CN115062562B - 一种电源设备的风冷系统设计方法 - Google Patents

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CN115062562B CN202210959165.6A CN202210959165A CN115062562B CN 115062562 B CN115062562 B CN 115062562B CN 202210959165 A CN202210959165 A CN 202210959165A CN 115062562 B CN115062562 B CN 115062562B
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Abstract

本申请公开了一种电源设备的风冷系统设计方法，包括如下设计步骤：S100：获取电源设备的总损耗P以及允许的最大温升∆T；S200：求得风冷系统进行风冷所需的总风量Q0；再结合电源设备的结构布局，初步确定风冷系统包括的风扇类型和数量n；S300：初步求得风冷系统包括的散热器的结构参数并进行CFD仿真模拟，进而得到风冷系统优化后的散热器的结构参数以及流阻曲线；S400：将步骤S300中的流阻曲线与S200中各类型风扇的PQ曲线进行拟合；根据曲线的交点位置，最终确定风冷系统所需风扇的类型以及对应的数量N。通过综合利用工程经验公式、CFD仿真技术和数学微分求导的方法，对电源设备的风冷系统进行更加科学的设计，可以有效的提高风冷系统对电源设备的散热效率。

Description

一种电源设备的风冷系统设计方法
技术领域
本申请涉及电源热管理技术，尤其是涉及一种电源设备的风冷系统设计方法。
背景技术
风冷散热是现有技术中用于电源设备散热的常用方式之一。风冷散热主要采用散热器和风扇的结合，可以将电源设备产生的热量进行吸收，然后发散至外部环境中，最后进行排出，以保证电源设备的温度处于正常范围内。
现有技术中对于风冷散热的设计基本都是根据设计人员的工程经验，或者同类型产品的借鉴来进行设计评估的。从而导致评估的结果较为的粗糙，不确定性高，需要多次打样实测，进而造成设计成本增加；并且大多数设计方案冗余，容易造成设计周期增加。所以，现在急需一种优良的风冷系统的设计方法。
发明内容
本申请的其中一个目的在于提供一种能够提高散热效率且成本低廉的电源设备的风冷系统设计方法。
为达到上述的目的，本申请采用的技术方案为：一种电源设备的风冷系统设计方法，包括如下设计步骤：
S100：获取电源设备的总损耗P以及允许的最大温升∆T；
S200：根据步骤S100中的参数，求得风冷系统进行风冷所需的总风量Q0；再结合电源设备的结构布局，初步确定风冷系统包括的风扇类型和数量n；
S300：再根据步骤S100中的参数，初步求得风冷系统包括的散热器的结构参数并进行CFD仿真模拟，进而得到风冷系统优化后的散热器的结构参数以及流阻曲线；
S400：将步骤S300中的流阻曲线与S200中各类型风扇的PQ曲线进行拟合；根据曲线的交点位置，最终确定风冷系统所需风扇的类型以及对应的数量N。
优选的，在步骤S200中，通过冷却公式：Φ=cp·ρ·Q0·∆T0，反求出风冷系统的总风量Q0；其中，Φ为电源设备的发热量，cp为空气定压比热容，ρ为冷却空气的密度，∆T0为风冷系统进出风口的平均温差。
优选的，步骤S300中，风冷系统所需散热器的结构参数的初步计算过程包括如下步骤：
S310：根据经验公式：lgV=（1.4×lgP）-0.8，求得风冷系统所需散热器的散热包络体积V，单位cm³；
S320：结合电源设备的结构布局，初定风冷系统所需散热器的散热截面的宽度W和长度L；从而根据V=W·L·H，求得所需散热器中散热齿片的高度H；
S330：再根据经验公式：t=（7×lgP）-6，求得所需散热器的散热基板的厚度t，单位mm；
S340：结合电源设备的结构布局，初定所需散热器中散热齿片的厚度T以及齿间距d。
优选的，步骤S200中，初步确定的风冷系统包括相同种类的n个风扇；或，初步确定的风冷系统包括不同种类的n个风扇。
优选的，在步骤S300中，利用CFD仿真模拟对风冷系统所需散热器的结构参数的优化过程包括如下步骤：
S350：将风冷系统中初步求得的散热器的结构参数代入仿真软件中建立仿真模型；
S360：利用仿真模型进行CFD仿真模拟，以得到风冷系统所需散热器的有效换热面积A与散热器的热阻Rr的热阻曲线；
