Lżejsze i bardziej niezawodne rozwiązania odprowadzania ciepła dla samolotów przyszłości
Zgodnie z europejską strategią na rzecz zrównoważonej energii przemysł lotniczy dąży do stopniowego przestawienia się na zasilanie energią elektryczną. Pojawienie się nowych modułów zasilania z węglika krzemu i azotku galu (SiC/GaN), posiadających korzystniejsze właściwości pod względem poziomu rozpraszania i ograniczeń temperatury, pozwala na rozważenie powrotu do rozwiązań chłodzonych powietrzem. W ramach finansowanego przez UE projektu ICOPE opracowano innowacyjne i wydajne radiatory chłodzone powietrzem, przeznaczone do chłodzenia energoelektronicznych modułów zasilania. Projekt był koordynowany przez Joaquima Rigolę z Politechniki Katalońskiej, wraz z partnerami AAVID (Boyd Corporation), Schunk Carbon Technology oraz THALES Avionics na stanowiku kierownika tematycznego.
Lepsze osiągi i lekka konstrukcja
Innowacyjność tego rozwiązania polega na integracji i połączeniu dwóch nowych zaawansowanych materiałów termicznych: hartowanego grafitu pyrolitycznego (Annealed Pyrolytic Graphite, APG) i kompozytów opartych na matrycy metalowej (metal matrix composites, MMC). APG jest zintegrowany z rozpraszaczem ciepła, a jego zadaniem jest zmniejszenie gradientów temperatury w płytce bazowej radiatora. Ponadto, wybrane MMC składają się z aluminium i grafitu, co poprawia właściwości aluminium (przewodność cieplną, współczynnik wyrównania temperatur i współczynnik rozszerzalności cieplnej). Oprócz badań nad radiatorami ważnym celem projektu była ich integracja z wnęką modułu zarządzania energią. „Ulepszenie rozwiązań chłodzonych powietrzem oznacza potencjalne zmniejszenie masy systemu zarządzania ciepłem dzięki możliwości wyeliminowania urządzeń związanych z jednostkami ciekłymi lub dwufazowymi (pompy, rury, dodatkowe wymienniki ciepła itp.). To uproszczenie systemu wpływa też na zwiększenie jego niezawodności oraz ograniczenie prac konserwacyjnych”, mówi koordynator techniczny projektu Carles Oliet.
Wymagający proces produkcji
Wyzwania przewidziane przez autorów projektu znalazły potwierdzenie podczas jego realizacji. „Pierwsze trudności były związane z zaprojektowaniem radiatora, który miał spełniać rygorystyczne wymagania cieplne przy zastosowaniu powietrza jako środka chłodzącego, oraz jednoczesnym utrzymaniu spadku ciśnienia powietrza i masy radiatora poniżej określonych wartości. Ponadto, ostateczne rozwiązanie musiało być wykonalne pod względem limitów produkcyjnych”, wyjaśnia Oliet. Aby spełnić te warunki, konsorcjum ICOPE zintensyfikowało prace i w końcu osiągnęło pomyślny rezultat, który został potwierdzony w testach. Inne trudności związane były z faktem, że po raz pierwszy APG i MMC zostały połączone w jednym komponencie. „Rozwiązanie tego problemu wymagało opracowania i scharakteryzowania różnych próbek kombinacji materiałów”, mówi Oliet. W celu zmniejszenia ryzyka związanego z ewentualnymi ograniczeniami produkcyjnymi lub pogorszeniem osiągów konsorcjum zaprojektowało, wyprodukowało i przetestowało trzy różne radiatory z różnymi kombinacjami materiałów APG/MMC i procesów produkcyjnych.
W kierunku wdrożenia na szeroką skalę
W dalszej kolejności zespół ICOPE zajmie się konsolidacją i optymalizacją procesów produkcji radiatorów. Nacisk zostanie położony zarówno na nowatorskie zastosowanie rozpraszacza ciepła jako podstawy radiatora żeberkowego, jak i na innowacyjne połączenie nowych materiałów rozpraszających ciepło. „Działania te chcemy przeprowadzić w ramach nowych projektów, wdrażających naszą koncepcję w nowych samolotach elektrycznych/hybrydowych, pojazdach transportowych lub innych zastosowaniach związanych z konwersją energii”, dodaje Oliet.
Słowa kluczowe
ICOPE, ciepło, radiator, cieplny, moc, samolot, produkcja, chłodzenie powietrzem, energoelektroniczne moduły zasilania, SiC/GaN
