面向未来已来的万亿潜力UAM市场,3D打印液体冷板成就灵动的eVTOL电动垂直起降飞行器

NASA在2018年6月25日发布的研究报告Urban Air Mobility Airspace Integration Concepts and Considerations中定义了UAM(Urban Air Mobility)——大都市区安全高效的有人或无人的空中交通运营系统。UAM将为缓解城市交通拥堵问题提供新的解决方案。根据势能资本,摩根士丹利研究报告中对UAM市场规模进行了预测,从城内客运、城郊客运、最后一公里货运、短距离航线和国防这5个场景测算UAM的市场规模,到2030年,全球UAM的TAM(Total Addressable Market)将超过550亿美元。到2040年和2050年,全球UAM市场规模将分别达到1万亿美元和9万亿美元。报告中还预测了不同细分市场在未来所占的比重。到2040年,客运和货运公共交通占比将达到52%,私人飞行器及共享飞行器占比将达到46%,而军事/政府和民航线路的占比则分别为1%和2%。eVTOL电动垂直起降飞行器及共享飞行器将会是未来UAM领域的核心。

电子元件通常位于有限的环境中,因此需要紧凑且富有创意的热管理解决方案。这在小型电动垂直起降飞机的有限空间中尤为重要。3D打印-增材制造可以创造出传统方法很难实现的独特形状,为了冷却大功率电子产品,在这方面,根据3D科学谷的市场观察,目前国际上Conflux可以设计和制造包裹逆变器等组件的定制冷板,还可以在任何几何形状或位置形成冷却剂回路的端口和连接,以最好地将整个组件封装在车辆内。

根据3D科学谷,这些电动垂直起降 (eVTOL) 飞行器的核心是电动动力系统。由锂离子电池以及产生必要的升力和推进力的高性能电机和逆变器组成。目前正在开发各种不同的动力系统概念,但它们都面临着高功率和高压电子设备带来的相同热管理挑战。

plane_AAM_ Joby Aviation2021年AAM 飞机订单超过 6,850 架,相当于销售额约 240 亿欧元
© Joby Aviation

valley 热交换换热器3D打印
© 3D科学谷白皮书

block 热管理在eVTOL飞机中的重要性

管理飞机推进系统中电子元件产生的废热对于eVTOL飞行器的性能至关重要,电池系统只能在狭窄的工作温度范围内有效工作,因此需要预热和冷却,此外,电机内的电阻和磁滞损耗会产生热量,从而损坏磁体和绕组,而逆变器中的碳化硅如果太热也会降解。

对于飞机,特别是小型、轻型电动垂直起降飞机,质量和推进系统效率对于实现高航程和有效载荷能力至关重要。因此,这些电动动力总成部件需要通过极其轻质和紧凑的热管理系统进行有效冷却。

有两种冷却电子设备的方法;直接和间接冷却。直接冷却是指流体与浸没在介电流体中的电气元件直接接触。这样可以立即从热源中提取热量并且不存在热阻。然而,淹没电子设备会显着增加重量,这对于飞机来说是不希望看到的。

另一方面,间接冷却使用包含流体通道并连接到电子元件的金属散热器。这通常是使用风扇使空气通过散热器循环来冷却 PC 和笔记本电脑内组件的方式。然而,通过空气冷却可以散发的热量非常有限,并且需要较高的质量流量。

另一种方法是通过液体来冷却,根据Conflux,液体比空气密度更大,这增加了其冷却能力。特别是水的传热性能及其低粘度使其成为电子设备的最佳冷却剂。它的热容量通常是介电流体的两倍,这就是为什么间接冷却解决方案(例如用水冷板液体冷却)在散热方面更有效,而且不会增加太多质量。

什么是冷板换热器?

冷板式液冷主要通过冷板(铜、铝等高导热金属构成的封闭腔体)将元器件的热量间接传递给封闭在循环管道中的冷却液体,然后利用冷却液体将热量带走,其通过工作流体的传递特点将中间热量运输到后端进行冷却。

液体冷板是金属散热器,由闭路液体冷却系统组成,该系统将水泵入冷板内的微型通道,然后输送到热交换器。它们可以直接连接到电池或电机的定子上,并允许热量从部件通过金属结构传递到冷却剂,冷却剂通常是水或水-乙二醇混合物。

冷板特别适合电子产品,因为它们可以利用水的热容量优势,同时将流体保持在密封系统中,避免短路。内部和外部几何形状还可以设计成最大限度地减少热阻并减少紧凑封装中的压降,这是3D打印-增材制造技术正在引起的革命性变化。

冷板是如何制造的?

电子元件通常采用风扇和散热器进行风冷,但对于较热的应用,例如游戏电脑和电动动力系统,则使用间接液体冷却。

传统上,冷板由铝制成,因为铝重量轻且热性能良好。板内的冷却通道通常通过将两块板搅拌焊接在一起而形成,其中所需的流动细节已经被压制或机械加工。然而,这些焊接接头增加了泄漏风险,而且热效率低,因为不均匀的接头可能会导致气隙,气隙充当绝缘体,而不是导体。

根据Conflux,焊接结构是传统冷板面临的挑战之一,泄漏的风险是有问题的,而且通常无法创建复杂的内部结构。而通过3D打印-增材制造技术,无需焊接或钎焊,因此可以直接拥有一个没有焊接接头的整体部件,因此不会泄漏。使用粉末床激光熔融 (LBPF) 增材制造工艺来制造具有复杂几何形状的铝冷板,这是传统方法无法制造的。该过程使用光纤激光器选择性地熔化一层细金属粉末。然后降低3D打印平台,并涂上另一层粉末,通过激光逐层熔化,零件逐渐形成完整的3D几何形状。

block 设计有效的冷板
     实现高传热效率

冷板设计性能的关键是热阻,这决定了热量在系统中的传递情况。对于冷板,目标是降低金属结构的热阻,以便将最大量的热量从热源传递到冷却剂。

理论上,最小热阻需要冷板结构的厚度为零,但实际上,冷板既提供结构又提供冷却,因此在强度、刚度和可制造性的限制内,需要尽可能薄的壁。

传统制造方法的优点之一是它们可以通过机械加工或车削技术生产极薄的壁,但增材制造技术现在已经非常接近实现相同的壁厚。

增材制造还具有创造具有复杂内部几何形状的新颖形状的优点,这是任何其他方式都无法创造的,这使得冷板的内部结构可以设计成增加表面积并补偿墙壁的热阻。

Conflux_Heat© Conflux

翅片、销和螺旋结构都可以合并到冷板设计中,不仅增加表面积,从而增加散热,而且还可以优化流体的流动行为。通过引导流动并使用几何形状来引发湍流,可以将冷却剂引导到母线接头等较热的区域,同时混合流动以更有效地散热。

在锂离子电池中,模块内的非结构性袋状或圆柱形电池通常粘合到提供支撑和直接冷却的冷板。

Battery_MDPI© MDPI

冷板的内部设计对冷却系统的其他元件有直接影响。液体冷却剂回路的压降决定了泵的尺寸和能量需求。高效的设计意味着更小的泵、更轻的质量以及更低的电池系统能量消耗。

总体而言,增材制造的能力正在推动冷板冷却技术向前发展,以满足电动垂直起降 (eVTOL) 飞机先进空中交通领域的新需求。

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