基于ARIZ的變頻柜內(nèi)功率器件散熱創(chuàng)新設(shè)計(jì)

曹巍 劉玲

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

ARIZ是俄文中發(fā)明問題解決算法的縮寫。阿奇舒勒自1956年開始就致力于開發(fā)系統(tǒng)化的、逐步解決工程問題的工具ARIZ。ARIZ是經(jīng)典TRIZ理論（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）中非常強(qiáng)大的綜合性工具，通常被用來解決一些復(fù)雜度比較高的問題[1]。

本文通過運(yùn)用ARIZ算法對(duì)變頻柜內(nèi)功率器件的散熱進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并對(duì)方案進(jìn)行初步評(píng)價(jià)和應(yīng)用探討。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來進(jìn)一步佐證方案的可行性。

1 問題情境

1.1 問題描述

變頻柜，主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、驅(qū)動(dòng)單元、制動(dòng)單元、檢測(cè)單元等組成。變頻柜靠?jī)?nèi)部的功率器件（通常為IGBT，絕緣柵雙極型晶體管）的高速開斷來調(diào)整輸出的電壓和頻率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能的目的。

當(dāng)高速大功率變頻離心冷水機(jī)組工作時(shí)，機(jī)組上的變頻柜內(nèi)功率器件溫度很高，容易因冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良而發(fā)生故障，如果不采取有效的降溫措施，高速大功率變頻離心冷水機(jī)組很難突破大冷量的瓶頸。功率器件的散熱設(shè)計(jì)直接決定變頻柜能否可靠工作、持久耐用[2]。據(jù)悉，功率器件的故障率占變頻柜總故障的50%左右，而功率器件價(jià)格昂貴，占變頻柜總價(jià)的20%左右[3]。對(duì)變頻柜內(nèi)功率器件的散熱進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，減少功率器件故障發(fā)生，對(duì)降本增效具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

1.2 問題發(fā)生的條件

大功率變頻柜內(nèi)功率器件因溫度過高而發(fā)生故障主要出現(xiàn)在：（1）變頻柜輸入功率大于700 kW；（2）磁懸浮電機(jī)轉(zhuǎn)速大于7500 r/min；（3）變頻離心冷水機(jī)組單機(jī)冷量大于1000 RT。

1.3 現(xiàn)有解決方案及存在的缺陷

目前，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)降低大功率變頻柜內(nèi)功率器件的溫度采取的措施有：（1）自然冷卻。在變頻柜外殼開窗形成對(duì)流給柜內(nèi)功率器件散熱，但柜體防護(hù)等級(jí)降低，受防塵防水要求所局限[4]。（2）傳統(tǒng)的強(qiáng)化換熱。給功率器件貼裝翅片散熱器，柜內(nèi)加裝多個(gè)冷卻風(fēng)扇，但風(fēng)扇使用壽命有限，易損難維護(hù)[5]。（3）新型的強(qiáng)化換熱。將功率器件貼于液冷散熱器表面，冷卻效果好，但散熱器安裝復(fù)雜，存在制冷劑泄漏風(fēng)險(xiǎn)，且容易在散熱器表面產(chǎn)生冷凝水[6]。

1.4 明確要解決的問題

國外頂尖品牌磁懸浮變頻離心機(jī)組單機(jī)冷量在1000 RT以下，我司自主研發(fā)的磁懸浮變頻離心機(jī)組單機(jī)頭冷量可達(dá)1000 RT以上。機(jī)組冷量越大，功率器件的溫度越高，對(duì)變頻柜的散熱要求越高。在同等工況下，基于現(xiàn)有技術(shù)，國外頂尖品牌的變頻柜內(nèi)功率器件溫度為41℃，我司的為43℃。本文通過運(yùn)用ARIZ創(chuàng)新工具，在不增加變頻柜成本和體積的前提下，使功率器件降溫10%。

2 ARIZ的應(yīng)用流程

在應(yīng)用ARIZ的過程中，通過ARIZ的引導(dǎo)，可正確運(yùn)用TRIZ工具來解決復(fù)雜的工程問題，快速接近最優(yōu)解[7]。如圖1所示，ARIZ總共分9大步驟。每一步驟又分為很多子步驟，涵蓋了問題分析、資源分析、各種解決問題的TRIZ工具等[8]。

