電動化航空機のための熱管理システムの設計

航空業界がより電動化された航空機（MEA）を目指す傾向にあり、ハイブリッド電気推進システムのコンセプトを模索していることから、将来の航空機は、発電機、バッテリー、インバーター/コンバーターなど、搭載される電気部品の割合が増加することが予想されます。

航空機に新しい電気部品を設計し組み込むには、多くの厳しい設計要件と制約が付きまとい、ある設計側面を最大化すると、別の側面に悪影響を及ぼすことがよくあります。古典的な重量対性能の側面が思い浮かびます。あまり扱われていない課題として、電気系統の追加によって発生する廃熱への対処があります。この熱は、機内の機器を安全な動作温度範囲内に保つために、熱管理システムによって航空機から安全に排出する必要があります。

このブログでは、航空機の電動化を実現するための課題、航空機内の廃熱管理のアプローチ、システムモデリングとシミュレーションによって熱管理システムの設計をテストするチームの例についてご説明していきたいと思います。

今後の航空機の課題

これからの航空機は、航空機の電気システムと熱管理システム間の依存関係がさらに厳しくなることが予想されます。システムを分離して設計し、最後の段階ですべてを接続するという選択肢はありません。その代わり、設計プロセスは反復的なものであり、電気負荷の大きさや分布のわずかな調整も、熱管理システム設計の要件として反映されるべきであり、その逆もまた同様です。

課題は明確です。航空機は、追加されるすべての廃熱を効果的に排出し、従来の搭載機器の冷却や除氷もしつつ、パイロット、乗務員、乗客の快適性を確保する環境制御システムの調整など、他の機能を果たすための十分な装備を備えている必要があります。

重要な問題は、軽量、冗長性、エネルギー効率、安全性を維持しながら、これらすべての機能を実行するために、熱管理システムをどのように最適な方法で設計するかということです。

多くの工学的問題と同様、万能の解決策は存在しない。熱管理システムには、航空機のタイプや用途によって複雑さのレベルが異なる多くのアーキテクチャが存在します。

航空機熱管理システムの重要部品

すべての熱管理システムには、航空機から熱を排出するためのヒートシンクが必要です。

基本的に、末端のヒートシンクとして機能する選択肢は2つしかありません： 1) 大気、2) 燃料です。ほとんどの場合、これらの廃熱源を発生源から直接排出するのは現実的ではなく、十分なヒートシンクに到達させるためには物理的に大きな距離を輸送する必要があります。熱管理システムを構成する他のすべてのものは、熱源から末端のヒートシンクに熱を移動させることを主目的とする熱輸送システムと考えることができます。

これらの熱負荷を発生源からシンクに輸送する仕組みは、通常、液体冷却水回路や蒸気圧縮サイクルシステムとの組み合わせで構成されます。適切な熱管理システムアーキテクチャの選択は、単純なターボプロップ自家用機、大型民間ジェット機、軍用ジェット機、およびその推進力（ハイブリッド電気エンジンは、従来のガスタービンエンジンよりも電気機械やバッテリー部品が多くなる）など、設計中の航空機のタイプに大きく依存します。

ラムエア熱交換器または（航空機構造を介した）表面熱交換器が、周囲空気とのインターフェイスとして機能し、熱を周囲に排出します。燃料がヒートシンクとして使用される場合、液体・燃料熱交換器が組み込まれ、排熱源から燃料に廃熱を排出し、燃焼前の燃料予熱ステップとして機能します。大型航空機の多くは、多くの液体冷却ループをベーパーサイクルシステムやエアサイクルシステム（主に環境制御システム用）に連結して使用しています。

液体冷却回路は、航空機に渡って配置された複数の分岐に分かれることがあります。各分岐を介して冷却する流量と熱源の数は、システム質量を抑えつつ、冗長性と適切で許容可能な冷却液温度を確保するために、慎重に検討する必要があります。

