Analyse thermique d’un cœur électrique – effet Joule

Le cœur électrique d’un appareil permet de répartir l’énergie électrique dans les différents équipements de l’appareil. Cette terminologie est notamment employée dans le secteur de l’aérospatiale.

Le présent cœur électrique est soumis à une différence de potentiel entre deux de ses bornes. Le but de l’analyse proposée ici est de déterminer la température qui s’équilibre sur les différents composants traversés par le courant électrique sous l’effet Joule à l’aide de l’outil de simulation numérique en mécanique des fluides et thermique (CFD Computational Fluid Dynamics). Un couplage thermo-électricité est résolu. D’autres composants sont siège d’une dissipation thermique.

Le refroidissement est assuré par convection naturelle mais aussi et surtout par rayonnement. En effet, ce type d’appareil doit pouvoir fonctionner sous atmosphère raréfiée, induisant une convection moindre. Le rayonnement devient alors l’échange thermique principal qui assurera la régulation thermique.

Conditions aux limites et modèles physiques

• Une puissance thermique (puissance volumique en W/m³) est imposée sur les composants concernés.
• Une différence de potentiel continue est imposée entre deux bornes. Le flux de courant ainsi que l’effet joule sont résolus.
• Le cœur électrique est situé dans un air ambiant à 20°C et à pression atmosphérique
• Les échanges thermiques entre l’air et les différents composants se font par convection naturelle. La dilatation de l’air et la force gravitationnelle terrestre sont pris en compte dans la modélisation CFD Computational Fluid Dynamics.
• L’échange thermique par rayonnement est pris en compte.

Résultats

La sollicitation du cœur électrique est une différence de potentiel. Le niveau de potentiel ainsi que la densité de courant sont observable surtout le circuit concerné. La température dans les « busbars » (canalisations électriques en aluminium ou en cuivre) reste à un niveau acceptable. Le fusible montre un niveau de température important. Il doit en effet « fondre » avant la dégradation des éléments qu’il protège. L’article Effets thermomécaniques sur un fusible présente une étude qui lui est consacrée.

Mécanismes du refroidissement

Les trois modes de transfert thermique sont modélisés dans la simulation CFD Computational Fluid Dynamics pour permettre le refroidissement des éléments chauffants.

• Conduction : La conductivité thermique des « busbars » assure une dispersion de la chaleur sur une plus grande surface exposée à la convection et au rayonnement
• Convection : Au contact des pièces chaudes, l’air se dilate et monte. Les ouvertures en partie inférieur et supérieur sur le cœur électrique créent un renouvellement d’air frais.
• Rayonnement : Chacun des composants de l’appareil rayonne sur les autres composants dans toutes les directions et reçoit le rayonnement des autres composants. Cet échange se traduit par un flux net qui s’équilibre entre les deux éléments de surface en vis à vis. Son intensité dépend de l’émissivité de la surface du composant mais aussi et surtout de sa température. Dans la situation évoquée plus haut d’une atmosphère raréfiée et/ou d’une absence de champs gravitationnel, ce mode de transfert thermique devient le phénomène prépondérant.