變頻空調(diào)器電子元器件板肋式散熱器仿真與優(yōu)化

空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海格力電器股份有限公司 陳 紅 廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海格力電器股份有限公司 趙樹(shù)男

0 引言

變頻空調(diào)室外機(jī)電子元器件一般封裝在電器盒內(nèi)，避免因接觸水、灰塵等造成主板短路燒毀或者漏電安全隱患。高溫天氣機(jī)組運(yùn)行時(shí)，功率器件發(fā)熱量大，封閉的保護(hù)結(jié)構(gòu)造成散熱困難，器件表面易快速達(dá)到限溫保護(hù)，導(dǎo)致機(jī)組頻繁降頻或死機(jī)，嚴(yán)重影響用戶正常使用。長(zhǎng)期高溫的工作環(huán)境也會(huì)給電子元器件的可靠性及壽命帶來(lái)不利影響。研究數(shù)據(jù)表明，器件溫度每升高1 ℃，可靠性下降5%[1]。設(shè)計(jì)合理的散熱方案是提高空調(diào)產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。散熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)包括風(fēng)冷冷卻、液體冷卻[2]、半導(dǎo)體制冷、熱管技術(shù)[3]、液氮冷卻等。受成本、安裝空間及可靠性等因素制約，傳統(tǒng)的風(fēng)冷冷卻仍為工程應(yīng)用首選方案。

由于風(fēng)扇噪聲和可靠性等問(wèn)題對(duì)風(fēng)冷散熱方案的限制，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱效能較低，一般不超過(guò)1 W/cm2[4]。當(dāng)散熱環(huán)境惡劣、散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳時(shí)，無(wú)法充分滿足散熱需求。研究人員從肋片參數(shù)、形狀、風(fēng)道結(jié)構(gòu)等方面對(duì)散熱器性能進(jìn)行了大量研究。Arularasan等人仿真研究了風(fēng)量25.5 m3/h、熱功率100 W時(shí)，不同幾何參數(shù)板肋式散熱器的性能，分析了各參數(shù)對(duì)壓降及熱阻的影響，提出了仿真條件下最佳參數(shù)組合的肋片結(jié)構(gòu)[5]。Rao等人研究了TLBO算法在板肋式散熱器多目標(biāo)設(shè)計(jì)中的適用性，提出了優(yōu)化的散熱器結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)空氣流通冷卻系統(tǒng)板肋式散熱器的動(dòng)態(tài)散熱性能優(yōu)于沖擊流系統(tǒng)[6]。Yuan等人對(duì)肋間加工有銷(xiāo)釘?shù)陌謇呤綋Q熱器進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，銷(xiāo)釘直徑和風(fēng)速對(duì)熱工性能有顯著影響，排列方式及距離等影響不顯著[7]。Ismail等人對(duì)開(kāi)孔肋片的湍流特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圓形開(kāi)孔肋片比其他形狀開(kāi)孔肋片具有更好的流動(dòng)特性及散熱性能[8]。Mohan等人仿真分析了配合風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，肋片各參數(shù)對(duì)散熱性能的影響，基板厚度為2.5～5.0 mm、肋片厚度為0.5～1.5 mm范圍內(nèi)，隨著基板、肋片厚度增大，散熱性能得到強(qiáng)化[9]。李樹(shù)云等人通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩、引風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)，改變了散熱器所處流場(chǎng)環(huán)境以提高散熱性能，元器件表面溫度得以大幅降低[10-11]。劉伯春對(duì)散熱器周?chē)L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)優(yōu)化散熱器的安裝位置獲得更優(yōu)的散熱條件，如來(lái)流風(fēng)速、溫度等，提升其散熱效果[1]。

板肋式散熱器的性能不僅受來(lái)流方向、速度和溫度的影響，還與熱源分布和肋片結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。本文通過(guò)數(shù)值仿真分析研究各因素對(duì)電子元器件板肋式散熱器散熱的影響，并分析已有板肋式散熱器的不足，提出一種新型板肋式散熱器，有效解決某型變頻空調(diào)室外機(jī)高溫天氣元器件溫度超標(biāo)導(dǎo)致機(jī)組異常的問(wèn)題。

