EP4681511A1 - Echangeur thermique pour un système de refroidissement de composants électroniques - Google Patents

Echangeur thermique pour un système de refroidissement de composants électroniques

Info

Publication number
EP4681511A1
EP4681511A1 EP24709438.6A EP24709438A EP4681511A1 EP 4681511 A1 EP4681511 A1 EP 4681511A1 EP 24709438 A EP24709438 A EP 24709438A EP 4681511 A1 EP4681511 A1 EP 4681511A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
cooling plate
exchanger
heat exchanger
heat
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
EP24709438.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Yvan Lechat
Luc DESTRO
Michael LISSNER
Morane CHAUMETTE-ORDONEZ
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 Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Publication of EP4681511A1 publication Critical patent/EP4681511A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/208—Liquid cooling with phase change
    • H05K7/20809—Liquid cooling with phase change within server blades for removing heat from heat source

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for an electronic component cooling system.
  • Servers used for data processing typically include printed circuit boards (PCBs) on which electronic components such as integrated circuits are arranged, which may include central processing units (CPUs), random access memory (RAMs), etc. All of these electronic components generate heat when in use. In order to maintain the contents of the servers at an optimal temperature in order to maximize the server's performance, it is essential to evacuate the heat thus generated and/or to cool the components concerned.
  • PCBs printed circuit boards
  • CPUs central processing units
  • RAMs random access memory
  • a heat sink is generally used that has fins or similar elements that allow the heat to be dissipated into the surrounding air. Such a heat sink is then placed in contact with the surface of the electronic chip. This contact can be direct or via a thermal interface material between the two components.
  • one or more fans can be used to circulate the air so as to remove the heat from the heat sink.
  • Such a heat sink can be used in combination with cooling on the server installation side, such as air conditioning.
  • this cooling method is not particularly efficient. It also has a high operating cost and requires very large spaces to manage the air used for cooling.
  • Immersion liquid cooling is an alternative to air cooling.
  • liquid cooling allows for more efficient heat transfer of electronic components, and thus greater cooling power.
  • Examples of such liquids are dielectric fluids or mineral oil.
  • Liquids with a high specific heat capacity are particularly advantageous.
  • immersion liquid cooling imposes strong technical constraints linked to the sealing of the boxes in which the printed circuits are immersed as well as the weight of these boxes which must be able to be supported by the buildings in which they are installed.
  • the invention relates to a heat exchanger for an electronic component cooling system comprising:
  • a cooling plate configured to be in contact with a first part of the electronic components and comprising a circulation channel for a first heat transfer fluid
  • a dual-fluid exchanger comprising a first fluid circuit in fluid communication with the circulation channel of the cooling plate to form a circulation loop of the first heat transfer fluid and a second fluid circuit configured to receive a second heat transfer fluid
  • the heat exchanger also comprises an additional cooling plate arranged in contact with the dual-fluid exchanger and at least one heat transfer element arranged between the additional cooling plate and a second part of the electronic components.
  • Such an exchanger makes it possible to cool several separate elements or several separate circuits from a single source, thus simplifying the circuit.
  • the cooling power can be adapted according to each of the components to be cooled.
  • the additional cooling plate is a passive cooling plate.
  • passive it is meant that no fluid circulates in the cooling plate.
  • the heat transfer element is an element from the following list:
  • a metal spring such as a coil spring
  • a flexible evaporator-condenser conduit or heat pipe comprising a two-phase fluid configured to evaporate at a first end in contact with an electronic component and to condense at a second end in contact with the additional cooling plate.
  • the heat transfer element is screwed onto the additional cooling plate.
  • the additional cooling plate is screwed onto the dual-fluid exchanger.
  • the additional cooling plate comprises a thermal foam arranged at the interface with the bi-fluid exchanger to maximize the heat exchanges with the bi-fluid exchanger.
  • the thermal foam comprises for example a graphite sheet having a thickness of between 10 microns and a few millimeters.
  • the bi-fluid exchanger comprises an aluminum support, preferably fixed by brazing, and on which the additional cooling plate is fixed.
  • the first heat transfer fluid circulating in the circulation loop is a two-phase fluid and the heat exchanger is configured to allow said two-phase fluid to evaporate during its passage in the circulation channel of the cooling plate and to condense during its passage in the first fluid circuit of the two-fluid exchanger.
  • the cooling plate comprises a floating valve configured to regulate the flow rate of the liquid phase two-phase fluid entering the circulation channel of the cooling plate depending on the amount of liquid phase two-phase fluid present in the circulation channel of the cooling plate such that the greater the evaporation of the two-phase fluid in the cooling plate, the greater the flow rate of liquid phase two-phase fluid entering the cooling plate.
