Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất cao như xe điện, máy tính, máy bay và các thiết bị công nghiệp đã đặt ra nhiều thách thức và yêu cầu cao về hiệu quả làm mát
Ở bài viết này bạn sẽ được tìm hiểu về công nghệ làm mát cho xe điện, sản xuất bằng công nghệ in 3D kim loại tiên tiến. Với thiết kế lưới, một mạng lưới hình chữ S giúp tăng thêm 300% diện tích bề mặt cho tấm làm mát, giảm trọng lượng của bộ phận và tăng hiệu suất làm mát
1. Bộ trao đổi nhiệt là gì?
Bộ trao đổi nhiệt hay là bộ tản nhiệt là thiết bị không thể thiếu trong nhiều hệ thống và động cơ, từ máy điều hòa đến động cơ xe, tên lửa. Chức năng chính của nó là truyền nhiệt giữa nguồn nhiệt và lưu chất, giúp làm mát hoặc làm nóng các thiết bị. Bộ trao đổi nhiệt đảm bảo hiệu suất làm việc cao của các thiết bị điện tử và đồng thời làm tăng tuổi thọ của chúng. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, thiết bị trao đổi nhiệt có thể phân thành nhiều loại như, thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và khí, thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và chất lỏng, thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và chất rắn hay còn được gọi là tấm tản nhiệt (cold plate),...
Tìm hiểu chi tiết:
2. Nghiên cứu: Tấm tản nhiệt in 3D cho xe đua điện - Tương lai mới cho ngành xe điện
Một nhóm sinh viên Dynamis PRC tại Đại học Milan đã phát hiện ra rằng xe đua Formula SAE động cơ điện có bộ biến tần chuyển đổi nguồn điện DC từ pin sang AC để điều khiển động cơ phải được giữ trong phạm vi nhiệt độ cụ thể, để duy trì phạm vi này, xe đua điện phải kết hợp bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng chất lỏng để tản nhiệt cho bộ biến tần.
(Xe đua điện) (Nguồn nTop)
Nhóm nghiên cứu đã kết hợp cùng công ty M4P và Puntozero tạo ra tấm tản nhiệt in 3D kim loại dành cho xe đua điện. Ngoài khả năng làm mát, cấu trúc lưới giúp giảm kích thước và trọng lượng của tấm làm mát, đồng thời tăng diện tích bề mặt, tiết kiệm năng lượng khi định hướng dòng chất làm mát và cải thiện hiệu suất làm mát.
2.1. Cấu trúc thiết kế tấm tản nhiệt in 3D kim loại
Cấu trúc tấm tản nhiệt
Một trong những yếu tố quan trọng nhất tạo nên sự khác biệt của tấm tản nhiệt in 3D so với các loại tản nhiệt truyền thống chính là cấu trúc lưới. Cấu trúc này, về bản chất, là một mạng lưới các thanh hoặc tấm liên kết với nhau tạo thành một khối xốp. Cấu trúc dạng lưới có khả năng đạt được hiệu suất cấu trúc cao nhất trên mỗi đơn vị trọng lượng. Do đó, cấu trúc dạng lưới được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, ô tô
(Tấm tản nhiệt in 3D kim loại cho xe đua điện)
Để giảm trọng lượng của của tấm tản nhiệt, họ đã sử dụng cấu trúc TPMS kim cương cho phần lưới bên ngoài. Ở phần lưới bên trong, với mục đích điều hướng dòng chất làm mát xung quanh, Puntozero quyết định áp dụng một kênh hình chữ S ngoằn ngoèo có cấu trúc bên trong như vây cá mập. Mạng lưới bên ngoài dày dần ở gần bề mặt tiếp xúc để thúc đẩy quá trình truyền nhiệt.
(Cấu trúc bên trong của tấm tản nhiệt in 3D)
Các nội dung liên quan:
Tăng gấp 4 lần hiệu suất bộ trao đổi nhiệt cho trực thăng với cấu trúc gyroid
Mũ bảo hiểm xe đạp với cấu trúc gyroid bền nhẹ
Cold plate với cấu trúc gyroid - tăng hiệu suất làm việc lên đến 30%
Thiết kế và tính toán mô phỏng
Quá trình thiết kế được các kỹ sư tối ưu bằng phần mềm nTopology, nó cho phép các nhà thiết kế dễ dàng lấp đầy một không gian bằng một mạng lưới, có thể là mạng lưới đều đặn hoặc có thể là mạng lưới biến dạng, kéo dài
Khi thiết kế tấm tản nhiệt in 3D, Puntozero sử dụng 2 cấu trúc lưới phức tạp ở bên trong và bên ngoài để giảm trọng lượng và chi phí sản xuất của linh kiện trong khi vẫn duy trì độ cứng cần thiết. Cấu trúc lưới tạo ra một diện tích tiếp xúc lớn giữa chất làm mát và thành của bộ trao đổi nhiệt cũng như giảm đáng kể trọng lượng của bộ phận bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn hơn và làm mát hiệu quả hơn
(Màn hình làm việc của phần mềm nTopology)
Phần mềm nTopology cung cấp nhiều công cụ tự động để tạo ra các cấu trúc lưới phức tạp một cách hiệu quả. Các kỹ sư có thể nhanh chóng cải thiện thiết kế chỉ bằng cách thay đổi tham số của các biến đã được tạo từ các thiết kế trước thay vì phải lặp lại toàn bộ quy trình thiết kế. Theo cách này, họ chỉ cần thay đổi các tham số đầu vào và nhận được kết quả trên màn hình trong vài mili giây.
