基于fluent软件的散热器参数优化及其应用方案

赵荣华 张郭辉

（珠海三友环境技术有限公司 珠海 519000）

引言

变频空调在部分地区使用环境会涉及高温制冷，在高温环境下，驱动板的IGBT等功率器件温度急剧升高，影响控制器运行稳定性和制冷能力的可靠输出。目前常用的高温散热方案包括冷媒散热和风道辅助散热，冷媒散热需要增加成本，简单的风道散热效率不高并存在引入灰尘到驱动板上的问题。为提高散热效率，降低散热成本，针对影响散热的关键参数进行优化，并优化风道辅助散热方案，使功率器件可以得到高效散热。

1 散热效率影响因素

根据热量传递的三种基本方式——热传导、对流换热、辐射散热，分析确定影响散热效率的主要因素。

热传导，热量从发热器件传递到散热器上，以及热量在散热器内的传递都属于热传导。经典传热学中热传导可以用傅里叶导热定律描述：

式中：

dQ/dt （Q上一点）—导热速率；

T—温度；

A—传热面积；

k—导热系数；

x—在导热面上的坐标。

从公式可以看出，导热系数和传热面积是热传导中影响传热效率的两个关键因素。在空调领域中，铝合金导热效能和经济性综合表现是比较好的，应用比较广泛。

对流换热可用牛顿冷却定律描述：

(4)狠抓大基地、大集团为龙头发展煤炭洗选，促进洗选加工现代化建设。目前大型基地、大型企业的原煤入选比例已经超过70%，点多面广、布局分散的中小选煤厂的技改、整顿、联合、提高也在快速发展，正在促进煤炭洗选加工业整体面貌改变。

式中：

q—传热量；

h—对流换热系数；

A—换热面面积；

Tw—固体表面温度；

Tf—流体温度。

通过加大对流换热面积，可以有效的提升换热效率。但加大换热面积，通常意味着散热器要做的尺寸更大，进而导致产品整体尺寸变大，另外，加大散热器还意味着成本的提升[1]。

辐射散热主要是对散热器选择合适的表面处理方式，根据目前行业经验，此种处理方式对空调用散热器的散热效率提升不明显。

因此，本文针对不同环境温度、进风口气流流速、散热片高度、散热片间隙等关键影响因素进行分析，确定对散热器散热效率的影响。

1.2 环境温度对稳定温度的影响分析

在基本条件相同情况下，模拟不同环境温度对其散热的影响。通过图1分析数据显示环境温度增加，散热器的最终温度也增加并和环境温度提高的ΔT接近，说明降低进入散热器流体的温度对散热效果有较大作用。

图1 环境温度T=40℃、50℃、60℃散热温度云图

1.3 气流流速对稳定温度的影响分析

1）环境温度T=40 ℃，强制对流条件下不同气流速度对散热效果影响，图2曲线数据显示，在2 m/s之后散热器能量点的温度下降幅度变化率基本一致，曲线开始趋缓；

图2 流速与表面温度分析

2）气流流速从0.5 m/s到6 m/s，温度降低25 ℃，说明了气流流速对散热影响很大。

1.4 散热器散热片高度对稳定温度的影响分析

环境温度T=40 ℃，强制对流速度3 m/s，按照原散热器高度增加（-10 mm～10 mm）模拟仿真，图3数据显示散热片高度ΔH增加对散热效果有益，并看出高度越高散热越好；散热片高度ΔH增加后使之散热表面积增加、总质量增加，数据显示增加20 mm后，温度只降低了3 ℃左右，效果不明显。

图3 散热片高度ΔH与表面温度分析

1.5 散热器散热片间隙对稳定温度的影响分析

散热器的散热片间隙更改其对应的换热面积随之变化，必会影响散热效果，图4显示按照现有散热片间距，小范围更改对整个散热器散热效果影响不大。

图4 散热片间距调整模拟仿真云图

加大换热面积还必须要同时考虑系统风阻，因为细密的散热器在加大换热面积的同时，还会增加风阻，影响内部空气流动，进而降低对流换热系数。

2 散热器结构优化

2.1 散热片优化方案一

图5显示原有散热片低温线区域分布不均匀，导致在相同状态下每片材料散热效率不平衡，为此将其调整，满足各个对应部位都分布在对应的等温线区域内，使每片材料的散热效率大致平衡，从而使散热片可以最大程度利用。

图5 散热器优化温度分布云图

2.2 散热片优化方案二

在方案一优化方案的基础上，如图6将散热片表面调整为波浪形，在不加大散热器外形尺寸的情况下，增大散热片的表面积，同时加厚散热器底座，加快热量传递速度[2]。如表1数据显示优化散热片结构后，散热温度下降明显。

表1 散热优化参数对比

图6 散热器优化方案及温度分布云图

3 辅助散热设计

除了散热器本身的散热性能外，散热器外界的温度和表面气流流速都会对散热效果产生较大影响。因此降低流过散热器表面气流的温度和提高气流流速，是经济、有效的提高散热效率方式[3]。由于空调外机壳体内的空气经过冷凝器、压缩机等发热元器件加热，使壳体内的空气温度升高，从机外吸取外界环境空气，可有效降低流经散热器表面空气的温度。

假如只在前面板开孔，在外机腔负压作用下，气流从前面板进入，气流会直接向风叶中心流过，经过散热器表面的气流相对减小。设置一个零件与散热器装配形成闭环的风道，在外机腔负压作用下，气流从前面板进入，再经过此风道掠过散热器表面。在散热器下端增加辅助风道后，有效限制了气流方向，增大了散热器对流换热有效面积，为此散热效果得到很大提升。并且可以避免气流从控制器表面经过，使外界的灰尘吸附到控制器上，影响电控的可靠性。

图7 辅助散热方案

辅助风道的设计中应注意出风口的开口位置及大小，出风口应在风叶尖末端，在风叶旋转区域的后端，此处负压最大。出风口在允许的范围内尽量做到最大尺寸，同时在靠近冷凝器端处辅助风道应设计气流挡板，阻止从冷凝器进入的气流与前面板进入的气流进行叠加抵消，减弱前面板进入气流流量。

4 结论

在空间给定，不大幅增加成本的情况下，调整散热器表面形状，增大单个散热片的表面换热面积，降低流过散热器表面气流的温度和提高气流流速，可以经济、高效的提高散热器的散热效率。而利用空调外机风叶产生的负压，从外界空气中吸取相对温度较低的气流来给散热器散热，则是容易实现且相对较好的选择。