风扇旋涡的影响

2015-06-03

   对于电子产品强制散热的设计,风扇的选择与布局是关键要素之一。风扇由于其本身流场特性,看似出风口流场应一致,但通过“显示烟”或“风幅显示”就能发现,风扇同一方向左右两边还是有较大的区别,因此我们在布局元件时就有必要利用这一特点进行相应的设计,来使风量用在“刀刃”上。
    关于风扇旋涡对散热的影响,这里引用艾默生网络能源有限公司的Paper,作者李泉明,供大家参考.

摘要:本文结合一个实际例子,应用Flomerics公司的Flotherm电子设备热设计仿真软件来研究风扇旋涡对电源模块散热的影响,确定出风扇旋转方向与其出风口处流场的变化关系,并给出在电源模块散热设计中避免这一影响的解决方案。

关键词:风扇旋涡 流场 元器件散热 解决方法

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,电源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。由于轴流风扇的工作原理是通过电机工作,带动与其相连的叶片使叶片以电机给定的转速进行旋转,从而在叶片的前后产生一定的压差,驱动叶片周围的空气沿电机轴这一固定的方向进行运动。因此,轴流风扇具有压头底、流量大等特点。通常人们在选用轴流风扇时,也仅仅考虑了上述的几个特点,忽约了轴流风扇叶片旋转而给被迫产生流动的空气造成的一系列影响。实际上,通过轴流风扇的流体并不完全是沿电机轴这一单方向进行运动的,在与电机轴垂直的风扇叶片截面上也有一速度运动分量。因此,通过轴流风扇驱动的流体实际上是以电机轴为轴线,向前旋转运动着的流动流体。在轴流风扇出口处,流体的实际流动方向如下图所示:

             

图1、风扇出口处流体的实际流动方向

 

    如前所述,通过轴流风扇出口处的流体实际上是沿轴心旋转向前流动的流体,那么风扇的实际旋转方向对其后的流场(电源内部的被冷却区域)有什么影响呢?本文结合我司产品的一个实际例子,应用Flomerics公司的Flotherm电子设备热设计仿真软件来研究这个问题,确定出风扇旋转方向与其出风口处流场的变化关系,并给出以后在实际应用过程中如何避免或利用这一关系。


2.仿真分析模型

下图为某电源的热设计仿真分析模型。

         

图2、仿真分析模型(一)

         

图3、仿真分析模型(二)

    在该模型下,我们通过调整轴流风扇的旋转方向(swirl’s direction:clockwise or counter clockwise)而不改变该模型网格的划分,重新计算这两个模型。待计算收敛后,通过对比在这两种情况下模块内部流场的变化和温度场的截面分布,来说明风扇旋转方向不同而对整个模块散热的影响。

2.1 风扇顺时针方向旋转

       

图4、风扇顺时针旋转时模块流场分布(一)

        

图5、风扇顺时针旋转时模块流场分布(二)

上图为风扇顺时针方向旋转时,模块内部的流场分布图。
该模块横截面上的温度分布如图6所示:

                  

图6、风扇顺时针旋转时模块截面温度分布

2.2 风扇逆时针方向旋转

       

图7、风扇逆时针旋转时模块流场分布(一)

      

图8、风扇逆时针旋转时模块流场分布(二)

上图为风扇逆时针方向旋转时,模块内部的流场分布图。该模块横截面上的温度分布如下所示:

                 

图9、风扇逆时针旋转时模块截面温度分布

3.仿真结果分析及其结论
    对比以上两种分析结果,我们可以发现:在该模型的分析过程中,风扇旋转方向对模块内部的流场及温度场的分布都有非常大的影响。从流场方面来看,由于该模型的整流桥部分尺寸比较低,PFC散热器部分又比较高,在此种情况下风扇的旋转方向对流场有十分显著的影响。对比图5和图8,可明显发现:在风扇为顺时针方向旋转时,整流桥散热器周围的漩涡很小,流场比较通畅,有利于整流桥散热器的散热,如图5所示;然而,在风扇为逆时针方向旋转时,整流桥散热器周围的漩涡很多,不利于整流桥散热器的散热,如图8所示。当然了,这些差异也可以通过模块截面温度场的分布得到进一步的证实,如图6和图9所示。
    仔细观察风扇在不同旋转方向下的流场动画,我们可以看出,风扇旋转方向之所以影响其后的流场分布是在于:风扇的旋转方向决定了风扇出口处流体呈螺旋状流动的螺旋方向。因此,我们在实际应用过程中应该充分利用这一现象,尽量避免不利于模块内部关键功率元器件或大损耗功率元器件散热的布局,确保热设计的合理性、可靠性。
    总结风扇供应商所提供的相关数据,我们可以得到如下简单的确定风扇旋转方向对流场影响的方法:按照左手旋转原则,大拇指的方向为流体的宏观流向,其余四指的弯曲方向为风扇出口处流场的旋转方向。在功率元器件的布局时,按照左手螺旋原则,只要我们把关键元器件布置在四弯曲拇指的方向,就能完全避免因风扇旋转方向而造成元器件散热的不利影响。
    当然了,以上的分析只适用于采用轴流风扇进行强迫吹风冷却的场合。对于抽风冷却情形,由于风扇出风口流场的变化对其进风口没有什么影响,因此风扇旋转方向对模块内部的散热是没有影响的。

此外,对风扇旋涡还感兴趣的可以参考文献<<Fan Swirl and Planar Resistances Don't Mix>>作者:Tony Kordyban 2000

Fan Swirl and Planar Resistances Don't Mix.pdf

 

由优博尔技术中心提供,若有问题请联系: Tech@youboer.com

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