电器股份公司QC小组D对空调电路板的新型散热器研发成果汇报

一、公司简介 2二、小组简介 2三、结构介绍 3 五、选择课题 5六、设定目标 7七、活动计划 9八、提出多种方案并确定最佳方案 9 2一、公司简介珠海XX电器股份有限公司成立于1991年，是一家大型国有控股上市公司，主要为消费者提供节能环保、舒适智能的家用空调、商用空调及生活电器类产品。公司以“诚信经营、多方共赢”为经营理念，坚持“追求完美质量，创立国际品牌，打造百年企业”的质量方针，通过自建渠道，在行业首创区域销售模式，业务遍及全球210多个国家和地区，2005年至今产销量连续10年全球第一。XX空调是中国空调业唯一的“世界名牌”产品，全球用户超过3亿。2012年XX电器实现营业总收入1001.10亿元，成为中国首家超过千亿的家2015年5月，XX电器大步挺进全球500强企业阵营，位居“福布斯全球。二、小组简介C寓意以猎鹰之锐利眼神发现目标，解决问题。以“翱翔技术天地，创意解决难题”为口号，是希望在空调技术领域，能以创新思维解决问题，研发新产品。3男男男男男男男男男男空调室外机结构如下图2所示，本课题涉及的主要部件有风机、电路板(安装在电器盒内)、散热器。4【电路板模块】电路板模块是一种将多种电子元器件高度集成在电路板上，能实现多种控制功能的模块。一般来说，模块的发热量较大，通常会在模块上安装散热器对其进行辅助散热。图中所示的整流桥模块和IPM模块，都是电路板模块。伯春【散热器】散热器——一种加速物体表面热量散发，从而降低物体表面温度的装置。散热器散热的方式有三种：1.辐射散热；2.传导散热；3.对流散热。辐射散热——以热源为中心向所有方向直线放射的一种热量传递方式，同时吸收周围物体反射回来的热量；传导散热——热量通过直接传给与之接触温度较低的物体的一种散热方对流散热——通过传热介质的对流来带走热量的一种散热方式。5【制冷剂】俗称冷媒，是一种可以通过蒸发迅速变成蒸汽，然后又能以冷凝方式变成液体的物质。制冷剂必须能够在不改变其特性的情况下反复改变状态。空调中空调分为很多种类，从控制器控制压缩机运行，压缩机是否能实现频率改变来看，有定频和变频之分。由于变频机组室外机其电路板集成模块功率更大，发热量更多，通常需要对模块进行辅助散热，我们选择公司目前具有代表性的一种侧出风分体式空调室外变频机组作为研究对象来突破。此研究成果不仅适用于变频机组，对非同类型，非变频的空调机组同样适用。由于空调室外机电路板模块靠散热器辅助散热，而目前空调器中使用的散热器主要是铝制肋片强制风冷散热器,散热器散热原理图如图4所示：但该散热器存在以下缺点：(1.换热系数低(下图中空气强制对流)；(2.散热器体积大，成本高；6(3.高温环境下，换热能力严重衰减。如果散热器散热效果达不到要求，势必会影响到电路板模块的散热，从而机组的可靠性降低。研究数据表明，电路板中电子元器件的温度每升高一度，可靠性下降5%[1]，而55%电路板失效问题是由于电子元器件过热造成的[2]，各种电子元器件高温，低温时失效率比值如下表2所示，所以解决电路板散热问题很重要。高低温失效率比值高温低温.0080009圈267.0010630002片5100687通过对侧出风分体式空调室外变频机组在实验室模拟室外工况进行试验，测试机组经铝制肋片强制风冷散热器散热后的电路板模块温度如表所示： (单位：℃)机组测试数室外温度室外温度室外温度室外温度室外温度据46℃48℃50℃52℃54℃测试数据180.281.583.584.586.8测试数据279.88183.884.886测试数据380.581.183.185.286.4从表中可以看出室外温度54℃最恶劣环境工况下，机组电路板上元器件工作温度最优为86℃，散热器散热能力有限。随着公司新产品的不断研发，为了进一步提高机组可靠性，虽然目前的散热器能满足行业标准，但公司对产品提出了高于行业标准的要求，于是我们决定研发一种换热系数高，散热效果好的新型散热器，因此我们把课题定为：空调电路板的新型散热器研发。