Modelling of heat transfer components : Application to optimization of power electronics systems

Avec le remplacement des réseaux hydrauliques et pneumatiques à bord des aéronefs par des réseaux électriques, le nombre d'équipements embarqués pour assurer un bon fonctionnement augmentera. Le passage à un avion entièrement électrique permettrait de réduire les couts de production et fonctionnement, assurerait une meilleure fiabilité des systèmes, et réduirait l'impact écologique de la circulation d'un tel appareil. En effet, un tel avion serait plus léger qu'un avion actuel. Pour s'assurer de cela, il est nécessaire de réduire la masse des équipements embarqués servant à la gestion, la mise en forme, la distribution d'énergie électrique. Le dimensionnement et l'optimisation de la masse des équipements embarqués est donc une problématique fondamentale dans le développement de l'avion plus électrique. Cette masse est majoritairement fixée par les systèmes de refroidissement lorsque l'on considère des systèmes de conversion d'énergie. Parmi l'ensemble des systèmes de refroidissement disponibles et dédiés au refroidissement des convertisseurs statiques, deux grandes technologies ont été sélectionnées, dans l'objectif d'en produire des modèles dédiés à des routines d'optimisation. Les dissipateurs à ailettes droites en convection forcée, ainsi que les systèmes associant dissipateurs à ailettes et caloducs seront modélisés au cours de ces travaux de thèse. Des modèles analytiques de ces systèmes de refroidissement seront proposés, dans l'optique de pouvoir optimiser au mieux leur masse tout en assurant un bon fonctionnement thermique. Même si de nombreuses méthodes de dimensionnement et d'optimisation dédiées aux systèmes de refroidissement existent, notre choix de modélisation s'est porté sur une représentation analytique. En effet, ce type de modélisation est déduit d'une résolution exacte de l'équation de la chaleur pour représenter des configurations géométriques et thermiques simples. Les configurations sélectionnées correspondent à des configurations simples à modéliser analytiquement. L'avantage de tels modèles réside dans le fait que le comportement thermique de systèmes de refroidissement, i.e de la température de la source de chaleur à l'ambiant, est une fonction des paramètres géométriques, des matériaux et des conditions environnementales des systèmes de refroidissement. Ce sont donc des modèles très rapides d'exécution qui donnent une solution exacte du comportement thermique des dissipateurs modélisés. Ils présentent donc un réel intérêt dans l'optique d'optimiser la masse de ces systèmes.The replacement of hydraulic and pneumatic network embedded in aircraft by electrical network will increase the number of embedded systems to ensure the effective functioning of the aircraft. The development of an electrical aircraft will allow the reduction of production and functioning costs. It will also help ensure a better reliability of systems and will reduce the ecological impact of the aircraft circulation. This kind of plane would be lighter than a usual one. To be sure of this, it is necessary to reduce weight of embedded equipment's dedicated to management, conversion and distribution of electrical energy. The sizing and the optimization of embedded equipment's weight is a critical issue in the development of more electrical aircraft. This weight is mostly defined by heat transfer systems, when we consider the sizing of energy conversion system A lot of heat transfer system exists and are dedicated to the cooling of power converters. We selected two of these heat transfer system, in order to produce models of them. These models will be used in optimization routines. Plate fin heat sink in forced convection, and system assembly, combining heat pipe and plate fin heat sink, will be modelled during this thesis. Analytical models of these heat transfer systems will be developed, to optimize their weight and ensure a good cooling of electrical systems. Even if lots of dimensioning and optimization methods exists, dedicated to heat transfer systems, we choose to use analytical modelling. This kind of models gives an exact solution to the heat equation, to describe simple geometric and thermic configurations. Selected heat transfer systems can be simply described. The main advantage of these models is that it represents the thermal behavior of the system as a function of its geometrical parameters, materials and environmental conditions. Execution of these models is very fast and gives a precise solution of the thermal parameters of the described configuration. There is then a real interest to use this type of models to optimize weight of heat transfer systems, and then power converter