龍斌華，劉中杰，梁劍濤

(國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海 519070)

1 前言

隨著變頻空調(diào)功能增加及小型化設(shè)計(jì)，相應(yīng)的電子元器件發(fā)熱量也隨之增加。若發(fā)熱電子元器件散發(fā)出來的熱量不能夠及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)造成熱量聚集，從而導(dǎo)致各個(gè)元器件的溫度超過各自所能承受的溫度極限，電子元器件的可靠性就大大降低。因此我們也從不需要解決散熱，到被動(dòng)解決散熱問題，再到在設(shè)計(jì)階段就考慮電子元件功耗大小對(duì)可靠性運(yùn)行的影響因素，來主動(dòng)解決散熱問題。但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是利用傳熱學(xué)的大量公式、表格，通過計(jì)算來分析或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)結(jié)果，往往存在一定的難度。所以有必要對(duì)變頻空調(diào)的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，以便快速解決我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)中面臨的棘手問題。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法的不斷完善及計(jì)算機(jī)速度的提升，仿真數(shù)值模擬正替代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究，熱仿真能解決整個(gè)系統(tǒng)級(jí)或單個(gè)部件的熱分析問題，其顯現(xiàn)的作用是巨大的。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通過流體動(dòng)力學(xué)軟件可設(shè)計(jì)出合理的散熱方案，縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，提升變頻空調(diào)控制器運(yùn)行可靠性。

本文以一款分體式變頻空調(diào)室外機(jī)的主要電子散熱元件及與之相關(guān)的散熱器為研究對(duì)象，運(yùn)用先進(jìn)的CFD方法，并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，進(jìn)行

計(jì)算對(duì)比，驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，并對(duì)散熱器方案進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終提供較優(yōu)的散熱器方案。

2 CFD仿真計(jì)算及驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

首先通過CFD仿真軟件進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬計(jì)算，本文主要仿真對(duì)象是變頻控制上的四款發(fā)熱量較大的發(fā)熱元件，為簡(jiǎn)化及統(tǒng)一，在此用發(fā)熱元件1、發(fā)熱元件2、發(fā)熱元件3、發(fā)熱元件4表示。而控制器上的其他熱損耗小的電子元件則忽略不計(jì)，強(qiáng)制對(duì)流散熱的風(fēng)道也做了相應(yīng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在進(jìn)口給定環(huán)境邊界條件及風(fēng)速、出口僅給定環(huán)境邊界條件。圖1是仿真計(jì)算建立的三維模型，圖2是該款變頻室外機(jī)的散熱片示意圖。

圖1 仿真計(jì)算模型

圖2 原機(jī)散熱器示意圖

2.2 仿真計(jì)算校核

眾所周知，變頻空調(diào)隨環(huán)境工況的變化而改變其運(yùn)行頻率，相應(yīng)的四款發(fā)熱量較大的電子元器件熱功耗也將隨之改變。而運(yùn)用功率測(cè)試儀器則難以得到電子元件的真實(shí)熱功耗。不過，可以用儀器初測(cè)這四款發(fā)熱元件的熱功耗，得到各個(gè)元件的功耗初值，再將功耗初值作為仿真軟件的初始值，進(jìn)行仿真計(jì)算校核。

圖3 各元件熱功耗對(duì)其溫度的影響

仿真計(jì)算時(shí)首先需要研究單個(gè)電子元器件在功耗初值附近變化對(duì)其溫度的影響，圖3即為仿真計(jì)算的各個(gè)電子元件功耗變化對(duì)其溫度的影響比較。將各個(gè)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的不同工況對(duì)比，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及熱成像儀器拍攝的溫度數(shù)據(jù)基本一致，且相同位置的溫度變化趨勢(shì)一致的仿真預(yù)估功耗數(shù)據(jù)可近似為該工況下的實(shí)際功耗。

圖4 計(jì)算方案的某截面溫度場(chǎng)

圖5 熱成像儀測(cè)試結(jié)果

圖6 計(jì)算校核結(jié)果

圖7 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)主要參數(shù)

圖4為計(jì)算方案的某截面溫度場(chǎng)分布，圖5為熱成像儀拍攝得到的溫度分布結(jié)果，橢圓形標(biāo)識(shí)的兩處為熱功耗電子元件。從圖4仿真分析及圖5實(shí)測(cè)溫度分布結(jié)果可知，溫度最高值在熱功耗電子元件處。圖6為實(shí)驗(yàn)測(cè)試五種模式下的各測(cè)點(diǎn)溫度與仿真發(fā)熱元件2預(yù)估功耗的各測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比曲線，其中模式1、2、3、4為額定制冷工況的不同電壓下運(yùn)行的四種模式，模式5為額定制冷工況的壓縮低頻下運(yùn)行模式。從圖上對(duì)比可知，仿真計(jì)算相同位置的溫度與實(shí)測(cè)模式2的溫度值接近，且它們的變化趨勢(shì)基本一致。因此，可近似認(rèn)為該仿真計(jì)算即為實(shí)測(cè)運(yùn)行模式2的結(jié)果。同理，其他四個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試運(yùn)行模式下的仿真校核也可按照此方法來實(shí)現(xiàn)。自此，仿真計(jì)算校核已初步完成，可以進(jìn)行接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及測(cè)試驗(yàn)證

