吹風冷卻時風扇出風口與散熱器間距對模塊散熱影響的研究

前言

1,前言

      在電力電子行業中，由于存在著大量的功率元器件，因此強迫風冷冷卻在該行業得到廣泛的應用。由于該行業產品自身的特點及其主要的應用環境，模塊或系統在選用強迫冷卻這種散熱方式時，軸流風扇得到廣泛的應用。對于我司產品而言，大功率產品如：UPS、變頻器等，由于其輸出功率負荷較大（幾十至幾百個千瓦），雖然其效率較高（可達到93%以上），但是其功率元器件上的損耗還是相對較大，通常有幾百瓦至數個千瓦。因此，鉛焊式冷板散熱器在這兩種產品中得到廣泛的應用。隨著對電源類產品輸出功率要求的不斷提高，對電源類產品本身體積大小也有了較為嚴格的要求。尤其在上述的兩類產品中，對其結構緊湊，高輸出功率有了更加苛刻的要求。產品結構的緊湊，一方面，可以通過優化產品內部各器件的合理布局來實現；另一方面，也可以在確保各部件功能實現的基礎上，通過合理、正確地縮短可以減少的一些距離、空間來實現。因此，我們只有很好地了解并掌握了影響各器件功能實現的關鍵因素后，才能夠最大限度地較少能夠減少的距離和空間，達到結構上的最緊湊化。

2,研究目的 

      在強迫吹風冷卻情形下，冷板散熱器與軸流風扇間的距離，在我司目前產品設計過程中定義為一個風扇的厚度。然而，在實際應用過程中，由于不同風扇有不同的厚度，并且即使在具有相同風扇直徑的不同型號風扇情形下，風扇的厚度也不盡相同。從這個角度出發，以風扇厚度來定義冷卻風扇與冷板散熱器間的合理距離是不太合適的。因此，有必要對冷卻風扇與散熱器間的距離對該模塊散熱能力的影響，作一較為細致的研究與分析，然后，在此分析的基礎上提出一種較為合理的定義該距離的方法，從而來指導我司今后在相關產品中的開發與設計。3．仿真分析模型 下圖為吹風冷卻時風扇出風口與散熱器間距離對模塊散熱影響研究的仿真分析模型。在該模型中，冷卻空氣入口溫度，也即是模塊工作的環境溫度為40C。系統采用三個外形直徑為150.0mm，HUB直徑為75.0mm軸流風扇作為該模塊的冷卻風扇，在改變風扇與散熱器間的距離時，僅僅延伸求解域的大小，不改變該模型中散熱器的結構尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散熱器部分的網格劃分，力圖使不同模型間的維一差異為風扇與散熱器間的距離。同時，為了能夠很好地反映風扇與散熱器間距離對模塊散熱性能的影響，在模塊前沿定義了4個溫度監控點，用這些監控點來顯示功率器件與散熱器接觸面的中間點溫度。模塊散熱性能的優劣，不僅可以通過冷卻風扇工作點的相關信息（流體的質量或體積流量、系統阻力或風扇工作壓力）來表現，而且還可以通過監控點的溫度變化值、求解域空間的流場均勻程度等得到直觀地體現。

3．仿真分析模型

     下圖為吹風冷卻時風扇出風口與散熱器間距離對模塊散熱影響研究的仿真分析模型。 在該模型中，冷卻空氣入口溫度，也即是模塊工作的環境溫度為40C。系統采用三個外形直徑 為150.0mm，HUB直徑為75.0mm軸流風扇作為該模塊的冷卻風扇，在改變風扇與散熱器間的距離時， 僅僅延伸求解域的大小，不改變該模型中散熱器的結構尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散 熱器部分的網格劃分，力圖使不同模型間的維一差異為風扇與散熱器間的距離。同時，為了能夠很 好地反映風扇與散熱器間距離對模塊散熱性能的影響，在模塊前沿定義了4個溫度監控點，用這些 監控點來顯示功率器件與散熱器接觸面的中間點溫度。模塊散熱性能的優劣，不僅可以通過冷卻風 扇工作點的相關信息（流體的質量或體積流量、系統阻力或風扇工作壓力）來表現，而且還可以通 過監控點的溫度變化值、求解域空間的流場均勻程度等得到直觀地體現。