  • the present invention also relates to a system comprising a heat exchanger as described above and electronic components in which the first part of the electronic devices is associated with a first thermal power and the second part of the electronic devices is associated with a second thermal power, lower than the first thermal power.
  • the electronic devices are arranged on a printed circuit, the first portion of the electronic devices comprising one or more processors and the second portion of the electronic devices comprising other components of the printed circuit.
  • the system is a data server.
  • the present invention also relates to a method of using a heat exchanger as described above comprising a two-phase fluid circulation loop connecting a hot source and a cold source and in which the two-phase fluid is configured to evaporate as it passes through the hot source and to condense as it passes through the cold source.
  • the hot source comprises one or more electronic components and the cold source comprises a bi-fluid exchanger.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a heat exchanger according to a first embodiment of the present invention
  • FIG.2 Figure 1 is a schematic representation of a heat exchanger according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a two-phase fluid circulation loop between two thermal devices
  • Figure 4 is a schematic representation of a cooling plate comprising a floating valve for regulating the flow of two-phase fluid.
  • the electronic components 5 are for example subdivided into a first part PI associated with a first thermal power, a second part P2 associated with a second thermal power lower than the first thermal power and a third part P3 associated with a third thermal power lower than the second thermal power.
  • the first part PI of the electronic components 5 comprises for example a processor 5a (“Central Processing Unit (CPU)” in English) or several processors 5a, the second part P2 of the electronic components 5 comprises for example random access memory (RAM) and/or a power supply and the third part comprises for example transistors and other simple electronic components.
  • processor 5a Central Processing Unit (CPU)
  • RAM random access memory
  • the third part comprises for example transistors and other simple electronic components.
  • PCB Print Circuit Board
  • the heat exchanger 1 comprises a cooling plate 9 configured to be in contact with the first part PI of the electronic components 5, here the processor 5a.
  • the cooling plate 9 comprises a circulation channel configured to receive a first heat transfer fluid.
  • the heat exchanger 1 also comprises a two-fluid exchanger 7.
  • the bi-fluid exchanger 7 comprises a first fluid circuit Cl in fluid communication with the circulation channel of the cooling plate 9 to form a circulation loop B of the first heat transfer fluid.
  • the first heat transfer fluid is for example a two-phase fluid configured to evaporate during its passage in the cooling circulation channel 9 and to condense during its passage in the first fluid circuit C1 of the two-fluid exchanger.
  • the dual-fluid exchanger 7 also comprises a second fluid circuit C2 configured to receive a second heat transfer fluid.
  • the inlet of the second fluid circuit C2 is for example connected to a conduit 12 for supplying the second heat transfer fluid.
  • the supply conduit 12 may be a conduit supplying different cabinets (“racks” in English) of the data server and which may be connected to a central heat exchanger (not shown) of the data server.
  • the outlet of the second fluid circuit C2 is for example connected to a return pipe 18 of the second heat transfer fluid.
  • the return pipe 18 of the heat transfer fluid is for example connected to the central heat exchanger of the server of data.
  • the second heat transfer fluid is, for example, water or glycol water.
  • the two-phase fluid of the circulation loop B is chosen so that during its circulation in the circulation loop B, the two-phase fluid evaporates during its passage in the cooling plate 9 which constitutes with the first part PI of the electronic components 5 a hot source and to condense during its passage in the two-fluid exchanger 17 which constitutes a cold source.
  • This evaporation and this condensation make it possible to achieve a circulation of the two-phase fluid in the circulation loop B, the flow rate of two-phase fluid being all the greater as the temperature of the cooling plate 9 is high.
  • the circulation loop B comprises a porous structure 19 forming a wick at the cooling plate 9.
  • the porous structure 19 is arranged in the circulation channel of the two-phase fluid of the cooling plate 9.
  • the porous structure 19 is configured to control the flow rate of the two-phase fluid by capillary pumping. Indeed, the gas phase of the two-phase fluid evaporated in the cooling plate 9 returns to the two-fluid exchanger 17 via a first section SE1 of the circulation loop B. This evaporation causes the two-phase fluid to be sucked into the liquid phase from the two-fluid exchanger 17 in the second section SE2 of the circulation loop B, the two-phase fluid condensing as it passes through the two-fluid exchanger 17.
  • the circulation loop B comprises a floating valve 21 at the cooling plate 9.
  • the floating valve 21 is arranged in the circulation channel of the two-phase fluid of the cooling plate 9.