S370：根据步骤S360中的热阻曲线，可以得到热阻Rr最佳时对应的散热器的散热截面，进而确定风冷系统所需散热器的最优散热截面的宽度W和长度L。
优选的，步骤S300中，利用CFD仿真模拟得到风冷系统最优散热器的流阻曲线的过程包括如下步骤：
S380：根据步骤S370中确定的风冷系统所需散热器的最优结构参数，对步骤S350中建立的散热器的仿真模型进行优化；
S390：通过仿真软件对优化后的仿真模型进行不同风量下的压降模拟，进而得到最优的散热器的流阻Rl与风量的流阻曲线。
优选的，步骤S360中，热阻Rr为电源设备中热流密度最大位置处，对应的散热基板区域的热阻。
优选的，步骤S370中对于散热器的最优散热截面的结构参数的确定，包括如下步骤：
S371：将对流换热微分公式进行二阶微分求导，并将∆T的值带入求导后的公式中，以得到热阻曲线性价比最高的拐点；再根据拐点对应的散热器的有效换热面积，得到风冷系统所需散热器确定的散热截面的最优结构参数；或着通过下述的步骤S372来确定；
S372：通过在CFD仿真模拟中多次调整散热器的散热截面的结构参数，以得到不同散热截面对应的热阻曲线，进而从中筛选出最优的散热截面，最终确定最优的散热截面的结构参数。
优选的，步骤S400包括如下具体步骤：
S410：根据流阻曲线，得到确定的最优散热器中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ；
S420：将流阻曲线与多类型的风扇的PQ曲线进行拟合，并根据曲线之间的交点得到不同类型的风扇的最佳效率范围；
S430：若总风量QZ位于风扇的最佳效率范围内，则该风扇满足使用要求，进而确定该风扇的型号以及数量N；否则，风扇不满足使用要求。
优选的，在步骤S410中，可以通过对流阻曲线进行二阶微分求导或CFD模拟，以确定最优的散热器中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
（1）本申请打破了传统经验或同行借鉴的评估方法，通过综合利用工程经验公式、CFD仿真技术和数学微分求导的方法，对电源设备的风冷系统进行更加科学的设计，可以有效的提高风冷系统对电源设备的散热效率。
（2）本申请通过综合利用工程经验公式、CFD仿真技术和数学微分求导的方法，使得电源设备的散热设计最优，成本最低，风冷系统的热阻和流阻最低，风扇与流阻匹配最佳。
附图说明
图1为本发明的整体设计过程示意图。
图2为本发明中热阻曲线的示意图。
图3为本发明中流阻曲线的示意图。
图4为本发明中流阻曲线和PQ曲线的拟合示意图。
图5为本发明中散热器的结构示意图。
图中：散热器100、散热基板110、散热齿片120。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、 “横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请的其中一个优选实施例，如图1至图5所示，一种电源设备的风冷系统设计方法，包括如下设计步骤：
S100：获取电源设备的总损耗P以及允许的最大温升∆T。
S200：根据步骤S100中的参数，求得风冷系统进行风冷所需的总风量Q0；再结合电源设备的结构布局，初步确定风冷系统包括的风扇类型和数量n。
S300：再根据步骤S100中的参数，初步求得风冷系统包括的散热器的结构参数并进行CFD仿真模拟，进而得到风冷系统优化后的散热器的结构参数以及流阻曲线。
S400：将步骤S300中的流阻曲线与S200中各类型风扇的PQ曲线进行拟合；根据曲线的交点位置，最终确定风冷系统所需风扇的类型以及对应的数量N。
可以理解的是，风冷系统主要包括散热器100和风扇，散热器100一般直接安装于电源设备以通过热传导的方式将电源设备产生的热量散热出来；风扇一般安装于散热器100的侧部，以通过向散热器100吹风来增加散热器100周围的空气流动，进而提高散热器100的散热效果。
所以，本申请中主要通过给定的电源设备的相关参数，来初步求得风冷系统所需的排风量以及散热结构。进而根据初步求得的排风量来初步筛选出满足使用的风扇的类型和对应的数量；同时，可以将初步求得的散热结构带入CFD仿真软件中进行模拟，通过CFD仿真技术对散热结构进行优化，以得到最优的散热结构对应的散热器100。最终，根据最优的散热器100的流阻曲线与各类型风扇的PQ曲线的拟合，确定最优的风扇类型和对应的数量。
本实施例中，对于步骤S200中风冷系统进行风冷时产生的总风量Q0的计算方式有多种。其中，常用的一种是通过冷却公式：Φ=cp·ρ·Q0·∆T0，反求出风冷系统的总风量Q0。式中，Φ为电源设备的发热量，cp为空气定压比热容，ρ为冷却空气的密度，∆T0为风冷系统进出风口的平均温差。
