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

Résumé :

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.