變頻空調器電子元器件板肋式散熱器仿真與優化

空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海格力電器股份有限公司 陳 紅 廣東省制冷設備節能環保技術企業重點實驗室 珠海格力電器股份有限公司 趙樹男

0 引言

變頻空調室外機電子元器件一般封裝在電器盒內，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。高溫天氣機組運行時，功率器件發熱量大，封閉的保護結構造成散熱困難，器件表面易快速達到限溫保護，導致機組頻繁降頻或死機，嚴重影響用戶正常使用。長期高溫的工作環境也會給電子元器件的可靠性及壽命帶來不利影響。研究數據表明，器件溫度每升高1 ℃，可靠性下降5%[1]。設計合理的散熱方案是提高空調產品品質的關鍵。散熱技術的研究熱點包括風冷冷卻、液體冷卻[2]、半導體制冷、熱管技術[3]、液氮冷卻等。受成本、安裝空間及可靠性等因素制約，傳統的風冷冷卻仍為工程應用首選方案。

由于風扇噪聲和可靠性等問題對風冷散熱方案的限制，強迫風冷散熱效能較低，一般不超過1 W/cm2[4]。當散熱環境惡劣、散熱器結構設計不佳時，無法充分滿足散熱需求。研究人員從肋片參數、形狀、風道結構等方面對散熱器性能進行了大量研究。Arularasan等人仿真研究了風量25.5 m3/h、熱功率100 W時，不同幾何參數板肋式散熱器的性能，分析了各參數對壓降及熱阻的影響，提出了仿真條件下最佳參數組合的肋片結構[5]。Rao等人研究了TLBO算法在板肋式散熱器多目標設計中的適用性，提出了優化的散熱器結構并進行了仿真分析，發現空氣流通冷卻系統板肋式散熱器的動態散熱性能優于沖擊流系統[6]。Yuan等人對肋間加工有銷釘的板肋式換熱器進行了仿真研究，結果表明，銷釘直徑和風速對熱工性能有顯著影響，排列方式及距離等影響不顯著[7]。Ismail等人對開孔肋片的湍流特性進行了研究，發現圓形開孔肋片比其他形狀開孔肋片具有更好的流動特性及散熱性能[8]。Mohan等人仿真分析了配合風扇強制風冷時，肋片各參數對散熱性能的影響，基板厚度為2.5～5.0 mm、肋片厚度為0.5～1.5 mm范圍內，隨著基板、肋片厚度增大，散熱性能得到強化[9]。李樹云等人通過設計導流罩、引風孔等結構，改變了散熱器所處流場環境以提高散熱性能，元器件表面溫度得以大幅降低[10-11]。劉伯春對散熱器周圍風場進行了仿真分析，通過優化散熱器的安裝位置獲得更優的散熱條件，如來流風速、溫度等，提升其散熱效果[1]。

板肋式散熱器的性能不僅受來流方向、速度和溫度的影響，還與熱源分布和肋片結構有密切關系。本文通過數值仿真分析研究各因素對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室外機高溫天氣元器件溫度超標導致機組異常的問題。

1 研究對象

板肋式散熱器裝設于室外機風機腔內，肋片朝下，通過基板與置于上端的電子元器件緊密貼合對其進行散熱，見圖1、2。接觸面的導熱作用將電子元器件的產熱傳遞至散熱器基板及肋片，在風扇抽吸作用下，散熱器表面與流經的空氣發生強制對流換熱，熱量隨空氣排出風機腔實現持續散熱。

圖1 室外機三維結構圖

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象，計算分析其結構對電子元器件散熱性能的影響。重點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90 ℃。物理建模時，同時設置散熱器固體域及外場空氣域，以考慮散熱片周圍空氣流動狀態對散熱性能強化作用的影響。為避免模型太過復雜，導致仿真資源無法滿足或計算收斂性差，對實機模型進行簡化，選取板肋式散熱器周圍區域(300 mm×300 mm×360 mm)建立幾何計算模型。模型中不考慮室外機風扇及冷凝換熱器，通過在入口面設置速度邊界實現來流空氣模擬計算。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。具體幾何模型見圖3。

圖3 散熱器幾何計算模型

2 數值模擬

2.1 網格劃分

板肋式散熱器性能仿真包括散熱器基板及肋片固體導熱仿真和其所處空氣流場的流動傳熱仿真，需同時劃分散熱器固體網格和空氣流體網格。使用ICEM軟件對幾何模型進行非結構化網格劃分，如圖4所示。網格參數的設置需綜合考慮計算精度及成本[12]。

圖4 網格劃分

2.2 計算模型

本文所涉及的傳熱過程僅考慮導熱和對流，忽略熱輻射。

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

(1)

