空調(diào)變頻基板制冷劑散熱的關(guān)鍵技術(shù)研究

(青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266000)

現(xiàn)階段，隨著空調(diào)室外機(jī)主控基板越來越集成化、模塊化，整板的散熱問題逐漸暴露，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱板形式越來越不能滿足需求。隨著散熱技術(shù)的進(jìn)步，且基于技術(shù)革新的壓力，一種新型制冷劑散熱技術(shù)日趨成熟。傳統(tǒng)制冷劑散熱技術(shù)主要集中于制冷劑系統(tǒng)循環(huán)的系統(tǒng)和管路設(shè)計[1-2]以及制冷劑性能[3]的研究。

目前，國內(nèi)外對于通過使用制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)冷方式對主控基板進(jìn)行散熱的研究還沒有形成系統(tǒng)化的成果，其在原理上容易理解，但在實際應(yīng)用中較難達(dá)到理想效果。其核心技術(shù)是基于散熱板的加工方式和安裝形式，可以最大程度使制冷劑帶走大部分熱量。所以，就現(xiàn)有技術(shù)而言，N. Nakajima等[4]提出了特殊的脹管加工方式，葉酈峰等[5]對銅材料的相關(guān)加工性能進(jìn)行分析，落實散熱板脹管加工的可行性。武國營等[6]研究了脹管加工成型效率，為制冷劑散熱板脹管加工的成型效率提供了良好的理論基礎(chǔ)。因考慮到實際生產(chǎn)是兩個金屬面直接貼合的方式，為填補(bǔ)二者間的微小縫隙以提高傳熱效率，參考王紅玉等[7]關(guān)于導(dǎo)熱墊片的研究，通過實驗對比不同導(dǎo)熱材料的傳熱效率，最終選擇合適的導(dǎo)熱材料作為量產(chǎn)加工時的重要部件。

本文針對適用于變頻基板的制冷劑散熱板進(jìn)行研究，包括散熱板結(jié)構(gòu)、加工方式及量產(chǎn)后檢測與安裝的各個流程。通過研究合理的加工和檢測方式來實現(xiàn)制冷劑散熱板散熱性能的最大化。同時通過實驗對比，選用合適的導(dǎo)熱墊片幫助散熱板與發(fā)熱體進(jìn)行更好的傳熱。

1 理論分析

1.1 數(shù)值計算

熱阻表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動的能力，為具體量化該能力，可以通過傳導(dǎo)的溫度差進(jìn)行衡量。得到熱阻計算式為：

(1)

由式(1)可得：制冷劑散熱板與機(jī)箱發(fā)熱體貼合，需要滿足散熱板的熱阻盡量低，才能保證良好的散熱效果。本文設(shè)計的制冷劑散熱板在保證強(qiáng)度可靠性的前提下，需具有較低的熱阻，才可滿足實際使用需求。所以在恒定輸入功率的情況下，散熱板與發(fā)熱體間的溫差就成為衡量散熱板性能指標(biāo)的主要依據(jù)，同時也是性能驗證實驗設(shè)計的主要思路。

1.2 材料選用

因系統(tǒng)中制冷劑的載體為銅管，考慮兼容性，本文涉及的制冷劑散熱板依然選用銅管作為散熱板中制冷劑循環(huán)的載體?，F(xiàn)階段對比不同材料的散熱效率，基于加工成本和制造成本的綜合考慮，整個制冷劑散熱板由U型銅管配合鋁合金型材裝配而成。

實際安裝過程中，由于加工精度會帶來不可避免的缺陷，導(dǎo)致制冷劑散熱板無法與發(fā)熱體完全貼合，所以在二者之間增設(shè)界面導(dǎo)熱材料，即導(dǎo)熱墊片。因柔性導(dǎo)熱墊片不僅可以填滿所有縫隙，增加接觸面積，同時其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣，可以降低二者間的熱阻。故導(dǎo)熱墊片的選擇對制冷劑散熱板的散熱性能影響也很重要。在綜合考慮成本和散熱性能的前提下，可供選擇的材料主要有：硅脂、導(dǎo)熱硅膠片、相變導(dǎo)熱材料、錫箔。

1.3 加工工藝分析

結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)能力和市場需求，可實現(xiàn)的制冷劑散熱板加工方式有：

