EP4673701A1 - Systeme et dispositif de regulation de composants electroniques - Google Patents

Systeme et dispositif de regulation de composants electroniques

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Publication number
EP4673701A1
EP4673701A1 EP24708991.5A EP24708991A EP4673701A1 EP 4673701 A1 EP4673701 A1 EP 4673701A1 EP 24708991 A EP24708991 A EP 24708991A EP 4673701 A1 EP4673701 A1 EP 4673701A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
upper plate
component
thermal
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24708991.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Erwan ETIENNE
Stephane Tondelli
Kamel Azzouz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Publication of EP4673701A1 publication Critical patent/EP4673701A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
    • H05K7/20872—Liquid coolant without phase change
    • 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
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • processors system on a chip (SoC) in English
  • SoC system on a chip
  • the subject of the invention relates to a thermal regulation device for components whose operation is sensitive to temperature, these components being in particular electronic components, in particular power components, capable of heating, said device comprising an upper plate and a lower plate assembled with the upper plate to form together a plurality of circulation channels, said channels extending mainly along a longitudinal axis, for a heat transfer fluid, in particular a refrigerant fluid, the upper plate of the cooling device being configured to be in thermal contact with the component,
  • the device comprising in at least part of the circulation channels configured to face the component, at least one disruptive element, extending only partially over the length of said channels of the plate along the main longitudinal axis of extension of the channels, the device being characterized in that the surface of the disruptive elements of the device are configured to have, with respect to the surface of the component in contact with the upper plate of the device, a surface ratio of between 15 and 60, preferably between 15 and 36.
  • surface area of the disturbing elements is understood to mean the sum of the surfaces of each disturbing element in contact with the fluid.
  • surface area of both faces of the fins is taken into account.
  • surface of the component means the surface in contact with the cooling device, in particular the surface of the thermal interface of the component.
  • Vis-à-vis means overlapping zones when they are observed along an axis perpendicular to these zones.
  • said disruptive elements extend over the entire width of the plate along an axis transverse to the longitudinal axis of the channels.
  • said disturbing elements extend between the two longitudinal walls of a channel, said walls extending along the longitudinal axis.
  • the channels which comprise disturbing elements each comprise a disturbing element in the form of a fin-type corrugated plate.
  • the fins are chosen from smooth, perforated, chevron, louvered or serrated fins.
  • the fins are configured to extend over a length of between 95% and 130% of the length of the surface of the component in contact with the device along the longitudinal axis.
  • the fins are preferably centered longitudinally relative to the component.
  • the fins are configured to be opposite at least 95% of the projected surface of the component opposite the channels, preferably 100%.
  • the surface of the component opposite the channels sees the facing fins over at least 95% of its length, preferably 100%.
  • the fins are then not centered longitudinally relative to the component, and may overflow particularly or only on one side.
  • the fins extend between the lower plate and the upper plate over the entire height of the channels.
  • the fins have a pitch between each corrugation of between 0.4 mm and 1.5 mm, preferably 1 mm.
  • Laterally offset fins are also called “roll offset” in English.
  • the surface ratio is between 16 and 35 and the at least one disruptive element is in the form of a corrugated plate of the louvered fin type.
  • the device comprises two fluid circulation channels, the two channels being configured to be in thermal contact with the component, each channel comprising a fin-type disruptive element.
  • the two channels form forward and return passes from a fluid circulation inlet conduit and to a fluid circulation outlet conduit, one channel forms the forward pass and one channel forms the return pass, the two channels being connected together by a turnaround portion forming a U-shaped fluid circulation.
  • the device comprises three fluid circulation channels. [0030] According to one aspect of the invention, the three channels being configured to be in thermal contact with the component, each channel comprising a fin-type disruptive element.
  • the 3 channels form forward and return passes from a fluid circulation inlet conduit and to a fluid circulation outlet conduit, one channel forms the forward pass and two channels form the return pass, all of the channels forming a U-shaped fluid circulation.
  • the 3 channels form forward and return passes from a fluid circulation inlet conduit and to a fluid circulation outlet conduit, two channels form the forward pass and one channel forms the return pass, all of the channels forming a U-shaped fluid circulation.
  • the invention also relates to a system comprising an electronic device as described above, and at least one element to be regulated, the element comprising at least one component capable of heating and a thermal interface in contact between said component and the upper plate of the device, the surface ratio being calculated between the surface of the thermal interface in contact with the upper plate with respect to the surface of the disturbing elements.
