"Boite pour composants électroniques refroidie
par fluide" L'invention concerne les emballage de protection des circuits électroniques ou d'autres instruments, de manière
à permettre leur fonctionnement sous des températures ambiantes extrêmes telles que celles rencontrées, par exemple, à proximité d'un moteur à réaction d'aéronef.
On sait que les dispositifs à semi-conducteurs des circuits électroniques fonctionnent de manière satisfaisante sur une plage limitée de températures. De nombreuses applications de ces dispositifs impliquent que le circuit électronique, comprenant des composants à semi-conducteurs, soit monté dans un milieu où la température atteint des valeurs extrêmes très supérieures au:: valeurs-limites de fonctionnement des semi-conducteurs. Il est donc nécessaire de protège- ces circuits électroniques des températures ambiances extrêmes.
Les moteurs à réaction pour aéronefs constituent un exemple d'un tel environnement à températures extrêmes. Des moteurs récents tels que le moteur du type "F-100" de la
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cessoire et de transmission. En raison de cette construction modulaire, il est nécessaire de relever, pour chaque module, des informations telles que le temps de fonctionnement;. Ces informations sont produites et mémorisées par des circuits
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Recorder" (Enregistreur d'événements) produit par la firme Teledyne Controls. Ce dispositif comporte quatre compteurs d'événements destinés à enregistrer le temps de fonctionnement du moteur, le temps de fonctionnement de la section chaude de niveau I, le temps de fonctionnement de la section chaude de niveau II et la fatigue à cycle lent. De plus, quatre indicateurs à écran indiquent l'apparition d'une défaillance ou le dépassement d'une limite, à savoir la défaillance d'un détecteur, la survitesse, le démarrage avec surchauffe et l'excès
de température. L'enregistreur est monté sur un élément l'isolant contre les , vibrations, à proximité immédiate de l'entrée du moteur, où la température de l'air ambiant et des sur- <EMI ID=3.1>
ratir d'isoler le circuit de l'environnement. Un procédé classique d'isolation thermique consiste à placer le circuit de
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courtes périodes d'utilisation, nais dans le cas d'une exposition prolongée à des températures extrêmes, la boite isolée devient inefficace en raison de la progression de la chaleur vers l'intérieur.
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tibilité thermique de l'échangeur de chaleur provoque le passage de cette dernière du composant dans le fluide de refroi.dissement qui est ainsi échauffé et éloigné de l'échangeur de chaleur.
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ce type, le combustible circule dans un bloc ou dans une pla-
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circuit imprimé n'est pas en contact avec la plaque refroidie de manière à éviter tout court-circuit par cette dernière. Par conséquent, la chaleur de la plaquette doit progresser latéralement dans cette dernière, puis dans le bossage associé avant d'atteindre la plaque refroidie. Le trajet suivi par
la chaleur est donc long et l'efficacité de l'échangeur thermique est faible.
L'invention concerne une boite de protection perfectionnée, utilisant certains de ces principes antérieurs, mais permettant d'obtenir des résultats très supérieurs à ceux relevés jusqu' à présent.
La partie centrale de la boîte de l'invention comporte un échangeur de chaleur en forme de plaque dans lequel un fluide de refroidissement circule. Des plaquettes à circuit imprimé, dont les dimensions sont approximativement identiques à celles de la plaque d'échange de chaleur, sont
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isolant mais d'une haute conductibilité thermique. D'autres plaquettes à circuit peuvent être liées sur les précédentes. Lorsque le composé de liaison est dur, à peu près la totalité de l'espace compris entre les plaquettes et entre l'échangeur de chaleur et la première plaquette est remplie de ce composé à haute conductibilité thermique. Un court trajet conducteur et une grande surface sont donc offerts à la .chaleur dégagée ou arrivant sur les plaquettes à circuit imprimé, et dirigent cette chaleur vers la plaque d'échange thermique. La dissipation de la chaleur de la plaquette à circuit imprimé est donc
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rieurs.
De plus, le procédé de liaison de la plaquette à circuit imprimé à la plaque d'échange de chaleur permet d'obtenir un dispositif d'une grande solidité, ce qui est très souhaitable pour une boîte montée sur un moteur à réaction ou sur toute autre source de vibrations.
