積層造形コールドプレートが先進航空モビリティの熱性能をいかに向上させるか

アドバンスト・エア・モビリティ（AAM）という概念は、多くの場合、都市環境における旅客および貨物の軽量航空輸送の総称である。この新興産業は急成長しており、2021年には$70億ドルの新規投資を誘致し、約$260億ドル超に相当する約6,850機の航空機を受注している[1]。

電動垂直離着陸機（eVTOL）の心臓部は電動パワートレインである。これは、必要な揚力と推進力を生み出す高性能モーターとインバーターとともに、リチウムイオンバッテリーで構成されている。現在、さまざまなパワートレイン・コンセプトが開発されていますが、高出力・高電圧の電子機器につきものの熱管理という課題は共通しています。

eVTOL機における熱管理の重要性

航空機推進システムの電子部品から発生する廃熱を管理することは、性能にとって極めて重要である。 自動車業界における電気自動車パワートレイン.バッテリーシステムは狭い動作温度範囲内でしか効率的に動作しないため、予熱と冷却の両方が必要となる。さらに、モーター内の抵抗損失とヒステリシス損失は、磁石と巻線に損傷を与える可能性のある熱を発生させ、インバーター内の炭化ケイ素も温度が高すぎると劣化する可能性がある。

航空機、特に小型軽量のeVTOLにとって、質量と推進システムの効率は、高い航続距離とペイロード容量を達成するために不可欠である。そのため、これらの電動パワートレイン・コンポーネントは、極めて軽量でコンパクトな熱管理システムによって効果的に冷却される必要があります。

電子機器の冷却には、直接冷却と間接冷却の2つのアプローチがある。直接冷却は、誘電体流体に浸された電気部品に流体が直接接触する方法です。これにより、熱源からすぐに熱を取り出すことができ、熱抵抗もありません。しかし、電子部品を浸水させると重量が大幅に増加するため、航空機には望ましくない。

一方、間接冷却は、流体の流路を持ち、電子部品に取り付けられた金属製のヒートシンクを使用する。これは一般的に、PCやノートPC内のコンポーネントを冷却する方法であり、ヒートシンクに空気を循環させるファンを使用する。

しかし、空冷で放散できる熱量はかなり限られており、大流量が必要だ。 とコンフラックス・テクノロジーのサーマル・エンジニア、ジェイソン・ヴェラルド博士は説明する。 一方、液体は空気より密度が高いので、冷却能力が高まる」。

特に水の熱伝導性能と低粘性は、電子機器に最適なクーラントです。水によるコールドプレート液冷のような間接冷却ソリューションが、質量をあまり増やすことなく、熱を放散させるのにはるかに効果的であるのはそのためです」。

コールドプレート式熱交換器とは？

液体コールドプレートは金属製のヒートシンクで、コールドプレート内のミニチュア・チャンネルを通して水を熱交換器に送る閉回路液体冷却システムで構成されている。バッテリーのセルやモーターのステーターに直接取り付けることができ、熱を部品から金属構造を通して、多くの場合水または水とグリコールの混合液である冷却液に伝えることができる。

コールドプレートは、水の熱容量の利点を利用する一方で、流体を密閉システムに保ち、短絡を避けることができるため、エレクトロニクスに特に適している。内部および外部の形状は、熱抵抗を最小限に抑え、コンパクトなパッケージで圧力損失を低減するように設計することも可能で、付加製造技術が革命をもたらしている。

コールドプレートはどのように製造されるのですか？

伝統的に、コールドプレートは、その軽量性と優れた熱特性により、アルミニウムから製造されている。プレート内の冷却流路は、一般に、必要な流路の細部がプレスまたは機械加工された2枚のプレートを摩擦攪拌接合することによって形成されます。しかし、このような溶接接合は、漏れのリスクを増大させ、また、不均一な接合は、導体としてではなく、絶縁体として作用する空隙につながる可能性があるため、熱効率が悪い。

溶接構造は、従来のコールドプレートの課題のひとつだった。 とコンフラックス・テクノロジーのチーフ・コマーシャル・オフィサー、ダン・ウッドフォードは説明する。 漏れのリスクは問題で、複雑な内部構造を作ることはできません。一方、積層造形技術では、溶接やろう付けがないため、継ぎ目のない1つのモノリシックな部品ができ、したがって漏れもない」。

