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Innovative COoling system for embedded Power Electronics

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Técnicas de gestión térmica refrigerada por aire para los aviones del futuro

Un proyecto financiado con fondos europeos presenta una técnica innovadora para enfriar los módulos electrónicos de potencia, un componente clave para el diseño del centro de gestión de potencia de aviones más eléctricos.

Transporte y movilidad

Como parte de la estrategia de energía sostenible de Europa, la industria aeronáutica tiene como objetivo pasar gradualmente a la energía eléctrica. La aparición de nuevos módulos de potencia de carburo de silicio y nitruro de galio (SiC/GaN) con un comportamiento mejor en términos de nivel de disipación y límites de temperatura ha permitido revisar las técnicas de refrigeración por aire. El proyecto ICOPE, financiado con fondos europeos, diseñó disipadores de calor refrigerados por aire innovadores y eficientes para refrigerar los módulos electrónicos de potencia. El proyecto fue coordinado por Joaquim Rigola de la Universidad Politécnica de Cataluña, con los socios AAVID (Boyd Corporation) y Schunk Carbon Technology, y THALES Avionics como director temático.

Rendimiento mejorado y diseño ligero

La innovación radica en la integración y la combinación de dos materiales térmicos avanzados: grafito pirolítico recocido (APG, por sus siglas en inglés) y materiales compuestos de matriz metálica (MMC, por sus siglas en inglés). El APG se integra en el difusor de calor, pensado para reducir los gradientes de temperatura de la placa base del disipador de calor. Asimismo, los MMC elegidos son una composición de aluminio y grafito, la cual mejora las características del aluminio (conductividad térmica, difusividad térmica y coeficiente de expansión). Además de las actividades de investigación relacionadas con el disipador de calor del proyecto, su integración en un compartimento de gestión de energía también ha sido un objetivo importante. «La mejora de las técnicas de refrigeración por aire implica una posible reducción del peso en el sistema de gestión térmico, porque puede evitarse el uso del equipo relacionado para el líquido o las unidades bifásicas (bombas, tuberías, intercambiadores de calor adicionales, etc.). Esta simplificación del sistema también repercute en un incremento de su fiabilidad y en una reducción del mantenimiento», declara Carles Oliet, coordinador técnico del proyecto.

Un proceso de fabricación exigente

Los desafíos inherentes al proyecto se han confirmado en su ejecución. «Las primeras dificultades estaban relacionadas con el diseño de un disipador de calor que satisficiera los exigentes requisitos térmicos con el aire como medio refrigerante y, a la vez, mantuviera la caída de la presión del aire y el peso del disipador de calor por debajo de unos determinados umbrales. Además, la solución final debía ser factible en términos de límites de fabricación», explica Oliet. Para cumplir estos prerrequisitos, el consorcio ICOPE intensificó el trabajo de diseño y obtuvo finalmente un resultado satisfactorio, tal y como confirmaron las pruebas realizadas. El segundo bloque de dificultades tiene que ver con el hecho de que era la primera vez que se combinaban APG y MMC en un solo componente. «La tarea preliminar de desarrollar y caracterizar distintas muestras de cupones de combinaciones de materiales ha sido importante para abordar este desafío», destaca Oliet. Con el objetivo de reducir el riesgo de posibles limitaciones de rendimiento o de fabricación, el consorcio diseñó, fabricó y probó tres disipadores de calor distintos con diferentes combinaciones de materiales APG/MMC y procesos de fabricación.

Hacia una amplia aplicación

Los próximos pasos del equipo de ICOPE son la consolidación y la optimización de los procesos de fabricación de los disipadores de calor. Se centrará la atención en la nueva aplicación de un difusor de calor como base de disipador de calor de aletas y en una combinación nueva e innovadora de materiales difusores de calor. «Esperamos dar estos nuevos pasos en el marco de nuevos proyectos, poniendo en práctica el concepto de nuevos aviones eléctricos/híbridos, vehículos de transporte u otras aplicaciones de conversión de energía», añade Oliet.

Palabras clave

ICOPE, calor, disipador de calor, térmico, potencia, avión, fabricación, refrigerado por aire, módulos electrónicos de potencia, SiC/GaN

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