基于回路熱管（LHP）技術(shù)繁榮大功率電子被動(dòng)冷卻方案

在最新的GaN和SiC組件的推動(dòng)下，功率電子模塊的尺寸在不斷縮小，與此同時(shí)，散熱也在不斷增加。因此，在許多應(yīng)用中，工程師正在將主動(dòng)（抽水）水冷卻作為看似顯而易見(jiàn)的解決方案。利用回路熱管（LHP）技術(shù)，Calyos提供了一種被動(dòng)的，可持續(xù)的替代方案，可以應(yīng)用于不同行業(yè)的許多熱問(wèn)題。

在接受《電力電子新聞》采訪時(shí)，本·薩頓（Calyos的市場(chǎng)經(jīng)理）解釋說(shuō)，回路熱管是一種被動(dòng)的兩相傳熱設(shè)備。這些系統(tǒng)可以將多個(gè)熱源與低質(zhì)量解決方案結(jié)合在一起，該解決方案可以在復(fù)雜的環(huán)境中導(dǎo)航，同時(shí)仍然能夠冷卻高熱密度組件。

回路熱管可適應(yīng)惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，可毫無(wú)問(wèn)題地處理加速度和振動(dòng)。流體定制可優(yōu)化操作條件，包括用于量子計(jì)算機(jī)的低溫應(yīng)用。

技術(shù)

熱管是一種傳熱裝置，可以通過(guò)工作流體的蒸發(fā)和冷凝在熱界面和冷界面之間以很小的溫差交換大量的熱量。

與熱管不同，LHP內(nèi)部的棉芯結(jié)構(gòu)集中在蒸發(fā)器內(nèi)部。這種芯吸結(jié)構(gòu)提供了毛細(xì)管抽吸壓力，將液體驅(qū)動(dòng)向蒸發(fā)器的底板，在此處蒸發(fā)并沿著蒸汽管線排出。蒸發(fā)器是設(shè)備的心臟，并包含一個(gè)通?；诮饘倩蛴袡C(jī)聚合物的多孔毛細(xì)管芯結(jié)構(gòu)。

圖1：常見(jiàn)應(yīng)用的典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“所以，顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是它如何執(zhí)行？”薩頓說(shuō)。他已經(jīng)與我們共享了一系列數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其系統(tǒng)的性能，因?yàn)槊糠N情況都取決于應(yīng)用程序的具體情況，并且許多項(xiàng)目仍處于保密狀態(tài)。Sutton補(bǔ)充說(shuō)：“以通俗易懂的話，由于汽化流體的低熱阻和高傳熱系數(shù)，系統(tǒng)可以使冷凝器的溫度最大化，進(jìn)而使冷源傳遞的熱量最大化?！?/p>

在與我們分享的一個(gè)高密度逆變器的示例中，Calyos能夠提供一種可比的系統(tǒng)，該組件允許耗散四倍的熱能，同時(shí)在與水系統(tǒng)相同的約束下運(yùn)行。其次，由于經(jīng)過(guò)氦氣測(cè)試的系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有內(nèi)部活動(dòng)部件，客戶可以期望可靠性和使用壽命得到顯著提高。與客戶合作時(shí)，Calyos鼓勵(lì)設(shè)計(jì)完全無(wú)源的系統(tǒng)（不使用風(fēng)扇），從而有機(jī)會(huì)將冷卻系統(tǒng)的能耗降低100％，這對(duì)許多人來(lái)說(shuō)都是有吸引力的解決方案。

圖2：顯示LHP系統(tǒng)中核心組件的圖

LHP的工作原理可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行描述：

蒸發(fā)器上的銅基板與熱源進(jìn)行熱傳導(dǎo)。

在蒸發(fā)器內(nèi)部，液體從儲(chǔ)液罐通過(guò)多孔芯吸結(jié)構(gòu)流向基板。

由于溫度升高，液體在到達(dá)基板時(shí)會(huì)蒸發(fā)。

蒸氣沿著蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)內(nèi)的出口路徑被引導(dǎo)向下沿著蒸氣管線。

當(dāng)蒸氣到達(dá)冷源時(shí)，由于溫度較低，它凝結(jié)回液體。

由于來(lái)自蒸氣管線的壓力，液體沿著液體管線向下流回蒸發(fā)器。

當(dāng)熱量施加到蒸發(fā)器上時(shí)，該過(guò)程將無(wú)限期地繼續(xù)。

Sutton說(shuō)，Calyos已在利基市場(chǎng)（鐵路，能源，電信）中將該產(chǎn)品商業(yè)化，并通過(guò)其在比利時(shí)的工廠繼續(xù)提高產(chǎn)量。成本限制了汽車和計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的廣泛采用。這兩個(gè)市場(chǎng)都提供了絕佳的機(jī)會(huì)，Calyos正在進(jìn)行中的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目以及與OEM和一級(jí)供應(yīng)商的討論。討論顯然集中在通過(guò)與客戶鞏固供應(yīng)鏈并探索許可協(xié)議以實(shí)現(xiàn)采用來(lái)實(shí)現(xiàn)更大數(shù)量的生產(chǎn)。

“一個(gè)值得分享的偉大項(xiàng)目是我們?cè)阼F路行業(yè)所做的工作。牽引變流器安裝在火車上，以轉(zhuǎn)換來(lái)自電力線的直流電以驅(qū)動(dòng)火車。我們的系統(tǒng)被動(dòng)冷卻了8個(gè)IGBT模塊，沒(méi)有泵和風(fēng)扇。STOTON表示，這不僅會(huì)給TCO大大降低的系統(tǒng)給最終客戶帶來(lái)好處，而且還能顯著降低噪音，尤其是當(dāng)火車停在車站時(shí)，可帶來(lái)更好的乘客體驗(yàn)。

圖3：牽引變流器的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)

結(jié)論

有效的冷卻技術(shù)可以延長(zhǎng)使用壽命，進(jìn)而提高電子組件的可靠性，從而最大程度地提高系統(tǒng)效率。LHP等兩相技術(shù)可以將熱量從最熱的位置（例如大功率IGBT）極其有效地轉(zhuǎn)移到散熱器或其他冷卻結(jié)構(gòu)的翅片區(qū)域。

“使用汽化潛熱來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)絕妙的主意，Calyos幸運(yùn)地開(kāi)發(fā)出了出色的熱力技術(shù)，解決了傳統(tǒng)熱管帶來(lái)的許多挑戰(zhàn)，同時(shí)又保留了優(yōu)勢(shì)。隨著我們技術(shù)的普及，我們希望我們能夠提供更多的完全被動(dòng)的解決方案，從而產(chǎn)生巨大的可持續(xù)發(fā)展影響。”薩頓總結(jié)說(shuō)。

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