根据公司现有标准QJ/GD41.10.1001，电路板上电子元器件工作温度应≤95℃，为了满足新产品开发要求，公司领导要求电路板上电子元器件工作温度要≤70℃。(一)设定目标值研发出一种新的散热器使电路板上的元器件运行温度在70℃以下。8(二)目标可行性分析为了使目标可行，我们经过理论计算发现在不增加散热器的基础上，主板模块的温度可以达到120℃至130℃，而我们的设计目标为70℃，通过计算可以得出元器件的散热量。根据公式：W=λm(Tc-Tf)；式中：λ为模块比热容；m为模块流量质量；Tc为主板原有温度；Tf为主板所需温度；根据上述公式进行计算，新型散热器只要不选取空气强制对流散热，而采用比热容λ比空气比热容大2倍以上，流量质量m不小于空气流量质量的介质，技术上就能实现目标要求。在人员方面：小组不仅有经验丰富的质量技术人员担任技术指导，同时还有多位5年以上工作经验的结构设计员和系统设计员，人力资源充沛；在设备方面：公司拥有270多个专业实验室，其中有171个实验室已经通过国内外权威机构的认可，荣获“国家认可实验室”、“UL-CTDP最高等级实验9八、提出多种方案并确定最佳方案8.1提出多种方案小组运用头脑风暴法对新型散热器的设计进行了详细的讨论：室”、“德国TüV八、提出多种方案并确定最佳方案8.1提出多种方案小组运用头脑风暴法对新型散热器的设计进行了详细的讨论：详细的活动计划表，并根据小组的实际活动时间绘制了甘特图：伯春通过讨论，对可运用的散热技术运用亲和图进行整理，整理后得出以下4种方案散热器：确定这4种方案后，小组把初步结构提交公司科管部进行专利检索查新，1.冷媒冷却散热器：通过检索和本方案结构相类似的文献和数据库，在检索过程中，查到以下的相关专利:一种空调器——CN200980115007;制冷装置——CN201320192868.7；热交换系统——CN200780037863.4等，通过对比结构，国内有对于本项目散热器方案的研究，但采用本项目结构特点的，国内没有相同的产品运用。所以，在上述文件及数据库的检索范围内，采用本项目2.微通道冷却散热器：通过检索和本方案结构相类似的文献和数据库，在检索过程中，查到以下的相关专利:ZLSQ20132059——制冷装置；一种变频空调器控制模块芯片降温装置——201120370161.1等，通过对比结构，国内有对于本项目散热器方案的研究，但采用本项目结构特点的，国内没有相同的研究报道。所以，在上述文件及数据库的检索范围内，采用本项目结构的，国内未见相同结构，可进行技术运用及结构设计。3.热管冷却散热器：通过检索和本方案结构相类似的文献和数据库，在检索过程中，查到以下的相关专利:热管冷却系统与空调设备自动切换方法及装置——CN200910102509.6;一种风冷式热管型机房空调系统——CN201010528027.X；变工况无倾角热管换热器——CN201010233686.0等，通过对比结构，国内有对于本项目热管冷却散热器方案的研究，但采用本项目结构特点的，国内没有相同的研究报道。所以，在上述文件及数据库的检索范围内，采用本项目结构的，国内未见相同结构，可进行技术运用及结构设计；4.热电冷却散热器：通过检索和本方案结构相类似的文献和数据库，在检索过程中，查到以下的相关专利:直接热电冷却器组件——CN200780045811.1;热电冷却/加热设备——CN200580043354.3;热电冷却器——CN01143658.1;具有多个动态切换以隔离热传递机理的热电冷却——CN98122808.9等，在对比已经检索的专利基础上结合本领域公知常识以获得该拟申请技术方案，对于本领域的技术人员来说是显而易见的，因此拟申请专利技术方案不具有实质性特点和进步，不具备专利法第二十二条第三款规定的创造性，不建议申请专利，所以最终确定不对此散热器结构进行进一步的设计。方案名称查新结果结论微通道冷却散热器不具有实质性特点和进步，不具备专规定的创造性散热原理：利用流动的低温冷媒在铜管中流动，把散发在传热板上的热量带走，其原理图如图10所示。