FR2751739A1 - Calorific dissipator thermal control for cooling electronic power components - Google Patents

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Abstract

The thermal control has cooling fluid passing through a lower unit, and forming vapour when heated up. The vapour rises through a tube (3) and is condensed in a condenser. An upper section of the vapour tube has a cavity (15) sealed by a brazing pastil (14). The pastil has a fusion temperature slightly above those used in the dissipator.

Description

DISPOSITIF DE VISUALISATION POUR LE CONTROLE THERMIQUE DE
DISSIPATEURS A EFFET CALODUC.VISUALIZATION DEVICE FOR THERMAL CONTROL OF
HEAT SINK SINKS.

La présente invention concerne le contrôle des dissipateurs thermiques à effet caloduc, utilisés notamment pour le refroidissement des composants électroniques de puissance.The present invention relates to the control of heat sinks with a heat pipe effect, used in particular for cooling electronic power components.

En particulier, dans le domaine de la traction électrique, notamment ferroviaire, les besoins de conversion et de contrôle de l'énergie électrique sont particulièrement nombreux en raison de la variété des récepteurs à alimenter. En outre, la diversité des sources d'énergie électrique, notamment sur les différents réseaux européens a conduit à multiplier les adaptations du matériel roulant en bicourant, tricourant et en quadricourant.In particular, in the field of electric traction, especially rail, the needs for conversion and control of electric energy are particularly numerous due to the variety of receivers to be supplied. In addition, the diversity of electrical energy sources, in particular on the various European networks, has led to an increase in the adaptations of rolling stock by dual-current, three-current and quadricurrent.

L'augmentation des puissances utilisées, en particulier dans le domaine de la traction ferroviaire, et l'utilisation de composants électroniques de puissance de plus en plus performants, tel que diodes, thyristors, et plus récemment GTO, ont accentué le problème de l'évacuation thermique des pertes calorifiques engendrées par le fonctionnement des composants électroniques. The increase in the powers used, in particular in the field of railway traction, and the use of increasingly powerful electronic power components, such as diodes, thyristors, and more recently GTO, have accentuated the problem of thermal evacuation of heat losses generated by the operation of electronic components.

Or, la seule source froide utilisable sur du matériel embarqué est constituée par l'air extérieur, celui-ci entraînant des effets indésirables comme l'encrassement du matériel. Pour supprimer cet inconvénient, on sépare la fonction électronique dans des coffrets étanches, de la fonction de refroidissement dans des gaines ventilées, grâce à un dissipateur à effet caloduc, dit "tube à chaleur".However, the only cold source that can be used on board equipment is external air, which causes undesirable effects such as fouling of the equipment. To eliminate this drawback, the electronic function in watertight boxes is separated from the cooling function in ventilated ducts, thanks to a heat pipe effect dissipator, known as a "heat tube".

On sait qu'un tel dissipateur met en oeuvre, dans un cycle de refroidissement fermé, le changement de phase d'un fluide caloporteur sous vide, tel que de l'eau ou du méthanol, ou encore des composés fluorocarbonés. A cet effet, il comprend trois parties, à savoir: - une section évaporateur, dans laquelle le fluide est vaporisé par l'apport
thermique de la source à refroidir (le composant électronique par exemple), - une section condenseur dans laquelle la chaleur véhiculée par le fluide
caloporteur est évacuée vers un fluide ambiant (dans le cas présent l'air), et - des tubes caloducs assurant le transfert du fluide caloporteur vaporisé de l'éva
porateur vers le condenseur, ainsi que le retour du fluide condensé dans l'éva
porateur.It is known that such a dissipator implements, in a closed cooling cycle, the phase change of a heat transfer fluid under vacuum, such as water or methanol, or even fluorocarbon compounds. For this purpose, it comprises three parts, namely: - an evaporator section, in which the fluid is vaporized by the supply
thermal of the source to be cooled (the electronic component for example), - a condenser section in which the heat conveyed by the fluid
heat transfer fluid is evacuated to an ambient fluid (in this case air), and - heat pipe tubes ensuring the transfer of the vaporised heat transfer fluid from the eva
porator to the condenser, as well as the return of the condensed fluid in the eva
porator.

Les tubes caloducs sont disposés verticalement de manière à ce que le fluide caloporteur échauffé ou vaporisé remonte naturellement vers le condenseur placé à l'extrémité supérieure des tubes, et à ce que le fluide condensé descende par gravité vers l'évaporateur.The heat pipes are arranged vertically so that the heated or vaporized heat transfer fluid goes up naturally towards the condenser placed at the upper end of the tubes, and so that the condensed fluid descends by gravity towards the evaporator.

