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(yè)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(yè)得到廣泛的應用。由于該行業(yè)產(chǎn)品自身的特點及其主要的應用環(huán)境，電源模塊或系統(tǒng)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(chǎn)生一定的壓差，驅(qū)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(chǎn)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(qū)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?qū)ζ浜蟮牧鲌觯娫磧?nèi)部的被冷卻區(qū)域）有什么影響呢？本文結合我司產(chǎn)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(diào)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(wǎng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(fā)現(xiàn)：在該模型的分析過程中，風扇旋轉方向?qū)δK內(nèi)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?qū)α鲌鲇惺诛@著的影響。對比圖5和圖8，可明顯發(fā)現(xiàn)：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(xiàn)象，盡量避免不利于模塊內(nèi)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(shù)據(jù)，我們可以得到如下簡單的確定風扇旋轉方向?qū)α鲌鲇绊懙姆椒ǎ喊凑兆笫中D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?qū)δK內(nèi)部的散熱是沒有影響的。
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