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Optimization two phases cooling solution using micro pump brick

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Weniger Wärmeprobleme, leichter und kleiner: spezielles Kühlsystem verbessert kommerzielle Flugzeugbauteile

Elektronische Bauteile in Luft- und Raumfahrzeugen erzeugen durch ihren immer größeren Strombedarf auch immer größere Mengen an Abwärme. Konventionelle Kühlmethoden sind folglich nicht mehr in der Lage, elektronische Bauteile unter Maximaltemperatur zu halten.

VERKEHR UND MOBILITÄT

© NLR-Netherlands Aerospace Centre

Die elektronischen Bauteile eines Luftfahrzeugs werden normalerweise mit Luft oder Flüssigkeiten gekühlt. Doch der hohe Strombedarf verstärkt elektrisch betriebener Flugzeuge (More Electronic Aircraft, MEA) führt zu wesentlich mehr Abwärme und höherer Wärmedichte. Mit der gängigen Kühltechnik führt diese erhöhte Wärmelast zu hohen Temperaturen in den elektronischen Bauteilen. Außerdem wären Masse und Volumen eines entsprechenden traditionellen Kühlsystems dafür völlig unpraktikabel.

Leistungselektronik für die nächste Generation verstärkt elektrisch betriebener Flugzeuge

Im EU-finanzierten Projekt TOPMOST wurde jetzt ein neuartiges zweistufiges Kühlpumpensystem entwickelt. „Das System basiert auf einer Pumpe, die eine Kühlflüssigkeit zirkulieren lässt. Diese fließt dann durch einen Verdampfer, wo die Abwärme vom elektronischen Bauteil absorbiert wird und die Flüssigkeit verdampft“, erklärt der Koordinator Henk Jan van Gerner. „Weil die Umwandlungswärme beim Verdunsten der Flüssigkeit genutzt wird, ist nur ein geringer Massendurchfluss nötig, um das elektronische Bauteil zu kühlen, sodass kleine Komponenten und eine geringe Masse ausreichen.“ Der größte Vorteil dieses zweistufigen Systems im Vergleich zu einstufigen Normsystemen ist, dass der nötige Massendurchfluss für die jeweilige Wärmelast wesentlich kleiner ist, sodass ein kleinerer Rohrdurchmesser und kleiner ausgelegte Bauteile ausreichen. Daher kann das Kühlsystem um einiges kompakter und leichter als seine einstufigen Gegenstücke sein. Durch Verdunsten und Kondensieren ist die Temperatur der Flüssigkeit-Dampf-Mischung außerdem im gesamten System annähernd gleich hoch. Daraus ergibt sich auch eine einheitliche Temperatur an der Oberfläche des elektronischen Bauteils. Die Projektpartner haben für ein bestimmtes elektronisches Bauteil zwei Demonstratoren des zweistufigen Kühlpumpensystems entworfen und gebaut. Diese wurden harten, aber erfolgreichen Tests unterzogen, bei denen geprüft wurde, ob sie den schwierigen Bedingungen im Umfeld eines Flugzeugs, etwa Vibrationen oder Salzsprühnebel, standhalten können.

Exzellentes Wärmeverhalten dank hochmoderner Produktionsmethode

Um Masse und Volumen des Kühlsystems zu verringern, wurden die meisten Bauteile aus 3D-gedrucktem Aluminium hergestellt. Durch diese neue Produktionstechnik wurden eine beispiellos niedrige Systemmasse (2,5 kg) sowie kompakte Abmessungen mit einem 42 % kleineren Volumen als vorgegeben erreicht. Das System kann 2 400 W Abwärme abkühlen (das entspricht dem doppelten geforderten Wert), wobei der Temperaturunterschied zwischen den jeweiligen heißesten Punkten auf dem elektronischen Bauteil bei unter 2 °C gehalten wird. Aluminium wird gerade für den 3D-Druck entdeckt und Probleme und Erfahrungen beim Drucken dieses Metalls im Rahmen des Projekts werden in den allgemeinen Wissensschatz über das 3D-Drucken einfließen. Dank TOPMOST werden auch künftige Projekte von dieser neuen Expertise profitieren können. Das aktuelle Projekt IMPACTA baut zum Beispiel genau auf diesen Ergebnissen auf und entwickelt ein zweistufiges Kühlpumpensystem für aktive Antennen an Nachrichtensatelliten. Laut van Gerner plant das TOPMOST-Team ebenfalls, die Ergebnisse weiter zu verwenden und daraus ein System zu entwickeln, dass mehrere Elektronikboxen gleichzeitig kühlen kann. „Mit stärkerer Elektronik können die Boxen wesentlich kompakter gebaut werden.“ „Durch das relativ kleine zweistufige Kühlpumpensystem von TOPMOST kann in Flugzeugen leistungsstärkere und kompaktere Elektronik zum Einsatz kommen“, so van Gerner abschließend. „Das fördert die Entwicklung von MEA und ermöglicht in Zukunft Flugzeuge mit geringeren CO2-Emissionen.“

Schlüsselbegriffe

TOPMOST, Kühlung, elektronisches Bauteil, Luftfahrzeug, Flugzeug, zweistufiges Kühlpumpensystem, Abwärme, MEA, Wärmelast, 3D-Drucken

Projektinformationen

ID Finanzhilfevereinbarung: 738094

Status

Abgeschlossenes Projekt

  • Startdatum

    1 Februar 2017

  • Enddatum

    31 Mai 2019

Finanziert unter:

H2020-EU.3.4.5.6.

  • Gesamtbudget:

    € 711 810

  • EU-Beitrag

    € 711 810

Koordiniert durch:

STICHTING NATIONAAL LUCHT- EN RUIMTEVAARTLABORATORIUM