高出力磁気コンポーネント用のセラミックヒートパイプ冷却システム

セラミックヒートパイプの構造と動作原理は、金属ヒートパイプ（銅製水ヒートパイプなど）の構造と動作原理に似ています。ただし、セラミックヒートパイプのパイプは熱伝導率の高い非多孔質セラミック材料から焼結され、液体吸収コアは内部に作動流体が充填された多孔質セラミックから焼成されます。パイプラインの一端 (蒸発器) に熱が加えられると、パイプライン内の流体が蒸発し、その後蒸気がパイプラインの他端 (凝縮器) に流れます。このパイプラインは通常、ラジエーターまたは冷却媒体と接触しています。 。蒸気が冷却側に熱を放出すると、凝縮して液体になり、多孔質セラミック材料の毛細管現象によって蒸発器セクションに戻ります。このサイクルを繰り返して、パイプラインの高温端から低温端に熱を効果的に伝達します。

初期のセラミック ヒート パイプは 1975 年まで遡ることができます。初期のセラミック ヒート パイプは炭化ケイ素 (SiC) で作られ、作動流体としてナトリウムを使用していました。チューブの内面に付着したタングステン (W) 層の化学蒸着により、ナトリウムとセラミック壁材料の間の相互作用を防ぐことができます。これらのパイプの機能は 1100 ℃ もの高温で実験的に検証されており、高温用途に使用されますが、製造コストが高くなります。

充電ステーションや充電ボックスなどに使用される高周波トランスは、主に磁心、巻線、固定巻線の絶縁材で構成されています。通常、磁気コアは、周波数応答や磁気コア損失などの性能指標を満たすために、フェライトなどの磁性材料で作られています。高周波トランスは抵抗ジュール熱や渦電流損失により発熱が大きく、小型化を追求すると効率的な換気や放熱が妨げられます。したがって、デバイスの過熱を防ぎ、信頼性の高い動作を確保するには、変圧器本体と PCB 回路基板の効果的な放熱システムを設計する必要があります。これは、強制空冷、液体冷却、または混合冷却方式などのさまざまな方法によって実現できます。

電気自動車の充電ステーション (充電ボックス) の冷却システムの選択では、ヒートパイプと液体冷却プレートを組み合わせた混合冷却方法を使用して、MOSFET や磁気デバイス (インダクターやトランスなど) などのパワーデバイスの放熱を支援できます。すぐに加熱します。 1 つ目の解決策は、アルミニウム フィン ラジエーターとヒート パイプ アセンブリを通じて熱を液体冷却プレートに伝達しながら、充電器ハウジング内の空気を強制的に循環させることです。 2 番目の解決策は、磁気コンポーネントとヒート パイプを熱伝導性エポキシ樹脂でカプセル化し、ヒート パイプ コンポーネントを介して液体冷却プレートに熱を伝達することです。

研究によると、2 番目の方式のヒート パイプと磁気コンポーネントは熱を完全に交換し、非常に低い熱抵抗で液体冷却プレートに熱を伝達することができます。ただし、最初の解決策は、アルミニウム フィン ラジエーターが磁気コンポーネントに完全に接触できないため、ヒート パイプ シーリング ソリューションよりも冷却性能が低くなります。

ただし、アルミニウム製フィン付きヒートシンクや銅製ヒートパイプなど、現在の冷却方式では金属製ヒートシンクでかなりの量の渦電流損失が発生します。磁気コンポーネントによって生じるこれらの渦電流損失は、充電器の性能と信頼性に悪影響を及ぼします。セラミックは、電流の発生を防ぐ電気絶縁材料であるため、渦電流を発生させず、渦電流損失を効果的に排除します。これらは、高周波インダクタやトランスなどの高周波磁気部品の冷却に特に適しています。

セラミック ヒート パイプは、高周波磁気電子デバイスに、高温耐性、耐久性、低損失の冷却ソリューションを提供します。しかし、複雑な製造プロセスと未成熟なサプライチェーンによる高コストの問題にも直面しています。現在、DC 急速充電の需要が急速に増加しており、電気自動車の充電用途における高出力および高周波の磁気コンポーネントの熱放散の課題が激化しています。これにより、金属ラジエーターの磁気損失が不十分であることが必然的に浮き彫りになり、渦電流損失を排除するセラミックヒートパイプの利点がさらに強調されることになります。したがって、セラミックヒートパイプに代表される絶縁二相受動放熱技術は、電気自動車における高出力パワー電子機器の熱管理分野に新たな可能性を開くものと期待されています。