1 研究對(duì)象

板肋式散熱器裝設(shè)于室外機(jī)風(fēng)機(jī)腔內(nèi)，肋片朝下，通過(guò)基板與置于上端的電子元器件緊密貼合對(duì)其進(jìn)行散熱，見(jiàn)圖1、2。接觸面的導(dǎo)熱作用將電子元器件的產(chǎn)熱傳遞至散熱器基板及肋片，在風(fēng)扇抽吸作用下，散熱器表面與流經(jīng)的空氣發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流換熱，熱量隨空氣排出風(fēng)機(jī)腔實(shí)現(xiàn)持續(xù)散熱。

圖1 室外機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

注：IGBT為絕緣雙極晶體管；IPM為智能功率模塊。圖2 電子元器件分布示意

以板肋式散熱器為研究對(duì)象，計(jì)算分析其結(jié)構(gòu)對(duì)電子元器件散熱性能的影響。重點(diǎn)考察散熱片溫度均勻性及電子元器件表面溫度，電子元器件表面溫度最高不得超過(guò)90 ℃。物理建模時(shí)，同時(shí)設(shè)置散熱器固體域及外場(chǎng)空氣域，以考慮散熱片周?chē)諝饬鲃?dòng)狀態(tài)對(duì)散熱性能強(qiáng)化作用的影響。為避免模型太過(guò)復(fù)雜，導(dǎo)致仿真資源無(wú)法滿足或計(jì)算收斂性差，對(duì)實(shí)機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取板肋式散熱器周?chē)鷧^(qū)域(300 mm×300 mm×360 mm)建立幾何計(jì)算模型。模型中不考慮室外機(jī)風(fēng)扇及冷凝換熱器，通過(guò)在入口面設(shè)置速度邊界實(shí)現(xiàn)來(lái)流空氣模擬計(jì)算。散熱器基板尺寸為200 mm×100 mm×4 mm，肋片高度、厚度分別為60、1 mm，采用不等間距排列，間距取5～9 mm。具體幾何模型見(jiàn)圖3。

圖3 散熱器幾何計(jì)算模型

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

板肋式散熱器性能仿真包括散熱器基板及肋片固體導(dǎo)熱仿真和其所處空氣流場(chǎng)的流動(dòng)傳熱仿真，需同時(shí)劃分散熱器固體網(wǎng)格和空氣流體網(wǎng)格。使用ICEM軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖4所示。網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置需綜合考慮計(jì)算精度及成本[12]。

圖4 網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算模型

本文所涉及的傳熱過(guò)程僅考慮導(dǎo)熱和對(duì)流，忽略熱輻射。

熱對(duì)流包括強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流。一般地，當(dāng)Gr/Re2≥0.01時(shí)(其中Gr為格拉曉夫數(shù)；Re為雷諾數(shù))，自然對(duì)流的影響不能忽略[13]。

(1)

式中g(shù)為自由落體加速度；β為熱膨脹系數(shù)；Δt為壁面溫度與環(huán)境溫度之差；l為特征長(zhǎng)度；u為流體速度。

按式(1)計(jì)算得到空氣的Gr/Re2值約為0.4，仿真模型需考慮浮升力作用。

β可近似表示為

(2)

式中ρ為流體密度；t為流體溫度。

為便于計(jì)算自然對(duì)流，采用Boussinesq假設(shè)[14]，對(duì)動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的密度項(xiàng)按式(3)進(jìn)行計(jì)算，其他項(xiàng)密度均作常數(shù)處理。

ρ=ρ0[1-β(t-to)]

(3)

式中ρ0為流體的參考密度(常數(shù))；to為操作(工作或環(huán)境)溫度。

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，質(zhì)量、能量、動(dòng)量通用控制方程為[15]

(4)

式中τ為時(shí)間；?為通用變量；U為速度矢量；Γ?為廣義擴(kuò)散系數(shù)。

使用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器，開(kāi)啟自由落體加速度項(xiàng)。湍流模型選用RealizableK-ε兩方程模型，近壁面用壁面函數(shù)處理法。壓力項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式，動(dòng)量項(xiàng)、能量項(xiàng)采用QUICK離散格式，壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法[16]。對(duì)模型內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，監(jiān)測(cè)電子元器件表面溫度。質(zhì)量、動(dòng)量方程殘差達(dá)到1×10-3，能量方程殘差達(dá)到1×10-6，監(jiān)測(cè)溫度基本不變時(shí)，即認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂[12]。

2.3 物性處理與邊界條件

空氣密度參數(shù)設(shè)置為Boussinesq模型，其他物性參數(shù)均設(shè)置為常數(shù)。散熱器壁面按鋁材設(shè)定，密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等均為常數(shù)。

