盧浩賢，賀春輝，李想，何林

（1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070；2.空調(diào)設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070）

前言

隨著模塊功率的上升，現(xiàn)有的風冷肋片式散熱器設計都是通過增加換熱器的面積加大換熱器尺寸以達到更好的換熱效果，其與變頻空調(diào)小型化的矛盾愈加突出，且隨著散熱器體積的增加，散熱器的單散熱量位體積急劇下降，最終導致無法有效解決散熱，只能通過提高器件等級解決，但這也同步帶來了成本的增加。部分學者研究的冷媒散熱系統(tǒng)也可失效有效降溫，但在實際應用過程中模塊低溫導致的凝露問題無法有效解決[1-4]。趙紅璐[5]分別分析了基板厚度、翅片數(shù)目及翅片厚度對散熱器散熱的影響，但并未給出散熱器的優(yōu)化方式。林弘毅[6]提出一種強迫風冷散熱系統(tǒng)體積最優(yōu)的設計方法，散熱器的體積較傳統(tǒng)設計降低了約30 %，但散熱系統(tǒng)的熱阻和壓降并未得到優(yōu)化。張建新[7]采用正交試驗法研究了翅片間距、翅片高度和翅片厚度對溫度和散熱器重量的影響，但存在周期長、成本高的問題，以上研究均集中在單一目標設計，且均為結合整機散熱系統(tǒng)進行散熱設計，而單一目標強迫風冷散熱器設計弊端明顯，無法有效解決產(chǎn)品小型化及散熱高效化的矛盾關系，因此，基于散熱器真實環(huán)境的多變量多目標耦合設計方法存在行業(yè)空白，研究實現(xiàn)高單位換熱效率散熱器均有重大研究意義。本文提出一種在翅片上面進行打孔以增加對流換熱系數(shù)的方案，使得散熱器內(nèi)部產(chǎn)生空腔影響內(nèi)部空氣流動，增加內(nèi)部流場的紊流程度和流速，進而優(yōu)化換熱器的換熱效果。

1 數(shù)學波形構建

1.1 基于整機結構及風場的散熱系統(tǒng)分析

采用某款空調(diào)產(chǎn)品，建立整機模型，1∶1還原風場狀態(tài)，仿真結果（圖1）顯示，由于外機大風扇對翅片附近造成的負壓，導致部分風量未達到翅片出口就從大風扇出口流走。

圖1 某空調(diào)整機結構及風場

對基元模型散熱器仿真計算（圖2），在進風口散熱器前端面到散熱器尾端面分割，計算每一斷面流道間隙的風量數(shù)據(jù)，結果顯示為流過在散熱器間隙的冷卻風流量幾乎中間段處已全部流出，并未對整體散熱器實現(xiàn)熱耗散，且風量衰減嚴重，形成熱量封鎖，導致熱耗散降低緩慢。

圖2 散熱器風場

1.2 多目標參數(shù)化構型散熱器設計

基元級葉片最大熱阻：

對應的無綱最大熱阻：

采用Matlab的PDE工具箱進行基元級葉片無量綱最大熱阻的函數(shù)，有無量綱基元級葉片厚度H，長度L，葉片表面空腔邊距H，空腔直徑D1和D2五個獨立變量。在基元級葉片總橫截面積4A和空腔占比的Φ的約束條件下，以D1/H、H1/H和H/L為優(yōu)化變量對可基元級葉片進行構型優(yōu)化，當給定Φ是存在最佳D1/H使Rt取得最小值Rtmin。

采用Ansys Optimization參數(shù)化構型設計，圖3通過對孔徑大小，開孔數(shù)量，開孔角度，孔重心距上邊緣基板，孔重心距左邊緣流線尾端翅片5個維度對翅片進行多目標構型設計。

圖3 構型散熱器約束

2 仿真計算結果

采用SCDM模型重構對計算結果進行模型標定，通過Optimization多層感知目標構型計算，自適應設計最優(yōu)散熱方案。

式中：

Snz—第n塊翅片上z軸方向的坐標；

A —第—塊翅片上孔的z方向上的最大值；

△s —孔與孔的偏移距離；

m — 散熱器上翅片的總數(shù)；

n —正在計算的翅片的序號；

△z— 第一塊翅片上的孔的z方向的值與最大值的偏移量。

以參數(shù)化方式進行空腔的迭代計算，從仿真結果可以看出，空腔與熱源的水平距離、流道的夾角、在翅片上的截面積及與基板的垂直距離均存在模塊溫度的最佳溫升點。

從圖4可以看出當空腔經(jīng)過熱源正下方時模塊溫度最低，主要由于空腔的引流作用導致強化了模塊的散熱。

圖4 空腔與熱源的水平距離趨勢

從圖5可以看出空腔與流道的夾角也存在最佳值，當角度過小及過大均會導致散熱效果不佳；當開孔位置確定時，開孔角度越大，孔的切向距離就越大，雖然左右兩側孔的壓差足夠大，但是與引流過來的空氣接觸的空氣流速也越大，使得引流產(chǎn)生的空氣在流道中衰減程度也很大；開孔角度過小，左右兩側孔的壓差較小，引流的空氣流速較小，而且與原翅片內(nèi)流體的相反的動量較小，導致無法達到改變原有的流體流道的效果。

