FR2752289A1

FR2752289A1 - COOLING DEVICE, IN PARTICULAR ELECTRONIC MODULES

Info

Publication number: FR2752289A1
Application number: FR9609906A
Authority: FR
Inventors: Robert Grignon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 1998-02-13
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: FR2752289B1; EP0823611A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement. Le dispositif comporte des moyens (24, 25) de transfert de chaleur par impact associés à une structure alvéolaire (22) conductrice de la chaleur et pressée sur le ou les éléments (2'l) à refroidir par le jet de fluide (23) créé par les moyens de transfert de chaleur par impact. Application: notamment refroidissement de modules électroniques juxtaposés.The invention relates to a cooling device. The device comprises means (24, 25) for heat transfer by impact associated with a honeycomb structure (22) which conducts heat and pressed onto the element (s) (2'l) to be cooled by the jet of fluid (23). created by the means of impact heat transfer. Application: in particular cooling of juxtaposed electronic modules.

Description

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement.The present invention relates to a cooling device.

Elle s'applique notamment au refroidissement de modules électroniques, ces éléments pouvant par exemple être associés à des éléments rayonnant It applies in particular to the cooling of electronic modules, these elements being able for example to be associated with radiating elements

d'une antenne active.an active antenna.

La conception d'antennes nouvelles constituées d'éléments rayonnant associés à des modules actifs disposés en réseau, notamment The design of new antennas consisting of radiating elements associated with active modules arranged in a network, in particular

sur une paroi courbe, entraîne de nombreux problèmes thermiques. on a curved wall, causes many thermal problems.

Sur ces antennes, la puissance calorifique dissipée par chaque module est relativement élevée, le flux thermique pouvant atteindre par exemple 10 watt/cm2. Une autre contrainte qui caractérise ces antennes réside dans la multitude et la répartition de ces modules qui doivent On these antennas, the heating power dissipated by each module is relatively high, the heat flow can reach for example 10 watts / cm2. Another constraint that characterizes these antennas lies in the multitude and distribution of these modules which must

fonctionner sensiblement à la même température. operate at substantially the same temperature.

Une solution connue pour refroidir ces modules consiste à faire circuler un fluide caloporteur dans un conduit sous ces derniers. Cependant, le fluide emmagasine de la chaleur tout au long de son trajet et donc se réchauffe. Tous les modules n'ont donc pas une source froide à la même A known solution for cooling these modules is to circulate a heat transfer fluid in a conduit beneath them. However, the fluid stores heat throughout its journey and therefore warms up. All modules do not have a cold source at the same

température, puisque ceux-ci dissipent sensiblement la même puissance. temperature, since these dissipate substantially the same power.

Leurs températures de fonctionnement ne sont donc pas les mêmes, le gradient de température entre modules éloignés restant élevé. Il est alors possible de disposer un capteur de température sur chaque module, relié à un microprocesseur qui en tient compte dans la commande des paramètres des modules Une telle régulation par microprocesseur est cependant complexe à mettre en oeuvre dans la mesure o, outre le microprocesseur, elle nécessite une multitude de capteurs de température et de liaisons électriques supplémentaires donc aussi un câblage plus compliqué. Il en Their operating temperatures are therefore not the same, the temperature gradient between remote modules remaining high. It is then possible to have a temperature sensor on each module, connected to a microprocessor which takes it into account in the control of the parameters of the modules. Such microprocessor control is however complex to implement insofar as, in addition to the microprocessor, it requires a multitude of additional temperature sensors and electrical connections, thus also more complicated wiring. It

résulte en plus une augmentation des coûts de réalisation. in addition results in an increase in implementation costs.

Le recours au microprocesseur pourrait être évité en augmentant le débit du fluide caloporteur utilisé. Cependant, ici encore une telle solution s'avère complexe. De plus, un gradient de température non négligeable The use of the microprocessor could be avoided by increasing the flow rate of the coolant used. However, here again such a solution is complex. In addition, a significant temperature gradient

subsiste entre modules éloignés.subsists between distant modules.

Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités, en privilégiant notamment le transfert de chaleur par impact de jet sur la face arrière du boîtier des modules combiné avec l'utilisation d'une structure poreuse. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'un ou plusieurs éléments dissipant de la chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transfert de chaleur par impact associés à une structure alvéolaire poreuse conductrice de la chaleur et pressée sur le ou les éléments à refroidir par le jet de fluide créé par les moyens de transfert The object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks, particularly favoring jet impact heat transfer on the rear face of the module housing combined with the use of a porous structure. For this purpose, the subject of the invention is a device for cooling one or more heat-dissipating elements, characterized in that it comprises means of heat transfer by impact associated with a porous alveolar structure that conducts heat. and pressed on the element or elements to be cooled by the jet of fluid created by the transfer means

de chaleur par impact.of heat by impact.

L'invention a pour principaux avantages qu'elle assure une très bonne extraction de la chaleur, qu'elle est simple à mettre en oeuvre, qu'elle est économique, qu'elle permet des réalisations peu encombrantes, qu'elle s'adapte à tous types de réseaux de modules électroniques, notamment des réseaux à paroi courbe, et qu'elle ne nécessite pas de fluides caloporteurs à The main advantages of the invention are that it provides a very good heat extraction, that it is simple to implement, that it is economical, that it allows space-saving implementations, that it adapts to all types of electronic module networks, in particular curved wall networks, and that it does not require heat transfer fluids to

l'état liquide.the liquid state.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront Other features and advantages of the invention will become apparent

à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui with the following description made with reference to the attached drawings which

représentent: - La figure 1, un exemple de réalisation de refroidissement selon represent: FIG. 1, an exemplary embodiment of cooling according to

l'art antérieur.the prior art.

- La figure 2, un exemple de réalisation possible d'un dispositif FIG. 2, an exemplary possible embodiment of a device

selon l'invention.according to the invention.

- Les figures 3 et 4, un exemple de réalisation d'un dispositif selon FIGS. 3 and 4, an exemplary embodiment of a device according to

l'invention appliqué à une antenne active. the invention applied to an active antenna.

- La figure 5, un exemple de réalisation d'un dispositif selon FIG. 5, an exemplary embodiment of a device according to

l'invention permettant notamment un gain d'encombrement. the invention notably allowing a saving of space.

- La figure 6, un exemple de réalisation d'un dispositif selon FIG. 6, an exemplary embodiment of a device according to

I'invention muni d'un circuit de retour de fluide caloporteur. The invention provided with a coolant return circuit.

La figure I illustre un exemple de réalisation d'un système de refroidissement selon l'art antérieur. Cette figure présente par une vue en coupe et en perspective une partie d'une antenne active. Chaque module FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of a cooling system according to the prior art. This figure presents in a sectional view and in perspective part of an active antenna. Each module

électronique 1, alimente un élément rayonnant 3 recouvert d'un radôme 7. 1, feeds a radiating element 3 covered with a radome 7.

Une structure multicouche 4 comporte par exemple les liaisons électriques entre les modules 1, et les éléments 3 rayonnant, les liaisons d'alimentation A multilayer structure 4 comprises, for example, the electrical connections between the modules 1 and the radiating elements 3, the supply links

des modules 1, ainsi que des liaisons hyperfréquences. modules 1, as well as microwave links.

Les fonds de boîtier des modules reposent par exemple sur des circuits de refroidissement 5. Ces derniers sont par exemple constitués de poutres creuses dans lesquelles circule un fluide caloporteur dont le sens de déplacement est représenté par des flèches 6. Au fur et à mesure de son passage sous les modules électroniques, le fluide s'échauffe. Entre deux modules successifs 1, selon le sens de déplacement du fluide, un gradient de température existe donc, ce gradient augmentant entre modules disjoints et éloignés. Les modules étant conçus pour dissiper chacun la même puissance, il en résulte alors entre eux une différence de température, The housing bottoms of the modules are based for example on cooling circuits 5. The latter consist for example of hollow beams in which circulates a heat transfer fluid whose direction of movement is represented by arrows 6. As and when its passage under the electronic modules, the fluid heats up. Between two successive modules 1, depending on the direction of displacement of the fluid, a temperature gradient therefore exists, this gradient increasing between disjoint and remote modules. Since the modules are designed to dissipate the same power each, the result is a difference in temperature between them.

croissant avec leur éloignement.growing with their distance.

