Contexte aéronautique

électrique sont plus aisées, car cette dernière est plus facilement maîtrisable que l’énergie hydraulique ou pneumatique. De plus, les progrès en électronique de puissance permettent des conversions électriques très fiables et performantes. Les actionneurs électriques actuels associés à leur électronique de puissance offrent une grande souplesse de contrôle (Inverseur de poussée sur A380, ...).

Outre la simplification de mise en oeuvre obtenue par des systèmes électriques, l’ob-jectif principal reste la réduction de la masse globale d’un avion dans le cadre d’une optimisation énergétique permettant de réduire l’impact environnemental du transport aérien.

1.2 Electronique de puissance

Comme il a été mentionné précédemment, l’électronique de puissance joue un rôle im-portant dans l’électrification des avions. Il s’agit d’un domaine technologique relativement récent (moins de 50 ans) qui permet de répondre au besoin croissant de conversion des signaux électriques.

Les amplificateurs analogiques effectuent un contrôle continu du transfert de la puis-sance en adaptant la résistance à la valeur correspondant à la consigne sur la totalité du temps de fonctionnement. Au contraire, dans un convertisseur à découpage (temporel), la puissance est transférée par l’intermédiaire d’interrupteurs qui passent d’un état passant à un état bloqué. Ainsi, s’appuyant sur le concept d’interrupteur parfait fermé (tension aux bornes nulle) ou ouvert (courant traversant nul), les pertes engendrées sont quasi nulles (aux imperfections des composants près). En association avec des éléments réactifs, il est ainsi possible de réaliser une conversion de tension ou de courant en conservant l’énergie. Une application très couramment utilisée est le module de puissance, constitué d’un certain nombre de convertisseurs (en général trois ou quatre) à découpage défini comme précédemment. La figure I.2 montre la structure d’un tel module.

Puce

DBC Brasure

semelle

Figure I.2 – Structure d’un module de puissance

Même si ces composants ont des rendements élevés, les puissances électriques mises en jeu étant tellement importantes (jusqu’à 40 kVA) et les dimensions diminuant sans cesse, une gestion thermique s’avère indispensable pour répondre à cette augmentation de densité de puissance. Bien que, jusqu’à présent, les solutions traditionnelles (conduction thermique et convection) de refroidissement permettaient d’évacuer la chaleur localement, il apparaît nécessaire de pouvoir transférer l’énergie calorifique générée par l’électronique vers des sources froides plus efficaces.

Les boucles fluidiques apparaissent donc naturellement comme solution pour répondre à cet objectif. On en distingue trois catégories :

– les boucles fluides monophasiques (liquide) à pompage mécanique ; – les boucles fluides diphasiques à pompage mécanique ;

– les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire.

A l’instar du domaine spatial, qui a été confronté à cette problématique trente ans auparavant, le transport aérien s’oriente donc vers les boucles diphasiques, objet de ces travaux de thèse. Comme le montre la figure I.3, les boucles fluides monophasiques té-moignent d’une meilleure capacité de transport. Toutefois, contrairement aux boucles diphasiques qui peuvent fonctionner une vingtaine d’années sans intervention humaine (en réponse aux contraintes spatiales), les boucles fluides monophasiques, en raison de leur pompe mécanique, posent le problème de la fiabilité (et éventuellement de la masse et du volume).

Figure I.3 – Evolution des performances de différentes technologies

1.3 Contraintes environnementales

L’utilisation croissance de l’énergie électrique et donc de l’électronique de puissance a conduit au développement de nouvelles architectures dans lesquelles les convertisseurs et les capteurs sont distribués dans la structure même de l’avion au plus près des réacteurs et des trains d’atterrissage (cf. figure I.4). Dans ces zones, les conditions environnementales sont très sévères. L’électronique qui y est installée et donc le système de refroidissement associé doivent être capable de fonctionner durablement et de manière fiable dans cet environnement.

1.3.1 Température ambiante

Les avions étant amenés à parcourir la totalité du globe, la température ambiante peut varier de -55 °C (jour froid en Sibérie par exemple ou en altitude de croisière) à 90 °C (jour chaud à Mexico sur le tarmac). Que ce soit à proximité du réacteur ou du train

I.1 Contexte aéronautique

Figure I.4 – Concept d’un avion plus électrique [Tou07]

d’atterrissage, les composants ne se trouvent pas dans une zone pressurisée ou climatisée. Par conséquent, l’ambiance étant à terme, la seule source froide, sa température est un paramètre déterminant dans le choix de la technologie et le dimensionnement du système de refroidissement. Ce dernier doit, en effet, permettre de maintenir la température de l’équipement refroidi en dessous de sa température maximale recommandée quelle que soit la température ambiante.

