(青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266000)

現(xiàn)階段，隨著空調(diào)室外機(jī)主控基板越來(lái)越集成化、模塊化，整板的散熱問(wèn)題逐漸暴露，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱板形式越來(lái)越不能滿足需求。隨著散熱技術(shù)的進(jìn)步，且基于技術(shù)革新的壓力，一種新型制冷劑散熱技術(shù)日趨成熟。傳統(tǒng)制冷劑散熱技術(shù)主要集中于制冷劑系統(tǒng)循環(huán)的系統(tǒng)和管路設(shè)計(jì)[1-2]以及制冷劑性能[3]的研究。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于通過(guò)使用制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)冷方式對(duì)主控基板進(jìn)行散熱的研究還沒(méi)有形成系統(tǒng)化的成果，其在原理上容易理解，但在實(shí)際應(yīng)用中較難達(dá)到理想效果。其核心技術(shù)是基于散熱板的加工方式和安裝形式，可以最大程度使制冷劑帶走大部分熱量。所以，就現(xiàn)有技術(shù)而言，N. Nakajima等[4]提出了特殊的脹管加工方式，葉酈峰等[5]對(duì)銅材料的相關(guān)加工性能進(jìn)行分析，落實(shí)散熱板脹管加工的可行性。武國(guó)營(yíng)等[6]研究了脹管加工成型效率，為制冷劑散熱板脹管加工的成型效率提供了良好的理論基礎(chǔ)。因考慮到實(shí)際生產(chǎn)是兩個(gè)金屬面直接貼合的方式，為填補(bǔ)二者間的微小縫隙以提高傳熱效率，參考王紅玉等[7]關(guān)于導(dǎo)熱墊片的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同導(dǎo)熱材料的傳熱效率，最終選擇合適的導(dǎo)熱材料作為量產(chǎn)加工時(shí)的重要部件。

本文針對(duì)適用于變頻基板的制冷劑散熱板進(jìn)行研究，包括散熱板結(jié)構(gòu)、加工方式及量產(chǎn)后檢測(cè)與安裝的各個(gè)流程。通過(guò)研究合理的加工和檢測(cè)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷劑散熱板散熱性能的最大化。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選用合適的導(dǎo)熱墊片幫助散熱板與發(fā)熱體進(jìn)行更好的傳熱。

1 理論分析

1.1 數(shù)值計(jì)算

熱阻表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動(dòng)的能力，為具體量化該能力，可以通過(guò)傳導(dǎo)的溫度差進(jìn)行衡量。得到熱阻計(jì)算式為：

(1)

由式(1)可得：制冷劑散熱板與機(jī)箱發(fā)熱體貼合，需要滿足散熱板的熱阻盡量低，才能保證良好的散熱效果。本文設(shè)計(jì)的制冷劑散熱板在保證強(qiáng)度可靠性的前提下，需具有較低的熱阻，才可滿足實(shí)際使用需求。所以在恒定輸入功率的情況下，散熱板與發(fā)熱體間的溫差就成為衡量散熱板性能指標(biāo)的主要依據(jù)，同時(shí)也是性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要思路。

1.2 材料選用

因系統(tǒng)中制冷劑的載體為銅管，考慮兼容性，本文涉及的制冷劑散熱板依然選用銅管作為散熱板中制冷劑循環(huán)的載體。現(xiàn)階段對(duì)比不同材料的散熱效率，基于加工成本和制造成本的綜合考慮，整個(gè)制冷劑散熱板由U型銅管配合鋁合金型材裝配而成。

實(shí)際安裝過(guò)程中，由于加工精度會(huì)帶來(lái)不可避免的缺陷，導(dǎo)致制冷劑散熱板無(wú)法與發(fā)熱體完全貼合，所以在二者之間增設(shè)界面導(dǎo)熱材料，即導(dǎo)熱墊片。因柔性導(dǎo)熱墊片不僅可以填滿所有縫隙，增加接觸面積，同時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣，可以降低二者間的熱阻。故導(dǎo)熱墊片的選擇對(duì)制冷劑散熱板的散熱性能影響也很重要。在綜合考慮成本和散熱性能的前提下，可供選擇的材料主要有：硅脂、導(dǎo)熱硅膠片、相變導(dǎo)熱材料、錫箔。

1.3 加工工藝分析

結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)能力和市場(chǎng)需求，可實(shí)現(xiàn)的制冷劑散熱板加工方式有：

