Thèse 2 Hastecs thermique électronique

CONCEPTION DE SOLUTIONS DE REFROIDISSEMENT PAR VOIE DIPHASIQUE D’ELECTRONIQUE DE
PUISSANCE EN CONTEXTE AERIEN REPONDANT AUX OBJECTIFS DE L’AVION HYBRIDE 2035.
Un programme de recherche et développement nommé HASTECS (Hybrid Aircraft: Academic
research on thermal & Electric Components & Systems) s’engage fin 2016, associant plusieurs
équipes des laboratoires Toulousain (LAPLACE) et Poitevin (Institut P’). Les objectifs majeurs sont liés
au développement de concepts avancés et de nouvelles technologies pour la propulsion hybride de
l’avion à l’horizon 2035. Ils visent la propulsion électrique et des approches de dimensionnement
intégrées des principaux éléments de la chaine électrique et du refroidissement associé.
Les travaux envisagés concernent la modélisation des composants et des phénomènes
abrités et les outils de dimensionnement de ces composants et systèmes en vision intégrée afin
d’aider à terme les constructeurs dans les choix et développements d’architecture de ces systèmes
électriques, intégrant machine électrique, électronique de puissance, câbles et décharges partielles
et refroidissement innovant dans un contexte de haute puissance, haute tension et hauts flux et
densités de flux de chaleur mis en jeu. Ceci intégrant les contraintes environnementales propres à
l’avion (température et pression externes, humidité, vitesse d’air, scénario de vol…).
Deux thèses concernant le volet THERMIQUE sont proposées, l’une associée à la machine
électrique et son refroidissement en environnement nacelle, l’autre liée au contrôle et à la gestion
thermique de l’électronique de puissance en environnement fuselage.
Considérant les très hautes densités de flux de chaleur rencontrées aussi bien coté machine
électrique que coté électronique, des solutions basées sur les systèmes à changement de phase L/V
tels que les caloducs et boucles diphasiques mécanique et/ou capillaire seront envisagées. Ces
systèmes sont bien maitrisés au laboratoire P’. Les matériaux à changement de phase S/L seront
appréhendés également pour augmenter l'inertie globale du système (et l'adapter aux différentes
phases du vol). Ainsi, des réseaux de caloducs, boucles diphasiques, échangeurs à condensation
devront finalement être investigués pour permettre un transfert de chaleur performant, en
intégrant, le matériau à changement de phase pour lisser le rejet de l'énergie, principalement au
cours du décollage, et d'optimiser ainsi les boucles de refroidissement étudiées. Toute l'architecture
de refroidissement étudiée vise à respecter finalement la contrainte environnementale élevée et à
moindre masse.
Tout d’abord un état de l’art des boucles de refroidissement avec ou sans changement de phase sera
effectué. Anticipant les résultats de ce volet et considérant l’expertise des partenaires, la technologie
de type boucle à changement de phase assurant simultanément performance thermique et
contraintes de masse sera privilégiée. L’objectif principal est de réussir à implémenter à terme
pareille technique dans le contexte avion en respectant l’ensemble de ses contraintes. Celles-ci
induisent de nécessaires originalités de conception, de développement et d’intégration de ces
boucles diphasiques. Les différentes attendues qui peuvent être fortement inter-corrélées sont
listées ci-dessous :
• Définition de l’architecture de la boucle de refroidissement
Celle-ci doit être définie en parfait interaction avec celle de l’équipement électrique à laquelle elle
est adossée. Il s’agit par exemple de définir:
- Le nombre de boucles indépendantes ;
-
Le nombre d’échangeurs (évaporateur et/ou condenseur) associés à cette boucle ou plus
sûrement à ce réseau de boucles.
La définition est liée à la distribution spatiale des sources de chaleur dépendante de la
conception de l’électronique qui sera elle tributaire de son comportement thermique.
Les contraintes environnementales (humidité, pression, vitesse,…) imposeront également des
contraintes quant à cette conception et intégration.
• Dimensionnement des composants de la boucle de refroidissement
La boucle envisagée dans une phase initiale est une boucle de type CPLIP, démonstrateur
expérimental existant (figure ci dessous). Une boucle à pompage mécanique ou hybride sera ensuite
éventuellement abordée compte tenu des très fortes charges thermiques et densités de flux de
chaleur à considérer. Différents arrangements, par exemple de multi-condenseurs, seront envisagés
avec finalement un objectif d’optimisation en masse des technologies développées.
Des développements de modélisation numérique seront donc nécessaires et constituent le principal
travail de thèse : modélisation orientée objets (Amesim,…) , Metamodels, modélisation nodale
constitueront les méthodologies à envisager pour finalement aboutir à la fois à une solution
technologique d’ambition élevée dans ce contexte et à un outil d’aide à la conception et au
dimensionnement de ces systèmes dans le contexte aérien contraint.
Partenariats et collaborations : Institut Pprime Poitiers, Laboratoire Laplace Toulouse et AIRBUS
Toulouse.
Lieu de travail : Poitiers et en très forte interaction avec Toulouse (laboratoire et industriel)
Statut : Ingénieur en préparation de doctorat - ISAE-ENSMA - CDD 3 ANS
Contacts : yves.bertin@ensma .fr (tel : 0549498123) ; [email protected]