La figure 2 illustre C mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention. Sur la figure est représenté le fond 21 d'un élément à refroidir. Cet élément à refroidir peut être de tout type, par exemple un module électronique relié ou non à un élément rayonnant ou à tout autre capteur. Le module électronique dissipe un flux de chaleur qP de l'ordre de quelques W / cm2. Le dispositif selon l'invention combine des moyens de refroidissement par impact avec une structure alvéolaire poreuse 22. Cette enveloppe est à cellules ouvertes en matériau à conductivité thermique élevée. C'est par exemple une mousse de cuivre dont l'épaisseur et la porosité sont calculées en fonction de la vitesse d'écoulement et du flux thermique à évacuer. Cette enveloppe alvéolaire poreuse peut également FIG. 2 illustrates C possible embodiment of a device according to the invention. In the figure is shown the bottom 21 of an element to be cooled. This element to be cooled can be of any type, for example an electronic module connected or not to a radiating element or any other sensor. The electronic module dissipates a heat flow qP of the order of a few W / cm2. The device according to the invention combines impact cooling means with a porous cellular structure 22. This envelope is open cell made of high thermal conductivity material. This is for example a copper foam whose thickness and porosity are calculated according to the flow rate and heat flow to be evacuated. This porous alveolar envelope can also

être constituée d'aluminium, ou encore d'une structure en fibres de carbone. be made of aluminum, or a carbon fiber structure.

Les moyens de refroidissement projettent un fluide 23 vers l'élément à refroidir, par exemple sur le fond de boîtier 21 d'un module électronique, l'enveloppe alvéolaire étant au contact de l'élément et intercalée entre ce The cooling means project a fluid 23 towards the element to be cooled, for example on the housing bottom 21 of an electronic module, the cellular envelope being in contact with the element and interposed between it.

dernier et l'arrivée du fluide. Ce fluide peut être avantageusement de l'air. last and the arrival of the fluid. This fluid may advantageously be air.

Les moyens de refroidissement par impact sont par exemple constitués d'une chambre de distribution 24 recevant de l'air d'un ventilateur et distribuant par un orifice calibré 25, au droit de chaque module 21, une quantité d'air adapté au refroidissement. La chambre est par exemple de The impact cooling means consist for example of a distribution chamber 24 receiving air from a fan and distributing through a calibrated orifice 25 to the right of each module 21, an amount of air suitable for cooling. The room is for example

forme plate, de hauteur interne égale par exemple à quelques millimètres. flat shape, of internal height equal for example to a few millimeters.

Le ventilateur est par exemple de type tangentiel. Un tel ventilateur a I'avantage d'être de petite dimension tout en étant capable de fournir un The fan is for example tangential type. Such a fan has the advantage of being small while being able to provide a

débit d'air important 26.high airflow 26.

La paroi alvéolaire est par exemple préformée mais conserve une certaine élasticité qui lui permet de s'adapter, sous l'effet de la pression interne, aux tolérances de l'espace entre les fonds de boîtier 21 et la chambre 24. La paroi alvéolaire 22 est par exemple préformée de façon à recouvrir sensiblement tous les fonds de boîtiers 21 des modules en ménageant un espace entre elle-même et la chambre. En dehors des fonds de boîtiers elle est sensiblement au contact de la chambre 24. Une cavité 27 est alors formée au niveau de chaque module à refroidir, cette cavité étant fermée par la paroi alvéolaire 22 et la chambre de distribution 24. La force d'appui de la paroi alvéolaire 22 sur le fond de boîtier 21 dépend de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la The honeycomb wall is for example preformed but retains a certain elasticity that allows it to adapt, under the effect of the internal pressure, to the tolerances of the space between the housing bottoms 21 and the chamber 24. The honeycomb wall 22 is for example preformed so as to substantially cover all the bottoms of housings 21 modules by providing a space between itself and the room. Outside the bottoms of housings it is substantially in contact with the chamber 24. A cavity 27 is then formed at each module to be cooled, this cavity being closed by the honeycomb wall 22 and the distribution chamber 24. The force of support of the alveolar wall 22 on the housing bottom 21 depends on the pressure difference between the inside and the outside of the

cavité 27.cavity 27.

