風(fēng)扇旋渦對電源模塊散熱的影響分析

摘要：本文結(jié)合一個實際例子，應(yīng)用Flomerics公司的Flotherm電子設(shè)備熱設(shè)計仿真軟件來研究風(fēng)扇旋渦對電源模塊散熱的影響，確定出風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向與其出風(fēng)口處流場的變化關(guān)系，并給出在電源模塊散熱設(shè)計中避免這一影響的解決方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇旋渦流場元器件散熱解決方法

1．前言

在電力電子行業(yè)中，由于存在著大量的功率元器件，因此強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻在該行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。由于該行業(yè)產(chǎn)品自身的特點及其主要的應(yīng)用環(huán)境，電源模塊或系統(tǒng)在選用強(qiáng)迫冷卻這種散熱方式時，軸流風(fēng)扇得到廣泛的應(yīng)用。由于軸流風(fēng)扇的工作原理是通過電機(jī)工作，帶動與其相連的葉片使葉片以電機(jī)給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而在葉片的前后產(chǎn)生一定的壓差，驅(qū)動葉片周圍的空氣沿電機(jī)軸這一固定的方向進(jìn)行運動。因此，軸流風(fēng)扇具有壓頭底、流量大等特點。通常人們在選用軸流風(fēng)扇時，也僅僅考慮了上述的幾個特點，忽約了軸流風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)而給被迫產(chǎn)生流動的空氣造成的一系列影響。實際上，通過軸流風(fēng)扇的流體并不完全是沿電機(jī)軸這一單方向進(jìn)行運動的，在與電機(jī)軸垂直的風(fēng)扇葉片截面上也有一速度運動分量。因此，通過軸流風(fēng)扇驅(qū)動的流體實際上是以電機(jī)軸為軸線，向前旋轉(zhuǎn)運動著的流動流體。在軸流風(fēng)扇出口處，流體的實際流動方向如下圖所示：

圖1、風(fēng)扇出口處流體的實際流動方向

如前所述，通過軸流風(fēng)扇出口處的流體實際上是沿軸心旋轉(zhuǎn)向前流動的流體，那么風(fēng)扇的實際旋轉(zhuǎn)方向?qū)ζ浜蟮牧鲌觯娫磧?nèi)部的被冷卻區(qū)域）有什么影響呢？本文結(jié)合我司產(chǎn)品的一個實際例子，應(yīng)用Flomerics公司的Flotherm電子設(shè)備熱設(shè)計仿真軟件來研究這個問題，確定出風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向與其出風(fēng)口處流場的變化關(guān)系，并給出以后在實際應(yīng)用過程中如何避免或利用這一關(guān)系。

2．仿真分析模型

下圖為某電源的熱設(shè)計仿真分析模型。

圖2、仿真分析模型（一）

圖3、仿真分析模型（二）

在該模型下，我們通過調(diào)整軸流風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)方向（swirl’s direction:clockwise or counter clockwise）而不改變該模型網(wǎng)格的劃分，重新計算這兩個模型。待計算收斂后，通過對比在這兩種情況下模塊內(nèi)部流場的變化和溫度場的截面分布，來說明風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向不同而對整個模塊散熱的影響。

2.1 風(fēng)扇順時針方向旋轉(zhuǎn)

圖4、風(fēng)扇順時針旋轉(zhuǎn)時模塊流場分布（一）

圖5、風(fēng)扇順時針旋轉(zhuǎn)時模塊流場分布（二）

上圖為風(fēng)扇順時針方向旋轉(zhuǎn)時，模塊內(nèi)部的流場分布圖。

該模塊橫截面上的溫度分布如圖6所示：

圖6、風(fēng)扇順時針旋轉(zhuǎn)時模塊截面溫度分布

2.2 風(fēng)扇逆時針方向旋轉(zhuǎn)

圖7、風(fēng)扇逆時針旋轉(zhuǎn)時模塊流場分布（一）

 

圖8、風(fēng)扇逆時針旋轉(zhuǎn)時模塊流場分布（二）

上圖為風(fēng)扇逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，模塊內(nèi)部的流場分布圖。該模塊橫截面上的溫度分布如下所示：

 

圖9、風(fēng)扇逆時針旋轉(zhuǎn)時模塊截面溫度分布

3．仿真結(jié)果分析及其結(jié)論

對比以上兩種分析結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)：在該模型的分析過程中，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向?qū)δK內(nèi)部的流場及溫度場的分布都有非常大的影響。從流場方面來看，由于該模型的整流橋部分尺寸比較低，PFC散熱器部分又比較高，在此種情況下風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)方向?qū)α鲌鲇惺诛@著的影響。對比圖5和圖8，可明顯發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)扇為順時針方向旋轉(zhuǎn)時，整流橋散熱器周圍的漩渦很小，流場比較通暢，有利于整流橋散熱器的散熱，如圖5所示；然而，在風(fēng)扇為逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，整流橋散熱器周圍的漩渦很多，不利于整流橋散熱器的散熱，如圖8所示。當(dāng)然了，這些差異也可以通過模塊截面溫度場的分布得到進(jìn)一步的證實，如圖6和圖9所示。

仔細(xì)觀察風(fēng)扇在不同旋轉(zhuǎn)方向下的流場動畫，我們可以看出，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向之所以影響其后的流場分布是在于：風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)方向決定了風(fēng)扇出口處流體呈螺旋狀流動的螺旋方向。因此，我們在實際應(yīng)用過程中應(yīng)該充分利用這一現(xiàn)象，盡量避免不利于模塊內(nèi)部關(guān)鍵功率元器件或大損耗功率元器件散熱的布局，確保熱設(shè)計的合理性、可靠性。

總結(jié)風(fēng)扇供應(yīng)商所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，我們可以得到如下簡單的確定風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向?qū)α鲌鲇绊懙姆椒ǎ喊凑兆笫中D(zhuǎn)原則，大拇指的方向為流體的宏觀流向，其余四指的彎曲方向為風(fēng)扇出口處流場的旋轉(zhuǎn)方向。在功率元器件的布局時，按照左手螺旋原則，只要我們把關(guān)鍵元器件布置在四彎曲拇指的方向，就能完全避免因風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向而造成元器件散熱的不利影響。

當(dāng)然了，以上的分析只適用于采用軸流風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻的場合。對于抽風(fēng)冷卻情形，由于風(fēng)扇出風(fēng)口流場的變化對其進(jìn)風(fēng)口沒有什么影響，因此風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向?qū)δK內(nèi)部的散熱是沒有影響的。