方案A沖壓變形(壓銅管)：如圖1(a)所示，主要是在鋁合金板上設(shè)計橢圓槽，使用壓嵌工藝將銅管壓入鋁合金板內(nèi)。

方案B壓鑄鋁：如圖1(b)所示，通過特殊結(jié)構(gòu)模具，定位好銅管后，通過高壓將液態(tài)鋁快速壓緊，再冷卻形成完整工件。

方案C脹桿式機(jī)械脹管：如圖1(c)所示，脹管加工可以使銅管和鋁合金型材間形成過盈配合，將銅管插入鋁合金型材孔內(nèi)，再通過脹桿將脹頭強(qiáng)力推入銅管內(nèi)，擠壓銅管內(nèi)壁使其和鋁合金緊密結(jié)合。此種加工方式使鋁合金內(nèi)孔的公差帶在銅管外徑的公差帶之下，使二者充分接觸，從而提高傳熱效率。在形成過盈配合的過程中，由于銅管外徑的尺寸大于鋁合金型材孔的尺寸，需要定制的脹管加工設(shè)備對散熱板進(jìn)行加工，加工脹頭尺寸的合理選擇變得尤為重要，因脹緊度直接影響散熱板的可制造性和成品的散熱性能[8]。

(a)方案A

(b)方案B

(c)方案C圖1 散熱板加工方案Fig.1 Processing methods of cooling board-tube expansion processing

2 加工方式及測試方式確定

2.1 加工方式對比選擇

方案A沖壓變形(壓銅管)的加工方式簡單易行，量產(chǎn)操作也便于加工，但嵌壓方式容易導(dǎo)致銅管和鋁合金壓合不均勻，散熱能力不理想，應(yīng)力集中，且壓壞工件的概率也較高。銅管受壓變形后，制冷劑在其中流動易產(chǎn)生較大噪音，且銅管和鋁合金板件的配合屬于半包形式，對鋁合金的散熱能力相對于全包的效果差異很大，所以綜合分析，該方式不宜采用。

方案B壓鋁型材的方式操作簡單，加工速度快，且工件加工出后表面光潔度好，強(qiáng)度和硬度較高，尺寸穩(wěn)定。但壓鑄鋁時由于液態(tài)金屬填充型腔速度快，流動不穩(wěn)定，鑄件易形成氣孔，質(zhì)地不均勻，導(dǎo)致其熱阻偏大，且壓鑄鋁材本身導(dǎo)熱性能極差，作為散熱板使用時不具有任何優(yōu)勢。

方案C利用并改造當(dāng)前換熱器脹管技術(shù)，從內(nèi)至外對銅管脹管，使其與外圍的鋁合金緊密接觸。由于紅銅管為軟態(tài)，而鋁合金為硬態(tài)，通過機(jī)械脹管機(jī)的機(jī)械力將合金鋼脹頭強(qiáng)行推入紅銅管內(nèi)徑，將銅管脹大，脹管量的計算包括銅管外徑正偏差、鋁片孔內(nèi)徑負(fù)偏差、穿管間距，最后為保證管子緊密結(jié)合，再加大一定脹量，即過盈量。過盈量的取值既要保證銅管在機(jī)械脹接后的自縮，也要保證冷熱沖擊作用下，管與鋁合金內(nèi)壁的緊密結(jié)合，以減小熱阻，保證傳熱效率。

該方案可以穩(wěn)定高效的帶走主控基板、變頻模塊和室外機(jī)電器艙內(nèi)的熱量，提高機(jī)組在高溫環(huán)境下運行時的電氣可靠性，確保穩(wěn)定運行。防止在極端條件下，因風(fēng)扇周期運轉(zhuǎn)或停止轉(zhuǎn)動引起的散熱不良。同時不用開外廓模具，但生產(chǎn)加工較繁瑣，對脹管機(jī)有一定的要求。但就目前的加工能力來看，完全能滿足加工需求，且脹頭、銅管和鋁合金內(nèi)徑的尺寸均標(biāo)準(zhǔn)化，所以成品一致性較好，散熱能力也較統(tǒng)一。故此方案作為量產(chǎn)優(yōu)選方案之一。