Le fluide p', après avoir extrait les calories par impact et convection dans la paroi alvéolaire, fuit latéralement par l'espace séparant The fluid p ', after extracting the calories by impact and convection in the alveolar wall, leaks laterally through the space between

les cavités.the cavities.

Le dispositif selon l'invention combine ainsi astucieusement plusieurs modes de transfert de chaleur. Un premier mode se produit par conduction dans la paroi alvéolaire 22, un deuxième mode se fait par convection forcée dans les cellules de la paroi 22 et un troisième mode se produit par convection et par impact dans la partie centrale 28 du fond de The device according to the invention thus cleverly combines several modes of heat transfer. A first mode occurs by conduction in the alveolar wall 22, a second mode is by forced convection in the cells of the wall 22 and a third mode occurs by convection and by impact in the central portion 28 of the bottom of the

boîtier 21.housing 21.

Dans le cas d'application à une antenne active, la surface de la chambre de distribution 24 correspond par exemple à celle de l'antenne. La section transversale de la chambre a une hauteur h par exemple de l'ordre de quelques millimètres qui permet alors un écoulement interne à faible vitesse, de l'ordre de quelques mètres par seconde, donc une perte de charge réduite et des conditions de mise en vitesse, en amont de l'orifice, favorable à une équipartition des débits unitaires. A la traversée de l'orifice In the case of application to an active antenna, the surface of the distribution chamber 24 corresponds for example to that of the antenna. The cross section of the chamber has a height h, for example of the order of a few millimeters, which then allows an internal flow at low speed, of the order of a few meters per second, thus a reduced pressure drop and conditions of implementation. in speed, upstream of the orifice, favorable to a equipartition of the unit flows. At the crossing of the orifice

25, l'écoulement de fluide s'accélère. 25, the fluid flow accelerates.

Le refroidissement est amélioré par la combinaison du transfert de chaleur par impact et du transfert de chaleur par convection forcée dans la structure alvéolaire 22 conductrice de la chaleur et pressée sur l'élément à refroidir 21, la paroi 22 étant pressée sur cet élément par la pression du jet 23. L'introduction de la paroi alvéolaire augmente ainsi la surface d'échange, grâce à ses nombreuses alvéoles traversées par le fluide caloporteur, ce qui permet d'améliorer très nettement le transfert global de chaleur. Les gains résultant de cette combinaison permettent l'utilisation d'un fluide caloporteur gazeux en circuit ouvert et permettent donc d'éviter l'utilisation d'un fluide liquide, nécessitant un circuit fermé beaucoup plus The cooling is improved by the combination of heat transfer by impact and heat transfer by forced convection in the heat-conducting honeycomb structure 22 and pressed on the element to be cooled 21, the wall 22 being pressed on this element by the jet pressure 23. The introduction of the honeycomb wall and increases the exchange surface, thanks to its many cavities traversed by the heat transfer fluid, which can significantly improve the overall heat transfer. The gains resulting from this combination allow the use of a gaseous coolant in open circuit and therefore avoid the use of a liquid fluid, requiring a closed circuit much more

complexe à mette en oeuvre.complex to implement.

Le dispositif selon l'invention permet par ailleurs un transfert de chaleur à flux et température constants. Il répond notamment bien aux contraintes des équipements électroniques constituées d'une multitude de The device according to the invention also allows heat transfer at constant flow and temperature. It responds particularly well to the constraints of electronic equipment consisting of a multitude of

composants juxtaposés et fonctionnant en parallèle. components juxtaposed and operating in parallel.

