Leichtere und zuverlässigere luftgekühlte Wärmemanagementlösungen für das Flugzeug der Zukunft
Die Luftfahrtindustrie als Bestandteil der Strategie für nachhaltige Energie in Europa strebt eine schrittweise Umstellung auf elektrische Energie an. Mit dem Aufkommen neuer Leistungselektronikmodule aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid (SiC/GaN) mit besseren Verhaltenseigenschaften in Hinsicht auf Verlustleistung und Temperaturgrenzen konnten luftgekühlte Lösungen neu überdacht werden. So wurden im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ICOPE innovative und effiziente luftgekühlte Kühlkörper zur Kühlung der Leistungselektronikmodule entwickelt. Das Projekt wurde von Joaquim Rigola von der Polytechnischen Universität Katalonien koordiniert, verantwortlich für Themenmanagement in den Partnerschaften mit AAVID (Boyd Corporation), Schunk Carbon Technology und THALES Avionics.
Verbesserte Leistungsfähigkeit und leichte Bauweise
Innovativ ist die Integration und Kombination zweier neuer fortgeschrittener thermischer Werkstoffe, von geglühtem pyrolytischen Grafit und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Der geglühte pyrolytische Grafit ist in den Wärmeverteiler integriert und soll die Temperaturgradienten in der Grundplatte des Kühlkörpers reduzieren. Überdies sind die ausgewählten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe aus Aluminium und Grafit zusammengesetzt, wodurch die Aluminiumeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient) verbessert werden. Neben der Projektaktivitäten zur Erforschung von Kühlkörpern bestand außerdem das wichtige Ziel, diese in eine Energiemanagement-Box zu integrieren. „Die Verbesserung luftgekühlter Lösungen bringt eine gewisse Gewichtsreduzierung in Bezug auf das Wärmemanagementsystem mit sich, da die ansonsten erforderliche Ausrüstung für flüssigkeitsgekühlte oder zweiphasige Einheiten (Pumpen, Rohrleitungen, zusätzliche Wärmetauscher usw.) wegfällt. Diese Vereinfachung des Systems bewirkt außerdem eine erhöhte Zuverlässigkeit sowie weniger Instandhaltungsaufwand“, erläutert Carles Oliet, technischer Koordinator des Projekts.
Ein anspruchsvoller Fertigungsprozess
Die innerhalb des Projekts bestehenden Herausforderungen haben sich bei der Durchführung bestätigt. „Die ersten Schwierigkeiten betrafen die Konstruktion eines Kühlkörpers, bei dem gleichzeitig die zwingenden thermischen Anforderungen mit Luft als Kühlmedium erfüllt sowie der Luftdruckabfall und das Gewicht des Kühlkörpers unter den speziell vorgegebenen Grenzwerten gehalten werden sollten. Außerdem sollte die Lösung in der endgültigen Version in Bezug auf die Fertigungsgrenzen realisierbar sein“, wie Oliet erklärt. Zwecks Erfüllung dieser Voraussetzungen intensivierte das ICOPE-Konsortium die Bemühungen rund um die Gestaltung, die letztlich in Form eines durch die vorgenommenen Tests bestätigten Ergebnisses von Erfolg gekrönt wurden. Der zweite Problemkreis hängt damit zusammen, dass erstmalig geglühter pyrolytischer Grafit und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe in einem einzigen Bauteil miteinander kombiniert wurden. „Die vorbereitende Aufgabe, verschiedene Probestücke der Werkstoffkombinationen zu entwickeln und auf ihre Eigenschaften zu prüfen, war wichtig, um diese Herausforderung zu meistern“, betont Oliet. Im Rahmen der Zielstellung, die Gefahr möglicher Fertigungs- oder Leistungseinschränkungen zu senken, hat das Konsortium drei verschiedene Kühlkörper mit unterschiedlichen Kombinationen aus geglühtem pyrolytischen Grafit und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sowie Herstellungsprozessen entworfen, hergestellt und geprüft.
Auf dem Weg zu umfassender Umsetzung
Zu den nächsten Schritten des ICOPE-Teams zählen die Konsolidierung und Optimierung der Kühlkörper-Fertigungsprozesse. Schwerpunkt dabei werden sowohl eine neuartige Umsetzung eines Wärmeverteilers in Form einer Rippenkühlkörperbasis als auch eine innovative neue Kombination von wärmeverteilenden Materialien sein. „Wir gehen davon aus, diese weiteren Schritte im Rahmen neuer Projekte zu entwickeln und dabei das Konzept bei neuen Elektro-/Hybrid-Flugzeugen, Transportfahrzeugen oder weiteren Energieumwandlungsanwendungen umzusetzen“, ergänzt Oliet.
Schlüsselbegriffe
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