FR2872265A1 - Procede et dispositif de refroidissement notamment pour microprocesseurs - Google Patents

Abstract

Le dispositif refroidisseur (10) est représenté en vue de coupe longitudinale. La plaque thermique (14), à flux de chaleur élevé, d'un microprocesseur (12), à plafond de température relativement bas, est mise en contact avec une face plane (36) d'un bloc thermique creux (26). Ce bloc (26) est traversé par plusieurs canaux parallèles étroits qui débouchent sur des raccords (28-30), respectivement reliés aux tubulures de connexion (44-50) d'un élément actif d'échange thermique (20), enfermé dans une enveloppe (22) pour former un échangeur thermique pour fluides confinés. Cet élément actif (20) est formé par un empilement de paires d'ailettes creuses minces (52), séparées par des espaces étroits (54). De préférence, c'est une pièce monobloc, en polymère ou en métal, réalisée à partir d'une ébauche à soufflets biconvexes, fabriquée par thermosoufflage ou hydroformage. Le circuit bouclé, comprenant le bloc thermique creux (26) et l'élément actif (20), contient un volume approprié d'un liquide de refroidissement particulier et de sa vapeur, notamment de l'eau, la température d'ébullition de ce liquide étant inférieure au plafond autorisé pour le microprocesseur (12). Un ventilateur (24-25) fait passer un courant d'air important dans l'enveloppe (22). Les bulles de vapeur, formées dans le liquide de refroidissement par le flux de chaleur du microprocesseur (12), provoquent une circulation rapide, par convection naturelle, du mélange liquide-bulles et le courant d'air, produit par le ventilateur, refroidit efficacement ce mélange. La température du microprocesseur est maintenue en dessous de son plafond autorisé.Applications : Refroidissement de tout organe émettant une densité de flux de chaleur élevée.Tels que microprocesseurs, transistors de forte puissance ou piles à combustible

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT

NOTAMMENT POUR MICROPROCESSEURS

L'invention se rapporte à un procédé de refroidissement de tout organe, dont le fonctionnement permanent lui impose, pour ne pas se détériorer, d'avoir à évacuer une puissance thermique relativement importante à travers une surface relativement faible. Ce qui a pour effet d'engendrer des densités de flux de chaleur élevés (jusqu'à 200 kW/m2, soit 20 W/cm2), tout en devant rester en dessous d'une tempé- rature donnée, comprise entre 50 et 80 C par exemple, et en général relativement peu supérieure à la température ambiante. De tels organes sont généralement inertes (sans pièces mobiles) et appartiennent à des domaines les plus divers, tels celui de la production d'électricité, notamment par piles à combustible, ou celui des composants électroniques comprenant transistors de forte puissance et microprocesseurs. L'invention concerne également des dispositifs de refroidissement à haute efficacité, mettant en oeuvre ce procédé, adaptés à l'encombrement et au prix des organes auxquels ils doivent être couplés.

Pour ce qui concerne les microprocesseurs, l'augmentation continue de leurs performances, au cours des trois dernières décennies, a eu pour conséquence l'accroissement régulier de la puissance thermique à évacuer que produisent leurs circuits intégrés. Une telle évacuation est nécessaire pour que ces circuits puissent être maintenus à une température de fonctionnement inférieure à un plafond au-delà duquel ils seraient détruits. En pratique, cette chaleur à évacuer est transmise à une plaque thermique plane, à haute conductivité thermique, solidaire du microprocesseur. Cette plaque thermique est générale-ment carrée, avec par exemple 3,5 cm de côté. De nombreux types de radiateurs ou refroidisseurs, spécialement destinés à être couplés à ces plaques thermiques, existent sur le marché.

