Keramički rashladni sustav toplinske cijevi za magnetske komponente velike snage

Struktura i princip rada keramičkih toplinskih cijevi slični su metalnim toplinskim cijevima (kao što su bakrene toplinske cijevi za vodu). Međutim, cijevi keramičkih toplinskih cijevi sinterirane su od neporoznih keramičkih materijala visoke toplinske vodljivosti, a jezgra za upijanje tekućine ispaljena je od porozne keramike koja je iznutra ispunjena radnom tekućinom. Kada se toplina dovede na jedan kraj cjevovoda (isparivač), tekućina unutar cjevovoda će ispariti, a potom će para teći na drugi kraj cjevovoda (kondenzator), koji je obično u kontaktu s hladnjakom ili rashladnim medijem. . Kada para otpusti toplinu na hladniji kraj, ona se kondenzira u tekućinu i vraća u dio isparivača kroz kapilarno djelovanje u poroznim keramičkim materijalima. Ponovite ovaj ciklus za učinkovit prijenos topline s vrućeg kraja cjevovoda na hladni kraj.

Najranija keramička toplinska cijev može se pratiti do 1975. Rane keramičke toplinske cijevi bile su izrađene od silicij karbida (SiC) i koristile su natrij kao radni fluid. Kemijsko taloženje sloja volframa (W) iz pare pričvršćenog na unutarnju površinu cijevi može spriječiti interakciju između natrija i keramičkih zidnih materijala. Funkcije ovih cijevi su eksperimentalno provjerene na temperaturama do 1100 stupnjeva C i koriste se za primjenu pri visokim temperaturama, ali su skupe za proizvodnju.

Visokofrekventni transformatori koji se koriste u stanicama za punjenje, kutijama za punjenje i drugim aplikacijama uglavnom se sastoje od magnetskih jezgri, namota i izolacijskih materijala za fiksne namote. Obično se magnetske jezgre izrađuju od magnetskih materijala kao što je ferit kako bi zadovoljile pokazatelje performansi kao što su frekvencijski odziv i gubitak magnetske jezgre. Visokofrekventni transformatori generiraju veliku količinu topline zbog otpora Joule topline i gubitaka vrtložnih struja, a njihova težnja za manjim volumenom ometa učinkovitu ventilaciju i odvođenje topline. Stoga je potrebno dizajnirati učinkovit sustav odvođenja topline za tijelo transformatora i PCB ploču kako bi se spriječilo pregrijavanje uređaja i osigurao pouzdan rad. To se može postići različitim metodama, kao što su prisilno hlađenje zrakom, hlađenje tekućinom ili mješovite sheme hlađenja.

U odabiru sustava hlađenja za stanice za punjenje električnih vozila (kutije za punjenje), mješovita metoda hlađenja toplinske cijevi u kombinaciji s pločama za tekuće hlađenje može se koristiti kako bi se raspršili uređaji za napajanje kao što su MOSFET-ovi i magnetski uređaji (kao što su induktori i transformatori) brzo zagrijati. Prvo rješenje je prisiliti cirkulaciju zraka unutar kućišta punjača, dok se toplina prenosi na rashladnu ploču tekućine kroz radijator s aluminijskim rebrima i sklop toplinske cijevi. Drugo rješenje je kapsulirati magnetske komponente i toplinske cijevi zajedno s toplinski vodljivom epoksidnom smolom i prenijeti toplinu na rashladnu ploču za tekućinu kroz komponente toplinske cijevi

Istraživanje je pokazalo da toplinska cijev i magnetske komponente druge sheme mogu u potpunosti izmjenjivati ​​toplinu, prenoseći toplinu na tekućinu hlađenu ploču s vrlo niskim toplinskim otporom. Međutim, prvo rješenje ima niže performanse hlađenja od rješenja za brtvljenje toplinske cijevi zbog nemogućnosti radijatora s aluminijskim rebrima da u potpunosti dođe u kontakt s magnetskim komponentama.

Međutim, postoji znatna količina gubitaka vrtložne struje u metalnim hladnjakima u trenutnim shemama hlađenja, kao što su hladnjaki s aluminijskim rebrima i bakrene toplinske cijevi. Ovi gubici vrtložnih struja uzrokovani magnetskim komponentama imaju negativne učinke na rad i pouzdanost punjača. Keramika je električni izolacijski materijal koji sprječava stvaranje struje i stoga ne stvara vrtložne struje, učinkovito eliminirajući gubitke zbog vrtložnih struja. Posebno su prikladni za hlađenje visokofrekventnih magnetskih komponenti, kao što su visokofrekventni induktori i transformatori.

Keramičke toplinske cijevi pružaju rješenje za hlađenje koje je otporno na visoke temperature, dugotrajno i s malim gubicima za visokofrekventne magnetske elektroničke uređaje. Međutim, također se suočava s problemima visokih troškova zbog složenih proizvodnih procesa i nezrelih opskrbnih lanaca. Trenutno, potražnja za brzim punjenjem istosmjernom strujom brzo raste, a izazov disipacije topline magnetskih komponenti velike snage i visoke frekvencije u aplikacijama za punjenje električnih vozila se pojačava. Ovo će neizbježno istaknuti nedovoljne magnetske gubitke metalnih radijatora, a prednost keramičkih toplinskih cijevi u uklanjanju gubitaka vrtložnih struja bit će pojačana. Stoga se očekuje da će izolacijska dvofazna pasivna tehnologija odvođenja topline koju predstavljaju keramičke toplinske cijevi otvoriti nove mogućnosti u području upravljanja toplinom elektroničke opreme velike snage u električnim vozilima.