Il raffreddamento a liquido degli alimentatori rappresenta un’opzione migliore rispetto al sistema di raffreddamento ad aria, soprattutto per gli alimentatori con un design miniaturizzato. Tuttavia, i progettisti devono prendere le dovute precauzioni quando adottano questa tecnologia.
Senza dubbio, tale miniaturizzazione necessita di soluzioni di gestione termica più avanzate.
Una tecnica di gestione termica fondamentale per gli alimentatori più piccoli e i livelli di potenza più elevati è il raffreddamento a liquido, che ha la capacità di dissipare il maggior numero di calore.
I progettisti devono però affrontare con attenzione le soluzioni di raffreddamento a liquido. Devono considerare la topologia di alimentazione più adatta al progetto, i vincoli di dimensioni nell’ambiente fisico, i valori di temperatura dei componenti, la produzione più semplice e la ripetibilità che porterà a un costo e a un controllo di qualità ottimali del sistema.
Dispositivi di potenza WBG
I progettisti esperti sanno che i progetti di gestione dell’alimentazione che utilizzano semiconduttori ad ampio bandgap (WBG) migliorano notevolmente l’efficienza e la densità di potenza. Tuttavia, l’impiego di dispositivi di potenza WBG nei progetti dei circuiti di potenza può comportare uno svantaggio, ovvero un ingombro ridotto. Questo può aumentare la densità del flusso di calore, che influisce negativamente su alcuni dei vantaggi della densità di potenza. Ecco che entrano in gioco i sistemi di raffreddamento a liquido.
Raffreddamento con metallo liquido
I sistemi di raffreddamento a liquido utilizzano vari metodi. Uno di questi utilizza un refrigerante atossico a base di lega di gallio che si trova allo stato liquido a temperatura ambiente. Questo refrigerante metallico liquido è superiore a quello ad acqua in quanto riduce significativamente la resistenza termica della piastra di raffreddamento.
Inoltre, il metallo liquido ha la proprietà della conducibilità elettrica che gli consente di spostare il fluido attraverso una pompa elettromagnetica, che non utilizza azionamenti rotanti. Una forza di Lorentz (F) si crea quando una corrente (I) viene applicata attraverso il canale (Fig. 1). Il canale è riempito di metallo liquido conduttivo in presenza di un campo magnetico (B) perpendicolare alla corrente.
Una nuova architettura, simile a una pompa MHD in corrente continua, è costituita da un sistema di raffreddamento a base di metallo liquido costruito intorno a una pompa magnetoidrodinamica a metallo liquido integrata con un induttore (i2MHD). Questo metodo elimina la necessità di un’alimentazione ausiliaria e di magneti permanenti, migliora la capacità di raffreddamento e la densità di potenza e consuma molta meno energia.
Massima dissipazione del calore con acqua marina
Un’altra strada prevede una serie di convertitori di potenza terrestri raffreddati a liquido, con potenze da 15 a 165 kVA e raffreddati internamente a olio (perfetto in un ambiente caldo).4 Un circuito di raffreddamento ad acqua, gestito dall’utente, sottrae energia termica all’olio di raffreddamento mediante uno scambiatore di calore montato alla base (Fig. 2). Il serbatoio dell’olio primario è sigillato e protetto dagli spruzzi.
Questi convertitori di potenza raffreddati a liquido sono progettati con un’architettura ad alta densità di potenza. Utilizzano una tecnologia a doppia conversione in cui l’alimentazione da terra è isolata tramite un trasformatore e viene ulteriormente convertita in corrente continua per mezzo di un modulo di alimentazione in corrente continua.
Sfide e soluzioni per il raffreddamento a liquido dei velivoli elettrici
I progettisti di aerei elettrici (MEA) hanno un compito monumentale: migliorare le prestazioni senza appesantire il velivolo in termini di consumo energetico e di peso5.
Alcuni modi per affrontare questo difficile problema includono la sostituzione dei sistemi pneumatici e idraulici con un sistema elettrico all’avanguardia. Tuttavia, il raffreddamento a liquido sembra essere una tecnologia di gestione dell’energia che può aiutare a risolvere questi problemi.
I progettisti possono ora passare dal raffreddamento ad aria alle tecniche di raffreddamento a liquido, che mitigano le restrizioni termiche in modo da non compromettere le prestazioni e l’affidabilità del sistema. La riduzione delle temperature di esercizio consentirà di ridurre il consumo energetico e il peso, aumentando così il tempo che intercorre tra un guasto e l’altro delle apparecchiature aeronautiche.
I moduli ad alta potenza e i componenti ad alta densità di potenza possono essere raffreddati efficacemente tramite un telaio raffreddato a liquido (telaio elettronico a flusso liquido) e piastre di raffreddamento. Gli scambiatori di calore provvedono al raffreddamento dei fluidi del motore o idraulici e sono in grado di smaltire il calore assorbito dal telaio o dalle piastre fredde.
Piastre di raffreddamento
Le piastre di raffreddamento a liquido sono fondamentali in un telaio con raffreddamento a liquido. Le tecnologie utilizzate per le piastre fredde includono tubi, tubi piatti e performance-fin. La tecnologia performance-fin, più comunemente brasata sottovuoto, è tipicamente utilizzata sugli aerei. Le tecnologie performance-fin comprendono due piastre saldate insieme in modo metallurgico con un’aletta interna. Il fluido della piastra fredda viene solitamente raffreddato tramite uno scambiatore di calore.
Scambiatori di calore
Due tipi di scambiatori di calore sono comunemente presenti sugli aerei: a piastre e a tubi piatti. Uno scambiatore di calore per aeromobili viene solitamente utilizzato per raffreddare le unità di potenza ausiliarie, l’impianto idraulico, le scatole del cambio e altro ancora.
Lo scambiatore di calore è solitamente progettato per garantire prestazioni elevate quando si utilizzano fluidi a basso trasferimento di calore, come il glicole etilenico e le soluzioni di olio. Gli scambiatori di calore negli aeromobili sono spesso utilizzati per raffreddare l’olio del motore, l’olio idraulico e l’EGW con l’aria di rampa per mezzo di un sistema di aspirazione dell’aria di rampa o utilizzando una ventola.
Conclusione
L’uso del raffreddamento a liquido consente di ottenere prestazioni di gran lunga superiori rispetto al semplice raffreddamento ad aria. Il raffreddamento a liquido è in genere più silenzioso di quello ad aria e può risultare insensibile all’altitudine. Questa tecnologia può inoltre ridurre il peso e il consumo energetico, eliminando la necessità di ventole di grandi dimensioni o il metodo dei componenti ampiamente distanziati. I telai, le piastre fredde e gli scambiatori di calore raffreddati a liquido forniscono soluzioni termiche complete per il raffreddamento dei fluidi dell’aeromobile e di tutta l’elettronica associata.
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Articolo originale su Electronic Design.
