DEVELOPMENTS IN THERMAL MANAGEMENT FOR ELECTRONIC DEVICES IN AEROSPACE APPLICATIONS

Nel corso degli ultimi anni l’industria dell’elettronica ha dovuto affrontare il problema della dissipazione di elevati flussi termici specifici, aumentati in seguito ai processi di miniaturizzazione che interessano tutti i dispositivi elettronici, in modo da contenere la temperatura dei chip entro limiti che ne garantiscano l’integrità e l’affidabilità. Tale problema ha pertanto riguardato anche l’industria aeronautica, che fino a questo momento ha privilegiato sistemi di raffreddamento ad aria, attualmente non più in grado di rispondere alle esigenze non solo dell’avionica, ma anche dell’elettronica di potenza. In fatti, se l’avionica impone dei maggiori flussi termici specifici, l’elettronica di potenza, vale a dire il complesso dei sistemi di conversione e distribuzione della potenza elettrica, impone flussi termici complessivi maggiori rispetto a quelli tradizionali, in conseguenza dell’attuale ricerca di un maggior impiego di componenti elettici in sostituzione di quelli idraulici o pneumatici, con conseguente incremento di potenza elettrica generata e trasformata nel velivolo. Il presente lavoro propone una sintesi delle tecniche di raffreddamento di possibile impiego per componenti elettronici ad alto flusso termico specifico, e che permettono inoltre di ottenere un sistema più compatto, in linea con le esigenze del settore. Particolare rilievo viene dato allo scambiatore di tipo cold plate, per la sua versatilità, il suo costo contenuto, e la capacità di raffreddamento che può essere conseguita con l’uso di tale sistema. In particolare, il tipo di cold plate considerato è a mini o micro canali, disposti e alimentati in parallelo, pertanto di realizzazione piuttosto semplice, e che sono utilizzati sia in sistemi ad anello liquido sia come evaporatori in cicli frigoriferi miniaturizzati. Per consentire una corretta e approfondita valutazione delle prestazioni di questa tipologia di scambiatori, è stato realizzato un modello di simulazione numerica, dettagliatamente descritto nel presente lavoro, che non trascura la conduzione termica lungo le pareti metalliche dello scambiatore, a differenza di quanto accade per i modelli tradizionali, e che pertanto permette di analizzare il profilo di temperatura che si realizza alla base dello scambiatore, vale a dire lungo la superficie di contatto con il componente elettronico. Grazie a questo modello è possibile inoltre eseguire un corretto dimensionamento in considerazione sia dei flussi termici imposti, sia del fluido da utilizzare. Infatti, il presente lavoro propone una vasta rassegna di fluidi, tra cui soluzioni saline, idrocarburi e miscele di composti aromatici (PAO) e composti fluorurati, sia monofase che bifase, presi in esame per il raffreddamento di elettronica, e le cui principali proprietà sono state ricavate dalla letteratura scientifica o da comunicazioni private con i produttori. Tra i vari fluidi considerati, è parso importante concentrare l’attenzione su di un nuovo fluido frigorigeno, R1234yf, in quanto candidato a sostituire R134a nelle applicazioni di condizionamento dell’aria nell’industria automobilistica. Poiché i recenti sviluppi dell’industria aeronautica prevedono l’impiego di cicli frigoriferi a bordo dei nuovi velivoli, utilizzati per il sistema di condizionamento ma potenzialmente anche per elettronica, si è ritenuto opportuno presentare i risultati di laboratorio conseguiti durante un’intensa campagna di prove condotte per valutare le prestazioni di un impianto di condizionamento, in cui è stato impiegato sia R134a sia R1234yf. In appendice sono riportati infine i risultati conseguiti nello studio di sistemi ad anidride carbonica, fluido tuttora ritenuto potenziale sostituto di refrigeranti tradizionali. In particolare si riportano i risultati conseguiti in due distinte campagne di prove: nella prima è stato esaminato l’effetto della conduzione termica lungo le alette di uno scambiatore ad aria, mentre nella seconda è stato valutato il comportamento di un capillare utilizzato come organo di laminazione.