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(fā)熱量多，需要對模塊進行輔助散熱，研究數(shù)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(fā)熱量

10 kW側出風分體式空調室外變頻機經過理論計算發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性，需要將目標溫度設置為70 ℃，模塊發(fā)熱量：

式中：

Q1—模塊發(fā)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(fā)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(huán)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(fā)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(fā)熱量為：

式中：

Q1—模塊的發(fā)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(fā)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(fā)端的液體就會迅速氣化，將熱量帶給冷凝端，實現(xiàn)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(shù)；

Af—換熱板的換熱面積；

Tc—電路板原有溫度；

Tf—電路板現(xiàn)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(fā)熱量：

式中：

Q1—電路板模塊發(fā)熱量；

Rth1、Rth2—模塊的IGBT部分熱阻，F(xiàn)WDI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(tǒng)

管徑大小的確定：常用三種管徑規(guī)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(shù)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(fā)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(tǒng)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(xù)、穩(wěn)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(guī)的鋁制肋片強制風冷散熱器實驗數(shù)據進行對比分析，如圖10所示。

通過對比我們發(fā)現(xiàn)：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(guī)的鋁制肋片強制風冷散熱器實驗數(shù)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(huán)境中的熱空氣遇到較冷的模塊表面，在模塊上面會出現(xiàn)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(guī)的鋁制肋片強制風冷散熱器實驗數(shù)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(shù)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。