La figure 3 présente un exemple d'application du dispositif selon l'invention à une antenne active, ayant une surface courbe par exemple. Une multitude de modules électroniques alimentent chacun un élément rayonnant 3 via une structure multicouche 4. Le dispositif selon l'invention comporte une chambre de répartition 24 épousant par exemple la forme courbe de la surface rayonnante 31 de l'antenne. Une paroi alvéolaire 22 conductrice de la chaleur est préformée de façon à venir au contact des fonds de boîtier 21 des modules électroniques 1 et à créer au niveau de chaque module une cavité 27 comme décrite à la figure 2. Des orifices 25 permettent le passage de jets d'air de la chambre 24 vers la paroi alvéolaire 22 de façon à presser celle-ci contre les modules. Le refroidissement de ces derniers par le dispositif selon l'invention les maintient tous efficacement à FIG. 3 shows an example of application of the device according to the invention to an active antenna, having a curved surface for example. A multitude of electronic modules each supply a radiating element 3 via a multilayer structure 4. The device according to the invention comprises a distribution chamber 24 fitting, for example, the curved shape of the radiating surface 31 of the antenna. A heat-conducting alveolar wall 22 is preformed so as to come into contact with the housing bottoms 21 of the electronic modules 1 and to create at each module a cavity 27 as described in FIG. 2. Orifices 25 allow the passage of jets of air from the chamber 24 to the honeycomb wall 22 so as to press it against the modules. The cooling of the latter by the device according to the invention keeps them all effectively at

une température donnée.a given temperature.

La figure 4 complète la figure 3 dans un exemple de réalisation utilisant un ventilateur 41 de type tangentiel. Ce ventilateur introduit un flux d'air 42 dans la chambre de répartition 24. La forme de ce ventilateur 41 s'adapte bien aux contraintes d'encombrement. Ses performances aérauliques, en particulier son fort débit, correspondent bien aux besoins de FIG. 4 completes FIG. 3 in an exemplary embodiment using a fan 41 of tangential type. This fan introduces an air flow 42 into the distribution chamber 24. The shape of this fan 41 is well adapted to the constraints of space. Its aeraulic performances, in particular its high throughput, correspond well to the needs of

refroidissement.cooling.

La figure 5 présente un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention o la chambre de répartition 24 comporte des branches 51, le flux d'air 52 s'écoulant dans chacune de ces branches. Ces branches 51 sont par exemple de forme plate comme le corps principal de la chambre de FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention where the distribution chamber 24 comprises branches 51, the flow of air 52 flowing in each of these branches. These branches 51 are for example of flat shape as the main body of the chamber of

répartition 24.distribution 24.

Chacune des branches 51 peut de chaque côté présenter des orifices 25 et être recouverte de la paroi alvéolaire pour ainsi refroidir des modules électroniques sur chacun de ses côtés. Une structure multicouche Each of the branches 51 may on each side have orifices 25 and be covered with the honeycomb wall so as to cool electronic modules on each of its sides. A multilayer structure

4 peut être commune pour l'alimentation de deux séries de modules en vis- 4 can be common for feeding two series of modules in

à-vis. L'architecture d'un dispositif selon l'invention permet ainsi une to face. The architecture of a device according to the invention thus allows a

réduction d'encombrement.congestion reduction.

La figure 6 présente un exemple de réalisation selon l'invention comportant un circuit de retour. Ce circuit de retour peut par exemple être nécessaire soit dans le cas d'un circuit fermé nécessitant la récupération du fluide chaud, soit dans le cas de débits de fuite latéraux 61 trop importants ou empêchés. Le circuit de retour est par exemple constitué de trous 62 traversant toute la chambre, c'est-à-dire que le flux de fluide 63 venant latéralement des cavités 27 après avoir traversé la paroi alvéolaire ne peut FIG. 6 shows an exemplary embodiment according to the invention comprising a return circuit. This return circuit may for example be necessary either in the case of a closed circuit requiring the recovery of the hot fluid, or in the case of lateral leak rates 61 too large or prevented. The return circuit consists for example of holes 62 passing through the entire chamber, that is to say that the fluid flow 63 coming laterally from the cavities 27 after having passed through the honeycomb wall can not

entrer en contact avec le flux entrant 64 qui contourne ces trous. contact the incoming stream 64 which bypasses these holes.