  • the invention relates to an electronic system comprising a thermal regulation device for at least one component capable of heating, the component comprising at least one element to be regulated, and in particular an intermediate heat-diffusing element, and a thermal interface in contact between said element to be regulated or the intermediate element and the device, said device (x) comprising an upper plate and a lower plate assembled with the upper plate to form together a plurality of circulation channels (21), said channels extending mainly along a longitudinal axis, for a heat transfer fluid, in particular a refrigerant fluid, the upper plate of the cooling device being configured to be in thermal contact with the thermal interface of the element, the device comprising in at least part of the circulation channels configured to be opposite the element, at least one disturbing element, extending only partially over the length of said channels of the plate along the main longitudinal axis of extension of the channels, the device being characterized in that the surface of the disturbing elements of the device are configured to have, with respect to the surface of the component in contact with the upper plate of the device, a
  • the thermal interface (301) comprises at least one layer in contact with the upper plate of the device composed of indium and having a thickness between 0.3 and 0.5 mm.
  • the thermal interface comprises several layers, the layer in contact with the upper plate of the device being made of indium and having a thickness between 0.3 and 0.5 mm.
  • the thermal interface has a thermal resistance ratio of less than 6% of the total thermal resistance between the thermal interface and the heat transfer fluid, in particular a ratio of between 2 and 5.5%, preferably between 2.2% and 5%, more preferably between 2.2% and 2.7% of the total thermal resistance between the thermal interface and the heat transfer fluid.
  • Figure 1 schematically shows a prior art device viewed from above
  • Figure 2 schematically shows a device according to a first embodiment in top view
  • Figure 3 schematically shows a device according to the first embodiment in sectional view
  • Figure 4 schematically shows a device according to a second embodiment in a side view
  • Figure 5 schematically shows a system according to a first embodiment in a perspective view
  • Figure 6 schematically shows a system according to the first embodiment in an exploded view
  • Figure 1 shows an example of a device according to the prior art.
  • the device 210 comprises a first fluid channel 213 for guiding the heat exchange fluid through the device between the two plates.
  • the device comprises fluid openings 250 for introducing and discharging the heat transfer fluid.
  • the first fluid channel 213 forms a U-shaped flow path having a first arm 214 and a second arm 215.
  • the fluid openings 250 may be disposed at opposite ends of the U-shaped flow path.
  • the device 210 may comprise a plurality of channels (216, 217, 218), separated by ribs (253, 254) formed on one of the plates, preferably the lower plate, for example by stamping.
  • the device may be attached to the system 100 by a support plate 202.
  • Figure 2 shows the device according to a non-limiting example of the invention, with disturbing elements under the component to be cooled such as an element to be regulated, comprising in particular an intermediate heat diffusing element, such as a copper insert, and the thermal interface.
  • disturbing elements under the component to be cooled such as an element to be regulated
  • an intermediate heat diffusing element such as a copper insert
  • the element to be regulated comprises in particular a high-power electronic element, such as a processor, an insulator such as indium, and a heat-diffusing element such as a copper insert.
  • This assembly may itself be in contact with the cooling device.
  • a Cartesian reference is formed (o, x, y, z), and the direction o-x is defined as being the length direction, o-y is the height direction, and o-z is the width direction, as shown in FIG. 5.
  • the heat transfer fluid may be a refrigerant (such as R134A, R-1234YF or R744) or a coolant-type refrigerant (e.g., a water-glycol mixture).
  • a refrigerant such as R134A, R-1234YF or R744
  • a coolant-type refrigerant e.g., a water-glycol mixture
  • the element to be thermally regulated is located on a first heat source module 410 which is a printed circuit board.
  • the electronic system further comprises a chassis on which the control device and the first heat source module are attached.
  • Figure 3 shows a sectional view of the device 200 of Figure 2.
  • a disturbing element 270 intended to improve the efficiency of the heat exchange is placed inside the fluid channels 213 opposite the element to be thermally regulated 300 which is in thermal contact with the upper plate 211, via a thermal interface 301.
  • the component to be cooled is only opposite two of the 3 channels of the device according to the invention.
  • these two facing channels each comprise a fluid-disrupting element.
  • thermal interface 301 comprises indium.
  • thermal interface 301 comprises a copper layer and an indium layer.
  • the element to be regulated comprises an intermediate heat diffusing element formed of at least one layer of copper, for example forming a copper insert.
  • the copper layer has strong thermal conduction, which advantageously makes it possible to standardize the temperature released by the element to be cooled over a surface area greater than that of the element to be cooled.
  • the indium layer has the advantage of electrically insulating the element to be cooled while exhibiting relatively good thermal conduction. It is advantageously more malleable than copper, which allows better contact with the upper face of the device, thus acting as a thermal paste. This makes it possible in particular to manage different heights of components to be cooled.
  • Figure 4 shows two control devices 200 in a side view.
  • the control device 210 and the control device 220 may be connected by interconnectors 260 to mechanically attach to each other and allow heat transfer fluid to flow between them.
  • interconnectors 260 there are two interconnectors 260.
