Пассивное охлаждение: модули силовой электроники, основанные на новейших компонентах GaN и SiC, продолжают уменьшаться в размерах, а тепловыделение постоянно увеличивается. Следовательно, во многих приложениях инженеры обращаются к активному водяному охлаждению как к, казалось бы, очевидному решению.
Используя технологию Loop Heat Pipe (LHP), то-есть (контурная тепловая труба), компания Calyos предлагает пассивную и устойчивую альтернативу, которую можно применять для решения многих тепловых проблем в различных отраслях промышленности. В интервью Power Electronics News Бен Саттон (менеджер по маркетингу в Calyos) объяснил, что Loop Heat Pipes являются пассивными двухфазными устройствами теплопередачи.
Эти системы могут включать в себя несколько источников тепла с решением с малой массой, которое может перемещаться в сложных условиях, оставаясь способным выполнять пассивное охлаждение компонентов с высокой плотностью тепла.
Петлевые тепловые трубки подходят для работы в суровых условиях, без проблем справляясь с ускорениями и вибрациями. Настройка жидкостей позволяет оптимизировать рабочие условия, в том числе криогенные приложения для квантовых компьютеров.
Технология — Пассивное охлаждение
Тепловая труба — это устройство теплопередачи, которое может обмениваться большим количеством тепла с небольшой разницей температур между горячими и холодными поверхностями за счет испарения и конденсации рабочей жидкости.
В отличие от тепловой трубы, фитильная структура внутри LHP сконцентрирована внутри испарителя. Эта фитильная структура обеспечивает давление капиллярной откачки, направляя жидкость к опорной плите испарителя, где она испаряется и выходит по паропроводу. Испаритель является сердцем устройства и содержит пористую капиллярную структуру фитиля выполняющего пассивное охлаждение, как правило, созданного на основе металлов или органических полимеров.
Рисунок 1: Типовые конструкции системы для общих приложений
«Итак, очевидный вопрос — как работает пассивное охлаждение?» — сказал Саттон. Он поделился с нами рядом данных для проверки производительности своих систем, поскольку каждая ситуация зависит от специфики устройства, и многие проекты остаются конфиденциальными. Саттон добавил:
«С точки зрения непрофессионала, из-за низкого теплового сопротивления и высокого коэффициента теплопередачи испаряющейся жидкости система может максимизировать температуру конденсатора, в свою очередь, максимизируя количество тепла, передаваемого источником холода».
В одном представленном нам примере инвертора высокой плотности Calyos смогла предоставить сопоставимую систему, позволяющую компонентам рассеивать в четыре раза большую тепловую мощность, работая при тех же ограничениях, что и водяная система. Во-вторых, благодаря проверенной гелием конструкции с замкнутым контуром своих систем клиенты могут ожидать значительного повышения надежности и срока службы, поскольку отсутствуют внутренние движущиеся части.
При работе с клиентами производитель Calyos поощряет разработку полностью пассивных систем (без вентиляторов), что дает возможность снизить энергопотребление вашей системы охлаждения на 100% — привлекательное решение для многих.
Рисунок 2: Схема, показывающая основные компоненты в системе LHP
Принцип работы пассивного охлаждения LHP можно описать в следующих пунктах:
- Медная опорная плита испарителя имеет теплообменник с источником тепла.
- Внутри испарителя жидкость течет из резервуара через пористую структуру фитиля к опорной плите.
- Жидкость испаряется, когда достигает опорной плиты из-за более высокой температуры.
- Пар направляется вниз по паропроводу по выходным путям внутри конструкции испарителя.
- Когда пар достигает источника холода, он снова конденсируется в жидкость из-за более низкой температуры.
- Жидкость течет обратно в испаритель по жидкостной линии из-за давления в паропроводе.
Процесс продолжается бесконечно, пока испаритель нагревается.
Саттон сказал, что компания Calyos коммерциализировала продукт на нишевых рынках (железнодорожный, энергетический, телекоммуникационный) и продолжает наращивать объемы производства за счет своего завода в Бельгии. Стоимость препятствует широкому распространению на автомобильном и компьютерном рынках.
Оба рынка предлагают отличные возможности, и Calyos ведет текущие проекты развития и ведет переговоры как с OEM-производителями, так и с поставщиками первого уровня. Обсуждения, очевидно, сосредоточены на обеспечении производства в больших объемах за счет консолидации цепочек поставок со своими клиентами и изучения лицензионных соглашений для обеспечения принятия.
«Отличный проект, которым стоит поделиться, — это работа, которую мы проделали в железнодорожной отрасли. На поездах устанавливаются тяговые преобразователи для преобразования энергии постоянного тока от линий электропередач в движение поезда. Наша система пассивно охлаждала 8 модулей IGBT без насосов и вентиляторов.
Это не только приносит пользу конечному клиенту с системой со значительно более низкой совокупной стоимостью владения, но также значительно снижает уровень шума, особенно когда поезд припаркован на вокзале, что обеспечивает более удобное обслуживание пассажиров», — сказал Саттон.
Рисунок 3: Пассивная система охлаждения тягового преобразователя
Заключение
Эффективные технологии охлаждения могут увеличить срок службы и, в свою очередь, надежность электронных компонентов, увеличивая эффективность системы. Двухфазные технологии, такие как LHP, могут чрезвычайно эффективно отводить тепло от самых горячих точек, таких как мощные IGBT, в оребренную область радиатора или других охлаждающих структур.
«Использование скрытой теплоты испарения для управления системой охлаждения — блестящая идея. Calyos удачно разработала отличную тепловую технологию, решающую многие проблемы, связанные с традиционными тепловыми трубками, при сохранении преимуществ. По мере роста внедрения нашей технологии мы надеемся, что сможем предложить больше полностью пассивных решений и, в свою очередь, окажем большое влияние на устойчивость», — заключил Саттон.