风冷对比液体冷却:
电力电子设备的热管理进步


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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。

电力电子系统趋于复杂并在更高功率范围下运行,而其尺寸却变得越来越小,使得热量成为系统完成工作的最大限制因素。为处理耗散的能量,必须优化风冷方案并放大尺寸以充分去除多余热量。在一些情况下,尺寸成为强制对流方案的限制因素,在风冷系统的尺寸和重量使该系统难以用于实践的情况下,液体冷却迅速成为最受欢迎的替代方法。

从风冷系统转换为液体冷却方案不能是贸然轻率的决定。在提高热管理以处理较高热负荷时,需要考虑许多因素和可能性。尽管市场趋势表明全液冷系统最终将是用于冷却电力电子设备的行业标准,但在系统改良或升级时,存在许多选择和混合解决方案,可以实现两种方案的益处。如果预算或期限使得直接转换为液体冷却不切实际,那么通过设计改良或引入两相冷却或液体组件优化强制对流方案就是可行的过渡方案。

工程师一直在研发与现有风冷方案互补的液体系统,该系统可以逐步进行扩展以完全取代风冷系统。此项工作可通过着重优化可以利用液体冷却取得即时效益的电子装置来完成。利用液体联轴器、可靠的泵系统和紧凑式热交换器,系统将热量从空气流移除到液体,在液体中转移并处理到其它地方。在其它情况下,工程师选择用液体冷却系统完全取代风冷系统,从而获得更高的能量输出并优化热性能。

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?


风扇散热器风冷

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


在典型的应用中,风冷系统由铝挤或胶焊翅片散热器以及通常是一台风扇构成。当可靠性成为重要因素时,工程师可能会放弃风扇,取而代之选择被动解决方案。

自然对流和强制对流都有局限性。自然对流受耗散所需的总表面积限制,这需要大型、笨重的解决方案,显得不实用。

强制对流方案受压降限制。在可行体积中具有较大表面积的散热器会产生大量空气阻力,妨碍流动量及因此风扇所产生的热量转移。较大的强制对流方案还需要较大或更多的风扇,从而增加该方案所产生的噪音量。

然而,风冷方案的最大局限是散热性能。空气不具有与液体吸收和转移热量相同的能力。在特定阈值下,风冷变得难以满足需求并需要液体冷却。

风冷改装和混合解决方案


存在三种改善风冷系统的常见方法。第一种是优化散热器设计和风扇选择。产生更多空气流、优化翅片几何构型,或增加散热片体积是改善风冷方案而不引入额外技术的方式。第二种是在设计中引入两相冷却。可实现散热管一体化以扩散更高的能量密度或将热量移至更加易于耗散的区域。第三种提高风冷方案性能的最常见方法是开始引入液体系统元件,如被动热虹吸管

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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


某些公司因液体冷却更加复杂并且担心发生泄漏而对其采用持保留态度。复杂性通常增加解决方案的成本和保持系统运行所需的维修工作量。然而,冷却性能的提高将会延长设备的寿命并提高可靠性,从而抵消这些额外的成本。

液体冷却因具有复杂性,需要更好地规划和设计以并入电力电子设备。尽管冷板远小于挤压件或散热片,但一旦将热交换器、管道、贮液器和泵纳入考虑范围,整体解决方案即倾向于占据更多的体积。工程师在初始设计阶段必须将这些因素全部考虑在内以便避免后续出现复杂问题。借助合理的预见,系统的复杂性因在系统设计中更具灵活性而为成为有利条件。

液体冷却方案


AavidHydrosink


AavidHydroSink系统是一种可配置方法,它标准地结合了一组经过优化的热交换器、风扇、泵、阀门、贮液器、配件、感测器和控制板以及定制冷板,以针对给定需求设计可能的最佳液体冷却方案。

HydroSinks相比标准液体冷却系统为设计和安装提供更高的灵活性,这是因为它们可配置并且更易于根据设计要求进行调节。外壳中液冷板、控制板和客户机器控制的密封和连接件也都是可以定制的。

因为AavidHydroSinks很大程度上由一组标准的优化组件构成,所以其比传统的定制液体冷却和其对应的风冷系统更加经济实惠。

目前,AavidHydroSink提供小型和重型两种基础紧凑式系统尺寸。最终客户HydroSink的实际尺寸视配置而变化。尺寸取决于风扇尺寸和冷却性能。小型系统在7-20℃/kW的温升下运行,而中型系统在3-9℃/kW的温升下运行。

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Aavid液冷板


定制Aavid液冷板是HydroSink系统的主要部分。Aavid提供四种创新型冷板设计,这些设计开发用于根据应用和需求优化整体系统。所有Aavid冷却板均采用专门的认证程序构建零风险液体冷却,以确保实现无泄漏、可靠的解决方案。

Hi-Contact管式冷板


Hi-Contact™管式冷板
AavidHi-Contact管式冷板具有高性能组件,采用与铝挤板融为一体的连续管。AavidHi-Contact工艺中所用的获得专利的几何构型使流体接近产生热量的设备,由管式冷板实现最佳的散热性能。为进一步提高AavidHi-Contact液冷板的性能,将热环氧树脂涂覆于接合处以在管路与板之间提供无间隙热界面。Hi-Contact板定制方便,也可提供标准尺寸。

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。

涡流液冷板


设计Aavid涡流液冷板旨在冷却超高功率应用设备。最初设计这些冷板是用于可能施加高压载荷的应用,如在冷却SCR型设备时使用。使用获得专利的流动路径几何构型后,涡流液冷板的两侧得以均匀冷却;因而能在两个表面提供等效和一致的性能,并使自身创造可预测的环境。

扩展表面液冷板


Aavid扩展表面液冷板的内部表面积得以增加,使得总体热传递更佳。使用创新技术和制造工艺增加液冷板内液体与板的接触面积。其真空钎焊构造确保无渗漏接合,同时维持高热传导率。Aavid扩展表面液冷板经过专门制造以提高设计灵活性,并且便于定制以在应用设计中优化流动路径。

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最终思路


为液体冷却和经过优化的风冷系统实现有效设计的关键是在设计阶段尽早考虑热管理。Aavid可以提供任何阶段的设计、工程技术和测试服务并且根据需求、限制、期限、预算和任何其它关键因素尽可能开发出最佳解决方案。

Aavid在世界范围内都拥有设计中心,能够为任何客户提供必要的工程服务以设计并制造出经过彻底优化的系统。从分析需要液体冷却还是风冷,到开发一套优化的一体式系统,再到整个设备的可靠性和验证测试,各个阶段都有工程师提供帮助。

如需针对您的现有冷却方案索取免费咨询建议或者需要我们帮助您找到适合您电力电子应用设备的散热方案,请点击这里

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