  • One of the interconnectors 260 may be associated with the introduction of the heat transfer fluid into the primary tube 210 and the terminal tube 220, while the other interconnector 260 may be associated with the outlet of the heat transfer fluid from the control device 210 and the control device 220.
  • An inlet nozzle 251 may be attached to the device 210 and communicate with the interconnector 260 to introduce the heat transfer fluid into the device 210.
  • An outlet nozzle 252 may be attached to the device 210 and communicate with the interconnector 260 to evacuate the heat transfer fluid from the device 210.
  • the device 210 may comprise collars for receiving the inlet and outlet tips 251, 252, in particular flat tube collars 261 located on the device 210, which in this case would be opposite the inlet and outlet tips 251, 252.
  • the device 210 and the device 220 may include collars for receiving the interconnectors 260.
  • FIG. 5 shows an electronic system 100 with a plurality of heat source modules 410, 420, 430, 440 in a perspective view.
  • the control device 200 includes a device 210 for a heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid circulates through the control device 210, and allows heat exchange between the control device 210 and any heat source in contact with it.
  • the system comprises two control devices 210 and 220, but there may be only one or a plurality, depending on the cooling needs.
  • the two control devices 210 and 220 are connected by interconnectors 260.
  • Figure 6 shows a system 100 of Figure 1 in an exploded view.
  • the first heat source module 410 comprises at least one thermally regulated element 411.
  • the first heat source module 410 comprises a plurality of thermally regulated elements 411.
  • the first heat source module 410 is a printed circuit board.
  • the elements to be thermally regulated 411 may be individual integrated circuits.
  • the second heat source module 420 comprises at least one thermally regulated element 421.
  • the second heat source module 420 is in the form of a cartridge 422, in which there is a printed circuit board comprising at least one integrated circuit.
  • the third heat source module 430 comprises at least one thermally regulated element 431.
  • the third heat source module 430 comprises a plurality of thermally regulated elements 431.
  • the fourth heat source module 440 comprises at least one fourth heat source 441.
  • the fourth heat source module 440 is in the form of a cartridge 422 in which there is located a PCB board with at least one integrated circuit.
  • the present invention particularly relates to the cooling of power electronic components, having a very high thermal power, for example between 100W and 1KW, over a very small surface area, for example of the order of ten mm2, for example 12x12mm or 65x65mm.
  • the element to be regulated, and/or the intermediate heat diffusing element can easily reach a temperature close to 100°C.
  • the heat transfer fluid has a temperature at the inlet of the cooling device of between 60°C and 65°C, the heat transfer fluid coming in particular for example from a circuit cooled by a low temperature radiator rather than by an air conditioning loop as can be found in battery cooling applications.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation thermique (200, 210, 220) pour des composants (410) dont le fonctionnement est sensible à la température, ces composants (410) étant notamment des composants électroniques susceptibles de chauffer, ledit dispositif (200, 210, 220) comprenant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux (21) de circulation, lesdits canaux s'étendant principalement selon un axe longitudinal, pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, la plaque supérieure du dispositif de refroidissement étant configurée pour être en contact thermique avec le composant (410), le dispositif (200, 210, 220) comprenant dans au moins une partie des canaux (216, 217, 218) de circulation configurés pour être en vis-vis avec le composant (410), au moins un élément perturbateur (270), s'étendant seulement partiellement sur la longueur desdits canaux (216, 217, 218) de la plaque selon l'axe longitudinal d'extension principal des canaux, le dispositif étant caractérisé en ce que la surface des éléments perturbateurs (270) du dispositif sont configurés pour présenter vis-à-vis de la surface du composant (410) en contact avec la plaque supérieure du dispositif, un ratio de surface compris entre 15 et 60, de préférence entre 15 et 36.

Description

Titre : SYSTEME ET DISPOSITIF DE REGULATION DE
COMPOSANTS ELECTRONIQUES
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention concerne un dispositif de régulation thermique, en particulier un système électronique comprenant un tel dispositif, applicable dans le domaine automobile.
CONTEXTE DE L'INVENTION
[0002] Les composants électroniques sont connus pour nécessiter une gestion thermique. Les circuits intégrés, ou d'autres composants électroniques ou électriques, génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement. Dans le cas des circuits intégrés, la puissance est dissipée sur une petite surface. La chaleur ainsi générée doit être évacuée efficacement, en particulier lorsque les composants fonctionnent sous des charges élevées. Les unités haute performance nécessitent des dispositifs de refroidissement dédiés pour permettre leur fonctionnement efficace. Une façon connue de résoudre ce problème est d'utiliser l'air pour le refroidissement direct des sources de chaleur.
