變頻空調室外機散熱研究

丁東青 黃茂科

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 597000）

引言

變頻機組室外機其電路板集成模塊功率大，發熱量多，需要對模塊進行輔助散熱，研究數據表明，電路板中電子元器件的溫度每升高一度，可靠性下降5 %，而55 %電路板失效問題是由于電子元器件過熱造成的，所以元器件散熱對空調質量影響很大，本次研究的對象為公司目前具有代表性10 kW側出風分體式空調室外變頻機組。

1 主板模塊發熱量

10 kW側出風分體式空調室外變頻機經過理論計算發現在不增加散熱器的基礎上，主板模塊的溫度可以達到120～130 ℃，想要保持元器件工作的穩定性，需要將目標溫度設置為70 ℃，模塊發熱量：

式中：

Q1—模塊發熱量；

Rth1—模塊的IGBT部分熱阻；

Rth2—模塊的FWDI部分熱阻；

t1—模塊內部最高結溫；

t2—目標溫度值：70 ℃。

2 散熱方式及散熱量

2.1 冷媒冷卻散熱器

散熱原理：利用流動的低溫冷媒在銅管中流動，把散發在傳熱板上的熱量帶走，其原理圖如圖1所示。

冷媒管制冷量：

式中：

Q—冷媒管制冷量；

Vp—壓縮機排氣量；

fc—壓縮機運行頻率；

i1—冷媒管出口冷媒的比焓；

i2—冷媒管進口冷媒的比焓 ；

V2—壓縮機進口處過熱氣體的比容m3/kg。

從結果可以看出，環境最惡劣，壓縮機最低頻率時候的冷媒管制冷量Q大于模塊的最大發熱量Q1，滿足機組散熱量。

2.2 微通道冷卻散熱器

散熱原理：在散熱板內刻出微小槽道，通過冷卻液流經槽道把熱量帶走。其原理和結構示意圖如圖2所示。

散熱器換熱量為：

式中：

Q—散熱器換熱量；

mc—流體質量流量；

Ti、Tc—流體進、出口溫度；

I—加熱器電流強度,電壓為U。

模塊的發熱量為：

式中：

Q1—模塊的發熱量；

Rth1、Rth2—模塊的IGBT部分熱阻；FWDI部分熱阻；

t1—模塊內部最高結溫；

t2—目標溫度值：70 ℃。

經計算散熱器的散熱量Q為853 W，大于模塊的發熱量692 W，方案理論可行。

2.3 熱管冷卻散熱器

散熱原理：利用液體工質的相變傳熱，熱管兩端產生溫差，蒸發端的液體就會迅速氣化，將熱量帶給冷凝端，實現降溫。熱管冷卻散熱原理圖如圖3所示。

如圖4所示散熱結構形式以及CAE分析圖。

熱管散熱器制冷量根據公式：

式中：

Q—熱管散熱器制冷量；

δ—熱管的傳熱系數；

Af—換熱板的換熱面積；

Tc—電路板原有溫度；

Tf—電路板現在所需溫度。

輻射散熱：

式中：

Qr—輻射熱量，單位W；

qr—單位面積輻射熱流密度，單位W/m2；

Ar—輻射傳熱面積，單位m2。

電路板模塊發熱量：

式中：

Q1—電路板模塊發熱量；

Rth1、Rth2—模塊的IGBT部分熱阻，FWDI部分熱阻；

t1—模塊內部最高結溫；

t2—目標溫度值：70 ℃。

因為模塊制冷量越大，其產生的制冷效果就越好，經過計算模塊制冷量Q為600 W，比電路板模塊功率692 W低，所以其散熱效果不好，無法滿足設計要求，此方案不可行。

2.4 三種散熱方式比較

通過理論計算散熱效果，如下結論：散熱效果最好的是冷媒冷卻散熱器，其次是微通道冷卻散熱器，最后是熱管冷卻散熱器（見表1）。

表1 各散熱方式比較

3 最佳方案冷媒散熱方案詳細設計

3.1 散熱板和換熱管固定方式

