吹風(fēng)冷卻時(shí)風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間距對(duì)模塊散熱影響的研究

前言

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(diǎn)及其主要的應(yīng)用環(huán)境，模塊或系統(tǒng)在選用強(qiáng)迫冷卻這種散熱方式時(shí)，軸流風(fēng)扇得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于我司產(chǎn)品而言，大功率產(chǎn)品如：UPS、變頻器等，由于其輸出功率負(fù)荷較大（幾十至幾百個(gè)千瓦），雖然其效率較高（可達(dá)到93%以上），但是其功率元器件上的損耗還是相對(duì)較大，通常有幾百瓦至數(shù)個(gè)千瓦。因此，鉛焊式冷板散熱器在這兩種產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)電源類產(chǎn)品輸出功率要求的不斷提高，對(duì)電源類產(chǎn)品本身體積大小也有了較為嚴(yán)格的要求。尤其在上述的兩類產(chǎn)品中，對(duì)其結(jié)構(gòu)緊湊，高輸出功率有了更加苛刻的要求。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的緊湊，一方面，可以通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部各器件的合理布局來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一方面，也可以在確保各部件功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理、正確地縮短可以減少的一些距離、空間來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，我們只有很好地了解并掌握了影響各器件功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)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(dá)到結(jié)構(gòu)上的最緊湊化。

2,研究目的 

      在強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻情形下，冷板散熱器與軸流風(fēng)扇間的距離，在我司目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中定義為一個(gè)風(fēng)扇的厚度。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于不同風(fēng)扇有不同的厚度，并且即使在具有相同風(fēng)扇直徑的不同型號(hào)風(fēng)扇情形下，風(fēng)扇的厚度也不盡相同。從這個(gè)角度出發(fā)，以風(fēng)扇厚度來(lái)定義冷卻風(fēng)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(duì)冷卻風(fēng)扇與散熱器間的距離對(duì)該模塊散熱能力的影響，作一較為細(xì)致的研究與分析，然后，在此分析的基礎(chǔ)上提出一種較為合理的定義該距離的方法，從而來(lái)指導(dǎo)我司今后在相關(guān)產(chǎn)品中的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。3．仿真分析模型 下圖為吹風(fēng)冷卻時(shí)風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間距離對(duì)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(huán)境溫度為40C。系統(tǒng)采用三個(gè)外形直徑為150.0mm，HUB直徑為75.0mm軸流風(fēng)扇作為該模塊的冷卻風(fēng)扇，在改變風(fēng)扇與散熱器間的距離時(shí)，僅僅延伸求解域的大小，不改變?cè)撃Ｐ椭猩崞鞯慕Y(jié)構(gòu)尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散熱器部分的網(wǎng)格劃分，力圖使不同模型間的維一差異為風(fēng)扇與散熱器間的距離。同時(shí)，為了能夠很好地反映風(fēng)扇與散熱器間距離對(duì)模塊散熱性能的影響，在模塊前沿定義了4個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)，用這些監(jiān)控點(diǎn)來(lái)顯示功率器件與散熱器接觸面的中間點(diǎn)溫度。模塊散熱性能的優(yōu)劣，不僅可以通過(guò)冷卻風(fēng)扇工作點(diǎn)的相關(guān)信息（流體的質(zhì)量或體積流量、系統(tǒng)阻力或風(fēng)扇工作壓力）來(lái)表現(xiàn)，而且還可以通過(guò)監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化值、求解域空間的流場(chǎng)均勻程度等得到直觀地體現(xiàn)。

3．仿真分析模型

     下圖為吹風(fēng)冷卻時(shí)風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間距離對(duì)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(huán)境溫度為40C。系統(tǒng)采用三個(gè)外形直徑 為150.0mm，HUB直徑為75.0mm軸流風(fēng)扇作為該模塊的冷卻風(fēng)扇，在改變風(fēng)扇與散熱器間的距離時(shí)， 僅僅延伸求解域的大小，不改變?cè)撃Ｐ椭猩崞鞯慕Y(jié)構(gòu)尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散 熱器部分的網(wǎng)格劃分，力圖使不同模型間的維一差異為風(fēng)扇與散熱器間的距離。同時(shí)，為了能夠很 好地反映風(fēng)扇與散熱器間距離對(duì)模塊散熱性能的影響，在模塊前沿定義了4個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)，用這些 監(jiān)控點(diǎn)來(lái)顯示功率器件與散熱器接觸面的中間點(diǎn)溫度。模塊散熱性能的優(yōu)劣，不僅可以通過(guò)冷卻風(fēng) 扇工作點(diǎn)的相關(guān)信息（流體的質(zhì)量或體積流量、系統(tǒng)阻力或風(fēng)扇工作壓力）來(lái)表現(xiàn)，而且還可以通 過(guò)監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化值、求解域空間的流場(chǎng)均勻程度等得到直觀地體現(xiàn)。

