基于Icepak變頻空調(diào)主板散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

張園 馬海林 賴孝成 江世恒

ZHANG Yuan MA Hailin LAI Xiaocheng JIANG Shiheng

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Zhuhai Gree Electrical Appliance Co., Ltd. Zhuhai 519070

1 引言

變頻空調(diào)主板上存在整流橋、IGBT、二極管等功率發(fā)熱元器件，空調(diào)高溫制冷時(shí)，由于工況惡劣，壓縮機(jī)負(fù)荷較大，且元器件發(fā)熱功率大，若散熱器設(shè)計(jì)不合理，很容易造成主板燒損。

目前空調(diào)主板散熱器設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)加實(shí)測(cè)為主，沒(méi)有相關(guān)的仿真分析方法或者仿真精度較低，對(duì)散熱器散熱效果的關(guān)鍵影響參數(shù)認(rèn)識(shí)不足，缺少相關(guān)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范，在設(shè)計(jì)時(shí)具有一定的盲目性。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于散熱器的研究主要在于航空航天散熱領(lǐng)域、筆記本電腦等電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域、LED燈具散熱領(lǐng)域等，而變頻空調(diào)主板元器件散熱研究得較少。吳俊鴻[1]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合的方法分析變頻空調(diào)限降頻實(shí)例，探討了變頻空調(diào)外機(jī)主板上各控制器元器件溫度過(guò)高的原因，在此基礎(chǔ)上提出了解決變頻空調(diào)外機(jī)主板上各控制器元器件溫度過(guò)高問(wèn)題的一系列措施。Teertstra[2]、Sparrow[3,4]、shan和London[5]、Wirtz[6]等人從理論角度出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真方法，研究了鋁制翅片散熱器的平均傳熱系數(shù)、努謝爾特?cái)?shù)的影響因素以及鋁制翅片散熱器的傳熱特性。付桂翠[7]、高一博[8]、謝少英[9]等人以實(shí)際應(yīng)用為背景，通過(guò)研究翅片散熱器肋片面積對(duì)鋁擠翅片散熱器的影響，設(shè)計(jì)優(yōu)化了鋁擠翅片散熱器。

本文以某變頻空調(diào)主板散熱器為研究對(duì)象，對(duì)空調(diào)主板散熱仿真分析方法進(jìn)行研究，并對(duì)散熱器翅片長(zhǎng)度、翅片間距、基板厚度對(duì)散熱效果的影響進(jìn)行研究。

2 變頻空調(diào)主板散熱器仿真研究

對(duì)于空調(diào)主板散熱仿真而言，首要任務(wù)是根據(jù)散熱方式選擇合理的計(jì)算模型。另外Icepak散熱仿真要輸入元器件的發(fā)熱功率和熱阻值，但各個(gè)功率元器件的發(fā)熱功率和熱阻值不方便測(cè)試，只能通過(guò)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算，且影響仿真的實(shí)際參數(shù)太多，因此要通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)仿真準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 散熱理論基礎(chǔ)

散熱器的散熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和輻射散熱，由于散熱器采用的是鋁擠型材，輻射較小，且散熱器處在外機(jī)風(fēng)場(chǎng)中，散熱器表面存在氣流組織，所以散熱仿真主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，各個(gè)模塊將熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給基板，基板再將熱量通過(guò)翅片，翅片與周圍空氣形成對(duì)流傳熱，是一個(gè)三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程，其三維熱傳導(dǎo)方程如下：

Q—物體內(nèi)部熱源密度，w/m2；

λx、λy、λz—x、y、z三方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，w/m·k;

ρ—密度。

本文考慮強(qiáng)制對(duì)流，可用牛頓冷卻公式表示：

q=hAΔT （2）

q—對(duì)流帶走的熱量，w/m2；

h—對(duì)流傳熱系數(shù)，w/m2·K；

ΔT—流體與散熱器表面溫差，℃

2.2 功率及熱阻估算

變頻空調(diào)主板發(fā)熱主要有PFC電路和逆變電路，功率元器件有IPM、整流橋、二極管D1/D2、IGBT，以整機(jī)輸入功率為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)PFC電路的效率大概是96%～97%，除去電感外，整流橋、二極管和IGBT的共同消耗可以按1.5%評(píng)估。IPM的逆變效率大概是96%左右，占空比0.5，各功率元器件估算如下：整機(jī)輸入功率3800W，元器件總耗散功率為122W，IPM為53W，二極管為8W，整流橋?yàn)?1W，IGBT為8W。

2.3 仿真計(jì)算

物理模型主要由兩部分組成，一部分為外殼，另一部分為散熱器。散熱器上有控制器元器件，分別為IPM、二極管、整流橋、IGBT，排布方式如圖1所示。散熱器為鋁擠翅片散熱器，由基板和翅片構(gòu)成。散熱器在外機(jī)風(fēng)道的位置根據(jù)實(shí)際位置確定，但簡(jiǎn)化了隔板。

圖1物理模型圖

圖2不同翅片間距對(duì)散熱效果的影響（D1/D2指二極管，G1/G2指IGBT）

網(wǎng)格劃分采用Ansys Icepak自帶的網(wǎng)格劃分工具，采用非連續(xù)性網(wǎng)格，散熱器區(qū)域網(wǎng)格密于外殼，網(wǎng)格形式均為六面體占優(yōu)網(wǎng)格。