Sachant qu'un composant mal refroidi a une durée de vie limitée et peut entraîner des pannes importantes, notamment lorsqu'il intervient au niveau des motrices d'une locomotive, il est indispensable d'effectuer des essais pour vérifier que le dissipateur est conforme aux spécifications.Knowing that a poorly cooled component has a limited lifespan and can lead to major breakdowns, especially when it intervenes on the locomotives of a locomotive, it is essential to carry out tests to verify that the dissipator complies with the specifications.

Ainsi, avant son montage sur matériel roulant, chaque dissipateur est testé sur une plate forme d'essai, les tests consistant notamment à faire fonctionner le dissipateur en simulant les conditions extrêmes de son utilisation, et on mesure la température au niveau du condenseur. Thus, before being mounted on rolling stock, each dissipator is tested on a test platform, the tests notably consisting in operating the dissipator by simulating the extreme conditions of its use, and the temperature is measured at the level of the condenser.

Or, il s'avère que cette mesure de température est difficile à effectuer pour plusieurs raisons: - la place disponible pour effectuer la prise de température est réduite, - cette mesure étant effectuée par un thermocouple placé en contact avec chaque
tube caloduc, il se pose le problème du contact de celui-ci soit à l'extrémité
peu accessible du tube, soit sur la circonférence de ce dernier, ce qui engendre
une mesure aléatoire, - cette mesure est très longue à effectuer car il est nécessaire d'effectuer de
nombreux contrôles (jusqu'à 350 mesures).However, it turns out that this temperature measurement is difficult to perform for several reasons: - the space available for taking the temperature is reduced, - this measurement being carried out by a thermocouple placed in contact with each
heat pipe, there is the problem of contact of it either at the end
not very accessible from the tube, that is to say on the circumference of the latter, which generates
a random measurement, - this measurement takes a very long time to perform because it is necessary to perform
numerous controls (up to 350 measurements).

La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle propose un dispositif pour le contrôle thermique d'un dissipateur à effet caloduc du type décrit ci-avant.The present invention aims to eliminate these drawbacks. To this end, it proposes a device for the thermal control of a heat sink effect of the type described above.

Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une cavité de retenue placée au niveau du condenseur, cette cavité présentant une ouverture dans sa partie supérieure et renfermant une brasure choisie de manière à présenter une température de fusion légèrement supérieure à la gamme de température d'utilisation du dissipateur.According to the invention, this device is characterized in that it comprises a retaining cavity placed at the level of the condenser, this cavity having an opening in its upper part and containing a solder selected so as to have a melting temperature slightly higher than the operating temperature range of the heatsink.

Grâce à cette disposition, il est possible de voir immédiatement par l'ouverture de la cavité si la température de fusion de la brasure est dépassée ou non, sachant que la brasure devient brillante à l'état liquide. Par ailleurs, la température de fusion de la brasure est parfaitement connue, ce qui évite d'avoir à étalonner des instruments de mesure.Thanks to this arrangement, it is possible to see immediately through the opening of the cavity whether the melting temperature of the solder is exceeded or not, knowing that the solder becomes shiny in the liquid state. Furthermore, the melting temperature of the solder is perfectly known, which avoids having to calibrate measuring instruments.

L'invention permet ainsi de détecter une température anormale grâce à un moyen peu coûteux, ne nécessitant aucune connexion électrique.The invention thus makes it possible to detect an abnormal temperature by an inexpensive means, requiring no electrical connection.

Comme chaque tube caloduc est équipé du dispositif selon l'invention, la localisation d'un éventuel tube défaillant est immédiate.As each heat pipe is equipped with the device according to the invention, the location of a possible faulty pipe is immediate.

Il est à noter qu'en utilisation normale du dissipateur, la brasure reste à l'état solide. La brasure ne risque donc pas de couler sur le condenseur. Par ailleurs, la brasure peut être choisie en fonction du type de test à réaliser, et en particulier, du seuil de température à surveiller. It should be noted that in normal use of the dissipator, the solder remains in the solid state. The solder therefore does not run the risk of leaking onto the condenser. Furthermore, the solder can be chosen according to the type of test to be carried out, and in particular, the temperature threshold to be monitored.

Avantageusement, la brasure choisie est une brasure eutectique, de manière à ne pas présenter une phase intermédiaire entre les phases liquides et solides.Advantageously, the solder chosen is a eutectic solder, so as not to have an intermediate phase between the liquid and solid phases.

