Des systèmes de refroidissement qui réduisent les contraintes thermiques, le poids et la taille des composants des aéronefs commerciaux
Le refroidissement des composants électroniques des aéronefs se fait généralement par air ou par liquide. Toutefois, la grande quantité d’électricité nécessaire pour faire fonctionner les «avions plus-électriques» (MEA) entraîne une forte augmentation des pertes et de la densité de chaleur. Avec les techniques de refroidissement actuelles, cette charge thermique accrue se traduit par une forte augmentation de la température des composants électroniques. Par ailleurs, la masse et le volume des systèmes de refroidissement classiques deviennent prohibitifs.
Quelle électronique de puissance pour les aéronefs de la prochaine génération équipés de systèmes plus-électriques?
Le projet TOPMOST, financé par l’UE, a mis au point une solution novatrice de refroidissement en deux phases. «Ce système utilise une pompe qui fait circuler le fluide de refroidissement, puis celui-ci passe dans un évaporateur qui absorbe la perte de chaleur des composants électroniques au fur et à mesure que le liquide s’évapore», explique Henk Jan van Gerner, coordinateur du projet. «Dans la mesure où c’est la chaleur latente d’évaporation d’un fluide qui est utilisée, seul un petit débit massique de fluide est nécessaire pour refroidir le composant électronique, ce qui permet de recourir à des éléments de taille et de masse réduites.» L’avantage principal du système à deux phases par rapport aux systèmes standards à phase unique repose sur le fait que le débit massique nécessaire est substantiellement inférieur pour une charge thermique donnée, ce qui permet d’utiliser des tubes de plus petit diamètre et des composants de taille réduite. Ce système est ainsi plus compact et moins lourd que ses homologues à une seule phase. Par ailleurs, du fait de l’évaporation et de la condensation, la température du mélange liquide / vapeur est presque la même dans l’ensemble du système. Cela permet d’avoir une température homogène à la surface du composant électronique. Les partenaires du projet ont conçu et construit deux démonstrateurs de la solution de refroidissement par pompe à deux phases destinés à un composant électronique unique. Ils ont ensuite rigoureusement testé ces démonstrateurs et prouvé qu’ils pouvaient résister à des conditions extrêmes, comme les vibrations et les brouillards salins, auxquelles sont soumis les aéronefs.
Une méthode de production pionnière présentant des performances thermiques d’excellence
Afin de réduire la masse et le volume du système de refroidissement, la plupart des composants ont été fabriqués à base d’aluminium avec une imprimante 3D. Le recours à cette nouvelle technique a permis d’élaborer un dispositif présentant les plus petites masse et dimensions jamais obtenues, le système pesant 2,5 kg et étant 42 % moins volumineux que ce qui était requis. Ce système est capable de refroidir 2 400 W de pertes de chaleur (soit le double de ce qui est exigé) tandis que l’écart de température entre les différents points sensibles du composant électronique est maintenu sous la barre des 2 °C. Étant donné que l’aluminium reste un matériau d’usage récent dans l’impression 3D, les problèmes rencontrés et les enseignements tirés lors de son utilisation au cours du projet vont enrichir de manière significative la base de connaissances dans ce domaine. Grâce à TOPMOST, les nouvelles compétences acquises profiteront à de futurs projets. Par exemple, le projet IMPACTA actuellement en cours s’appuie sur ces résultats pour mettre au point un système de refroidissement par pompe en deux phases pour les antennes actives utilisées dans les communications par satellite. Selon Henk Jan van Gerner, l’équipe TOPMOST prévoit également d’exploiter ces découvertes pour mettre au point une solution capable de refroidir plusieurs boîtiers électroniques. «Les boîtiers électroniques pourraient être bien plus compacts et intégrer des composants électroniques plus puissants.» Et Henk Jan van Gerner conclut: «Le système de refroidissement par pompe à deux phases mis au point par TOPMOST, dont les dimensions sont relativement petites, permettra d’intégrer aux aéronefs des composants électroniques plus puissants et plus compacts». «Cela favorisera le développement des MEA et, à terme, d’engins aériens qui émettront à l’avenir moins de CO2.»
Mots‑clés
TOPMOST, refroidissement, composant électronique , aéronef, système de refroidissement par pompe à deux phases, perte de chaleur, MEA, charge thermique, impression 3D