圖1 ARIZ的應(yīng)用流程

2.1 分析問題

通過分析可將最小問題定義為：很有必要對(duì)系統(tǒng)做最小改變，在降低功率器件的溫度的同時(shí)，又不增加散熱裝置的能耗。這里所指的系統(tǒng)包含散熱裝置（含散熱器和風(fēng)機(jī)）和空氣。在技術(shù)矛盾中識(shí)別出工具為空氣，產(chǎn)品為功率器件。如圖2所示，建立技術(shù)矛盾的圖解模型。分別從正反兩方面描述技術(shù)矛盾。

圖2 技術(shù)矛盾的圖解模型

選擇一個(gè)矛盾作為問題求解方向，該技術(shù)系統(tǒng)中選擇的矛盾是降低功率器件的溫度，但會(huì)增加散熱裝置的能耗。通過將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為極限狀態(tài)的方式來激化矛盾：空氣換熱量極多，功率器件溫度極低，但散熱裝置的能耗極大。通過引入X元素可以解決矛盾，既能在空氣換熱量很大時(shí)大幅度降低功率器件的溫度，又能不增加散熱裝置的能耗。通常，增加風(fēng)機(jī)數(shù)量或加大單個(gè)風(fēng)機(jī)的功率可以增加空氣的換熱量。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解來解決問題。空氣換熱量大會(huì)增加散熱裝置的能耗，為有害物場(chǎng)模型，可考慮運(yùn)用第1.2類標(biāo)準(zhǔn)解10：通過改變現(xiàn)有物質(zhì)來消除有害作用[9]。在不增加風(fēng)機(jī)功率的前提下，以下3個(gè)方案可增加空氣換熱量或提高空氣換熱效率。

方案1：將蜂窩式進(jìn)風(fēng)孔改為格柵式進(jìn)風(fēng)孔；方案2：合理設(shè)計(jì)變頻柜內(nèi)風(fēng)道；方案3：合理設(shè)計(jì)變頻柜進(jìn)風(fēng)孔的位置。方案3如圖3所示，運(yùn)用仿真工具，設(shè)計(jì)變頻柜殼體的開孔位置，減少回流影響，增加空氣換熱量。

圖3 變頻柜進(jìn)風(fēng)孔處的流體仿真圖

2.2 問題分析模型

通過應(yīng)用以上方案，問題得到解決，同時(shí)為了獲得多個(gè)解決方案，進(jìn)入到步驟2：?jiǎn)栴}分析模型。定義矛盾作用區(qū)域，空氣有用作用區(qū)域：冷卻功率器件的區(qū)域；空氣有害作用區(qū)域：增加散熱裝置能耗的區(qū)域。兩個(gè)區(qū)域在空間上不存在重疊，沖突可在空間上嘗試分離。同理，冷卻功率器件的時(shí)間和增加散熱裝置能耗的時(shí)間在時(shí)間上不存在重疊，沖突可在時(shí)間上嘗試分離[10]。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物場(chǎng)資源（SFR）分析，如表1所示。

她去羅漠的論壇，那是他與楚西相識(shí)的地方。她申請(qǐng)了一個(gè)ID，取很乖巧的名字，她總是想起那頭柔軟的直發(fā)和甜美的酒窩。羅漠是版主，他與楚西的故事論壇里人盡皆知，可是誰也不肯提起。阮小棉用了一個(gè)下午的時(shí)間去查楚西的舊帖子，很多，密密麻麻顯示了好幾頁，隨便點(diǎn)開一篇來看，都是字字珠璣。難怪羅漠會(huì)愛她，她是這樣一個(gè)慧質(zhì)蘭心的女子。

表1 系統(tǒng)的物質(zhì)場(chǎng)資源

2.3 定義最終理想解和物理矛盾

定義最終理想解1：在操作區(qū)域內(nèi)，操作時(shí)間段內(nèi)，不使系統(tǒng)變復(fù)雜的條件下，引入X元素，降低功率器件的溫度，不增加散熱裝置的能耗。

