基于高效冷卻流道設(shè)計(jì)的變頻空調(diào)模塊散熱實(shí)驗(yàn)研究

盧浩賢，賀春輝，李想，何林

（1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070；2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

前言

隨著模塊功率的上升，現(xiàn)有的風(fēng)冷肋片式散熱器設(shè)計(jì)都是通過(guò)增加換熱器的面積加大換熱器尺寸以達(dá)到更好的換熱效果，其與變頻空調(diào)小型化的矛盾愈加突出，且隨著散熱器體積的增加，散熱器的單散熱量位體積急劇下降，最終導(dǎo)致無(wú)法有效解決散熱，只能通過(guò)提高器件等級(jí)解決，但這也同步帶來(lái)了成本的增加。部分學(xué)者研究的冷媒散熱系統(tǒng)也可失效有效降溫，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中模塊低溫導(dǎo)致的凝露問(wèn)題無(wú)法有效解決[1-4]。趙紅璐[5]分別分析了基板厚度、翅片數(shù)目及翅片厚度對(duì)散熱器散熱的影響，但并未給出散熱器的優(yōu)化方式。林弘毅[6]提出一種強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)體積最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法，散熱器的體積較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)降低了約30 %，但散熱系統(tǒng)的熱阻和壓降并未得到優(yōu)化。張建新[7]采用正交試驗(yàn)法研究了翅片間距、翅片高度和翅片厚度對(duì)溫度和散熱器重量的影響，但存在周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題，以上研究均集中在單一目標(biāo)設(shè)計(jì)，且均為結(jié)合整機(jī)散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，而單一目標(biāo)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器設(shè)計(jì)弊端明顯，無(wú)法有效解決產(chǎn)品小型化及散熱高效化的矛盾關(guān)系，因此，基于散熱器真實(shí)環(huán)境的多變量多目標(biāo)耦合設(shè)計(jì)方法存在行業(yè)空白，研究實(shí)現(xiàn)高單位換熱效率散熱器均有重大研究意義。本文提出一種在翅片上面進(jìn)行打孔以增加對(duì)流換熱系數(shù)的方案，使得散熱器內(nèi)部產(chǎn)生空腔影響內(nèi)部空氣流動(dòng)，增加內(nèi)部流場(chǎng)的紊流程度和流速，進(jìn)而優(yōu)化換熱器的換熱效果。

1 數(shù)學(xué)波形構(gòu)建

1.1 基于整機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)場(chǎng)的散熱系統(tǒng)分析

采用某款空調(diào)產(chǎn)品，建立整機(jī)模型，1∶1還原風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)，仿真結(jié)果（圖1）顯示，由于外機(jī)大風(fēng)扇對(duì)翅片附近造成的負(fù)壓，導(dǎo)致部分風(fēng)量未達(dá)到翅片出口就從大風(fēng)扇出口流走。

圖1 某空調(diào)整機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)場(chǎng)

對(duì)基元模型散熱器仿真計(jì)算（圖2），在進(jìn)風(fēng)口散熱器前端面到散熱器尾端面分割，計(jì)算每一斷面流道間隙的風(fēng)量數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示為流過(guò)在散熱器間隙的冷卻風(fēng)流量幾乎中間段處已全部流出，并未對(duì)整體散熱器實(shí)現(xiàn)熱耗散，且風(fēng)量衰減嚴(yán)重，形成熱量封鎖，導(dǎo)致熱耗散降低緩慢。

圖2 散熱器風(fēng)場(chǎng)

1.2 多目標(biāo)參數(shù)化構(gòu)型散熱器設(shè)計(jì)

基元級(jí)葉片最大熱阻：

對(duì)應(yīng)的無(wú)綱最大熱阻：

采用Matlab的PDE工具箱進(jìn)行基元級(jí)葉片無(wú)量綱最大熱阻的函數(shù)，有無(wú)量綱基元級(jí)葉片厚度H，長(zhǎng)度L，葉片表面空腔邊距H，空腔直徑D1和D2五個(gè)獨(dú)立變量。在基元級(jí)葉片總橫截面積4A和空腔占比的Φ的約束條件下，以D1/H、H1/H和H/L為優(yōu)化變量對(duì)可基元級(jí)葉片進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，當(dāng)給定Φ是存在最佳D1/H使Rt取得最小值Rtmin。

采用Ansys Optimization參數(shù)化構(gòu)型設(shè)計(jì)，圖3通過(guò)對(duì)孔徑大小，開(kāi)孔數(shù)量，開(kāi)孔角度，孔重心距上邊緣基板，孔重心距左邊緣流線(xiàn)尾端翅片5個(gè)維度對(duì)翅片進(jìn)行多目標(biāo)構(gòu)型設(shè)計(jì)。

圖3 構(gòu)型散熱器約束

2 仿真計(jì)算結(jié)果

采用SCDM模型重構(gòu)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模型標(biāo)定，通過(guò)Optimization多層感知目標(biāo)構(gòu)型計(jì)算，自適應(yīng)設(shè)計(jì)最優(yōu)散熱方案。

式中：

Snz—第n塊翅片上z軸方向的坐標(biāo)；

A —第—塊翅片上孔的z方向上的最大值；

△s —孔與孔的偏移距離；

m — 散熱器上翅片的總數(shù)；

n —正在計(jì)算的翅片的序號(hào)；

△z— 第一塊翅片上的孔的z方向的值與最大值的偏移量。

以參數(shù)化方式進(jìn)行空腔的迭代計(jì)算，從仿真結(jié)果可以看出，空腔與熱源的水平距離、流道的夾角、在翅片上的截面積及與基板的垂直距離均存在模塊溫度的最佳溫升點(diǎn)。

