Ceramiczny układ chłodzenia rurek cieplnych dla komponentów magnetycznych dużej mocy
Struktura i zasada działania ceramicznych rurek cieplnych są podobne do metalowych rurek cieplnych (takich jak miedziane rurki cieplne do wody). Jednakże rury ceramicznych rurek cieplnych są spiekane z nieporowatych materiałów ceramicznych o wysokiej przewodności cieplnej, a rdzeń pochłaniający ciecz jest wypalany z porowatej ceramiki, która jest wypełniona wewnątrz płynem roboczym. Po podgrzaniu jednego końca rurociągu (parownika) płyn znajdujący się w rurociągu odparuje, a następnie para przepłynie na drugi koniec rurociągu (skraplacz), który zwykle styka się z chłodnicą lub czynnikiem chłodzącym . Kiedy para oddaje ciepło do chłodnicy, skrapla się w ciecz i powraca do sekcji parownika w wyniku działania kapilarnego w porowatych materiałach ceramicznych. Powtórz ten cykl, aby skutecznie przenieść ciepło z gorącego końca rurociągu do zimnego końca.
Pierwsze ceramiczne rurki cieplne sięgają 1975 roku. Wczesne ceramiczne rurki cieplne były wykonane z węglika krzemu (SiC), a jako płyn roboczy wykorzystywano sód. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej warstwy wolframu (W) przymocowanej do wewnętrznej powierzchni rury może zapobiec interakcji pomiędzy sodowymi i ceramicznymi materiałami ściennymi. Funkcje tych rur zostały zweryfikowane eksperymentalnie w temperaturach sięgających 1100 stopni C i są wykorzystywane do zastosowań wysokotemperaturowych, ale są drogie w produkcji.
Transformatory wysokiej częstotliwości stosowane w stacjach ładowania, skrzynkach ładujących i innych zastosowaniach składają się głównie z rdzeni magnetycznych, uzwojeń i materiałów izolacyjnych dla uzwojeń stałych. Zwykle rdzenie magnetyczne są wykonane z materiałów magnetycznych, takich jak ferryt, aby spełnić wskaźniki wydajności, takie jak charakterystyka częstotliwościowa i tłumienie rdzenia magnetycznego. Transformatory wysokiej częstotliwości wytwarzają dużą ilość ciepła na skutek strat ciepła Joule'a i prądów wirowych, a ich dążenie do mniejszej objętości utrudnia skuteczną wentylację i odprowadzanie ciepła. Dlatego konieczne jest zaprojektowanie efektywnego systemu odprowadzania ciepła z korpusu transformatora i płytki PCB, aby zapobiec przegrzaniu urządzenia i zapewnić niezawodną pracę. Można to osiągnąć różnymi metodami, takimi jak wymuszone chłodzenie powietrzem, chłodzenie cieczą lub schematy chłodzenia mieszanego.
Przy wyborze systemu chłodzenia stacji ładowania pojazdów elektrycznych (skrzynek ładowania) można zastosować mieszaną metodę chłodzenia rurki cieplnej w połączeniu z płytami chłodzącymi ciecz, aby pomóc w rozpraszaniu urządzeń zasilających, takich jak tranzystory MOSFET i urządzenia magnetyczne (takie jak cewki indukcyjne i transformatory). szybko się nagrzewa. Pierwsze rozwiązanie polega na wymuszeniu cyrkulacji powietrza wewnątrz obudowy ładowarki, jednocześnie przekazując ciepło do płyty chłodzącej cieczą poprzez aluminiowy radiator i zespół rurki cieplnej. Drugie rozwiązanie polega na hermetyzacji elementów magnetycznych i rurek cieplnych wraz z przewodzącą ciepło żywicą epoksydową i przeniesieniu ciepła do płyty chłodzącej cieczą poprzez elementy rurek cieplnych
Badania wykazały, że rurka cieplna i elementy magnetyczne drugiego schematu mogą w pełni wymieniać ciepło, przenosząc ciepło do chłodzonej cieczą płyty o bardzo niskim oporze cieplnym. Jednakże pierwsze rozwiązanie ma niższą wydajność chłodzenia niż rozwiązanie uszczelniające rurkę cieplną ze względu na brak możliwości pełnego kontaktu aluminiowego radiatora z elementami magnetycznymi.
Jednakże w obecnych schematach chłodzenia, takich jak radiatory z żebrami aluminiowymi i miedziane rurki cieplne, występują znaczne straty w postaci prądów wirowych. Straty wiroprądowe powodowane przez elementy magnetyczne mają niekorzystny wpływ na wydajność i niezawodność ładowarek. Ceramika jest materiałem izolacji elektrycznej, który zapobiega wytwarzaniu prądu i dlatego nie generuje prądów wirowych, skutecznie eliminując straty prądów wirowych. Nadają się szczególnie do chłodzenia elementów magnetycznych o wysokiej częstotliwości, takich jak cewki indukcyjne i transformatory wysokiej częstotliwości.
Ceramiczne rurki cieplne zapewniają rozwiązanie chłodzące, które jest odporne na wysokie temperatury, trwałe i charakteryzują się niskimi stratami dla magnetycznych urządzeń elektronicznych o wysokiej częstotliwości. Jednak boryka się również z wysokimi kosztami ze względu na złożone procesy produkcyjne i niedojrzałe łańcuchy dostaw. Obecnie zapotrzebowanie na szybkie ładowanie prądem stałym szybko rośnie, a wyzwania związane z rozpraszaniem ciepła przez komponenty magnetyczne o dużej mocy i wysokiej częstotliwości w zastosowaniach do ładowania pojazdów elektrycznych rosną. To nieuchronnie uwypukli niewystarczające straty magnetyczne grzejników metalowych, a zaleta ceramicznych rurek cieplnych w eliminowaniu strat spowodowanych prądami wirowymi zostanie wzmocniona. Dlatego oczekuje się, że dwufazowa technologia pasywnego rozpraszania ciepła izolacyjnego reprezentowana przez ceramiczne rurki cieplne otworzy nowe perspektywy w dziedzinie zarządzania ciepłem sprzętu elektronicznego dużej mocy w pojazdach elektrycznych.
