風扇旋渦對電源模塊散熱的影響分析

摘要：本文結合一個實際例子，應用Flomerics公司的Flotherm電子設備熱設計仿真軟件來研究風扇旋渦對電源模塊散熱的影響，確定出風扇旋轉方向與其出風口處流場的變化關系，并給出在電源模塊散熱設計中避免這一影響的解決方案。

關鍵詞：風扇旋渦流場元器件散熱解決方法

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，電源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。由于軸流風扇的工作原理是通過電機工作，帶動與其相連的葉片使葉片以電機給定的轉速進行旋轉，從而在葉片的前后產生一定的壓差，驅動葉片周圍的空氣沿電機軸這一固定的方向進行運動。因此，軸流風扇具有壓頭底、流量大等特點。通常人們在選用軸流風扇時，也僅僅考慮了上述的幾個特點，忽約了軸流風扇葉片旋轉而給被迫產生流動的空氣造成的一系列影響。實際上，通過軸流風扇的流體并不完全是沿電機軸這一單方向進行運動的，在與電機軸垂直的風扇葉片截面上也有一速度運動分量。因此，通過軸流風扇驅動的流體實際上是以電機軸為軸線，向前旋轉運動著的流動流體。在軸流風扇出口處，流體的實際流動方向如下圖所示：

圖1、風扇出口處流體的實際流動方向

如前所述，通過軸流風扇出口處的流體實際上是沿軸心旋轉向前流動的流體，那么風扇的實際旋轉方向對其后的流場（電源內部的被冷卻區域）有什么影響呢？本文結合我司產品的一個實際例子，應用Flomerics公司的Flotherm電子設備熱設計仿真軟件來研究這個問題，確定出風扇旋轉方向與其出風口處流場的變化關系，并給出以后在實際應用過程中如何避免或利用這一關系。

2．仿真分析模型

下圖為某電源的熱設計仿真分析模型。

圖2、仿真分析模型（一）

圖3、仿真分析模型（二）

在該模型下，我們通過調整軸流風扇的旋轉方向（swirl’s direction:clockwise or counter clockwise）而不改變該模型網格的劃分，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部流場的變化和溫度場的截面分布，來說明風扇旋轉方向不同而對整個模塊散熱的影響。

2.1 風扇順時針方向旋轉

圖4、風扇順時針旋轉時模塊流場分布（一）

圖5、風扇順時針旋轉時模塊流場分布（二）

上圖為風扇順時針方向旋轉時，模塊內部的流場分布圖。

該模塊橫截面上的溫度分布如圖6所示：

圖6、風扇順時針旋轉時模塊截面溫度分布

2.2 風扇逆時針方向旋轉

圖7、風扇逆時針旋轉時模塊流場分布（一）

 

圖8、風扇逆時針旋轉時模塊流場分布（二）

上圖為風扇逆時針方向旋轉時，模塊內部的流場分布圖。該模塊橫截面上的溫度分布如下所示：

 

圖9、風扇逆時針旋轉時模塊截面溫度分布

3．仿真結果分析及其結論

對比以上兩種分析結果，我們可以發現：在該模型的分析過程中，風扇旋轉方向對模塊內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，在此種情況下風扇的旋轉方向對流場有十分顯著的影響。對比圖5和圖8，可明顯發現：在風扇為順時針方向旋轉時，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，在風扇為逆時針方向旋轉時，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。當然了，這些差異也可以通過模塊截面溫度場的分布得到進一步的證實，如圖6和圖9所示。

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

總結風扇供應商所提供的相關數據，我們可以得到如下簡單的確定風扇旋轉方向對流場影響的方法：按照左手旋轉原則，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扇出口處流場的旋轉方向。在功率元器件的布局時，按照左手螺旋原則，只要我們把關鍵元器件布置在四彎曲拇指的方向，就能完全避免因風扇旋轉方向而造成元器件散熱的不利影響。

當然了，以上的分析只適用于采用軸流風扇進行強迫吹風冷卻的場合。對于抽風冷卻情形，由于風扇出風口流場的變化對其進風口沒有什么影響，因此風扇旋轉方向對模塊內部的散熱是沒有影響的。