3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Ansys Icepak的仿真精度，在焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，設(shè)置不同的外環(huán)和內(nèi)環(huán)溫度、濕度，然后與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證仿真精度。在各元器件上布置熱電偶，并且在各個(gè)元器件與散熱器接觸表面涂上散熱膏，散熱膏涂抹均勻。在高溫制冷工況下測(cè)試各個(gè)元器件溫度，外環(huán)54℃。

圖3不同基板厚度對(duì)散熱效果的影響（D1/D2指二極管，G1/G2指IGBT）

圖4 不同翅片長(zhǎng)度對(duì)散熱效果的影響（D1/D2指二極管，G1/G2指IGBT）

表1 實(shí)際測(cè)試與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與Ansys Icepak仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)元器件溫度分布與仿真所得各個(gè)元器件溫度分布區(qū)勢(shì)一致，雖存在一定的誤差，但誤差較小，最大誤差2.3℃。原因是仿真物理建模時(shí)，簡(jiǎn)化了外機(jī)風(fēng)道內(nèi)的隔板和風(fēng)葉，對(duì)仿真結(jié)果存在一定的影響。

4 散熱器關(guān)鍵影響參數(shù)研究

目前變頻空調(diào)主板散熱器的設(shè)計(jì)選型主要根據(jù)空調(diào)外機(jī)的空間、風(fēng)的流動(dòng)方向、制作成本等方面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，然而根據(jù)這三個(gè)因素設(shè)計(jì)出的散熱器不一定是散熱效果最優(yōu)的散熱器，因?yàn)榛搴穸?、翅片間距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低散熱效果。

散熱器與多個(gè)點(diǎn)熱源直接接觸，因此基板溫度非均勻的，在橫向上存在極大的溫度梯度?；搴穸鹊淖兓粌H影響了縱向上往翅片傳導(dǎo)的熱流密度，更重要的是影響了橫向上的熱量擴(kuò)散。當(dāng)基板過(guò)薄，橫向傳遞被削弱，熱量只能聚集在點(diǎn)熱源附近向上傳遞，散熱效果差。當(dāng)基板過(guò)厚，熱阻增大，縱向傳遞變?nèi)?，散熱效果也?huì)變差。

當(dāng)翅片間距變小，翅片數(shù)目增多，增加了散熱表面積，但同時(shí)增加了風(fēng)的流動(dòng)阻力。

5 幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

不同翅片間距的散熱器，翅片間距分別為d=3mm、d=5mm、d=7mm。圖2為不同翅片間距對(duì)散熱效果的影響圖。從圖2可知，不同散熱器對(duì)應(yīng)的溫度最高的元器件均為整流橋。翅片間距d=5mm時(shí)，各元器件溫度最低，散熱效果最好，翅片間距d=7mm次之，翅片間距d=3mm散熱效果最差。因此翅片間距不能過(guò)大或過(guò)小，翅片間距過(guò)大，翅片數(shù)目減少，散熱表面積減少；翅片間距過(guò)小，流動(dòng)阻力增加，散熱效果變差。

不同基板厚度的散熱器，基板厚度分別為h=4mm、h=6mm、h=8mm。圖3為不同基板厚度對(duì)散熱效果的影響圖，從圖3可知，基板厚度h=6mm時(shí)，各元器件溫度最低，散熱效果最好，基板厚度h=4mm次之，基板厚度h=8mm散熱效果最差，但三種基板厚度的散熱器散熱效果相差不大，元器件最大溫差為2℃。

不同翅片長(zhǎng)度的散熱器，翅片長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)=50mm、L=60mm、L=70mm。圖4為不同翅片長(zhǎng)度對(duì)散熱效果的影響圖。從圖4可知，翅片長(zhǎng)度增加20mm，整流橋的溫度可以降低12℃左右，翅片長(zhǎng)度對(duì)散熱器的散熱效果影響較大。因此在散熱器設(shè)計(jì)選型時(shí)，在保證散熱器與其他結(jié)構(gòu)的空間間隙前提下，翅片長(zhǎng)度應(yīng)盡量長(zhǎng)，增加散熱面積，從而增強(qiáng)散熱效果。但翅片長(zhǎng)度實(shí)際受到空調(diào)外機(jī)空間和成本限制，翅片長(zhǎng)度建議為50～70mm。

6 結(jié)論

（1）翅片間距不能過(guò)大或過(guò)小，翅片間距過(guò)大，翅片數(shù)目減少，散熱表面積減少；翅片間距過(guò)小，流動(dòng)阻力增加，散熱效果變差，翅片間距4～6mm散熱效果最好。

（2）基板厚度不能過(guò)薄或過(guò)厚，基板過(guò)薄，熱量傳導(dǎo)速度快，翅片不足以迅速將基板的熱量散出去，會(huì)在基板造成熱量積聚，散熱效果變差；基板過(guò)厚，導(dǎo)熱熱阻增大，散熱效果變差，基板厚度5～7mm散熱效果最好。

（3）翅片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，散熱效果越好，但受空間、成本限制，翅片長(zhǎng)度不能無(wú)限增長(zhǎng)。在散熱器設(shè)計(jì)選型時(shí)，翅片長(zhǎng)度50～70mm散熱效果最好。