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Innovative COoling system for embedded Power Electronics

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Soluzioni di gestione termica raffreddate ad aria più leggere e affidabili per i velivoli del futuro

Un progetto finanziato dall’UE presenta una soluzione innovativa per il raffreddamento dei moduli elettronici di potenza, componenti chiave della progettazione della centrale di gestione energetica di velivoli di natura più elettrica.

Trasporti e Mobilità

Nell’ambito della strategia dell’Europa in materia di energia sostenibile, il settore aeronautico si prefigge di attuare un graduale passaggio all’energia elettrica. La presenza di nuovi moduli di potenza in carburo di silicio e nitruro di gallio (SiC/GaN), caratterizzati da un comportamento migliore in termini di livello di dissipazione e limiti di temperatura ha permesso di riconsiderare soluzioni raffreddate ad aria. Il progetto ICOPE, finanziato dall’UE, ha progettato dei dissipatori di calore raffreddati ad aria innovativi ed efficienti per il raffreddamento dei moduli elettronici di potenza. Il progetto è stato coordinato da Joaquim Rigola del Politecnico della Catalonia, insieme ai partner AAVID (Boyd Corporation), Schunk Carbon Technology e THALES Avionics in qualità di responsabile delle tematiche.

Miglioramento delle prestazioni e progettazione leggera

L’innovazione risiede nell’integrazione e nella combinazione di due nuovi materiali termici con proprietà avanzate: la grafite pirolitica ricotta (APG) e i compositi a matrice metallica (MMC). La grafite pirolitica ricotta è incorporata nel diffusore di calore, al fine di abbassare i gradienti di temperatura nella piastra di base del dissipatore di calore. Inoltre, i compositi a matrice metallica selezionati sono costituiti da una combinazione di alluminio e grafite, che migliora le caratteristiche dell’alluminio, quali la conduttività termica, la diffusività termica e il coefficiente di dilatazione termica. Oltre alle attività di ricerca sul dissipatore di calore intraprese dal progetto, un altro importante obiettivo era l’integrazione nel vano di gestione energetica. «Il miglioramento delle soluzioni raffreddate ad aria implica una potenziale riduzione del peso all’interno del sistema di gestione termica poiché è possibile fare a meno delle apparecchiature correlate per il liquido o i gruppi bi-fase, quali pompe, tubature, scambiatori di calore aggiuntivi, ecc. Inoltre, tale semplificazione del sistema si riflette in un migliore livello di affidabilità e in una riduzione della manutenzione», afferma Carles Oliet, coordinatore tecnico del progetto.

Un processo di produzione impegnativo

L’esecuzione ha confermato le difficoltà intrinseche del progetto. «Le prime difficoltà erano legate alla progettazione del dissipatore di calore, che doveva sia soddisfare requisiti termici stringenti utilizzando l’aria come mezzo di raffreddamento, che mantenere la caduta di pressione dell’aria e il peso del dissipatore di calore sotto determinate soglie. Oltre a ciò, la soluzione finale doveva risultare valida in termini di limiti di produzione», spiega Oliet. Per adempiere a tali prerequisiti, il consorzio ICOPE ha intensificato le attività di progettazione per ottenere alla fine un risultato di successo, come confermato dalle prove svolte. Il secondo blocco di problemi riguardava il fatto che era la prima volta che si combinavano la grafite pirolitica ricotta e i compositi a matrice metallica per creare un singolo componente. «Il lavoro preliminare di elaborazione e caratterizzazione di diversi campioni di combinazioni di materiali si è rivelato fondamentale per affrontare questa sfida», osserva Oliet. Con l’obiettivo di ridurre il rischio di possibili limiti di produzione o di prestazione, il consorzio ha concepito, costruito e collaudato tre diversi dissipatori di calore, combinando differenti materiali in grafite pirolitica ricotta e compositi a matrice metallica e processi di produzione.

Sulla strada verso un’adozione di ampio respiro

Tra i prossimi passi che il gruppo del progetto ICOPE si propone di compiere figurano il consolidamento dei processi di produzione dei dissipatori di calore. L’attenzione si concentrerà sia sull’adozione innovativa di un diffusore di calore, sotto forma di una base di dissipatore di calore con alette che su una nuova e inedita combinazione di materiali di diffusione del calore. «Prevediamo di far evolvere queste fasi successive nell’ambito di nuovi progetti, applicando il concetto a nuovi velivoli elettrici/ibridi, veicoli di trasporto o altre applicazioni di conversione energetica», aggiunge Oliet.

Parole chiave

ICOPE, calore, dissipatore di calore, termico, potenza, velivolo, produzione, raffreddato ad aria, moduli elettronici di potenza, SiC/GaN

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