空调室外机元器件散热的热设计研究

2019-04-11李树云彭光前吴俊鸿

制冷 2019年1期

李树云，彭光前，吴俊鸿

（珠海格力电器股份有限公司，珠海519070）

1 引言

随着电子技术的迅速发展，电子器件的应用遍布各个领域，同时电子器件尺寸的不断减小、频率和集成度的提高，导致电子单位面积的功率不断增加，进而导致电子器件过热问题越来越突出［1］。实验与研究表明，电子元器件的性能对温度十分敏感，随着温度升高，电子元器件的失效率呈指数增长趋势，环境温度每升高10℃，系统可靠性将降低50%。据统计，超过55%的电子元器件及电子设备的失效是由于温度过高引起的［2－4］。

对于家用空调室外机来讲，其在高外环温运行时，电器盒中的元器件均会产生较多热量，若热量不能快速的散去，就会造成元器件的温度不断上升，导致空调制冷能力下降，严重时会出现频繁的死机或无法正常开机的现象［5］。因此，为了提高空调在高外环温下的制冷能力和可靠性，降低元器件温度显得尤为重要。

针对某款空调室外机压缩机腔内的元器件温度过高的问题，本文利用传热理论和热仿真软件，分析该款空调压缩机腔内的元器件温度过高的原因，并提出了一种较好的解决方案，达到降低元器件温度和提升产品的竞争力的目的。

2 传热学理论

传热学其实就是将发热体产生的热量经散热体快速传至系统外，以保证整个系统运行的稳定性。其中发热体产生的热量主要以热传导、热对流以及热辐射 3种基本方式传递到周围环境［1］［2］。

（1）热传导

物质分子、原子及自由电子等微观粒子通过其热运动使得物体的热量从高温部分传递到低温部分。导热过程中传递的热量按照 Fourier导热定律计算：

式中 Q是热量，W；λ是导热系数，W／m·℃；A是沿传热路径的横截面积，m2；ΔT是热源与低温区的温度差，℃；d是传热距离，m。

（2）热对流

流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程。热对流过程传递的热量按照牛顿冷却定律计算。

Φ＝h·A·ΔT

式中Q是热量，W；h是对流换热系数，W／m2·℃；A是固体壁面换热面积，m2；ΔT是流体与固体的温差，℃。

（3）热辐射

辐射换热指的是物体之间互相辐射和吸收热能的综合效果。辐射热量可由斯蒂芬－玻尔兹曼定律来计算。

Q＝εσ0AT4

式中ε是物体的表面黑度；σ0是斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.67×10－8W／（m2K）；A是辐射面积，m2；T是物体表面热力学温度，K；

2 数学模型构建

2.1 几何模型建立

如图2－1是空调室外机模型的俯视图，模型右侧蓝线框内为空调室外机的压缩机腔，在压缩机腔顶部安装有电器盒（图中黄色），电器盒内有元器件，元器件分布如图2－2所示。

图2 －1 空调室外机模型

图2 －2 电器盒内元器件分布

空调室外机在工作过程中，压缩机腔内的元器件会产生大量的热，当外环温43℃时，实验测试电感温度高达116℃，扼流圈和风机IPM温度则达到110℃和90℃，元器件温度较高会严重影响空调高温下的制冷能力以及产品的可靠性。

图2－3是空调室外机压缩机腔区，压缩机腔内元器件温度高的主要原因是压缩机腔为密闭空间，元器件主要靠辐射和自然对流的方式进行散热，元器件产生的热量不能及时散去，致使元器件温度过高。

所以本文提出了在空调室外机的隔板上进行开孔设置，同时利用空调室外机的风机来驱动压缩机腔内的气流流动，以此加强元器件的强制对流散热。方案如图2－4所示。

图2 －3 室外机压缩机腔区

图2 －4 空调室外机隔板增加引风孔模型

2.2 数学模型建立

简化后的仿真模型如图2－5所示，由于本文研究的是环境温度较高时元器件的温度情况，所以本次仿真环境温度设定为43℃。同时各元器件电感、扼流圈、风机IPM和电容在额定工况下的热功耗分别为6.5w、5.5w、3.3w和1.5w。

物理模型包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，方程分别如下［6］：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

图2 －5 仿真模型简化

能量守恒方程：

对仿真模型进行网格划分，本文采用默认的Mesher－HD网格划分方法，最终生成300万左右网格，网格质量较好，同时流体的流动状态选择湍流，并采用零方程模型。

3 仿真结果分析

通过对空调室外机隔板上有或无引风孔的两种方案进行仿真对比，分析引风孔对元器件降温效果。

表3－1是隔板上有或无引风孔时压缩机腔内元器件温度的仿真数据对比，通过对数据分析可以得到，隔板有引风孔后元器件降温明显，较隔板无引风孔时元器件的温度平均降低12.3℃，其中降温最大的元器件是电感，降温16.8℃，其次是风机IPM降温12.6℃。元器件降温的主要原因是中、小隔板增加引风孔后压缩机腔内的气流流动在风机的作用下得到提升，元器件产生的热量可以很快的被流动的气流带走，因此达到降低温度的效果。