散熱板和換熱管固定方式有3種，如圖5所示。

通過對以上三種方案從加工用時、成本、換熱面積、可靠性四個方面進行對比分析，選擇序號2的方案，如表2所示。

表2 換熱管固定方式確認矩陣表

3.2 散熱板大小的確定

由于主板主要是通過模塊來散熱的，設計散熱板時只需要散熱板尺寸大于模塊尺寸即可，設計太大了會導致散熱板成本增加，其性價比降低。我們設計散熱板時主要考慮兩點：

1）散熱板尺寸需要大于模塊尺寸；

2）散熱板大小要方便固定并與冷媒管能夠有充分接觸便于散熱。

所以綜合以上因素，最終設計出散熱板尺寸98 mm*71 mm*8 mm。

3.3 散熱器管路系統

管徑大小的確定：常用三種管徑規格為： Φ6 mm、Φ8 mm、Φ9.52 mm。

1）從性能方面的影響考慮

從理論上運用公式計算不同管徑制作散熱器時，散熱器進出口端壓損的變化值來判斷管徑對性能的影響。

從表3中我們可以看到，Φ9.52管徑的壓力損失最小，初步選擇Φ9.52管徑為最佳管徑方案。

表3 各種管徑壓力損失數據表

2）從模塊溫度考慮

運用熱仿真分析不同管徑情況下模塊的發熱情況,（其中IPM模塊和整流橋為電路板主要散熱元件），分析結果如表4所示。

表4 各種管徑換熱器測試溫度表

從分析結果可以看出，使用各種管徑換熱管，IPM模塊和整流橋溫度均沒超標，滿足要求。綜合以上兩方面可得圖6所示。

根據以上結論，最終確定換熱管管徑大小為：Φ9.52 mm

3）管路走管形式設計

在設計換熱管的走管時需要考慮到散熱充分，所以選擇使用180 °彎的管路，保證換熱管兩次流經散熱板，從而能夠更多的帶走主板熱量，確保主板溫度降低。

4）冷媒從系統中引出點位置確定

制冷劑引出位置應滿足以下2個條件，①冷媒流經的溫度比目標溫度低。②所確定的位置可持續、穩定散熱。

在綜合評估了以上兩個條件之后，確定制冷劑引出點位置可以從以下三個方案考慮：①從冷凝器出口主流路中旁通引出（圖7）；② 經板式換熱器過冷后引出 （圖8）；③從冷凝器出口主流路引出（圖9）。

通過對各方案進行了實驗測試，得出如下結果：

方案a：冷媒從冷凝器出口主流路中旁通引出

通過和常規的鋁制肋片強制風冷散熱器實驗數據進行對比分析，如圖10所示。

通過對比我們發現：該方案在實驗進行到1 h后，模塊溫度超過70 ℃（圖中亮紅線標記出），模塊溫度高，不滿足目標要求，因此不采用此種方案。

方案b：冷媒經板式換熱器過冷后引出

通過和常規的鋁制肋片強制風冷散熱器實驗數據進行對比分析，如圖11所示。

從圖11中我們可以看出：該方案雖然使得IPM模塊溫度較低，可達到降溫目標，但是隨著時間的增長，當實驗進行到1.5 h后，模塊溫度接近20 ℃（圖中亮紅線表示），這時由于溫差效應，環境中的熱空氣遇到較冷的模塊表面，在模塊上面會出現凝露水，凝露水如果滴落到控制電路上，就會存在電氣安全隱患，因此該方案也不采用。

方案c：冷媒直接從冷凝器出口主流路引出

通過和常規的鋁制肋片強制風冷散熱器實驗數據進行對比分析，如圖12所示。

從圖12中可以得出結論：冷媒冷卻方案數據（綠色線條）各項指標滿足預期要求，因此最終采用該方案。

4 結論

1）散熱效果最好的是冷媒冷卻散熱器，其次是微通道冷卻散熱器，最后是熱管冷卻散熱器。

2）冷媒換熱器中換熱管固定在一塊散熱板上,不影響散熱性價比最高。

3）冷媒換熱器中熱管的走管使用180 °彎的管路，兩次流經散熱板,換熱效果好。

4）冷媒換熱器冷媒從冷凝器出口主流路引出,能夠防凝露且換熱效果好。