Dans le cas d'un circuit fermé, le fluide caloporteur transmet la chaleur prélevée sur les éléments à refroidir, sur des modules électroniques par exemple, soit à un puit de chaleur disponible et à proximité de l'équipement, soit à un circuit de refroidissement annexe de préférence en boucle fermée et constitué principalement d'un condenseur, d'un In the case of a closed circuit, the heat transfer fluid transmits the heat taken from the elements to be cooled, on electronic modules for example, either to a heat sink available and close to the equipment, or to a cooling circuit preferably closed loop and consisting mainly of a condenser, a

évaporateur et d'une pompe d'activation. evaporator and an activation pump.

Les exemples de réalisation de l'invention ont été présentés pour le refroidissement de modules électronique notamment appliqués à une antenne active. L'invention peut néanmoins s'appliquer à d'autres types d'éléments à refroidir. Elle peut par exemple s'appliquer au refroidissement de diodes laser de faible ou de moyenne puissance, ou encore au The exemplary embodiments of the invention have been presented for the cooling of electronic modules in particular applied to an active antenna. The invention can nevertheless be applied to other types of elements to be cooled. It can for example be applied to the cooling of low or medium power laser diodes, or to

refroidissement d'écrans plats.cooling of flat screens.

Claims

1. A cooling device of a heat dissipating element, characterized in that it comprises means (24, 25, 41, 51) of heat transfer by impact associated with a cellular structure (22) porous and conductive of the heat and pressed on the element (1, 21) to be cooled by the jet of fluid (23) created by the heat transfer means

by impact.

2. A device for cooling several heat-dissipating elements, characterized in that it comprises means (24, 25, 41, 51) for heat transfer by impact associated with a cellular structure (22) porous and conductive of the heat and pressed on the elements (1, 21) to be cooled by the fluid jets (23) created by the means

heat transfer by impact.

3. Device according to any one of the claims

previous, characterized in that the impact heat transfer means comprise a chamber (24) distributing through a calibrated orifice (25),

at the right of each element (1; 21), a quantity of fluid.

4. Device according to claim 3, characterized in that, the fluid being air, the chamber (24) receives air by means of a

tangential fan (41).

5. Device according to any one of the claims

previous, characterized in that the honeycomb structure (22) is preformed so as to be in contact with the elements (1, 21) and in contact with the distribution chamber (24) so as to create a cavity (27) at the level of each element (1, 21), this cavity being closed by the honeycomb wall (22) and the

chamber (24), an orifice (25) allowing the jet of fluid towards the element (1, 21).

6. Device according to any one of claims 3 to

characterized in that the dispensing chamber (24) is flat.

7. Device according to any one of claims 3 to

6, characterized in that the distribution chamber (24) has branches (51) which on each side have orifices (25) and are covered with a honeycomb wall (22) to allow on each side the

cooling of elements (1, 21).

8. Device according to any one of the claims

in that the porous cellular structure (22) is

made of a copper foam.

9 Device according to any one of claims 1

to 7, characterized in that the porous cellular structure (22) is made of aluminum.

Device according to any one of claims 1

to 7, characterized in that the porous cellular structure (22) is constituted

a carbon fiber structure.

11. Device according to any one of the claims

preceding, characterized in that the elements to be cooled are

electronic modules (1).

12. Device according to claim 11, characterized in that the honeycomb structure (22) substantially covers the housing bottom (21)

electronic modules.

13. Device according to any one of claims 11

or 12, characterized in that the electronic modules (1) will feed the radiating elements (3) of an active antenna, the surface of the distribution chamber (24) substantially conforms to the shape of the radiating surface of

Antenna.

14. Device according to any one of the claims

preceding, characterized in that it is provided with a fluid return circuit whose path takes at the side outlet of the honeycomb structure at least one hole (62) formed in the distribution chamber (24), the through hole entirely the latter so that the input streams (64) and the

output (61, 63) do not mix.

15. Device according to any one of the claims

previous, characterized in that the elements to be cooled (1, 21) are juxtaposed.