EP0082051A2 - Procédé de réalisation d'un dispositif de refroidissement - Google Patents

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EP0082051A2
EP0082051A2 EP82402215A EP82402215A EP0082051A2 EP 0082051 A2 EP0082051 A2 EP 0082051A2 EP 82402215 A EP82402215 A EP 82402215A EP 82402215 A EP82402215 A EP 82402215A EP 0082051 A2 EP0082051 A2 EP 0082051A2
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support
frame
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René Dassonville
Philippe Bauchet
Eugène Borget
Gildas Laudren
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Thales SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/022—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being wires or pins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cooling device with filiform elements.
  • the cooling device obtained by this process ensures good thermal coupling between a member to be cooled and the ambient environment and applies in particular to electrical components with high heat dissipation.
  • cooling devices are associated with a forced air generator which increases cooling by forced convection.
  • the cooling of a traveling wave tube is a typical example of an application using such means.
  • the known cooling devices used for such applications are generally so-called "studded" radiators and include a flat base support on which numerous small cylindrical elements are arranged perpendicular to this support.
  • alloys with good thermal conductivity generally have poor flowability, which leads to a reduction in the length of the pins and their distribution density, thereby limiting the contact surface with the cooling fluid.
  • the molten metal tends to cool before reaching the bottom of the mold cavities if they are deep and of small section; moreover, during the demoulding, certain pins break and remain inside the mold.
  • the need to be able to demold limits the forms that a radiator can have, the base of which is, therefore, generally planar, the pins being perpendicular to this base. To these drawbacks are added the high cost of a mold and the difficulties encountered in obtaining modifications of the characteristics of the radiator.
  • Milling in the mass introduces a significant loss of material and requires a relatively long execution time.
  • the pins have tendency to bend in the direction that the tool attacks metal; to limit this deflection, the pins must be short, of large section and consequently few in number, which limits the performance of the device.
  • the milling technique is also ill-suited to mass production.
  • each spike is placed in a blind hole made in the support, the pins and the support being previously tinned. The whole is brought to the melting temperature of the tin and then cooled. The pins are thus welded to the support.
  • the assembly technique requires a long execution time and is not compatible with the requirements of mass production.
  • the invention proposes a production method which makes it possible to overcome the aforementioned drawbacks of the known art while improving the performance level of the pin radiators.
  • the method according to the invention proposes to replace the pins of the known art with filiform elements, generally turns, made of wire of good thermal conductivity and welded on a base support.
  • the invention also relates to the cooling device obtained by this process.
  • FIG. 1 illustrates an example of a radiator with pins according to the known art, as it could be obtained by a molding or assembly technique.
  • the pins 2 secured to a flat base support 1 are, for the clarity of the figure shown with a low density of distribution.
  • the edge to edge distance between two pins and the diameter of said pins are of the same order of magnitude.
  • FIG. 2 represents a first variant of the device obtained by the method according to the invention.
  • Wire of good thermal conductivity in this example tinned copper wire, is wound with non-contiguous turns on a mandrel with rectangular section.
  • the rectangle constituting the section of the mandrel has, in this preferred variant, short sides of length substantially greater than the diameter of the wire and long sides of length equal to approximately fifteen times said diameter. For the clarity of the drawing these proportions are not exactly respected.
  • FIG. 3 represents a second variant of the device obtained by the method according to the invention.
  • the sets 5 of turns 6 are obtained by winding tinned copper wire on mandrels of triangular section.
  • Each set 5, arranged parallel to the long sides of the support 1, has its turns 6 partially engaged between the turns of the sets 5 which are adjacent to it.
  • For each of the turns 6, one side of the triangle ensures contact over its entire length with the base support 1.
  • Each turn is located in a plane perpendicular to the support 1 and fixed to the latter by a filler metal with a low melting point (tin, lead-tin alloy, etc.).
  • the coils being nested, the triangular section mandrels must be removed before the assemblies 5 are placed on the support 1.
  • the assemblies 5 are placed, in the nested position, in the cavities a positioning support before being brought closer to the base support 1.
  • the positioning support is removed after fixing the turns 6 on the support 1.
  • FIG. 4 presents a step in a method allowing two cooling devices to be produced simultaneously.
  • a first device is produced according to the method described for the first variant corresponding to FIG. 2.
  • a second base support 7 bearing on the other short side of the turns is superimposed on the first base support 1.
  • the second support 7 is subjected to a thermal cycle which makes it integral with the turns by melting a filler metal.
  • the mandrels are eliminated and FIG. 4 illustrates the device obtained at this stage.