A titre d'exemple, l'un d'entre eux est un radiateur actif, comprenant une plaque thermique en cuivre, de forme carrée (4,5 cm de côté), pourvue d'ailettes radiales de même nature, disposées en couronne autour de l'hélice d'un ventilateur centrifuge, dont le moteur électrique est monté solidaire de la plaque. Ce refroidisseur est destiné à être couplé, par une mince couche de pâte thermique, à la plaque thermique d'un microprocesseur, afin de maintenir les circuits intégrés de ce composant à une température de fonctionnement appropriée. Cette manière de faire a donné toute satisfaction aussi longtemps que la densité de flux de chaleur, à évacuer par la plaque thermique des microprocesseurs, demeurait inférieure à quelques Watts/cm2.

La nouvelle génération des microprocesseurs à hautes performances qui arrive sur le marché, modifie complètement cette situation. En effet, les puissances thermiques à évacuer qu'ils engendrent peuvent atteindre et même dépasser 200 Watts, ce qui se traduit dans leurs plaques thermiques asso- ciées, qui mesurent en général 10 à 20 cm2, par des densités de flux de chaleur de 10 ou 20 W/cm2. La solution la plus immédiate pour résoudre le problème ainsi posé est d'augmenter à la fois la surface totale des ailettes du radiateur ainsi que la puissance du ventilateur. Mais cette approche conduit à des encombrements, à des prix de revient et à des niveaux sonores généralement prohibitifs, et surtout elle a ses limites: si on augmente indéfiniment la surface totale des ailettes, leur efficacité diminue et la puissance thermique évacuable plafonne. Des considérations semblables peuvent être énoncées à propos des autres organes à refroidir visés plus haut.

L'objet de l'invention est un procédé et un dispositif de refroidissement nouveaux qui soient susceptibles de résoudre le problème ainsi exprimé, en accord avec l'ensemble des conditions générale-ment imposées à cet égard par les industriels concernés. Ces diverses conditions sont variables puis-qu'elles dépendent de l'organe concerné à refroidir. Pour chaque type d'organe, ces conditions définissent le plafond de température autorisé, la puissance thermique à évacuer et la surface de la plaque thermique. Pour le dispositif refroidisseur, elles définissent en plus le coût acceptable, l'encombrement maximal et, le cas échéant, le niveau de bruit tolérable.

Pour construire un tel dispositif refroidisseur, un élément actif d'échange thermique particulier sera utilisé. Cet élément actif peut être enfermé dans une enveloppe, pour constituer un échangeur thermique pour fluides confinés. Un tel élément actif d'échange thermique et son procédé de fabrication particulier font l'objet de la demande de brevet international PCT/FR/03.03692, déposée le 12 décembre 2003 par TET, le titulaire de la présente demande de brevet français. Un tel élément actif d'échange thermique TET, enfermé ou non dans une enveloppe, présente un ensemble original de caractéristiques: encombrement limité, grande surface d'échange, haute efficacité, poids réduit, faible coût de production et inaltérabilité intrinsèque. Utilisé à l'unité, avec ou sans enveloppe, il convient à un refroidisseur pour organes de petites dimensions et de puissances petites ou moyennes (de 100 Watts à 1 kilowatt environ). Utilisé en groupe pour former des batteries, de plusieurs dizaines le cas échéant, il convient pour un refroidisseur d'organes de puissances supérieures.

Un élément actif TET d'échange thermique est: - une pièce monobloc, sans assemblage ni soudure, formée par un empilement de paires de plaques creuses minces allongées, constituant des ailettes creuses, communicantes et globalement symétriques; - les faces internes des parois de chaque plaque, de même que les faces externes des parois de deux plaques contiguës, sont en tous points séparées les unes des autres par des espaces étroits, sensible-ment constants; - les paires de plaques creuses de cette pièce monobloc constituent des conduits élémentaires qui présentent des parties centrales aux parois gaufrées, aux contours rectangulaires et aux extrémités reliées ensemble par des raccords creux; - chaque conduit élémentaire possède deux collecteurs d'alimentation transversaux dont les axes sont confondus avec les axes d'empilement des raccords d'extrémités; - l'une des extrémités de chaque collecteur se termine par une tubulure de connexion de l'élément actif.

