多联机IPM模块冷媒散热技术的凝露试验研究

多联机IPM模块冷媒散热技术的凝露试验研究

孙常权，李树建

广东TCL智能暖通设备有限公司，广东中山5128001

摘 要：变频空调器IPM模块发热量大，行业内已开发出采用制冷剂冷却的高效散热方案。通过分析冷媒散热的技术原理，了解到存在凝露风险，当流经散热模块的冷媒温度低于周围空气露点温度时，散热模块就可能会凝露。对此，本文以多联机空调系统为例，进行测试验证，得到一些进展，在常规的制冷、制热使用情景中，冷媒散热模块不会凝露，可靠性高，为后续同类产品的开发提供参考。

关键词：IPM模块；冷媒散热；凝露

0引言

变频空调器中有一个重要元器件智能功率模块（英文缩写“IPM”），该器件对变频压缩机的启动和变频运转起关键作用。IPM模块发热量大，必须由外部冷源将其冷却、控制在合理温度范围内，否则容易受热量影响导致电子部件寿命急剧缩短，甚至会损坏，从而导致压缩机无法运转。常用风冷铝制肋片散热器，IPM模块紧贴固定在其平面侧，肋片端放置于空调风机侧。风机运转，空气流经肋片强制对流换热，从而降低IPM模块的温度。但是，风冷铝制肋片散热器存在以下缺点：

（1）铝制肋片散热器体积大，占用空间，材料和加工成本高；

（2）体积较大的铝制肋片处于风机侧局部位置，暴露在室外环境中，经过长期使用，变频器铝制肋片散热器容易积灰，影响换热效果，如果变频器温度持续过高，会造成变频器的器件损坏。

（3）空调在高温环境下制冷时，换热器的温度较高，与铝制肋片换热的空气已经是与冷凝器换热后的高温气体了，再经过二次换热把变频器铝制肋片散热器上的热量带走，对于变频器来说散热效果较差。

针对风冷铝制肋片散热器的缺点，空调行业已经研究开发出一种采用制冷剂冷却IPM模块的散热器，本文以多联机系统为例，研究冷媒散热技术的工作原理及凝露风险控制。

1 冷媒散热技术原理分析

图1 冷媒散热制冷系统原理图

如图1所示，为采用IPM模块冷媒散热的多联机的制冷系统原理图。在制冷运行时，从压缩机排出的高温高压气体制冷剂经由室外换热器冷凝，经过室外机电子膨胀阀（制冷时控制室外机EXV开度最大，此时不会节流降压降温），再流过冷媒散热模块流路，直到室内机电子膨胀阀时开始节流降压降温，经室内换热器蒸发，最后回到压缩机，完成整个循环。而在制热运行时，从压缩机排出的高温高压气体制冷剂经由室内换热器冷凝，经过室内电子膨胀阀（制热时会通过过冷度控制内机EXV开度，此时稍有节流降压降温），再流过冷媒散热模块流路，直到室外机电子膨胀阀时节流降压降温，经室外换热器蒸发，最后回到压缩机，完成整个循环。

图2-1 冷媒散热结构示意图

图2-2 冷媒散热结构示意图

该系统和普通变频空调制冷系统的主要差异点在室外机的高压截止阀部件上（图2）。风冷散热是通过铝制肋片与空气对流换热来实现，其室外机电控变频驱动板和高压阀部件管路之间无直接接触，散热效果较差。而采用冷媒散热的变频空调器室外机在运行过程中，从室外机压缩机中排出的高温高压气体在经由冷凝器冷凝处理后，形成的制冷剂液体会从冷凝器出口管流向高压阀部件管路，高压阀部件部分管路与IPM模块散热铝块贴合接触（图2），可以通过铜管里面的冷媒流动将IPM模块的热量带走，以此达到降低室外机IPM模块温度的效果。一般地，为了达到更好的换热效果，还会在铜管和铝块的接触表面涂抹导热系数较高的散热膏，保证良好接触。

2 散热模块的凝露风险分析

从结构上分析，采用冷媒散热方案的变频空调在进行室外IPM模块散热时，主要是通过高压阀部件铜管与散热铝块接触来实现热量传递。因为散热铝块与驱动板上的IPM模块紧密接触，铝块附近还存在大量其他电子元器件，一旦铝块和接触的铜管上产生凝结水，结成的水珠很可能会流淌到电子元器件上，造成控制板短路或损坏。

从系统上分析，多联机系统运行的过程中，从室外机压缩机中排出的高温高压气体在经由冷凝器冷凝处理后，形成的制冷剂液体会从冷凝器出口管，流向高压阀部件管路。由于此时的制冷剂液体是在冷凝器中的高温高压气体制冷剂与环境温度气空气对流换热产生的，一般工作情况下，此时的制冷剂液体温度会比环境温度稍高，但一定比空调室外机电控变频模块的温度低。