4. 仿真分析結(jié)果

       4.1. 風(fēng)扇工作點(diǎn)及溫度監(jiān)控點(diǎn) 由圖2可以看出，在該模塊中，流經(jīng)冷卻風(fēng)扇流體的體積流量隨著風(fēng)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(shuō)：此時(shí)冷卻 風(fēng)扇的流量對(duì)該距離非常敏感，把該距離稍微增大一點(diǎn)，流體流經(jīng)風(fēng)扇的體積流量就有相當(dāng)顯著的 變化。同時(shí)，當(dāng)Distance的取值為75.0mm~175.0mm之間時(shí)，雖然從總體上而言風(fēng)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(shuō)：此時(shí)風(fēng)扇流量處于對(duì)該 距離的不太敏感區(qū)域。上述的結(jié)論，我們也可以從冷卻風(fēng)扇工作點(diǎn)的壓力值與距離之間的關(guān)系圖（圖 2）及各個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)隨距離的變化關(guān)系曲線（如圖3、4、5、6等）上可以得到進(jìn)一步的證明。 在圖3、4、5、6中，需要說(shuō)明一點(diǎn)的是：溫度監(jiān)控點(diǎn)1和2反映出了上述的分析，即：隨距離的 增大，流經(jīng)冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量得到加強(qiáng)，散熱器的換熱得到強(qiáng)化，其上功率元器件的殼溫得到一定程 度的下降。但是，仔細(xì)觀察監(jiān)控點(diǎn)3、4（見(jiàn)圖5、6），我們似乎不能夠根據(jù)上述的分析，得到一個(gè)

合理的解釋。 難道監(jiān)控點(diǎn)3、4（圖5、6）隨距離的變化關(guān)系曲線正是說(shuō)明了上述分析的一個(gè)缺陷？答案是否 定的。事實(shí)上，溫度監(jiān)控點(diǎn)3、4有如此的變換關(guān)系，從某種程度上說(shuō)，正是體現(xiàn)了在該散熱器空間， 流場(chǎng)均勻程度隨風(fēng)扇與散熱器間距離的這種變化關(guān)系。進(jìn)一步的分析，我們可以通過(guò)觀察、分析風(fēng) 扇中截面的速度分布圖，來(lái)得到合理的解釋。

4.2. 模塊內(nèi)流場(chǎng)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(fēng)扇的中截面速度分布圖。 由于在建模過(guò)程中，考慮到這是風(fēng)扇吹風(fēng)冷卻，風(fēng)扇swirl對(duì)流場(chǎng)的影響較大，因此在模型中打開(kāi)風(fēng) 扇的swirl參數(shù)設(shè)置。 從下列的速度分布圖中可以看出：在吹風(fēng)條件下，風(fēng)扇swirl對(duì)流場(chǎng)的影響是非常顯著的，并且 其流場(chǎng)的均勻程度隨風(fēng)扇距散熱器間的距離有較為顯著的變化。相比較而言，在風(fēng)扇距散熱器間的 距離為25.0~75.0mm間，流場(chǎng)均勻程度與該距離的相關(guān)度較該距離為75.0~175.0mm時(shí)大。隨著距離 進(jìn)一步的增大，散熱器齒間和散熱器入口的流場(chǎng)都變得更加的均勻，散熱器的效率得到進(jìn)一步的提 高。當(dāng)該距離達(dá)到或超過(guò)冷卻風(fēng)扇的一個(gè)外形直徑時(shí)，從圖12、圖13中可以看出，在全域上可以認(rèn) 為流場(chǎng)的分布已經(jīng)達(dá)到幾乎理想的狀態(tài)。

5．結(jié)論 

      在實(shí)際應(yīng)用中，受到產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)布置、外形尺寸等相關(guān)因素的限制，冷卻風(fēng)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(jīng)濟(jì)地確定風(fēng)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(jié)果差異的原因中進(jìn)行分析，找出一個(gè)折衷的方法來(lái)較為合 理、經(jīng)濟(jì)地確定該距離的大小。 仔細(xì)分析造成流場(chǎng)不均勻的原因，其關(guān)鍵的因素就是：一方面，由于實(shí)際風(fēng)扇中HUB的存在， 使冷卻風(fēng)從風(fēng)扇環(huán)形的截面吹出，從而在風(fēng)扇HUB的下游區(qū)域形成不均勻地流場(chǎng)分布；另一方面， 軸流風(fēng)扇的工作原理迫使流經(jīng)該風(fēng)扇出口截面的流體，呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)流向下游。實(shí)際上，在保證流體 流出風(fēng)扇后一定距離的情況下，這種旋轉(zhuǎn)效果是能夠促進(jìn)流體間的混合，從而形成一個(gè)比較均勻的 流場(chǎng)分布，如圖12與圖13所示。結(jié)合圖7~圖13風(fēng)扇中截面速度分布圖與溫度監(jiān)控點(diǎn)隨距離的變化關(guān) 系曲線（圖3~圖6），我們可以看出，當(dāng)風(fēng)扇距散熱器為一個(gè)風(fēng)扇的HUB直徑時(shí)，由于HUB存在而 導(dǎo)致的不均勻流場(chǎng)可以得到較大程度上的改善，雖然流場(chǎng)分布還是存在一定程度上的不均勻，但是 表現(xiàn)在散熱器上功率元器件的殼溫，卻沒(méi)有顯著的變化，從而形成這一漸近的變化趨勢(shì)曲線。由此 我們可以得出以下結(jié)論：

 1、 風(fēng)扇強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻時(shí)，在冷卻風(fēng)扇出口下游處，造成流場(chǎng)不均勻的主要因素主要是風(fēng)扇HUB 的存在，其次才是流體流經(jīng)軸流風(fēng)扇后的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

 2、 該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)扇出口截面 與散熱器間的距離至少大于一個(gè)風(fēng)扇HUB的直徑。但是，一旦該距          離超過(guò)一個(gè)風(fēng)扇的外形 直徑后，對(duì)下游流場(chǎng)均勻程度的貢獻(xiàn)已經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，無(wú)法保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個(gè)風(fēng)扇HUB 的直徑，則必須要求在風(fēng)扇與散熱器間安裝整流柵。

標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評(píng)論: