Keramik-Heatpipe-Kühlsystem für leistungsstarke magnetische Komponenten
Der Aufbau und das Funktionsprinzip von Keramik-Heatpipes ähneln denen von Metall-Heatpipes (z. B. Kupfer-Wasser-Heatpipes). Allerdings werden die Rohre von keramischen Wärmerohren aus nicht porösen Keramikmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit gesintert, und der flüssigkeitsabsorbierende Kern wird aus poröser Keramik gebrannt, die im Inneren mit Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist. Wenn einem Ende der Rohrleitung (Verdampfer) Wärme zugeführt wird, verdampft die Flüssigkeit in der Rohrleitung und dann strömt der Dampf zum anderen Ende der Rohrleitung (Kondensator), das normalerweise mit dem Kühler oder Kühlmedium in Kontakt steht . Wenn Dampf Wärme an das kühlere Ende abgibt, kondensiert er zu einer Flüssigkeit und kehrt durch Kapillarwirkung in porösen Keramikmaterialien zum Verdampferbereich zurück. Wiederholen Sie diesen Zyklus, um die Wärme effektiv vom heißen Ende der Rohrleitung zum kalten Ende zu übertragen.
Das erste keramische Wärmerohr lässt sich bis ins Jahr 1975 zurückverfolgen. Frühe keramische Wärmerohre bestanden aus Siliziumkarbid (SiC) und verwendeten Natrium als Arbeitsflüssigkeit. Die chemische Gasphasenabscheidung einer Wolframschicht (W), die an der Innenfläche des Rohrs angebracht ist, kann die Wechselwirkung zwischen Natrium und keramischen Wandmaterialien verhindern. Die Funktion dieser Rohre wurde experimentell bei Temperaturen von bis zu 1100 Grad C bestätigt und wird für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, ihre Herstellung ist jedoch teuer.
Hochfrequenztransformatoren, die in Ladestationen, Ladeboxen und anderen Anwendungen eingesetzt werden, bestehen hauptsächlich aus Magnetkernen, Wicklungen und Isoliermaterialien für feste Wicklungen. Normalerweise bestehen Magnetkerne aus magnetischen Materialien wie Ferrit, um Leistungsindikatoren wie Frequenzgang und Magnetkernverlust zu erfüllen. Hochfrequenztransformatoren erzeugen aufgrund der Jouleschen Widerstandswärme und Wirbelstromverlusten eine große Wärmemenge, und ihr Streben nach einem kleineren Volumen behindert eine effektive Belüftung und Wärmeableitung. Daher ist es notwendig, ein wirksames Wärmeableitungssystem für das Transformatorgehäuse und die Leiterplatte zu entwickeln, um eine Überhitzung des Geräts zu verhindern und einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Dies kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, beispielsweise durch Zwangsluftkühlung, Flüssigkeitskühlung oder gemischte Kühlsysteme.
Bei der Auswahl des Kühlsystems für Ladestationen für Elektrofahrzeuge (Ladeboxen) kann eine gemischte Kühlmethode aus Wärmerohren in Kombination mit Flüssigkeitskühlplatten verwendet werden, um die Verlustleistung von Leistungsgeräten wie MOSFETs und magnetischen Geräten (wie Induktivitäten und Transformatoren) zu unterstützen schnell erhitzen. Die erste Lösung besteht darin, die Luftzirkulation im Inneren des Ladegerätgehäuses zu erzwingen und gleichzeitig die Wärme über einen Aluminiumrippenkühler und eine Wärmerohrbaugruppe an die Flüssigkeitskühlplatte zu übertragen. Die zweite Lösung besteht darin, die magnetischen Komponenten und Wärmerohre zusammen mit wärmeleitendem Epoxidharz zu verkapseln und die Wärme über die Wärmerohrkomponenten an die Flüssigkeitskühlplatte zu übertragen
Untersuchungen haben gezeigt, dass das Wärmerohr und die magnetischen Komponenten des zweiten Schemas vollständig Wärme austauschen können und die Wärme mit sehr geringem Wärmewiderstand an die flüssigkeitsgekühlte Platte übertragen. Die erste Lösung hat jedoch eine geringere Kühlleistung als die Heatpipe-Dichtungslösung, da der Aluminiumlamellenkühler keinen vollständigen Kontakt zu den magnetischen Komponenten herstellen kann.
In aktuellen Kühlsystemen wie Aluminium-Lamellenkühlkörpern und Kupfer-Heatpipes kommt es jedoch zu erheblichen Wirbelstromverlusten in Metallkühlkörpern. Diese durch magnetische Komponenten verursachten Wirbelstromverluste wirken sich negativ auf die Leistung und Zuverlässigkeit von Ladegeräten aus. Keramik ist ein elektrisches Isolationsmaterial, das die Stromerzeugung verhindert und daher keine Wirbelströme erzeugt, wodurch Wirbelstromverluste effektiv vermieden werden. Sie eignen sich besonders zur Kühlung hochfrequenter magnetischer Komponenten, wie zum Beispiel Hochfrequenzinduktivitäten und Transformatoren.
Keramische Wärmerohre bieten eine hochtemperaturbeständige, langlebige und verlustarme Kühllösung für hochfrequente magnetische elektronische Geräte. Aufgrund komplexer Herstellungsprozesse und unausgereifter Lieferketten ist das Unternehmen jedoch auch mit hohen Kostenproblemen konfrontiert. Derzeit steigt die Nachfrage nach Gleichstrom-Schnellladung rasant und die Herausforderung der Wärmeableitung von Hochleistungs- und Hochfrequenz-Magnetkomponenten in Ladeanwendungen für Elektrofahrzeuge wird immer größer. Dies wird unweigerlich den unzureichenden magnetischen Verlust von Metallstrahlern hervorheben und den Vorteil von Keramik-Heatpipes bei der Eliminierung von Wirbelstromverlusten verstärken. Daher wird erwartet, dass die isolierende zweiphasige passive Wärmeableitungstechnologie, die durch keramische Wärmerohre dargestellt wird, neue Perspektiven im Bereich des Wärmemanagements von leistungsstarken leistungselektronischen Geräten in Elektrofahrzeugen eröffnen wird.