具体的，电源设备的发热量还可以通过公式：Φ=P·∆t进行计算；式中，∆t为单位时间，即电源设备的发热量为单位时间内总损耗P所做的功。同时，风冷系统进出风口的平均温差∆T0=∆T。
本领域技术人员应当知道的是，电源设备的工况是会受到环境温度影响的。环境温度过高，则会触发电源设备的过热保护，以使得电源设备处于断开的安全状态。故而，本申请设计的风冷系统的目的就是对电源设备散热，以使得电源设备在进行正常工作时，其环境温度处于设定的极限温度以下。极限温度在行业中一般可以通过最大允许温升∆T进行表示，最大允许温升∆T的具体值可以通过行业标准进行选择。
从而在公式：Φ=cp·ρ·Q0·∆T0中 ，只有风冷系统的总风量Q0为未知量，进而通过公式反求可以得到Q0的理论具体值。
本实施例中，常见的用于散热的风扇根据结构的不同可以分为不同的种类，从而在步骤S200中，对电源设备进行风冷系统的设计时，可以根据给定的电源设备的结构来初步选择相匹配的风扇的种类和数量。
可以理解的是，风冷系统可以是包括同类型的多个风扇，也可以是包括不同类型的多个风扇的组合。若风冷系统为只包括同类型的风扇，可以设该类型风扇的排风量为QN，从而只需n·QN≥Q0即可满足设计要求。若风冷系统包括不同类型的风扇，可以设任意类型风扇的排风量为QNx，且每个类型的风扇的数量为nx，从而只需n1·QN1+ n2·QN2+ n3·QN3+……+nx·QNx+……≥Q0即可满足设计要求；其中，n1+ n2 + n3 +……+nx +……=n。为了方便理解，下述内容以风冷系统只包括同类型的风扇进行阐述。
本申请的其中一个实施例，步骤S300中，风冷系统所需散热器100的结构参数的初步计算过程包括如下步骤：
S310：根据经验公式：lgV=（1.4×lgP）-0.8，求得风冷系统所需散热器100的散热包络体积V，散热包络体积V的单位为cm³。
S320：结合电源设备的结构布局，初定风冷系统所需散热器100的散热截面的宽度W和长度L；从而根据V=W·L·H，求得所需散热器100中散热齿片120的高度H。
S330：再根据经验公式：t=（7×lgP）-6，求得所需散热器100的散热基板110的厚度t，散热基板110的厚度t的单位为mm。
S340：结合电源设备的结构布局，初定所需散热器100中散热齿片120的厚度T以及齿间距d。
可以理解的是，如图5所示，散热器100一般贴合安装于电源设备的外表面，以用于对电源设备进行传热对换。风扇可以向散热器100进行吹风，从而实现对电源设备进行散热。图中虚线箭头所指方向即可为风扇的风流方向。从而，影响散热器100散热效果的关键参数在于散热器100的散热截面的结构参数。
具体的，如图5所示，散热器100包括散热基板110和多个散热齿片120；散热基板110通过内端面贴合安装于电源设备的外表面，散热齿片120间隔设置于散热基板110的外端面，多个散热齿片120相互配合以形成对应的散热截面；散热截面即为散热器100正对于电源设备外表面的截面。
故而，在步骤S320中，可以根据给定的电源设备的端面尺寸，得到对应所需设置的散热截面的长度W和宽度L，进而根据体积公式可以反求得到散热齿片120的高度H。
还可以理解的是，在步骤S340中，设散热齿片120的数量为X，则X·T+（X-1）·d=W·L；从而本领域的技术人在根据给定电源设备的结构以及工程经验或行业标准后，可以通过上述的表达式初定出散热齿片的厚度T以及齿间距d。
本申请的其中一个实施例，在步骤S300中，利用CFD仿真模拟对风冷系统所需散热器100的结构参数的优化过程包括如下步骤：
S350：将风冷系统中初步求得的散热器100的结构参数代入仿真软件中建立仿真模型。
S360：利用仿真模型进行CFD仿真模拟，以得到风冷系统所需散热器100的有效换热面积A与散热器100的热阻Rr的热阻曲线。
S370：根据步骤S360中的热阻曲线，可以得到热阻Rr最佳时对应的散热器100的散热截面，进而确定风冷系统所需散热器100的最优散热截面的宽度W和长度L。
可以理解的是，CFD仿真技术为本领域技术人员的公知技术。CFD仿真技术的基本原理是通过计算机软件数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似地模拟流体流动情况，即CFD仿真技术=流体力学+热学+数值分析+计算机科学。常用的CFD仿真技术的软件有Flotherm、ANSYS Fluent和Icepack等。
