空调室外机散热器导流罩对散热性能的影响研究

李树云，王现林，吴俊鸿，高旭，陈志伟，彭光前

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 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以及频率和集成度不断提高，导致电子单位面积的功率增加，进而导致电子器件过热问题越来越突出[1-2]。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[3-6]。

家用空调室外机在高外环境温度运行时，控制器中的元器件均会产生较大热量，若热量不能快速地散去，就会造成元器件的温度上升，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[7-8]。元器件温度过高是导致空调不能在高外环温下工作的主要原因，因此，为了提高空调在高外环温下的制冷能力，降低元器件温度显得尤为重要。

目前较流行的散热方法有风冷、水冷和热管散热等。其中风冷散热是现在最为常见且使用率最高也是最成熟的一种散热方式。这种散热方式简单、直接、性能可靠、技术成熟、成本最低，可以解决通常的散热需要，因而被普遍使用。风冷散热目前也是空调室外机电器盒散热的主要形式[9-11]。

本文利用热仿真软件，分析某款空调室外机散热器处的元器件温度较高的原因，并提出了一种较好的解决方案，降低元器件温度，提升空调的竞争力。

1 数学模型构建

1.1 几何模型建立

图1是空调室外机结构模型，散热器部件放在图中所示位置，外部空气在风机系统的驱动下流过散热器表面并与之充分接触，从而带走散热器上的热量，达到降低元器件温度的目的。需要散热的元器件包括整流桥、二极管、绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）。图2是元器件在散热器上分布情况。本散热系统存在3种传热方式，元器件内部、元器件与散热器以及散热器内部为热传导，散热器壁面与周围空气为对流换热，同时元器件与散热器也向周围空气辐射传热，由于研究对象在强迫对流的条件下，因此忽略辐射的影响。

图1 空调室外机结构模型

图2 元器件在散热器上分布模型

图3是在现有散热器的基础上增加导流罩的示意图；导流罩的进口处带有导流筋，导流的方向指向散热器根部，并对模型进行简化如图4所示。

1.2 数学模型建立

计算模型如图5所示，模型的进口边界条件为速度入口，出口为opening 出口，由于本文研究的是环境温度较高时各元器件的温度情况[12-13]，散热器的进口温度设定为43 ℃，实验测得散热器进口速度为1.8 m/s，根据厂家给定各元器件整流桥、二极管、IGBT 和压缩机IPM 在额定工况下的热功耗分别为15 W、7.5 W、20 W 和20 W。

图3 散热器增加导流罩结构模型

图4 散热器增加导流罩的模型简化

图5 计算仿真模型

仿真分析中的物理模型主要遵守3 大基本控制方程，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[1,14]：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

模型建立完成后需要对模型进行网格划分，为了保证计算的精确性，则要保证在翅片上至少有两层网格以及在翅片与翅片之间至少有4 层网格。

2 仿真结果分析

由对流传热牛顿冷却公式[15-17]φ=h·A·ΔT可知，在温差和气流流速相同的情况下，换热量与换热面积（A）即流动气流与散热器的接触面积有关。无导流罩时对仿真结果进行分析发现，散热器底部由于被安装结构部分挡住，进风气流只能从散热器顶部流过，同时散热器底部出现了漩涡气流，此过程都不利于散热，这是导致散热器散热效果较差和元器件温度较高的主要原因。

表1是散热器有无导流罩条件下各元器件的温度对比数据，对数据分析得到，散热器有导流罩时元器件温度比散热器无导流罩时元器件温度平均降低8.2 ℃，降温效果明显。

表1 两组方案的仿真数据对比

图6是散热器有无导流罩条件下各元器件温度和速度的仿真对比结果。从元器件表面温度云图可以明显看出，散热器有导流罩比无导流罩时散热效果好，元器件的温度有明显的降低。

由图6可以得到，散热器加导流罩后，导流罩对散热器的进口气流进行导流，经导流后的气流流过散热器内部，则气流流过散热器的有效面积增加，使得气流可以快速地对散热器进行散热，从而元器件的温度得到降低；无导流罩时，气流从散热器顶部略过，与散热器的接触面积较小，导致元器件的温度较高。

散热器无导流罩时，散热器底部出现漩涡气流，此时这部分气流不利于散热器散热；增加导流罩后，散热器的进口气流经过导流罩导流后流过散热器底部，使散热器底部的漩涡气流消失，从而达到流动气流与散热器接触面积达到最大，提升了散热器的散热效果，这也是元器件得到明显降温的主要原因。

图6 两组方案的元器件表面温度云图

3 实验结果分析

利用焓差实验室对样机上的元器件进行温度测试，实验室温度测试误差为±0.5 ℃。同时在各元器件位置处设置温度监测点，环境温度设定43 ℃，外机风挡为超强风挡，压缩机频率84 Hz，电压220 V，方案一散热器无导流罩，方案二散热器有导流罩，两个方案的稳态热测试结果见表2所示。

每种方案的热仿真和热测试元器件的温度对比数据见表3。由表3可知，仿真结果和实验结果的误差在10%以内，大部分误差在5%以内，验证了散热器模型仿真的准确性[18-21]。

表4是两种方案的热测试元器件温差数据，由表4可知，散热器有导流罩较无导流罩时元器件平均降温5.1 ℃，效果明显，同时也验证了热仿真分析在产品设计中具有很好的指导意义。

表2 实验测试数据

表3 两组方案仿真与实验数据对比

表4 两组方案的实验数据对比

4 结论

1）仿真与实验结果表明，在散热器上安装导流罩可以很好地降低元器件的温度，实验结果平均降温5.1 ℃。

2）仿真得到的元器件温度与实验测试结果最大误差不超过10%，大部分在5%以内，仿真符合要求。

3）仿真可以很好地发现设计中存在的问题并快速评估新方案的散热效果，加快产品开发周期和降低产品开发成本，同时提升了产品的竞争力。