Selon une particularité de l'invention, la cavité est formée dans le bouchon étanche de fermeture de l'extrémité supérieure du tube caloduc.According to a feature of the invention, the cavity is formed in the sealed closure cap of the upper end of the heat pipe.

Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels:
Les figures 1 et 2 représentent schématiquement en vue de face et
de profil un dissipateur thermique à effet caloduc;
La figure 3 montre en coupe l'extrémité supérieure d'un tube calo
duc du dissipateur représenté sur les figures 1 et 2, muni du dispo
sitif selon l'invention.An embodiment of the device according to the invention will be described below, by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawings in which:
Figures 1 and 2 show schematically in front view and
in profile, a heat sink effect;
Figure 3 shows in section the upper end of a calo tube
Duke of the dissipator shown in Figures 1 and 2, provided with the available
sitive according to the invention.

Les figures 1 et 2 représentent un dissipateur thermique à effet caloduc comprenant: - un évaporateur 1 constitué d'un bloc en aluminium ou en cuivre, par exemple
de forme parallélépipédique, sur lequel est monté le composant électronique à
refroidir et qui assure l'alimentation électrique de celui-ci, - une partie constituée par des tubes caloducs 3 indépendants, disposés vertica
lement, dont le nombre dépend des caractéristiques thermiques du dissipateur,
ces tubes étant généralement en cuivre, et assurant chacun la conduction d'un
fluide caloporteur sous vide pour les dissipateurs isolés, et - un condenseur 2 constitué d'une batterie d'ailettes 4 parallèles, en cuivre ou en
aluminium, par exemple de forme rectangulaire, qui sont traversées perpendi
culairement par les portions supérieures des tubes caloducs 3 et fixées sur ces
dernières, le condenseur 2 pouvant fonctionner en convection forcée ou natu
relle.Figures 1 and 2 show a heat sink with heat pipe effect comprising: - an evaporator 1 consisting of an aluminum or copper block, for example
of parallelepiped shape, on which the electronic component is mounted
to cool and which ensures the electrical supply thereof, - a part constituted by independent heat pipes 3, arranged vertica
Lement, the number of which depends on the thermal characteristics of the dissipator,
these tubes generally being made of copper, and each ensuring the conduction of a
heat transfer fluid under vacuum for insulated dissipators, and - a condenser 2 consisting of a battery of fins 4 parallel, made of copper or
aluminum, for example rectangular, which are crossed perpendicular
cularily by the upper portions of the heat pipe tubes 3 and fixed on these
last, condenser 2 can operate in forced or natural convection
real.

L'évaporateur 1 comprend une face frontale munie d'un alésage central 8 prévu pour maintenir le composant à refroidir, et une face latérale comportant des alésages 5 dans lesquels sont engagées de manière étanche les portions inférieures des tubes caloducs 3. The evaporator 1 comprises a front face provided with a central bore 8 intended to keep the component to be cooled, and a lateral face comprising bores 5 in which the lower portions of the heat pipe tubes 3 are engaged in leaktight manner.

Les tubes caloducs 3 peuvent comporter une isolation en céramique brasée sur la surface extérieure de la section de tube intermédiaire entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2.The heat pipe tubes 3 may include ceramic insulation brazed to the outside surface of the section of intermediate tube between the evaporator 1 and the condenser 2.

Le dissipateur qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante.The sink which has just been described operates in the following manner.

En l'absence de source de chaleur, il s'établit à l'intérieur des tubes caloducs 3 un équilibre entre la phase vapeur et la phase liquide du fluide caloporteur sous vide.In the absence of a heat source, there is established inside the heat pipe tubes 3 a balance between the vapor phase and the liquid phase of the heat transfer fluid under vacuum.

Lorsque que le bloc évaporateur 1 s'échauffe par la chaleur dégagée par le composant électronique à refroidir, le fluide caloporteur se trouvant dans l'évapo- rateur 1 se vaporise et remonte vers le condenseur 2, tandis que le fluide caloporteur en phase liquide descend par gravité dans l'évaporateur 1.When the evaporator unit 1 heats up with the heat given off by the electronic component to be cooled, the heat transfer fluid in the evaporator 1 vaporizes and rises to the condenser 2, while the heat transfer fluid in the liquid phase descends by gravity in the evaporator 1.

Un tel dissipateur est destiné à être utilisé en couple avec un autre dissipateur identique, le composant électronique à refroidir étant enfermé sous pression élevée entre les deux blocs évaporateurs respectifs des deux dissipateurs qui assurent en même temps la connexion électrique avec les pôles du composant.Such a dissipator is intended to be used in couple with another identical dissipator, the electronic component to be cooled being enclosed under high pressure between the two respective evaporator blocks of the two dissipators which at the same time ensure the electrical connection with the poles of the component.

