李 波，王 虎

(1. 明导(上海)电子科技有限公司， 上海 200120； 2. 英业达科技有限公司， 上海 201114)

轴流风扇串联特性研究*

李 波1，王 虎2

(1. 明导(上海)电子科技有限公司， 上海 200120； 2. 英业达科技有限公司， 上海 201114)

通讯电子行业的产品功率密度越来越高，传统的自然对流散热方式已经不能满足设计要求，采用风扇的强迫冷却方式已经得到非常普遍的应用。由于产品尺寸、流量要求和噪声等限制，产品往往会采用风扇串联工作的方案。目前，串联风扇的实际特性曲线与理论计算特性曲线存在差异。文中从风扇类型、转速和风扇间距等方面出发，基于ANSI/AMCA 210—2007风扇测试标准，研究了这些因素对串联风扇特性曲线的影响，还对串联风扇在系统中的应用做了相关研究，对串联风扇在系统中如何得到合理应用，以充分发挥其制冷能力提出了若干建议。

风扇串联；风扇工作点；特性曲线；转速；系统流量

引 言

在当前的通讯电子行业中，风扇被广泛用于增强系统的散热能力。在风扇的实际应用中，很多时候会采用多风扇串联工作方案。例如，当单台风扇的尺寸超出系统设计要求时，会采用2台小尺寸的风扇进行串联；当单台风扇的流量无法满足系统设计要求时，会通过风扇串联来提供更大的系统流量；当单台风扇的噪音超出限制时，可以选择2台风扇串联来降低噪音水平。此外，当一些系统具有风扇冗余的要求时，也有可能采用风扇串联的方案。

文献[1]建议在有串联风扇的系统中，系统的阻抗特性曲线和风扇特性曲线均基于总压。风扇的测试标准均基于风扇进出风口静压差，而现有的风扇特性曲线测试设备无法直接输出风扇进出风口总压差，而且即便风扇特性基于总压，串联风扇进出风口的总压差也不是单台风扇的2倍。

本文首先介绍了ANSI/AMCA210—2007[2]轴流风扇特性测试标准，然后从串联风扇类型、风扇间距、风扇转速和系统阻抗等角度出发，研究了这些因素对

于串联风扇特性曲线的影响,同时也对串联风扇在系统中的应用进行了研究，分析了系统预估流量与实际流量产生偏差的原因。

1 轴流风扇测试方法

轴流风扇的测试方法遵从ANSI/AMCA 210—2007 Laboratory Methods of Testing Fans for Certified Aerodynamic或者DIN Standard 24 163标准。本文的风扇测试采用符合AMCA 210—2007标准的风洞，其测试原理如图1所示。

图1 风扇特性曲线测试原理图

风扇静压Ps的计算公式为

Ps=Pt-Pv

(1)

式中：Pt为风扇总压, Pa；Pv为风扇动压, Pa,Pv取决于风扇出口平均速度。

经过喷嘴的空气流量为

(2)

式中：Q5为PL5平面处的空气流量，m3/s；Y为喷嘴膨胀系数；ΔP为静压力差, Pa；ρ5为PL5平面处的空气密度, kg / m3；C为喷嘴流量系数；A5为PL5平面处的截面面积，m2。

风扇入口处的空气密度与喷嘴处存在差异，风扇流量Q通过下式进行计算：

(3)

式中，ρ为风扇空气密度，kg / m3。

同理可以求得风扇出口处的速度：

(4)

式中：V2为PL2平面处的空气速度，m /s；A2为PL2平面处的截面面积，m2；ρ2为PL2平面处的空气密度，kg / m3。

根据风扇出口处的速度求得风扇出口处的动压Pv2(PL2平面处的动压)：

(5)

根据AMCA210—2007标准定义，风扇的动压Pv等于风扇出口处的动压Pv2。此风扇的测试原理为出口测试腔体，入口自由流体设置，所以风扇入口处的总压(PL1平面处的总压))Pt1等于环境压力Pa。

风扇出口处的总压为出口处的静压与动压之和：

Pt2=Pa+Ps7+Pv

(6)

式中：Pt2 为PL2平面处总压，即风扇出口处总压，Pa；Ps7为PL7平面处的静压，Pa。

风扇总压：

Pt=Pt2-Pt1

(9)

风扇静压：

Ps=Pt-Pv=Pt2-Pt1-Pv=Ps7

(10)

可以看出，不同流量Q对应唯一一个Ps值，即风扇P-Q特性曲线，其中流量Q可以使用不同直径的喷嘴来实现。

2 风扇串联特性影响因素

2.1 风扇串联理论计算特性曲线与测试特性曲线的差异

风扇串联工作时每台风扇的风量一样，而风压为2台风扇所产生的风压之和[3]。由于在实际应用中，串联风扇中出风口风扇的进风处空气非自由流动，进风口风扇的出风口空气流动也受出风口风扇的影响，所以2台风扇串联之后的最大静压不是单台风扇的2倍，最大流量也与单台风扇的最大流量存在偏差。如果采用理论计算的串联风扇特性曲线与系统阻抗进行匹配来预估系统流量，往往会与实际产生较大偏差。轴流风扇串联特性曲线如图2所示。

