基于ARIZ的變頻柜內(nèi)功率器件散熱創(chuàng)新設(shè)計(jì)

曹巍 劉玲

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

ARIZ是俄文中發(fā)明問題解決算法的縮寫。阿奇舒勒自1956年開始就致力于開發(fā)系統(tǒng)化的、逐步解決工程問題的工具ARIZ。ARIZ是經(jīng)典TRIZ理論（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）中非常強(qiáng)大的綜合性工具，通常被用來解決一些復(fù)雜度比較高的問題[1]。

本文通過運(yùn)用ARIZ算法對變頻柜內(nèi)功率器件的散熱進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并對方案進(jìn)行初步評價和應(yīng)用探討。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來進(jìn)一步佐證方案的可行性。

1 問題情境

1.1 問題描述

變頻柜，主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、驅(qū)動單元、制動單元、檢測單元等組成。變頻柜靠內(nèi)部的功率器件（通常為IGBT，絕緣柵雙極型晶體管）的高速開斷來調(diào)整輸出的電壓和頻率，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能的目的。

當(dāng)高速大功率變頻離心冷水機(jī)組工作時，機(jī)組上的變頻柜內(nèi)功率器件溫度很高，容易因冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良而發(fā)生故障，如果不采取有效的降溫措施，高速大功率變頻離心冷水機(jī)組很難突破大冷量的瓶頸。功率器件的散熱設(shè)計(jì)直接決定變頻柜能否可靠工作、持久耐用[2]。據(jù)悉，功率器件的故障率占變頻柜總故障的50%左右，而功率器件價格昂貴，占變頻柜總價的20%左右[3]。對變頻柜內(nèi)功率器件的散熱進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，減少功率器件故障發(fā)生，對降本增效具有長遠(yuǎn)意義。

1.2 問題發(fā)生的條件

大功率變頻柜內(nèi)功率器件因溫度過高而發(fā)生故障主要出現(xiàn)在：（1）變頻柜輸入功率大于700 kW；（2）磁懸浮電機(jī)轉(zhuǎn)速大于7500 r/min；（3）變頻離心冷水機(jī)組單機(jī)冷量大于1000 RT。

1.3 現(xiàn)有解決方案及存在的缺陷

目前，現(xiàn)有技術(shù)對降低大功率變頻柜內(nèi)功率器件的溫度采取的措施有：（1）自然冷卻。在變頻柜外殼開窗形成對流給柜內(nèi)功率器件散熱，但柜體防護(hù)等級降低，受防塵防水要求所局限[4]。（2）傳統(tǒng)的強(qiáng)化換熱。給功率器件貼裝翅片散熱器，柜內(nèi)加裝多個冷卻風(fēng)扇，但風(fēng)扇使用壽命有限，易損難維護(hù)[5]。（3）新型的強(qiáng)化換熱。將功率器件貼于液冷散熱器表面，冷卻效果好，但散熱器安裝復(fù)雜，存在制冷劑泄漏風(fēng)險(xiǎn)，且容易在散熱器表面產(chǎn)生冷凝水[6]。

1.4 明確要解決的問題

國外頂尖品牌磁懸浮變頻離心機(jī)組單機(jī)冷量在1000 RT以下，我司自主研發(fā)的磁懸浮變頻離心機(jī)組單機(jī)頭冷量可達(dá)1000 RT以上。機(jī)組冷量越大，功率器件的溫度越高，對變頻柜的散熱要求越高。在同等工況下，基于現(xiàn)有技術(shù)，國外頂尖品牌的變頻柜內(nèi)功率器件溫度為41℃，我司的為43℃。本文通過運(yùn)用ARIZ創(chuàng)新工具，在不增加變頻柜成本和體積的前提下，使功率器件降溫10%。

