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Innovative COoling system for embedded Power Electronics

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Des solutions de gestion thermique à refroidissement par air plus légères et plus fiables pour l’aéronef de demain

Un projet financé par l’UE présente une solution innovante pour refroidir les modules électroniques de puissance, une composante clé de la conception du centre de gestion de la puissance pour des aéronefs toujours plus électriques.

Transports et Mobilité

Dans le cadre de la stratégie d’énergie durable de l’Europe, l’industrie aéronautique entend progressivement adopter l’énergie électrique. L’apparition de nouveaux modules de puissance au carbure de silicium et nitrure de gallium (SiC/GaN) qui se comportent mieux en termes de niveau de dissipation et de limites de température a permis de revoir les solutions de refroidissement par air. Le projet ICOPE, financé par l’UE, a conçu des dissipateurs de chaleur innovants et efficaces par refroidissement par air afin de refroidir les modules électroniques de puissance. Le projet était coordonné par Joaquim Rigola de l’université polytechnique de Catalogne, et ses partenaires AAVID (Boyd Corporation), Schunk Carbon Technology, et THALES Avionics en tant que responsable.

Une meilleure performance et une conception légère

L’innovation réside dans l’intégration et la combinaison de deux matériaux thermiques avancés: le graphite pyrolytique recuit (APG) et les composites à matrice métallique (MMC). L’APG est intégré au dissipateur de chaleur et sert à réduire les gradients thermiques dans la plaque de base du dissipateur. En outre, les MMC sélectionnés sont une composition d’aluminium et de graphite, qui améliore les caractéristiques de l’aluminium (conductivité thermique, diffusivité thermique et coefficient d’expansion thermique). En complément des activités de recherche sur le dissipateur de chaleur du projet, un autre objectif clé portait sur leur intégration dans une baie de gestion de puissance. «L’amélioration des solutions de refroidissement par air implique une réduction potentielle du poids dans le système de gestion thermique afin d’éviter les équipements connexes pour les unités liquides ou à deux phases (pompes, conduites, échangeurs de chaleur supplémentaires, etc.). Cette simplification du système s’accompagne d’une meilleure fiabilité et d’une réduction de la maintenance», explique Carles Oliet, coordinateur technique du projet.

Un processus de fabrication exigeant

Les défis inhérents au projet ont été confirmés lors de sa réalisation. «Les premières difficultés étaient liées à la conception d’un dissipateur de chaleur qui répondrait à des exigences thermiques élevées avec l’air comme moyen de refroidissement tout en maintenant la baisse de pression de l’air et le poids du dissipateur sous les seuils spécifiés. De plus, la solution finale devrait être réalisable en respectant les limites de fabrication», poursuit Carles Oliet. Pour répondre à ces conditions, le consortium ICOPE a intensifié les efforts de conception et est parvenu à un résultat, comme l’ont confirmé les tests réalisés. Le second ensemble de difficultés est lié au fait que c’était la première fois que l’APG et les MMC étaient associés dans un composant unique. «Pour relever ce défi, il était, dans un premier temps, important de développer et de caractériser différents échantillons de coupons de combinaisons de matériaux», souligne Carles Oliet. Afin de réduire le risque de possibles limitations de fabrication ou de performance, le consortium a conçu, fabriqué et testé trois dissipateurs de chaleur différents avec différentes combinaisons de matériaux APG/MMC et processus de fabrication.

Vers une large mise en œuvre

Les prochaines étapes de l’équipe ICOPE comprennent la consolidation et l’optimisation des processus de fabrication pour les dissipateurs de chaleur. Une attention particulière sera portée à la nouvelle mise en œuvre d’un dissipateur de chaleur comme une base de dissipateur à ailettes et une innovante combinaison de matériaux de diffusion de la chaleur. «Nous espérons développer ces prochaines étapes dans le cadre de nouveaux projets, intégrant le concept à de nouveaux aéronefs électriques/hybrides, véhicules de transport ou à d’autres applications de conversion de l’énergie», conclut Carles Oliet.

Mots‑clés

ICOPE, chaleur, dissipateur de chaleur, thermique, puissance, aéronef, fabrication, refroidissement par air, modules électroniques de puissance, SiC/GaN

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