[0003] L'industrie automobile dépend de plus en plus composants électroniques de haute performance pour assurer un fonctionnement sûr et efficace des véhicules. De plus en plus de composants électroniques, sous diverses formes et configurations, sont utilisées pour exécuter des fonctions telles que le contrôle des systèmes de batterie du véhicule, la gestion des systèmes d'assistance au conducteur ou la conduite autonome.
[0004] Il est nécessaire de fournir une solution d'échange thermique efficace, qui pourrait être utilisée pour la gestion thermique d'une unité de commande électronique, en particulier celle utilisée dans un véhicule.
[0005] En particulier, certains composants comme les processeurs (system on a chip (SoC) en Anglais) génèrent une dissipation de chaleur très élevée par unité de surface.
[0006] Il a été proposé des dispositifs de refroidissement par contact direct avec des composants, dans lesquels la chaleur est drainée à travers un sandwich de couches conductrices et d'interfaces thermiques vers un canal de refroidissement.
[0007] La conception du canal de refroidissement est fortement limitée par la conception du sandwich et les températures maximales acceptables par les composants électroniques. [0008] Les dispositifs actuels ne sont pas assez efficaces, demandent une puissance de pompe et/ou présente un poids et/ou un encombrement trop importants.
[0009] Il en résulte un besoin pour un dispositif de refroidissement répondant au moins partiellement à cette problématique.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
[0010] L'objet de l'invention concerne un dispositif de régulation thermique pour des composants dont le fonctionnement est sensible à la température, ces composants étant notamment des composants électroniques, notamment de puissance, susceptibles de chauffer, ledit dispositif comprenant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux de circulation, lesdits canaux s’étendant principalement selon un axe longitudinal, pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, la plaque supérieure du dispositif de refroidissement étant configurée pour être en contact thermique avec le composant,
Le dispositif comprenant dans au moins une partie des canaux de circulation configurés pour être en vis-vis avec le composant, au moins un élément perturbateur, s’étendant seulement partiellement sur la longueur desdits canaux de la plaque selon l’axe longitudinal d’extension principal des canaux, le dispositif étant caractérisé en ce que la surface des éléments perturbateurs du dispositif sont configurés pour présenter vis-à-vis de la surface du composant en contact avec la plaque supérieure du dispositif, un ratio de surface compris entre 15 et 60, de préférence entre 15 et 36.
[0011] On comprend par « la surface des éléments perturbateurs » la somme des surfaces de chaque élément perturbateur en contact avec le fluide. Ainsi, dans le cas d’ailettes, on prend en compte la surface des deux faces des ailettes.
[0012] On comprend par la « surface du composant », la surface en contact avec le dispositif de refroidissement, notamment la surface de l’interface thermique du composant.
[0013] On comprend par « vis-à-vis » des zones se chevauchant quand elles sont observées suivant un axe perpendiculaire à ces zones.
[0014] Selon un aspect de l’invention, lesdits éléments perturbateurs s’étendant sur la totalité de la largeur de la plaque selon un axe transversal à l’axe longitudinal des canaux.
[0015] En d’autres termes, lesdits éléments perturbateurs s’étendent entre les deux parois longitudinales d’un canal, lesdites parois s’étendant le long de l’axe longitudinal.
[0016] Selon un aspect de l’invention, les canaux qui comprennent des éléments perturbateurs comprennent chacun un élément perturbateur sous forme d’une plaque ondulée de type ailette. [0017] Selon un aspect de l’invention, les ailettes sont choisies parmi les ailettes lisses, perforées, à chevrons, à persiennes ou dentelées.
[0018] Selon un aspect de l’invention, les ailettes sont configurées pour s’étendre sur une longueur comprise entre 95% et 130% de la longueur de la surface du composant en contact avec le dispositif selon l’axe longitudinal.
[0019] Selon un aspect de l’invention, les ailettes étant de préférence centrées longitudinalement par rapport au composant.
[0020] Selon un aspect de l’invention, les ailettes sont configurées pour être en regard d’au moins 95% de la surface projetée du composant en regard des canaux, de préférence 100%. En d’autres termes, la surface du composant en regard des canaux voit sur au moins 95% de sa longueur les ailettes en regard, de préférence 100%. Les ailettes ne sont alors pas centrées longitudinalement par rapport au composant, et peuvent déborder particulièrement voire seulement d’un côté.
[0021] Selon un aspect de l’invention, les ailettes s’étendent entre la plaque inférieure et la plaque supérieure sur toute la hauteur des canaux.
[0022] Selon un aspect de l’invention, les ailettes présentent un pas entre chaque ondulation compris entre 0.4 mm et 1.5 mm, de préférence 1mm.
[0023] Cela est particulièrement avantageux d’avoir des ailettes lisses avec un pas entre 0.4mm et 0.6mm, ou d’avoir des ailettes à persiennes avec un pas compris entre 1mm et 1.5mm.
