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空气与液体冷却:电力电子热管理的进步

过去几十年,电力和能源是电子工业中发展最迅速的两个行业。功率转换、倒置和整流以及蓄电池和燃料电池技术已成为所有行业实现技术增长不可或缺的一部分。

随着电力电子系统变得越来越复杂,并且在更高的功率范围内运行,外形尺寸越来越小,这使得热量成为可以完成的最大限制因素之一。为了处理耗散的功率,必须优化和扩大空气冷却解决方案,以充分去除多余的热量。在某些情况下,尺寸成为强制对流解决方案的限制因素。在这些情况下,风冷系统的尺寸或重量使其不切实际,液体冷却正迅速成为最流行的替代方法。

从风冷系统切换到液体系统不是一个快速或轻易做出的决定;在改善热管理以处理更高的热负荷时,有许多因素和可能性需要考虑。虽然市场趋势表明,全液体冷却系统最终将成为电力电子设备冷却的行业标准,但随着系统的发展或升级,有许多选项和混合解决方案可以应用两者的优势。如果预算或时间限制使得直接切换到液体是不现实的,那么通过设计改进或引入两相冷却或液体组件来优化强制对流解决方案是可行的临时解决方案。

风扇冷却散热器
延伸表面液体冷板

工程师们一直在开发液体系统,这些系统与现有的风冷解决方案相辅相成,随着时间的推移,可以扩展以完全取代风冷系统。这是通过专注于可以通过液体冷却获得直接收益的电子设备来完成的。该系统利用流体联轴器、可靠的泵系统和紧凑型热交换器,将热量从气流中排出到液体,在那里它被传递和管理到其他地方。在其他情况下,工程师选择用液冷系统完全取代风冷系统,以立即实现更高的功率输出并优化热性能。

在您考虑转换成液体冷却以提高电力电子设备和设施的性能时,有几个关键的决定因素:

  • 您对于尺寸、重量和热性能有何要求?
  • 您能够进一步优化您的风冷系统吗?
  • 风冷系统作为可行的散热方案付诸应用还能够持续多久?
  • 液体或体积可用性是否有任何限制?
  • 对液体冷却的投资需要花费多长时间才能实现性能和效率的回报?
  • 如何实施或设计液体冷却才能融入您的应用?对应用/设施停机时间的影响将会是什么?
  • 如何及何时开始?

风冷的优势

风冷系统比液体系统便宜得多。它们不需要调节或专用流体并且由较少组件构成,这些组件比液体系统的组件更加经济实惠。因为它们不存在液体泄漏并且减少了组件损坏,所以它们的故障方式也较少。除了具有更高的可靠性和更低的成本以外,风冷系统还更易于改装或升级。

风冷的局限

在典型应用中,空气冷却系统由挤压或粘合的翅片散热器组成,通常还有风扇。当可靠性是一个重要因素时,工程师可能会放弃风扇,而是选择无源解决方案。自然对流和强制对流都有局限性。自然对流受到散热所需的总表面积的限制;这需要大型,沉重的解决方案,这些解决方案通常是不切实际的。

强制对流解决方案受到压降的限制。具有大表面积的散热器在可行的体积中产生大量的空气阻力,从而阻碍流量,从而阻碍风扇可以产生的传热。较大的强制对流解决方案也需要更大或更多的风扇,从而增加了解决方案产生的噪声量。

然而,风冷解决方案的最大限制是热性能。空气不具有与液体相同的吸收和传递热量的能力。在一定的阈值下,空气冷却成为一种不足的解决方案,液体冷却是必要的。

粘结翅片散热器

风冷改装和混合解决方案

有三种常见的方法来改进您的风冷系统。首先是优化您的散热器设计和风扇选择。产生更多的气流,优化翅片几何形状或增加散热器体积是改进风冷解决方案的方法,而无需引入其他技术。第二种方法是在设计中引入两相冷却。可以集成热管以传播更高的功率密度或将热量移动到更容易消散的区域。提高风冷溶液性能的第三种最常见方法是开始引入液体系统的元素,例如被动式热虹吸管。

高接触冷板

液体冷却的功效

液体转移热量的能力比相同质量的空气的能力高出多达4倍。这样就能在更小解决方案中实现更高的热性能。液体冷却系统是液压回路,通常由以下各元件组成:冷板,与热源和设备相互作用;泵,使流体循环通过系统;和热交换器,从设备排出液体所吸收的热量。液体冷板的工作包络远小于风冷为相同应用所采用的散热片。另外,可以在对性能造成最小影响的情况下,将多个冷板连接至同一交换器。液体冷却允许对冷却系统进行额外控制,因为它能控制冷却板的入口温度以及流速。