Plusieurs dissipateurs peuvent également être montés en série par groupes de 3 à 5 pièces suivant la fonction de l'équipement électronique à refroidir (ponts, hacheurs, convertisseurs, onduleurs, ...). Several heatsinks can also be mounted in series in groups of 3 to 5 pieces depending on the function of the electronic equipment to be cooled (bridges, choppers, converters, inverters, ...).

Tel que représenté sur la figure 3, l'extrémité supérieure des tubes caloducs 3 est fermée de manière étanche par un bouchon 1 1 en cuivre brasé comprenant une cavité centrale 15 munie d'un orifice central permettant le remplissage du tube 3 par le fluide caloporteur et la réalisation du vide dans le tube, cet orifice étant ensuite obturé soit par une goupille en cuivre 12, soit par une vis.As shown in Figure 3, the upper end of the heat pipe tubes 3 is sealed by a plug 1 1 of brazed copper comprising a central cavity 15 provided with a central opening allowing the filling of the tube 3 with the heat transfer fluid and creating a vacuum in the tube, this orifice then being closed either by a copper pin 12, or by a screw.

La cavité centrale 15 est destinée à recevoir une pastille de brasure 14, par exemple de 10 mm de diamètre et de 3 mm d'épaisseur, qui recouvre toute la surface du fond de la cavité 15.The central cavity 15 is intended to receive a solder pad 14, for example 10 mm in diameter and 3 mm thick, which covers the entire surface of the bottom of the cavity 15.

La cavité 15 est fermée par un capuchon 10, par exemple en matière plastique, qui s'engage sur l'extrémité du tube 3, et qui est collé sur celle-ci, par exemple à l'aide de résine époxy.The cavity 15 is closed by a cap 10, for example made of plastic, which engages on the end of the tube 3, and which is glued on the latter, for example using epoxy resin.

Le capuchon 10 présente sur sa face supérieure une ouverture centrale 13 qui peut être fermée par une fenêtre transparente laissant apparaître l'état solide ou liquide de la pastille de brasure 14, sachant que celle-ci est brillante à l'état liquide. The cap 10 has on its upper face a central opening 13 which can be closed by a transparent window revealing the solid or liquid state of the solder pad 14, knowing that the latter is shiny in the liquid state.

L'ouverture centrale 13 peut également rester libre pour le passage d'un bâtonnet de verre permettant d'apprécier mécaniquement l'état de la pastille de brasure 14.The central opening 13 can also remain free for the passage of a glass rod making it possible to mechanically assess the state of the solder pad 14.

La pastille de brasure 14 est de préférence un alliage eutectique choisi de manière à présenter une température de fusion prédéterminée qui correspond à la plage de température de fonctionnement du dissipateur thermique.The solder pad 14 is preferably a eutectic alloy chosen so as to have a predetermined melting temperature which corresponds to the operating temperature range of the heat sink.

Ainsi, par exemple, si l'on souhaite une température de fusion de 58"C, il suffit de prendre un alliage constitué de 49% de bismuth, 21% d'indium, 18% de plomb et 12% d'étain.So, for example, if you want a melting temperature of 58 "C, just take an alloy consisting of 49% bismuth, 21% indium, 18% lead and 12% tin.

Pour réaliser le test thermique d'un dissipateur du type décrit ci-avant, conçu pour une évacuation nominale de chaleur de 700 W produite par un composant ayant un diamètre de 48 mm de diamètre de contact, avec de l'air de refroidissement à 25"C se déplaçant à 4 m/s, on applique sur le bloc évaporateur 1 une charge thermique de 700 W (350 W par face). On ventile le condenseur 2 avec de l'air à 25"C ayant une vitesse de seulment lm/s, pour. obtenir normalement une température au niveau du condenseur de l'ordre de 60 à 65"C, au lieu de 50 à 55"C lorsque l'air se déplace à 4 m/s, ce qui doit provoquer la fusion de la pastille de brasure à température de fusion de 58"C. To carry out the thermal test of a dissipator of the type described above, designed for a nominal evacuation of heat of 700 W produced by a component having a diameter of 48 mm in contact diameter, with cooling air at 25 "C moving at 4 m / s, a thermal load of 700 W (350 W per side) is applied to the evaporator block 1. The condenser 2 is ventilated with air at 25" C having a speed of only lm / s, for. normally obtain a temperature at the condenser of the order of 60 to 65 "C, instead of 50 to 55" C when the air moves at 4 m / s, which should cause the solder pad to melt at a melting temperature of 58 "C.