圖5 空腔與流道的夾角趨勢

從圖6可以看出隨著空腔在翅片上截面積的增大，模塊的溫度溫度會先降后升，當開孔的位置角度確定后，翅片兩側的壓差已經(jīng)是一個定值，開孔的大小直接決定了引流空氣的量。開孔面積越大，引入的空氣也會越多，但是過多的空氣會使得引入空氣的區(qū)域出現(xiàn)局部高壓，直接有影響原有流場變成了阻礙原有流場，這樣反而更不利于散熱。開孔面積越小，引入的空氣過少，相反與原流場的動量不足以影響原有流場。故不能無限增大開孔面積。

圖6 空腔在翅片上的截面積趨勢

從圖7可以看出空腔應盡量靠近基板，隨著距離的正增加，空腔的紊流效果不明顯，導致散熱效果不佳。

圖7 空腔與基板的垂直距離趨勢

基于參數(shù)化自適應仿真擬合出最優(yōu)孔距離如式（4）所示。

孔的最優(yōu)角度范圍如式（5）所示。

式中：

Y—散熱器整體高度；

X—散熱器整體寬度；

P—熱源發(fā)熱量；

W—散熱器最大換熱量；

D—孔徑值；

y1、y2—孔中心距到基板上下面的距離（y2＞D/2）；

x1—為熱源與第一塊翅片的最小距離；

x2—為熱源的寬度。

對某款空調(diào)產(chǎn)品機組的散熱器進行構型優(yōu)化，迭代仿真計算尋優(yōu)，當孔徑直徑D=12 mm，開孔數(shù)量n=2，開孔角度θ=37 °，孔重心距上邊緣基板x=15 mm，孔重心距左邊緣流線尾端翅片y=25 mm時，能實現(xiàn)最優(yōu)降溫16 ℃。

3 實驗研究

3.1 實驗裝置及方案

采用與仿真設計同款的空調(diào)產(chǎn)品，分別在整流橋、IGBT1、IGBT2、二極管1、二極管2及IPM采用Φ0.32*12P T-G型熱電偶進行溫度監(jiān)測及采集，按照表1的實驗方案進行實驗驗證。

表1 試驗方案

3.2 實驗結果分析

依據(jù)仿真計算得出的最優(yōu)結果進行換熱器制作，并在焓差實驗室進行整機驗證，從表2中可以看出器件均有明顯的降低，其中模塊溫度的降溫幅度達到18.5 ℃，說明空腔的引流作用在實際驗證中有利于器件的散熱，效果顯著。

表2 構型散熱器實驗驗證結果

4 結論

圖8 構型散熱器設計示意圖

圖9 構型散熱器實物圖

本文通過對空腔構型散熱器的仿真設計及實驗研究，得出空腔孔徑大小、開孔角度、孔重心距上邊緣基板距離及孔重心距左邊緣流線尾端翅片距離對器件散熱的影響，提出一種解決器件高溫但又不增加散熱體積的新型散熱器，并給出了散熱器空腔設計的最優(yōu)算法?；诒狙芯繕悠罚捎行崿F(xiàn)器件最高溫降達18.5 ℃，效果顯著。

1）側出風型式空調(diào)產(chǎn)品由于散熱器貼近導流圈，且外機大風扇對翅片附近造成的負壓，部分風量未達到翅片出口就從大風扇出口流走，導致散熱器散熱能力未能有效利用，器件溫度較高。

2）當空腔經(jīng)過熱源下方時模塊溫度最低，主要由于空腔的引流作用導致強化了模塊的散熱?；谠擖c也可考慮將散熱器制作成斜翅片形式，也可達到同樣的效果。

3）空腔與散熱器流道的夾角存在最佳值，當角度過小及過大均會導致散熱效果不佳，在空腔設計階段應考慮紊流到來的強化散熱效果，可起到進一步降溫的作用。

4）隨著空腔在翅片上的截面積的增大，模塊的溫度溫度會先降后升，因為空腔導致了散熱面積的減少，在散熱器設計階段需耦合空腔的位置及空腔與散熱器流道的角度等多因素的影響進行空腔大小的確定。