Une autre caractéristique de la boîte selon l'invention est que l'ensemble comprenant les plaquettes à circuit imprimé, le composé de liaison et l'échangeur de chaleur est entouré d'une enceinte métallique ou 3 haute conductibilité thermique, en contact avec la plaque d'échange de chaleur. Par conséquent, le circuit sensible à la chaleur est renfermé dans une enceinte refroidie et n'est jamais exposé à l'environnement ambiant chaud.
Dans une forme de réalisation, un boîtier refroidi est constitué de quatre plaques'de dérivation de chaleur reliées aux bords de la plaque d'échange de chaleur, perpendiculairement à cette dernière. Dans une autre forme de réalisation; les plaques de dérivation de la chaleur présentent des rainures de montage des plaquettes à circuit imprimé. Ainsi chaque plaquette est en contact par son bord avec les plaques de dérivation de la chaleur et/ou le composé de liaison qui lui-même est directement en contact avec la plaque d'échange de chaleur.
L'ensemble constitué par les plaquettes à circuit imprimé ainsi renfermées est monté dans une boîte de manière à être espacé de la surface intérieure de cette dernière. Le seul contact entre cet ensemble et la boîte est constitué par les vis de montage qui positionnent et fixent l'ensemble dans ladite boite. Dans une forme de réalisation, l'espace compris entre l'ensemble des plaquettes et la boîte.extérieure est rempli d'une matière isolante.
L'invention concerne donc une boîte extérieure isolée thermiquement d'un boîtier refroidi qui entoure approximativement l'ensemble à plaquettes à circuit imprimé. Le boîtier refroidi est en contact thermique avec l'échangeur central
de chaleur, et les plaquettes à circuit sont fixées les unes aux autres et à la plaque d'échange de chaleur par un composé de liaison à haute conductibilité thermique.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective éclatée de l'échangeur de chaleur de la boîte de protection selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective montrant les plaquettes à circuit imprimé liées à l'échangeur de chaleur ; la figure 3 est une vue en perspective éclatée de l'ensemble à plaquettes à circuit imprimé et à éléments de dissipation de chaleur, cette vue montrant les plaques de dérivation de la chaleur ; la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'une forme avantageuse de la boîte refroidie par fluide selon l'invention ;
et la figure 5 est un diagramme montrant le conduit de dérivation faisant passer le combustible de refroidissement dans la boîte selon l'invention lorsque cette dernière est utilisée avec Un moteur. La figure 1 représente un échangeur 12 de chaleur du type monté dans la boîte de protection "selon l'invention. Cet échangeur de chaleur présente un orifice 14 d'entrée et un orifice 16 de sortie qui communiquent par un canal 18 délimité en totalité à l'intérieur de l'échangeur. Le canal 18 suit avantageusement la forme d'un serpentin et est situé dans un plan à peu près parallèle à l'une des faces de l'échangeur
12 dont la forme est analogue à celle d'une plaque.
Dans une forme avantageuse de réalisation, l'échangeur de chaleur est réalisé par fraisage d'une rainure en serpentin dans un bloc 22 d'aluminium, puis par brasage d'une plaque supérieure 20 de manière qu'elle ferme les rainures et délimite ainsi le canal intérieur 18 en forme de serpentin.
Dans une forme de réalisation selon l'invention, destinée à un enregistreur du type "Events History Recorder", monté sur un moteur à réaction,-le combustible de ce moteur est mis en circulation dans le canal 18 à un débit maximal
de 12,6g/s environ. En général, l'élévation de température du
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sortie n'est que de quelques degrés Celsius.
La figure 2 est une vue en perspective montrant le montage de plaquettes à circuit imprimé sur l'échangeur de chaleur.
Des plaquettes 30 et 32 à circuit imprimé sont liées à l'échangeur 12 de chaleur par d'épaisses couches 34 et 36 de composé de liaison. De même, des plaquettes supplémentaires 38 et 40 à circuit; imprimé sont liées par d'épaisses couches 42 et 44 de composé de liaison aux plaquettes
30 et 32.