  • the space between supports 1 and 7 comprising the turns is filled with wax or another product which can be solidified at room temperature. After the wax has hardened, the assembly is cut along a plane parallel to the supports 1 and 7, located midway between these two supports and represented in FIG. 4 by the two orthogonal axes 8 and 9.
  • the wax is eliminated by temperature rise and the two cooling devices obtained constitute so-called "pin" coolers.
  • the invention is not limited to the three variant embodiments which have just been described. It is indeed possible to act separately or in combinations on numerous parameters such as the nature of the wire, the shape and the value of its section, the shape and the size of the turns; the turns can, after fixing, be opened and the filiform elements take any desired configuration.
  • the density of distribution of the filiform elements can be modulated by varying the pitch of the turns, the distance between the sets of turns, the dimension of the turns and the cross section of the wire of each of the sets of turns in order to optimize the performances in each application case.
  • the material, shape and dimensions of the support can also contribute to this optimization.
  • the manufacturing method of the cooling device described above has the advantages of not requiring any elaborate and expensive tooling and of making it possible to obtain more efficient radiators (longer, thinner, more numerous filiform elements) than by known techniques. .
  • this process is suitable for the installation of filiform elements on supports of any shape (not necessarily planar) and easily lends itself to the production of radiators made "on demand" (non-standardized products). Finally, it easily lends itself to mass production and makes it possible to reduce the cost of cooling devices.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'un dispositif de refroidissement dans lequel les éléments qui assurent l'échange thermique entre le support de base (1) et le milieu ambiant sont des spires (3) soudées sur le support de base (1) obtenues en enroulant du fil à spires non-jointives sur des mandrins de forme appropriée. Lesdites spires peuvent, après fixation, être coupées à une certaine distance du support (1) pour réaliser des radiateurs dits «à picots».

Description

  • La présente invention concerne un procédé de réalisation de dispositif de refroidissement à éléments filiformes. Le dispositif de refroidissement obtenu par ce procédé assure un bon couplage thermique entre un organe à refroidir et le milieu ambiant et s'applique en particulier à des composants électriques à forte dissipation thermique.
  • En général de tels dispositifs de refroidissement sont associés à un générateur d'air pulsé qui augmente le refroidissement par convection forcée. Le refroidissement d'un tube à ondes progressives est un exemple typique d'application mettant en oeuvre de tels moyens. Les dispositifs de refroidissement connus utilisés pour de telles applications sont généralement des radiateurs dits "à picots" et comprennent un support de base plan sur lequel de nombreux petits éléments cylindriques sont disposés perpendiculairement à ce support. Il existe trois procédés de réalisation connus pour fabriquer de tels radiateurs à picots, ce sont le moulage, le fraisage et l'assemblage.
  • Dans la technique du moulage, les alliages de bonne conductibilité thermique présentent généralement une mauvaise coulabilité, ce qui conduit à réduire la longueur des picots et leur densité de répartition limitant de ce fait la surface de contact avec le fluide de refroidissement. De plus, le métal en fusion tend à se refroidir avant d'atteindre le fond des cavités du moule si celles-ci sont profondes et de faible section ; par ailleurs, lors du démoulage certains picots se brisent et restent à l'intérieur du moule. La nécessité de pouvoir démouler limite les formes que peut avoir un radiateur dont l'embase est, de ce fait, généralement plane, les picots étant perpendiculaires à cette embase. A ces inconvénients s'ajoutent le coût élevé d'un moule et les difficultés rencontrées pour obtenir des modifications des caractéristiques du radiateur.
  • Le fraisage dans la masse introduit une perte importante de matière et demande un temps d'exécution relativement long. De plus les picots ont tendance à fléchir dans le sens où l'outil attaque le métal ; pour limiter ce fléchissement les picots doivent être courts, de section importante et en conséquence peu nombreux, ce qui limite les performances du dispositif. La technique du fraisage est en outre mal adaptée à la production en série.
  • Dans le cas d'une technique d'assemblage chaque picot est placé dans un trou borgne effectué dans le support, les picots et le support étant préalablement étamés. L'ensemble est porté à la température de fusion de l'étain puis refroidi. Les picots sont ainsi soudés sur le support. La technique de l'assemblage requiert un temps d'exécution long et n'est pas compatible avec les exigences d'une production en série.
  • L'invention propose un procédé de réalisation qui permet de pallier les inconvénients précités de l'art connu tout en améliorant le niveau de performance des radiateurs à picots. Le procédé selon l'invention propose de remplacer les picots de l'art connu par des éléments filiformes, généralement des spires, réalisés en fil de bonne conductibilité thermique et soudés sur un support de base.
