基于Icepak变频空调主板散热器优化设计

张园 马海林 赖孝成 江世恒

ZHANG Yuan MA Hailin LAI Xiaocheng JIANG Shiheng

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

Zhuhai Gree Electrical Appliance Co., Ltd. Zhuhai 519070

1 引言

变频空调主板上存在整流桥、IGBT、二极管等功率发热元器件，空调高温制冷时，由于工况恶劣，压缩机负荷较大，且元器件发热功率大，若散热器设计不合理，很容易造成主板烧损。

目前空调主板散热器设计多以经验加实测为主，没有相关的仿真分析方法或者仿真精度较低，对散热器散热效果的关键影响参数认识不足，缺少相关的设计指导规范，在设计时具有一定的盲目性。

目前国内外关于散热器的研究主要在于航空航天散热领域、笔记本电脑等电子产品散热领域、LED灯具散热领域等，而变频空调主板元器件散热研究得较少。吴俊鸿[1]等人通过实验和理论结合的方法分析变频空调限降频实例，探讨了变频空调外机主板上各控制器元器件温度过高的原因，在此基础上提出了解决变频空调外机主板上各控制器元器件温度过高问题的一系列措施。Teertstra[2]、Sparrow[3,4]、shan和London[5]、Wirtz[6]等人从理论角度出发，通过实验和数值仿真方法，研究了铝制翅片散热器的平均传热系数、努谢尔特数的影响因素以及铝制翅片散热器的传热特性。付桂翠[7]、高一博[8]、谢少英[9]等人以实际应用为背景，通过研究翅片散热器肋片面积对铝挤翅片散热器的影响，设计优化了铝挤翅片散热器。

本文以某变频空调主板散热器为研究对象，对空调主板散热仿真分析方法进行研究，并对散热器翅片长度、翅片间距、基板厚度对散热效果的影响进行研究。

2 变频空调主板散热器仿真研究

对于空调主板散热仿真而言，首要任务是根据散热方式选择合理的计算模型。另外Icepak散热仿真要输入元器件的发热功率和热阻值，但各个功率元器件的发热功率和热阻值不方便测试，只能通过相关参数进行估算，且影响仿真的实际参数太多，因此要通过实测对仿真准确性进行验证。

2.1 散热理论基础

散热器的散热方式有热传导、热对流和辐射散热，由于散热器采用的是铝挤型材，辐射较小，且散热器处在外机风场中，散热器表面存在气流组织，所以散热仿真主要考虑热传导和热对流，各个模块将热量通过热传导方式传递给基板，基板再将热量通过翅片，翅片与周围空气形成对流传热，是一个三维稳态热传导过程，其三维热传导方程如下：

Q—物体内部热源密度，w/m2；

λx、λy、λz—x、y、z三方向的热传导系数，w/m·k;

ρ—密度。

本文考虑强制对流，可用牛顿冷却公式表示：

q=hAΔT （2）

q—对流带走的热量，w/m2；

h—对流传热系数，w/m2·K；

ΔT—流体与散热器表面温差，℃

2.2 功率及热阻估算

变频空调主板发热主要有PFC电路和逆变电路，功率元器件有IPM、整流桥、二极管D1/D2、IGBT，以整机输入功率为依据，根据经验PFC电路的效率大概是96%～97%，除去电感外，整流桥、二极管和IGBT的共同消耗可以按1.5%评估。IPM的逆变效率大概是96%左右，占空比0.5，各功率元器件估算如下：整机输入功率3800W，元器件总耗散功率为122W，IPM为53W，二极管为8W，整流桥为21W，IGBT为8W。

2.3 仿真计算

物理模型主要由两部分组成，一部分为外壳，另一部分为散热器。散热器上有控制器元器件，分别为IPM、二极管、整流桥、IGBT，排布方式如图1所示。散热器为铝挤翅片散热器，由基板和翅片构成。散热器在外机风道的位置根据实际位置确定，但简化了隔板。

