空調室外機元器件散熱的熱設計研究

李樹云，彭光前，吳俊鴻

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

1 引言

隨著電子技術的迅速發展，電子器件的應用遍布各個領域，同時電子器件尺寸的不斷減小、頻率和集成度的提高，導致電子單位面積的功率不斷增加，進而導致電子器件過熱問題越來越突出［1］。實驗與研究表明，電子元器件的性能對溫度十分敏感，隨著溫度升高，電子元器件的失效率呈指數增長趨勢，環境溫度每升高10℃，系統可靠性將降低50%。據統計，超過55%的電子元器件及電子設備的失效是由于溫度過高引起的［2－4］。

對于家用空調室外機來講，其在高外環溫運行時，電器盒中的元器件均會產生較多熱量，若熱量不能快速的散去，就會造成元器件的溫度不斷上升，導致空調制冷能力下降，嚴重時會出現頻繁的死機或無法正常開機的現象［5］。因此，為了提高空調在高外環溫下的制冷能力和可靠性，降低元器件溫度顯得尤為重要。

針對某款空調室外機壓縮機腔內的元器件溫度過高的問題，本文利用傳熱理論和熱仿真軟件，分析該款空調壓縮機腔內的元器件溫度過高的原因，并提出了一種較好的解決方案，達到降低元器件溫度和提升產品的競爭力的目的。

2 傳熱學理論

傳熱學其實就是將發熱體產生的熱量經散熱體快速傳至系統外，以保證整個系統運行的穩定性。其中發熱體產生的熱量主要以熱傳導、熱對流以及熱輻射 3種基本方式傳遞到周圍環境［1］［2］。

（1）熱傳導

物質分子、原子及自由電子等微觀粒子通過其熱運動使得物體的熱量從高溫部分傳遞到低溫部分。導熱過程中傳遞的熱量按照 Fourier導熱定律計算：

式中 Q是熱量，W；λ是導熱系數，W／m·℃；A是沿傳熱路徑的橫截面積，m2；ΔT是熱源與低溫區的溫度差，℃；d是傳熱距離，m。

（2）熱對流

流體流過一個物體表面時流體與物體表面間的熱量傳遞過程。熱對流過程傳遞的熱量按照牛頓冷卻定律計算。

Φ＝h·A·ΔT

式中Q是熱量，W；h是對流換熱系數，W／m2·℃；A是固體壁面換熱面積，m2；ΔT是流體與固體的溫差，℃。

（3）熱輻射

輻射換熱指的是物體之間互相輻射和吸收熱能的綜合效果。輻射熱量可由斯蒂芬－玻爾茲曼定律來計算。

Q＝εσ0AT4

式中ε是物體的表面黑度；σ0是斯蒂芬玻爾茲曼常數，5.67×10－8W／（m2K）；A是輻射面積，m2；T是物體表面熱力學溫度，K；

2 數學模型構建

2.1 幾何模型建立

如圖2－1是空調室外機模型的俯視圖，模型右側藍線框內為空調室外機的壓縮機腔，在壓縮機腔頂部安裝有電器盒 （圖中黃色），電器盒內有元器件，元器件分布如圖2－2所示。

圖2 －1 空調室外機模型

圖2 －2 電器盒內元器件分布

空調室外機在工作過程中，壓縮機腔內的元器件會產生大量的熱，當外環溫43℃時，實驗測試電感溫度高達116℃，扼流圈和風機IPM溫度則達到110℃和90℃，元器件溫度較高會嚴重影響空調高溫下的制冷能力以及產品的可靠性。

圖2－3是空調室外機壓縮機腔區，壓縮機腔內元器件溫度高的主要原因是壓縮機腔為密閉空間，元器件主要靠輻射和自然對流的方式進行散熱，元器件產生的熱量不能及時散去，致使元器件溫度過高。

所以本文提出了在空調室外機的隔板上進行開孔設置，同時利用空調室外機的風機來驅動壓縮機腔內的氣流流動，以此加強元器件的強制對流散熱。方案如圖2－4所示。

圖2 －3 室外機壓縮機腔區

圖2 －4 空調室外機隔板增加引風孔模型

2.2 數學模型建立

簡化后的仿真模型如圖2－5所示，由于本文研究的是環境溫度較高時元器件的溫度情況，所以本次仿真環境溫度設定為43℃。同時各元器件電感、扼流圈、風機IPM和電容在額定工況下的熱功耗分別為6.5w、5.5w、3.3w和1.5w。