De plus, ces variations de température ambiante posent un problème de fiabilité que le composant fonctionne ou non. En effet, la dilatation thermique associée est responsable d’un délaminage du module de puissance : une détérioration des soudures est observable au niveau des extrémités de chaque couche (cf. figure I.2).

1.3.2 Vibrations

Les équipements visés dans ces travaux sont situés en environnement sévère. Bien que des systèmes d’amortissement soient prévus, l’électronique, et par conséquent le système de refroidissement associé, sont soumis à des vibrations hautes fréquences (jusqu’à 2000 Hz). Concernant les boucles diphasiques, deux problématiques en résultent.

Dans un premier temps, reposant sur la circulation et le changement de phase d’un corps pur, le circuit doit être hermétique. Cependant, de nombreux raccords sont néces-saires pour lier tous les éléments constitutifs de la boucle. Chacun d’eux constitue une faiblesse, amplifiée par les phénomènes vibratoires, sur le plan de l’étanchéité. Des travaux sont donc à mener pour déterminer le type de raccord adapté et le travail à effectuer sur les conduites pour qu’elles amortissent la contrainte vibratoire initiale (enroulement sur elles-mêmes par exemples).

Ensuite, les vibrations peuvent avoir un effet sur le fonctionnement même de la boucle diphasique à pompage thermocapillaire. En effet la circulation du fluide résulte de la différence de pression générée au niveau des menisques présents dans la structure poreuse

au niveau de l’interface liquide-vapeur. Ces ménisques peuvent donc être influencés par des vibrations. Peu de travaux traitant de ce problème sont menés. Il s’agit cependant d’un passage indispensable pour envisager d’avionner une boucle diphasique.

1.3.3 Autres contraintes environnementales

Les contraintes abordées précédemment ont trait au fonctionnement même de l’équi-pement. Cependant, un paramètre important dans la démarche de qualification, est l’as-surance d’une durée de vie suffisante. Si les boucles diphasiques ont une espérance de vie de 20 ans sans intervention humaine en environnement spatial, qu’en est-il en contexte aéronautique, et plus particulièrement en environnement sévère ?

Des tests doivent donc être menés pour déterminer la résistance de la boucle à la corrosion due aux brouillards salins, aux champignons, à d’éventuels chocs (objets venant percuter l’équipement, ...) et surtout aux fortes accélérations.

De plus, des interventions de maintenance devant être réalisées, il ne faut pas que l’équipement soit dangereux pour l’intervenant. En ce qui concerne les boucles dipha-siques à pompage thermocapillaire, la composante susceptible d’être la plus nocive est le fluide caloporteur. En effet, les fluides les plus efficaces, parmi lesquels on peut compter l’ammoniac, le méthanol, le N-pentane et l’éthanol, sont néfastes pour la santé et l’en-vironnement. Des recherches doivent donc être menées pour déterminer le fluide capable d’assurer les performances demandées tout en respectant ces contraintes sanitaire et en-vironnementale.

Ces aspects ne seront pas abordés dans ces travaux de thèse qui se concentrent plus particulièrement sur les performances propres des boucles diphasiques à pompage ther-mocapillaire dont une présentation générale est effectuée ci-dessous.

2 Généralités sur les boucles diphasiques à pompage

thermocapillaire

Comme le montre la figure I.3, les boucles diphasiques à pompage capillaire couvrent une large gamme de capacités de transport et ce, sur une grande plage de température d’utilisation : de la cryogénie au domaine des hautes températures suivant les matériaux et les fluides utilisés. A l’instar des caloducs, leurs « ancêtres », leur principe de fonction-nement repose sur le changement de phase liquide-vapeur d’un corps pur pour les aspects de transfert de chaleur et sur les forces de pression capillaire en ce qui concerne la mise en mouvement du fluide. En effet, comme il a été signalé auparavant, ces systèmes sont dits « passifs », ce qui signifie qu’il n’y a pas de pompage mécanique comme dans les boucles fluides traditionnelles. Ces deux phénomènes physiques seront détaillés dans la section 3.