2 ARIZ的應(yīng)用流程

在應(yīng)用ARIZ的過程中，通過ARIZ的引導(dǎo)，可正確運(yùn)用TRIZ工具來解決復(fù)雜的工程問題，快速接近最優(yōu)解[7]。如圖1所示，ARIZ總共分9大步驟。每一步驟又分為很多子步驟，涵蓋了問題分析、資源分析、各種解決問題的TRIZ工具等[8]。

圖1 ARIZ的應(yīng)用流程

2.1 分析問題

通過分析可將最小問題定義為：很有必要對系統(tǒng)做最小改變，在降低功率器件的溫度的同時，又不增加散熱裝置的能耗。這里所指的系統(tǒng)包含散熱裝置（含散熱器和風(fēng)機(jī)）和空氣。在技術(shù)矛盾中識別出工具為空氣，產(chǎn)品為功率器件。如圖2所示，建立技術(shù)矛盾的圖解模型。分別從正反兩方面描述技術(shù)矛盾。

圖2 技術(shù)矛盾的圖解模型

選擇一個矛盾作為問題求解方向，該技術(shù)系統(tǒng)中選擇的矛盾是降低功率器件的溫度，但會增加散熱裝置的能耗。通過將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為極限狀態(tài)的方式來激化矛盾：空氣換熱量極多，功率器件溫度極低，但散熱裝置的能耗極大。通過引入X元素可以解決矛盾，既能在空氣換熱量很大時大幅度降低功率器件的溫度，又能不增加散熱裝置的能耗。通常，增加風(fēng)機(jī)數(shù)量或加大單個風(fēng)機(jī)的功率可以增加空氣的換熱量。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解來解決問題?？諝鈸Q熱量大會增加散熱裝置的能耗，為有害物場模型，可考慮運(yùn)用第1.2類標(biāo)準(zhǔn)解10：通過改變現(xiàn)有物質(zhì)來消除有害作用[9]。在不增加風(fēng)機(jī)功率的前提下，以下3個方案可增加空氣換熱量或提高空氣換熱效率。

方案1：將蜂窩式進(jìn)風(fēng)孔改為格柵式進(jìn)風(fēng)孔；方案2：合理設(shè)計(jì)變頻柜內(nèi)風(fēng)道；方案3：合理設(shè)計(jì)變頻柜進(jìn)風(fēng)孔的位置。方案3如圖3所示，運(yùn)用仿真工具，設(shè)計(jì)變頻柜殼體的開孔位置，減少回流影響，增加空氣換熱量。

圖3 變頻柜進(jìn)風(fēng)孔處的流體仿真圖

2.2 問題分析模型

通過應(yīng)用以上方案，問題得到解決，同時為了獲得多個解決方案，進(jìn)入到步驟2：問題分析模型。定義矛盾作用區(qū)域，空氣有用作用區(qū)域：冷卻功率器件的區(qū)域；空氣有害作用區(qū)域：增加散熱裝置能耗的區(qū)域。兩個區(qū)域在空間上不存在重疊，沖突可在空間上嘗試分離。同理，冷卻功率器件的時間和增加散熱裝置能耗的時間在時間上不存在重疊，沖突可在時間上嘗試分離[10]。

對系統(tǒng)進(jìn)行物場資源（SFR）分析，如表1所示。

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表1 系統(tǒng)的物質(zhì)場資源

2.3 定義最終理想解和物理矛盾

定義最終理想解1：在操作區(qū)域內(nèi)，操作時間段內(nèi)，不使系統(tǒng)變復(fù)雜的條件下，引入X元素，降低功率器件的溫度，不增加散熱裝置的能耗。

激化理想解1：不能引入新的物質(zhì)和場，必須應(yīng)用已有的物場資源，利用2.2小節(jié)中識別的所有SFR逐個替換X元素。如圖4所示，應(yīng)用資源：散熱器，得到方案4：散熱器的肋片豎直方向不變，將水平方向設(shè)計(jì)成齒狀；應(yīng)用資源：制冷劑，得到方案5：在散熱器的肋片上插入冷管通入制冷劑，進(jìn)一步降溫。

圖4 散熱器肋片的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

從宏觀層面定義物理矛盾。在操作空間和操作時間內(nèi)，找到系統(tǒng)內(nèi)X元素，使得系統(tǒng)的散熱量既要多又要少。散熱量要求多是因?yàn)橐档凸β势骷臏囟?，散熱量少是因?yàn)橐档蜕嵫b置的能耗。可利用散熱器這個資源，如圖5所示，得到方案6：將實(shí)心散熱器設(shè)計(jì)成內(nèi)部中空的鉆孔式散熱器，散熱器帶走功率器件熱量，對其進(jìn)行冷卻。

圖5 散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

識別微觀層面的物理矛盾。在操作空間和時間內(nèi)，找到系統(tǒng)內(nèi)X元素，使得系統(tǒng)的散熱粒子既要多又要少。散熱粒子要求多是因?yàn)閹ё叩臒崃慷?，功率器件降溫快；散熱粒子要求少是因?yàn)樽龉ι?，散熱裝置能耗少。如圖6所示，仍可利用散熱器這個資源，得到方案7：將散熱器內(nèi)部設(shè)計(jì)為流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通過制冷劑帶走緊貼其表面的功率器件的熱量。

圖6 流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)散熱器

定義最終理想解2：在操作區(qū)域內(nèi)，功率器件的溫度極低，不增加散熱裝置的能耗，同時又不會因溫度過低產(chǎn)生冷凝水。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決最終理想解2的物理矛盾。在操作空間和時間內(nèi)，找到系統(tǒng)內(nèi)X元素，使得散熱器的溫度既要高又要低。運(yùn)用分離法則，得到了如表2所示的四個方案。相較于2.1小節(jié)中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決問題，這里問題分析得更加深入，便于更好地應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決原問題。

表2 運(yùn)用物理矛盾得到的技術(shù)方案

至此，問題已得到解決。為了獲得更多方案，繼續(xù)進(jìn)行ARIZ應(yīng)用流程的步驟。

3 運(yùn)用擴(kuò)展物場資源

用聰明小人法進(jìn)行問題描述：A小人為散熱器的內(nèi)壁，B小人為制冷劑。制冷劑會貼著散熱器的內(nèi)壁流動。改進(jìn)方案需在單位時間內(nèi)，使B小人帶走的熱量多。想到一種方法：加入C小人（擋板），B小人（制冷劑）會在C小人和A小人（內(nèi)壁）間的流道內(nèi)移動。方案12：在散熱器流道內(nèi)增加擋板，使其從單流道變?yōu)槎嗔鞯溃瑥亩评鋭┓植几鶆?，其利用率也得以提高?/p>

從理想解“回退一步”。目前存在的問題是很難在使用液冷板散熱器時對功率器件降溫，同時又不產(chǎn)生冷凝水。但若通過加入不產(chǎn)生冷凝水的冷源應(yīng)該也是可以的。方案13：在變頻柜內(nèi)增加蒸發(fā)器，提供新熱場。

嘗試使用物質(zhì)資源的混合體來解決問題。真空也可以看作是一種物質(zhì)。方案14：將變頻柜內(nèi)部抽真空并置于真空環(huán)境，散熱器給功率器件降溫時，柜內(nèi)不會產(chǎn)生冷凝水。

嘗試運(yùn)用派生資源。派生資源可以通過物質(zhì)資源的相態(tài)變化來獲得。方案15：通過采集散熱器制冷劑進(jìn)出口的溫度變化值來控制閥門的開度，從而實(shí)時調(diào)整制冷劑的流量，不產(chǎn)生冷凝水。

嘗試?yán)梦飯鲑Y源和場敏感物質(zhì)解決問題。方案16：在變頻柜前端配置有源濾波器來消除電網(wǎng)的諧波，從而減少功率器件的損耗和發(fā)熱量，降低功率器件的溫度。