Dans une forme de réalisation, une plaquette souple
46 à circuit imprimé assure les interconnexions des plaquettes fixées à l'échangeur. Un certain nombre de conducteurs peuvent être imprimés de manière classique sur une feuille souple, par exemple une feuille de "Kapton", puis enrobés au cours d'une opération de moulage, de manière que la matière plastique les entoure et les isole totalement. Une telle feuille souple à circuit imprimé est associée à chaque plaquette pour réaliser une liaison entre les conducteurs de <EMI ID=12.1>
l'échangeur. En raison de leur extrême finesse, ces feuilles souples de câblage ont un effet négligeable sur les caractéristiques thermiques de l'ensemble. De plus, ces feuilles souples peuvent également être utilisées comme points d'essai et de réglage.
Les couches 34, 36, 42 ot 44 de liaison sont réalisées dans un composé d'enrobage aux silicones à ultra-haute conductibilité thermique. La matière est un composé aux silicones souple et fortement chargé conçu spécialement pour des applications d'enrobage non rigide nécessitant une haute conductibilité thermique et une bonne.aptitude aux réparations. Un tel composé d'enrobage est produit par la firme Ablestik Laboratories, Gardena, Californie, Etats-Unis d'Amérique, sous la marque "Abletherm- 7-1,5". Il est avantageux que le composé d'enrobage soit chargé d'une poudre fine d'oxyde métallique.
Un avantage important de la forme de réalisation représentée sur la figure 2 par rapport aux boîtes antérieures de protection est que l'intervalle conducteur entre toute plaquette à circuit imprimé et l'échangeur 12 de chaleur est relativement court et d'une grande section, ce qui rend sa conductibilité thermique extrêmement élevée. Ainsi, toute chaleur dégagée sur les plaquettes ou atteignant les plaquettes est rapidement conduite vers l'échangeur 12 qui l'élimine de la boîte.
Bien que la forme de réalisation décrite soit conçue pour le problème posé par le refroidissement des plaquettes à circuit imprimé afin de permettre leur fonctionnement dans un environnement à température élevée, il est évident
que la boîte selon l'invention peut également être utilisée pour maintenir la température requise pour le fonctionnement. des circuits électroniques dans des environnements à température extrêmement basse, l'échangeur de chaleur étant alors à une température supérieure à la température ambiante.
La figure 3 est une vue en perspective éclatée d'une forme avantageuse de la boîte de protection selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, l'échangeur 12 de chaleur est entouré de quatre plaques 52, 54, 56 et 58 de dériva- <EMI ID=13.1>
thermique, par exemple en aluminium. Les plaques 52, 54 et 56 sont brasées ou reliées à trois des bords de l'échangeur 12 de chaleur, et la plaque 58 est fixée au quatrième bord par des vis, de manière à permettre la mise en place et le démontage des plaquettes 30, 32, 38, 39, 40, 41 et 43 à circuits intégrés. Comme représenté sur la figure 3, deux des plaques de dérivation, à savoir les plaques 52 et 56, présentent des rainures 60 destinées à supporter et à positionner les plaquettes à circuit imprimé par leurs bords.
Les plaques 52, 54, 56 et 58 de dérivation de la chaleur assument une fonction importante. En raison de leur grande conductivité thermique et de leur liaison avec l'échangeur 12 de chaleur, elles transmettent aisément et directement à l'échangeur 12 la chaleur qu'elles reçoivent, de manière que
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L'ensemble des plaques de dérivation de la chaleur.' forme un boîtier ou une enceinte refroidi entourant les plaquettes à circuit imprimé. Un tel boîtier refroidi de protection constitue une particularité dans le domaine de l'emballage et
de la protection des circuits électroniques.
Le dispositif représenté sur la figure 3 est assemblé de la manière suivante. Les plaques 52, 54 et 56 de dérivation de la chaleur sont fixées à l'échangeur de chaleur et les unes aux autres par leurs bords communs. Puis, les plaquettes 30, 32, 38, 39, 40, 41 et 43 à circuit imprimé sont introduites dans les rainures convenables 60. L' ensemble peut ensuite être enrobé à l'aide du composé à haute conductibilité thermique décrit précédemment, de manière à constituer un bloc d'une seule pièce. Enfin, les plaques restantes 58 et 62 de dérivation de la chaleur sont fixées de manière à ne laisser que le fond de l'ensemble ouvert pour permettre le câblage des interconnexions.
