Untersuchung eines PCM-Verdampfer-Verbundes für eine Naturumlaufkühlung von Flugzeugsystemen

摘要

Im Bereich der zivilen Luftfahrt ist gegenwärtig die Entwicklung eines zunehmenden Anteils elektrischer Verbraucher in der bordinternen Energieversorgung von Flugzeugen zu beobachten. Die damit fortschreitende Reduzierung auf nur eine vom Triebwerk gespeiste Energiequelle hat ein effektiveres Gesamtsystem zum Ziel, wodurch sich schließlich eine Verminderung von Gewicht, Kosten sowie Umweltbelastungen erreichen lässt. Neben der Anpassung des Triebwerks und weiterer mechanischer, pneumatischer und hydraulischer Komponenten nimmt der Einsatz von Leistungselektronik zur Umwandlung und Regelung der elektrischen Energie hierbei eine Schlüsselrolle zur erfolgreichen Umsetzung ein. Die steigende Anzahl und Leistungsdichte der Module macht gleichermaßen eine Weiterentwicklung der Kühlsysteme erforderlich, was sich in zahlreichen Forschungsprojekten widerspiegelt. Auch hier kommt der Gewichtseinsparung eine zentrale Bedeutung zu. Für den Flugzeugbau unkonventionelle Technologien rücken dabei zunehmend in den Vordergrund, um die steigenden Anforderungen an die Kühlung zu erfüllen. Im Rahmen des Projektes NAKULEK wird der kombinierte Einsatz zweier vielversprechender Technologien zur Kühlung von Leistungselektronik im Flugzeug untersucht. An Stelle eines konventionellen Kühl- oder Kältekreislaufs soll hierbei ein Naturumlaufsystem zum Einsatz kommen, bei dem das Fluid nur durch die auftretenden Dichteunterschiede zirkuliert und eine zusätzliche Pumpe entfällt. Insbesondere im zweiphasigen Betrieb kann so eine effiziente Kühlung bei niedriger Gesamtmasse erzielt werden. Die grundsätzliche Eignung solcher Systeme für die Luftfahrt konnte bereits nachgewiesen werden. Ergänzend werden Phase Change Materials (PCM) als Latentwärmespeicher eingesetzt, welche die Aufnahme hoher Energiemengen bei geringen Temperaturdifferenzen erlauben. In Kombination mit einer Naturumlaufkühlung ergeben sich Vorteile beim Auftreten dynamischer Lasten oder kurzzeitig reduzierter Kältemittelmassenströme. Am Institut wurde ein Teststand zur experimentellen Untersuchung eines solchen Systems errichtet. Zum Einsatz kommt hierbei das Niedrig-GWP-Kältemittel R1233zd. Zusätzlich werden Simulationsmodelle zur Abbildung eines PCM-Verdampfer-Verbundes als zentrales Bauteil erstellt.