在功率器件、散熱片和風(fēng)道等區(qū)域連接處設(shè)置接觸。固-固交界面通過(guò)界面處的傅里葉熱傳導(dǎo)方程，實(shí)現(xiàn)熱源與散熱器間的傳熱模擬[17]。流-固交界面設(shè)置為耦合邊界，軟件耦合求解對(duì)流傳熱方程，并自行傳遞兩域間計(jì)算參數(shù)。

設(shè)定功率器件為體熱源，根據(jù)發(fā)熱功率與體積的比值計(jì)算體熱源密度。其中，整流橋發(fā)熱功率取35 W，IPM模塊為40 W，2個(gè)IGBT、二極管均為15 W。

幾何模型各壁面邊界設(shè)置如下：

1) 后側(cè)壁面為速度入口邊界，根據(jù)樣機(jī)實(shí)測(cè)風(fēng)速設(shè)置入口風(fēng)速1.6 m/s，溫度48 ℃；

2) 左、下側(cè)壁面為壓力出口邊界；

3) 其他壁面均設(shè)置為絕熱壁面。

3 散熱器仿真分析

對(duì)原型散熱器進(jìn)行仿真計(jì)算，并使用CFD Post后處理軟件進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析。

3.1 流場(chǎng)

板肋式散熱器及其周?chē)諝獾乃俣仁噶咳鐖D5所示。從圖5b可以看出：空氣垂直于通道截面進(jìn)入散熱器流道后，速度矢量沿肋片長(zhǎng)度方向重新分布；靠近基板壁面空氣流速逐漸降低，沿氣體行經(jīng)路程低速區(qū)域逐步擴(kuò)大。分析認(rèn)為，空氣流經(jīng)基板固定壁面時(shí)，受摩擦力作用，貼近壁面的流速降低[13]。在基板的起始段，低速區(qū)域很小，沿著肋片長(zhǎng)度方向，由于壁面黏滯力的影響逐漸向流體內(nèi)部傳遞，低速區(qū)域逐漸增大。同時(shí)，散熱器處于外部自由流場(chǎng)空間中，受阻力作用影響，大部分空氣垂直進(jìn)入肋片通道后，通過(guò)下部自由出口離開(kāi)肋片通道。這兩方面因素使得空氣流動(dòng)背離基板方向，運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)彎曲形態(tài)，肋片出口截面流量遠(yuǎn)小于肋片入口截面。

圖5 散熱器速度矢量圖

原型散熱器設(shè)計(jì)有不同間距肋片，見(jiàn)圖5c。單個(gè)通道內(nèi)，靠近兩側(cè)肋片壁面的空氣流速低，中心位置流速高；間距大的通道平均流速高于間隙小的通道。單個(gè)通道兩側(cè)均有固定壁面，下部為自由出口，使得通道內(nèi)空氣流動(dòng)類(lèi)似于管道流形態(tài)，黏滯力作用區(qū)域局限在靠近兩側(cè)壁面的薄層內(nèi)，中心區(qū)域黏滯力造成的切應(yīng)力可忽略不計(jì)，導(dǎo)致中心區(qū)域流速遠(yuǎn)高于壁面處。同時(shí)，黏滯力作用以流動(dòng)阻力為表現(xiàn)形式，通道越窄，流動(dòng)阻力越大，通道內(nèi)空氣的平均流速就越小。

由以上分析可知，沿肋片長(zhǎng)度方向，基板處空氣低速區(qū)逐漸增大，肋片通道中空氣流量減小，散熱條件變差。隨著肋片間距的減小，通道流動(dòng)阻力變大也會(huì)減小空氣流量，但肋片間距減小，意味著在散熱器原基板尺寸上可以設(shè)計(jì)更多的肋片以增大散熱面積，因此肋片間距、長(zhǎng)度、數(shù)量等因素需要綜合考慮。

3.2 散熱器表面溫度場(chǎng)

從圖6所示的溫度分布云圖可以看出，散熱器表面溫度沿肋片長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)入口低、出口高的特點(diǎn)；沿肋片高度方向，受導(dǎo)熱與對(duì)流耦合作用影響，溫度呈弧線梯度降低趨勢(shì)。各元器件表面溫度，IPM模塊最高，IGBT次之，二極管最低。