與方案A和方案B相比，方案C機(jī)械脹桿加工方式不僅工藝簡單，且加工后的成品應(yīng)力集中點少，能夠使銅管和鋁合金完全貼合，整圈都進(jìn)行了壓緊。該方式加工后的成品散熱效果顯著優(yōu)于前兩者。對比上述加工方式，綜合考慮加工效果和經(jīng)濟(jì)性，選用脹桿式機(jī)械脹管方式對制冷劑散熱板進(jìn)行加工。但加工過程中，銅管外徑和鋁合金孔內(nèi)徑的合理選擇及脹頭尺寸的大小直接影響散熱板整體的散熱能力。為優(yōu)選出合理的銅管和鋁合金配合尺寸，以及脹頭尺寸，設(shè)計幾組不同的銅管和鋁合金的配合尺寸，并同時配合不同尺寸的脹頭進(jìn)行分組測試。最終得出合理的配合數(shù)據(jù)用于量產(chǎn)加工。

2.2 測試方式確定

散熱板的散熱能力測試即熱阻大小的測試，熱阻越小，散熱能力越好。制冷劑散熱板的工作原理：基板發(fā)熱體所有熱量通過鋁合金板和銅管傳到管內(nèi)制冷劑后，由制冷劑帶走發(fā)出的熱量。

根據(jù)此原理設(shè)計制冷劑散熱板檢測實驗：模擬加熱體持續(xù)給樣件加熱，由銅管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)不斷帶走熱量，當(dāng)加熱與冷卻達(dá)到平衡后，將銅體溫度與銅管入口溫度和出口溫度平均值之差與加熱體輸入功率的比值作為散熱能力的主要技術(shù)指標(biāo)。

同時監(jiān)測銅體溫度，作為確定溫度平衡的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)銅體溫度不再升高，則說明冷卻和加熱已達(dá)到動態(tài)平衡。為得到理想化的銅體溫度，此處銅體溫度監(jiān)測兩點并取其平均值用于計算熱阻。此外，同時監(jiān)測彎管溫度作為參考，理論上彎管溫度應(yīng)接近進(jìn)口溫度與出口溫度的平均值，否則說明實驗過程中出現(xiàn)了紕漏，造成實驗結(jié)果不可信。制冷劑散熱板測試實驗示意圖如圖2所示。

圖2 制冷劑散熱板測試實驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of refrigerant cooling board test

3 實驗搭建

3.1 測試方法

根據(jù)上述實驗原理，搭建實驗臺，實驗原理如圖3所示。

圖3 實驗原理Fig.3 Experimental principle

除被測樣件外，主要實驗設(shè)備包括：加熱系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和溫度采樣系統(tǒng)。

加熱系統(tǒng)主要構(gòu)成：6塊PTC發(fā)熱體、紅銅、300 W恒功率直流電源。

根據(jù)散熱板尺寸確定PTC個數(shù)和紅銅的尺寸，紅銅作為較好的均熱體，可以均勻?qū)?個PTC所發(fā)的熱量穩(wěn)定傳遞至散熱板，即使6個PTC發(fā)熱能力存在差異也不會影響測試結(jié)果。

循環(huán)冷卻系統(tǒng)：為被測工裝提供恒定流量的冷卻水，主要由水泵、水箱、流量計構(gòu)成。此處僅為驗證散熱板的散熱能力，選取水作為循環(huán)介質(zhì)。

溫度采集系統(tǒng)：監(jiān)測受控點的實時溫度，主要由溫度采集儀和若干鉑電阻組成。

由上述加熱系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)共同組成的熱阻測試實驗臺可較準(zhǔn)確的測試出每個制冷劑散熱板的散熱能力。

除了測試散熱板的熱阻，該實驗臺還可測試導(dǎo)熱墊片的熱阻。增設(shè)柔性的導(dǎo)熱墊片可以填補(bǔ)由于機(jī)械加工帶來的缺陷，提高散熱板的傳熱效率。所以有必要進(jìn)行導(dǎo)熱墊片的熱阻測試，通過對比幾組不同材料的導(dǎo)熱墊片熱阻數(shù)據(jù)來優(yōu)選出最合適的材料作為量產(chǎn)時的使用材料。

合理的實驗方案可以快速準(zhǔn)確的驗證制冷劑散熱板的散熱能力，為量產(chǎn)階段快速剔除不良品做好技術(shù)支持。

3.2 脹管尺寸選型確認(rèn)

考慮制冷劑散熱板能與機(jī)體整個制冷劑循環(huán)系統(tǒng)無障礙的連接，將銅管尺寸固定，僅改變鋁合金型材的內(nèi)徑和脹頭外徑找到合適的配合尺寸，以達(dá)到最大的散熱效果。由公式(1)結(jié)合實際實驗測試，計算熱阻：

(2)