Dans le cas d'un dissipateur défaillant, ou d'un tube défaillant résultant par exemple d'une faite du fluide caloporteur, la température au niveau du condenseur 2 ne dépasse pas 40 à 45"C, ce qui ne provoque pas la fusion de la pastille de brasure.In the case of a faulty heatsink, or a faulty tube resulting for example from a heat transfer fluid, the temperature at the condenser 2 does not exceed 40 to 45 "C, which does not cause the melting of the solder pad.

Une simple observation de la pastille de brasure 14 à travers la fenêtre 13 permet donc de tester le bon fonctionnement du dissipateur. A simple observation of the solder pad 14 through the window 13 therefore makes it possible to test the proper functioning of the dissipator.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le contrôle thermique d'un dissipateur à effet caloduc du type comprenant: - une section évaporateur (1), dans laquelle un fluide caloporteur est vaporisé 1. Device for the thermal control of a heat sink effect type of comprising: - an evaporator section (1), in which a heat transfer fluid is vaporized par l'apport thermique de la source à refroidir, - une section condenseur (2) dans laquelle la chaleur véhiculée par le fluide by the thermal contribution of the source to be cooled, - a condenser section (2) in which the heat conveyed by the fluid caloporteur est évacuée vers un fluide ambiant, et - au moins un tube caloduc (3) assurant le transfert du fluide caloporteur coolant is discharged to an ambient fluid, and - at least one heat pipe (3) ensuring the transfer of the coolant vaporisé de l'évaporateur (1) vers le condenseur (2), ainsi que le retour du vaporized from the evaporator (1) to the condenser (2), as well as the return of the fluide condensé dans l'évaporateur (1), caractérisé en ce qu'il comprend une cavité de retenue (15) placée au niveau du condenseur (2), cette cavité présentant une ouverture dans sa partie supérieure et renfermant une pastille de brasure (14) choisie de manière à présenter une température de fusion légèrement supérieure à la gamme de température d'utilisation du dissipateur. fluid condensed in the evaporator (1), characterized in that it comprises a retaining cavity (15) placed at the level of the condenser (2), this cavity having an opening in its upper part and containing a solder pad (14 ) chosen so as to present a melting temperature slightly higher than the operating temperature range of the dissipator. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube caloduc (3) est placé verticalement, les transferts du fluide caloporteur étant assurés par gravité entre l'évaporateur (1) connecté à la partie inférieure du tube (3), et le condenseur (2) connecté à la partie supérieure de ce dernier, la cavité (15) étant formée dans un bouchon (11) fermant l'extré- mité supérieure du tube (3). 2. Device according to claim 1, characterized in that the heat pipe (3) is placed vertically, the transfers of the heat transfer fluid being provided by gravity between the evaporator (1) connected to the lower part of the pipe (3), and the condenser (2) connected to the upper part of the latter, the cavity (15) being formed in a plug (11) closing the upper end of the tube (3). 3. Dispositif selon la revendicationl ou 2, caractérisé en ce que la pastille de brasure (14) est formée dans un alliage eutectique dont la température de fusion est légèrement supérieure à la température maximale de fonctionnement normal du condenseur (2). 3. Device according to claiml or 2, characterized in that the solder pad (14) is formed in an eutectic alloy whose melting temperature is slightly higher than the maximum normal operating temperature of the condenser (2). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (15) est fermée par un capuchon (10) présentant une ouverture (13) en regard de la pastille de brasure (14), permettant d'apprécier l'état solide ou liquide de la pastille. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity (15) is closed by a cap (10) having an opening (13) facing the solder pad (14), making it possible to appreciate the solid or liquid state of the tablet. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture (13) est fermée par une fenêtre transparente permettant de visualiser l'état solide ou liquide de la pastille (14).  5. Device according to claim 4, characterized in that the opening (13) is closed by a transparent window for viewing the solid or liquid state of the pellet (14). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dissipateur comprend plusieurs tubes caloporteurs (3) indépendants, placés verticalement, renfermant du fluide caloporteur et assurant le transfert thermique entre le l'évaporateur (1) et le condenseur (2), l'extrémité supérieure de chaque tube (3) étant fermée par un bouchon (11) muni d'une cavité renfermant une pastille de brasure (14).  6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dissipator comprises several independent heat transfer tubes (3), placed vertically, containing heat transfer fluid and ensuring the thermal transfer between the evaporator (1) and the condenser ( 2), the upper end of each tube (3) being closed by a plug (11) provided with a cavity containing a solder pad (14).
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