[0024] Selon un aspect de l’invention, le ratio de surface est compris entre 26 et 59 et l’au moins un élément perturbateur est sous forme d’une plaque ondulée de type ailette lisse ou ailette décalée latéralement.
[0025] Les ailettes décalées latéralement sont aussi appelées « roll offset » en Anglais.
[0026] Selon un aspect de l’invention, le ratio de surface est compris entre 16 et 35 et l’au moins un élément perturbateur est sous forme d’une plaque ondulée de type ailette à persiennes.
[0027] Selon un aspect de l’invention, le dispositif comprend deux canaux de circulation de fluide, les deux canaux étant configurés pour être en contact thermique avec le composant, chaque canal comprenant un élément perturbateur de type ailette.
[0028] Selon un aspect de l’invention, les deux canaux forment des passes allers et retour depuis un conduit d’entrée de circulation de fluide et vers un conduit de sortie de circulation de fluide, un canal forme la passe aller et un canal forme la passe retour, les deux canaux étant reliés ensemble par une portion de retournement formant une circulation de fluide en forme de U.
[0029] Selon un aspect de l’invention, le dispositif comprend trois canaux de circulation de fluide. [0030] Selon un aspect de l’invention, les trois canaux étant configurés pour être en contact thermique avec le composant, chaque canal comprenant un élément perturbateur de type ailette.
[0031] Selon un aspect de l’invention, les 3 canaux forment des passes allers et retour depuis un conduit d’entrée de circulation de fluide et vers un conduit de sortie de circulation de fluide, un canal forme la passe aller et deux canaux forment la passe retour, l’ensemble des canaux formant une circulation de fluide en forme de U.
[0032] Selon un aspect de l’invention, les 3 canaux forment des passes allers et retour depuis un conduit d’entrée de circulation de fluide et vers un conduit de sortie de circulation de fluide, deux canaux forment la passe aller et un canal forme la passe retour, l’ensemble des canaux formant une circulation de fluide en forme de U.
[0033] L’invention concerne aussi un système comprenant un dispositif électronique tel que décrit précédemment, et au moins un élément à réguler, l’élément comprenant au moins un composant susceptible de chauffer et une interface thermique en contact entre ledit composant et la plaque supérieure du dispositif, le ratio de surface étant calculé entre la surface de l’interface thermique en contact avec la plaque supérieure vis-à-vis de la surface des éléments perturbateurs.
[0034] Ainsi, l’invention porte sur un système électronique comprenant un dispositif de régulation thermique pour au moins un composant susceptible de chauffer, le composant comprenant au moins un élément à réguler, et notamment un élément intermédiaire diffuseur de chaleur, et une interface thermique en contact entre ledit élément à réguler ou l’élément intermédiaire et le dispositif, ledit dispositif (x) comprenant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux (21) de circulation, lesdits canaux s’étendant principalement selon un axe longitudinal, pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, la plaque supérieure du dispositif de refroidissement étant configurée pour être en contact thermique avec l’interface thermique de l’élément, le dispositif comprenant dans au moins une partie des canaux de circulation configurés pour être en vis-vis avec l’élément, au moins un élément perturbateur, s’étendant seulement partiellement sur la longueur desdits canaux de la plaque selon l’axe longitudinal d’extension principal des canaux, le dispositif étant caractérisé en ce que la surface des éléments perturbateurs du dispositif sont configurés pour présenter vis-à-vis de la surface du composant en contact avec la plaque supérieure du dispositif, un ratio de surface compris entre 15 et 60, de préférence entre 15 et 36.
[0035] Selon un aspect de l’invention, l’interface thermique (301) comprend au moins une couche en contact avec la plaque supérieure du dispositif composée d’indium et présentant une épaisseur comprise entre 0.3 et 0.5 mm. Selon un aspect de l’invention, l’interface thermique comprend plusieurs couches, la couche en contact avec la plaque supérieure du dispositif étant réalisée en indium et présentant une épaisseur comprise entre 0.3 et 0.5 mm.
[0036] Selon un aspect de l’invention, l’interface thermique présente un ratio de résistance thermique inférieure à 6% de la résistance thermique totale entre l’interface thermique et le fluide caloporteur, notamment un ratio compris entre 2 et 5.5%, de préférence entre 2.2% et 5%, encore préférentiellement entre 2.2% et 2.7% de la résistance thermique totale entre l’interface thermique et le fluide caloporteur.
[0037] On comprend que la majorité de la résistance thermique vient de la résistance de convection entre le fluide et le dispositif de refroidissement, notamment dans les cas où l’interface thermique est déjà optimisée. Il ne reste alors principalement que la résistance de conduction à prendre en compte, celle-ci étant ici inférieure à 6%
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0038] La présente invention sera décrite plus en détail ci-après en référence aux dessins.
[0039] La figure 1 montre schématiquement un dispositif de l’art antérieur en vue du dessus ;
[0040] La figure 2 montre schématiquement un dispositif selon un premier mode de réalisation en vue du dessus;
[0041] La figure 3 montre schématiquement un dispositif selon le premier mode de réalisation en vue de coupe ;
[0042] La figure 4 montre schématiquement un dispositif selon un deuxième mode de réalisation dans une vue latérale;
[0043] La figure 5 montre schématiquement un système selon un premier mode de réalisation dans une vue en perspective ;
[0044] La figure 6 montre schématiquement un système selon le premier mode de réalisation dans une vue éclatée ;
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0045] La figure 1 montre un exemple de dispositif selon l’art antérieur. Le dispositif 210 comprend un premier canal de fluide 213 pour guider le fluide d'échange de chaleur à travers le dispositif entre les deux plaques. Le dispositif comprend des ouvertures de fluide 250 pour introduire et évacuer le fluide caloporteur. [0046] Dans le mode de réalisation illustré, le premier canal de fluide 213 forme un chemin d'écoulement en U ayant un premier bras 214 et un second bras 215. Les ouvertures de fluide 250 peuvent être disposées aux extrémités opposées de la trajectoire d'écoulement en U.
[0047] Le dispositif 210 peut comprendre une pluralité de canaux (216, 217, 218), séparées par des nervures (253, 254) formées sur l’une des plaques, de préférence la plaque inférieure, par exemple par emboutissage.
[0048] Le dispositif peut être fixé au système 100 par une plaque de support 202.
[0049] La figure 2 montre le dispositif selon un exemple non limitatif de l’invention, avec des éléments perturbateurs sous le composant à refroidir tel qu’un élément à réguler, comprenant notamment un élément intermédiaire diffuseur de chaleur, tel qu’un insert en cuivre, et l’interface thermique.
[0050] Dans la figure 2, un seul composant est représenté, mais d’autres modes de réalisations comprennent une pluralité de composants à refroidir, deux ou plus, avec des éléments perturbateurs respectifs en vis-à-vis.
[0051] L’élément à réguler comprend notamment un élément électronique de grande puissance, tel qu’un processeur, un isolant tel que de l’indium, et un élément diffuseur de chaleur tel qu’un insert en cuivre. Cet ensemble peut lui-même être en contact avec le dispositif de refroidissement. Il est cependant avantageux d’avoir une interface thermique entre ledit ensemble et le dispositif de refroidissement, par exemple une interface thermique en indium.
[0052] Afin de simplifier la description de l'invention, on forme une référence cartésienne (o, x, y, z), et la direction o-x est définie comme étant la direction de la longueur, o-y est la direction de la hauteur, et o-z est la direction de la largeur, comme le montre la figure 5.
[0053] Le fluide caloporteur peut être un réfrigérant (tel que le R134A, le R-1234YF ou le R744) ou un réfrigérant de type coolant (par exemple, un mélange eau-glycol).
[0054] Dans un mode de réalisation, l’élément à réguler thermiquement est localisé sur un premier module de source de chaleur 410 qui est une carte de circuit imprimé.
[0055] Dans un mode de réalisation, le système électronique comprend en outre un châssis sur lequel le dispositif de régulation et le premier module de source de chaleur sont fixés.
[0056] La figure 3 montre une vue en coupe du dispositif 200 de la figure 2. Un élément perturbateur 270 destiné à améliorer l'efficacité de l'échange thermique est placé à l'intérieur du des canaux de fluide 213 en vis-à-vis de l’élément à réguler thermiquement 300 qui est en contact thermique avec la plaque supérieure 211, par l’intermédiaire d’une interface thermique 301.
[0057] Dans le mode de réalisation représenté à titre d’exemple dans la figure 3, le composant à refroidir n’est en regard que de deux des 3 canaux du dispositif selon l’invention. Ainsi conformément à l’invention, seuls ces deux canaux en vis-à-vis comprennent chacune un élément perturbateur du fluide.
[0058] Dans certains modes de réalisation, l’interface thermique 301 comprend de l’indium.
[0059] Dans certains modes de réalisation, l’interface thermique 301 comprend une couche de cuivre et une couche d’indium.
[0060] Dans certains modes de réalisation, l’élément à réguler comprend un élément intermédiaire diffuseur de chaleur formé au moins d’une couche de cuivre, formant par exemple un insert en cuivre.
[0061] La couche de cuivre présente une forte conduction thermique, ce qui permet avantageusement d’uniformiser la température dégagée par l’élément à refroidir sur une surface supérieure à celle de l’élément à refroidir.