L'ensemble représenté sur la figure 3 convient à de noinbreuses applications. Cependant, dans le cas de conditions extrêmes, la forme avantageuse de réalisation représentée sur la figure 4 assure une protection maximale.
Les pièces représentées sur la figure 3 consti-tuent l'ensemble 70 représenté sur la figure 4. Cet ensemble
70 est monté dans une boite 72 à l'aide de vis épaulées 74,
76, 78 et 80 qui maintiennent cet ensemble 70 tendu entre elles et suspendu à l'intérieur de la boîte 72, à une distance prédéterminée de la surface intérieure des parois de cette dernière..Ainsi, le seul chemin métallique entre l'ensemble
70 et la boîte 72 passe par les vis épaulées 74, 76, 78 et 80. La lame d'air entre la boite 72 et l'ensemble 70 isole ce dernier, en raison de la faible conductivité thermique de l'air.
Dans une forme avantageuse de réalisation, des tampons 82, 84, 86 et 88 en matière isolante peuvent être montés entre l'ensemble 70 et la boîte 72. La matière isol ante est avantageusement d'un type produit par la firme
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Unis d'Amérique et vendu sous la marque "Flexible Min-K". La conductivité thermique de cette matière isolante est inférieure à celle de l'air au repos.
La boîte 72 comporte un couvercle 90 qui, dans une forme de réalisation, comporte des fenêtres 92 en verre trempé, revêtues d'une couche réfléchissant la chaleur et réduisant le miroitement.
Dans une forte avantageuse de réalisation, un connecteur électrique 94 résistant aux hautes températures assure les connexions électriques avec les circuits montés à l'intérieur de la boîte, et l'échangeur 12 de chaleur représenté sur la figure 3 comporte des raccords 15 et 17 étanches au combustible, fixés aux orifices 14 et 16 d'entrée et de sortie.
La boîte représentée sur la figure 4 est conçue et réalisée de manière à être montée sur un moteur à réaction à l'aide d'organes d'isolation contre les vibrations.
La figure 5 montre le montage permettant de faire passer le fluide de refroidissement dans la boîte des- composants électroniques. Sur la figure 5,1e combustible arrive à une pompe principale 102 d'alimentation par un- conduit principal 104 provenant des réservoirs (non représentés). Un régulateur hydromécanique 108 règle l'écoulement du combustible vers le moteur 106 à réaction. Un conduit 110 de dérivation, monté entre la pompe 102 et le régulateur, dirige le combustible vers la boîte 112. Après que le combustible est pansé dans l'échangeur 12 de chaleur (figure 1), un second conduit 114 le ramène au conduit principal pour le diriger vers le moteur
106.
La température du combustible dans le conduit 110 d'arrivée peut atteindre environ 100[deg.]C. La température du combustible dans le conduit 114 de sortie n'est que de quelques degrés supérieure à celle du combustible dans le conduit 110.
La boîte 112 et les tampons isolants 82, 84, 86 et
88 (figure 4) assurent, en plus de la protection du boîtier des composants électroniques contre la chaleur de l'environnement, une isolation convenable protégeant le circuit électronique lorsque l'écoulement du combustible dans 1 ' échangeur de chaleur cesse, par exemple lorsque le moteur est arrêté ou éteint. Dans ce cas, la boîte et l'isolation suffisent, avec la masse du composé d'enrobage, à éviter une détérioration des plaquettes à circuit imprimé jusqu'au refroidissement du moteur.
Au cours d'essais effectués sur cette forme avantageuse de réalisât ion selon l'invention, il est apparu que la température maximale pouvant être atteinte par les plaquettes à circuit imprimé (125[deg.]C) n'est pas dépassée lorsque la boîte a été exposée pendant de longues périodes à une température ambiante de 242[deg.]C, même lorsque la température du combustible atteint 100[deg.]C.
Il va de soi que :le nombreuses modifications peuvent être apportées à la boîte de protection décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention.