空調(diào)外電控散熱優(yōu)化的仿真與實現(xiàn)

袁厚旺，劉武祥，林毅，單聯(lián)瑜，吳俊鴻

（小米科技（武漢）有限公司，湖北武漢，430075）

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路元器件的集成度越來越高，發(fā)熱量與熱流密度隨之增長。對空調(diào)外電控而言，散熱不佳容易導(dǎo)致壓縮機(jī)限頻甚至元器件老化損壞等問題，用戶體驗和空調(diào)可靠性大受影響。目前市場上空調(diào)外電控慣用的散熱方式為制冷劑與風(fēng)冷散熱兩種，制冷劑散熱方式效果好，但綜合成本高；風(fēng)冷散熱方式可靠性高且成本低，但在高溫環(huán)境下效果不佳。

本文通過對小米空調(diào)外電控盒進(jìn)行仿真測試與實機(jī)實驗分析，在傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱方式的基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)了一種新型負(fù)壓散熱方案，該方案結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，散熱效率高，壽命長，成本低，并且對整機(jī)的能耗無影響，能有效提升空調(diào)外電控的散熱性能。

1 負(fù)壓散熱原理分析

1.1 傳熱過程分析

熱量傳遞包括：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式［1］，熱傳導(dǎo)與熱對流是空調(diào)散熱方案中的主要方式［2］。例如IGBT模塊的散熱過程為：

（1）IGBT內(nèi)部產(chǎn)生熱量向外傳導(dǎo)；

（2）熱量傳導(dǎo)到散熱器；

（3）散熱器通過熱對流的方式與空氣進(jìn)行熱量交換［3］。

1.2 換熱影響因素分析

換熱量計算公式：A=Q/K(Tr-Δt)，式中A為換熱面積，Q為總換熱量，K為材料熱導(dǎo)系數(shù)，Tr為較熱介質(zhì)的平均溫度，Δt為次熱介質(zhì)的平均溫度［4］。以降低介質(zhì)溫度為目標(biāo)，在總換熱量Q恒定時，可通過增加換熱面積A或更換熱導(dǎo)系數(shù)K更佳的材料來實現(xiàn)。出于成本考量，增加換熱面積A的方案可行性最佳。

1.3 實驗方案可行性分析

增加換熱面積A可通過增加進(jìn)風(fēng)量的方式來實現(xiàn)，在進(jìn)風(fēng)量上的改進(jìn)本文采用負(fù)壓散熱［5］的方式進(jìn)行，具體方案流程為：風(fēng)機(jī)腔體與壓縮機(jī)腔體分離，僅在交界的電控盒通風(fēng)口處相連，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時產(chǎn)生負(fù)壓，空氣從壓縮機(jī)腔流向風(fēng)機(jī)腔，風(fēng)道流經(jīng)散熱片，帶動電控板熱量流通，大大增加了空調(diào)外電控的散熱性能，空氣流通過程如圖1所示:

圖1 空氣流通過程圖

在空氣流通過程中，進(jìn)出風(fēng)口開槽和電控盒通風(fēng)口開槽是最容易控制的變量，也是本文方案仿真與實現(xiàn)的重點。

2 電控盒模型仿真

2.1 電控盒散熱模型仿真

本文研究的空調(diào)外機(jī)模型如圖2所示。風(fēng)機(jī)腔體與壓縮機(jī)腔體分離，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時，風(fēng)機(jī)腔體向機(jī)外吹出氣流產(chǎn)生負(fù)壓，壓縮機(jī)腔體與風(fēng)機(jī)腔體通過通風(fēng)口相連，形成的風(fēng)道通過電控盒通風(fēng)口，流經(jīng)散熱片及電控板元器件，從而達(dá)到散熱效果。

圖2 空調(diào)外機(jī)模型

2.2 電控盒散熱風(fēng)道模擬

空調(diào)外電控功率器件裝有散熱片，器件與散熱片之間涂有導(dǎo)熱硅脂，一般散熱片暴露在外機(jī)的風(fēng)道中，當(dāng)空調(diào)工作時室外機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，氣流流經(jīng)散熱片帶走熱量。功率器件通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量輸送給散熱片，電控盒風(fēng)道如圖3所示，通風(fēng)孔氣流矢量如圖4所示。負(fù)壓通風(fēng)散熱中，風(fēng)道的設(shè)計十分關(guān)鍵，在達(dá)到散熱要求的同時，還需考慮三防效果來設(shè)計進(jìn)出風(fēng)口的尺寸和位置。本文方案中空氣通過壓縮機(jī)側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)的喇叭狀散熱槽進(jìn)行流通，在滿足散熱性能的同時兼顧三防效果。

