卢浩贤，贺春辉，李想，何林
（1.珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070；
2.空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）
随着模块功率的上升，现有的风冷肋片式散热器设计都是通过增加换热器的面积加大换热器尺寸以达到更好的换热效果，其与变频空调小型化的矛盾愈加突出，且随着散热器体积的增加，散热器的单散热量位体积急剧下降，最终导致无法有效解决散热，只能通过提高器件等级解决，但这也同步带来了成本的增加。部分学者研究的冷媒散热系统也可失效有效降温，但在实际应用过程中模块低温导致的凝露问题无法有效解决[1-4]。赵红璐[5]分别分析了基板厚度、翅片数目及翅片厚度对散热器散热的影响，但并未给出散热器的优化方式。林弘毅[6]提出一种强迫风冷散热系统体积最优的设计方法，散热器的体积较传统设计降低了约30 %，但散热系统的热阻和压降并未得到优化。张建新[7]采用正交试验法研究了翅片间距、翅片高度和翅片厚度对温度和散热器重量的影响，但存在周期长、成本高的问题，以上研究均集中在单一目标设计，且均为结合整机散热系统进行散热设计，而单一目标强迫风冷散热器设计弊端明显，无法有效解决产品小型化及散热高效化的矛盾关系，因此，基于散热器真实环境的多变量多目标耦合设计方法存在行业空白，研究实现高单位换热效率散热器均有重大研究意义。本文提出一种在翅片上面进行打孔以增加对流换热系数的方案，使得散热器内部产生空腔影响内部空气流动，增加内部流场的紊流程度和流速，进而优化换热器的换热效果。
1.1 基于整机结构及风场的散热系统分析
采用某款空调产品，建立整机模型，1∶1还原风场状态，仿真结果（图1）显示，由于外机大风扇对翅片附近造成的负压，导致部分风量未达到翅片出口就从大风扇出口流走。
图1 某空调整机结构及风场
对基元模型散热器仿真计算（图2），在进风口散热器前端面到散热器尾端面分割，计算每一断面流道间隙的风量数据，结果显示为流过在散热器间隙的冷却风流量几乎中间段处已全部流出，并未对整体散热器实现热耗散，且风量衰减严重，形成热量封锁，导致热耗散降低缓慢。
图2 散热器风场
1.2 多目标参数化构型散热器设计
基元级叶片最大热阻：
对应的无纲最大热阻：
采用Matlab的PDE工具箱进行基元级叶片无量纲最大热阻的函数，有无量纲基元级叶片厚度H，长度L，叶片表面空腔边距H，空腔直径D1和D2五个独立变量。在基元级叶片总横截面积4A和空腔占比的Φ的约束条件下，以D1/H、H1/H和H/L为优化变量对可基元级叶片进行构型优化，当给定Φ是存在最佳D1/H使Rt取得最小值Rtmin。
采用Ansys Optimization参数化构型设计，图3通过对孔径大小，开孔数量，开孔角度，孔重心距上边缘基板，孔重心距左边缘流线尾端翅片5个维度对翅片进行多目标构型设计。
图3 构型散热器约束
采用SCDM模型重构对计算结果进行模型标定，通过Optimization多层感知目标构型计算，自适应设计最优散热方案。
式中：
Snz—第n块翅片上z轴方向的坐标；
A —第—块翅片上孔的z方向上的最大值；
△s —孔与孔的偏移距离；
m — 散热器上翅片的总数；
n —正在计算的翅片的序号；
△z— 第一块翅片上的孔的z方向的值与最大值的偏移量。
以参数化方式进行空腔的迭代计算，从仿真结果可以看出，空腔与热源的水平距离、流道的夹角、在翅片上的截面积及与基板的垂直距离均存在模块温度的最佳温升点。
从图4可以看出当空腔经过热源正下方时模块温度最低，主要由于空腔的引流作用导致强化了模块的散热。