小组对冷媒冷却散热器进行了理论分析，首先对冷媒管制冷量进行了计算，经Vpfc；i1为冷媒管出口冷媒的比焓；i2为冷媒管进口冷媒的比焓；V2为压缩机进口处过热气体的比容m3/Kg然后对模块发热量进行了计算，经计算，模块发热量：Q1=N×[(t1-t2)/Rth1+(t1-t2)/Rth2]=692Wt1为模块内部最高结温；t2为目标温度值：70℃从结果可以看出，环境最恶劣，压缩机最低频率时候的冷媒管制冷量Q大于模块的最大发热量Q1，方案理论可行。散热原理：在散热板内刻出微小槽道，通过冷却液流经槽道把热量带走。其原理和结构示意图如图12所示：图11微通(槽)道散热器散热原理及结构示意图小组对该散热器进行了理论分析：散热器换热量为：Q=mcp(Tc-Ti),P=I×U流体质量流量(mc),流体进、出口温度(Ti,Tc),加热器电流强度为I,电压然后对模块发热量进行了计算，经计算，模块发热量：Q1=N×[(t1-t2)/Rth1+(t1-t2)/Rth2]RthRth分别为模块的IGBT部分热阻，FWDI部分热阻经计算散热器的散热量Q为853W,大于模块的发热量692W,方案理论可散热原理：利用液体工质的相变传热，热管两端产生温差，蒸发端的液体热管冷却散热原理图如图12所示：通过亲和图，我们列出了热管冷却散热器的方案树图，如图13所示。1.散热结构形式确定，我们绘制出散热器三维结构示意图，如图所示：1.散热结构形式确定，我们绘制出散热器三维结构示意图，如图所示：通过对阶梯翅片、竖直翅片、水平翅片四种不同翅片类型的热管散热器的换热过程进行了数值模拟研究。通过数值模拟研究发现：热管管壁处和翅片壁面处存在速度边界层和热边界层，此处流体温度明显增高，自然对流换热系数也比较大。因为热管的温度比翅片及周围密封板的温度高，所以在热管壁面处，自然对流换热最强。通过比较可以发现，采用倾斜的阶梯翅片热管散热器效果最好，所以我们选择阶梯式翅片热管散热器。2.热管内介质和散热板材料的选择确定在换热板材料选择上面，根据铝、铜、钢的传热性能、价格对比：铝铜钢价格/Kg20系数W/m.K2262最终选用铝作为换热板材料。热管内介质有水，氨，甲醇，考虑到水的比热容大(如下表所示)，而氨和甲醇容易挥发，最终确定选择水作为热管内介 介质比热容KJ/(Kg.K)水4.2氨1.6242.51确定以上因素后，我们就可以对该方案进行理论分析计算：热管散热器制冷量根据公式：Tc为电路板原有温度；Tf为电路板现在所需温度；辐射散热：电路板模块发热量：Q1=N×[(t1-t2)/Rth1+(t1-t2)/Rth2]=692W公式中：Rth1、Rth2分别为模块的IGBT部分热阻，FWDI部分热阻t1为模块内部最高结温；t2为目标温度值：70℃因为模块制冷量越大，其产生的制冷效果就越好，经过计算模块制冷量Q为600W，比电路板模块功率692W低，所以其散热效果不好，无法满足设计要求，此方案不可行。方案名称理论分析、模拟分析结果结论根据计算公式当目标温度值为70℃时，模块制冷量为根据计算公式当目标温度值为70℃时，模块制冷量为8.2确定最佳方案通过理论分析，确认方案一和方案二可行后，小组对这两种方案进行初步结构设计，然后运用仿真软件进行散热模块仿真分析：首先定义相同的外部环境和仿真参数：散热板模型尺寸设置：长*宽*高=100mm*100mm*10mm(此仅为建立仿真模型的尺寸，并非最终确定实际尺寸);流体进口温度均为40℃;电路板IPM模块热流密度为80W/cm²；通道流体入口质量总流量均为0.06kg/s，流动为湍流流动。1.冷媒冷却散热器仿真结构确定：根据散热板模型尺寸和管路折弯工艺，设计出冷媒冷却散热器模型如下所示：图16冷媒冷却散热器模型图2.微槽道冷却散热器仿真结构确定根据机组实际结构空间通过对微通道冷却散热器各方案结构的初步设计，画出同样尺寸大小散热器模型，各方案结构散热器内部槽道形状如下图所示：通过仿真软件计算得到电路板IPM通过仿真软件计算得到电路板IPM模块表面温度值，如表8所示：(单位：℃)散热器结构IPM模块温度冷媒冷却进口温度从模拟结果的IPM模块温度来看：微通道冷却散热器中菱形肋微通道散热效果略胜一筹。