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Optimization two phases cooling solution using micro pump brick

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Una soluzione di raffreddamento riduce le limitazioni termiche, il peso e le dimensioni dei componenti per aeromobili commerciali

La quantità di calore di scarto generato dai componenti elettronici delle applicazioni aerospaziali sta aumentando a causa dell’incremento del fabbisogno di energia elettrica. Di conseguenza, i metodi di raffreddamento convenzionali non sono in grado di mantenere i componenti elettronici al di sotto dei loro limiti massimi di temperatura.

Trasporti e Mobilità

I componenti elettronici di un velivolo vengono solitamente raffreddati ad aria o a liquido. Ciononostante, l’elevata quantità di energia elettrica necessaria per la tecnologia MEA (more-electric aircraft, aeromobile maggiormente elettrico) comporta una quantità più elevata di calore di scarto e di densità di calore. Con le tecniche di raffreddamento consolidate, questo maggiore carico termico origina temperature dei componenti elettronici elevate. Inoltre, la massa e il volume di un sistema di raffreddamento tradizionale diventano proibitivi.

Elettronica di potenza per aeromobili di nuova generazione con sistemi maggiormente elettrici

Il progetto TOPMOST, finanziato dall’UE, ha sviluppato un nuovo sistema di raffreddamento mediante pompaggio a due fasi. «Il sistema si avvale di una pompa per far circolare un fluido di raffreddamento, che successivamente scorre attraverso un evaporatore in cui il calore di scarto proveniente dal componente elettronico viene assorbito mentre il liquido evapora», spiega Henk Jan van Gerner, coordinatore del progetto. «Dato che il calore latente di evaporazione del fluido viene utilizzato, è necessario solo un limitato flusso di massa del fluido per raffreddare il componente elettronico, il che origina piccoli componenti e una massa ridotta». Il principale vantaggio del sistema a due fasi rispetto ai sistemi standard a una fase è che richiede un flusso di massa del fluido notevolmente minore per un determinato carico termico, consentendo dimensioni dei componenti e diametri delle tubazioni ridotti. Esso tende quindi ad essere più compatto e meno pesante delle sue controparti a una fase. Inoltre, a causa dell’evaporazione e della condensazione, la temperatura della miscela di liquido e vapore è quasi la stessa per tutto il sistema, il che consente di offrire una temperatura uniforme sulla superficie del componente elettronico. I partner del progetto hanno concepito e costruito due dimostratori del sistema di raffreddamento mediante pompaggio a due fasi destinati a un unico componente elettronico. Li hanno collaudati rigorosamente e con successo per verificare se potessero sopravvivere in condizioni difficili, come quelle caratterizzate dalle vibrazioni e dalla nebbia salina incontrate dall’aeromobile.

Un metodo di produzione all’avanguardia permette prestazioni termiche eccellenti

Per ridurre la massa e il volume del sistema di raffreddamento, la maggior parte dei componenti sono stati fabbricati a partire da alluminio stampato in 3D. L’impiego di questa nuova tecnica di produzione ha consentito al sistema di ottenere il livello più basso mai raggiunto finora per quanto riguarda la massa (2,5 kg) e dimensioni ridotte, ovvero un volume il 42 % inferiore rispetto a quanto richiesto. Il sistema è in grado di raffreddare 2 400 W di calore di scarto (il doppio di quanto richiesto), mentre la differenza di temperatura tra i diversi punti caldi del componente elettronico è al di sotto dei 2 °C. L’alluminio è considerato un materiale nuovo per la stampa 3D e i problemi incontrati e le lezioni apprese nella stampa di questo metallo nel corso del progetto contribuiranno notevolmente alle conoscenze in materia di stampa 3D. Grazie a TOPMOST, le competenze tecniche appena scoperte andranno a beneficio dei progetti futuri. Ad esempio, il progetto IMPACTA, attualmente in corso, si sta basando proprio su questi risultati per sviluppare un sistema di raffreddamento mediante pompaggio a due fasi destinato alle antenne attive dei satelliti di comunicazione. Secondo van Gerner, anche il team di TOPMOST ha in programma di sfruttare le scoperte sviluppando un sistema in grado di raffreddare più centraline. «Le centraline possono essere rese molto più compatte grazie a un’elettronica più potente». «Il sistema di raffreddamento mediante pompaggio a due fasi relativamente piccolo di TOPMOST consente l’utilizzo di un’elettronica più potente e compatta all’interno degli aeromobili», conclude van Gerner. «Ciò renderà possibile lo sviluppo della tecnologia MEA, il che tradurrà in realtà velivoli che generano minori emissioni di CO2 nel futuro».

Parole chiave

TOPMOST, raffreddamento, componente elettronico, aeromobile, sistema di raffreddamento mediante pompaggio a due fasi, calore di scarto, MEA, carico termico, stampa 3D

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