基于fluent軟件的散熱器參數優化及其應用方案

趙榮華 張郭輝

（珠海三友環境技術有限公司 珠海 519000）

引言

變頻空調在部分地區使用環境會涉及高溫制冷，在高溫環境下，驅動板的IGBT等功率器件溫度急劇升高，影響控制器運行穩定性和制冷能力的可靠輸出。目前常用的高溫散熱方案包括冷媒散熱和風道輔助散熱，冷媒散熱需要增加成本，簡單的風道散熱效率不高并存在引入灰塵到驅動板上的問題。為提高散熱效率，降低散熱成本，針對影響散熱的關鍵參數進行優化，并優化風道輔助散熱方案，使功率器件可以得到高效散熱。

1 散熱效率影響因素

根據熱量傳遞的三種基本方式——熱傳導、對流換熱、輻射散熱，分析確定影響散熱效率的主要因素。

熱傳導，熱量從發熱器件傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內的傳遞都屬于熱傳導。經典傳熱學中熱傳導可以用傅里葉導熱定律描述：

式中：

dQ/dt （Q上一點）—導熱速率；

T—溫度；

A—傳熱面積；

k—導熱系數；

x—在導熱面上的坐標。

從公式可以看出，導熱系數和傳熱面積是熱傳導中影響傳熱效率的兩個關鍵因素。在空調領域中，鋁合金導熱效能和經濟性綜合表現是比較好的，應用比較廣泛。

對流換熱可用牛頓冷卻定律描述：

(4)狠抓大基地、大集團為龍頭發展煤炭洗選，促進洗選加工現代化建設。目前大型基地、大型企業的原煤入選比例已經超過70%，點多面廣、布局分散的中小選煤廠的技改、整頓、聯合、提高也在快速發展，正在促進煤炭洗選加工業整體面貌改變。

式中：

q—傳熱量；

h—對流換熱系數；

A—換熱面面積；

Tw—固體表面溫度；

Tf—流體溫度。

通過加大對流換熱面積，可以有效的提升換熱效率。但加大換熱面積，通常意味著散熱器要做的尺寸更大，進而導致產品整體尺寸變大，另外，加大散熱器還意味著成本的提升[1]。

輻射散熱主要是對散熱器選擇合適的表面處理方式，根據目前行業經驗，此種處理方式對空調用散熱器的散熱效率提升不明顯。

因此，本文針對不同環境溫度、進風口氣流流速、散熱片高度、散熱片間隙等關鍵影響因素進行分析，確定對散熱器散熱效率的影響。

1.2 環境溫度對穩定溫度的影響分析

在基本條件相同情況下，模擬不同環境溫度對其散熱的影響。通過圖1分析數據顯示環境溫度增加，散熱器的最終溫度也增加并和環境溫度提高的ΔT接近，說明降低進入散熱器流體的溫度對散熱效果有較大作用。

圖1 環境溫度T=40℃、50℃、60℃散熱溫度云圖

1.3 氣流流速對穩定溫度的影響分析

1）環境溫度T=40 ℃，強制對流條件下不同氣流速度對散熱效果影響，圖2曲線數據顯示，在2 m/s之后散熱器能量點的溫度下降幅度變化率基本一致，曲線開始趨緩；

圖2 流速與表面溫度分析

2）氣流流速從0.5 m/s到6 m/s，溫度降低25 ℃，說明了氣流流速對散熱影響很大。

1.4 散熱器散熱片高度對穩定溫度的影響分析

環境溫度T=40 ℃，強制對流速度3 m/s，按照原散熱器高度增加（-10 mm～10 mm）模擬仿真，圖3數據顯示散熱片高度ΔH增加對散熱效果有益，并看出高度越高散熱越好；散熱片高度ΔH增加后使之散熱表面積增加、總質量增加，數據顯示增加20 mm后，溫度只降低了3 ℃左右，效果不明顯。

圖3 散熱片高度ΔH與表面溫度分析

1.5 散熱器散熱片間隙對穩定溫度的影響分析

散熱器的散熱片間隙更改其對應的換熱面積隨之變化，必會影響散熱效果，圖4顯示按照現有散熱片間距，小范圍更改對整個散熱器散熱效果影響不大。

圖4 散熱片間距調整模擬仿真云圖

加大換熱面積還必須要同時考慮系統風阻，因為細密的散熱器在加大換熱面積的同時，還會增加風阻，影響內部空氣流動，進而降低對流換熱系數。

2 散熱器結構優化

2.1 散熱片優化方案一

圖5顯示原有散熱片低溫線區域分布不均勻，導致在相同狀態下每片材料散熱效率不平衡，為此將其調整，滿足各個對應部位都分布在對應的等溫線區域內，使每片材料的散熱效率大致平衡，從而使散熱片可以最大程度利用。

圖5 散熱器優化溫度分布云圖

2.2 散熱片優化方案二

在方案一優化方案的基礎上，如圖6將散熱片表面調整為波浪形，在不加大散熱器外形尺寸的情況下，增大散熱片的表面積，同時加厚散熱器底座，加快熱量傳遞速度[2]。如表1數據顯示優化散熱片結構后，散熱溫度下降明顯。

表1 散熱優化參數對比

圖6 散熱器優化方案及溫度分布云圖

3 輔助散熱設計

除了散熱器本身的散熱性能外，散熱器外界的溫度和表面氣流流速都會對散熱效果產生較大影響。因此降低流過散熱器表面氣流的溫度和提高氣流流速，是經濟、有效的提高散熱效率方式[3]。由于空調外機殼體內的空氣經過冷凝器、壓縮機等發熱元器件加熱，使殼體內的空氣溫度升高，從機外吸取外界環境空氣，可有效降低流經散熱器表面空氣的溫度。

假如只在前面板開孔，在外機腔負壓作用下，氣流從前面板進入，氣流會直接向風葉中心流過，經過散熱器表面的氣流相對減小。設置一個零件與散熱器裝配形成閉環的風道，在外機腔負壓作用下，氣流從前面板進入，再經過此風道掠過散熱器表面。在散熱器下端增加輔助風道后，有效限制了氣流方向，增大了散熱器對流換熱有效面積，為此散熱效果得到很大提升。并且可以避免氣流從控制器表面經過，使外界的灰塵吸附到控制器上，影響電控的可靠性。

圖7 輔助散熱方案

輔助風道的設計中應注意出風口的開口位置及大小，出風口應在風葉尖末端，在風葉旋轉區域的后端，此處負壓最大。出風口在允許的范圍內盡量做到最大尺寸，同時在靠近冷凝器端處輔助風道應設計氣流擋板，阻止從冷凝器進入的氣流與前面板進入的氣流進行疊加抵消，減弱前面板進入氣流流量。

4 結論

在空間給定，不大幅增加成本的情況下，調整散熱器表面形狀，增大單個散熱片的表面換熱面積，降低流過散熱器表面氣流的溫度和提高氣流流速，可以經濟、高效的提高散熱器的散熱效率。而利用空調外機風葉產生的負壓，從外界空氣中吸取相對溫度較低的氣流來給散熱器散熱，則是容易實現且相對較好的選擇。