由于两种方案均能满足目标要求，小组成员从两种方案的优缺点，成本和散热效果综合评估，如下:图17微槽道结构图示及各方案结构截面图平行直状微通道窝蜂形微通道菱形肋微通道比表9方案选择评分表制表人：刘伯春时间：2014.04.25通过对比，两种散热器的散热效果均能满足温度≤70℃，两者温度相差不大。综合两者的优缺点对比，从两种方案对机组性能的影响、成本对比可以看出，冷媒冷却散热器有较大优势，因此我们确定冷媒冷却散热器为最佳方案。8.3最佳方案详细设计确定最佳方案后，我们对冷媒冷却散热器绘制了亲和图，如下所示：接下来我们对冷媒冷却散热器各方案一一确认。8.3.1散热器结构系统散热板和换热管固定方式从亲和图可以看出散热板和换热管固定方式有4种，经过评估，小组成员一致认为扁平管路固定方式加工工艺复杂，很难满足量产效率，且相对成本较高，确定不采用此固定方式进行设计，对其他的3种方案绘制出三维结构示意图，如下所示： 和换热管固定方式 两块散热板夹住散热板换热管固定在一块散热板上换热管焊接在散热板上通过对以上三种方案从加工用时、成本、换热面积、可靠性四个方面进行对比分析，如下表所示：评估123热面厚度增大现象75高高低散热板材料的确定在换热板材料选择上面，根据表12铝、铜、钢的传热性能、价格对比：铝铜钢价格/Kg20系数W/m.K2262从表中对比可以看出铝的性价比最高，所以选择铝板作为换热板的板散热板大小的确定由于主板主要是通过模块来散热的，我们设计散热板时只需要散热板尺寸大于模块尺寸即可，设计太大了会导致散热板成本增加，其性价比降低。我们设计散热板时主要考虑两点：1、散热板尺寸需要大于模块尺寸；2、散热板大小要方便固定并与冷媒管能够有充分接触便于散热；所以综合以上因素，最终设计出散热板尺寸为98mm*71mm*8mm散热板和换热管接触方式通过市场调查同行业和其他行业的散热接触方式初步得出以下三种接触方通过分析，小组成员对三种接触方案进行对比，如表13：增加传热系数，从而导致散热能力减弱热管表面后能够在两者挤压作用下填充到两者的间隙中，从而保证换热板与换热管之能够增大散热速度，但是由于散热漆会迅速固化，也会存在接8.3.2散热器管路系统管径大小的确定小组成员针对选用何种换热管管径进行了讨论，大家集思广益，最终一致认为，管径大小必须满足以下2个条件：①、管路成型后占用结构空间小；②、成本低，易加工。而公司目前管路规格有：Φ6mm、Φ8mm、Φ9.52mm、Φ12mm等，由于Φ12mm管按照工艺要求加工后与其他管连接步确定三种管径规格为：Φ6mm、Φ8mm、Φ9.52mm。管路规格(mm)管路规格(mm)压力损失(KPa)从表中我们可以看到，Φ9.52管径的压力损失最小，初步选择Φ9.52管径为最佳管径方案。2.从模块温度考虑：运用热仿真分析不同管径情况下模块的发热情况,(其中IPM模块和整流桥为电路板主要散热元件)，分析结果如下表所示：管路规格(mm)综合以上两方面可得表16所示：m管路走管形式设计在设计换热管的走管时需要考虑到散热充分，所以我们选择使用180°弯的管路，保证换热管两次流经散热板，从而能够更多的带走主板热量，确保主板温度降低。冷媒从系统中引出点位置确定2.所确定的位置可持续、稳定散热。在综合评估了以上两个条件之后，我们确定制冷剂引出点位置可以从以下三方面考虑：确定以上方案后，我们对各方案进行了实验测试。方案1：冷媒从冷凝器出口主流路中旁通引出通过和常规的铝制肋片强制风冷散热器实验数据进行对比分析，如下勇时间：2014.05.20通过对比我们发现：该方案在实验进行到1h后，模块温度超过70℃(图中亮红线标记出)，模块温度高，不满足目标要求，因此不采用此种方案2：冷媒经板式换热器过冷后引出通过和常规的铝制肋片强制风冷散热器实验数据进行对比分析，如下从图中我们可以看出：该方案虽然使得IPM模块温度较低，可达到降温h模块温度接近20℃(图中亮红线表示)，这时由于温差效应，环境中的热空气遇到较冷的模块表面，在模块上面会出现凝露水，凝露水如果滴落到控制电路上，就会存在电气安全隐患，因此该方案也不采用。