商用空調(diào)器變頻電控的散熱優(yōu)化設(shè)計

張紅梅 郭建民

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年來隨著高速化壓縮機的普遍應(yīng)用，大功率元器件在變頻空調(diào)室外機電控中應(yīng)用越來越廣泛，同時空調(diào)器殼體的緊湊化要求電控尺寸小型化設(shè)計，這其中包括電控箱殼體及電子元器件的小型化，大功率、小型化導(dǎo)致元器件發(fā)熱量和熱流密度的增加，而小型化電控箱殼體進一步惡化元器件的工作環(huán)境，元器件散熱困難而溫升過高，嚴重影響其運行可靠性和壽命[1]。因此一款溫升可控的電控箱對空調(diào)器產(chǎn)品可靠運行具有重要意義。

1 傳熱理論

熱量傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射[2]，目前應(yīng)用到變頻空調(diào)室外機上的散熱方式主要有強制風(fēng)冷（如圖1）和冷媒散熱（如圖2）兩種方式。

圖1 風(fēng)冷散熱器示意圖

圖2 冷媒散熱示意圖

風(fēng)冷散熱器主要是通過熱傳導(dǎo)及熱對流來進行散熱，其結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，已被普遍應(yīng)用多年，但其散熱能力有限，只能滿足中小功率元器件要求，若應(yīng)用于大功率元器件散熱則需加大散熱面積及通風(fēng)力度[3]，采用冷媒散熱在成本及實際裝配中更有優(yōu)勢。

冷媒散熱是利用空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒來帶走元器件的熱量，主要通過熱傳導(dǎo)形式來散熱，其體積小，散熱器能力強，普遍應(yīng)用于大功率模塊及高溫使用環(huán)境的散熱場合。

2 設(shè)計目標(biāo)

保證電控的可靠運行，需滿足溫升可控，同時滿足防水、防塵、防蟲的要求[4]。

3 元器件布局

對電控箱體進行詳細設(shè)計前，需要先考慮各元器件的布局。變頻室外機的電器元件主要包括壓機驅(qū)動板、濾波板、風(fēng)機驅(qū)動板、電抗器、主控板、接線板等?？紤]到電控箱體內(nèi)部空間限制，以及散熱、裝配等需求，把電控箱分成上、下兩層布局。

下層布局如圖3所示，壓機驅(qū)動板上模塊功率大，發(fā)熱量也大，需采用冷媒散熱對其模塊進行散熱，所以將其安裝在電控箱下層的上方位置。風(fēng)機驅(qū)動板和電抗的發(fā)熱量較大，且電抗重量較重，所以把電抗與風(fēng)機驅(qū)動板一起放在風(fēng)冷散熱器上，整體放在電控箱下層的下方位置。

圖3 下層布局

上層布局如圖4所示，濾波板和主控板的發(fā)熱量相對較低，可不需散熱器，所以將其安裝在上層布局?？紤]到售后需經(jīng)常查看主控板上顯示及調(diào)試操作，可將其放在上層的左側(cè)布局，濾波板放在右側(cè)。其他如通訊接線板、電源接線板放在上層的下方。

圖4 上層布局

上、下層之間有專門的氣流通道，以增強電控箱內(nèi)部對流換熱。

4 溫升情況

按照上述布局，優(yōu)先考慮電控箱全密封。在此狀態(tài)下，內(nèi)部部分元器件如壓機驅(qū)動板上的電解電容、穩(wěn)壓塊等表面溫升超出標(biāo)準要求的限值（如圖5）。

圖5 原方案溫升與限值對比

分析原因主要有兩點：

1）驅(qū)動板上負載電流大，產(chǎn)生熱量多；

2）全密封電控箱內(nèi)部產(chǎn)生了熱聚集，主要聚集在頂部及發(fā)熱元器件表面附近，此點是造成溫升超標(biāo)的主要原因。具體分析如下，電控箱內(nèi)部空氣受熱后密度減小，熱空氣上升聚集在電控盒的頂部，造成頂部的溫度升高；電控箱內(nèi)部空間小、布局緊湊，在全密封狀態(tài)下，電控內(nèi)熱量的散出主要依靠空氣導(dǎo)熱，因溫差引起的自然對流速度較慢，所以熱量會聚集在大功率發(fā)熱元器件的表面附近，導(dǎo)致元器件溫升超標(biāo)。

根據(jù)熱阻分析原理可知：

式中：

T—芯片結(jié)溫；

T0—電控內(nèi)環(huán)境溫度；

P—熱耗散功率；

R—傳熱熱阻。

分析電器盒內(nèi)熱聚集處熱量的傳遞路徑，熱量由發(fā)熱元器件產(chǎn)生，在電控箱內(nèi)經(jīng)空氣傳遞到電控箱殼體表面，電控箱外殼與外界對流散熱?？芍?/p>