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

按式(1)計算得到空氣的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。

為便于計算自然對流，采用Boussinesq假設[14]，對動量方程中與體積力有關的密度項按式(3)進行計算，其他項密度均作常數處理。

ρ=ρ0[1-β(t-to)]

(3)

式中ρ0為流體的參考密度(常數)；to為操作(工作或環境)溫度。

應用Fluent軟件對散熱器進行數值模擬分析，質量、能量、動量通用控制方程為[15]

(4)

式中τ為時間；?為通用變量；U為速度矢量；Γ?為廣義擴散系數。

使用穩態壓力基求解器，開啟自由落體加速度項。湍流模型選用RealizableK-ε兩方程模型，近壁面用壁面函數處理法。壓力項、湍動能項采用二階迎風離散格式，動量項、能量項采用QUICK離散格式，壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法[16]。對模型內部流場、溫度場進行仿真計算，監測電子元器件表面溫度。質量、動量方程殘差達到1×10-3，能量方程殘差達到1×10-6，監測溫度基本不變時，即認為計算達到收斂[12]。

2.3 物性處理與邊界條件

空氣密度參數設置為Boussinesq模型，其他物性參數均設置為常數。散熱器壁面按鋁材設定，密度、比熱容、導熱系數等均為常數。

在功率器件、散熱片和風道等區域連接處設置接觸。固-固交界面通過界面處的傅里葉熱傳導方程，實現熱源與散熱器間的傳熱模擬[17]。流-固交界面設置為耦合邊界，軟件耦合求解對流傳熱方程，并自行傳遞兩域間計算參數。

設定功率器件為體熱源，根據發熱功率與體積的比值計算體熱源密度。其中，整流橋發熱功率取35 W，IPM模塊為40 W，2個IGBT、二極管均為15 W。

幾何模型各壁面邊界設置如下：

1) 后側壁面為速度入口邊界，根據樣機實測風速設置入口風速1.6 m/s，溫度48 ℃；

2) 左、下側壁面為壓力出口邊界；

3) 其他壁面均設置為絕熱壁面。

3 散熱器仿真分析

對原型散熱器進行仿真計算，并使用CFD Post后處理軟件進行流場、溫度場分析。

3.1 流場

板肋式散熱器及其周圍空氣的速度矢量如圖5所示。從圖5b可以看出：空氣垂直于通道截面進入散熱器流道后，速度矢量沿肋片長度方向重新分布；靠近基板壁面空氣流速逐漸降低，沿氣體行經路程低速區域逐步擴大。分析認為，空氣流經基板固定壁面時，受摩擦力作用，貼近壁面的流速降低[13]。在基板的起始段，低速區域很小，沿著肋片長度方向，由于壁面黏滯力的影響逐漸向流體內部傳遞，低速區域逐漸增大。同時，散熱器處于外部自由流場空間中，受阻力作用影響，大部分空氣垂直進入肋片通道后，通過下部自由出口離開肋片通道。這兩方面因素使得空氣流動背離基板方向，運動軌跡呈現彎曲形態，肋片出口截面流量遠小于肋片入口截面。

圖5 散熱器速度矢量圖

原型散熱器設計有不同間距肋片，見圖5c。單個通道內，靠近兩側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。單個通道兩側均有固定壁面，下部為自由出口，使得通道內空氣流動類似于管道流形態，黏滯力作用區域局限在靠近兩側壁面的薄層內，中心區域黏滯力造成的切應力可忽略不計，導致中心區域流速遠高于壁面處。同時，黏滯力作用以流動阻力為表現形式，通道越窄，流動阻力越大，通道內空氣的平均流速就越小。

由以上分析可知，沿肋片長度方向，基板處空氣低速區逐漸增大，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，通道流動阻力變大也會減小空氣流量，但肋片間距減小，意味著在散熱器原基板尺寸上可以設計更多的肋片以增大散熱面積，因此肋片間距、長度、數量等因素需要綜合考慮。

3.2 散熱器表面溫度場

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度方向呈現入口低、出口高的特點；沿肋片高度方向，受導熱與對流耦合作用影響，溫度呈弧線梯度降低趨勢。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

根據流場分析可知，空氣流經散熱器時，靠近基板區域的空氣流速較低，對流傳熱減弱，導熱占主導地位。在肋片長度方向，受壁面黏滯力影響，低速區域逐步擴大，空氣導熱層厚度隨之增大，換熱效率越來越低；同時，入流空氣通過與基板及肋片壁面接觸吸收器件產熱，受浮升力影響，熱量沿著肋片長度方向發生累積，空氣溫度升高，傳熱動力逐漸減小，進一步惡化了肋片尾端散熱環境。沿肋片高度方向，空氣溫度不同導致密度的差異。在密度差作用下，熱空氣上浮聚集在基板區域，使得基板壁面散熱受阻，熱量通過肋片根部沿高度方向進行傳導。根據傅里葉導熱定律，距離熱源越遠，肋片溫度越低。且肋片遠端空氣溫度較低，流速較高，對流作用較肋片根部強烈。因此，肋片高度方向表現出溫度逐漸降低的趨勢。

