风扇性能曲线风洞测试

風扇性能曲線風洞測試一.實驗目的風洞測試機具及其相關量測規範應用於電子散熱與模組組裝至今已相當成熟，除了流場流況觀測與熱傳測試之外，最為廣泛被利用之強制對流散熱裝置更是隨處可見的風扇模組。隨著高科技產業的急遽發展，風扇因應更多不同使用條件的要求而需要被更嚴苛的測試環境加以規範，進而設計並生產出卓越的散熱機制，以提昇產品的可靠度與未來的研發能量。風扇一般的設計要點主要為葉片的曲面設計與驅動模組，除了尺寸與功率的規範之外，其所搭配出之產品必須接受包含噪音測試，風量測試，轉速測試，靜壓測試，耐用度評估等，才能達成不同的使用要求。於本實驗中，希望藉由風洞量測概念，經由學員實際操作進而了解現今產業界如何量測風扇之性能曲線；性能曲線亦即靜壓-風量(P-Q)曲線，最後彙整各項實驗參數與數據，加以評估比較。二.風扇P-Q特性定義依照風扇PQ曲線來看，以三個物理值來描述它：1.Pmax：當風量為0時，在某固定腔室容積狀態下，該風扇的最大靜壓值。2.Qmax：當風扇入口與出口二端壓差為0時的流率，為該風扇的最大流率。3.P-Q值：為風扇入口與出口二端壓差與當時狀態下流率Q的對應值。其特性關係如圖示例子：圖1.風扇壓力與流量關係(風扇特性曲線)因此在風扇P-Q測試量測時，我們依照該特性因素，分為三個階段去量測風扇的P-Q特性。又以直流風扇而言，目前的風扇驅動方式，以定電壓及PWM二種模式為主。空氣由沒有提供動力的組件或系統的入風口進入，出風口流出。而空氣流動時，氣流在其流動路徑會遇上系統內部零件的阻擾，其阻抗會限制空氣自由流通，造成風壓的損失，此損失因風量而變化，在空氣流量Q的狀態下，組件或系統的入風口端與出風口端形成壓力差P，該壓力P與流量Q的對應關係，即為該組件或系統的空氣流量阻抗特性，其特性關係如圖示例子。圖2.元件阻抗與流量關係(系統特性曲線)系統特性曲線與風扇特性曲線的交點，稱為系統操作工作點，該工作點即風扇之最佳運作點。在工作點，風扇特性曲線之變化斜率為最小，而系統特性曲線之變化率為最低；此時對應於同一系統阻抗之靜壓值，風扇所能提供之風流量恰可符合系統之需求。而系統阻抗曲線不同所產生之操作點也隨之不同。圖3.風扇性能曲線與系統阻抗關係設計時應考慮項目：1.保持空氣流動盡量不受阻擾，入風口與出風口保持暢通。2.引導氣流垂直通過系統，以確保氣流順暢而提升冷卻效率。3.如需加裝空氣濾網，應考慮其增加的空氣流動阻力。三.實驗機台本實驗所使用的風洞機台名稱為LW-9015全自動AMCA210風洞。LW-9015RSAN為一種風量及壓力量測裝置(AirFlowRate&PressureMeasurementApparatus)。LW-9015RSAN風量及壓力量測裝置是依據美國AMCA210-99規範，由輔助風機把空氣流過設計好的噴嘴，在噴嘴二端形成壓差，由該壓力差值計算出空氣流量。在噴嘴的上游，有靜壓腔室用來量測靜壓，因此得到風扇特性曲線及系統特性曲線資料。為了得到精確流量值，這個裝置共有5組噴嘴，各分別量測不同區段的流量值，總量測流量範圍2.4~250CFM)minft(3，操作過程由電腦命令狀態，且自動擷取資料。機台的功能上則為：1.風扇或風扇組P-Q特性量測。2.零件、組件或系統阻抗P-Q特性量測。3.標準流量產生，配合加熱模組或熱傳風洞做T-Q(溫度-流量)或R-Q(風扇轉速-流量)量測。各項裝置簡介：圖4.機台主體照片1.前安裝板與風扇測試區。2.位置PL.7與靜壓管Ps7。3.位置PL.5與靜壓管Ps5。4.位置PL.6及壓力管，與位置PL.5的壓力差為ΔP。5.位置PL.8，總壓力為Pt8。6.手孔，用來清潔細金屬網或更換噴嘴蓋等用途；量測時，必2.1.3.4.5.6.7.8.9.10.11.