Nowy system chłodzenia zmniejsza ograniczenia termiczne, wagę oraz rozmiar elementów samolotów komercyjnych
Elementy elektroniczne stosowane w samolotach są zazwyczaj chłodzone powietrzem lub cieczą, jednak duża ilość energii elektrycznej wymagana przez bardziej elektryczne samoloty (ang. more-electric aircraft, MEA) powoduje wytwarzanie znacznie większych ilości ciepła odpadowego przy dużo wyższej gęstości ciepła. Przy wykorzystaniu dotychczasowych technologii chłodzenia, zwiększone obciążenie powoduje znaczący wzrost temperatury poszczególnych elementów. Co więcej, zarówno masa, jak i objętość tradycyjnych systemów chłodzenia zaczynają być zbyt duże, aby było możliwe ich wykorzystanie w planowanych zastosowaniach.
Systemy chłodzenia na potrzeby samolotów następnej generacji wyposażonych w większą liczbę systemów elektrycznych
W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu TOPMOST naukowcy opracowali innowacyjny dwufazowy układ chłodzenia wyposażony w pompę. „Nowy układ wykorzystuje pompę w celu zapewniania obiegu płynu chłodzącego, który przepływa następnie przez parownik absorbujący ciepło odpadowe wytwarzane przez elementy elektroniczne w wyniku odparowywania płynu”, wyjaśnia koordynator projektu Henk Jan van Gerner. „Z racji tego, że układ wykorzystuje do chłodzenia elementów elektronicznych ciepło utajone z odparowywania płynu chłodniczego, rozwiązanie wymaga niewielkiego przepływu cieczy, co pozwala na miniaturyzację jego poszczególnych elementów i zapewnienie niskiej wagi całości rozwiązania”. Najważniejszą zaletą układu dwufazowego w stosunku do standardowych układów jednofazowych jest dużo mniejsze natężenie przepływu chłodziwa wymagane do chłodzenia elementów wydzielających daną ilość ciepła, co pozwala na zastosowanie przewodów o mniejszej średnicy oraz miniaturyzację elementów składowych. W rezultacie układy tego rodzaju są mniejsze i lżejsze od swoich jednofazowych odpowiedników. Dodatkowo dzięki odparowywaniu i kondensacji temperatura mieszanki cieczy i pary jest niemal identyczna w całym układzie, co przekłada się w praktyce na wyrównane temperatury powierzchni chłodzonych elementów elektronicznych. Partnerzy skupieni wokół projektu zaprojektowali i opracowali dwa prototypowe układy chłodzenia dwufazowego z pompami, przeznaczone do pracy z jednym elementem elektronicznym. Zbudowane prototypy zostały szczegółowo przetestowane w celu sprawdzenia ich wytrzymałości na trudne warunki pracy, z którymi zmagają się samoloty, w szczególności drgania oraz sól w powietrzu. Testy zakończyły się pełnym powodzeniem.
Nowoczesne metody produkcji pozwalają na osiągnięcie doskonałej wydajności cieplnej
W celu zmniejszenia masy i objętości układu chłodzącego, większość elementów została wyprodukowana z aluminium w technologii druku 3D. Wykorzystanie tej nowatorskiej technologii produkcji pozwoliło na uzyskanie wyjątkowo niskiej wagi całego układu (2,5 kg) oraz na jego miniaturyzację – ostateczna objętość była o 42 % niższa niż wymagana. Układ jest w stanie odprowadzić 2 400 W ciepła odpadowego – dwukrotnie więcej, niż wynosiły wymagania. Ponadto różnica temperatur pomiędzy najgorętszymi punktami układu elektronicznego jest utrzymywana na poziomie poniżej 2 °C. Aluminium stanowi dość nowatorski materiał wykorzystywany w druku 3D. Z tego powodu wszystkie problemy napotkane w czasie realizacji projektu oraz wyciągnięte wnioski będą stanowiły ważny krok w rozwoju tej technologii. Dzięki pracy wykonanej przez uczestników projektu TOPMOST, nowo uzyskana wiedza będzie mogła zostać wykorzystana w innych projektach w przyszłości, między innymi w trwającym właśnie projekcie IMPACTA, zajmującym się opracowywaniem dwufazowego układu chłodzenia z pompą na potrzeby aktywnych anten satelitów komunikacyjnych w oparciu o osiągnięcia projektu TOPMOST. Jak twierdzi van Gerner, zespół projektu TOPMOST planuje również wykorzystanie wyników uzyskanych w ramach prac w celu opracowania układu chłodzenia umożliwiającego obsługę wielu elementów elektronicznych. „Dzięki temu elementy będą mogły być jeszcze mniejsze, a zarazem wydajniejsze”. „Opracowany w ramach projektu TOPMOST niewielki, dwufazowy układ chłodzenia z pompą pozwala na wykorzystanie bardziej wydajnych i zminiaturyzowanych układów elektronicznych w samolotach”, podsumowuje van Gerner. „To pozwoli na opracowywanie bardziej elektronicznych samolotów, co w konsekwencji pozwoli na obniżenie emisji dwutlenku węgla w przyszłości”.
Słowa kluczowe
TOPMOST, chłodzenie, element elektroniczny, samolot, dwufazowy układ chłodzenia z pompą, ciepło odpadowe, MEA, obciążenie cieplne, drukowanie 3D