  • the floating valve 21 is configured to regulate the flow rate of the two-phase fluid in the liquid phase entering the cooling plate 9 according to the quantity of two-phase fluid in the liquid phase present in the cooling plate 9 such that the greater the evaporation of the two-phase fluid in the cooling plate 9, the more the level of the floating valve 21 drops and the greater the flow rate of two-phase fluid in the liquid phase coming from the two-fluid exchanger 17 and entering the cooling plate 9.
  • the two-phase fluid in gas phase evaporated in the cooling plate 9 returns to the two-fluid exchanger 17 via the circulation loop B.
  • the two-phase fluid is then condensed in the two-fluid exchanger 17 to return to the cooling plate 9 in the liquid state.
  • the circulation of the two-phase fluid in the circulation loop B can be done without requiring a pump and without any energy input other than the heat produced by the processor 5a in contact with the cooling plate 9.
  • the heat exchanger 1 also comprises a cooling plate additional 11 arranged in contact with the dual-fluid exchanger 7 and in particular near the second fluid circuit C2 in which the second heat transfer fluid circulates.
  • the additional cooling plate 11 may be passive, i.e. devoid of a fluid circulation channel.
  • the additional cooling plate 11 in particular allows heat exchange by conduction.
  • the additional cooling plate 11 may be a metal plate, in particular made of steel or aluminum.
  • the additional cooling plate 11 may comprise a thermal foam (“thermal pad” in English) arranged at the interface with the bi-fluid exchanger 7 to maximize the heat exchanges with the bi-fluid exchanger 7.
  • the thermal foam comprises for example a graphite sheet with a thickness of between 100 microns and a few millimeters.
  • the thermal foam may also comprise other elements such as silicone.
  • the heat exchanger 1 also comprises at least one heat transfer element arranged between the additional cooling plate 11 and the second part P2 of the electronic components 5.
  • the heat transfer element is in contact on the one hand with the additional cooling plate 11 at a first end and on the other hand with at least one of the electronic components 5 of the second part P2 of the electronic components 5.
  • the heat transfer element is for example a metal spring 13a such as a helical spring.
  • the heat transfer element may also be a flexible evapo-condenser conduit 13b, also called a heat pipe, containing a two-phase fluid configured to evaporate at a first end of the heat transfer element in contact with the electronic component(s) 5 of the second part P2 and to condense at the second end of the heat transfer element in contact with the additional cooling plate 11.
  • a flexible evapo-condenser conduit 13b also called a heat pipe, containing a two-phase fluid configured to evaporate at a first end of the heat transfer element in contact with the electronic component(s) 5 of the second part P2 and to condense at the second end of the heat transfer element in contact with the additional cooling plate 11.
  • the heat transfer element may also be made of a thermally conductive material such as a plastic material loaded with metal particles or any other material having a high thermal conductivity (for example >1W.m-1.K-1).
  • the heat transfer element is for example screwed onto the additional cooling plate 11 like the heat transfer element 13c of FIG. 2.
  • the thermal element may also be glued.
  • a fan 14 may also be arranged in the housing 3 to promote cooling of the electronic components by convection, in particular for the electronic components 5 of the third part P3 which are not in contact with a heat transfer element.
  • the heat produced by the electronic components of the third part P3 is then transferred to the bi-fluid exchanger 7 by convection via the air present in the housing 3. In the absence of the housing 3, the heat of the components of the third part is dissipated into the surrounding air.
  • the present invention also relates to a system comprising a heat exchanger 1 as described above as well as electronic components 5.
  • the system is for example a data server comprising a plurality of heat exchangers 1 as described above connected to a central heat exchanger and a general circuit allowing the circulation of the heat transfer fluid to the different heat exchangers via supply 12 and return 18 conduits.
  • the present invention also relates to a method of using a heat exchanger 1 as described above comprising a circulation loop for a two-phase fluid, for example the circulation loop B, connecting a hot source, for example the cooling plate 9 in contact with the processor 5a, and a cold source, for example the two-fluid exchanger 7, and in which the two-phase fluid is configured to evaporate during its passage through the hot source, here the cooling plate 9, and to condense during its passage through the cold source, here the two-fluid exchanger 7.
  • the flow rate of the two-phase fluid is for example controlled by a floating valve 21 or a porous structure 19 forming a wick configured to perform capillary pumping.
  • the present invention makes it possible, through the use of a heat exchanger 1 comprising at least two separate cooling devices for different electronic components 5 having different thermal powers from a single heat transfer fluid, to cool the different electronic components 5 simply and effectively while limiting the weight of the cooling device for the electronic components 5.