圖3 電控盒風(fēng)道

圖4 通風(fēng)孔氣流矢量圖

圖5 變量模型

3 電控盒散熱實機(jī)測試

實驗以小米空調(diào)新外機(jī)電控盒為樣品，分別監(jiān)測整流橋堆表面溫度、二極管溫度和IGBT的溫度，同時分別對壓縮機(jī)腔體和風(fēng)機(jī)腔體的各兩個模塊的溫度進(jìn)行監(jiān)測。主要控制變量包括：右提手開槽、電控盒通風(fēng)槽長度和頂蓋板散熱孔。其他可控條件包括：通風(fēng)結(jié)構(gòu)、前面板、右側(cè)板、程序、散熱器厚度等。

3.1 右提手開口變更方案實驗

該方案在實驗流程中表現(xiàn)最優(yōu)，在最優(yōu)效果下，右提手開放、電控盒通風(fēng)槽加長8 mm、頂蓋板散熱孔打開，同時通風(fēng)結(jié)構(gòu)全開、前面板加防水擋板（開槽）、右提手加防水擋板、加厚散熱器、前面板封堵。此方案的溫度監(jiān)測對比情況見表1。

表1 右提手開口變更方案溫度監(jiān)測對比

根據(jù)表1可知在室內(nèi)32 ℃，室外43 ℃或48℃的工況下，當(dāng)封堵右提手時，橋堆表面溫度、二極管溫度和IGBT的溫度呈上升趨勢，在壓機(jī)模塊和風(fēng)機(jī)模塊的監(jiān)測點處同樣出現(xiàn)該趨勢，所以提手處的開口對負(fù)壓散熱方案影響效果明顯，能夠顯著提升進(jìn)風(fēng)量，使電控板的主要功率器件溫度降低0.5～3.6℃。

3.2 通風(fēng)槽長度變更方案實驗

將變量控制在電控盒通風(fēng)槽長度上進(jìn)行實驗，所得溫度監(jiān)測對比情況見表2。

表2 通風(fēng)槽長度變更方案溫度監(jiān)測對比

根據(jù)表2可知在室內(nèi)32℃，室外52℃的工況下，通過加長通風(fēng)槽長度可以明顯降低橋堆表面溫度、二極管溫度和IGBT的溫度。加長通風(fēng)槽長度相當(dāng)于提高壓縮機(jī)腔體和風(fēng)機(jī)腔體的風(fēng)道流通效率。在此實驗方案下，壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)腔體的溫度比室內(nèi)32 ℃，室外43℃或48℃工況下的溫度更高，此時通過提高壓縮機(jī)腔和風(fēng)機(jī)腔之間的風(fēng)道流通效率已無法提升散熱效率。

3.3 頂蓋板散熱開孔變更方案實驗

將變量控制為頂蓋板散熱開孔進(jìn)行實驗，所得溫度監(jiān)測對比情況見表3。

表3 頂蓋板散熱開孔變更方案溫度監(jiān)測對比

根據(jù)表3可知，在室內(nèi)32 ℃室外52℃的工況下，僅控制電控盒頂蓋板散熱開孔封堵情況，開孔開放時的溫度相比關(guān)閉時低3.6 ℃，對散熱性能影響顯著。

4 結(jié)論

（1）采用負(fù)壓散熱方案增加右提手處進(jìn)風(fēng)量，可使電控板的主要功率器件橋、二極管、IGBT、風(fēng)機(jī)模塊和壓機(jī)模塊的溫度比現(xiàn)行方案下降0.5～3.6 ℃，對空調(diào)外電控散熱性能提升效果顯著；

（2）采用負(fù)壓散熱方案加長通風(fēng)槽以提高風(fēng)道流通效率，可使電控板的主要功率器件橋、二極管、IGBT、風(fēng)機(jī)模塊和壓機(jī)模塊的溫度比現(xiàn)行方案下降0.3～1.1℃，對空調(diào)外電控散熱性能有提升但不明顯；

（3）采用負(fù)壓散熱方案增加電控盒頂蓋板散熱開孔處進(jìn)風(fēng)量，可使電控板的主要功率器件橋、二極管、IGBT、風(fēng)機(jī)模塊和壓機(jī)模塊的溫度比現(xiàn)行方案下降3.6 ℃左右，對空調(diào)外電控散熱性能提升效果顯著。