激化理想解1：不能引入新的物質(zhì)和場(chǎng)，必須應(yīng)用已有的物場(chǎng)資源，利用2.2小節(jié)中識(shí)別的所有SFR逐個(gè)替換X元素。如圖4所示，應(yīng)用資源：散熱器，得到方案4：散熱器的肋片豎直方向不變，將水平方向設(shè)計(jì)成齒狀；應(yīng)用資源：制冷劑，得到方案5：在散熱器的肋片上插入冷管通入制冷劑，進(jìn)一步降溫。

圖4 散熱器肋片的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

從宏觀層面定義物理矛盾。在操作空間和操作時(shí)間內(nèi)，找到系統(tǒng)內(nèi)X元素，使得系統(tǒng)的散熱量既要多又要少。散熱量要求多是因?yàn)橐档凸β势骷臏囟龋崃可偈且驗(yàn)橐档蜕嵫b置的能耗。可利用散熱器這個(gè)資源，如圖5所示，得到方案6：將實(shí)心散熱器設(shè)計(jì)成內(nèi)部中空的鉆孔式散熱器，散熱器帶走功率器件熱量，對(duì)其進(jìn)行冷卻。

圖5 散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

識(shí)別微觀層面的物理矛盾。在操作空間和時(shí)間內(nèi)，找到系統(tǒng)內(nèi)X元素，使得系統(tǒng)的散熱粒子既要多又要少。散熱粒子要求多是因?yàn)閹ё叩臒崃慷啵β势骷禍乜欤簧崃Ｗ右笊偈且驗(yàn)樽龉ι伲嵫b置能耗少。如圖6所示，仍可利用散熱器這個(gè)資源，得到方案7：將散熱器內(nèi)部設(shè)計(jì)為流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通過制冷劑帶走緊貼其表面的功率器件的熱量。

圖6 流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)散熱器

定義最終理想解2：在操作區(qū)域內(nèi)，功率器件的溫度極低，不增加散熱裝置的能耗，同時(shí)又不會(huì)因溫度過低產(chǎn)生冷凝水。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決最終理想解2的物理矛盾。在操作空間和時(shí)間內(nèi)，找到系統(tǒng)內(nèi)X元素，使得散熱器的溫度既要高又要低。運(yùn)用分離法則，得到了如表2所示的四個(gè)方案。相較于2.1小節(jié)中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決問題，這里問題分析得更加深入，便于更好地應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決原問題。

表2 運(yùn)用物理矛盾得到的技術(shù)方案

至此，問題已得到解決。為了獲得更多方案，繼續(xù)進(jìn)行ARIZ應(yīng)用流程的步驟。

3 運(yùn)用擴(kuò)展物場(chǎng)資源

用聰明小人法進(jìn)行問題描述：A小人為散熱器的內(nèi)壁，B小人為制冷劑。制冷劑會(huì)貼著散熱器的內(nèi)壁流動(dòng)。改進(jìn)方案需在單位時(shí)間內(nèi)，使B小人帶走的熱量多。想到一種方法：加入C小人（擋板），B小人（制冷劑）會(huì)在C小人和A小人（內(nèi)壁）間的流道內(nèi)移動(dòng)。方案12：在散熱器流道內(nèi)增加擋板，使其從單流道變?yōu)槎嗔鞯溃瑥亩评鋭┓植几鶆颍淅寐室驳靡蕴岣摺?/p>

從理想解“回退一步”。目前存在的問題是很難在使用液冷板散熱器時(shí)對(duì)功率器件降溫，同時(shí)又不產(chǎn)生冷凝水。但若通過加入不產(chǎn)生冷凝水的冷源應(yīng)該也是可以的。方案13：在變頻柜內(nèi)增加蒸發(fā)器，提供新熱場(chǎng)。

嘗試使用物質(zhì)資源的混合體來解決問題。真空也可以看作是一種物質(zhì)。方案14：將變頻柜內(nèi)部抽真空并置于真空環(huán)境，散熱器給功率器件降溫時(shí)，柜內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生冷凝水。

嘗試運(yùn)用派生資源。派生資源可以通過物質(zhì)資源的相態(tài)變化來獲得。方案15：通過采集散熱器制冷劑進(jìn)出口的溫度變化值來控制閥門的開度，從而實(shí)時(shí)調(diào)整制冷劑的流量，不產(chǎn)生冷凝水。

