李樹(shù)云，彭光前，吳俊鴻

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

1 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件的應(yīng)用遍布各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)電子器件尺寸的不斷減小、頻率和集成度的提高，導(dǎo)致電子單位面積的功率不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致電子器件過(guò)熱問(wèn)題越來(lái)越突出［1］。實(shí)驗(yàn)與研究表明，電子元器件的性能對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，環(huán)境溫度每升高10℃，系統(tǒng)可靠性將降低50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)55%的電子元器件及電子設(shè)備的失效是由于溫度過(guò)高引起的［2－4］。

對(duì)于家用空調(diào)室外機(jī)來(lái)講，其在高外環(huán)溫運(yùn)行時(shí)，電器盒中的元器件均會(huì)產(chǎn)生較多熱量，若熱量不能快速的散去，就會(huì)造成元器件的溫度不斷上升，導(dǎo)致空調(diào)制冷能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻繁的死機(jī)或無(wú)法正常開(kāi)機(jī)的現(xiàn)象［5］。因此，為了提高空調(diào)在高外環(huán)溫下的制冷能力和可靠性，降低元器件溫度顯得尤為重要。

針對(duì)某款空調(diào)室外機(jī)壓縮機(jī)腔內(nèi)的元器件溫度過(guò)高的問(wèn)題，本文利用傳熱理論和熱仿真軟件，分析該款空調(diào)壓縮機(jī)腔內(nèi)的元器件溫度過(guò)高的原因，并提出了一種較好的解決方案，達(dá)到降低元器件溫度和提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

2 傳熱學(xué)理論

傳熱學(xué)其實(shí)就是將發(fā)熱體產(chǎn)生的熱量經(jīng)散熱體快速傳至系統(tǒng)外，以保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。其中發(fā)熱體產(chǎn)生的熱量主要以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射 3種基本方式傳遞到周?chē)h(huán)境［1］［2］。

（1）熱傳導(dǎo)

物質(zhì)分子、原子及自由電子等微觀粒子通過(guò)其熱運(yùn)動(dòng)使得物體的熱量從高溫部分傳遞到低溫部分。導(dǎo)熱過(guò)程中傳遞的熱量按照 Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算：

式中 Q是熱量，W；λ是導(dǎo)熱系數(shù)，W／m·℃；A是沿傳熱路徑的橫截面積，m2；ΔT是熱源與低溫區(qū)的溫度差，℃；d是傳熱距離，m。

（2）熱對(duì)流

流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面間的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流過(guò)程傳遞的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)算。

Φ＝h·A·ΔT

式中Q是熱量，W；h是對(duì)流換熱系數(shù)，W／m2·℃；A是固體壁面換熱面積，m2；ΔT是流體與固體的溫差，℃。

（3）熱輻射

輻射換熱指的是物體之間互相輻射和吸收熱能的綜合效果。輻射熱量可由斯蒂芬－玻爾茲曼定律來(lái)計(jì)算。

Q＝εσ0AT4

式中ε是物體的表面黑度；σ0是斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10－8W／（m2K）；A是輻射面積，m2；T是物體表面熱力學(xué)溫度，K；

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 幾何模型建立

如圖2－1是空調(diào)室外機(jī)模型的俯視圖，模型右側(cè)藍(lán)線框內(nèi)為空調(diào)室外機(jī)的壓縮機(jī)腔，在壓縮機(jī)腔頂部安裝有電器盒 （圖中黃色），電器盒內(nèi)有元器件，元器件分布如圖2－2所示。

圖2 －1 空調(diào)室外機(jī)模型

圖2 －2 電器盒內(nèi)元器件分布

空調(diào)室外機(jī)在工作過(guò)程中，壓縮機(jī)腔內(nèi)的元器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱，當(dāng)外環(huán)溫43℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試電感溫度高達(dá)116℃，扼流圈和風(fēng)機(jī)IPM溫度則達(dá)到110℃和90℃，元器件溫度較高會(huì)嚴(yán)重影響空調(diào)高溫下的制冷能力以及產(chǎn)品的可靠性。

圖2－3是空調(diào)室外機(jī)壓縮機(jī)腔區(qū)，壓縮機(jī)腔內(nèi)元器件溫度高的主要原因是壓縮機(jī)腔為密閉空間，元器件主要靠輻射和自然對(duì)流的方式進(jìn)行散熱，元器件產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去，致使元器件溫度過(guò)高。

所以本文提出了在空調(diào)室外機(jī)的隔板上進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)置，同時(shí)利用空調(diào)室外機(jī)的風(fēng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)腔內(nèi)的氣流流動(dòng)，以此加強(qiáng)元器件的強(qiáng)制對(duì)流散熱。方案如圖2－4所示。

圖2 －3 室外機(jī)壓縮機(jī)腔區(qū)

圖2 －4 空調(diào)室外機(jī)隔板增加引風(fēng)孔模型

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

簡(jiǎn)化后的仿真模型如圖2－5所示，由于本文研究的是環(huán)境溫度較高時(shí)元器件的溫度情況，所以本次仿真環(huán)境溫度設(shè)定為43℃。同時(shí)各元器件電感、扼流圈、風(fēng)機(jī)IPM和電容在額定工況下的熱功耗分別為6.5w、5.5w、3.3w和1.5w。