選取幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表1所示，所有被測樣件均是在加熱體功率為300 W，水流量為7.1 L/min的條件下測試。脹管推力和熱阻隨過盈量的變化如圖4所示。

表1 樣件測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of samples

注：第5組脹管推力為實測值，其余脹管推力均通過仿真方式得到供生產(chǎn)參考。

圖4 脹管推力和熱阻隨過盈量的變化Fig.4 Expansion force and thermal resistance change with magnitude of interference

綜上可知：合理的脹頭尺寸配合標(biāo)準(zhǔn)銅管進(jìn)行脹管加工，可很大程度減少散熱板的熱阻，由第7～10組數(shù)據(jù)可知，銅鋁之間還未完全壓緊，熱阻波動較大，第5組的散熱板熱阻最小，繼續(xù)增大過盈量，熱阻提升較少,所以選定第5組配合尺寸為量產(chǎn)加工尺寸。

通過紅外成像儀可對散熱板的散熱效果做出直觀的評價。散熱板紅外圖如圖5所示。

圖5 散熱板紅外圖Fig.5 Infrared schematic diagram of cooling board

結(jié)合圖4、圖5和表1可知，在加熱功率一致的情況下，樣件5可以將加熱體溫度降至約45 ℃，鋁合金散熱板溫度約為34 ℃，因該樣件的熱阻在所有樣品中最小，僅為0.078，所以散熱效果最佳。加熱體和散熱板整體溫度低且熱量分布均勻。

3.3 導(dǎo)熱介質(zhì)對比實驗

為驗證不同材料的導(dǎo)熱墊片對散熱板整體散熱能力的影響，在相同工況下分別選取不同厚度的錫箔、相變材料、硅脂、白色導(dǎo)熱墊片(BFG-30AD)、黃色導(dǎo)熱墊片(M45-AD)，同時測試不加任何導(dǎo)熱墊片的一組實驗作為對比。相變材料分為固態(tài)和液態(tài)，測試過程需要先測試固態(tài)相變材料的熱阻，然后不通過冷卻水并加熱，達(dá)到熔點溫度后，變?yōu)橐簯B(tài)再通冷卻水進(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 導(dǎo)熱墊片測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of thermal pad

表2中所有被測樣件均在加熱體功率為300 W，水流量為7.1 L/min的條件下測得。由表2可知，各組材料中，液態(tài)相變材料的熱阻最小，由于其本身的材質(zhì)傳熱效率較高，且液態(tài)可以更好的填滿加熱體和散熱板之間的縫隙，提高了傳熱效率，是較為理想的導(dǎo)熱墊片之一。與其導(dǎo)熱能力接近的是硅脂，二者均具有較好的流動性，彌補(bǔ)了接觸面的不平整，導(dǎo)熱能力高于固態(tài)導(dǎo)熱墊片。雖然二者的散熱能力均較好，但液態(tài)導(dǎo)熱介質(zhì)使生產(chǎn)安裝和后期的產(chǎn)品維修困難較大。

對比其他組數(shù)據(jù)，薄錫箔的熱阻相對較低，且經(jīng)過-55 ℃低溫和鹽霧500 h實驗確認(rèn)，薄錫箔仍具有良好的穩(wěn)定性。對加工制造及后期的產(chǎn)品維護(hù)沒有任何影響，其成本優(yōu)勢較大，將會成為后期產(chǎn)品量產(chǎn)時主要的部品之一。

4 結(jié)論

本文通過對比不同制冷劑散熱板加工方式，提出一種快速有效的實驗方法，結(jié)合導(dǎo)熱墊片的優(yōu)選，為制冷劑散熱技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)變頻基板做好了技術(shù)儲備，得到如下結(jié)論：

1)本文提出的制冷劑散熱板的加工方式簡單易行，現(xiàn)有制造能力完全可以滿足，具有更高的經(jīng)濟(jì)性和可制造性，可以使工件的散熱能力得到最大限度的發(fā)揮，保證了較高的散熱效率。

2)本文提出的制冷劑散熱板能力檢測的實驗方式可作為最終制冷劑散熱板加工方式評定的主要標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和實施性，為量產(chǎn)品檢測打好了基礎(chǔ)。

3)導(dǎo)熱墊片的選用，可以填補(bǔ)散熱板和發(fā)熱體之間的微小間隙，彌補(bǔ)了機(jī)加工帶來的缺陷。提高了散熱板和發(fā)熱體間的傳熱效率，同時提高產(chǎn)品的競爭力。