圖6 散熱器表面溫度分布云圖

根據(jù)流場(chǎng)分析可知，空氣流經(jīng)散熱器時(shí)，靠近基板區(qū)域的空氣流速較低，對(duì)流傳熱減弱，導(dǎo)熱占主導(dǎo)地位。在肋片長(zhǎng)度方向，受壁面黏滯力影響，低速區(qū)域逐步擴(kuò)大，空氣導(dǎo)熱層厚度隨之增大，換熱效率越來(lái)越低；同時(shí)，入流空氣通過(guò)與基板及肋片壁面接觸吸收器件產(chǎn)熱，受浮升力影響，熱量沿著肋片長(zhǎng)度方向發(fā)生累積，空氣溫度升高，傳熱動(dòng)力逐漸減小，進(jìn)一步惡化了肋片尾端散熱環(huán)境。沿肋片高度方向，空氣溫度不同導(dǎo)致密度的差異。在密度差作用下，熱空氣上浮聚集在基板區(qū)域，使得基板壁面散熱受阻，熱量通過(guò)肋片根部沿高度方向進(jìn)行傳導(dǎo)。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，距離熱源越遠(yuǎn)，肋片溫度越低。且肋片遠(yuǎn)端空氣溫度較低，流速較高，對(duì)流作用較肋片根部強(qiáng)烈。因此，肋片高度方向表現(xiàn)出溫度逐漸降低的趨勢(shì)。

各元器件體熱源密度大小及所處散熱環(huán)境的優(yōu)劣影響了其表面溫度高值的差異分布。體熱源密度大小排序?yàn)椋赫鳂?IGBT>IPM模塊>二極管，而散熱環(huán)境優(yōu)劣排序?yàn)椋赫鳂?IGBT、二極管>IPM模塊。兩因素綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致IPM模塊溫度過(guò)高，成為限制機(jī)組正常工作的瓶頸。

對(duì)原型散熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以考察仿真模擬計(jì)算的可靠性。測(cè)試數(shù)據(jù)及模擬值的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試值與模擬值的對(duì)比

結(jié)果顯示，模擬與測(cè)試值偏差不超過(guò)10.8%。計(jì)算結(jié)果與測(cè)試值總體偏差不大，且沿空氣流動(dòng)方向元器件溫度分布趨勢(shì)一致，因此，認(rèn)為仿真模型的數(shù)值結(jié)果是合理的，可用于優(yōu)化方案仿真分析。仿真誤差來(lái)源如下：計(jì)算模型忽略了流體特性隨溫度的變化；未考慮散熱器與環(huán)境間輻射熱傳遞；器件實(shí)際運(yùn)行功率與模型設(shè)定發(fā)熱功率存在一定差異。

4 優(yōu)化方案

低風(fēng)速散熱環(huán)境下，單向長(zhǎng)肋片板肋式散熱器尾端的空氣流量小，且溫度較高，散熱效果不佳，導(dǎo)致IPM模塊表面溫度超限。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)原型散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由圖5a可知，空氣從進(jìn)風(fēng)面垂直進(jìn)入后，部分沿肋片外側(cè)繞流后轉(zhuǎn)向出風(fēng)。此部分空氣不僅流速較高，且溫度較低，十分利于散熱。因此，在散熱器尾端設(shè)計(jì)橫向肋片，引入繞流空氣解決尾端空氣流量小且溫度較高的問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)肋片長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致基板附近低速熱空氣聚集，影響器件及時(shí)排熱，優(yōu)化的散熱器將肋片沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行分段，段間設(shè)計(jì)旁通間隙，使得緊貼基板的低速熱空氣可從間隙排出，改善基板散熱環(huán)境。

優(yōu)化的板肋式散熱器，分3段進(jìn)行肋片布置。第1、2段為豎向肋片，第3段為橫向肋片。各段肋片間設(shè)計(jì)旁通間隙，第2、3段肋片通過(guò)“L”形肋片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分隔。肋片厚度保持不變，間距取5 mm，使得原有基板尺寸不變條件下，肋片數(shù)量可增加2片。對(duì)于空氣低速區(qū)，散熱面積的增加對(duì)于能效改善效果較好。

肋片具體布置見(jiàn)圖7a，幾何模型見(jiàn)圖7b。

圖7 散熱器優(yōu)化結(jié)構(gòu)

采用已驗(yàn)證的仿真模型對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)散熱器進(jìn)行仿真計(jì)算與分析。優(yōu)化結(jié)構(gòu)散熱器速度矢量分布見(jiàn)圖8，表面溫度分布見(jiàn)圖9。