图2 轴流风扇串联特性曲线

2.2 测试风扇介绍

本文采用了不同结构和外形尺寸的6款风扇进行测试，来探讨风扇的串联特性，6款风扇的P-Q特性参数见表1。风扇A、B、C、D、E、F结构如图3～图6所示。

表1 不同风扇的P-Q特性参数

图3 风扇A、B、C正面出风口

图4 风扇A、B、C背面进风口

图5 风扇D、E、F正面出风口

图6 风扇D、E、F背面进风口

2.3 不同风扇结构的串联风扇特性

对A、B、C 3款不同结构的4028轴流风扇分别进行单台和串联的特性曲线测试。串联风扇测试装置如图7所示。A风扇单台测试的最大静压和流量分别为439 Pa和0.012 9 m3/s。根据以往的风扇串联理论计算公式，A风扇串联的最大静压和流量分别为878 Pa和0.012 9 m3/s。但实际A风扇串联测试得到的最大静压和流量分别为684 Pa和0.013 9 m3/s。可见，实际上风扇串联之后的静压没有翻倍，而且最大流量也发生了变化。其中，风扇串联测试的最大静压比理论计算值小22%，风扇串联测试的最大流量比理论计算值大8%。在轴流风扇建议的工作范围，即风扇特性曲线的右侧1/2区域，理论计算与测试的风扇串联特性曲线存在交点。说明当用理论计算曲线与系统阻抗特性曲线匹配预估系统流量时，有可能错误地放大或缩小系统流量。A风扇的特性曲线如图8所示。

图7 串联风扇测试

图8 A风扇特性曲线

B风扇串联测试的最大静压比理论计算值小27%，风扇串联测试的最大流量比理论计算值大8%。C风扇串联测试的最大静压比理论计算值小15%，风扇串联测试的最大流量比理论计算值大5%。与A风扇串联测试结果类似，在采用B、C风扇理论计算与系统阻抗预估系统流量时，有可能错误地放大或缩小系统流量。B、C风扇的特性曲线如图9所示。

图9 B、C风扇特性曲线

对D、E、F 3款8038轴流风扇而言，其风扇串联测试的最大流量与理论计算值比较接近。但是在相同流量下，这3款风扇的理论计算值对应的静压值要比测试值大。换言之，在用风扇串联理论计算特性曲线与系统匹配进行流量预估时，会错误地放大系统流量。D、F风扇的特性曲线如图10所示，E风扇的特性曲线如图11所示。

图10 D、F风扇特性曲线

图11 E风扇特性曲线

2.4 串联风扇间距对特性曲线的影响

假设风扇的厚度为L，研究间距为0L，0.25L，0.5L和0.75L4种情况下的串联风扇的特性曲线。在轴流风扇建议的工作特性区域，即特性曲线的右侧1/2区域，当风扇间距为0时，特性曲线最好。随着两风扇间距扩大，风扇特性曲线会稍稍向下偏移。在风扇串联应用时，应尽可能将两风扇贴合，这样既可节省系统空间，也可提高串联风扇的出风特性。不同间距的A串联风扇特性曲线如图12所示，不同间距的D串联风扇特性曲线如图13所示。

图12 不同间距的A串联风扇特性曲线

图13 不同间距的D串联风扇特性曲线

2.5 串联风扇转速对特性曲线的影响

系统在实际工作中，由于负载变化等原因，风扇可以进行降额工作。串联风扇可以在不同的转速下工作。一般采用PWM控速方法，设定风扇的周期性脉冲占空比值来控制风扇转速。测试结果发现2台A风扇串联，当出风口风扇以90% 占空比、进风口风扇以60%占空比工作时，其特性曲线要好于出风口风扇以60%占空比、进风口风扇以90%占空比工作的情况。随着2台风扇的工作占空比差进一步扩大，出风口风扇以高占空比值工作时的综合特性比入风口风扇以高占空比值工作时的综合特性更好。如图14所示，出风口风扇90%占空比、入风口风扇30%占空比要比出风口风扇30%占空比、入风口风扇90%占空比的最大流量多20%。

图14 不同转速的A串联风扇特性曲线

对于2台D风扇而言，2台不同占空比风扇布置的差异会导致特性曲线的差异，其中出风口风扇10%占空比、入风口风扇90%占空比的特性曲线要好于出风口风扇90%占空比、入风口风扇10%的特性曲线，如图15所示。这与A风扇串联的测试结果并不一致，说明不同结构、不同规格的串联风扇进行调速工作时，设置不同占空比，其叠加的特性曲线优劣较难判断，需要通过测试来确认。