須要蓋緊，使用扳手鎖緊。7.測試風扇用的PowerSupplyDC30V×3A。8.後安裝板。9.PC用鍵盤。10.監控用LCD螢幕。11.PWM用脈波訊號產生器GFG-3015。圖5.前安裝板與風扇測試區12.前安裝板，最大開孔尺寸為36cm×43cm，可以用來安裝大型試驗件，做Impedance測試用。13.前中間安裝板，最大開孔尺寸為14cm×14cm，一般用來安裝測試用風扇或比較小型試件做Impedance。14.試驗件安裝板，依測試件需求形狀來開孔測試。12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.15.扣鉗，夾持力55Kg/件。16.雙肘支持架，用來架設轉速測定器。17.鎖緊螺。18.高低調整螺。19.光纖感測器，其端面與被測物保持2~5mm。20.測試風扇。21.30cm×35cm升降台，用來置放待測物，如系統或組件。圖6.量測儀錶22.變頻控制操作盤：開機時Stop鍵及燈號會亮，操作執行前要按RUN鍵，RUN燈號會亮，為待機狀態。23.吸氣或吹氣選擇模式開關。24.電腦或手動選擇模式開關。手動模式時，Psmode、NozzleSelect及Pressuremode按鍵可由手動操作PC模式時由PC控制。25.手動控制風速流量。26.全系統電源開關。27.測試風扇轉速訊號來源，由風扇內部來選在Initial，由外部光纖來選擇External。28.Psmode：壓力軸壓力來源邏輯選擇鈕。29.NozzleSelect：手動模式時，用手動操作。30.Pressuremode：未開啟開關時，對應量錶上的顯示值未有意義。22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.31.P1壓力量測，壓力範圍0~12.7mmAq，用來量測Ps7或Pt8。32.P2壓力量測，壓力範圍0~254mmAq，用來量測Ps7或Pt8。33.P3壓力量測單元，壓力範圍0~127.0mmAq，用來量測ΔP。34.大氣壓力量測值450~825mmHg。35.T5(在PL.5位置的腔室溫度)溫度量測0~50℃。36.T7(在PL.7位置的腔室溫度)溫度量測0~50℃。37.T8(在PL.8位置的腔室溫度)溫度量測0~50℃。38.Td(乾球溫度)溫度量測0~50℃。39.Tw(濕球溫度)溫度量測0~50℃。40.測試物轉速量測，0~20000rpm。與光纖感測器連線操作。41.A1，測試風扇用電流訊號。42.V1，測試風扇用電壓訊號。注意事項：1.本項裝置，除了輔助風機為轉動性組件，有使用壽命外，其它的零組件為半永久性壽命。為維持產品的精確性，保持清潔，尤其金屬細網，有它的必要性。2.試驗段本體材料為壓克力製造，請使用一般玻璃清潔劑擦拭，不要使用溶劑。3.輔助風機內不得吸入異物，以免造成風機損壞。4.經常要開啟與關閉的手孔及試件安裝螺牙孔，應保持良好的施力操作，避免過負荷，損壞結構體。四.實驗操作LW-9015RSAN系列產品為電腦化全自動控制、資料擷取及資料整理的機型，正常都是在電腦模式狀態下使用，並且人機介面關係均以關連邏輯式結構構成，因此，只要依畫面顯示及指示操作，即可達到正確測試結果。1.確認全系統相關連線完成正確。2.被測試物風扇或阻抗物依需求安裝於必要的位置上。3.相關電源確認無誤，將機器相關開關打開，9015RSAN主機裝置建議於暖機15分鐘以上，使相關儀錶狀況穩定。4.在控制主機箱上，將控制模式選在”PC”選項上。5.選擇控制系統(圖7)：圖7.機型選擇畫面。請選擇使用的機型，進入下一頁。6.測試項目選擇(圖8)：圖8.測試項目選擇畫面。人機畫面模擬實機的相對應配備位置，主要在提示測試的項目，測試項目分為3類：風扇性能測試、系統元件阻抗測試、額定流量提供。