摘要：为节约开发成本，缩短开发周期，更好满足市场需求，本文以某款变频空调室外机为研究对象，在不改变室外机的整体结构前提下，利用CFD模拟手段进行电子散热仿真分析并进行优化设计，经实验方案验证，最终找到优化计算办法。
关键词：变频空调；电子散热；CFD；优化
1 变频空调的工作原理及特点
1.1 变频空调的工作原理。变频空调以其高性能、高技术获得空调行业和用户的认知，众所周知的传统空调一定频空调是在220V、50Hz的条件下工作的，而变频空调是根据变频器改变压缩机的供电频率。变频空调的启动电压较小，可在低电压和低温度条件下启动，可根据室内环境温度，来调节压缩机的转速进而调节制冷量，达到人们所要求的舒适环境。针对一些电压不稳定或冬天室内温度较低而空调难以启动的地区情况，变频模式有一定的改善作用。通过压缩机的无级变速，可满足更大面积的制热、制冷需要。变频空调还分为交流变频和直流变频之分，交流变频就是根据室内温度和自己所设定的温度差值通过控制器处理产生频率信号，控制电路产生电压加载到压缩机的电机上，改变压缩机的转速，来达到调整压缩机的制冷量实现最终目的。直流变频是改变电压提高永久磁铁转子的转速，通过调节压缩机转子的转速以实现制冷、制热。
1.2 变频空调的特点。空调耗电量一直是人们关注的问题，从理论上讲变频空调较省电，可根据室内温度的变化进行压缩机转速的调整，但实际看来，当变频空调与普通空调开启时未达到室内要求温度时，两者皆会以最大功率运行，然而变频空调的电路较复杂，可能会更浪费电。变频空调采用新技术与传统空调相结合，进一步提高空调性能，具有更强的舒适性，可以及时进行负荷变化的调整，同时具有高效节能的特点。对于人们所关注的噪音问题，变频空调采用双转子压缩机，降低了回旋的不平衡度，使震动减小，从而解决了噪声的问题。同时变频空调对电压环境要求低，具有良好的温控精度，调温速度快，制冷能力好等优点。缺点是价格比较昂贵，由于变频空调的系统较复杂，对元件要求高，所以发生故障的几率也较大，技术还不够完整，可靠性不够。不同于国外，国内用户对变频空调的使用习惯有所不同，国内较少时间的使用空调，并且电费也比较昂贵，然而欧美国家的电费相对便宜，他们可以长时间使用变频空调，使变频的性能达到最好状态。
2 ＣＦＤ仿真计算及验证
本文以某款分体式变频空调室外机的主要电子散热元件及与之相关的散热器为研究对象，运用先进的CFD方法，并结合相关实验测试的方法，进行计算及详细的对比，验证仿真计算的准确性，并对散热器方案进行仿真优化设计。
2.1 仿真模型建立。首先通过ＣＦＤ仿真软件进行三维定常数值模拟计算，本文主要仿真对象是变频控制上的四款发热量较大的发热元件，为简化及统一，在此用发热元件１、发热元件２、发热元件３、发热元件４表示。而控制器上的其他热损耗小的电子元件则忽略不计，强制对流散热的风道也做了相应简化设计，
在进口给定环境边界条件及风速、出口仅给定环境边界条件。图１是仿真计算建立的三维模型，图２是该款变频室外机的散热片示意图。
2.2 仿真计算校核。众所周知，变频空调随环境工况的变化而改变其运行频率，相应的四款发热量较大的电子元器件热功耗也将随之改变。而运用功率测试仪器则难以得到电子元件的真实热功耗。不过，可以用仪器初测这四款发热元件的热功耗，得到各个元件的功耗初值，再将功耗初值作为仿真软件的初始值，进行仿真计算校核。仿真计算时首先需要研究单个电子元器件在功耗初值附近变化对其温度的影响。将各个仿真计算结果与实验测试的不同工况对比，与实验测试数据及热成像仪器拍摄的温度数据基本一致，且相同位置的温度变化趋势一致的仿真预估功耗数据可近似为该工况下的实际功耗。图3为实验测试五种模式下的各测点温度与仿真发热元件２预估功耗的各测点温度对比曲线，其中模式１、２、３、４为额定制冷工况的不同电压下运行的四种模式，模式５为额定制冷工况的压缩
