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

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(lèi)產(chǎn)品輸出功率要求的不斷提高，對(duì)電源類(lèi)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(lèi)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)。

 

圖1、仿真分析模型

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)

 圖2、風(fēng)扇平均風(fēng)量和平均風(fēng)壓與距離之間的關(guān)系

圖3、監(jiān)控點(diǎn)1的溫度與距離之間的關(guān)系                   圖4、監(jiān)控點(diǎn)2的溫度與距離之間的關(guān)系  

圖5、監(jiān)控點(diǎn)3的溫度與距離之間的關(guān)系                   圖6、監(jiān)控點(diǎn)4的溫度與距離之間的關(guān)系  

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。

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