FR2797556A1

FR2797556A1 - Dissipateur de chaleur et boitier electronique l'utilisant

Info

Publication number: FR2797556A1
Application number: FR0010565A
Authority: FR
Inventors: Thomas R Messenger; Ian Mark Whiting
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2001-02-16
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: GB0017402D0; GB2356288A; US6215661B1; FR2797556B1; GB2356288B

Abstract

Boîtier électronique (10) destiné à être monté dans un véhicule spatial comportant des composants électroniques actifs qui produisent de la chaleur pendant leur fonctionnement et possédant une plaque de cisaillement (12) fixée à un radiateur (13). Un dissipateur de chaleur (11) comporte une plaque en forme de L faite en graphite pyrolitique thermique encapsulé dans de l'aluminium, qui possède un bras long fixé à la plaque de cisaillement (12) au moyen d'un adhésif conducteur de la chaleur et un bras court fixé au radiateur (13). Alors que le radiateur (13) et le boîtier (10) produisent une charge dynamique et que le radiateur (13) et le boîtier (10) sont conçus pour supporter la charge dynamique, le dissipateur de chaleur (11) est seulement destiné à assurer l'amélioration des performances thermiques.

Description

La présente invention concerne des dissipateurs de chaleur pour boîtiers électroniques, ou dispositifs analogues. Plus particulièrement, la présente invention concerne des dissipateurs de chaleur pour boîtiers électroniques, et dispositifs analogues, qui sont utilisés dans des satellites et d'autres véhicules spatiaux.

Lorsqu'on s'est mis à utiliser des satellites et d'autres véhicules spatiaux dans les systèmes de télécommunications, le problème posé par la chaleur produite dans des composants actifs et des boîtiers contenant des composants actifs s'est présenté avec plus d'acuité. L'homme de l'art comprendra naturellement que le poids transporté par des véhicules spatiaux doit être minimïsé le plus possible. Ainsi, plus on installe de composants électroniques actifs et d'autres composants producteurs de chaleur sur des véhicules spatiaux, et moins il y a de place et de capacité de transport de poids restant pour augmenter la taille des radiateurs, des caloducs, et autres composants conducteurs de chaleur.

Plusieurs autres solutions au problème de l'augmentation de la chaleur produite sont actuellement proposées et, ou bien, utilisées dans les systèmes de télécommunications en usage aujourd'hui. Dans une première semblable structure connue, la solution consiste à augmenter la dimension en section droite du panneau de cisaillement d'un boîtier électronique transporté par un véhicule spatial. On comprendra naturellement que le panneau de cisaillement est le côté du panneau électronique par lequel ce dernier est fixé à un radiateur, un caloduc, etc. dans un véhicule spatial. Le panneau de cisaillement est conçu pour absorber la charge dynamique produite par le poids du boîtier pendant le déplacement (c'est-à-dire le transport du véhicule spatial jusque dans l'espace). Augmenter les dimensions en section droite du panneau de cisaillement en aluminium existant est inefficace en raison de l'effet en retour sur la masse et le volume. Par exemple, pour augmenter les performances thermiques jusqu'à un niveau qui correspond à celui des dispositifs de cette description, il faut augmenter l'épaisseur de cette section en aluminium de 2,5 x 2,5 x 0,25 cm pour faire passer celle-ci de 0,25 cm à 1,75 cm. Ceci se traduit par une augmentation de la masse par un facteur presque égal à 7. Pour la plupart des applications spatiales, cette augmentation de masse et de volume est prohibitive.

Dans une deuxième structure de la technique antérieure, le panneau de cisaillement et le conteneur du boîtier, qui sont fait en aluminium, peuvent être réalisés en une matière ayant une meilleure conductivité thermique que l'aluminium. Toutefois, le fait de choisir un métal d'une conductivité supérieure, comme le cuivre, augmente la masse et réduit les performances dynamiques pour un gain de conductivité thermique qui n'est que modeste par rapport à l'aluminium. D'autres matériaux augmente le coût et sont l'objet de limitations de fabrication. Par exemple, le fait de faire appel à du graphite, de conductivité élevée, assure un gain par rapport à l'aluminium en ce qui concerne les performances thermiques, mais peut augmenter sensiblement le coût de la pièce. Le graphite à haute conductivité présente des limitations en ce qui concerne la forme suivant laquelle on peut le réaliser, à cause de restrictions imposées au rayon de courbure.

