空調(diào)室外機(jī)散熱器導(dǎo)流罩對(duì)散熱性能的影響研究

李樹云，王現(xiàn)林，吳俊鴻，高旭，陳志偉，彭光前

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件的應(yīng)用遍布各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)電子器件尺寸的不斷減小以及頻率和集成度不斷提高，導(dǎo)致電子單位面積的功率增加，進(jìn)而導(dǎo)致電子器件過熱問題越來越突出[1-2]。研究表明，電子元器件的性能對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長趨勢(shì)，環(huán)境溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將降低50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過55%的電子元器件及電子設(shè)備的失效是由于溫度過高引起的[3-6]。

家用空調(diào)室外機(jī)在高外環(huán)境溫度運(yùn)行時(shí)，控制器中的元器件均會(huì)產(chǎn)生較大熱量，若熱量不能快速地散去，就會(huì)造成元器件的溫度上升，導(dǎo)致空調(diào)制冷能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻繁的死機(jī)或無法正常開機(jī)的現(xiàn)象[7-8]。元器件溫度過高是導(dǎo)致空調(diào)不能在高外環(huán)溫下工作的主要原因，因此，為了提高空調(diào)在高外環(huán)溫下的制冷能力，降低元器件溫度顯得尤為重要。

目前較流行的散熱方法有風(fēng)冷、水冷和熱管散熱等。其中風(fēng)冷散熱是現(xiàn)在最為常見且使用率最高也是最成熟的一種散熱方式。這種散熱方式簡單、直接、性能可靠、技術(shù)成熟、成本最低，可以解決通常的散熱需要，因而被普遍使用。風(fēng)冷散熱目前也是空調(diào)室外機(jī)電器盒散熱的主要形式[9-11]。

本文利用熱仿真軟件，分析某款空調(diào)室外機(jī)散熱器處的元器件溫度較高的原因，并提出了一種較好的解決方案，降低元器件溫度，提升空調(diào)的競爭力。

1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.1 幾何模型建立

圖1是空調(diào)室外機(jī)結(jié)構(gòu)模型，散熱器部件放在圖中所示位置，外部空氣在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下流過散熱器表面并與之充分接觸，從而帶走散熱器上的熱量，達(dá)到降低元器件溫度的目的。需要散熱的元器件包括整流橋、二極管、絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）。圖2是元器件在散熱器上分布情況。本散熱系統(tǒng)存在3種傳熱方式，元器件內(nèi)部、元器件與散熱器以及散熱器內(nèi)部為熱傳導(dǎo)，散熱器壁面與周圍空氣為對(duì)流換熱，同時(shí)元器件與散熱器也向周圍空氣輻射傳熱，由于研究對(duì)象在強(qiáng)迫對(duì)流的條件下，因此忽略輻射的影響。

圖1 空調(diào)室外機(jī)結(jié)構(gòu)模型

圖2 元器件在散熱器上分布模型

圖3是在現(xiàn)有散熱器的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)流罩的示意圖；導(dǎo)流罩的進(jìn)口處帶有導(dǎo)流筋，導(dǎo)流的方向指向散熱器根部，并對(duì)模型進(jìn)行簡化如圖4所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

計(jì)算模型如圖5所示，模型的進(jìn)口邊界條件為速度入口，出口為opening 出口，由于本文研究的是環(huán)境溫度較高時(shí)各元器件的溫度情況[12-13]，散熱器的進(jìn)口溫度設(shè)定為43 ℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)得散熱器進(jìn)口速度為1.8 m/s，根據(jù)廠家給定各元器件整流橋、二極管、IGBT 和壓縮機(jī)IPM 在額定工況下的熱功耗分別為15 W、7.5 W、20 W 和20 W。

圖3 散熱器增加導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)模型

圖4 散熱器增加導(dǎo)流罩的模型簡化

圖5 計(jì)算仿真模型

仿真分析中的物理模型主要遵守3 大基本控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，方程分別如下[1,14]：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