Landscapes

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Abstract

Echangeur thermique (1) comprenant : - une plaque de refroidissement (9) configurée pour être en contact avec une première partie (P1) des composants électroniques (5) et comprenant un canal de circulation d'un premier fluide caloporteur, - un échangeur bi-fluide (7) comprenant un premier circuit de fluide (C1) en communication fluidique avec le canal de circulation de la plaque de refroidissement (9) pour former une boucle de circulation (B) du premier fluide caloporteur et un deuxième circuit de fluide (C2) configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, dans lequel l'échangeur thermique (1) comprend également une plaque de refroidissement additionnelle (11) disposée en contact avec l'échangeur bi-fluide (7) et au moins un élément de transfert thermique (13a, 13b, 13c) disposé entre la plaque de refroidissement additionnelle (11) et une deuxième partie (P2) des composants électroniques (5).

Description

Description
Titre de l’invention : Echangeur thermique pour un système de refroidissement de composants électroniques
[0001] La présente invention concerne un échangeur thermique pour un système de refroidissement de composants électroniques.
[0002] Les serveurs utilisés pour le traitement des données (couramment appelés technologies de l'information ou « IT » en anglais) comportent généralement des cartes de circuits imprimés (printed circuit board « PCB » en anglais) sur lesquelles sont agencés des composants électroniques tels que circuits intégrés, qui peuvent inclure des unités centrales de traitement (central processing unit « CPU » en anglais), de la mémoire vive (random access memory « RAM » en anglais), etc. Tous ces composants électroniques génèrent de la chaleur lorsqu'ils sont utilisés. Afin de maintenir le contenu des serveurs à une température optimale pour pouvoir maximiser les performances du serveur, il est primordial d’évacuer la chaleur ainsi générée et/ou de refroidir les composants concernés.
[0003] En général, les composants électroniques utilisés au sein des serveurs sont refroidis par air. On utilise généralement un dissipateur thermique comportant des ailettes ou des éléments similaires permettant d’évacuer la chaleur dans l’air environnant. Un tel dissipateur thermique est alors placé en contact avec la surface de la puce électronique. Ce contact peut être direct ou bien se faire par l'intermédiaire d'un matériau à interface thermique entre les deux composants. En plus du dissipateur thermique, un ou plusieurs ventilateurs peuvent être utilisés pour faire circuler l'air de manière à enlever la chaleur du dissipateur thermique. Un tel dissipateur thermique peut être utilisé en combinaison avec le refroidissement du côté de l'installation du serveur, comme la climatisation. Cependant, cette méthode de refroidissement n'est pas particulièrement efficace. Elle présente par ailleurs un coût de fonctionnement élevé et requiert des espaces très volumineux pour gérer l'air utilisé pour le refroidissement.
[0004] Le refroidissement par liquide par immersion est une alternative au refroidissement par air. Dans certains cas, le refroidissement par liquide permet un transfert de chaleur plus efficace des composants électroniques, et donc une plus grande puissance de refroidissement. Ces liquides sont par exemple des fluides diélectriques ou de l'huile minérale.
[0005] Les liquides ayant une capacité thermique spécifique élevée sont particulièrement avantageux.
[0006] Cependant, le refroidissement par liquide par immersion impose de fortes contraintes techniques liées à l’étanchéité des caissons dans lesquels sont immergés les circuits imprimés ainsi que le poids de ces caissons qui doit pouvoir être supporté par les bâtiments dans lesquels ils sont installés.
[0007] Il convient donc de trouver une solution permettant de dissiper efficacement la chaleur des composants électroniques des serveurs tout en limitant les contraintes techniques imposées par ce refroidissement des composants électroniques.
[0008] À cet effet, l’invention a pour objet un échangeur thermique pour un système de refroidissement de composants électroniques comprenant :
- une plaque de refroidissement configurée pour être en contact avec une première partie des composants électroniques et comprenant un canal de circulation d’un premier fluide caloporteur,
- un échangeur bi- fluide comprenant un premier circuit de fluide en communication fluidique avec le canal de circulation de la plaque de refroidissement pour former une boucle de circulation du premier fluide caloporteur et un deuxième circuit de fluide configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, dans lequel l’échangeur thermique comprend également une plaque de refroidissement additionnelle disposée en contact avec l’échangeur bi-fluide et au moins un élément de transfert thermique disposé entre la plaque de refroidissement additionnelle et une deuxième partie des composants électroniques.
[0009] Un tel échangeur permet de refroidir plusieurs éléments distincts ou plusieurs circuits distincts à partir d’une même et unique source, simplifiant ainsi le circuit. En outre, la puissance du refroidissement peut être adaptée en fonction de chacun des composants à refroidir.
[0010] Selon un autre aspect de la présente invention, la plaque de refroidissement additionnelle est une plaque de refroidissement passive. Par passive on entend qu’aucun fluide ne circule dans la plaque de refroidissement.
