李江涛研究员在乌东德水电站励磁机组的辐射冷却热管理新技术应用研究中取得重要进展

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辐射冷却是近年来电力、电子领域快速发展起来的一种热管理新技术，其原理是基于斯特藩-玻尔兹曼定律，通过高发射率红外陶瓷涂层材料的强化辐射传热作用，无需任何能耗，即可实现高温功率模块的快速降温，有望为高功率模块的热管理开辟一条新途径。
　　中科院理化所低温材料及应用超导中心李江涛研究员带领的功能陶瓷团队，立足于红外陶瓷材料的长期研究积累，在辐射冷却热管理领域取得了一系列重要突破；团队中的李永高级工程师在所长基金“基于红外陶瓷的被动辐射冷却新技术”项目支持下，自2021年至今先后在理论和工程应用方面取得了一系列重要进展：功能陶瓷团队与理化所戴巍研究员的低温团队合作，通过传热模拟计算发现，在自然对流的条件下，当铝基散热器表面涂覆发射率接近黑体的红外陶瓷涂层后，可将辐射传热在总散热量中的占比提高至36%以上（图1），揭示了辐射在“对流、传导、辐射”三种热管理途径中可实现“三分天下有其一”的、不可忽视的重要作用，该研究成果发表于International Journal of Thermal Sciences (166，106971，2021 )，为高功率模块的辐射冷却热管理奠定了基础。

图1 辐射传热在总散热量中占比的理论模拟和试验验证

图2 新型辐射冷却散热器在乌东德水电站励磁系统的热管理工程应用

　　突破了红外陶瓷粉体的燃烧合成制备技术、辐射冷却涂料及涂层的的高效分散与界面调控关键技术，搭建了“辐射、传导以及对流”多模式耦合的功率模块冷却效能热工评价装置；研制成功了新型辐射冷却散热器，可在“无能耗”和“不增加散热器体积”的前提下，将新型散热器的换热功率大幅度提升20%以上。研发的新型辐射冷却散热器2021年在乌东德水电站的24台励磁机组系统上首次实现了示范应用（图2），经用户单位6个月的工程应用表明，该新型散热器发挥了两个不可替代的作用：一是因采用辐射散热代替了对流散热而去掉了风冷系统，成功地避免了浮尘堵塞风道、实现了无人值守运行，大大节约了定期巡检和维护成本；二是通过强化辐射散热、大幅度提升了励磁系统的热管理效能，保证了发电机组的稳定、可靠运行。
　　上述基于辐射冷却热管理技术所取得的创新成果，可为高功率模块的热管理提供普适性理论和技术支撑，并有望在我国新基建七大领域中量大面广的热管理应用中发挥重要作用。


       文章来源：理化所
       李江涛，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，功能陶瓷材料研究组组长；国家自然科学基金委无机非金属学科第13、14届会评专家；兼任中科院唐山研究转化中心理化事业部部长、中钢集团“先进耐火材料国家重点实验室”兼职教授，合肥工业大学兼职教授。1995年于北京科技大学材料科学与工程系获工学博士学位。2002年12月调入中国科学院理化技术研究所，组建功能陶瓷材料研究组。主要从事先进陶瓷材料的燃烧合成制备技术研究、红外陶瓷材料的辐射节能与工业应用研究。先后主持了国家自然科学基金重点课题、国家科技部ITER专项ITPA人才课题、863重点课题、以及科学院知识创新方向性项目等多项课题。在材料先进制备技术方面发表文章160余篇，专利20余件，英文专著一部。曾获中国材料研究学会科学技术二等奖、北京市科技进步三等奖、第八届教育部霍英东青年教师基金及青年教师奖。