方案A沖壓變形(壓銅管)：如圖1(a)所示，主要是在鋁合金板上設(shè)計(jì)橢圓槽，使用壓嵌工藝將銅管壓入鋁合金板內(nèi)。

方案B壓鑄鋁：如圖1(b)所示，通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)模具，定位好銅管后，通過(guò)高壓將液態(tài)鋁快速壓緊，再冷卻形成完整工件。

方案C脹桿式機(jī)械脹管：如圖1(c)所示，脹管加工可以使銅管和鋁合金型材間形成過(guò)盈配合，將銅管插入鋁合金型材孔內(nèi)，再通過(guò)脹桿將脹頭強(qiáng)力推入銅管內(nèi)，擠壓銅管內(nèi)壁使其和鋁合金緊密結(jié)合。此種加工方式使鋁合金內(nèi)孔的公差帶在銅管外徑的公差帶之下，使二者充分接觸，從而提高傳熱效率。在形成過(guò)盈配合的過(guò)程中，由于銅管外徑的尺寸大于鋁合金型材孔的尺寸，需要定制的脹管加工設(shè)備對(duì)散熱板進(jìn)行加工，加工脹頭尺寸的合理選擇變得尤為重要，因脹緊度直接影響散熱板的可制造性和成品的散熱性能[8]。

(a)方案A

(b)方案B

(c)方案C圖1 散熱板加工方案Fig.1 Processing methods of cooling board-tube expansion processing

2 加工方式及測(cè)試方式確定

2.1 加工方式對(duì)比選擇

方案A沖壓變形(壓銅管)的加工方式簡(jiǎn)單易行，量產(chǎn)操作也便于加工，但嵌壓方式容易導(dǎo)致銅管和鋁合金壓合不均勻，散熱能力不理想，應(yīng)力集中，且壓壞工件的概率也較高。銅管受壓變形后，制冷劑在其中流動(dòng)易產(chǎn)生較大噪音，且銅管和鋁合金板件的配合屬于半包形式，對(duì)鋁合金的散熱能力相對(duì)于全包的效果差異很大，所以綜合分析，該方式不宜采用。

方案B壓鋁型材的方式操作簡(jiǎn)單，加工速度快，且工件加工出后表面光潔度好，強(qiáng)度和硬度較高，尺寸穩(wěn)定。但壓鑄鋁時(shí)由于液態(tài)金屬填充型腔速度快，流動(dòng)不穩(wěn)定，鑄件易形成氣孔，質(zhì)地不均勻，導(dǎo)致其熱阻偏大，且壓鑄鋁材本身導(dǎo)熱性能極差，作為散熱板使用時(shí)不具有任何優(yōu)勢(shì)。

方案C利用并改造當(dāng)前換熱器脹管技術(shù)，從內(nèi)至外對(duì)銅管脹管，使其與外圍的鋁合金緊密接觸。由于紅銅管為軟態(tài)，而鋁合金為硬態(tài)，通過(guò)機(jī)械脹管機(jī)的機(jī)械力將合金鋼脹頭強(qiáng)行推入紅銅管內(nèi)徑，將銅管脹大，脹管量的計(jì)算包括銅管外徑正偏差、鋁片孔內(nèi)徑負(fù)偏差、穿管間距，最后為保證管子緊密結(jié)合，再加大一定脹量，即過(guò)盈量。過(guò)盈量的取值既要保證銅管在機(jī)械脹接后的自縮，也要保證冷熱沖擊作用下，管與鋁合金內(nèi)壁的緊密結(jié)合，以減小熱阻，保證傳熱效率。

該方案可以穩(wěn)定高效的帶走主控基板、變頻模塊和室外機(jī)電器艙內(nèi)的熱量，提高機(jī)組在高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的電氣可靠性，確保穩(wěn)定運(yùn)行。防止在極端條件下，因風(fēng)扇周期運(yùn)轉(zhuǎn)或停止轉(zhuǎn)動(dòng)引起的散熱不良。同時(shí)不用開(kāi)外廓模具，但生產(chǎn)加工較繁瑣，對(duì)脹管機(jī)有一定的要求。但就目前的加工能力來(lái)看，完全能滿足加工需求，且脹頭、銅管和鋁合金內(nèi)徑的尺寸均標(biāo)準(zhǔn)化，所以成品一致性較好，散熱能力也較統(tǒng)一。故此方案作為量產(chǎn)優(yōu)選方案之一。