低频下运行模式。从图上对比可知，仿真计算相同位置的温度与实测模式２的温度值接近，且它们的变化趋势基本一致。因此，可近似认为该仿真计算即为实测运行模式２的结果。同理，其他四个实验测试运行模式下的仿真校核也可按照此方法来实现。自此，仿真计算校核已初步完成，可以进行接下来的优化设计计算。
3 优化设计校核及实验验证
完成计算校核后就对散热器进行仿真优化计算。四个参数散热器H 1-基板厚度、H 2-翅片高度、D 1-翅片厚度、D 2-翅片间距为初次优化设计的主要参数。仿真计算其中的几个优化方案，方案1为增加翅片间距，方案2为减少基板厚度，方案3为减少翅片高度H 2。优化方案2的效果比较明显，为验证仿真优化设计的准确性，将方案2制作了一款快速成型进行试验测试验证。表1为原机散热器方案与方案2的相同各测点温度值。
原机与方案2各个测点温度变化曲线（注：实验数据为自由环境A模式下的测试数据，该模式下采集的比其他模式下的数据要稳定）。仿真计算效果较好的
方案2实验测试也比原机散热器方案温度降低2℃左右。说明仿真优化计算的变化趋势与实验测试变化趋势基本一致，可知仿真优化计算具有借鉴性及很强的指导意义。
4 电子散热风道设计及验证
优化散热器参数方案的温度可降低2℃，后续尝试优化散热器的其他参数，均未有较好的效果。尝试在中间隔板上开风口，设计电子散热独立的风道系统。，两个方案均使各测点温度降低，特别是方案2可使各测点温度降低3~4℃，在电子元件温升较高时，可考虑采用该方案。
通过ＣＦＤ仿真计算分析方法对某款变频室外机的主要电子散热元件以及散热器进行分析，并对四个主要电子散热元件的热功耗进行预估及计算校核，为仿真优化设计计算提供有效的技术支持；计算校核元件功耗时，可先运用测功仪得到一个基准功耗，再在该功耗值附近取值进行计算校核，可节省仿真校核时间及成本；对仿真计算优化效果较好的两款散热器进行实验测试验证，各测点的温度变化趋势与实验测试基本一致。说明电子散热的ＣＦＤ仿真计算具有一定的准确性，可以为设计方案提供方向性的指导。散热器翅片高度、基板厚度、翅片间距、翅片厚度对电子元器件的散热影响较大，本次优化设计中，翅片厚度及基板厚度对电子元件的散热影响最大。通过适当增加翅片厚度及基板厚度，实现优化散热的效果。本次优化设计并未详细考虑接触热阻大小对电子元件散热的影响。但值得一提的是在实际安装测试过程中，电子元件及散热器的表面粗糙度及两者之间的接触热阻对元件的散热也存在较大的影响，在实际生产测试时，往往通过涂抹散热膏增强两者间的贴合度，以降低接触热阻。
参考文献：
［1］李栋，薛康等．地板辐射采暖传热模型修正及散热因素分析［Ｊ］．科学技术与工程，2017，10（15）：3630－3633
［2］王丽文，李建兴．地板辐射供暖简化传热计算模型与实验研究［Ｊ］．煤气与热力，2017，26（8）：69－72
论文作者:李军
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/10
标签：变频空调论文; 温度论文; 功耗论文; 方案论文; 元件论文; 散热器论文; 压缩机论文; 《当代电力文化》2019年第09期论文;