空調室外機散熱器導流罩對散熱性能的影響研究

李樹云，王現林，吳俊鴻，高旭，陳志偉，彭光前

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子器件的應用遍布各個領域，同時電子器件尺寸的不斷減小以及頻率和集成度不斷提高，導致電子單位面積的功率增加，進而導致電子器件過熱問題越來越突出[1-2]。研究表明，電子元器件的性能對溫度十分敏感，隨著溫度升高，電子元器件的失效率呈指數增長趨勢，環(huán)境溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將降低50%。據統(tǒng)計，超過55%的電子元器件及電子設備的失效是由于溫度過高引起的[3-6]。

家用空調室外機在高外環(huán)境溫度運行時，控制器中的元器件均會產生較大熱量，若熱量不能快速地散去，就會造成元器件的溫度上升，導致空調制冷能力下降，嚴重時會出現頻繁的死機或無法正常開機的現象[7-8]。元器件溫度過高是導致空調不能在高外環(huán)溫下工作的主要原因，因此，為了提高空調在高外環(huán)溫下的制冷能力，降低元器件溫度顯得尤為重要。

目前較流行的散熱方法有風冷、水冷和熱管散熱等。其中風冷散熱是現在最為常見且使用率最高也是最成熟的一種散熱方式。這種散熱方式簡單、直接、性能可靠、技術成熟、成本最低，可以解決通常的散熱需要，因而被普遍使用。風冷散熱目前也是空調室外機電器盒散熱的主要形式[9-11]。

本文利用熱仿真軟件，分析某款空調室外機散熱器處的元器件溫度較高的原因，并提出了一種較好的解決方案，降低元器件溫度，提升空調的競爭力。

1 數學模型構建

1.1 幾何模型建立

圖1是空調室外機結構模型，散熱器部件放在圖中所示位置，外部空氣在風機系統(tǒng)的驅動下流過散熱器表面并與之充分接觸，從而帶走散熱器上的熱量，達到降低元器件溫度的目的。需要散熱的元器件包括整流橋、二極管、絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）。圖2是元器件在散熱器上分布情況。本散熱系統(tǒng)存在3種傳熱方式，元器件內部、元器件與散熱器以及散熱器內部為熱傳導，散熱器壁面與周圍空氣為對流換熱，同時元器件與散熱器也向周圍空氣輻射傳熱，由于研究對象在強迫對流的條件下，因此忽略輻射的影響。

圖1 空調室外機結構模型

圖2 元器件在散熱器上分布模型

圖3是在現有散熱器的基礎上增加導流罩的示意圖；導流罩的進口處帶有導流筋，導流的方向指向散熱器根部，并對模型進行簡化如圖4所示。

1.2 數學模型建立

計算模型如圖5所示，模型的進口邊界條件為速度入口，出口為opening 出口，由于本文研究的是環(huán)境溫度較高時各元器件的溫度情況[12-13]，散熱器的進口溫度設定為43 ℃，實驗測得散熱器進口速度為1.8 m/s，根據廠家給定各元器件整流橋、二極管、IGBT 和壓縮機IPM 在額定工況下的熱功耗分別為15 W、7.5 W、20 W 和20 W。

圖3 散熱器增加導流罩結構模型

圖4 散熱器增加導流罩的模型簡化

圖5 計算仿真模型

仿真分析中的物理模型主要遵守3 大基本控制方程，包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，方程分別如下[1,14]：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

模型建立完成后需要對模型進行網格劃分，為了保證計算的精確性，則要保證在翅片上至少有兩層網格以及在翅片與翅片之間至少有4 層網格。

2 仿真結果分析

由對流傳熱牛頓冷卻公式[15-17]φ=h·A·ΔT可知，在溫差和氣流流速相同的情況下，換熱量與換熱面積（A）即流動氣流與散熱器的接觸面積有關。無導流罩時對仿真結果進行分析發(fā)現，散熱器底部由于被安裝結構部分擋住，進風氣流只能從散熱器頂部流過，同時散熱器底部出現了漩渦氣流，此過程都不利于散熱，這是導致散熱器散熱效果較差和元器件溫度較高的主要原因。

表1是散熱器有無導流罩條件下各元器件的溫度對比數據，對數據分析得到，散熱器有導流罩時元器件溫度比散熱器無導流罩時元器件溫度平均降低8.2 ℃，降溫效果明顯。

表1 兩組方案的仿真數據對比

圖6是散熱器有無導流罩條件下各元器件溫度和速度的仿真對比結果。從元器件表面溫度云圖可以明顯看出，散熱器有導流罩比無導流罩時散熱效果好，元器件的溫度有明顯的降低。

由圖6可以得到，散熱器加導流罩后，導流罩對散熱器的進口氣流進行導流，經導流后的氣流流過散熱器內部，則氣流流過散熱器的有效面積增加，使得氣流可以快速地對散熱器進行散熱，從而元器件的溫度得到降低；無導流罩時，氣流從散熱器頂部略過，與散熱器的接觸面積較小，導致元器件的溫度較高。

散熱器無導流罩時，散熱器底部出現漩渦氣流，此時這部分氣流不利于散熱器散熱；增加導流罩后，散熱器的進口氣流經過導流罩導流后流過散熱器底部，使散熱器底部的漩渦氣流消失，從而達到流動氣流與散熱器接觸面積達到最大，提升了散熱器的散熱效果，這也是元器件得到明顯降溫的主要原因。

圖6 兩組方案的元器件表面溫度云圖

3 實驗結果分析

利用焓差實驗室對樣機上的元器件進行溫度測試，實驗室溫度測試誤差為±0.5 ℃。同時在各元器件位置處設置溫度監(jiān)測點，環(huán)境溫度設定43 ℃，外機風擋為超強風擋，壓縮機頻率84 Hz，電壓220 V，方案一散熱器無導流罩，方案二散熱器有導流罩，兩個方案的穩(wěn)態(tài)熱測試結果見表2所示。

每種方案的熱仿真和熱測試元器件的溫度對比數據見表3。由表3可知，仿真結果和實驗結果的誤差在10%以內，大部分誤差在5%以內，驗證了散熱器模型仿真的準確性[18-21]。

表4是兩種方案的熱測試元器件溫差數據，由表4可知，散熱器有導流罩較無導流罩時元器件平均降溫5.1 ℃，效果明顯，同時也驗證了熱仿真分析在產品設計中具有很好的指導意義。

表2 實驗測試數據

表3 兩組方案仿真與實驗數據對比

表4 兩組方案的實驗數據對比

4 結論

1）仿真與實驗結果表明，在散熱器上安裝導流罩可以很好地降低元器件的溫度，實驗結果平均降溫5.1 ℃。

2）仿真得到的元器件溫度與實驗測試結果最大誤差不超過10%，大部分在5%以內，仿真符合要求。

3）仿真可以很好地發(fā)現設計中存在的問題并快速評估新方案的散熱效果，加快產品開發(fā)周期和降低產品開發(fā)成本，同時提升了產品的競爭力。