器的结构以及整个电子产品的系统阻抗都有关系。尽管已有一些微型风扇内部空气流动方面的研究［4-6］，但相比其它类型的风机，在性能、效率和结构等方面还有待进一步研究。由于空间限制，许多情况下微型风扇出口直接与散热器相连，散热效果不仅与散热器的结构尺寸有关，还与微型风扇的出口风速的分布有关。对散热器换热性能及设计方面也有一些讨论［7-8］，但微型风扇出口速度分布对散热器散热效果影响方面的研究还很少。

本文测量了两种不同型号微型风扇出口的速度分布，并通过计算分析了两种不同型号风扇以及散热器不同入口速度分布对散热的影响。

1 微型风扇与散热器结构尺寸

微型风扇由叶轮、蜗壳等组成，两风扇叶轮直径均为35.5 mm。两风扇的叶片数不同，风扇A 为13，风扇B 为15，且两风扇的叶片形状也有差别。风扇出口直接与散热器连接，散热器上部则与热管相连接。散热器共由34片散热片组成，散热片厚0.2 mm，间距1.2 mm，下端折弯后的高度6 mm，材料为铜。

2 微型风扇出口速度分布

微型风扇出口风速由热线风速仪测量得到。热线风速仪固定在平移台上，通过平移台调节实现水平移动，并确定被测点的位置。风扇所加电源电压为5 V，测量时热线风速仪探头与风扇出口相垂直，测量得到两微型风扇出口速度分布如图1 所示。由图可见，风扇A 的出口速度分布较风扇B 均匀，其中风扇B 一侧的风速比较高，达到8 m/s。这种出口速度分布上的差别是由于两种风扇结构上的不同所造成的。

图1 两种风扇出口速度分布测量结果

3 散热量计算方法

为确定散热器的散热量，首先计算两翅片间单个通道的散热量，而散热器散热量则等于空气流经散热器各通道散热量的总和。由于散热器翅片材质为铜，导热系数较高，且翅片高度较低，散热器各通道的散热量按等壁温由下式计算：

式中：Qi为空气流经通道i 的换热量为空气流经通道i 的质量流量，kg/s；Cp为空气比热容，J/kg·℃；Tw，Ti分别为翅片表面温度及空气入口温度，℃；A 为单个通道的换热面积，m2；hi为通道i 内空气与翅片表面的对流换热系数，W/（m2·K）。

散热器各通道出口空气温度为

式中，Toi为空气流经散热器通道i 后的出口温度，℃。

空气与散热器翅片间的对流换热系数按等壁温平行平板间层流对流换热关联式计算［9-10］：

4 散热量计算结果与分析

表1 风扇A 与风扇B 散热量比较

表2 相同风量下风扇A、风扇B 及均匀出口速度分布散热量比较

按上述方法，首先对采用A、B两种不同型号微型风扇情况下，散热器的散热量进行计算，其中散热器壁面温度取68 ℃，空气入口温度40 ℃，计算结果见表1。由表可见，采用风扇A 进行散热时，散热器的散热量要比风扇B 高12%左右，表明从散热角度看风扇A 要优于风扇B。表2 为相同风量条件下，采用风扇A、风扇B 及均匀出口速度分布时散热器散热量的比较，由表可见，相同条件下均匀风速时散热器的散热量为最高，比风扇B 高近7%；相同风量下风扇A 要比风扇B 散热量高5.7%。表2 的结果表明，相同条件下均匀的风扇出口速度有利于散热器的散热。进一步分析表明，表1中采用风扇A 进行散热比采用风扇B 散热量高，一方面是由于风扇A 的风量比风扇B 要高5.7%左右；另一方面则是由于风扇A 出口空气速度比较均匀所致。

图2 为采用风扇A 和风扇B 时散热器各通道的散热量，图3 为各通道出口空气温度。对比图1 的出口速度分布可以看出，空气速度小，空气的出口温度虽然高，但流经通道的空气流量小，带走的热量少。相反，空气速度大，空气的出口温度虽然低，但流经通道的空气流量大，带走的热量多。

5 结 论

通过对两种不同型号微型风扇出口速度的测量，得到微型风扇出口速度分布。通过对散热器各通道散热量的计算，得到采用不同型号微型风扇时散热器的散热量，以及相同空气流量、不同入口速度分布条件下散热器的散热量。计算结果表明，均匀的微型风扇出口速度分布对散热器的散热有利。在电子产品设计中，许多场合由于空间限制，微型风扇通常与散热器直接相连接，因此在微型风扇的结构设计中，应尽可能使风扇出口速度分布均匀。这一方面可依据工程实践，另一方面也可通过微型风扇内部流场分析来实现。

图2 各通道散热量分布

图3 散热器出口温度分布

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