Un échangeur thermique TET pour fluides confinés comprend un élément actif du type ci-dessus, installé dans une enveloppe allongée, formée par deux demi-coquilles; - cette enveloppe entoure complètement l'élément actif, en en épousant les formes extérieures globales, tout en ménageant des espaces étroits à leur égard et en gardant contact avec les lignes centrales 35 externes de leurs deux ailettes creuses d'extrémités; - chaque demi-coquille enveloppe une moitié longitudinale de l'élément actif et elle comporte, à chacune de ses extrémités, une demi-embouchure et, dans son fond, l'une des deux ouvertures de fixation de l'élément actif; - les bords de ces demi-coquilles et de ces demi-embouchures sont fixés les uns aux autres d'une manière 40 étanche et les bords des deux ouvertures de fixation de l'élément actif, fixés de même à l'une des deux tubulures de cet élément.

Un procédé pour fabriquer un élément actif monobloc TET d'échange thermique comprend les étapes suivantes: - réaliser dans un moule, par thermosoufflage ou hydroformage, une ébauche en un matériau adéquat (polymère, verre ou métal), constituée par un empilement de soufflets globalement biconvexes, relative- ment profonds en regard de la dimension transversale de l'ébauche et comparables à ceux d'un accordéon, lesdits soufflets ayant des parois minces et des parties centrales allongées, pourvues de raccords d'extrémités, de préférence à surfaces retournables, ainsi que de flancs, de crêtes et de fonds, ces flancs étant gaufrés de manière à avoir une raideur beaucoup plus grande que celles des fonds et des crêtes, ledit empilement étant de son côté pourvu de deux tubulures de connexion, centrées sur les axes d'empile- ment desdits raccords d'extrémités; - les différentes parties constitutives de cette ébauche étant à températures, souplesses et élasticités appropriées, leur appliquer une dépression interne et/ou des forces de compression externes, parallèles à l'axe d'empilement des soufflets, jusqu'à ce que la pièce comprimée ainsi réalisée devienne un empile-ment de paires d'ailettes creuses, communicantes et globalement symétriques, à épaisseur interne et écartement faibles, sensiblement constants: - laisser refroidir la pièce monobloc ainsi réalisée, tout en la maintenant comprimée; - si nécessaire, après refroidissement, entourer cette pièce d'un organe en assurant le serrage, afin de maintenir à leurs valeurs initiales les écarts entre les parois des paires de plaques creuses.

Selon l'invention, un procédé perfectionné de refroidissement d'un organe donné, installé dans un appareil, ledit organe étant équipé d'une plaque thermique soumise à un flux de chaleur élevé, tout en devant fonctionner à une température inférieure à un plafond déterminé, est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - réaliser ou choisir un élément actif d'échange thermique, adapté à la puissance thermique à évacuer, 25 constitué par un empilement de plaques creuses minces, séparées par des espaces inter-plaques étroits et pourvues de deux collecteurs transversaux reliés à deux tubulures de connexion: - réaliser un bloc thermique creux, adapté à être efficacement couplé à la plaque thermique dudit organe; raccorder ledit élément actif audit bloc thermique creux, pour constituer une enceinte étanche, formant circuit bouclé ; - choisir un liquide susceptible, dans une telle enceinte étanche, de subir un changement d'état liquide/vapeur, à des températures inférieures audit plafond; introduire dans cette enceinte des volumes déterminés dudit liquide et de sa vapeur, tout en évacuant au mieux l'air qu'elle contenait initialement, puis sceller cette enceinte ou la fermer de manière à la maintenir étanche; - installer dans ledit appareil l'ensemble ainsi formé de telle manière que, d'une part, il soit convenable-ment orienté par rapport à la verticale, pour qu'une circulation par thermosiphon puisse s'y organiser, et que d'autre part, le bloc thermique creux soit correctement couplé à la plaque thermique de l'organe à refroidir; - faire circuler un débit d'air important, dans les espaces de séparation des plaques creuses.

Selon une caractéristique complémentaire de ce procédé de refroidissement, le débit d'air circule dans une enveloppe enfermant l'élément actif d'échange thermique.