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)散熱器速度矢量圖

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)散熱器溫度分布云圖

由圖8可以看出，沿肋片外側(cè)繞流的部分空氣，在阻力調(diào)節(jié)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向進(jìn)入橫向肋片通道。受慣性作用力影響，橫向肋片始端的肋片通道空氣流量較小，隨著行程路徑增長(zhǎng)，進(jìn)入橫向肋片進(jìn)行對(duì)流換熱的空氣流量逐漸增大。橫向肋片通道平均流速達(dá)到0.6 m/s左右，相較原型散熱器有明顯提升。在第2、3段肋片間設(shè)計(jì)的“L”形肋片有效分隔了豎向肋片通道與橫向肋片通道，避免豎向肋片通道中吸收了整流橋、二極管、IGBT器件產(chǎn)熱的空氣進(jìn)入橫向肋片通道，不利于IPM模塊散熱。

肋片下部遠(yuǎn)離基板的空氣流速遠(yuǎn)高于靠近基板的空氣，相應(yīng)地，其受慣性力作用的影響也較大。因此，肋片下部的稍高流速的空氣更易從散熱器底部排出；而緊貼基板的熱空氣因流速接近于0，更易受熱空氣膨脹力的作用從旁通間隙排出，匯入散熱器外側(cè)空氣場(chǎng)。旁通間隙的設(shè)計(jì)有利于分段排熱，減少熱量的累積。

對(duì)比圖6、9可知：元器件及肋片表面溫度顯著降低；橫向肋片通道，始端肋片溫度稍高，尾端肋片溫度稍低，整體溫度均低于原型散熱器；兩段豎向肋片通道，長(zhǎng)度、高度方向溫度梯度較原型散熱器均有明顯減小，且肋片間溫差減小，均勻性得到改善。

根據(jù)流場(chǎng)分析可知，橫向肋片始端通道流量稍小，隨行程路徑增長(zhǎng)，流量逐漸增大，因此溫度表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。而且，由于隔斷了散熱器前端傳遞過(guò)來(lái)的熱量，并通過(guò)錯(cuò)向設(shè)計(jì)引入了繞流低溫空氣，使得IPM模塊所處區(qū)域肋片散熱效果得到較大提升。

對(duì)于豎向肋片通道，基板處熱空氣從旁通間隙排出，使得空氣導(dǎo)熱層厚度減小，熱阻降低。相較原型散熱器，元器件產(chǎn)熱能更快地從基板傳遞給空氣進(jìn)行散熱，散熱效率提升。

優(yōu)化前后元器件表面平均溫度如圖10所示。相較原型散熱器，優(yōu)化方案各元器件溫度降低約 2.8～4.6 ℃。定義溫降值與優(yōu)化前溫度值的比值為優(yōu)化率，則該優(yōu)化方案的優(yōu)化率為3.2%～5.5%，優(yōu)化效果明顯。其中，IPM模塊由超限溫度90.5 ℃下降至87.6 ℃，可充分保障機(jī)組正常使用。

受外側(cè)高速空氣流動(dòng)慣性影響，靠近“L”形肋片的橫向肋片區(qū)域流量較小，可通過(guò)調(diào)節(jié)橫向肋片占比進(jìn)一步優(yōu)化散熱器能力。

5 結(jié)論

1) 使用Fluent進(jìn)行板肋式散熱器仿真模擬，模擬與測(cè)試值偏差不超過(guò)10.8%，可為板肋式散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

2) 低風(fēng)速散熱環(huán)境下，板肋式散熱器散熱效果受肋片長(zhǎng)度、間距、數(shù)量等因素影響。沿肋片長(zhǎng)度方向，肋片內(nèi)的風(fēng)量逐漸減小，溫度逐漸升高，不利于散熱。肋片間距越小，通道流動(dòng)阻力越大，流量越小。肋片數(shù)量越多，可用散熱面積越大，越有利于散熱。在散熱器一定尺寸條件下，需綜合考慮各因素的耦合效果。

3) 對(duì)處于較低風(fēng)速散熱環(huán)境的板肋式散熱器，可采用多段肋片、錯(cuò)向肋片的設(shè)計(jì)來(lái)改善散熱效果。多段肋片的段間間隙，可及時(shí)排出貼附基板的吸熱空氣，減小傳熱熱阻；錯(cuò)向肋片流道，使得散熱器的入口面積增大，參與有效散熱的空氣流量增大，且入口空氣溫度較低，傳熱動(dòng)力大，也有利于快速散熱。本文原型散熱器經(jīng)優(yōu)化后，各元器件溫度降低2.8～4.6 ℃，優(yōu)化率約為3.2%～5.5%。