物理模型包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，方程分別如下［6］：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

圖2 －5 仿真模型簡(jiǎn)化

能量守恒方程：

對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用默認(rèn)的Mesher－HD網(wǎng)格劃分方法，最終生成300萬(wàn)左右網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量較好，同時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)選擇湍流，并采用零方程模型。

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)空調(diào)室外機(jī)隔板上有或無(wú)引風(fēng)孔的兩種方案進(jìn)行仿真對(duì)比，分析引風(fēng)孔對(duì)元器件降溫效果。

表3－1是隔板上有或無(wú)引風(fēng)孔時(shí)壓縮機(jī)腔內(nèi)元器件溫度的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可以得到，隔板有引風(fēng)孔后元器件降溫明顯，較隔板無(wú)引風(fēng)孔時(shí)元器件的溫度平均降低12.3℃，其中降溫最大的元器件是電感，降溫16.8℃，其次是風(fēng)機(jī)IPM降溫12.6℃。元器件降溫的主要原因是中、小隔板增加引風(fēng)孔后壓縮機(jī)腔內(nèi)的氣流流動(dòng)在風(fēng)機(jī)的作用下得到提升，元器件產(chǎn)生的熱量可以很快的被流動(dòng)的氣流帶走，因此達(dá)到降低溫度的效果。

表3 －1 兩組方案的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3－1是隔板有或無(wú)引風(fēng)孔的仿真結(jié)果，從圖3－1（a）元器件表面溫度云圖可以看出，隔板有引風(fēng)孔后元器件的溫度有明顯降低。

圖3－1（b）是小隔板引風(fēng)孔處一截面的速度云圖，從速度云圖可以得到，小隔板增加引風(fēng)孔后氣流從引風(fēng)孔流出，壓縮機(jī)腔內(nèi)的氣流流動(dòng)得到提升。

圖3－1（c）與 （b）是相同位置的截面，圖3－1（c）是溫度云圖，從溫度云圖可以看出，隔板無(wú)引風(fēng)孔時(shí)壓縮機(jī)腔該截面的溫度在54℃左右，當(dāng)隔板有引風(fēng)孔后壓縮機(jī)腔該截面的溫度在46℃左右。主要原因是隔板有引風(fēng)孔后元器件產(chǎn)生的熱量被流動(dòng)氣流及時(shí)的從引風(fēng)孔帶走。

圖3－1（d）是中隔板引風(fēng)孔處一截面的溫度云圖，從溫度云圖可以得到，中隔板頂部無(wú)引風(fēng)孔時(shí)元器件產(chǎn)生的熱量聚集在頂部不能及時(shí)散去，導(dǎo)致壓縮機(jī)腔該截面的溫度達(dá)到75℃左右，當(dāng)中隔板頂部有引風(fēng)孔后壓縮機(jī)腔該截面的溫度在53℃左右，主要原因也是元器件產(chǎn)生的熱量從引風(fēng)孔及時(shí)散去達(dá)到元器件降溫的目的。

圖3－2是隔板有引風(fēng)孔后壓縮機(jī)腔內(nèi)的氣流流線圖，從圖中可以清楚的看到，壓縮機(jī)腔內(nèi)的氣流在風(fēng)機(jī)的作用下從引風(fēng)孔處流出，元器件產(chǎn)生的熱量可以快速的被流動(dòng)的氣流帶到壓縮機(jī)腔外，達(dá)到降低元器件溫度的目的。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

空調(diào)室外機(jī)元器件的溫升實(shí)驗(yàn)是在空調(diào)器焓差法測(cè)試室進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試樣機(jī)的各元器件位置處利用熱電偶布置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置測(cè)試樣機(jī)風(fēng)檔為超強(qiáng)檔，頻率88Hz，電壓220V，環(huán)境溫度43℃，方案一隔板有引風(fēng)孔，方案二隔板無(wú)引風(fēng)孔，兩個(gè)方案的熱測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4－1所示。

表4 －1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 －2 兩組方案仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 －1 板有無(wú)引風(fēng)孔仿真結(jié)果

圖3 －2 隔板有引風(fēng)孔三維氣流流線圖

每種方案的熱仿真和熱測(cè)試元器件溫度的對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4－2。由表4－2可知，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在9%以?xún)?nèi)［7］，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

采用熱仿真方法對(duì)元器件的散熱進(jìn)行研究是實(shí)驗(yàn)方法的有效補(bǔ)充，仿真結(jié)果也有助于分析元器件溫度過(guò)高的原因，根據(jù)仿真結(jié)果可以對(duì)元器件散熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供較好參考和指導(dǎo)方案。

5 結(jié)論

（1）仿真結(jié)果表明，在室外機(jī)隔板上設(shè)置引風(fēng)孔可以提升壓縮機(jī)腔內(nèi)的氣流流動(dòng)速度，達(dá)到降低元器件溫度的目的。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，仿真誤差不超過(guò)9%，證明了仿真結(jié)果的可靠性和有效性。

（3）仿真可以很好的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題并快速評(píng)估新方案的散熱效果，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。