與方案A和方案B相比，方案C機(jī)械脹桿加工方式不僅工藝簡(jiǎn)單，且加工后的成品應(yīng)力集中點(diǎn)少，能夠使銅管和鋁合金完全貼合，整圈都進(jìn)行了壓緊。該方式加工后的成品散熱效果顯著優(yōu)于前兩者。對(duì)比上述加工方式，綜合考慮加工效果和經(jīng)濟(jì)性，選用脹桿式機(jī)械脹管方式對(duì)制冷劑散熱板進(jìn)行加工。但加工過(guò)程中，銅管外徑和鋁合金孔內(nèi)徑的合理選擇及脹頭尺寸的大小直接影響散熱板整體的散熱能力。為優(yōu)選出合理的銅管和鋁合金配合尺寸，以及脹頭尺寸，設(shè)計(jì)幾組不同的銅管和鋁合金的配合尺寸，并同時(shí)配合不同尺寸的脹頭進(jìn)行分組測(cè)試。最終得出合理的配合數(shù)據(jù)用于量產(chǎn)加工。

2.2 測(cè)試方式確定

散熱板的散熱能力測(cè)試即熱阻大小的測(cè)試，熱阻越小，散熱能力越好。制冷劑散熱板的工作原理：基板發(fā)熱體所有熱量通過(guò)鋁合金板和銅管傳到管內(nèi)制冷劑后，由制冷劑帶走發(fā)出的熱量。

根據(jù)此原理設(shè)計(jì)制冷劑散熱板檢測(cè)實(shí)驗(yàn)：模擬加熱體持續(xù)給樣件加熱，由銅管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)不斷帶走熱量，當(dāng)加熱與冷卻達(dá)到平衡后，將銅體溫度與銅管入口溫度和出口溫度平均值之差與加熱體輸入功率的比值作為散熱能力的主要技術(shù)指標(biāo)。

同時(shí)監(jiān)測(cè)銅體溫度，作為確定溫度平衡的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)銅體溫度不再升高，則說(shuō)明冷卻和加熱已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。為得到理想化的銅體溫度，此處銅體溫度監(jiān)測(cè)兩點(diǎn)并取其平均值用于計(jì)算熱阻。此外，同時(shí)監(jiān)測(cè)彎管溫度作為參考，理論上彎管溫度應(yīng)接近進(jìn)口溫度與出口溫度的平均值，否則說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了紕漏，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可信。制冷劑散熱板測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 制冷劑散熱板測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of refrigerant cooling board test

3 實(shí)驗(yàn)搭建

3.1 測(cè)試方法

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理Fig.3 Experimental principle

除被測(cè)樣件外，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：加熱系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和溫度采樣系統(tǒng)。

加熱系統(tǒng)主要構(gòu)成：6塊PTC發(fā)熱體、紅銅、300 W恒功率直流電源。

根據(jù)散熱板尺寸確定PTC個(gè)數(shù)和紅銅的尺寸，紅銅作為較好的均熱體，可以均勻?qū)?個(gè)PTC所發(fā)的熱量穩(wěn)定傳遞至散熱板，即使6個(gè)PTC發(fā)熱能力存在差異也不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

循環(huán)冷卻系統(tǒng)：為被測(cè)工裝提供恒定流量的冷卻水，主要由水泵、水箱、流量計(jì)構(gòu)成。此處僅為驗(yàn)證散熱板的散熱能力，選取水作為循環(huán)介質(zhì)。

溫度采集系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)受控點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，主要由溫度采集儀和若干鉑電阻組成。

由上述加熱系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)共同組成的熱阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)可較準(zhǔn)確的測(cè)試出每個(gè)制冷劑散熱板的散熱能力。

除了測(cè)試散熱板的熱阻，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可測(cè)試導(dǎo)熱墊片的熱阻。增設(shè)柔性的導(dǎo)熱墊片可以填補(bǔ)由于機(jī)械加工帶來(lái)的缺陷，提高散熱板的傳熱效率。所以有必要進(jìn)行導(dǎo)熱墊片的熱阻測(cè)試，通過(guò)對(duì)比幾組不同材料的導(dǎo)熱墊片熱阻數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)選出最合適的材料作為量產(chǎn)時(shí)的使用材料。

合理的實(shí)驗(yàn)方案可以快速準(zhǔn)確的驗(yàn)證制冷劑散熱板的散熱能力，為量產(chǎn)階段快速剔除不良品做好技術(shù)支持。

3.2 脹管尺寸選型確認(rèn)

考慮制冷劑散熱板能與機(jī)體整個(gè)制冷劑循環(huán)系統(tǒng)無(wú)障礙的連接，將銅管尺寸固定，僅改變鋁合金型材的內(nèi)徑和脹頭外徑找到合適的配合尺寸，以達(dá)到最大的散熱效果。由公式(1)結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算熱阻：

(2)