方案3：冷媒直接从冷凝器出口主流路引出通过和常规的铝制肋片强制风冷散热器实验数据进行对比分析，如下表从图中可以得出结论：冷媒冷却方案数据(绿色线条)各项指标满足预期要求，因此最终采用该方案。8.3.3散热器安装系统设计最后进行散热器安装系统的设计，对比3种方案分析如下：1孔工2上，把安全可靠3时间：2014.05.258.3.4冷媒介质由于是直接从机组管路系统中引出冷媒，用于散热。由于本机组冷媒介质是R410A，所以冷媒介质选用R410A。最佳方案确定完成后，小组绘制出最佳方案的树图，如图23所示：最终确定的冷媒冷却散热器为散热器结构系统和散热器管路系统的设计。其中散热器结构系统的设计包括散热模块的设计、换热模块的设计以及散热器安装方式的设计，散热器管路系统的设计主要是从冷媒流路方面进行确定最佳方案之后，我们根据5W1H原则，制定了详细的活动对策，具体信息如对策实施表18所示。1热23定2014.8.15表18对策实施表9.1对策实施一：制作散热器结构系统措施一：根据图纸采购散热板，检验来料是否合格将设计好的图纸提供给对应供应商，让其按照图纸加工，在物料流入使用之前，由质检人员进行逐个检测，保证其按照设计要求加工的才能使用。：表19尺寸检测数据表通过检测发现散热板尺寸均满足GB/T1804-m的要求，对策实施有效。措施二：利用钣金固定换热管到散热板上，涂散热硅胶图25冷媒管和散热铝板配合图时间：2014.06.08使用专用的刷子来涂硅胶，确保换热板和散热管表面所涂的硅胶是均匀的，涂完散热硅胶把铜管装上后，管路会把一部分散热硅胶挤出来，通过查看四周挤出来的散热硅胶，挤出量基本相同，说明散热硅胶涂均匀了。通过用散热硅胶填补散热板和换热管之间的缝隙，提高了热传导效率，从而达到了换热管和散热板接触无间隙的目标要求，对策实施有效！9.2对策实施二：制作散热器管路系统措施一：在管路分厂加工散热管，检验是否满足图纸要求将设计好的图纸提供给管路分厂加工，在完成加工后有相对应质检人员进行检测，检测数据如下表：(单位：mm)设计尺寸管路总长165±1.2扩口尺寸9.729.719.739.719.7±0.1折弯直径30.130.329.930.230±0.8GBT04-c的要求，目标达成，对策实施有效。措施二：管路系统制作完成后，焊接到冷凝器出口主流路中散热器管路系统焊接到冷凝器出口主流路管路系统中，经检查机组各管路之间无碰撞，达到目标要求，对策实施有效。9.3对策实施三：安装散热器措施一：用螺栓把散热板固定用螺栓把散热板固定，保证了散热器固定牢固、无松动，对策实施有效。为了验证机组能够达到目标要求，且不会出现其他方面的异常，我们装配了三台样机进行实验验证。1.机组性能测试机组增加冷媒冷却散热器后性能测试参数如表21所示：(W)力(W)力(W)力(W)表21实验测试性能值图28实验室性能测试界面图通过测试增加冷媒冷却散热器性能变化情况,发现性能高于标准值要求，对策实施有效！2.布热电偶测试机组温度值通过在实验室对该方案的机组模块上进行布热电偶测试温度值，测试结果如表所示：(单位：℃)表22各机组实验测试模块温度值从表中可以看出，各机组模块温度指标满足目标≤70℃的要求，目标达成，对策实施有效！通过对机组在不同环境温度下进行测试，观察不同环境下电路板的凝露情况，下表为不同温度和测试条件下机组的凝露情况：无凝露无凝露无凝露经过测试，机组电路板在四种不同温度条件下均未出现凝露情况，说明运用该散热器不会出现电气安全隐患。2.机组管路应变实验通过对机组不同工作状态下管路布点进行应变测试，管路应变实测最大(单位μ)表24管路应变测试数据制表人:胡扬时间：2014.08.15从表中可以看出机组管路运行时应变值都小于80μ，管路应变实验合格，说明机组运行时，管路系统不会出现异常。十、效果检查为确定活动效果，小组连续1个月对新型散热器散热情况进行观测。每2