吹風冷卻時風扇出風口與散熱器間距離對模塊散熱影響的研究

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。

 

圖1、仿真分析模型

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

 圖2、風扇平均風量和平均風壓與距離之間的關系

圖3、監控點1的溫度與距離之間的關系                   圖4、監控點2的溫度與距離之間的關系  

圖5、監控點3的溫度與距離之間的關系                   圖6、監控點4的溫度與距離之間的關系  

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。

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