[0062] La couche d’indium présente l’avantage d’isoler électriquement l’élément à refroidir tout en présentant une conduction thermique relativement bonne. Il est avantageusement plus malléable que le cuivre ce qui permet un meilleur contact avec la face supérieure du dispositif en jouant ainsi le rôle de pâte thermique. Cela permet notamment de gérer différentes hauteurs de composants à refroidir.
[0063] Il est tout à fait envisageable de remplacer la couche d’indium par un matériau dont les propriétés permettent de remplir la même fonction.
[0064] La figure 4 montre deux dispositif de régulation 200 dans une vue latérale. Le dispositif de régulation 210 et le dispositif de régulation 220 peuvent être reliés par des interconnecteurs 260 pour se fixer mécaniquement l'un à l'autre et permettre au fluide caloporteur de circuler entre eux.
[0065] Dans le mode de réalisation illustré, il y a deux interconnecteurs 260. L'un des interconnecteurs 260 peut être associé à l'introduction du fluide caloporteur dans le tube primaire 210 et le tube terminal 220, tandis que l'autre interconnecteur 260 peut être associé à la sortie du fluide caloporteur du dispositif de régulation 210 et du dispositif de régulation 220. Un embout d'entrée 251 peut être fixé au dispositif 210 et communiquer avec l'interconnecteur 260 pour introduire le fluide caloporteur dans le dispositif 210. Un embout de sortie 252 peut être fixé au dispositif 210 et communiquer avec l'interconnecteur 260 pour évacuer le fluide caloporteur du dispositif 210.
[0066] Le dispositif 210 peut comprendre des colliers pour recevoir les embouts d'entrée et de sortie 251, 252, en particulier des colliers de tube plat 261 situés sur le dispositif 210, qui dans ce cas serait en face des embouts d'entrée et de sortie 251, 252. [0067] Le dispositif 210 et le dispositif 220 peuvent comprendre des colliers pour recevoir les interconnecteurs 260.
[0068] La figure 5 montre un système électronique 100 avec une pluralité de modules de source de chaleur 410, 420, 430, 440 dans une vue en perspective. Le dispositif de régulation 200 comprend un dispositif 210 pour un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur circule à travers le dispositif de régulation 210, et permet l'échange de chaleur entre le dispositif de régulation 210 et toute source de chaleur en contact avec lui.
[0069] Dans le mode de réalisation représenté, le système comprend deux dispositifs de régulations 210 et 220, mais il peut n’y en avoir qu’un seul ou une pluralité, en fonction des besoins de refroidissement. Les deux dispositifs de régulations 210 et 220 sont connectés par des interconnecteurs 260.
[0070] La figure 6 montre un système 100 de la figure 1 dans une vue éclatée. Le premier module de source de chaleur 410 comprend au moins un élément à réguler thermiquement 411.
[0071] Dans le mode de réalisation représenté, le module de première source de chaleur 410 comprend une pluralité d’éléments à réguler thermiquement 411.
[0072] Dans un mode de réalisation, le premier module de source de chaleur 410 est une carte de circuit imprimé. Les éléments à réguler thermiquement 411 peuvent être des circuits intégrés individuels.
[0073] Le deuxième module de source de chaleur 420 comprend au moins un élément à réguler thermiquement 421.
[0074] Dans le mode de réalisation illustré, le deuxième module de source de chaleur 420 se présente sous la forme d'une cartouche 422, dans laquelle se trouve une carte de circuit imprimé comportant au moins un circuit intégré.
[0075] Le troisième module de source de chaleur 430 comprend au moins un élément à réguler thermiquement 431. Dans le mode de réalisation illustré, le module de troisième source de chaleur 430 comprend une pluralité d’éléments à réguler thermiquement 431.
[0076] Le quatrième module de source de chaleur 440 comprend au moins une quatrième source de chaleur 441. Dans un mode de réalisation, le quatrième module de source de chaleur 440 se présente sous la forme d'une cartouche 422 dans laquelle se trouve une carte PCB avec au moins un circuit intégré.
[0077] La présente invention concerne particulièrement le refroidissement de composants électroniques de puissance, présentant une puissance thermique très élevée, par exemple comprise entre 100W et 1KW, sur une très petite surface, par exemple de l’ordre de la dizaine de mm2 par exemple 12x12mm ou 65x65mm. [0078] Ainsi, l’élément à réguler, et/ou l’élément intermédiaire diffuseur de chaleur, peut facilement atteindre une température proche des 100°C.
[0079] Dans certains modes de réalisation, le fluide caloporteur présente une température à l’entrée du dispositif de refroidissement comprise entre 60°C et 65 °C, le fluide caloporteur provenant notamment par exemple d’un circuit refroidi par un radiateur basse température plutôt que par une boucle de climatisation comme on peut le retrouver dans des applications de refroidissement de batteries.