Selon des caractéristiques complémentaires préférentielles de ce procédé, la circulation de l'air dans l'enveloppe de l'échangeur thermique est faite de bas en haut et le débit d'air est prélevé à l'extérieur de l'appareil.

Selon l'invention, un dispositif de refroidissement destiné à évacuer le flux élevé de chaleur, produit 5 par un organe déterminé, équipé d'une plaque thermique, est caractérisé en ce qu'il comprend: un bloc thermique à haute conductivité, constitué par un corps creux pourvu de deux raccords et d'une face adaptée à être appliquée sur toute la plaque thermique de l'organe concerné ; - un élément actif d'échange thermique, relativement rigide, formé par un empilement de plaques creuses minces, séparées par des espaces inter- plaques étroits et pourvues de deux collecteurs transversaux 10 reliés à deux tubulures de connexion; - les tubulures de connexion de l'élément actif sont reliées aux raccords du bloc thermique creux, pour constituer une enceinte étanche relativement rigide, formant un circuit bouclé, qui contient des volumes appropriés d'un liquide et de sa vapeur, ce liquide étant susceptible de s'évaporer à des températures inférieures au plafond autorisé pour la plaque thermique de l'organe concerné à refroidir.

Selon une caractéristique particulière de ce dispositif de refroidissement, l'élément actif d'échange thermique est enfermé dans une enveloppe pourvue de deux embouchures.

Selon une autre caractéristique particulière de ce dispositif de refroidissement, un ventilateur est raccordé à l'une des embouchures de l'enveloppe.

Selon une caractéristique complémentaire de l'invention, le bloc thermique creux est un corps métallique à haute conductivité thermique, en forme de parallélépipède de faible épaisseur, d'une part, traversé par des canaux étroits séparés les uns des autres par des cloisons de répartition de la chaleur et, d'autre part, pourvu de deux raccords rigides, adaptés à être reliés aux tubulures de connexion de l'élément actif d'échange thermique.

Grâce à ces dispositions, en appliquant sur la plaque thermique de l'organe concerné à refroidir, une mince couche de pâte thermique, puis la face prévue à cet effet du bloc thermique creux du dispositif de refroidissement selon l'invention, et en installant sensiblement à la verticale le bloc thermique creux et l'échangeur thermique pour fluides confinés qu'il comporte, l'embouchure basse de l'enveloppe constituant son entrée, la densité élevée de flux de chaleur émise par cette plaque thermique, est efficacement transmise, par la couche de pâte thermique, la face plane, les parois et les cloisons du corps creux, au liquide contenu dans les canaux de ce corps. Cela a pour effet de rapidement réchauffer ce liquide et ainsi d'y provoquer l'apparition de bulles de vapeur qui diminuent considérablement (jusqu' à 50%) la densité moyenne de la tranche de liquide contenue dans le bloc thermique creux. Par convection naturelle, ces bulles de vapeur et les tranches de liquide qui les entourent subissent une poussée considérable dans les canaux du corps creux. Ce qui les fait rapidement monter dans ces canaux installés à la verticale puis pénétrer dans la tubulure haute de l'élément actif de l'échangeur. En traversant de haut en bas les plaques creuses sensiblement verticales de cet élément actif, ces bulles de vapeur et ces tranches de liquide échangent de la chaleur avec le courant d'air à température initialement basse que le ventilateur fait circuler de bas en haut dans l'enveloppe de l'échangeur, le long des faces externes des parois minces de ces plaques creuses. En sortant de la tubulure basse de l'élément actif, à la fin de cet échange thermique à contre-courant, la plupart de ces bulles de vapeur ont disparu, dissoutes dans le liquide, ou réduites en volume, du fait de la condensation de la vapeur qui les constituait, cependant que la chaleur latente de condensation libérée à cette occasion a été transmise au liquide puis emportée par le courant d'air, après avoir traversé les parois minces des plaques creuses de l'élément actif. A la sortie de l'élément actif et à l'entrée du bloc thermique creux, c'est à dire en bas du dispositif refroidisseur, la température moyenne du mélange de liquide et de bulles de vapeur est supérieure de quelques degrés seulement à celle de l'air entrant dans l'enveloppe et la densité moyenne du mélange liquide-vapeur, notablement augmentée. A la sortie de l'enveloppe, c'est-à-dire en haut du dispositif refroidisseur, la température de l'air est, quant à elle, inférieure de quelques degrés à la température moyenne du mélange liquide-vapeur à l'entrée de l'élément actif. On notera que si la circulation de l'air dans l'enveloppe de l'échangeur thermique était inversée (de haut en bas au lieu de bas en haut), les échanges thermiques se feraient à co- courants et la température du mélange liquide-vapeur en sortie de l'élément actif serait sensiblement la moyenne de celles du mélange et de l'air entrant tous deux en haut de l'élément actif et de son enveloppe. Ce qui en général est acceptable, du fait de la grande efficacité des échanges thermiques réalisés et de la rapidité de la circulation du mélange dans le circuit bouclé, due à l'accélération importante que subit ce mélange au cours de sa traversée du bloc thermique creux.