液体冷却的潜在风险和权衡

有些人对采用液体冷却保持沉默,因为额外的复杂性和对泄漏的恐惧。复杂性通常会增加解决方案的成本和保持系统运行所需的维护量。但是,额外的成本得到了缓解,因为改进的冷却性能将延长设备的使用寿命和可靠性。由于其复杂性,液体冷却需要更好的规划和设计才能整合到您的电力电子设备中。虽然冷板比挤压或散热器小得多,但一旦将热交换器,管道,储液器和泵全部考虑在内,整体解决方案往往会占用更多的体积。工程师必须在初始设计阶段考虑所有这些因素,以避免以后出现复杂情况。通过适当的远见卓识,系统的复杂性可能是有益的,因为系统设计具有更大的灵活性。

液体冷却方案

水力滑吸管™

HydroSink™系统是一种可配置的方法,它将一组标准的优化热交换器,风扇,泵,阀门,储液器,配件,传感器和控制板与定制冷板相结合,以设计满足给定要求的最佳液体冷却解决方案。

与标准液体冷却系统相比,HydroSinks™在设计和安装方面具有更大的灵活性,因为它们是可配置的,并且更容易适应设计要求。外壳内液体冷板、控制板和客户机器控制的密封和连接也是可定制的。

由于HydroSinks™主要由一组标准优化组件组成,因此它们比传统的定制液体冷却及其风冷组件更具成本效益。

目前,HydroSink™有两种基本的紧凑型系统尺寸,小型和中型。最终客户HydroSink™系统的实际尺寸因配置而异。尺寸取决于风扇尺寸和冷却性能。小型发动机的温升为每千瓦7-20°C,而中型发动机的温升为每千瓦3-9°C。

带透明外壳的水力墨水™

液冷板

定制的液体冷板是HydroSink™系统的一个组成部分。Boyd提供四种不同的创新冷板设计,旨在根据应用和要求优化整个系统。所有冷板均采用专门的认证程序进行无忧液体冷却,以确保无泄漏、可靠的解决方案。

Hi-Contact™管式冷板
Hi-Contact™管式冷板

Boyd Hi-Contact™管液冷板具有高性能组件,利用连续管压机安装到挤压铝板中。Boyd Hi-Contact™工艺中使用的专利几何形状使流体更接近产生热量的设备,从而从管冷板中获得最佳的热性能。为了进一步提高Boyd的Hi-Contact™液体冷板的性能,在接头上应用了热环氧树脂,以在管和板之间提供无间隙的热界面。HiContact™板易于定制,并提供标准尺寸。

浮泡式冷板

吸塑技术将通道压入底板,从而免除了通道机械加工步骤并极大地降低制造成本。在底座和盖板以及泡罩之间建立无泄漏接合,以便能够更加灵活地在冷板上侧钻出安装孔,而无需顾忌液体通道的位置。

Hi-Contact™管式冷板
涡流液冷板
涡流液冷板

Boyd Vortex 液体冷板设计用于冷却极高功率应用。这些冷板最初是为可能施加高压缩负载的应用而开发的,例如在冷却SCR型设备时。采用专利流路几何形状,涡流液冷板两侧均匀冷却;因此,它们可以在两个表面上提供相同且一致的性能,并有助于创建更可预测的环境。

扩展表面液冷板

Boyd延伸表面液体冷板具有增加的内表面积,可实现更好的整体传热。创新技术和制造工艺用于增加液体冷板内的液体与板的接触面积。其真空钎焊结构可确保接头无泄漏,同时保持高导热性。Boyd扩展表面液体冷板经过专门制造,可提高设计灵活性,并可轻松定制,以优化应用设计的流路。

延伸表面液体冷板

最终思路

有效设计液体冷却和优化风冷系统的关键是在设计阶段尽早考虑热管理。Boyd提供设计,工程和测试服务,可以在任何阶段进入,并根据需求,约束,时间表,预算和任何其他关键因素开发最佳解决方案。

凭借遍布全球的设计中心,Boyd可以为任何客户提供必要的工程服务,以设计和制造完全优化的系统。从分析是否需要液体冷却或空气冷却,到开发优化的集成系统,再到整个设备的可靠性和验证测试,工程师都可以在每个阶段工作。

有疑问?我们随时可以提供帮助!