各元器件體熱源密度大小及所處散熱環境的優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為：整流橋>IGBT>IPM模塊>二極管，而散熱環境優劣排序為：整流橋>IGBT、二極管>IPM模塊。兩因素綜合作用的結果導致IPM模塊溫度過高，成為限制機組正常工作的瓶頸。

對原型散熱器進行實驗測試，以考察仿真模擬計算的可靠性。測試數據及模擬值的對比見表1。

表1 測試值與模擬值的對比

結果顯示，模擬與測試值偏差不超過10.8%。計算結果與測試值總體偏差不大，且沿空氣流動方向元器件溫度分布趨勢一致，因此，認為仿真模型的數值結果是合理的，可用于優化方案仿真分析。仿真誤差來源如下：計算模型忽略了流體特性隨溫度的變化；未考慮散熱器與環境間輻射熱傳遞；器件實際運行功率與模型設定發熱功率存在一定差異。

4 優化方案

低風速散熱環境下，單向長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，導致IPM模塊表面溫度超限。針對此問題，對原型散熱器進行結構優化。由圖5a可知，空氣從進風面垂直進入后，部分沿肋片外側繞流后轉向出風。此部分空氣不僅流速較高，且溫度較低，十分利于散熱。因此，在散熱器尾端設計橫向肋片，引入繞流空氣解決尾端空氣流量小且溫度較高的問題。同時，針對肋片長度過長會導致基板附近低速熱空氣聚集，影響器件及時排熱，優化的散熱器將肋片沿長度方向進行分段，段間設計旁通間隙，使得緊貼基板的低速熱空氣可從間隙排出，改善基板散熱環境。

優化的板肋式散熱器，分3段進行肋片布置。第1、2段為豎向肋片，第3段為橫向肋片。各段肋片間設計旁通間隙，第2、3段肋片通過“L”形肋片結構進行分隔。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，肋片數量可增加2片。對于空氣低速區，散熱面積的增加對于能效改善效果較好。

肋片具體布置見圖7a，幾何模型見圖7b。

圖7 散熱器優化結構

采用已驗證的仿真模型對優化結構散熱器進行仿真計算與分析。優化結構散熱器速度矢量分布見圖8，表面溫度分布見圖9。

圖8 優化結構散熱器速度矢量圖

圖9 優化結構散熱器溫度分布云圖

由圖8可以看出，沿肋片外側繞流的部分空氣，在阻力調節作用下發生轉向進入橫向肋片通道。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，進入橫向肋片進行對流換熱的空氣流量逐漸增大。橫向肋片通道平均流速達到0.6 m/s左右，相較原型散熱器有明顯提升。在第2、3段肋片間設計的“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器件產熱的空氣進入橫向肋片通道，不利于IPM模塊散熱。

肋片下部遠離基板的空氣流速遠高于靠近基板的空氣，相應地，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，匯入散熱器外側空氣場。旁通間隙的設計有利于分段排熱，減少熱量的累積。

對比圖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。

根據流場分析可知，橫向肋片始端通道流量稍小，隨行程路徑增長，流量逐漸增大，因此溫度表現出逐漸降低的趨勢。而且，由于隔斷了散熱器前端傳遞過來的熱量，并通過錯向設計引入了繞流低溫空氣，使得IPM模塊所處區域肋片散熱效果得到較大提升。

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

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

受外側高速空氣流動慣性影響，靠近“L”形肋片的橫向肋片區域流量較小，可通過調節橫向肋片占比進一步優化散熱器能力。

5 結論

1) 使用Fluent進行板肋式散熱器仿真模擬，模擬與測試值偏差不超過10.8%，可為板肋式散熱器優化設計提供依據，節省開發成本。

2) 低風速散熱環境下，板肋式散熱器散熱效果受肋片長度、間距、數量等因素影響。沿肋片長度方向，肋片內的風量逐漸減小，溫度逐漸升高，不利于散熱。肋片間距越小，通道流動阻力越大，流量越小。肋片數量越多，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) 對處于較低風速散熱環境的板肋式散熱器，可采用多段肋片、錯向肋片的設計來改善散熱效果。多段肋片的段間間隙，可及時排出貼附基板的吸熱空氣，減小傳熱熱阻；錯向肋片流道，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，傳熱動力大，也有利于快速散熱。本文原型散熱器經優化后，各元器件溫度降低2.8～4.6 ℃，優化率約為3.2%～5.5%。