此多联机系统的主要节流位置，制冷时是在经过冷媒散热模块之后，确保了经过变频器散热模块的液态冷媒未经电子膨胀阀节流降温。但是，制热时会通过过冷度控制内机EXV开度，有一定的节流降温的效果，再流经散热模块，凝露风险比制冷时高。当流经散热模块的冷媒温度低于周围空气的露点温度时，散热模块就可能会凝露。

3散热模块凝露实验研究

基于理论分析了冷媒散热方案会有一定的凝露风险，本次设计实验研究，将通过在工况实验室中，调整空调器的运行环境温湿度，模拟实际生活中的各种环境进行试验验证。根据全国各地湿度表查询可知，大部分城市全年平均相对湿度不会超过80%，因此可控制室外机在相对湿度为80%以上的恶劣的环境中运行，计算此温湿度空气的露点温度。

本文试验采用12HP多联机，其系统原理图如图1，IPM模块散热方案为冷媒散热。

在以下几种常规制冷测试工况下运行，记录IPM温度和散热模块管路温度数据，与计算出的各工况的露点温度进行对比。记录6组测试数据于表1。

表1 制冷模式各工况温度对比

根据表1的数据，散热模块管路温度与室外侧环境温度值相差不大。根据冷媒散热原理，铝块是从IPM吸热、再传递给管路，所以铝块温度是低于IPM温度而高于散热模块管路温度。根据图3所示，很明显散热模块管路温度一直高于露点温度，所以铝块和管路不会凝露。

图3 制冷模式各工况温度对比

回归理论分析，制冷运行时，室外机冷凝器中的冷媒与环境温度的空气对流换热，还需经过室外机电子膨胀阀，在多联机系统中，制冷时一般控制此阀开度达到最大，只需要合理选型电子膨胀阀的规格，就能保证在此没有较大的降压降温，使进入散热模块前的冷媒温度低于变频模块温度但始终高于露点温度，即可以起到带走变频模块的热量使之降温的效果，而且一定不会凝露。

在以下几种常规制热测试工况下运行，记录IPM温度和散热模块管路温度数据，与计算出的各工况的露点温度进行对比。记录6组测试数据于表2。

表2 制热模式各工况温度对比

根据表2的数据，作出制热模式各工况温度对比图于图4。制热时，冷媒与内侧环境换热，再流向散热模块管路，观察数据，很明显散热模块管路温度比内侧环境温度要高，而且制热时外侧环境温度低，所以散热模块管路温度一直高于外侧环温的露点温度（如图4），所以铝块和管路不会凝露。

图4 制热模式各工况温度对比

根据冷媒散热原理，当流经散热模块的冷媒温度低于周围空气的露点温度时，即外侧温湿度高，内侧温度低，散热模块容易凝露。下面进行一组非常规测试，观察并记录运行数据于表3。

表3 非常规工况运行

从实验结果数据分析可知，在外侧34.8/33.8℃，内侧16.7℃这种非常恶劣工况下制热运行，散热模块管路温度为34.3℃，仅稍高于露点温度，此时观察空调器散热模块已有少许凝露；在此工况下，继续增大室内外温差，降低室内温度或者提高室外温湿度，都会使散热模块管路温度低于外侧的露点温度，造成更严重的凝露。结合现实生活中，此种工况温度一般出现沿江沿海等高温高湿度地区的地下室需要制热的情况，出现的几率很低，一般另选用特殊定制空调机组。常规多联机一般制热运行范围-5～24℃，上述内容已经验证过在此范围内没有凝露现象。

4 结论

目前，各大空调器厂商都在进行变频空调器的风冷散热到冷媒散热的产品升级迭代。冷媒散热的系统可靠性必须得到保证，本文经过对冷媒散热技术的原理分析和具体的实验验证，得出以下结论：

多联机制冷运行时，室外机冷凝器中的冷媒与环境温度的空气对流换热，通过电子膨胀阀合理选型及控制，使进入散热模块前温度低于变频模块温度但始终高于露点温度，即可以起到带走变频模块热量使之降温的效果，而且一定不会凝露。

多联机制热运行时，在常规制热运行范围之内运行（室内侧温度高于室外侧温度），通过电子膨胀阀合理选型及控制，不会有凝露风险。

对于特殊的高温高湿度地区制热使用情景，需定制特殊机组并设计更合适的系统及电子膨胀阀控制方案。

综上，冷媒散热技术应用在变频空调系统上可靠性很高，但应用中还需合理设计系统节流部件及其控制方案，从而达到更好的散热效果、避免凝露。

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