I ricercatori finanziati dall’UE hanno proposto soluzioni di raffreddamento termoelettrico attivo per aumentare l’affidabilità dell’elettronica negli aerei e ridurre il loro consumo energetico complessivo.
Un raffreddatore termoelettrico ben progettato guida il calore da una superficie fredda a una calda, mantenendo un dispositivo elettronico alla propria temperatura di sicurezza. Negli ultimi anni, il controllo della modulazione della larghezza di impulso (pulse-width-modulation, PWM) relativa alla corrente di alimentazione è stato utilizzato per migliorare le prestazioni di questi sistemi.
Con il progetto THERMICOOL (Thermoelectric cooling using innovative multistage active control modules), finanziato dall’UE, i ricercatori hanno lavorato sul miglioramento della maturità della tecnologia per applicazioni aeronautiche. L’obiettivo era quello di portare la gestione termica a un livello 5 di maturità tecnologica.
Innanzitutto, sono stati studiati i materiali e i concetti di raffreddamento, nonché i sistemi commerciali. L’uso di tellururo di bismuto-antimonio (BiSbTe) è stato il più adatto per migliorare le prestazioni di raffreddamento termoelettrico, mantenendo la temperatura del lato più freddo tra i 90 e 95 °C e nel lato caldo fino a 160 °C.
Il team del progetto THERMICOOL ha quindi sviluppato un modello computazionale per un modulo a base di BiSbTe il quale è stato analizzato in diversi scenari di flusso termico. L’apparecchiatura elettronica con dimensioni simili ai sistemi commerciali era composta da un nucleo di alimentazione e schede elettroniche per il monitoraggio e il controllo.
Infine, è stata effettuata un’estesa serie di test di valutazione in laboratorio. L’apparato sperimentale ha compreso una camera termica, un sistema di riscaldamento dell’aria, alimentatori, rilevatori per la misurazione di flusso termico e temperatura, e un pannello di controllo per monitorare la configurazione operativa.
L’apparato sperimentale ha inoltre offerto un controllo PWM attivo. Nello specifico, un convertitore cc-cc ha generato impulsi di corrente appropriati per alimentare il modulo di raffreddamento termoelettrico. A tale scopo, sono stati realizzati diversi schemi di commutazione dell’alimentazione.
Gli esperimenti hanno dimostrato che i cicli di controllo del progetto THERMICOOL sono essenziali per garantire la gestione termica multistadio, in condizioni aeronautiche difficili. In aggiunta, il raffreddamento termoelettrico deve essere attivo anche a temperature moderate. Altrimenti, il raffreddamento sarebbe limitato nel caso di un rapido aumento della temperatura.
Sebbene i risultati sperimentali siano stati generalmente in accordo con le previsioni fornite dalle simulazioni, sono state rilevate anche notevoli differenze. Queste deviazioni sono giustificate dalla natura sperimentale del progetto, e di conseguenza, alcune caratteristiche del sistema non sono state riprodotte attraverso le simulazioni.
Grazie al progetto, sono stati mossi i primi importanti passi verso un raffreddamento termoelettrico multi-stadio, il quale necessita di ulteriore ricerca e sviluppo al fine di soddisfare i requisiti del settore aerospaziale.