图4 空腔与热源的水平距离趋势
从图5可以看出空腔与流道的夹角也存在最佳值，当角度过小及过大均会导致散热效果不佳；
当开孔位置确定时，开孔角度越大，孔的切向距离就越大，虽然左右两侧孔的压差足够大，但是与引流过来的空气接触的空气流速也越大，使得引流产生的空气在流道中衰减程度也很大；
开孔角度过小，左右两侧孔的压差较小，引流的空气流速较小，而且与原翅片内流体的相反的动量较小，导致无法达到改变原有的流体流道的效果。
图5 空腔与流道的夹角趋势
从图6可以看出随着空腔在翅片上截面积的增大，模块的温度温度会先降后升，当开孔的位置角度确定后，翅片两侧的压差已经是一个定值，开孔的大小直接决定了引流空气的量。开孔面积越大，引入的空气也会越多，但是过多的空气会使得引入空气的区域出现局部高压，直接有影响原有流场变成了阻碍原有流场，这样反而更不利于散热。开孔面积越小，引入的空气过少，相反与原流场的动量不足以影响原有流场。故不能无限增大开孔面积。
图6 空腔在翅片上的截面积趋势
从图7可以看出空腔应尽量靠近基板，随着距离的正增加，空腔的紊流效果不明显，导致散热效果不佳。
图7 空腔与基板的垂直距离趋势
基于参数化自适应仿真拟合出最优孔距离如式（4）所示。
孔的最优角度范围如式（5）所示。
式中：
Y—散热器整体高度；
X—散热器整体宽度；
P—热源发热量；
W—散热器最大换热量；
D—孔径值；
y1、y2—孔中心距到基板上下面的距离（y2＞D/2）；
x1—为热源与第一块翅片的最小距离；
x2—为热源的宽度。
对某款空调产品机组的散热器进行构型优化，迭代仿真计算寻优，当孔径直径D=12 mm，开孔数量n=2，开孔角度θ=37 °，孔重心距上边缘基板x=15 mm，孔重心距左边缘流线尾端翅片y=25 mm时，能实现最优降温16 ℃。
3.1 实验装置及方案
采用与仿真设计同款的空调产品，分别在整流桥、IGBT1、IGBT2、二极管1、二极管2及IPM采用Φ0.32*12P T-G型热电偶进行温度监测及采集，按照表1的实验方案进行实验验证。
表1 试验方案
3.2 实验结果分析
依据仿真计算得出的最优结果进行换热器制作，并在焓差实验室进行整机验证，从表2中可以看出器件均有明显的降低，其中模块温度的降温幅度达到18.5 ℃，说明空腔的引流作用在实际验证中有利于器件的散热，效果显著。
表2 构型散热器实验验证结果
图8 构型散热器设计示意图
图9 构型散热器实物图
本文通过对空腔构型散热器的仿真设计及实验研究，得出空腔孔径大小、开孔角度、孔重心距上边缘基板距离及孔重心距左边缘流线尾端翅片距离对器件散热的影响，提出一种解决器件高温但又不增加散热体积的新型散热器，并给出了散热器空腔设计的最优算法。基于本研究样品，可有效实现器件最高温降达18.5 ℃，效果显著。
1）侧出风型式空调产品由于散热器贴近导流圈，且外机大风扇对翅片附近造成的负压，部分风量未达到翅片出口就从大风扇出口流走，导致散热器散热能力未能有效利用，器件温度较高。
2）当空腔经过热源下方时模块温度最低，主要由于空腔的引流作用导致强化了模块的散热。基于该点也可考虑将散热器制作成斜翅片形式，也可达到同样的效果。
3）空腔与散热器流道的夹角存在最佳值，当角度过小及过大均会导致散热效果不佳，在空腔设计阶段应考虑紊流到来的强化散热效果，可起到进一步降温的作用。
4）随着空腔在翅片上的截面积的增大，模块的温度温度会先降后升，因为空腔导致了散热面积的减少，在散热器设计阶段需耦合空腔的位置及空腔与散热器流道的角度等多因素的影响进行空腔大小的确定。
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