式中：

R—傳熱熱阻；

R1—空氣熱阻；

R2—電控箱板材熱阻；

R3—電控箱外對流空氣熱阻。

而空氣傳熱系數(shù)很小熱阻很大，所以降低電控箱內(nèi)部空氣的傳熱熱阻是解決此電控散熱問題的關(guān)鍵。

從前面的熱傳導(dǎo)方式來看，風(fēng)冷散熱器和冷媒散熱都只適合表面平整的元器件，比如壓機驅(qū)動板和風(fēng)機驅(qū)動板上的IPM模塊，其他元器件如目前超標(biāo)的穩(wěn)壓塊、電容、以及扼流圈等表面不平整，且形狀各異，高低不一，難以通過接觸導(dǎo)熱的散熱方式來降低溫升。

針對以上分析，提出優(yōu)化方案1：充分利用上出風(fēng)室外機的風(fēng)道特點，在電控箱蓋上添加百葉窗，通過仿真可知（如圖6），依靠百葉窗兩側(cè)的壓差，靠近底部處百葉窗進風(fēng)，靠近上部處出風(fēng)，電控箱內(nèi)部與外界空氣形成強制對流，通過提高對流傳熱系數(shù)，降低電控箱內(nèi)部空氣熱阻，加強換熱，降低環(huán)境溫度，改善熱聚集現(xiàn)象，以達到降低元器件表面溫升的目的。

圖6 方案1電控內(nèi)速度場仿真

方案2：在電控箱殼體底部和頂部均增加小直徑通孔，外部氣體由底部進入電控箱，和內(nèi)部高溫氣體換熱后，從頂部開孔處出去。電控箱內(nèi)空氣形成上下對流，高溫氣體隨對流氣體帶走，以降低電控內(nèi)部環(huán)境溫度，通過仿真可知（如圖7），這種方案的進、出風(fēng)側(cè)流動距離較長，且出風(fēng)側(cè)氣流方向與電控外殼處氣流方向相反，將引起電控箱內(nèi)氣流阻力升高，進入電控內(nèi)的風(fēng)量會較小。

圖7 方案2電控內(nèi)速度場仿真

方案3：保持電控箱體密封狀態(tài)，在其內(nèi)部增加風(fēng)扇，使內(nèi)部空氣形成強制對流，內(nèi)部冷熱空氣得到充分混合，密封電控箱的內(nèi)部環(huán)境溫度達到一個相對均勻的狀態(tài)，此溫度相比未混合前的高溫氣體溫度有所降低，增大發(fā)熱元器件與內(nèi)部環(huán)境的溫度差，以提高元器件散熱量，達到降低元器件表面溫升的效果。

從表1實際測試數(shù)據(jù)可以看出，三種方案都有效的降低了超標(biāo)元器件的表面溫升。對比以上3個優(yōu)化方案，方案1和方案2原理類似，都是通過引入電控箱外側(cè)氣體與電控箱內(nèi)氣體形成對流，使得電控箱內(nèi)部環(huán)境溫度降低，以達到降低元器件溫升的目的。這兩個方案都破壞了電控箱的密封性，雖然解決了溫升問題，但是隨之帶來電控箱可能進水、進塵的質(zhì)量隱患。而方案3保持了電控箱的密封性，防護等級高，通過內(nèi)置風(fēng)扇將密封電控內(nèi)的不均勻空氣擾動起來，而達到一個相對均勻的低溫環(huán)境，從而降低整個電控內(nèi)環(huán)境溫度，減小熱聚集，降低溫升超標(biāo)的元器件表面溫升，所以方案3滿足此款電控的設(shè)計目標(biāo)要求。當(dāng)然此方案也有弊端，即風(fēng)扇若損壞，則元器件溫升將超標(biāo)，若不能及時發(fā)現(xiàn)，則可能導(dǎo)致元器件損壞，所以此方案需搭配有信號反饋的風(fēng)扇，若風(fēng)扇損壞需及時進行維修更換等。

圖8 實際溫升測試壓機驅(qū)動板布點情況

表1 各優(yōu)化方案溫升測試數(shù)據(jù)對比

圖9 各方案溫升情況對比

5 結(jié)論

本文從傳熱學(xué)理論分析出發(fā)，在優(yōu)化布局的前提下，結(jié)合熱仿真分析和實驗驗證，解決了此商用變頻電控的散熱問題。

1）全密封電控箱內(nèi)部熱聚集主要發(fā)生在頂部及發(fā)熱元器件表面附近，而降低電控箱內(nèi)部空氣的熱阻是解決此類電控溫升問題的關(guān)鍵；

2）通過引入外界空氣與電控箱內(nèi)部空氣形成對流，雖然可以解決散熱的問題，但是會破壞電控箱的密封性，帶來進水、進塵的隱患；

3）通過內(nèi)置風(fēng)扇，可以在保持電控箱全密封的狀態(tài)下解決散熱問題，但需采用有信號反饋的風(fēng)扇，此方案可為同類電控散熱優(yōu)化設(shè)計提供參考。