從圖4可以看出當(dāng)空腔經(jīng)過(guò)熱源正下方時(shí)模塊溫度最低，主要由于空腔的引流作用導(dǎo)致強(qiáng)化了模塊的散熱。

圖4 空腔與熱源的水平距離趨勢(shì)

從圖5可以看出空腔與流道的夾角也存在最佳值，當(dāng)角度過(guò)小及過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致散熱效果不佳；當(dāng)開(kāi)孔位置確定時(shí)，開(kāi)孔角度越大，孔的切向距離就越大，雖然左右兩側(cè)孔的壓差足夠大，但是與引流過(guò)來(lái)的空氣接觸的空氣流速也越大，使得引流產(chǎn)生的空氣在流道中衰減程度也很大；開(kāi)孔角度過(guò)小，左右兩側(cè)孔的壓差較小，引流的空氣流速較小，而且與原翅片內(nèi)流體的相反的動(dòng)量較小，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到改變?cè)械牧黧w流道的效果。

圖5 空腔與流道的夾角趨勢(shì)

從圖6可以看出隨著空腔在翅片上截面積的增大，模塊的溫度溫度會(huì)先降后升，當(dāng)開(kāi)孔的位置角度確定后，翅片兩側(cè)的壓差已經(jīng)是一個(gè)定值，開(kāi)孔的大小直接決定了引流空氣的量。開(kāi)孔面積越大，引入的空氣也會(huì)越多，但是過(guò)多的空氣會(huì)使得引入空氣的區(qū)域出現(xiàn)局部高壓，直接有影響原有流場(chǎng)變成了阻礙原有流場(chǎng)，這樣反而更不利于散熱。開(kāi)孔面積越小，引入的空氣過(guò)少，相反與原流場(chǎng)的動(dòng)量不足以影響原有流場(chǎng)。故不能無(wú)限增大開(kāi)孔面積。

圖6 空腔在翅片上的截面積趨勢(shì)

從圖7可以看出空腔應(yīng)盡量靠近基板，隨著距離的正增加，空腔的紊流效果不明顯，導(dǎo)致散熱效果不佳。

圖7 空腔與基板的垂直距離趨勢(shì)

基于參數(shù)化自適應(yīng)仿真擬合出最優(yōu)孔距離如式（4）所示。

孔的最優(yōu)角度范圍如式（5）所示。

式中：

Y—散熱器整體高度；

X—散熱器整體寬度；

P—熱源發(fā)熱量；

W—散熱器最大換熱量；

D—孔徑值；

y1、y2—孔中心距到基板上下面的距離（y2＞D/2）；

x1—為熱源與第一塊翅片的最小距離；

x2—為熱源的寬度。

對(duì)某款空調(diào)產(chǎn)品機(jī)組的散熱器進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，迭代仿真計(jì)算尋優(yōu)，當(dāng)孔徑直徑D=12 mm，開(kāi)孔數(shù)量n=2，開(kāi)孔角度θ=37 °，孔重心距上邊緣基板x=15 mm，孔重心距左邊緣流線(xiàn)尾端翅片y=25 mm時(shí)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)降溫16 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

采用與仿真設(shè)計(jì)同款的空調(diào)產(chǎn)品，分別在整流橋、IGBT1、IGBT2、二極管1、二極管2及IPM采用Φ0.32*12P T-G型熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)及采集，按照表1的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 試驗(yàn)方案

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)仿真計(jì)算得出的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行換熱器制作，并在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整機(jī)驗(yàn)證，從表2中可以看出器件均有明顯的降低，其中模塊溫度的降溫幅度達(dá)到18.5 ℃，說(shuō)明空腔的引流作用在實(shí)際驗(yàn)證中有利于器件的散熱，效果顯著。

表2 構(gòu)型散熱器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

圖8 構(gòu)型散熱器設(shè)計(jì)示意圖

圖9 構(gòu)型散熱器實(shí)物圖

本文通過(guò)對(duì)空腔構(gòu)型散熱器的仿真設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，得出空腔孔徑大小、開(kāi)孔角度、孔重心距上邊緣基板距離及孔重心距左邊緣流線(xiàn)尾端翅片距離對(duì)器件散熱的影響，提出一種解決器件高溫但又不增加散熱體積的新型散熱器，并給出了散熱器空腔設(shè)計(jì)的最優(yōu)算法。基于本研究樣品，可有效實(shí)現(xiàn)器件最高溫降達(dá)18.5 ℃，效果顯著。

1）側(cè)出風(fēng)型式空調(diào)產(chǎn)品由于散熱器貼近導(dǎo)流圈，且外機(jī)大風(fēng)扇對(duì)翅片附近造成的負(fù)壓，部分風(fēng)量未達(dá)到翅片出口就從大風(fēng)扇出口流走，導(dǎo)致散熱器散熱能力未能有效利用，器件溫度較高。

2）當(dāng)空腔經(jīng)過(guò)熱源下方時(shí)模塊溫度最低，主要由于空腔的引流作用導(dǎo)致強(qiáng)化了模塊的散熱。基于該點(diǎn)也可考慮將散熱器制作成斜翅片形式，也可達(dá)到同樣的效果。

3）空腔與散熱器流道的夾角存在最佳值，當(dāng)角度過(guò)小及過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致散熱效果不佳，在空腔設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮紊流到來(lái)的強(qiáng)化散熱效果，可起到進(jìn)一步降溫的作用。

4）隨著空腔在翅片上的截面積的增大，模塊的溫度溫度會(huì)先降后升，因?yàn)榭涨粚?dǎo)致了散熱面積的減少，在散熱器設(shè)計(jì)階段需耦合空腔的位置及空腔與散熱器流道的角度等多因素的影響進(jìn)行空腔大小的確定。