具体的，步骤S360的仿真过程为本领域技术人员的常规技术，在此只进行简单的描述。即本领域技术人员在初定参数建立的模型下，通过修改散热齿片120的结构参数，以得到不同的有效换热面积A，进而通过不同有效换热面积A对应的特定的热阻Rr的值，以得到风冷系统的热阻曲线。其中，有效换热面积A=2·H·X·W；对于散热齿片120的结构参数修改可以是增大，也可以是减小。
本实施例中，热阻Rr为电源设备中热流密度最大位置处，对应的散热基板110区域的热阻。
可以理解的是，在进行风冷系统的散热分析时，若是风冷系统能够满足电源设备中热流密度最大位置的散热，则风冷系统必然能够满足对电源设备任意位置的散热要求；故而本申请中热阻曲线为电源设备热流密度最大位置处散热器100对应的热阻与有效换热面积A的关系曲线。
本实施例中，如图2所示，步骤S370中对于散热器100的最优散热截面的结构参数的确定，包括如下步骤：
S371：将对流换热微分公式进行二阶微分求导，并将∆T的值带入求导后的公式中，以得到热阻曲线性价比最高的拐点；再根据拐点对应的散热器100的有效换热面积，得到风冷系统所需散热器100确定的散热截面的最优结构参数；或着通过下述的步骤S372来确定。
S372：通过在CFD仿真模拟中多次调整散热器100的散热截面的结构参数，以得到不同散热截面对应的热阻曲线，进而从中筛选出最优的散热截面，最终确定最优的散热截面的结构参数。
可以理解的是，对于步骤S371中对流换热微分公式为hx=（-λ/ T0）·（∂T/ ∂y）x，y，该公式为本领域技术人员的公知常识。其中，hx为热阻Rr对应位置的局部对流换热系数，λ为导热系数，（∂T/ ∂y）x，y为热阻Rr对应坐标处流体的温度梯度。对于热阻Rr的坐标位置，可以通过散热截面的宽度W和长度L建立平面坐标系，进而得到热阻Rr所处的坐标位置。
对上述的对流换热微分公式进行求导，可以得到其对应的二阶微分求导公式，进而根据∆T的值，可以求得热阻Rr对应位置的局部对流换热系数hx的值，再带入牛顿冷却公式qx=hx·∆T中，可以得到热阻Rr对应位置出的局部热流密度qx，进而带入热量计算公式Φ=∫qxdA中求得对应的有效换热面积A的值，根据有效换热面积A的值可以确定热阻曲线的拐点，即图2中的a点所示。
最终，根据求得的有效换热面积A的值，可以得到散热齿片120最优的结构参数。根据得到的散热齿片120的最优结构参数，可以设计出所需的最优结构的散热器100。
本实施例中，如图3所示，利用CFD仿真模拟得到风冷系统最优散热器100的流阻曲线的过程包括如下步骤：
S380：根据步骤S370中确定的风冷系统所需散热器100的最优结构参数，对步骤S350中建立的散热器100的仿真模型进行优化；
S390：通过仿真软件对优化后的仿真模型进行不同风量下的压降模拟，进而得到最优的散热器100的流阻Rl与风量的流阻曲线。
本申请的其中一个实施例，如图3和图4所示，步骤S400包括如下具体步骤：
S410：根据流阻曲线，得到确定的最优散热器100中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ；
S420：将流阻曲线与多类型的风扇的PQ曲线进行拟合，并根据曲线之间的交点得到不同类型的风扇的最佳效率范围；
S430：若总风量QZ位于风扇的最佳效率范围内，则该风扇满足使用要求，进而确定该风扇的型号以及数量N；否则，风扇不满足使用要求。
可以理解的是，图3和图4中b点所示的位置即为散热器100中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ的位置。同时，图4中c点即为流阻曲线和PQ曲线的交点位置，从而图4中阴影区域即为对应的风扇的最佳效率范围。若总风量QZ位于对应的最佳效率范围内，则说明对应 的风扇的工作效率是完全能够满足电源设备的散热需求的。
通过流阻曲线和PQ 曲线的拟合，可以对初选后的风扇进行最终的筛选，从而根据筛选的结果，得到满足风冷系统全部需求的最优的风扇的种类，并根据风冷系统在进行电源设备散热所需的总风量得到最优的风扇的具体数量N。若最终筛选的最优的风扇的种类有多个，则可以根据成本等条件自行进行选择。
最终，根据上述设计过程中的最优的散热器100和最优的风扇，可以得到满足给定电源设备进行风冷的最优的风冷系统。