物理模型包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，方程分別如下［6］：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

圖2 －5 仿真模型簡化

能量守恒方程：

對仿真模型進行網格劃分，本文采用默認的Mesher－HD網格劃分方法，最終生成300萬左右網格，網格質量較好，同時流體的流動狀態選擇湍流，并采用零方程模型。

3 仿真結果分析

通過對空調室外機隔板上有或無引風孔的兩種方案進行仿真對比，分析引風孔對元器件降溫效果。

表3－1是隔板上有或無引風孔時壓縮機腔內元器件溫度的仿真數據對比，通過對數據分析可以得到，隔板有引風孔后元器件降溫明顯，較隔板無引風孔時元器件的溫度平均降低12.3℃，其中降溫最大的元器件是電感，降溫16.8℃，其次是風機IPM降溫12.6℃。元器件降溫的主要原因是中、小隔板增加引風孔后壓縮機腔內的氣流流動在風機的作用下得到提升，元器件產生的熱量可以很快的被流動的氣流帶走，因此達到降低溫度的效果。

表3 －1 兩組方案的仿真數據對比

圖3－1是隔板有或無引風孔的仿真結果，從圖3－1（a）元器件表面溫度云圖可以看出，隔板有引風孔后元器件的溫度有明顯降低。

圖3－1（b）是小隔板引風孔處一截面的速度云圖，從速度云圖可以得到，小隔板增加引風孔后氣流從引風孔流出，壓縮機腔內的氣流流動得到提升。

圖3－1（c）與 （b）是相同位置的截面，圖3－1（c）是溫度云圖，從溫度云圖可以看出，隔板無引風孔時壓縮機腔該截面的溫度在54℃左右，當隔板有引風孔后壓縮機腔該截面的溫度在46℃左右。主要原因是隔板有引風孔后元器件產生的熱量被流動氣流及時的從引風孔帶走。

圖3－1（d）是中隔板引風孔處一截面的溫度云圖，從溫度云圖可以得到，中隔板頂部無引風孔時元器件產生的熱量聚集在頂部不能及時散去，導致壓縮機腔該截面的溫度達到75℃左右，當中隔板頂部有引風孔后壓縮機腔該截面的溫度在53℃左右，主要原因也是元器件產生的熱量從引風孔及時散去達到元器件降溫的目的。

圖3－2是隔板有引風孔后壓縮機腔內的氣流流線圖，從圖中可以清楚的看到，壓縮機腔內的氣流在風機的作用下從引風孔處流出，元器件產生的熱量可以快速的被流動的氣流帶到壓縮機腔外，達到降低元器件溫度的目的。

4 實驗測試

空調室外機元器件的溫升實驗是在空調器焓差法測試室進行測試，在測試樣機的各元器件位置處利用熱電偶布置溫度監測點，同時設置測試樣機風檔為超強檔，頻率88Hz，電壓220V，環境溫度43℃，方案一隔板有引風孔，方案二隔板無引風孔，兩個方案的熱測試結果見表4－1所示。

表4 －1 實驗測試數據

表4 －2 兩組方案仿真與實驗數據對比

圖3 －1 板有無引風孔仿真結果

圖3 －2 隔板有引風孔三維氣流流線圖

每種方案的熱仿真和熱測試元器件溫度的對比數據見表4－2。由表4－2可知，仿真結果和實驗結果的誤差在9%以內［7］，驗證了仿真結果的準確性和有效性。

采用熱仿真方法對元器件的散熱進行研究是實驗方法的有效補充，仿真結果也有助于分析元器件溫度過高的原因，根據仿真結果可以對元器件散熱的優化設計提供較好參考和指導方案。

5 結論

（1）仿真結果表明，在室外機隔板上設置引風孔可以提升壓縮機腔內的氣流流動速度，達到降低元器件溫度的目的。

（2）實驗結果與仿真結果對比，仿真誤差不超過9%，證明了仿真結果的可靠性和有效性。

（3）仿真可以很好的發現設計中存在的問題并快速評估新方案的散熱效果，加快產品開發周期和降低產品開發成本，同時提升了產品的競爭力。