コンフラックス・テクノロジーは、レーザー粉末床融合（LPBF）積層造形プロセスを使って、従来の方法では製造不可能な複雑な形状のアルミニウム製コールドプレートを製造している。このプロセスでは、ファイバーレーザーを使用して微細な金属粉末の層を選択的に溶かします。その後、ビルドプレートを下降させ、別の粉末層を塗布する。レーザーが再び粉末を溶かし、層が重なるごとに、部品は徐々に完全な3D形状に作り上げられていきます。

効果的なコールドプレートの設計

高い伝熱効率を実現

コールドプレート設計の性能の鍵を握るのは熱抵抗である。熱抵抗は、システム全体の熱伝達の良し悪しを決定する[2]。コールドプレートの場合、金属構造の熱抵抗を低減し、熱源から冷却水への熱伝達を最大化することが目的です。

理論的には、熱抵抗を最小にするには、コールドプレートの厚さをゼロにする必要がある。 とベラルドは言う。 しかし実際には、コールドプレートは冷却だけでなく構造も提供するので、強度、剛性、製造可能性の範囲内で可能な限り薄い壁が必要です。従来の製造方法の利点のひとつは、機械加工やスカイビング技術によって極めて薄い壁を作ることができることだが、コンフラックスの場合は、そのようなことはない。 アディティブ・マニュファクチャリング この技術は現在、同じ肉厚を実現するのに非常に近いところまで来ている」。

下図のアルミニウムのように、使用するさまざまな素材によって、最小限の壁とフィンの薄さを実現し、性能を発揮する超軽量コールドプレートを作ることができる。

アディティブ・マニュファクチャリングには、他の方法では不可能な複雑な内部形状を持つ斬新な形状を作り出せるというメリットもある」。 とベラルドは続ける。 これにより、コールドプレートの内部構造を設計して表面積を増やすことができる」。

フィン、ピン、ジャイロイド構造[3]はすべてコールドプレートの設計に組み込むことができ、表面積を増やし、熱除去率を高めるだけでなく、流れの挙動を最適化することができる。 '

流れを誘導し、形状を利用して乱流を発生させることで、バスバーの接合部などの高温部に冷却水を流すことができる。 とウッドフォードは言う。

圧力損失の最小化

コールドプレートの内部設計は、冷却システムの他の要素に直接的な影響を与えます。液体クーラント回路の圧力降下は、ポンプのサイズとエネルギー要件を定義します。効率的な設計は、ポンプの小型化、質量の低減、バッテリーシステムのエネルギー消耗の低減を意味します。

コンフラックスは、熱設計の専門知識と、内部流れの高精度CFDシミュレーションを作成するシミュレーション能力を持っています。 とウッドフォードは説明する。 これらのシミュレーションと積層造形は、従来のプレスツールや機械加工を使用する場合よりもはるかに迅速に新しい設計を試作し、テストすることができることを意味する」。

コンパクトなパッケージ

電子部品はしばしば限られた環境に配置されるため、コンパクトで独創的な熱管理ソリューションが必要となります。これは、小型eVTOL航空機の限られたスペースでは特に重要です。

アディティブ・マニュファクチャリングは、従来の方法では実現が非常に難しいユニークな形状を作り出すことができる」。 ハイライト・ウッドフォード 大電力の電子機器を冷却するために、インバーターなどのコンポーネントを包み込む特注のコールドプレートを設計・製造することができます。また、クーラント回路用のポートや接続部をあらゆる形状や位置に形成し、アセンブリ全体を車両内で最適にパッケージ化することも可能です」。

全体として、積層造形の能力は、先進航空モビリティ分野の新たな需要を満たすために、コールドプレート冷却技術を前進させている」。 ウッドフォードの結論 熱管理と積層造形における我々の専門知識により、オーダーメイドのコールドプレート設計の設計、シミュレーション、プロトタイプ作成、関連付けを、これまでよりもはるかに迅速に行うことができる」。

参考文献

[1] R.R.、A.E.、2022年。 未来のエアモビリティにとって節目の年 [オンライン]。マッキンゼー・アンド・カンパニー

[2] マイクロチャンネルコールドプレートの熱抵抗 [オンライン]。Advanced Thermal Solutions Inc.

[3] 1970年、A.S.。 自己交差のない無限周期極小曲面 [オンライン]。NASA.