4. 仿真分析結果

       4.1. 風扇工作點及溫度監控點 由圖2可以看出，在該模塊中，流經冷卻風扇流體的體積流量隨著風扇與散熱器間距離的增大 而增大，并且該體積流量的增大在Distance為25.0mm~75.0mm之間尤為顯著，也即是說：此時冷卻 風扇的流量對該距離非常敏感，把該距離稍微增大一點，流體流經風扇的體積流量就有相當顯著的 變化。同時，當Distance的取值為75.0mm~175.0mm之間時，雖然從總體上而言風扇的體積流量也隨 距離的增大而增加，但其增大的幅度較前一階段有明顯的下降，也即是說：此時風扇流量處于對該 距離的不太敏感區域。上述的結論，我們也可以從冷卻風扇工作點的壓力值與距離之間的關系圖（圖 2）及各個溫度監控點隨距離的變化關系曲線（如圖3、4、5、6等）上可以得到進一步的證明。 在圖3、4、5、6中，需要說明一點的是：溫度監控點1和2反映出了上述的分析，即：隨距離的 增大，流經冷卻風扇的風量得到加強，散熱器的換熱得到強化，其上功率元器件的殼溫得到一定程 度的下降。但是，仔細觀察監控點3、4（見圖5、6），我們似乎不能夠根據上述的分析，得到一個

合理的解釋。 難道監控點3、4（圖5、6）隨距離的變化關系曲線正是說明了上述分析的一個缺陷？答案是否 定的。事實上，溫度監控點3、4有如此的變換關系，從某種程度上說，正是體現了在該散熱器空間， 流場均勻程度隨風扇與散熱器間距離的這種變化關系。進一步的分析，我們可以通過觀察、分析風 扇中截面的速度分布圖，來得到合理的解釋。

4.2. 模塊內流場的均勻程度 

      如圖7、8、9、10、11、12、13，它們分別是在不同距離的前提下，風扇的中截面速度分布圖。 由于在建模過程中，考慮到這是風扇吹風冷卻，風扇swirl對流場的影響較大，因此在模型中打開風 扇的swirl參數設置。 從下列的速度分布圖中可以看出：在吹風條件下，風扇swirl對流場的影響是非常顯著的，并且 其流場的均勻程度隨風扇距散熱器間的距離有較為顯著的變化。相比較而言，在風扇距散熱器間的 距離為25.0~75.0mm間，流場均勻程度與該距離的相關度較該距離為75.0~175.0mm時大。隨著距離 進一步的增大，散熱器齒間和散熱器入口的流場都變得更加的均勻，散熱器的效率得到進一步的提 高。當該距離達到或超過冷卻風扇的一個外形直徑時，從圖12、圖13中可以看出，在全域上可以認 為流場的分布已經達到幾乎理想的狀態。

5．結論 

      在實際應用中，受到產品本身結構布置、外形尺寸等相關因素的限制，冷卻風扇與散熱器間的 距離不可能得到任意滿足。那么，如何合理、經濟地確定風扇與散熱器間距離的大小，如何平衡諸 多因素間的矛盾呢？我們必須從引起該結果差異的原因中進行分析，找出一個折衷的方法來較為合 理、經濟地確定該距離的大小。 仔細分析造成流場不均勻的原因，其關鍵的因素就是：一方面，由于實際風扇中HUB的存在， 使冷卻風從風扇環形的截面吹出，從而在風扇HUB的下游區域形成不均勻地流場分布；另一方面， 軸流風扇的工作原理迫使流經該風扇出口截面的流體，呈旋轉狀態流向下游。實際上，在保證流體 流出風扇后一定距離的情況下，這種旋轉效果是能夠促進流體間的混合，從而形成一個比較均勻的 流場分布，如圖12與圖13所示。結合圖7~圖13風扇中截面速度分布圖與溫度監控點隨距離的變化關 系曲線（圖3~圖6），我們可以看出，當風扇距散熱器為一個風扇的HUB直徑時，由于HUB存在而 導致的不均勻流場可以得到較大程度上的改善，雖然流場分布還是存在一定程度上的不均勻，但是 表現在散熱器上功率元器件的殼溫，卻沒有顯著的變化，從而形成這一漸近的變化趨勢曲線。由此 我們可以得出以下結論：

 1、 風扇強迫吹風冷卻時，在冷卻風扇出口下游處，造成流場不均勻的主要因素主要是風扇HUB 的存在，其次才是流體流經軸流風扇后的旋轉效應。

 2、 該結構設計上，為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力，我們必須要保證冷卻風扇出口截面 與散熱器間的距離至少大于一個風扇HUB的直徑。但是，一旦該距          離超過一個風扇的外形 直徑后，對下游流場均勻程度的貢獻已經微乎其為，可以不用考慮該因素造成影響散熱器 散熱能力這一因素。

 3、 如果在結構設計上，無法保證冷卻風扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風扇HUB 的直徑，則必須要求在風扇與散熱器間安裝整流柵。

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