空调外电控散热优化的仿真与实现

袁厚旺，刘武祥，林毅，单联瑜，吴俊鸿

（小米科技（武汉）有限公司，湖北武汉，430075）

随着电子技术的快速发展，电路元器件的集成度越来越高，发热量与热流密度随之增长。对空调外电控而言，散热不佳容易导致压缩机限频甚至元器件老化损坏等问题，用户体验和空调可靠性大受影响。目前市场上空调外电控惯用的散热方式为制冷剂与风冷散热两种，制冷剂散热方式效果好，但综合成本高；风冷散热方式可靠性高且成本低，但在高温环境下效果不佳。

本文通过对小米空调外电控盒进行仿真测试与实机实验分析，在传统风冷散热方式的基础上提出并实现了一种新型负压散热方案，该方案结构创新，散热效率高，寿命长，成本低，并且对整机的能耗无影响，能有效提升空调外电控的散热性能。

1 负压散热原理分析

1.1 传热过程分析

热量传递包括：热传导、热对流和热辐射三种方式［1］，热传导与热对流是空调散热方案中的主要方式［2］。例如IGBT模块的散热过程为：

（1）IGBT内部产生热量向外传导；

（2）热量传导到散热器；

（3）散热器通过热对流的方式与空气进行热量交换［3］。

1.2 换热影响因素分析

换热量计算公式：A=Q/K(Tr-Δt)，式中A为换热面积，Q为总换热量，K为材料热导系数，Tr为较热介质的平均温度，Δt为次热介质的平均温度［4］。以降低介质温度为目标，在总换热量Q恒定时，可通过增加换热面积A或更换热导系数K更佳的材料来实现。出于成本考量，增加换热面积A的方案可行性最佳。

1.3 实验方案可行性分析

增加换热面积A可通过增加进风量的方式来实现，在进风量上的改进本文采用负压散热［5］的方式进行，具体方案流程为：风机腔体与压缩机腔体分离，仅在交界的电控盒通风口处相连，当风机工作时产生负压，空气从压缩机腔流向风机腔，风道流经散热片，带动电控板热量流通，大大增加了空调外电控的散热性能，空气流通过程如图1所示:

图1 空气流通过程图

在空气流通过程中，进出风口开槽和电控盒通风口开槽是最容易控制的变量，也是本文方案仿真与实现的重点。

2 电控盒模型仿真

2.1 电控盒散热模型仿真

本文研究的空调外机模型如图2所示。风机腔体与压缩机腔体分离，当风机工作时，风机腔体向机外吹出气流产生负压，压缩机腔体与风机腔体通过通风口相连，形成的风道通过电控盒通风口，流经散热片及电控板元器件，从而达到散热效果。

图2 空调外机模型

2.2 电控盒散热风道模拟

空调外电控功率器件装有散热片，器件与散热片之间涂有导热硅脂，一般散热片暴露在外机的风道中，当空调工作时室外机风扇转动，气流流经散热片带走热量。功率器件通过热传导的方式将热量输送给散热片，电控盒风道如图3所示，通风孔气流矢量如图4所示。负压通风散热中，风道的设计十分关键，在达到散热要求的同时，还需考虑三防效果来设计进出风口的尺寸和位置。本文方案中空气通过压缩机侧和风机侧的喇叭状散热槽进行流通，在满足散热性能的同时兼顾三防效果。

图3 电控盒风道

图4 通风孔气流矢量图

图5 变量模型

3 电控盒散热实机测试

实验以小米空调新外机电控盒为样品，分别监测整流桥堆表面温度、二极管温度和IGBT的温度，同时分别对压缩机腔体和风机腔体的各两个模块的温度进行监测。主要控制变量包括：右提手开槽、电控盒通风槽长度和顶盖板散热孔。其他可控条件包括：通风结构、前面板、右侧板、程序、散热器厚度等。

3.1 右提手开口变更方案实验

该方案在实验流程中表现最优，在最优效果下，右提手开放、电控盒通风槽加长8 mm、顶盖板散热孔打开，同时通风结构全开、前面板加防水挡板（开槽）、右提手加防水挡板、加厚散热器、前面板封堵。此方案的温度监测对比情况见表1。

表1 右提手开口变更方案温度监测对比

根据表1可知在室内32 ℃，室外43 ℃或48℃的工况下，当封堵右提手时，桥堆表面温度、二极管温度和IGBT的温度呈上升趋势，在压机模块和风机模块的监测点处同样出现该趋势，所以提手处的开口对负压散热方案影响效果明显，能够显著提升进风量，使电控板的主要功率器件温度降低0.5～3.6℃。

3.2 通风槽长度变更方案实验

将变量控制在电控盒通风槽长度上进行实验，所得温度监测对比情况见表2。

表2 通风槽长度变更方案温度监测对比

根据表2可知在室内32℃，室外52℃的工况下，通过加长通风槽长度可以明显降低桥堆表面温度、二极管温度和IGBT的温度。加长通风槽长度相当于提高压缩机腔体和风机腔体的风道流通效率。在此实验方案下，压缩机和风机腔体的温度比室内32 ℃，室外43℃或48℃工况下的温度更高，此时通过提高压缩机腔和风机腔之间的风道流通效率已无法提升散热效率。

3.3 顶盖板散热开孔变更方案实验

将变量控制为顶盖板散热开孔进行实验，所得温度监测对比情况见表3。

表3 顶盖板散热开孔变更方案温度监测对比

根据表3可知，在室内32 ℃室外52℃的工况下，仅控制电控盒顶盖板散热开孔封堵情况，开孔开放时的温度相比关闭时低3.6 ℃，对散热性能影响显著。

4 结论

（1）采用负压散热方案增加右提手处进风量，可使电控板的主要功率器件桥、二极管、IGBT、风机模块和压机模块的温度比现行方案下降0.5～3.6 ℃，对空调外电控散热性能提升效果显著；

（2）采用负压散热方案加长通风槽以提高风道流通效率，可使电控板的主要功率器件桥、二极管、IGBT、风机模块和压机模块的温度比现行方案下降0.3～1.1℃，对空调外电控散热性能有提升但不明显；

（3）采用负压散热方案增加电控盒顶盖板散热开孔处进风量，可使电控板的主要功率器件桥、二极管、IGBT、风机模块和压机模块的温度比现行方案下降3.6 ℃左右，对空调外电控散热性能提升效果显著。