[0011] Selon un autre aspect de la présente invention, l’élément de transfert thermique est un élément de la liste suivante :
- un ressort métallique tel qu’un ressort hélicoïdal,
- un conduit évapo-condenseur ou caloduc flexible comprenant un fluide dipha- sique configuré pour s’évaporer à une première extrémité en contact avec un composant électronique et pour condenser à une deuxième extrémité en contact avec la plaque de refroidissement additionnelle.
[0012] Selon un autre aspect de la présente invention, l’élément de transfert thermique est vissé sur la plaque de refroidissement additionnelle.
[0013] Selon un autre aspect de la présente invention, la plaque de refroidissement additionnelle est vissée sur l’échangeur bi-fluide.
[0014] Selon un autre aspect de la présente invention, la plaque de refroidissement additionnelle comprend une mousse thermique disposée à l’interface avec l’échangeur bi-fluide pour maximiser les échanges thermiques avec l’échangeur bi-fluide. La mousse thermique comprend par exemple une feuille de graphite ayant une épaisseur comprise entre làà microns et quelques millimètres. [0015] Selon un autre aspect de la présente invention, l’échangeur bi-fluide comprend un support en aluminium, de préférence fixé par brasage, et sur lequel est fixée la plaque de refroidissement additionnelle.
[0016] Selon un autre aspect de la présente invention, l’échangeur bi-fluide est un échangeur à plaques.
[0017] Selon un autre aspect de la présente invention, le premier fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation est un fluide diphasique et l’échangeur thermique est configuré pour permettre audit fluide diphasique de s’évaporer lors de son passage dans le canal de circulation de la plaque de refroidissement et de condenser lors de son passage dans le premier circuit de fluide de l’échangeur bi-fluide.
[0018] Selon un autre aspect de la présente invention, la plaque de refroidissement est configurée pour contrôler le débit du fluide diphasique par un pompage capillaire.
[0019] Selon un autre aspect de la présente invention, la plaque de refroidissement comprend une structure poreuse formant une mèche configurée pour contrôler le débit du fluide diphasique par un pompage capillaire.
[0020] Selon un autre aspect de la présente invention, la plaque de refroidissement comprend une vanne flottante configurée pour réguler le débit du fluide diphasique en phase liquide entrant dans le canal de circulation de la plaque de refroidissement en fonction de la quantité de fluide diphasique en phase liquide présente dans le canal de circulation de la plaque de refroidissement de sorte que plus l’évaporation du fluide diphasique dans la plaque de refroidissement est importante, plus le débit de fluide diphasique en phase liquide entrant dans la plaque de refroidissement est important.
[0021] La présente invention concerne également un système comprenant un échangeur thermique tel que décrit précédemment et des composant électroniques dans lequel la première partie des dispositifs électroniques est associée à une première puissance thermique et la deuxième partie des dispositifs électroniques est associée à une deuxième puissance thermique, inférieure à la première puissance thermique.
[0022] Selon un autre aspect de la présente invention, les dispositifs électroniques sont disposés sur un circuit imprimé, la première partie des dispositifs électroniques comprenant un ou plusieurs processeurs et la deuxième partie des dispositifs électroniques comprenant d’autres composants du circuit imprimé.
[0023] Selon un autre aspect de la présente invention, le système est un serveur de données.
[0024] La présente invention concerne également un procédé d’utilisation d’un échangeur thermique tel que décrit précédemment comprenant une boucle de circulation d’un fluide diphasique reliant une source chaude et une source froide et dans laquelle le fluide diphasique est configuré pour s’évaporer lors de son passage dans la source chaude et pour condenser lors de son passage dans la source froide.
[0025] Selon un autre aspect de la présente invention, la source chaude comprend un ou plusieurs composants électroniques et la source froide comprend un échangeur bi-fluide.
[0026] D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples illustratifs mais non limitatifs de la présente invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels :
[0027] [Fig 1] La figure 1 est une représentation schématique d’un échangeur thermique selon un premier mode de réalisation de la présente invention ;
[0028] [Fig.2] La figure 1 est une représentation schématique d’un échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention ;
[0029] [Fig.3] La figure 3 est une représentation schématique d’une boucle de circulation d’un fluide diphasique entre deux dispositifs thermiques ;
[0030] [Fig.4] La figure 4 est une représentation schématique d’une plaque de refroidissement comprenant une vanne flottante permettant de réguler le débit de fluide diphasique.
[0031] Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
[0032] Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
[0033] Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère, etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches, mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tel critère.