依需要點選測試項目，相關測試條件將自動完成設定。點選項目後，進入下一頁。7.風扇或陣列風扇測試命令設定頁(圖9)：圖9.風扇或陣列風扇測試命令設定畫面。7.1Name：填入的名稱，將成為檔名的主要部份，下方註記文字為執行狀態值，也為檔名的預設名稱。注意：當進入測試命令設定畫面，參數設定或變更後，必須點選該測試項目之選擇鈕，以確認檔案名稱資訊為最後設定資訊。否則檔案名稱仍為上一次參數資訊。例如，定電壓模式，電壓參數設定完成後，再按一次ConstantVolt按鈕。PWM模式、定轉速模式依此類推。7.2電壓設定：Command為電腦控制電源供應器之輸出電壓，Output為電源供應器實際輸出電壓。7.3風扇測試模式分為三種：A.定電壓模式。B.PWM模式。C.定轉速模式。A.定電壓模式：StepMode及IndicatedMode2種輸出方式。A.1StepMode：有Start、Step及Stop三個設定值。使輸出電壓按Step步階方式輸出電壓命令，其中Step值必須大於0。A.2IndicatedMode：直接寫入欲執行的電壓命令值。輸出命令與供給被測風扇電壓值的關係：輸出命令DC0~10V，其依使用電源供應器的不同而有不同輸出。例1：GPS-3030DD電源供應器，在Master狀態下人工調整，設定最大電壓值(15V)為Output設定當中的電壓最大值（15V）。設定完成後，將電源供應器設定在Slave模式下，則命令列之電壓值，即為GPS-3030DD電源供應器輸出的電壓值。注意：由Slave轉換為Master狀態時，電壓旋鈕要先轉到最小值的死點，以防止過高電壓燒燬測試物。B.PWM模式：是指風扇在某固定電壓狀態下，以不同的頻率及dutycycle來控制其轉速，因此在這個模式下由人工對直流電源供應器調整，提供測試風扇一個預設定的電壓值。由電腦對脈波產生器做頻率及dutycycle的控制輸出dutycycle範圍為20~80%。PWM命令輸出模式分為Step及指定二種模式，依實際狀況設定之。執行時，是先以頻率為固定值，dutycycle為變數值，做循環測試，其總執行次數為頻率設定數×dutycycle的設定數。C.定轉速模式：設定被測風扇定轉速的執行值，因為轉速不容易為固定值，因此應予以適當的允許裕度值，做為回授決定參數。8.主執行畫面(圖10)：8.1在進入這個畫面的同時，基本參數Td、Tw、T5、T7、T8、Pb都將被量測，若量測狀態有異常，將提示使用預設值，一般我們都是接受的。8.2在電腦模式控制狀態下，P-Q、Pmax、Qmax、Impedance、Airflowrate欄位功能是不使用的。8.3在RUN前，先進入Setting對執行狀態做設定，按Setting鍵後，會出現二組選擇畫面。8.4當設定完成後，按RUN將自動執行。8.5執行中程式，按Stop停止鍵，將要等待該執行步驟結束後，才能解除執行。8.6Quit離開主畫面。8.7Back將回到測試項目選擇畫面。圖10.執行主畫面。*1.在RUN前，先設定每條P-Q曲線量測點數，然後按RUN將自動執行。*2.執行中程式會顯示出目前測試狀態，以及測試進度。*3.執行中程式，按Stop停止鍵，將要等待該執行步驟結束後，才能解除執行。*4.Quit離開主畫面。*5.Back將回到測試項目選擇畫面。五.數據紀錄與問題討論1.如何判定風扇性能曲線與系統阻抗曲線之最佳值。2.承問題1，如何由P-Q曲線圖解釋之。3.心得感想。風扇性能曲線PsΔPQReSpeedVoltageCurrentmmAqinAqmmAqCFMRPMVoltAmp1.2.3.4.5.6.系統阻抗曲線1.2.3.4.5.6.風扇性能曲線系統阻抗曲線合併比較: