Hệ thống làm mát ống dẫn nhiệt bằng gốm cho các bộ phận từ tính công suất cao
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ống dẫn nhiệt bằng gốm cũng tương tự như ống dẫn nhiệt bằng kim loại (như ống dẫn nhiệt nước bằng đồng). Tuy nhiên, các ống dẫn nhiệt bằng gốm được thiêu kết từ vật liệu gốm không xốp, có tính dẫn nhiệt cao và lõi hấp thụ chất lỏng được nung từ gốm xốp chứa đầy chất lỏng làm việc bên trong. Khi nhiệt được truyền vào một đầu của đường ống (thiết bị bay hơi), chất lỏng bên trong đường ống sẽ bay hơi, sau đó hơi nước sẽ chảy sang đầu kia của đường ống (thiết bị ngưng tụ), thường tiếp xúc với bộ tản nhiệt hoặc môi trường làm mát . Khi hơi nước giải phóng nhiệt đến đầu làm mát, nó ngưng tụ thành chất lỏng và quay trở lại bộ phận bay hơi thông qua hoạt động mao dẫn trong vật liệu gốm xốp. Lặp lại chu trình này để truyền nhiệt hiệu quả từ đầu nóng đến đầu lạnh.
Ống dẫn nhiệt bằng gốm sớm nhất có thể bắt nguồn từ năm 1975. Ống dẫn nhiệt bằng gốm ban đầu được làm bằng cacbua silic (SiC) và sử dụng natri làm chất lỏng hoạt động. Sự lắng đọng hơi hóa học của lớp vonfram (W) gắn vào bề mặt bên trong của ống có thể ngăn cản sự tương tác giữa vật liệu tường natri và gốm. Chức năng của những ống này đã được xác minh bằng thực nghiệm ở nhiệt độ cao tới 1100 độ C và được sử dụng cho các ứng dụng nhiệt độ cao, nhưng chúng rất tốn kém để sản xuất.
Máy biến áp tần số cao được sử dụng trong trạm sạc, hộp sạc và các ứng dụng khác chủ yếu bao gồm lõi từ, cuộn dây và vật liệu cách điện cho cuộn dây cố định. Thông thường, lõi từ được làm bằng vật liệu từ tính như ferrite để đáp ứng các chỉ số hiệu suất như đáp ứng tần số và suy hao lõi từ. Máy biến áp tần số cao tạo ra một lượng nhiệt lớn do tổn thất nhiệt Joule và dòng điện xoáy, đồng thời việc theo đuổi thể tích nhỏ hơn sẽ cản trở việc thông gió và tản nhiệt hiệu quả. Vì vậy, cần thiết kế hệ thống tản nhiệt hiệu quả cho thân máy biến áp và bảng mạch PCB để tránh hiện tượng quá nhiệt của thiết bị và đảm bảo hoạt động tin cậy. Điều này có thể đạt được thông qua nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như làm mát bằng không khí cưỡng bức, làm mát bằng chất lỏng hoặc các sơ đồ làm mát hỗn hợp.
Trong việc lựa chọn hệ thống làm mát cho trạm sạc xe điện (hộp sạc), có thể sử dụng phương pháp làm mát hỗn hợp ống dẫn nhiệt kết hợp với tấm làm mát bằng chất lỏng để giúp các thiết bị điện như MOSFET và các thiết bị từ tính (như cuộn cảm, máy biến áp) tiêu tan nhiệt nhanh chóng. Giải pháp đầu tiên là ép không khí lưu thông bên trong vỏ sạc, đồng thời truyền nhiệt sang tấm làm mát bằng chất lỏng thông qua bộ tản nhiệt vây nhôm và cụm ống dẫn nhiệt. Giải pháp thứ hai là bọc các thành phần từ tính và ống dẫn nhiệt cùng với nhựa epoxy dẫn nhiệt, đồng thời truyền nhiệt đến tấm làm mát chất lỏng thông qua các thành phần ống dẫn nhiệt.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ống dẫn nhiệt và các bộ phận từ tính của sơ đồ thứ hai có thể trao đổi nhiệt hoàn toàn, truyền nhiệt sang tấm làm mát bằng chất lỏng có khả năng chịu nhiệt rất thấp. Tuy nhiên, giải pháp thứ nhất có hiệu suất làm mát thấp hơn giải pháp bịt kín ống dẫn nhiệt do bộ tản nhiệt vây nhôm không thể tiếp xúc hoàn toàn với các bộ phận từ tính.
Tuy nhiên, có một lượng tổn thất dòng điện xoáy đáng kể trong các bộ tản nhiệt kim loại trong các hệ thống làm mát hiện tại, chẳng hạn như bộ tản nhiệt có vây nhôm và ống dẫn nhiệt bằng đồng. Những tổn thất dòng điện xoáy do các thành phần từ tính gây ra có ảnh hưởng xấu đến hiệu suất và độ tin cậy của bộ sạc. Gốm sứ là vật liệu cách điện có tác dụng ngăn chặn sự phát sinh dòng điện và do đó không tạo ra dòng điện xoáy, loại bỏ hiệu quả tổn thất do dòng điện xoáy. Chúng đặc biệt thích hợp để làm mát các bộ phận từ tính tần số cao, chẳng hạn như cuộn cảm và máy biến áp tần số cao.
Ống dẫn nhiệt bằng gốm cung cấp giải pháp làm mát có khả năng chịu được nhiệt độ cao, bền lâu và tổn thất thấp cho các thiết bị điện tử từ tính tần số cao. Tuy nhiên, nó cũng phải đối mặt với vấn đề chi phí cao do quy trình sản xuất phức tạp và chuỗi cung ứng chưa trưởng thành. Hiện nay, nhu cầu sạc nhanh DC đang tăng nhanh và thách thức tản nhiệt của các bộ phận từ tính công suất cao và tần số cao trong các ứng dụng sạc xe điện ngày càng tăng. Điều này chắc chắn sẽ làm nổi bật sự mất mát từ tính không đủ của bộ tản nhiệt kim loại và lợi thế của ống dẫn nhiệt bằng gốm trong việc loại bỏ tổn thất dòng điện xoáy sẽ được khuếch đại. Do đó, công nghệ tản nhiệt thụ động hai pha cách nhiệt được thể hiện bằng ống dẫn nhiệt bằng gốm được kỳ vọng sẽ mở ra những triển vọng mới trong lĩnh vực quản lý nhiệt của thiết bị điện tử công suất cao trên xe điện.