Selon une troisième structure de la technique antérieure, on ajoute des caloducs, c'est-à-dire des tubes de transport de chaleur, originaux ou supplémentaires. Les caloducs ont une capacité de transport de chaleur légèrement supérieure à celle des structures ci-dessus indiquées, mais il existe toutefois des limitations. Pour que des caloducs fonctionnent avec une efficacité maximale lors d'une utilisation en conditions de gravitation (c'est à dire pour les essais au sol), il faut que ceux-ci soient maintenus suivant des orientations de fonctionnement particulières. De plus, la fixation à un panneau de cisaillement et à un radiateur est relativement délicate à réaliser.

Par conséquent, il serait hautement souhaitable de pouvoir obtenir un appareil qui surmonte ces problèmes et qui soit peu coûteux et facile à installer et à utiliser.

La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à permettre une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels la figure 1 est une vue isométrique d'un boîtier électronique actif doté d'un dissipateur de chaleur selon la présente invention ; et la figure 2 est une vue isométrique agrandie d'un unique dissipateur de chaleur venant du boîtier représenté sur la figure 1 Sur la figure 1, est représenté un boîtier électronique actif 10 auquel sont fixés des dissipateurs de chaleur 11, selon la présente invention. Le boîtier 10 est construit, dans cet exemple, sous la forme d'une boîte destinée à être montée dans un véhicule spatial et contenant des composants actifs (par exemple des microprocesseurs, des émetteurs, des récepteurs, des unités de commutation, etc.) qui produisent une énergie thermique qu'il faut dissiper. La boîte comporte des côtés formés d'aluminium et un panneau de cisaillement 12 destiné à assurer le montage du boîtier 10 sur un radiateur 13 ou bien, dans certaines applications particulières, sur un caloduc 14. Le rôle du panneau de cisaillement 12 est bien connu dans la technique et ne sera pas décrit plus complètement.

Par des moyens bien connus dans la technique, les diverses sources d'énergie thermique disposées à l'intérieur du boîtier 10 sont montées de façon à conduire la chaleur produite jusqu'au panneau de cisaillement 12 par divers trajets de chaleur ménagés à l'intérieur du boîtier 10. Le panneau de cisaillement 12 conduit le plus de chaleur qu'il est possible au radiateur 13 et, ou bien, au caloduc 14. Comme expliqué ci-dessus, le problème qui se pose est que le panneau de cisaillement 12 ne peut conduire qu'une quantité limitée d'énergie thermique et que tout composant supplémentaire ou toute puissance supplémentaire produite à l'intérieur du boîtier 10 impose des exigences plus sévères au panneau de cisaillement 12 modifié.

Puisque, dans cet exemple particulier, tous les dissipateurs de chaleur 11 sont analogues, on ne discutera en détail que de l'un d'entre eux, mais il faut comprendre que l'on peut en utiliser un ou plusieurs, selon l'application considérée. On se rapporte maintenant à la figure 2, où on peut voir que le dissipateur de chaleur 11 du boîtier électronique actif 10 est fabriqué sous la forme d'une plaque en L ayant un bras long 20 et un bras court 21. Le bras long 20 est destiné à être fixé à une surface plane du boîtier électronique 10 afin de recevoir de l'énergie thermique de la part de celui-ci. Dans un mode de réalisation préféré, le bras long 20 est fixé à la surface du panneau de cisaillement 12 de façon à mieux aider le panneau de cisaillement 12 à conduire la chaleur jusqu'au radiateur 13, et, ou bien, au caloduc 14. Le bras court 21 est solidairement formé avec le bras long 20 et est conçu pour être attaché de manière fixe au radiateur 13 et, ou bien, au caloduc 14.

Alors que le bras long 20 du dissipateur de chaleur 11 peut être fixé au panneau de cisaillement 12 du boîtier 10 par tout moyen approprié qui conduit la chaleur efficacement (c'est-à-dire vis, soudure, etc.), un mode de réalisation préféré consiste à utiliser un adhésif conducteur de la chaleur, par exemple une résine époxy conductrice de la chaleur ou un produit analogue (la plupart d'entre eux sont disponibles dans le commerce). Le bras court 21 est fixé au radiateur 13 et, ou bien, au caloduc 14 au moyen d'un matériel analogue, ou bien à l'aide de vis, ou autres, placés dans des trous 22. De nouveau, tout moyen approprié qui conduit efficacement la chaleur peut être utilisé. Ici, il faut spécialement noter que le boîtier 10 et le radiateur 13 produisent une charge dynamique, notamment pendant le lancement et les moments analogues, laquelle charge dynamique est supportée par le panneau de cisaillement 12. De fait, le panneau de cisaillement 12 est spécialement prévu dans le but de supporter la charge dynamique produite par le boîtier 10. Le dissipateur de chaleur 11 n'est conçu que pour assurer des performances thermiques améliorées du boîtier 10 et n'est pas conçu pour supporter aucune charge dynamique.

Alors que le dissipateur de chaleur 11 peut être fabriqué à partir de toute une variété de matériaux conducteurs de la chaleur du fait de sa forme simple et d'un montage correspondant à une charge dynamique faible ou nulle, il est fabriqué, selon ce mode de réalisation préféré, en graphite pyrolitique thermique, encapsulé dans de l'aluminium. La société Advanced Ceramics Corporation a mis au moins une technique qui permet d'encapsuler du graphite pyrolitique thermique à conductivité élevée dans une enveloppe de métal ou une enveloppe composite. Les matières pour l'enveloppe encapsulante comprennent l'aluminium, le cuivre, AISiC, SiC et des fibres de graphite. Les désignations de la structure composite résultant pour l'aluminium, le cuivre, AISiC et le graphite sont respectivement TC 1050.ALY, TC 1050.COP, TC 1050.MMC et TC 1050.CFC. Du fait de la fixation du dissipateur 11 sur le panneau de cisaillement 12, le panneau de cisaillement 12 permet à la structure existante de supporter la charge dynamique tandis que le dissipateur de chaleur 11 améliore les performances thermiques.

Ainsi, le dissipateur de chaleur 11 peut être formé en toute une variété de matériaux à conductivité thermique élevée, en raison de sa forme simple et son montage non structurel. On peut facilement fixer le dissipateur de chaleur 11à des boîtiers existants 10, au prix de modifications très mineures, ou même sans aucune modification. Le dissipateur de chaleur 11 transporte approximativement la même quantité de chaleur qu'un caloduc, mais est insensible aux effets de la gravité, ce qui permet de soumettre le boîtier 10 à des essais suivant plusieurs directions. En outre, pour augmenter les performances thermiques du panneau de cisaillement 12 jusqu'à un niveau qui correspond aux performances thermiques du dissipateur de chaleur 11 , il faudrait augmenter l'épaisseur d'une section de 2,5 x2,5x0,25 cm en la faisant passer de 2,5 cm à 1,75 cm. Ceci se traduit en une augmentation de masse d'un facteur voisin de 7, de sorte qu'on peut voir que le dissipateur de chaleur 11 présente les avantages notables sur toutes les structures comprises ou suggérées dans la technique antérieure.