[0080] D'autres variantes des modes de réalisation divulgués peuvent être comprises et réalisées par l'homme du métier dans la pratique de l'invention revendiquée, à partir d'une étude des dessins, de la divulgation et des revendications annexées. Le simple fait que certaines mesures soient énoncées dans des revendications dépendantes mutuellement différentes n'indique pas qu'une combinaison de ces mesures ne peut pas être utilisée de manière avantageuse.

Claims

Revendications
1. Dispositif de régulation thermique (200, 210, 220) pour des composants (410) dont le fonctionnement est sensible à la température, ces composants (410) étant notamment des composants électroniques susceptibles de chauffer, ledit dispositif (200, 210, 220) comprenant une plaque supérieure et une plaque inférieure assemblée avec la plaque supérieure pour former ensemble une pluralité de canaux (21) de circulation, lesdits canaux s’étendant principalement selon un axe longitudinal, pour un fluide caloporteur, notamment un fluide réfrigérant, la plaque supérieure du dispositif de refroidissement étant configurée pour être en contact thermique avec le composant (410), le dispositif (200, 210, 220) comprenant dans au moins une partie des canaux (216, 217, 218) de circulation configurés pour être en vis-vis avec le composant (410), au moins un élément perturbateur (270), s’étendant seulement partiellement sur la longueur desdits canaux (216, 217, 218) de l’assemblage des plaques selon l’axe longitudinal d’extension principal des canaux, le dispositif étant caractérisé en ce que la surface des éléments perturbateurs (270) du dispositif sont configurés pour présenter vis-à-vis de la surface du composant (410) en contact avec la plaque supérieure du dispositif, un ratio de surface compris entre 15 et 60, de préférence entre 15 et 36.
2. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits éléments perturbateurs (270) s’étendant sur la totalité de la largeur de l’assemblage des plaques selon un axe transversal à l’axe longitudinal des canaux.
3. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les canaux (216, 217, 218) qui comprennent des éléments perturbateurs (270) comprennent chacun un élément perturbateur sous forme d’une plaque ondulée de type ailette.
4. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon la revendication 3, dans lequel les ailettes (270) sont configurées pour s’étendre sur une longueur comprise entre 95% et 130% de la longueur de la surface du composant en contact avec le dispositif selon l’axe longitudinal, les ailettes étant de préférence centrées longitudinalement par rapport audit composant.
5. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les ailettes (270) s’étendent entre la plaque inférieure et la plaque supérieure sur toute la hauteur des canaux (216, 217, 218).
6. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon la revendication 3 à 5, dans lequel les ailettes (270) présentent un pas entre chaque ondulation compris entre 0.4 mm et 1.5 mm, de préférence 1mm.
7. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon la revendication 3 à 6, dans lequel le ratio de surface est compris entre 26 et 59 et l’au moins un élément perturbateur (270) est sous forme d’une plaque ondulée de type ailette lisse ou ailette décalée latéralement.
8. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon la revendication 3 à 6, dans lequel le ratio de surface est compris entre 16 et 35 et l’au moins un élément perturbateur (270) est sous forme d’une plaque ondulée de type ailette à persiennes.
9. Dispositif de régulation (200, 210, 220) selon l’une des revendications précédentes, qui comprend trois canaux (216, 217, 218) de circulation de fluide, les trois canaux (216, 217, 218) formant des passes allers et retour depuis un conduit d’entrée de circulation de fluide et vers un conduit de sortie de circulation de fluide, un canal forme la passe aller et deux canaux forment la passe retour, l’ensemble des canaux (216, 217, 218) formant une circulation de fluide en forme de U.
10. Système électronique (100) comprenant un dispositif de régulation thermique (200, 210, 220) selon l’une des revendications précédentes, et au moins un composant susceptible de chauffer, le composant comprenant au moins un élément à réguler (411), et notamment un élément intermédiaire diffuseur de chaleur, et une interface thermique (301) en contact entre ledit élément à réguler (411) ou l’élément intermédiaire et la plaque supérieure du dispositif, le ratio de surface étant calculé entre la surface de l’interface thermique en contact avec la plaque supérieure vis-à-vis de la surface des éléments perturbateurs (270).
11. Système électronique (100) selon la revendication précédente, dans lequel l’interface thermique (301) comprend au moins une couche en contact avec la plaque supérieure du dispositif composée d’indium et présentant une épaisseur comprise entre 0.3 et 0.5 mm.
12. Système électronique (100) selon l’une des revendications 11 à 12, dans lequel l’interface thermique (301) présente un ratio de résistance thermique inférieure à 6% de la résistance thermique totale entre l’interface thermique (301) et le fluide caloporteur, notamment un ratio compris entre 2 et 5.5%, de préférence entre 2.2% et 5%, encore préférentiellement entre 2.2% et 2.7% de la résistance thermique totale entre l’interface thermique et le fluide caloporteur.
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