Una solución de refrigeración reduce las limitaciones en materia de temperatura, peso y tamaño de los componentes de los aviones comerciales
Los componentes electrónicos de una aeronave suelen refrigerarse con aire o líquido. Sin embargo, la gran cantidad de energía eléctrica requerida por las aeronaves más eléctricas (MEA, por sus siglas en inglés) genera un aumento mucho mayor de la cantidad de calor residual y densidad de calor. Con las técnicas de refrigeración habituales, este aumento de las cargas de calor provoca un incremento de las temperaturas de los componentes electrónicos. Además, la masa y el volumen de un sistema de refrigeración tradicional se vuelven excesivamente grandes.
Electrónica de potencia para las aeronaves de próxima generación equipadas con sistemas más eléctricos
El proyecto financiado con fondos europeos TOPMOST ha desarrollado un novedoso sistema de refrigeración por bombeo de dos fases. El coordinador Henk Jan van Gerner explica: «El sistema utiliza una bomba para hacer circular un fluido refrigerante, que después fluye a través de un evaporador donde se absorbe el calor residual del componente electrónico mientras el líquido se evapora. Debido a que se utiliza el calor latente de la evaporación de un fluido, solo se precisa un pequeño flujo de masa de fluido para refrigerar el componente electrónico, con lo que los componentes y la masa son también pequeños». La ventaja principal del sistema de dos fases respecto a los sistemas monofásicos de referencia es que el flujo másico necesario es sustancialmente menor para una carga térmica determinada, lo que permite que el diámetro de las tuberías y las dimensiones de los componentes sean también más pequeños. Como consecuencia, tienden a ser más compactos y menos pesados que sus homólogos monofásicos. Asimismo, debido a la evaporación y la condensación, la temperatura de la mezcla de líquido-vapor es casi la misma para todo el sistema, lo que resulta en una temperatura uniforme de la superficie del componente electrónico. Los socios del proyecto diseñaron y construyeron demostradores del sistema de refrigeración por bombeo de dos fases destinados a un solo componente electrónico. Probaron con rigor y éxito los demostradores para comprobar si podían resistir las duras condiciones, como las vibraciones y la niebla salina, a las que se enfrentan las aeronaves.
Método de producción de vanguardia para un rendimiento térmico excelente
Para reducir la masa y el volumen del sistema de refrigeración, la mayoría de los componentes se han fabricado en aluminio impreso en 3D. La utilización de esta novedosa técnica de producción ha hecho posible una reducción de la masa (2,5 kg de masa) y de las dimensiones del sistema (un 42 % menos de volumen que el requerido) sin precedentes. El sistema es capaz de refrigerar 2 400 W de calor residual (el doble del exigido), al tiempo que la diferencia térmica entre los distintos puntos críticos del componente electrónico se mantiene por debajo de 2 °C. El aluminio se considera un material nuevo para la impresión 3D y los problemas encontrados, así como las lecciones aprendidas, en la impresión de este metal durante el proyecto contribuirán en gran medida al conocimiento en materia de impresión 3D. Gracias a TOPMOST, los nuevos conocimientos adquiridos beneficiarán a futuros proyectos. Por ejemplo, el proyecto en curso IMPACTA se basa en estos mismos resultados para desarrollar un sistema de refrigeración por bombeo de dos fases destinado a las antenas activas de los satélites de comunicación. Según van Gerner, el equipo de TOPMOST también tiene previsto aprovechar sus hallazgos y desarrollar un sistema capaz de refrigerar varias cajas electrónicas. «Las cajas electrónicas pueden ser mucho más compactas con una electrónica más potente». Van Gerner concluye: «El sistema de refrigeración por bombeo de dos fases de TOPMOST, relativamente pequeño, permite el uso de una electrónica más potente y compacta en las aeronaves. Esto permitirá el desarrollo de MEA, lo que conducirá a la producción de aeronaves que emitan menos emisiones de CO2 en el futuro».
Palabras clave
TOPMOST, refrigeración, componente electrónico, aeronave, sistema de refrigeración por bombeo de dos fases, calor residual, MEA, carga térmica, impresión 3D