引入電場。方案17：用電場控制功率器件開關(guān)的開斷，采用五段式PWM波控制，相較于七段式PWM波控制，功率器件的開關(guān)損耗更小，發(fā)熱量更少。

通過以上分析步驟，問題表述更接近問題本質(zhì)。方案6～11應(yīng)用了知識庫（效應(yīng)庫、標(biāo)準(zhǔn)解和發(fā)明原理），問題得到了有效解決。

由于前面已經(jīng)產(chǎn)生了滿足最終理想解的方案：降低功率器件的溫度，不增加變頻柜的能耗，系統(tǒng)不會更復(fù)雜，并且不產(chǎn)生有害作用，所以不用變換或者替換問題去求解方案了。

4 方案驗(yàn)證

對方案進(jìn)行匯總，共計(jì)得到17個創(chuàng)新方案，簡要評估后，為了降低變頻柜內(nèi)功率器件的溫度，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終采取的綜合方案得到了新型的散熱系統(tǒng)：采用毛細(xì)結(jié)構(gòu)多流道散熱器，在散熱器的安裝面加導(dǎo)熱材料并在外部包海綿；設(shè)計(jì)變頻柜進(jìn)風(fēng)孔的位置、數(shù)量、大小，并改為格柵式進(jìn)風(fēng)孔；增加蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的位置及變頻柜的風(fēng)道。如圖7所示，經(jīng)過綜合運(yùn)用以上方案，對表面貼裝了IGBT和二極管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)多流道散熱器進(jìn)行仿真，IGBT最高溫度與散熱器制冷劑出口溫度接近，為38.6℃，變頻柜內(nèi)功率器件相較于方案實(shí)施前的43℃降低了10.2%。

圖7 流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)散熱器仿真圖

將液冷板的流道設(shè)計(jì)成不對稱，并在外部包裹海綿，上機(jī)組測試，機(jī)組運(yùn)行2小時，可達(dá)到設(shè)定工況。功率器件的溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，IGBT最高溫度為38.5℃，與仿真結(jié)果相近。變頻柜內(nèi)功率器件相較于方案實(shí)施前的43℃降低了10.4%。從而進(jìn)一步證明，通過散熱方案的優(yōu)化，可極大提高功率器件的利用率，即變頻柜為達(dá)到相同輸出功率，在采用新型散熱系統(tǒng)的前提下，可選擇低功率等級的功率器件，實(shí)現(xiàn)成本降低。

表3 散熱器表面功率器件的溫度

5 結(jié)論

本文通過運(yùn)用ARIZ算法來解決降低變頻柜內(nèi)功率器件溫度，同時又不增加散熱裝置的能耗的問題。針對該問題，定義了最終理想解和物理矛盾，運(yùn)用了擴(kuò)展的物場資源和效應(yīng)庫、標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明原理等TRIZ創(chuàng)新工具，得到了17個創(chuàng)新方案，通過方案評估、綜合運(yùn)用，為降低變頻柜內(nèi)部功率器件的溫度，設(shè)計(jì)了新型散熱系統(tǒng)：采用不對稱、毛細(xì)結(jié)構(gòu)、多流道散熱器，在散熱器的功率器件安裝面加導(dǎo)熱材料，在散熱器外部包海綿；設(shè)計(jì)變頻柜進(jìn)風(fēng)口數(shù)量、位置、大小，并改為格柵式進(jìn)風(fēng)孔；增加蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的位置及變頻柜的風(fēng)道。對方案加以仿真和驗(yàn)證，變頻柜內(nèi)功率器件的溫度降低了10%以上，目標(biāo)達(dá)成。通過散熱方案的優(yōu)化，極大提高了功率器件的利用率。在達(dá)到相同輸出功率前提下，可選擇低功率等級的功率器件，實(shí)現(xiàn)成本降低。