(Chụp CT bằng phần mềm nTopology)
Thực hiện tính toán mô phỏng nhằm phân tích ứng suất, biến dạng và dòng chảy chất lỏng trong cấu trúc lưới, từ đó thực hiện điều chỉnh các thông số thiết kế để tránh các khu vực, vùng chết (nơi tốc độ dòng chảy gần bằng 0), cải thiện đáng kể sự giảm áp suất
Tìm hiểu thêm:
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG TRONG IN 3D
BẬT MÍ 5 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG IN 3D KIM LOẠI "BÁ ĐẠO" NHẤT HIỆN NAY
2.2. Công nghệ sản xuất và vật liệu in 3D tấm tản nhiệt
Công nghệ sản xuất
Với cấu trúc lưới phức tạp, tấm tản nhiệt được sản xuất bằng phương pháp in 3D kim loại tiên tiến - Kết dính bột laser (Laser Powder Bed Fusion). Một quá trình làm tan chảy hoặc hợp nhất các vật liệu ở dạng bột lặp đi lặp lại bằng tia laser
Vật liệu in
Sản phẩm này được sản xuất bằng bột nhôm Pure Al của M4P, rất giống nhôm nguyên chất nhưng có một số điều chỉnh để phù hợp với công nghệ in 3D tạo ra các sản phẩm có độ bền cao và bề mặt mịn
2.3. Ưu điểm và thách thức của tấm tản nhiệt in 3D kim loại
Ưu điểm:
Tăng bề mặt tiếp xúc: Nhờ cấu trúc lưới, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng làm mát và vật liệu tăng lên 300% so với thiết kế thông thường
Hiệu suất làm mát cao: Việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và thành bộ phận sẽ tối ưu hóa quá trình làm mát và truyền nhiệt
Giảm trọng lượng: Cấu trúc lưới giúp giảm 25% trọng lượng của tấm tản nhiệt, đặc biệt phù hợp với xe đua và các ứng dụng đòi hỏi trọng lượng nhẹ
Tự do thiết kế: Công nghệ in 3D kim loại cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp, cải thiện hiệu quả làm mát
Mặt khác, các vùng xa bề mặt tiếp xúc hơn được thiết kế mỏng hơn và điều đó giúp tăng khả năng thoát bột trong quá trình hậu kì bộ phận
Thách thức:
Chi phí sản xuất: Chi phí sản xuất vẫn còn cao so với các phương pháp truyền thống
Chất lượng bề mặt: Cần gia công lại sản phẩm sau khi in để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ
Sản xuất: Bộ phận này được tạo ra cho một loại xe cụ thể, không phải để sản xuất hàng loạt
2.4. Ứng dụng thực tế và hướng phát triển trong tương lai
Ngoài được ứng dụng cho xe đua điện, tấm tản nhiệt in 3D kim loại có trọng lượng nhẹ còn phù hợp với các lĩnh vực khác như:
Hàng không vũ trụ: Tấm tản nhiệt có cấu trúc tối ưu, trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các thiết bị điện tử trong môi trường khắc nghiệt của hàng không vũ trụ như máy bay, trực thăng, tàu vũ trụ, vệ tinh,...
(Bộ trao đổi nhiệt cho trực thăng)
Xem chi tiết ở đây:
TĂNG GẤP 4 LẦN HIỆU SUẤT BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT CHO TRỰC THĂNG VỚI CẤU TRÚC GYROID
Xe điện: Vấn đề tản nhiệt cho pin của xe điện đang nhận được rất nhiều sự quan tâm. Khi pin hoạt động, đặc biệt là trong quá trình sạc nhanh hoặc vận hành ở cường độ cao, nhiệt lượng sẽ được sinh ra. Nếu nhiệt độ pin quá cao, sẽ làm giảm tuổi thọ pin, giảm hiệu suất sử dụng, trong trường hợp nghiêm trọng, pin có thể bị cháy nổ, gây ra nguy hiểm cho người sử dụng và xe
Điện tử tiêu dùng: Các thiết bị điện tử tiêu dùng như: điện thoại, máy tính, laptop, tablet, tủ lạnh,... không thể thiếu bộ phận làm mát đặc biệt là các bộ phận có kích thước nhỏ gọn, có tính thẩm mỹ và hiệu suất cao
Vinnotek hiện đang là đại diện phân phối của phần mềm nTopology cũng như cung cấp dịch vụ thiết kế và tính toán mô phỏng. Ngoài ra, chúng tôi cũng cung cấp các dòng máy in 3D kim loại SLM phù hợp với nhu cầu sử dụng và yêu cầu của từng doanh nghiệp trong các lĩnh vực.
Hãy liên hệ với chúng tôi để có thể đưa quy trình sản xuất của quý doanh nghiệp lên một tầm cao mới!
Nguồn: 3D Printed Cold Plate for an Electric Race Car: The Cool Parts Show
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
☎Số điện thoại: (+84)905300382
📩Email: sales@vinnotek.com
💻Website: https://vinnotek.com/
⚡LinkedIn: https://tinyurl.com/VINNOTEKlinkedin
⚡Facebook: https://tinyurl.com/VINNOTEK
