DEVELOPMENTS IN THERMAL MANAGEMENT FOR ELECTRONIC DEVICES IN AEROSPACE APPLICATIONS

Recently, the electronic industry has had to face the issue of dissipation of high heat fluxes, as they have increased due to miniaturization of electronics devices, in order to keep chip junction temperature below a fixed value to guarantee reliability and to avoid damage. This issue has also involved the aeronautics industry, which has for the most part favored air cooling systems; however, they are no longer suitable to meet avionics requirements and thus of power electronics. In fact, as avionics demands higher heat fluxes, power electronics, that is the set of transformers, converters, rectifiers etc., demands higher heat flow rates compared with traditional systems, as a consequence of the current design propensity for substituting hydraulic and pneumatic devices with electric systems, with accompanying increases in generated and transformed electric power in aircraft. The present work proposes a review of cooling techniques which can be suitable to be employed in high flux electronic components, meeting the requirement for compact cooling systems. The study focuses on cold plate heat exchangers, in consideration of their versatility, moderate cost, and the cooling capacity which can be attained by using these types of systems. Particularly, mini and micro channel cold plates have been investigated, with parallel channel arrangement, which are easy to produce and cost effective, and which can be used both in liquid loops and in mini vapor compression systems, as evaporators. To allow a careful and proper performance evaluation of such cooling systems, a new simulation model has been developed, as described in detail in the present work, which does not neglect the thermal conduction on the heat exchanger walls (unlike common numerical codes), then allowing a complete evaluation of the temperature profile along the cold plate base, on the surface in contact with the electronic component. Furthermore, this numerical code allows one to properly design cold plates in consideration of both heat flux and the fluid employed. In fact, the present work proposes a review of a large number of fluids, including saline solutions, hydrocarbon and aromatics blends (PAO) and fluorine compounds, both single phase and two phase, which have been considered for electronics cooling purposes, and whose properties have been taken from the open scientific literature or private communications with the manufacturers. Among all the considered fluids, particular attention has been focused on a new low GWP refrigerant, the hydro flour olefin R1234yf, since it is proposed as a candidate to substitute R134a in air conditioning systems in the automotive industry. As the more recent developments in the aeronautics industry consider the use of vapor compression systems aboard new aircrafts, mainly for air conditioning purposes but potentially also for electronics, test results are proposed in the present work, relating to several laboratory tests carried out to evaluate air conditioning system performance both with R134a and R1234yf. Finally, the appendix reports laboratory test results for systems working with carbon dioxide, as it is still considered as a candidate substitute for traditional refrigerants. Two test campaign results are illustrated: in the first one, the thermal conduction effect along fins in a finned coil heat exchanger has been analyzed, and in the second one, capillary tube behavior has been assessed when used as a throttling device.

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.