選取幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，所有被測(cè)樣件均是在加熱體功率為300 W，水流量為7.1 L/min的條件下測(cè)試。脹管推力和熱阻隨過(guò)盈量的變化如圖4所示。

表1 樣件測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of samples

注：第5組脹管推力為實(shí)測(cè)值，其余脹管推力均通過(guò)仿真方式得到供生產(chǎn)參考。

圖4 脹管推力和熱阻隨過(guò)盈量的變化Fig.4 Expansion force and thermal resistance change with magnitude of interference

綜上可知：合理的脹頭尺寸配合標(biāo)準(zhǔn)銅管進(jìn)行脹管加工，可很大程度減少散熱板的熱阻，由第7～10組數(shù)據(jù)可知，銅鋁之間還未完全壓緊，熱阻波動(dòng)較大，第5組的散熱板熱阻最小，繼續(xù)增大過(guò)盈量，熱阻提升較少,所以選定第5組配合尺寸為量產(chǎn)加工尺寸。

通過(guò)紅外成像儀可對(duì)散熱板的散熱效果做出直觀的評(píng)價(jià)。散熱板紅外圖如圖5所示。

圖5 散熱板紅外圖Fig.5 Infrared schematic diagram of cooling board

結(jié)合圖4、圖5和表1可知，在加熱功率一致的情況下，樣件5可以將加熱體溫度降至約45 ℃，鋁合金散熱板溫度約為34 ℃，因該樣件的熱阻在所有樣品中最小，僅為0.078，所以散熱效果最佳。加熱體和散熱板整體溫度低且熱量分布均勻。

3.3 導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證不同材料的導(dǎo)熱墊片對(duì)散熱板整體散熱能力的影響，在相同工況下分別選取不同厚度的錫箔、相變材料、硅脂、白色導(dǎo)熱墊片(BFG-30AD)、黃色導(dǎo)熱墊片(M45-AD)，同時(shí)測(cè)試不加任何導(dǎo)熱墊片的一組實(shí)驗(yàn)作為對(duì)比。相變材料分為固態(tài)和液態(tài)，測(cè)試過(guò)程需要先測(cè)試固態(tài)相變材料的熱阻，然后不通過(guò)冷卻水并加熱，達(dá)到熔點(diǎn)溫度后，變?yōu)橐簯B(tài)再通冷卻水進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 導(dǎo)熱墊片測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of thermal pad

表2中所有被測(cè)樣件均在加熱體功率為300 W，水流量為7.1 L/min的條件下測(cè)得。由表2可知，各組材料中，液態(tài)相變材料的熱阻最小，由于其本身的材質(zhì)傳熱效率較高，且液態(tài)可以更好的填滿加熱體和散熱板之間的縫隙，提高了傳熱效率，是較為理想的導(dǎo)熱墊片之一。與其導(dǎo)熱能力接近的是硅脂，二者均具有較好的流動(dòng)性，彌補(bǔ)了接觸面的不平整，導(dǎo)熱能力高于固態(tài)導(dǎo)熱墊片。雖然二者的散熱能力均較好，但液態(tài)導(dǎo)熱介質(zhì)使生產(chǎn)安裝和后期的產(chǎn)品維修困難較大。

對(duì)比其他組數(shù)據(jù)，薄錫箔的熱阻相對(duì)較低，且經(jīng)過(guò)-55 ℃低溫和鹽霧500 h實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，薄錫箔仍具有良好的穩(wěn)定性。對(duì)加工制造及后期的產(chǎn)品維護(hù)沒(méi)有任何影響，其成本優(yōu)勢(shì)較大，將會(huì)成為后期產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)主要的部品之一。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比不同制冷劑散熱板加工方式，提出一種快速有效的實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合導(dǎo)熱墊片的優(yōu)選，為制冷劑散熱技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)變頻基板做好了技術(shù)儲(chǔ)備，得到如下結(jié)論：

1)本文提出的制冷劑散熱板的加工方式簡(jiǎn)單易行，現(xiàn)有制造能力完全可以滿足，具有更高的經(jīng)濟(jì)性和可制造性，可以使工件的散熱能力得到最大限度的發(fā)揮，保證了較高的散熱效率。

2)本文提出的制冷劑散熱板能力檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方式可作為最終制冷劑散熱板加工方式評(píng)定的主要標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和實(shí)施性，為量產(chǎn)品檢測(cè)打好了基礎(chǔ)。

3)導(dǎo)熱墊片的選用，可以填補(bǔ)散熱板和發(fā)熱體之間的微小間隙，彌補(bǔ)了機(jī)加工帶來(lái)的缺陷。提高了散熱板和發(fā)熱體間的傳熱效率，同時(shí)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。