[0034] La présente invention concerne un échangeur thermique pour un système de refroidissement de composants électroniques, notamment pour des composants électroniques d’un serveur de données.
[0035] La figure 1 représente une vue schématique d’un tel échangeur thermique 1 selon un premier mode de réalisation. [0036] Les composants électroniques 5 et l’échangeur thermique 1 peuvent être disposés dans un boîtier 3.
[0037] Les différents composants électroniques 5 peuvent être associés à différentes puissances thermiques, c’est-à-dire qu’ils peuvent générés plus ou moins de chaleur et donc nécessiter une dissipation plus ou moins importante de chaleur pour limiter leur température.
[0038] Les composants électroniques 5 sont par exemple sous-divisés en une première partie PI associée à une première puissance thermique, une deuxième partie P2 associée à une deuxième puissance thermique inférieure à la première puissance thermique et une troisième partie P3 associée à une troisième puissance thermique inférieure à la deuxième puissance thermique.
[0039] La première partie PI des composants électroniques 5 comprend par exemple un processeur 5a (« Central Processing Unit (CPU) » en anglais) ou plusieurs processeurs 5a, la deuxième partie P2 des composants électroniques 5 comprend par exemple de la mémoire vive (« Random Access Memory (RAM) » en anglais) et/ou une alimentation et la troisième partie comprend par exemple des transistors et d’autres composants électroniques simples.
[0040] L’ensemble des composants électroniques 5 peut être disposé sur un unique circuit imprimé 6 (« Printed Circuit Board (PCB) » en anglais).
[0041] L’échangeur thermique 1 comprend une plaque de refroidissement 9 configurée pour être en contact avec la première partie PI des composants électroniques 5, ici le processeur 5a. La plaque de refroidissement 9 comprend un canal de circulation configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur.
[0042] L’échangeur thermique 1 comprend également un échangeur bi-fluide 7.
[0043] L’échangeur bi-fluide 7 comprend un premier circuit de fluide Cl en communication fluidique avec le canal de circulation de la plaque de refroidissement 9 pour former une boucle de circulation B du premier fluide caloporteur.
[0044] Le premier fluide caloporteur est par exemple un fluide diphasique configuré pour s’évaporer lors de son passage dans le canal de circulation de refroidissement 9 et pour condenser lors de son passage dans le premier circuit de fluide Cl de l’échangeur bi-fluide.
[0045] L’échangeur bi-fluide 7 comprend également un deuxième circuit de fluide C2 configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.
[0046] L’entrée du deuxième circuit de fluide C2 est par exemple reliée à un conduit 12 d’alimentation du deuxième fluide caloporteur. Le conduit d’alimentation 12 peut être un conduit alimentant différentes armoires (« racks » en anglais) du serveur de données et qui peut être relié à un échangeur thermique central (non représenté) du serveur de données.
[0047] La sortie du deuxième circuit de fluide C2 est par exemple relié à un conduit de retour 18 du deuxième fluide caloporteur. Le conduit de retour 18 du fluide caloporteur est par exemple relié à l’échangeur thermique central du serveur de données. Le deuxième fluide caloporteur est par exemple de l’eau ou de l’eau glycolée.
[0048] Le fluide diphasique de la boucle de circulation B est choisi de sorte que lors de sa circulation dans la boucle de circulation B, le fluide diphasique s’évapore lors de son passage dans la plaque de refroidissement 9 qui constitue avec la première partie PI des composants électroniques 5 une source chaude et pour condenser lors de son passage dans l’échangeur bi-fluide 17 qui constitue une source froide. Cette évaporation et cette condensation permettent de réaliser une circulation du fluide diphasique dans la boucle de circulation B, le débit de fluide diphasique étant d’autant plus important que la température de la plaque de refroidissement 9 est élevée.
[0049] Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 3, la boucle de circulation B comprend une structure poreuse 19 formant une mèche au niveau de la plaque de refroidissement 9. La structure poreuse 19 est disposée dans le canal de circulation du fluide diphasique de la plaque de refroidissement 9. La structure poreuse 19 est configurée pour contrôler le débit du fluide diphasique par un pompage capillaire. En effet, la phase gazeuse du fluide diphasique évaporé dans la plaque de refroidissement 9 retourne vers l’échangeur bi-fluide 17 via une première section SE1 de la boucle de circulation B. Cette évaporation entraine l’aspiration du fluide diphasique en phase liquide issu de l’échangeur bi- fluide 17 dans la deuxième section SE2 de la boucle de circulation B, le fluide diphasique condensant lors de son passage dans l’échangeur bi-fluide 17.
