吹风冷却时风扇出风口与散热器间距离对模块散热影响的研究

1．前言

在电力电子行业中，由于存在着大量的功率元器件，因此强迫风冷冷却在该行业得到广泛的应用。由于该行业产品自身的特点及其主要的应用环境，模块或系统在选用强迫冷却这种散热方式时，轴流风扇得到广泛的应用。对于我司产品而言，大功率产品如：UPS、变频器等，由于其输出功率负荷较大（几十至几百个千瓦），虽然其效率较高（可达到93%以上），但是其功率元器件上的损耗还是相对较大，通常有几百瓦至数个千瓦。因此，铅焊式冷板散热器在这两种产品中得到广泛的应用。

随着对电源类产品输出功率要求的不断提高，对电源类产品本身体积大小也有了较为严格的要求。尤其在上述的两类产品中，对其结构紧凑，高输出功率有了更加苛刻的要求。产品结构的紧凑，一方面，可以通过优化产品内部各器件的合理布局来实现；另一方面，也可以在确保各部件功能实现的基础上，通过合理、正确地缩短可以减少的一些距离、空间来实现。因此，我们只有很好地了解并掌握了影响各器件功能实现的关键因素后，才能够最大限度地较少能够减少的距离和空间，达到结构上的最紧凑化。

 

2．研究目的

在强迫吹风冷却情形下，冷板散热器与轴流风扇间的距离，在我司目前产品设计过程中定义为一个风扇的厚度。然而，在实际应用过程中，由于不同风扇有不同的厚度，并且即使在具有相同风扇直径的不同型号风扇情形下，风扇的厚度也不尽相同。从这个角度出发，以风扇厚度来定义冷却风扇与冷板散热器间的合理距离是不太合适的。因此，有必要对冷却风扇与散热器间的距离对该模块散热能力的影响，作一较为细致的研究与分析，然后，在此分析的基础上提出一种较为合理的定义该距离的方法，从而来指导我司今后在相关产品中的开发与设计。

3．仿真分析模型

下图为吹风冷却时风扇出风口与散热器间距离对模块散热影响研究的仿真分析模型。

在该模型中，冷却空气入口温度，也即是模块工作的环境温度为40C。系统采用三个外形直径为150.0mm，HUB直径为75.0mm轴流风扇作为该模块的冷却风扇，在改变风扇与散热器间的距离时，仅仅延伸求解域的大小，不改变该模型中散热器的结构尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散热器部分的网格划分，力图使不同模型间的维一差异为风扇与散热器间的距离。同时，为了能够很好地反映风扇与散热器间距离对模块散热性能的影响，在模块前沿定义了4个温度监控点，用这些监控点来显示功率器件与散热器接触面的中间点温度。模块散热性能的优劣，不仅可以通过冷却风扇工作点的相关信息（流体的质量或体积流量、系统阻力或风扇工作压力）来表现，而且还可以通过监控点的温度变化值、求解域空间的流场均匀程度等得到直观地体现。

 

图1、仿真分析模型

4. 仿真分析结果

4.1. 风扇工作点及温度监控点

由图2可以看出，在该模块中，流经冷却风扇流体的体积流量随着风扇与散热器间距离的增大而增大，并且该体积流量的增大在Distance为25.0mm~75.0mm之间尤为显著，也即是说：此时冷却风扇的流量对该距离非常敏感，把该距离稍微增大一点，流体流经风扇的体积流量就有相当显著的变化。同时，当Distance的取值为75.0mm~175.0mm之间时，虽然从总体上而言风扇的体积流量也随距离的增大而增加，但其增大的幅度较前一阶段有明显的下降，也即是说：此时风扇流量处于对该距离的不太敏感区域。上述的结论，我们也可以从冷却风扇工作点的压力值与距离之间的关系图（图2）及各个温度监控点随距离的变化关系曲线（如图3、4、5、6等）上可以得到进一步的证明。

在图3、4、5、6中，需要说明一点的是：温度监控点1和2反映出了上述的分析，即：随距离的增大，流经冷却风扇的风量得到加强，散热器的换热得到强化，其上功率元器件的壳温得到一定程度的下降。但是，仔细观察监控点3、4（见图5、6），我们似乎不能够根据上述的分析，得到一个

 图2、风扇平均风量和平均风压与距离之间的关系

图3、监控点1的温度与距离之间的关系                   图4、监控点2的温度与距离之间的关系  

图5、监控点3的温度与距离之间的关系                   图6、监控点4的温度与距离之间的关系  

合理的解释。

难道监控点3、4（图5、6）随距离的变化关系曲线正是说明了上述分析的一个缺陷？答案是否定的。事实上，温度监控点3、4有如此的变换关系，从某种程度上说，正是体现了在该散热器空间，流场均匀程度随风扇与散热器间距离的这种变化关系。进一步的分析，我们可以通过观察、分析风扇中截面的速度分布图，来得到合理的解释。

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