图1物理模型图

图2不同翅片间距对散热效果的影响（D1/D2指二极管，G1/G2指IGBT）

网格划分采用Ansys Icepak自带的网格划分工具，采用非连续性网格，散热器区域网格密于外壳，网格形式均为六面体占优网格。

3 实测验证

为了验证Ansys Icepak的仿真精度，在焓差实验台进行实际测试，焓差实验台可以调节风量，设置不同的外环和内环温度、湿度，然后与实际测试数据比较，验证仿真精度。在各元器件上布置热电偶，并且在各个元器件与散热器接触表面涂上散热膏，散热膏涂抹均匀。在高温制冷工况下测试各个元器件温度，外环54℃。

图3不同基板厚度对散热效果的影响（D1/D2指二极管，G1/G2指IGBT）

图4 不同翅片长度对散热效果的影响（D1/D2指二极管，G1/G2指IGBT）

表1 实际测试与仿真数据对比

实际测试数据与Ansys Icepak仿真数据对比如表1所示。实验测得的各个元器件温度分布与仿真所得各个元器件温度分布区势一致，虽存在一定的误差，但误差较小，最大误差2.3℃。原因是仿真物理建模时，简化了外机风道内的隔板和风叶，对仿真结果存在一定的影响。

4 散热器关键影响参数研究

目前变频空调主板散热器的设计选型主要根据空调外机的空间、风的流动方向、制作成本等方面来进行设计选型，然而根据这三个因素设计出的散热器不一定是散热效果最优的散热器，因为基板厚度、翅片间距过大或过小都会降低散热效果。

散热器与多个点热源直接接触，因此基板温度非均匀的，在横向上存在极大的温度梯度。基板厚度的变化，不仅影响了纵向上往翅片传导的热流密度，更重要的是影响了横向上的热量扩散。当基板过薄，横向传递被削弱，热量只能聚集在点热源附近向上传递，散热效果差。当基板过厚，热阻增大，纵向传递变弱，散热效果也会变差。

当翅片间距变小，翅片数目增多，增加了散热表面积，但同时增加了风的流动阻力。

5 几何参数优化设计

不同翅片间距的散热器，翅片间距分别为d=3mm、d=5mm、d=7mm。图2为不同翅片间距对散热效果的影响图。从图2可知，不同散热器对应的温度最高的元器件均为整流桥。翅片间距d=5mm时，各元器件温度最低，散热效果最好，翅片间距d=7mm次之，翅片间距d=3mm散热效果最差。因此翅片间距不能过大或过小，翅片间距过大，翅片数目减少，散热表面积减少；翅片间距过小，流动阻力增加，散热效果变差。

不同基板厚度的散热器，基板厚度分别为h=4mm、h=6mm、h=8mm。图3为不同基板厚度对散热效果的影响图，从图3可知，基板厚度h=6mm时，各元器件温度最低，散热效果最好，基板厚度h=4mm次之，基板厚度h=8mm散热效果最差，但三种基板厚度的散热器散热效果相差不大，元器件最大温差为2℃。

不同翅片长度的散热器，翅片长度分别为L=50mm、L=60mm、L=70mm。图4为不同翅片长度对散热效果的影响图。从图4可知，翅片长度增加20mm，整流桥的温度可以降低12℃左右，翅片长度对散热器的散热效果影响较大。因此在散热器设计选型时，在保证散热器与其他结构的空间间隙前提下，翅片长度应尽量长，增加散热面积，从而增强散热效果。但翅片长度实际受到空调外机空间和成本限制，翅片长度建议为50～70mm。

6 结论

（1）翅片间距不能过大或过小，翅片间距过大，翅片数目减少，散热表面积减少；翅片间距过小，流动阻力增加，散热效果变差，翅片间距4～6mm散热效果最好。

（2）基板厚度不能过薄或过厚，基板过薄，热量传导速度快，翅片不足以迅速将基板的热量散出去，会在基板造成热量积聚，散热效果变差；基板过厚，导热热阻增大，散热效果变差，基板厚度5～7mm散热效果最好。

（3）翅片长度越长，散热效果越好，但受空间、成本限制，翅片长度不能无限增长。在散热器设计选型时，翅片长度50～70mm散热效果最好。