より電動化された航空機を設計するためのアプローチとしてのシステムシミュレーション

エンジニアリングチームは、革新的なシステムを設計するために、物理的なシステムシミュレーションとモデリングツールを利用しています。Modelon Impactは、エンジニアがモデロンの検証された完全にパラメトリックなコンポーネントモデルを使用して、さまざまな航空機の熱管理システムアーキテクチャを構成することを可能にします。コンポーネントモデルの多くは、モデル内のパラメータを切り替えるだけで、オンデザイン（サイジング）またはオフデザイン（性能計算）のケースのいずれでもモデリングできます。これにより、ユーザーは同じモデルを使用して、設計流量に基づく冷却水分岐などのシステムの主要部分の寸法を決定し、異なる境界条件（熱負荷、周囲空気温度など）の下で性能（温度および圧力分布）を評価することができます。

モデロンの熱系のライブラリスイートは、複雑な熱管理システムの設計とモデリングのための十分な機能を備えています。熱系のライブラリは、液体液冷ライブラリ、蒸気サイクルライブラリ、熱交換器ライブラリ、およびエアサイクルシステム用の環境制御ライブラリがあります。これらのライブラリのモデルは、電気システム（電動化ライブラリ）や推進システム（ジェット推進ライブラリ）など、他の物理領域のシステムと簡単に結合することができます。

Modelon Impactにおける蒸気サイクル熱管理システムモデルのパラメータチューニング

上記のシステムモデルは、モデロン社とSAAB AB社との共同研究（Drego et. al, 2024）に基づいており、偵察型航空機に搭載される熱管理システムを表しています。この論文では動的シミュレーションに焦点を当てていますが、新たにサポートされたモデロンの定常解法機能は、異なる熱負荷の大きさとコンプレッサー速度にわたって設計スイープを実行することにより、提示されたシステムモデルで関心のあるパラメータを調整するためにも適用できます。設計上の制約は、液冷ループの最高温度が最大許容温度である45℃（または約318°K）を下回ることを保証することでした。下のサーフェスプロットは、熱負荷が20kW～60kW、コンプレッサー回転数が200Hz～500Hzの場合の出口温度を示しています。

これにより、エンジニアは、温度制約を満たすことができるシステムの最大冷却能力を簡単に決定し、許容される動作範囲内の熱負荷と外気条件に基づいてコンプレッサー速度を調整する制御信号を適用できます。すべてのコンポーネントのサイズを決定し、パラメータ化した後、同じモデルでダイナミックシミュレーションを実施し（通常は完全なフライトエンベロープにわたって）、エネルギー消費量、システム温度、圧力、流量などのシステム性能に関する重要な洞察を得ることができます。

航空機熱管理システムの新技術

航空機の熱管理システムには、コンパクトなマイクロチャネル熱交換器、相変化材料（PCM）、高度な監視制御システムなど、新たに登場した技術がいくつかあります。これらの多くは、将来の航空機にうまく組み込むために詳細な試験が必要です。Modelon Impactのモデルベースシステムエンジニアリングによるシンプルかつ強力なアプローチにより、ユーザーは、コストのかかるプロトタイプテストに着手する前に、大規模なシステムシミュレーションモデルで多くの新技術を構築、テスト、設計することができます。

迅速に反復検討し、プロジェクトのマイルストーンを達成しようとするエンジニアのために、当社は、システムシミュレーション技術と専門知識を提供します。Modelon Help Centerは、アプリケーション固有のライブラリ例とチュートリアルをエンジニアに提供しています。このチュートリアルの最新版では、ハイブリッド電気コミューター航空機の使用を目的とした、複数の熱源を持つマルチブランチ液体冷却システムの流れを最適化する方法を説明しています。チュートリアルの全文はこちらでご覧いただけます。

References
Drego, A.D.; Andersson, D.; Staack, I. Parameter Tuning of a Vapor Cycle System for a Surveillance Aircraft. Aerospace 2024, 11, 66. https://doi.org/10.3390/aerospace11010066