图15 不同转速的D串联风扇特性曲线

2.6 串联风扇在系统中的应用

将A风扇串联测试曲线和1U系统阻抗特性曲线置于同一数据图表中，其相交点为预估的风扇工作点，交点的流量为预估的系统流量。如图16所示，预估的系统流量为0.007 4 m3/s。但实际测试系统的流量分别为0.005 8 m3/s(风扇置于系统两侧，如图17所示)和0.004 7 m3/s(风扇置于系统进风侧,如图18所示)。可见串联风扇置于系统两侧方案的系统流量比预估值少22%，串联风扇置于系统进风侧方案的系统流量比预估值少36%。

图17 串联风扇置于系统两侧

图18 串联A风扇置于系统进风侧

其主要原因是在系统阻抗特性曲线测试过程中，流经1U系统的测试空气是由测试设备驱使的，在系统入口处的空气流动平缓，气流组织平顺。但当串联风扇置于系统进风侧时，因风扇出风的旋转性和局部性，系统入口处气流组织混乱，从而造成了串联风扇置于系统进风侧时，系统流量要远小于预估值。

对于串联风扇置于系统两侧的方案，即系统进出风侧均有风扇，由于系统出风侧的风扇为抽风工作状态，并且系统进风侧的气流组织混乱程度要小于系统进风侧布置串联风扇的方案，所以串联风扇置于系统两侧方案的系统流量要比串联风扇置于系统进风侧的大。如果系统需要采用风扇串联方案，在条件允许的情况下可以采用风扇置于系统两侧的方案。

对于串联D风扇在2U系统中的应用，情况与A风扇一样。图19 为预估的D风扇工作点。2U系统的预估系统流量为0.016 8 m3/s，而实际测试的系统流量分别为0.016 0 m3/s(风扇置于系统两侧)和0.014 9 m3/s(风扇置于系统进风侧)。可见串联风扇置于系统两侧方案的系统流量比预估值少5%，串联风扇置于系统进风侧方案的系统流量比预估值少7%。

图19 D风扇工作点预估

3 结束语

轴流风扇串联的理论计算特性曲线与实际测试特性曲线存在差异，其差异程度受到风扇类型的影响。其中最大静压的差异有可能超过20%。在利用轴流风扇串联理论特性曲线预估系统流量时，存在放大系统流量的可能性。

串联风扇之间的间距增加，会使风扇特性曲线向下偏移。在风扇串联应用时，应使两风扇尽可能贴合，这样既可以节省系统空间，也可提高串联风扇的出风特性。

串联风扇可分别以不同转速工作。例如，前后风扇分别以β1和β2不同转速工作，其特性曲线与前后风扇分别以β2和β1转速工作的特性曲线存在差异。特性曲线具体的变化趋势需要通过测试等手段来确认。

根据串联风扇的测试特性曲线和系统测试阻抗特性曲线，可以预估风扇工作点和系统流量。但实际的系统流量要小于预估的系统流量。串联风扇布置于系统两侧方案的系统流量要大于串联风扇布置于系统进风侧的方案。

[1] Multiple fan systems: fans in series and parallel [EB/OL].[2013-06-15]. http: // www.greenheck.com / library / articles / 42.

[2] Air Movement and Control Association International, Inc and the American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineering. ACNI/AMCA 210—2007, Laboratory Methods of Testing Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating[S]. Atlanta, USA: 30 West University Drive Arlington Heights, IL and 1791 Tullie Circle, NE Atlanta, GA, 2007.

[3] 余建祖. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京：高等教育出版社, 2002.

李 波(1982-)，男，硕士，工程师，主要从事电子设备热设计、热仿真方面的工作。

王 虎(1986-)，男，硕士，工程师，主要从事服务器散热设计工作。

Study on Performance of Fans in Series

LI Bo1，WANG Hu2

(1.MentorGraphicsElectronicTechnologyCo.Ltd.，Shanghai200120,China; 2.InventecTechnologyCo.Ltd.,Shanghai201114,China)

The power density of products in communications and electronics industries is increasingly high. As a result, the traditional cooling way of natural convection can not meet the design requirements and forced cooling by fan is very popular. However, due to limits of the product size, flow requirements and noise，fans working in series tend to be adopted in the product. There is a difference between the actual characteristics curve and the calculated characteristics curve in theory of fans in series at present. The effects of the fan type, the rotation speed and the space between fans on the characteristics curve of fan in series are discussed in this paper on the basis of the fan test standard ANSI/AMCA 210—2007. In addition, the application of fans in series to the system is studied. And some suggestions on how to apply the fans in series to the system in order to get the maximum cooling efficiency are put forward.

fans in series; operation point of fan; characteristics curve; rotation speed; system flow rate

2013-08-13

TN876.7

A

1008-5300(2013)05-0016-05