模型建立完成后需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算的精確性，則要保證在翅片上至少有兩層網(wǎng)格以及在翅片與翅片之間至少有4 層網(wǎng)格。

2 仿真結(jié)果分析

由對(duì)流傳熱牛頓冷卻公式[15-17]φ=h·A·ΔT可知，在溫差和氣流流速相同的情況下，換熱量與換熱面積（A）即流動(dòng)氣流與散熱器的接觸面積有關(guān)。無導(dǎo)流罩時(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，散熱器底部由于被安裝結(jié)構(gòu)部分擋住，進(jìn)風(fēng)氣流只能從散熱器頂部流過，同時(shí)散熱器底部出現(xiàn)了漩渦氣流，此過程都不利于散熱，這是導(dǎo)致散熱器散熱效果較差和元器件溫度較高的主要原因。

表1是散熱器有無導(dǎo)流罩條件下各元器件的溫度對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析得到，散熱器有導(dǎo)流罩時(shí)元器件溫度比散熱器無導(dǎo)流罩時(shí)元器件溫度平均降低8.2 ℃，降溫效果明顯。

表1 兩組方案的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6是散熱器有無導(dǎo)流罩條件下各元器件溫度和速度的仿真對(duì)比結(jié)果。從元器件表面溫度云圖可以明顯看出，散熱器有導(dǎo)流罩比無導(dǎo)流罩時(shí)散熱效果好，元器件的溫度有明顯的降低。

由圖6可以得到，散熱器加導(dǎo)流罩后，導(dǎo)流罩對(duì)散熱器的進(jìn)口氣流進(jìn)行導(dǎo)流，經(jīng)導(dǎo)流后的氣流流過散熱器內(nèi)部，則氣流流過散熱器的有效面積增加，使得氣流可以快速地對(duì)散熱器進(jìn)行散熱，從而元器件的溫度得到降低；無導(dǎo)流罩時(shí)，氣流從散熱器頂部略過，與散熱器的接觸面積較小，導(dǎo)致元器件的溫度較高。

散熱器無導(dǎo)流罩時(shí)，散熱器底部出現(xiàn)漩渦氣流，此時(shí)這部分氣流不利于散熱器散熱；增加導(dǎo)流罩后，散熱器的進(jìn)口氣流經(jīng)過導(dǎo)流罩導(dǎo)流后流過散熱器底部，使散熱器底部的漩渦氣流消失，從而達(dá)到流動(dòng)氣流與散熱器接觸面積達(dá)到最大，提升了散熱器的散熱效果，這也是元器件得到明顯降溫的主要原因。

圖6 兩組方案的元器件表面溫度云圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣機(jī)上的元器件進(jìn)行溫度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)試誤差為±0.5 ℃。同時(shí)在各元器件位置處設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，環(huán)境溫度設(shè)定43 ℃，外機(jī)風(fēng)擋為超強(qiáng)風(fēng)擋，壓縮機(jī)頻率84 Hz，電壓220 V，方案一散熱器無導(dǎo)流罩，方案二散熱器有導(dǎo)流罩，兩個(gè)方案的穩(wěn)態(tài)熱測(cè)試結(jié)果見表2所示。

每種方案的熱仿真和熱測(cè)試元器件的溫度對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，大部分誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了散熱器模型仿真的準(zhǔn)確性[18-21]。

表4是兩種方案的熱測(cè)試元器件溫差數(shù)據(jù)，由表4可知，散熱器有導(dǎo)流罩較無導(dǎo)流罩時(shí)元器件平均降溫5.1 ℃，效果明顯，同時(shí)也驗(yàn)證了熱仿真分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有很好的指導(dǎo)意義。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 兩組方案仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 兩組方案的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

1）仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在散熱器上安裝導(dǎo)流罩可以很好地降低元器件的溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均降溫5.1 ℃。

2）仿真得到的元器件溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最大誤差不超過10%，大部分在5%以內(nèi)，仿真符合要求。

3）仿真可以很好地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題并快速評(píng)估新方案的散熱效果，加快產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品開發(fā)成本，同時(shí)提升了產(chǎn)品的競爭力。