一、目的
1. 为了适应全球高温气候变化和大功率热流密度器件发展趋势的实际需要,在充分掌握当前房间空调器功率器件散热技术现状的前提下,制订适用于芯片、IGBT、二极管、整流桥、多芯片集成IPM模块、电抗器等房间空调器功率器件用热管散热装置(以下简称“热管散热装置”)的行业标准(以下简称“本标准”),引入新动能,引导和推动整个行业健康发展。
2. 对房间空调器功率器件提供重要的散热技术标准支撑,为该行业产品的设计开发和生产提供可遵循的依据,从而保证房间空调器功率器件用散热装置的产品质量,保障高温天气环境下的房间空调器的制冷能力,提升高温天气下的空调制冷舒适的用户体验。
二、意义或必要性
1. 保障房间空调器的高温制冷能力,扩大房间空调器运行环境温度的高温范围
由于全球气候变化,高温天气(环温42℃~45℃)最近几年频现,60℃高温制冷空调成为了空调发展的趋势之一。房间空调器在夏天的高温制冷能力,功率器件的散热是重要的制约因素。目前房间空调器的功率器件用铝翅片散热技术无法解决大热流密度和大功率产生的高温电子散热问题,导致高温天气空调不制冷、宕机或者降频50%,“柜机当做挂机用”。
热管散热装置一种利用相变传热的热管散热技术产品,如图1、图2所示。其技术特点:
① 能够充分利用铝基热管、铝基均热板的均热传热特性;它利用房间空调器功率器件工作时的热量驱动传热介质发生相变传热,传热系数可超过12000W/(m·K),将相变的潜热均匀的传导至整个热管和配套翅片阵列,进行风冷强化散热,适用于的热流密度可以在(0~200)W/cm²。
② 弯曲性能好,有利于加工制作;
③ 耐蚀性好。
图1 铝基热管
图2 铝基热管散热装置
因此,房间空调器功率器件用热管散热装置,如图3所示,可以解决在高温环境工况下室外机功率器件散热不好,进而导致空调制冷效果不佳的行业难题,实现了在高温工况下空调器100%强力制冷能力,压缩机满频运行不衰减的技术要求,可以完美代替铝翅片散热装置进行变频功率芯片的大热流密度散热问题,保证空调器的高温制冷能力。
注:均热使得散热装置的散热能力随着散热面积的增大基本上呈正比增大
图3 热管散热装置应用于房间空调器
2. 有利于保障变频功率器件的可靠性和寿命
房间空调器功率器件用铝翅片散热,如图4所示,因铝自身的导热能力较低(导热系数200 W/m.K左右),不但在空调器运行环境温度>43℃工况下,不能支持变频空调的持续制冷运行,还使功率器件的可靠性和寿命受到影响。
注:外部环境温度为53°时,散热能力不够。
图4 铝挤散热片应用于房间空调器
随着功率器件如绝缘栅双极晶体管IGBT及电力电子设备的日趋流行向小型化、大功率和高精度方面发展,除了需要采用先进的元器件和设计新型先进的电子线路外,还需要缩小散热器的体积。因此,制定本标准,可规范空调制造企业为芯片、IGBT、二极管、整流桥、多芯片集成IPM模块、电抗器等功率器件配套选用更高效率的热管散热装置,可以保证空调的高温制冷能力和功率器件的可靠性和寿命。
3. 有利于促进热管散热装置规模化、产业化发展
中国家用空调产业数十年保持高速发展态势,已经实现了全球空调生产和市场占有率的引领,2020年中国家用空调内销8028.1万台,出口6118.8万台,销售额5914亿元。其中,变频空调器由于具有节能优势,已经达到了市场占有率60%以上。
热管散热装置相比传统的铝型材散热器节省铝材用量80%,成本降低50%以上,性能优异,稳定性好深受家电企业喜爱,已广泛应用于家用空调、商用空调和热泵热水器等众多类型产品。已将热管散热装置技术应用于变频空调器的国内外品牌有日系大金、三菱等,韩系三星和LG,国产海尔、格力、美的等。可以预期未来数年内,国内变频空调器使用的功率器件及其散热装置的生产和销售都会迅速增长。目前预计可年需求量约500万套/年。
国内生产房间空调器功率器件用热管散热装置的厂家数量众多,且均为知识产权自主可控,产能可以保证变频空调器配套使用的需要。主要生产厂家有宁波生久集团有限公司、河南新科隆电器有限公司(同时向华为供应热管型散热装置),江苏常发实业集团有限公司、深圳银宝山新有限公司、北京高导科技有限公司、大连旭日阳光有限公司、浙江康盛集团、德意盟有限公司、浙江嘉熙有限公司、华南理工大学及其产业化公司等。
制定本标准,可从标准层面规范产品技术发展,有利于空调器制造企业选用性能优良、效率高、性价比好的热管散热装置,推动热管散热装置及相关产品的优胜劣汰,相关技术更新换代,促进行业规模化、产业化发展。
4. 解决热管散热装置标准缺失问题
热管散热装置的吹胀式热管为一种相变传热模块,因此与传统的纯铝型材散热装置相比,两者的传热机理不同,结构设计也有所不同。热管散热装置没有专用的行业标准。该类产品的评价或是借鉴铝型材散热装置的评价标准,或是企业采用自行拟定的企业评价标准。由于热管散热装置没有专用的行业标准,存在的问题:
一是直接借用铝型材的评价标准进行评判,其中的替代逻辑关系和可行性未能得到权威的论证,其结果未必能够真实反映热管散热装置的工作情况。
二是采用企业自拟标准进行评判,由于不同企业的技术体系不同,必然导致企业自拟标准的要求千差万别。企业采用自拟标准对热管散热装置产品的传热性能、气密性、产品可靠性等方面进行评判,虽然可满足需方客户的要求,但产品质量、技术水平不在统一的标准尺度上进行衡量,在行业间不具备可比性,也缺乏权威性。或采用企业自拟标准进行是不太合适的。
所以,针对热管散热装置设计、制造特点制定行业标准,对其性能、产品可靠性等方面作出规定,是热管散热装置行业技术发展趋势的要求。对其他行业应用热管散热装置也有指导意义。
5.提升中国房间空调器的国际化水平
经查询,国际上尚没有针对房间空调器功率器件用热管散热装置的标准。因此本标准的制定不但可以填补国内房间空调器功率器件用热管散热装置行业标准空白,还可以为国际标准的制定提供数据支撑。
我国房间空调器功率器件用热管散热装置还处于发展阶段,本标准的制定有助于房间空调器功率器件用热管散热装置的应用推广,帮助国内产品打开出口市场。
所以,基于房间空调器功率器件用散热装置的设计、制造特点,制定《房间空调器功率器件用热管散热装置》行业标准,对其传热性能、气密性和耐腐蚀性等方面作出规定,符合国家的节能、环保、提升用户对美好生活的向往政策,是家用/商用电器行业技术发展趋势的要求,更是市场发展的要求。
6.有利于国标委“第二批国家级消费品试点项目-国家家用电器试点(关键零部件)”顺利完成
该标准是家电零部件分委会秘书处承担单位西安庆安制冷设备股份有限公司“第二批国家级消费品试点项目-国家家用电器试点(关键零部件)”任务之一,该标准的制定有利于家用电器行业的升级换代。