[0050] Selon une variante de réalisation alternative représentée sur la figure 4, la boucle de circulation B comprend une vanne flottante 21 au niveau de la plaque de refroidissement 9. La vanne flottante 21 est disposée dans le canal de circulation du fluide diphasique de la plaque de refroidissement 9. La vanne flottante 21 est configurée pour réguler le débit du fluide diphasique en phase liquide entrant dans la plaque de refroidissement 9 en fonction de la quantité de fluide diphasique en phase liquide présente dans la plaque de refroidissement 9 de sorte que plus l’évaporation du fluide diphasique dans la plaque de refroidissement 9 est importante, plus le niveau de la vanne flottante 21 baisse et plus le débit de fluide diphasique en phase liquide issu de l’échangeur bi-fluide 17 et entrant dans la plaque de refroidissement 9 est important. Le fluide diphasique en phase gazeuse évaporé dans la plaque de refroidissement 9 retourne vers l’échangeur bi-fluide 17 via la boucle de circulation B. Le fluide diphasique est alors condensé dans l’échangeur bi-fluide 17 pour repartir vers la plaque de refroidissement 9 à l’état liquide.
[0051] Ainsi, la circulation du fluide diphasique dans la boucle de circulation B peut se faire sans requérir une pompe et sans apport d’énergie autre que la chaleur produite par le processeur 5a en contact à la plaque de refroidissement 9.
[0052] L’échangeur thermique 1 comprend également une plaque de refroidissement additionnelle 11 disposée en contact avec l’échangeur bi-fluide 7 et notamment à proximité du deuxième circuit de fluide C2 dans lequel circule le deuxième fluide caloporteur.
[0053] La plaque de refroidissement additionnelle 11 peut être passive, c’est-à-dire dépourvue d’un canal de circulation de fluide. La plaque de refroidissement additionnelle 11 permet notamment un échange thermique par conduction. La plaque de refroidissement additionnelle 11 peut être une plaque métallique, notamment en acier ou en aluminium.
[0054] La plaque de refroidissement additionnelle 11 peut comprendre une mousse thermique (« thermal pad » en anglais) disposée à l’interface avec l’échangeur bi-fluide 7 pour maximiser les échanges thermiques avec l’échangeur bi-fluide 7. La mousse thermique comprend par exemple une feuille de graphite d’une épaisseur comprise entre 100 microns et quelques millimètres. La mousse thermique peut également comprendre d’autres éléments tels que du silicone.
[0055] L’échangeur thermique 1 comprend également au moins un élément de transfert thermique disposé entre la plaque de refroidissement additionnelle 11 et la deuxième partie P2 des composants électroniques 5. L’élément de transfert thermique est en contact d’une part avec la plaque de refroidissement additionnelle 11 à une première extrémité et d’autre part avec au moins un des composants électroniques 5 de la deuxième partie P2 des composants électroniques 5.
[0056] L’élément de transfert thermique est par exemple un ressort métallique 13a tel qu’un ressort hélicoïdal.
[0057] L’élément de transfert thermique peut également être un conduit évapo-con- denseur flexible 13b, aussi appelé caloduc (ou « heat pipe » en anglais), renfermant un fluide diphasique configuré pour s’évaporer à une première extrémité de l’élément de transfert thermique en contact avec le ou les composants électroniques 5 de la deuxième partie P2 et pour condenser à la deuxième extrémité de l’élément de transfert thermique en contact avec la plaque de refroidissement additionnelle 11.
[0058] L’élément de transfert thermique peut également être réalisé dans un matériau conducteur thermiquement tel qu’un matériau plastique chargé en particule métallique ou tout autre matériau ayant un conductivité thermique importante (par exemple >lW.m-l.K-l). L’élément de transfert thermique est par exemple vissé sur la plaque de refroidissement additionnelle 11 comme l’élément de transfert thermique 13c de la figure 2. L’élément thermique peut également être collé.
[0059] Un ventilateur 14 peut également être disposé dans le boîtier 3 pour favoriser un refroidissement des composants électroniques par convection, notamment pour les composants électroniques 5 de la troisième partie P3 qui ne sont pas en contact avec un élément de transfert thermique. La chaleur produite par les composants électroniques de la troisième partie P3 est alors transférée vers l’échangeur bi-fluide 7 par convection via l’air présent dans le boîtier 3. En l’absence de boîtier 3, la chaleur des composants de la troisième partie est dissipée dans l’air environnant.
[0060] La présente invention concerne également un système comprenant un échangeur thermique 1 tel que décrit précédemment ainsi que des composants électroniques 5. Le système est par exemple un serveur de données comprenant une pluralité d’échangeurs thermiques 1 tel que décrit précédemment reliés à un échangeur thermique central et un circuit général permettant la circulation du fluide caloporteur jusqu’aux différents échangeurs thermiques via des conduits d’alimentation 12 et de retour 18.