  • L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    • - bobinage d'une couche de fil de bonne conductibilité thermique à spires non jointives sur un mandrin pour constituer un ensemble de spires ;
    • - disposition d'au moins un de ces ensembles de spires sur un support de base de façon que chaque spire soit, sur une partie de sa longueur, en contact avec ledit support de base ;
    • - fixation des spires sur le support de base au moyen d'un métal d'apport à bas point de fusion.
  • L'invention a également pour objet le dispositif de refroidissement obtenu par ce procédé.
  • L'invention sera mieux comprise et les détails de réalisation apparai- tront plus clairement à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées.
    • - la figure 1 illustre un exemple de radiateur à picots selon l'art connu ;
    • - les figures 2 et 3 représentent deux variantes de dispositif obtenues par le procédé selon l'invention ;
    • - la figure 4 illustre une étape d'un procédé permettant de réaliser simultanément deux dispositifs de refroidissement.
  • La figure 1 illustre un exemple de radiateur à picots selon l'art connu, tel qu'il pourrait être obtenu par une technique de moulage ou d'assemblage. Les picots 2 solidaires d'un support de base plan 1 sont, pour la clarté de la figure représentés avec une faible densité de répartition. En pratique, la distance bord à bord entre deux picots et le diamètre desdits picots sont du même ordre de grandeur.
  • La figure 2 représente une première variante de dispositif obtenue par le procédé selon l'invention. Du fil de bonne conductibilité thermique, dans cet exemple du fil en cuivre étamé, est bobiné à spires non jointives sur un mandrin à section rectangulaire. Le rectangle constituant la section du mandrin a, dans cette variante préférée, des petits côtés de longueur sensiblement supérieure au diamètre du fil et des grands côtés de longueur égale à environ quinze fois ledit diamètre. Pour la clarté du dessin ces proportions ne sont pas exactement respectées.
  • Plusieurs mandrins identiques ainsi bobinés comportant chacun un ensemble de spires 4 sont disposés côte à côte et parallèlement aux grands côtés d'un support pré-usiné 1 de préférence en cuivre étamé. Les extrémités des mandrins sont fixées sur un cadre qui assure la rigidité de l'ensemble. Les mandrins sont disposés de façon que chaque spire 3 soit dans un plan perpendiculaire au support 1 et en contact avec ce dernier par l'un de ses petits côtés. L'ensemble est alors porté à la température de fusion du métal d'apport, dans le cas présent de l'étain ; après refroidissement le cadre et les mandrins sont éliminés conduisant au dispositif de refroidissement illustré par la figure 2.
  • La figure 3 représente une deuxième variante de dispositif obtenue par le procédé selon l'invention. Les ensembles 5 de spires 6 sont obtenus en bobinant du fil de cuivre étamé sur des mandrins à section triangulaire. Chaque ensemble 5, disposé parallèlement aux grands côtés du support 1, a ses spires 6 en partie engagées entre les spires des ensembles 5 qui lui sont adjacents. Pour chacune des spires 6 un côté du triangle assure sur toute sa longueur le contact avec le support de base 1. Chaque spire est située dans un plan perpendiculaire au support 1 et fixée à ce dernier par un métal d'apport à bas point de fusion (étain, alliage plomb-étain, etc...). Les spires étant imbriquées, les mandrins à section triangulaire doivent être éliminés avant la mise en place des ensembles 5 sur le support 1. Dans une variante préférée du procédé de réalisation, les ensembles 5 sont placés, en position imbriquée, dans les cavités d'un support de positionnement avant d'être rapprochés du support de base 1. Le support de positionnement est enlevé après fixation des spires 6 sur le support 1.
  • La figure 4 présente une étape d'un procédé permettant de réaliser simultanément deux dispositifs de refroidissement. Un premier dispositif est réalisé selon le procédé décrit pour la première variante correspondant à la figure 2. Toutefois avant l'élimination des mandrins un deuxième support de base 7, prenant appui sur l'autre petit côté des spires est superposé au premier support de base 1. Comme le premier support 1, le deuxième support 7 est soumis à un cycle thermique que le rend solidaire des spires par fusion d'un métal d'apport. Les mandrins sont éliminés et la figure 4 illustre le dispositif obtenu à ce stade. L'espace situé entre les supports 1 et 7 comprenant les spires est rempli de cire ou d'un autre produit solidifiable à la température ambiante. Après durcissement de la cire, l'ensemble est coupé selon un plan parallèle aux supports 1 et 7, situé à mi-distance entre ces deux supports et représenté sur la figure 4 par les deux axes orthogonaux 8 et 9. La cire est éliminée par élévation de température et les deux dispositifs de refroidissement obtenus constituent des refroidisseurs dits "à picots".
