降低热阻,提高对流换热的途径主要有:加大散热器尺寸或者增加散热片数量以加大散热面积 ;采用更大尺寸或拥有更强风力的风机增大空气流速以增大 ;引入紊流以增强局部对流来增大 等.通常情况下,选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境介质的热阻,但散热面积的增加和风机风量的提高均受装置体积、重量以及噪音指标等限制.由于电力电子器件的小型化和轻量化的发展趋势,在散热器和风机参数一定的条件下,通过合理的风道设计,在散热器表面流场引入紊流是改善散热的又一有效途径.
合理的风道设计一般要求引导风扇气流冲击散热器表面,适当的改变气流在散热器表面的流动方向以在散热器附近流场中形成大的扰动,从而形成广泛的紊流区,加强散热效果,如在散热器前端加入扰流片等办法;同时不应使气流压头损失过大,流速下降过多,以免降低散热效果.事实上这两方面往往存在矛盾,所以应综合权衡,尽量最优.
风扇出风口与散热器间的距离对模块散热的影响研究
在强迫吹风冷却情形下,由于风扇旋涡swirl存在,散热器与风扇间的距离对其流场均匀度影响较大,理论上,当散热器与风扇间的距离足够大时,风扇旋涡swirl对流场的影响较小,然而在产品设计中,由于体积的限制,不可能允许散热器与风扇间的距离太大,换句话说,风扇旋涡swirl对散热的影响是一定存在的,利用FLOTHERM热仿真分析软件,通过合理控制热设计冗余,力求得出一个较合理的风扇与散热器的距离.
在实际应用中,受到产品本身结构布置、外形尺寸等相关因素的限制,冷却风扇与散热器间的距离不可能得到任意满足.那么,如何合理、经济地确定风扇与散热器间距离的大小,如何平衡诸多因素间的矛盾呢?我们必须从引起该结果差异的原因中进行分析,找出一个折衷的方法来较为合理、经济地确定该距离的大小.
仔细分析造成流场不均匀的原因,其关键的因素就是:一方面,由于实际风扇中HUB的存在,使冷却风从风扇环形的截面吹出,从而在风扇HUB的下游区域形成不均匀地流场分布;另一方面,轴流风扇的工作原理迫使流经该风扇出口截面的流体,呈旋转状态流向下游.实际上,在保证流体流出风扇后一定距离的情况下,这种旋转效果是能够促进流体间的混合,从而形成一个比较均匀的流场分布,当风扇距散热器为一个风扇的HUB直径时,由于HUB存在而导致的不均匀流场可以得到较大程度上的改善,虽然流场分布还是存在一定程度上的不均匀,但是表现在散热器上功率元器件的壳温,却没有显著的变化,从而形成这一渐近的变化趋势曲线.由此我们可以得出以下结论:
a 风扇强迫吹风冷却时,在冷却风扇出口下游处,造成流场不均匀的主要因素主要是风扇HUB的存在,其次才是流体流经轴流风扇后的旋转效应.
b 该结构设计上,为了能够获得散热器的最大散热能力,我们必须要保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径.但是,一旦该距离超过一个风扇的外形直径后,对下游流场均匀程度的贡献已经微乎其为,可以不用考虑该因素造成影响散热器散热能力这一因素.
c 如果在结构设计上,无法保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径,则必须要求在风扇与散热器间安装整流栅.
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: |
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