Il a été décrit un dissipateur de chaleur destiné à être utilisé avec des boîtiers électroniques actifs, lequel dissipateur de chaleur comporte une plaque en forme de L en graphite pyrolitique thermique encapsulé dans de l'aluminium. La plaque en forme de L possède un bras long destiné à assurer la fixation sur une surface plane d'un boîtier électronique actif afin de recevoir de l'énergie thermique de la part du boîtier et un bras court destiné à être fixé à une surface d'un radiateur afin de transférer l'énergie au radiateur. Le dissipateur de chaleur peut facilement être fixé sur des boîtiers électroniques existants ou nouveaux et peut être formé en toute une variété de matériaux à conductibilité thermique élevée du fait de sa forme simple et du fait qu'il ne supporte pas les charges dynamiques du boîtier.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dissipateur de chaleur (11) destiné à un boîtier électronique actif (10), caractérisé par une plaque en forme de L faite de graphite pyrolitique thermique encapsulé dans de l'aluminium, la plaque en forme de L ayant un bras long (20), destiné à être fixé à une surface plane du boîtier électronique actif afin de recevoir de l'énergie thermique de la part du boîtier électronique actif, et un bras court (21) destiné à être fixé à une surface d'un radiateur (13) afin de transférer de l'énergie au radiateur.

2. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), caractérisé par: un radiateur (13) ; un boîtier (10) contenant des composants électroniques actifs qui produisent de l'énergie thermique pendant leur fonctionnement, le boîtier ayant au moins une surface plate conductrice de la chaleur qui se trouve dans un trajet de l'énergie thermique, le boîtier étant fonctionnellement monté au voisinage du radiateur ; et une plaque en forme de L faite en un matériau thermiquement conducteur encapsulé dans un métal thermiquement conducteur, la plaque en forme de L ayant un bras long (20), fixé à la ou aux surfaces plates conductrices de la chaleur du boîtier afin de recevoir de l'énergie thermique de la part du boîtier, et un bras court (21) fixé au radiateur afin de transférer de l'énergie au radiateur.

3. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), selon la revendication 2, dans lequel le matériau thermiquement conducteur comporte du graphite pyrolitique thermique.

4. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), selon la revendication 2, dans lequel le métal conducteur de la chaleur comporte un des éléments du groupe aluminium, cuivre, SiC, AISiC et graphite.

5. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), selon la revendication 2, dans lequel la plaque en forme de L est fixée à la ou aux surfaces plates conductrices de la chaleur du boîtier par une couche d'adhésif thermique.

6. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (l 1), selon la revendication 5, dans lequel la couche d'adhésif thermique comporte une résine époxy conductrice de la chaleur.

7. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), selon la revendication 2, dans lequel la ou les surfaces plates conductrices de la chaleur du boîtier sont constituées d'un panneau de cisaillement (12).

8. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), selon la revendication 2, dans lequel le radiateur (13) et le boîtier contenant des composants électroniques actifs sont conçus pour être utilisés dans un véhicule spatial.

9. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), selon la revendication 8, dans lequel le radiateur (13) et le boîtier produisent une charge dynamique et le radiateur et le boîtier sont conçus pour supporter la charge dynamique tandis que la plaque en forme de L assure une amélioration des performances thermiques.

10. Boîtier électronique actif (10) doté d'un dissipateur de chaleur (11), caractérisé par un radiateur (13) ; un boîtier transporté par un véhicule spatial et contenant des composants électroniques actifs qui produisent de l'énergie thermique pendant leur fonctionnement, le boîtier ayant une surface plate conductrice de la chaleur sur une plaque de cisaillement (12) qui se trouve dans un trajet thermique destiné à l'énergie thermique, le boîtier étant fonctionnellement fixé au radiateur ; et une plaque en forme de L faite en graphite pyrolitique thermique encapsulé dans de l'aluminium, la plaque en forme de L ayant un bras long (20), fixé à la surface plate conductrice de la chaleur du boîtier par un adhésif conducteur de la chaleur afin de recevoir de l'énergie thermique de la part du boîtier, et un bras court (21) fixé au radiateur et servant à transférer de l'énergie au radiateur, où le radiateur et le boîtier produisent une charge dynamique et le radiateur et le boîtier sont conçus pour supporter la charge dynamique tandis que la plaque en forme de L assure une amélioration des performances thermiques.