  • L'invention n'est pas limitée aux trois variantes de réalisation qui viennent d'être décrites. Il est en effet possible d'agir séparément ou en combinaisons sur de nombreux paramètres tels que la nature du fil, la forme et la valeur de sa section, la forme et la dimension des spires ; les spires peuvent, après fixation, être ouvertes et les éléments filiformes prendre toute configuration souhaitée. La densité de répartition des éléments filiformes peut être modulée en faisant varier le pas des spires, la distance entre les ensembles de spires, la dimension des spires et la section du fil de chacun des ensembles de spires afin d'optimiser les performances dans chaque cas d'application. Le matériau, la forme et les dimensions du support peuvent aussi contribuer à cette optimisation.
  • Le procédé de fabrication du dispositif de refroidissement décrit ci- dessus a pour avantages de ne nécessiter aucun outillage élaboré et coûteux et de permettre l'obtention de radiateurs plus performants (éléments filiformes plus longs, plus minces, plus nombreux) que par les techniques connues. De plus ce procédé convient pour la mise en place d'éléments filiformes sur des supports de formes quelconques (pas nécessairement plans) et se prête aisément à la réalisation de radiateurs faits "à la demande" (produits non standardisés). Enfin il se prête facilement à une production en série et permet de réduire le coût des dispositifs de refroidissement.

Claims (9)

1. Procédé de réalisation d'un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- bobinage d'une couche de fil de bonne conductibilité thermique à spires non jointives sur un mandrin pour constituer un ensemble de spires (4) ;
- disposition d'au moins un de ces ensembles de spires (4) sur un support de base (1) de façon que chaque spire (3) soit, sur une partie de sa longueur, en contact avec ledit support de base ;
- fixation des spires (3) sur le support de base (1) au moyen d'un métal d'apport à bas point de fusion.
2. Procédé de réalisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, les étapes suivantes :
- fixation par leurs extrémités de plusieurs mandrins, disposés parallèlement les uns aux autres, à un cadre les rendant solidaires, chaque mandrin comportant un ensemble de spires (4) ;
- mise en place du cadre et des mandrins associés sur le support de base (1) de façon que toutes les spires (3) soient en contact avec ledit support ;
- élimination du cadre et des mandrins après fixation des spires à l'aide d'un métal d'apport à bas point de fusion.
3. Procédé de réalisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- fixation par leurs extrémités de plusieurs mandrins, disposés parallèlement les uns aux autres, à un cadre les rendant solidaires, chaque- mandrin comportant un ensemble de spires (4) ;
- mise en place du cadre et des mandrins associés entre deux supports de base (1 et 7) parallèles de façon que chaque spire soit en contact avec chacun des deux supports ;
- fixation des spires sur les deux supports de base à l'aide d'un métal d'apport à bas point de fusion et élimination du cadre et des mandrins ;
- coupure de l'ensemble obtenu selon un plan parallèle aux supports de base et situé à mi-distance entre ces deux supports de manière à réaliser simultanément deux dispositifs de refroidissement.
4. Procédé de réalisation selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape dans laquelle l'espace compris entre les deux supports et comprenant les spires est rempli d'un produit solidifiable à la température ambiante afin de faciliter la coupe, ce produit étant éliminé des deux dispositifs de refroidissement obtenus par élévation de température.
5. Dispositif de refroidissement obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que plusieurs ensembles (4) de spires à section rectangulaire disposés parallèlement les uns par rapport aux autres sont fixés sur le support de base (1) chaque spire rectangulaire (3) ayant ses grands côtés perpendiculaires audit support de base.
6. Dispositif de refroidissement obtenu par le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs ensembles (5) de spires à section triangulaire (6) disposés parallèlement les uns par rapport aux autres, chaque ensemble (5) ayant ses spires en partie engagées entre les spires des ensembles qui lui sont adjacents, sont fixés sur le support de base, chaque spire triangulaire étant dans un plan perpendiculaire au support de base, l'un des côtés de la spire étant en contact avec ledit support.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le support de base (1) est en cuivre.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le fil est en cuivre et de section circulaire.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le métal d'apport à bas point de fusion est de l'étain ou un alliage plomb-étain.
EP82402215A 1981-12-11 1982-12-03 Procédé de réalisation d'un dispositif de refroidissement Expired EP0082051B1 (fr)

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