本实施例中，在步骤S410中可以通过对流阻曲线进行二阶微分求导或CFD模拟，以确定最优的散热器100中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ。具体的求导过程以及模拟过程为本领域技术人员的常规技术，故不在此进行阐述。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种电源设备的风冷系统设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤：
S100：获取电源设备的总损耗P以及允许的最大温升∆T；
S200：根据步骤S100中的参数，求得风冷系统进行风冷所需的总风量Q0；再结合电源设备的结构布局，初步确定风冷系统包括的风扇类型和数量n；
S300：再根据步骤S100中的参数，初步求得风冷系统包括的散热器的结构参数并进行CFD仿真模拟，进而得到风冷系统优化后的散热器的结构参数以及流阻曲线；
S400：将步骤S300中的流阻曲线与S200中各类型风扇的PQ曲线进行拟合；根据曲线的交点位置，最终确定风冷系统所需风扇的类型以及对应的数量N；
步骤S300中，风冷系统所需散热器的结构参数的初步计算过程包括如下步骤：
S310：根据经验公式：lgV=（1.4×lgP）-0.8，求得风冷系统所需散热器的散热包络体积V，单位cm³；
S320：结合电源设备的结构布局，初定风冷系统所需散热器的散热截面的宽度W和长度L；从而求得所需散热器中散热齿片的高度H；
S330：再根据经验公式：t=（7×lgP）-6，求得所需散热器的散热基板的厚度t，单位mm；
S340：结合电源设备的结构布局，初定所需散热器中散热齿片的厚度T以及齿间距d；
在步骤S300中，对风冷系统所需散热器的结构参数的优化过程包括如下步骤：
S350：将风冷系统中初步求得的散热器的结构参数代入仿真软件中建立仿真模型；
S360：利用仿真模型进行CFD仿真模拟，以得到风冷系统所需散热器的有效换热面积A与散热器的热阻Rr的热阻曲线；
S370：根据步骤S360中的热阻曲线，可以得到热阻Rr最佳时对应的散热器的散热截面，进而确定风冷系统所需散热器的最优散热截面的宽度W和长度L；
步骤S300中，利用CFD仿真模拟得到风冷系统所需散热器的流阻曲线的过程包括如下步骤：
S380：根据步骤S370中确定的风冷系统所需散热器的最优结构参数，对步骤S350中建立的散热器的仿真模型进行优化；
S390：通过仿真软件对优化后的仿真模型进行不同风量下的压降模拟，进而得到最优的散热器的流阻Rl与风量的流阻曲线；
步骤S400包括如下具体步骤：
S410：根据流阻曲线，得到确定的最优散热器中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ；
S420：将流阻曲线与多类型的风扇的PQ曲线进行拟合，并根据曲线之间的交点得到不同类型的风扇的最佳效率范围；
S430：若总风量QZ位于风扇的最佳效率范围内，则该风扇满足使用要求，进而确定该风扇的型号以及数量N；否则，风扇不满足使用要求。
2.如权利要求1所述的电源设备的风冷系统设计方法，其特征在于：在步骤S200中，通过冷却公式：Φ=cp·ρ·Q0·∆T0，反求出风冷系统进行风冷所需的总风量Q0；其中，Φ为电源设备的发热量，cp为空气定压比热容，ρ为冷却空气的密度，∆T0为风冷系统进出风口的平均温差。
3.如权利要求1所述的电源设备的风冷系统设计方法，其特征在于：步骤S200中，初步确定的风冷系统包括相同种类的n个风扇；或，初步确定的风冷系统包括不同种类的n个风扇。
4.如权利要求1所述的电源设备的风冷系统设计方法，其特征在于：步骤S360中，热阻Rr为电源设备中热流密度最大位置处，对应的散热基板区域的热阻。
5.如权利要求1所述的电源设备的风冷系统设计方法，其特征在于：步骤S370中对于散热器的最优散热截面的结构参数的确定，包括如下步骤：
S371：将对流换热微分公式进行二阶微分求导，并将∆T的值带入求导后的公式中，以得到热阻曲线性价比最高的拐点；再根据拐点对应的散热器的有效换热面积，得到风冷系统所需散热器确定的散热截面的最优结构参数；或
S372：通过在CFD仿真模拟中多次调整散热器的散热截面的结构参数，以得到不同散热截面对应的热阻曲线，进而从中筛选出最优的散热截面，最终确定最优的散热截面的结构参数。
6.如权利要求1所述的电源设备的风冷系统设计方法，其特征在于：在步骤S410中，通过对流阻曲线进行二阶微分求导或CFD模拟，以确定最优的散热器中流阻Rl最佳时对应的总风量QZ 。
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