嘗試?yán)梦飯?chǎng)資源和場(chǎng)敏感物質(zhì)解決問題。方案16：在變頻柜前端配置有源濾波器來消除電網(wǎng)的諧波，從而減少功率器件的損耗和發(fā)熱量，降低功率器件的溫度。

引入電場(chǎng)。方案17：用電場(chǎng)控制功率器件開關(guān)的開斷，采用五段式PWM波控制，相較于七段式PWM波控制，功率器件的開關(guān)損耗更小，發(fā)熱量更少。

通過以上分析步驟，問題表述更接近問題本質(zhì)。方案6～11應(yīng)用了知識(shí)庫（效應(yīng)庫、標(biāo)準(zhǔn)解和發(fā)明原理），問題得到了有效解決。

由于前面已經(jīng)產(chǎn)生了滿足最終理想解的方案：降低功率器件的溫度，不增加變頻柜的能耗，系統(tǒng)不會(huì)更復(fù)雜，并且不產(chǎn)生有害作用，所以不用變換或者替換問題去求解方案了。

4 方案驗(yàn)證

對(duì)方案進(jìn)行匯總，共計(jì)得到17個(gè)創(chuàng)新方案，簡(jiǎn)要評(píng)估后，為了降低變頻柜內(nèi)功率器件的溫度，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終采取的綜合方案得到了新型的散熱系統(tǒng)：采用毛細(xì)結(jié)構(gòu)多流道散熱器，在散熱器的安裝面加導(dǎo)熱材料并在外部包海綿；設(shè)計(jì)變頻柜進(jìn)風(fēng)孔的位置、數(shù)量、大小，并改為格柵式進(jìn)風(fēng)孔；增加蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的位置及變頻柜的風(fēng)道。如圖7所示，經(jīng)過綜合運(yùn)用以上方案，對(duì)表面貼裝了IGBT和二極管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)多流道散熱器進(jìn)行仿真，IGBT最高溫度與散熱器制冷劑出口溫度接近，為38.6℃，變頻柜內(nèi)功率器件相較于方案實(shí)施前的43℃降低了10.2%。

圖7 流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)散熱器仿真圖

將液冷板的流道設(shè)計(jì)成不對(duì)稱，并在外部包裹海綿，上機(jī)組測(cè)試，機(jī)組運(yùn)行2小時(shí)，可達(dá)到設(shè)定工況。功率器件的溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，IGBT最高溫度為38.5℃，與仿真結(jié)果相近。變頻柜內(nèi)功率器件相較于方案實(shí)施前的43℃降低了10.4%。從而進(jìn)一步證明，通過散熱方案的優(yōu)化，可極大提高功率器件的利用率，即變頻柜為達(dá)到相同輸出功率，在采用新型散熱系統(tǒng)的前提下，可選擇低功率等級(jí)的功率器件，實(shí)現(xiàn)成本降低。

表3 散熱器表面功率器件的溫度

5 結(jié)論

本文通過運(yùn)用ARIZ算法來解決降低變頻柜內(nèi)功率器件溫度，同時(shí)又不增加散熱裝置的能耗的問題。針對(duì)該問題，定義了最終理想解和物理矛盾，運(yùn)用了擴(kuò)展的物場(chǎng)資源和效應(yīng)庫、標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明原理等TRIZ創(chuàng)新工具，得到了17個(gè)創(chuàng)新方案，通過方案評(píng)估、綜合運(yùn)用，為降低變頻柜內(nèi)部功率器件的溫度，設(shè)計(jì)了新型散熱系統(tǒng)：采用不對(duì)稱、毛細(xì)結(jié)構(gòu)、多流道散熱器，在散熱器的功率器件安裝面加導(dǎo)熱材料，在散熱器外部包海綿；設(shè)計(jì)變頻柜進(jìn)風(fēng)口數(shù)量、位置、大小，并改為格柵式進(jìn)風(fēng)孔；增加蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的位置及變頻柜的風(fēng)道。對(duì)方案加以仿真和驗(yàn)證，變頻柜內(nèi)功率器件的溫度降低了10%以上，目標(biāo)達(dá)成。通過散熱方案的優(yōu)化，極大提高了功率器件的利用率。在達(dá)到相同輸出功率前提下，可選擇低功率等級(jí)的功率器件，實(shí)現(xiàn)成本降低。