Two-Phase Power Electronics Cooling Solution Design in Air Context Answering to the Objectives of the Hybrid Aircraft 2035 - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2020

Two-Phase Power Electronics Cooling Solution Design in Air Context Answering to the Objectives of the Hybrid Aircraft 2035

Conception de solutions de refroidissement par voie diphasique d'électronique de puissance en contexte aérien répondant aux objectifs de l'avion hybride 2035

(1)
1
Flavio Accorinti
  • Function : Author

Abstract

Technological innovation and reduction of the energy required for propulsion is necessary to reduce aircrafts environmental impact. The present work is part of the research project Clean Sky 2 – HASTECS, which purpose is the development of a hybrid propulsion aircraft. The high powers involved make classical cooling solutions obsolete, in terms of efficiency, and not suitable for the power to mass ratio required for the target 2035. In particular, the problem related to power electronics cooling is assessed in this work with the purpose to achieve a performance coefficient of 25 kW/kg.This work, essentially numerical, is linked to the research, design, optimisation and analysis of a high efficiency cooling system, able to control power electronics components temperature, operating in pretty severe conditions (high thermal power density, >15kW; cyclic variation of cold source temperature and severe transient phases) and which has to be lightweight to ensure performance coefficient requirements. Different cooling technologies, active single and two-phase and passive capillary driven, have been analysed and compared on the basis of literature data and of a first approximation design: the most adapted solution has been chosen on the base of its specific power [kW/kg]. The solution that has been finally retained is a Capillary Pumped Loop for Integrated Power (CPLIP), which thermal characteristics are quite interesting and unique. After its design, the loop has been optimised to answer to objectives of 2025 and 2035. It is worth of attention the work carried out in collaboration with power electronics team of the same project to achieve a mutual optimisation of the systems. Concerning the thermal side, the attention was focused on the condenser, the heaviest component in the loop. The 2025’s solution is characterised by a classical flat plate air-methanol condenser which allowed to cross over the threshold of 15kW/kg for 2025. 2035’s solution, on the contrary, is characterised by an innovative condenser typology, using microchannels on methanol side and louvered fins on air side, allowing to obtain more than double of the power coefficient required! In this work, thermal and hydraulic characteristics of the CPLIP have been experimentally analysed, using a prototype deriving from previous studies, and by using CFD and a 0D model. Results show the ability of the CPLIP to control the temperature of power electronics modules during a short and medium-range aircraft mission profile, characterised by sudden changes of thermal load and cyclic variations of the cold source temperature.Finally, a study focused on the transient behaviour of the loop has been carried out. In particular, the start-up of the CPLIP and its behaviour during sudden and violent acceleration stages, characterising this application filed, have been exploited. In the first case, an experimental and a numerical study were carried out to demonstrate the ability of the loop to starts its operation in the most difficult thermal and environmental conditions (high thermal load and high environmental temperature). In the second case, a numerical study has been performed to understand the behaviour of the loop when an acceleration field up to 10g perturbs its operations.This work opens new interesting perspectives stand points concerning the application itself and the necessity to adopt a multidisciplinary approach to simultaneously thermally and electronically design new generation power electronics.
Le monde aérien est lui aussi destiné à réduire drastiquement son empreinte environnementale. Cela passe pour partie par l’innovation technologique et la réduction de l’énergie nécessaire à la propulsion. Dans cet objectif, les travaux relatés dans ce mémoire s’inscrivent dans un projet de recherche (Clean Sky 2-HASTECS) visant le développement de propulsion hybride mettant à profit les performances d’une chaîne électrique. Les puissances mises en jeu requièrent de revisiter les solutions de refroidissement pour atteindre les spécifications de puissance massique envisagées à l’horizon 2035. Nous nous intéressons ici à la gestion thermique de l’électronique de puissance qui vise une puissance massique de 25kW/kg à cet horizon.Le travail effectué, essentiellement numérique, est lié à la recherche, au dimensionnement, à l’optimisation, et à l’analyse d’une technologie de refroidissement efficace, caractérisée par une faible masse et capable de contrôler la température des composants électroniques dans les conditions opératoires les plus drastiques. Différentes technologies de refroidissement, actives mono et diphasiques et passives, à pompage capillaire, ont été analysées et comparées sur la base de données disponibles dans la littérature et d’un dimensionnement de première approximation : la solution la plus adaptée a été choisie en utilisant comme critère sa masse spécifique. La solution finalement retenue et présentant le meilleur indice de masse spécifique global est une boucle diphasique CPLIP (Capillary Pumped Loop for Integrated Power), par ailleurs pourvues des caractéristiques thermiques et hydrauliques uniques. Après son dimensionnement, la CPLIP a été optimisée pour répondre aux objectifs à deux horizons successifs, 2025 et 2035 (mentionnons un travail itératif avec les chercheurs responsables du développement de l’électronique permettant une optimisation mutuelle). L’attention a été en particulier concentrée sur le condenseur, le composant le plus lourd de la boucle. La solution 2025 est caractérisée par un condenseur classique air-méthanol, et a démontré sa capacité d’aller au-delà du seuil de 15 kW/kg demandé. La solution 2035, caractérisée par un concept de condenseur innovant : à micro-canaux et à ailettes à persiennes, a permis d’obtenir, après ce travail de co-dimensionnement thermique-électronique, des valeurs de puissance spécifique doubles par rapport à l’objectif 2035. Dans cette thèse, les caractéristiques hydrauliques et thermiques de la boucle CPLIP ont été analysées expérimentalement sur un prototype issu d’études antérieures, et numériquement à l’aide d’un modèle CFD ainsi qu’à l’aide d’un modèle 0D innovant. Les résultats démontrent l’aptitude de la CPLIP à gérer thermiquement l’électronique de puissance pour des cycles de mission d’un avion court ou moyen-courrier, caractérisés par des changements brutaux de puissance thermique, tout en assurant le contrôle de la température des modules électroniques.Enfin, une étude a été conduite portant sur le comportement transitoire de la boucle, en particulier lors des démarrages sévères à très hautes puissances, ainsi que pendant des cycles d’accélérations sévères qui caractérisent ce champ d’application. Dans le premier cas, une étude expérimentale et numérique a été menée pour démontrer la capacité de la boucle à démarrer dans les conditions thermiques et environnementales les plus difficiles (haute puissance de démarrage et haute température environnementale). Dans le deuxième cas, une étude numérique a été utilisée pour comprendre quel est le comportement de la boucle quand des champs d’accélérations, jusqu’à 10g, perturbent ses conditions opératoires. Ce travail ouvre des perspectives très intéressantes tant du point de vue de l’application que vis-à-vis de la nécessité aujourd’hui d’adopter des approches de recherche couplées pour dimensionner simultanément thermiquement et électriquement l’électronique de puissance.
Fichier principal
Vignette du fichier
2020ESMA0005_accorinti.pdf (10.51 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)
Loading...

Dates and versions

tel-02993195 , version 1 (06-11-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02993195 , version 1

Cite

Flavio Accorinti. Two-Phase Power Electronics Cooling Solution Design in Air Context Answering to the Objectives of the Hybrid Aircraft 2035. Other. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2020. English. ⟨NNT : 2020ESMA0005⟩. ⟨tel-02993195⟩
421 View
477 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More