[0061] La présente invention concerne également un procédé d’utilisation d’un échangeur thermique 1 tel que décrit précédemment comprenant une boucle de circulation d’un fluide diphasique, par exemple la boucle de circulation B, reliant une source chaude, par exemple la plaque de refroidissement 9 en contact avec le processeur 5a, et une source froide, par exemple l’échangeur bi-fluide 7, et dans laquelle le fluide diphasique est configuré pour s’évaporer lors de son passage dans la source chaude, ici la plaque de refroidissement 9, et pour condenser lors de son passage dans la source froide, ici l’échangeur bi-fluide 7. Le débit du fluide diphasique est par exemple contrôlé par une vanne flottante 21 ou une structure poreuse 19 formant une mèche configurée pour réaliser un pompage capillaire.
[0062] Ainsi, la présente invention permet par l’utilisation d’un échangeur thermique 1 comprenant au moins deux dispositifs de refroidissement distincts pour différents composants électroniques 5 ayant des puissances thermiques différentes à partir d’un unique fluide caloporteur de manière à refroidir de manière simple et efficace les différents composants électroniques 5 tout en limitant le poids du dispositif de refroidissement des composants électroniques 5.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Echangeur thermique (1) pour un système de refroidissement de composants électroniques (5) comprenant :
- une plaque de refroidissement (9) configurée pour être en contact avec une première partie (PI) des composants électroniques (5) et comprenant un canal de circulation d’un premier fluide caloporteur,
- un échangeur bi-fluide (7) comprenant un premier circuit de fluide (Cl) en communication fluidique avec le canal de circulation de la plaque de refroidissement (9) pour former une boucle de circulation (B) du premier fluide caloporteur et un deuxième circuit de fluide (C2) configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, caractérisé en ce que l’échangeur thermique (1) comprend également une plaque de refroidissement additionnelle (11) disposée en contact avec l’échangeur bi-fluide (7) et au moins un élément de transfert thermique (13a, 13b, 13c) disposé entre la plaque de refroidissement additionnelle (11) et une deuxième partie (P2) des composants électroniques (5), et en ce que la plaque de refroidissement additionnelle (11) est une plaque de refroidissement passive.
[Revendication 2] Echangeur thermique (1) selon la revendication 1 dans lequel l’élément de transfert thermique (13a, 13b, 13c) est un élément de la liste suivante :
- un ressort métallique (13a) tel qu’un ressort hélicoïdal,
- un conduit évapo-condenseur flexible (13b) comprenant un fluide diphasique configuré pour s’évaporer à une première extrémité en contact avec un composant électronique (5) et pour condenser à une deuxième extrémité en contact avec la plaque de refroidissement additionnelle (11).
[Revendication 3] Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente dans lequel l’élément de transfert thermique (13c) est vissé sur la plaque de refroidissement additionnelle (11).
[Revendication 4] Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’échangeur bi-fluide (7) comprend un support (7a) en aluminium, de préférence fixé par brasage, et sur lequel est fixée la plaque de refroidissement additionnelle (11).
[Revendication 5] Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’échangeur bi-fluide (7) est un échangeur à plaques.
[Revendication 6] Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation (B) est un fluide diphasique, l’échangeur thermique (1) étant configuré pour permettre audit fluide diphasique de s’évaporer lors de son passage dans le canal de circulation de la plaque de refroidissement (9) et de condenser lors de son passage dans le premier circuit de fluide (Cl) de l’échangeur bi-fluide (7).
[Revendication 7] Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente dans lequel la plaque de refroidissement (9) est configurée pour contrôler le débit du fluide diphasique par un pompage capillaire.
[Revendication 8] Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente dans lequel la plaque de refroidissement (9) comprend une vanne flottante (21) configurée pour réguler le débit du fluide diphasique en phase liquide entrant dans le canal de circulation de la plaque de refroidissement (9) en fonction de la quantité de fluide diphasique en phase liquide présente dans le canal de circulation de la plaque de refroidissement (9) de sorte que plus l’évaporation du fluide diphasique dans la plaque de refroidissement (9) est importante, plus le débit de fluide diphasique en phase liquide entrant dans la plaque de refroidissement (9) est important.
[Revendication 9] Procédé d’utilisation d’un échangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes comprenant une boucle de circulation d’un fluide diphasique reliant une source chaude et une source froide et dans laquelle le fluide diphasique est configuré pour s’évaporer lors de son passage dans la source chaude et pour condenser lors de son passage dans la source froide.
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