3.1 仿真優(yōu)化計(jì)算

圖7所示的散熱器參數(shù)H1-翅片高度、H2-基板厚度、D-翅片間距、T-翅片厚度為本次優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱器的四個(gè)重要參數(shù)。

表1 散熱器參數(shù)調(diào)整對(duì)照表

方案H1H2DT方案1√方案2√方案3√√方案4√√方案6√√方案7√方案8√√方案9√√√√

表1為散熱器參數(shù)調(diào)整表，”√”部分表示該方案下調(diào)整的相關(guān)參數(shù)。如方案2調(diào)整的散熱器參數(shù)有H1-翅片高度，D-翅片間距。

圖8 仿真優(yōu)化方案對(duì)比

圖8為仿真計(jì)算較優(yōu)的四個(gè)優(yōu)化方案相對(duì)原機(jī)方案的溫度降低對(duì)比，圖中所示的溫度值均為相對(duì)溫度值，比較基準(zhǔn)為原機(jī)溫度值。圖中方案1為調(diào)整翅片間距D，使其向中間翅片靠攏；方案2為改變翅片高度H1，使靠近電子元件的中間翅片高，遠(yuǎn)離電子元件的兩邊翅片低；方案4為增加翅片厚度T，并將基板厚度H2增加；方案7為增加翅片厚度T。

表2 仿真優(yōu)化方案相對(duì)原機(jī)的改善對(duì)比

方案發(fā)熱元件1(℃)發(fā)熱元件2(℃)發(fā)熱元件3(℃)發(fā)熱元件4(℃)方案10.30.20.42.4方案20.40.10.62.7方案46.56.77.48.9方案73.93.83.95.8

表2為各個(gè)優(yōu)化方案相對(duì)原機(jī)的溫度降低對(duì)比數(shù)據(jù)，表中所示的溫度值也為相對(duì)溫度值。從表1及圖8可以看出，方案1、2、4、7的各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度均比原機(jī)方案相同測(cè)點(diǎn)溫度有所降低，說明采用這些方案的散熱器都可以增強(qiáng)電子元器件的散熱，提升電子元器件運(yùn)行的可靠性。

3.2 優(yōu)化測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，將優(yōu)化方案2及優(yōu)化方案4制作樣件進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。表3為優(yōu)化方案2及方案4實(shí)驗(yàn)的對(duì)比數(shù)據(jù)(注：該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為空調(diào)在運(yùn)行模式2下的測(cè)試數(shù)據(jù))，同樣，表中所示的溫度值仍為相對(duì)溫度值。圖9為優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)對(duì)比關(guān)系。

表3 優(yōu)化方案實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

方案發(fā)熱元件1(℃)發(fā)熱元件2(℃)發(fā)熱元件3(℃)發(fā)熱元件4(℃)方案21.70.72.52.4方案47.78.79.87.6

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試優(yōu)化方案對(duì)比

對(duì)比圖8、圖9可知，仿真計(jì)算效果較好的方案2、方案4的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均比原機(jī)散熱器方案溫度有所降低。方案4的溫度可比原機(jī)方案溫度降低7～9℃。與仿真優(yōu)化計(jì)算溫度降低變化趨勢(shì)基本一致。

圖10 優(yōu)化方案4在不同運(yùn)行模式下的測(cè)試對(duì)比

圖10為測(cè)試方案4在5種運(yùn)行模式下的溫度相對(duì)原機(jī)方案的降低對(duì)比，各個(gè)運(yùn)行模式下的溫度均比原機(jī)方案溫度有所降低，且溫度降低的變化趨勢(shì)也基本一致。以上說明仿真優(yōu)化計(jì)算的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試變化趨勢(shì)基本一致，仿真優(yōu)化計(jì)算具有借鑒性及很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

4 總結(jié)

1)通過CFD仿真計(jì)算分析方法對(duì)某款變頻室外機(jī)的主要電子散熱元件以及散熱器進(jìn)行分析，并對(duì)四個(gè)主要電子散熱元件的熱功耗進(jìn)行預(yù)估及計(jì)算校核，為仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算提供有效的技術(shù)支持；

2)計(jì)算校核元件功耗時(shí)，可先運(yùn)用測(cè)功儀得到一個(gè)基準(zhǔn)功耗，再在該功耗值附近取值進(jìn)行計(jì)算校核，可節(jié)省仿真校核時(shí)間及成本；

3)對(duì)仿真計(jì)算優(yōu)化效果較好的兩款散熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，各測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本一致。說明電子散熱的CFD仿真計(jì)算具有一定的準(zhǔn)確性，可以為設(shè)計(jì)方案提供方向性的指導(dǎo)。

4)散熱器翅片高度、基板厚度、翅片間距、翅片厚度對(duì)電子元器件的散熱影響較大，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，翅片厚度及基板厚度對(duì)電子元件的散熱影響最大。通過適當(dāng)增加翅片厚度及基板厚度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化散熱的效果。

5)本次優(yōu)化設(shè)計(jì)并未詳細(xì)考慮接觸熱阻大小對(duì)電子元件散熱的影響。但值得一提的是在實(shí)際安裝測(cè)試過程中，電子元件及散熱器的表面粗糙度及兩者之間的接觸熱阻對(duì)元件的散熱也存在較大的影響，在實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試時(shí)，往往通過涂抹散熱膏增強(qiáng)兩者間的貼合度，以降低接觸熱阻。

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