Grâce à la grande surface d'échange thermique des plaques creuses de l'élément actif de l'échangeur utilisé, d'une part, et à la faible épaisseur interne de ces plaques creuses et à l'épaisseur réduite des espacements entre plaques contiguës, d'autre part, l'efficacité de l'échange thermique effectué est particulièrement grande, dès lors que le débit massique du courant d'air est suffisamment élevé et que sa température initiale est suffisamment basse. Cette température étant de préférence celle de l'air extérieur (au plus 35 C), et le plafond de température de l'organe concerné (un microprocesseur par exemple) d'environ 60 C, avec un ventilateur (intérieur ou extérieur à l'appareil concerné) dont le débit massique peut sans difficulté correspondre à la puissance thermique à évacuer, l'organe à refroidir est constamment maintenu à une température inférieure au plafond qui lui est imposé.

Le liquide utilisé pourra être de l'eau distillée lorsque la pression, dans l'enceinte étanche relative- ment rigide qui la contient, est suffisamment basse. A ce propos, on notera que dans une enceinte rigide étanche partiellement remplie d'eau, en l'absence de tout gaz incondensable (et notamment d'air) et de ce fait en équilibre avec sa propre vapeur, cette eau bout à toute température, en réponse à toute augmentation du flux de chaleur auquel cette eau est soumise. A titre d'exemples, à 7 C, l'eau bout dans une enceinte à 60 hPa, à 300 hPa, elle bout à 60 C et à 100 C, à 1013,25 hPa). D'autres liquides peuvent également être utilisés, lorsque les parois de l'enceinte étanche ont une rigidité insuffisante. Ce sont des liquides dont la température d'ébullition est relativement basse à pression atmosphérique. De tels autres liquides pourront être de l'éther (30 C), du méthanol (60 C), de l'éthanol (78 C) ou même de l'eau distillée (100 C), lorsque le plafond de température autorisé pour l'organe à refroidir est supérieur à cette valeur. Lorsque dans l'enceinte étanche, l'absence d'air n'est pas totale, une pression partielle de cet air qui serait faible devant celle de la vapeur d'eau ne modifie pas sensiblement ce qui est dit ci-dessus.

On notera qu'avec un élément d'échange thermique TET, un dispositif refroidisseur selon l'invention, dont l'enceinte étanche contient de l'eau et de la vapeur, est apte à supporter la pression différentielle d'écrasement à laquelle son élément actif est soumis. En effet, les parois gaufrées des parties centrales allongées des paires d'ailettes creuses et leur surépaisseur à l'emplanture, due aux procédés de fabrica- tion nécessairement utilisés, apportent à ces ailettes une raideur suffisante pour leur permettre de bien résister aux pressions d'écrasement, qu'elles subissent du fait du vide partiel qui règne à l'intérieur du circuit bouclé.

On notera pour finir que le procédé de refroidissement selon l'invention est, à ce jour, le seul à permettre l'évacuation efficace, par une plaque thermique de petites dimensions, de quantités élevées de chaleur, grâce à la circulation par tirage naturel d'un mélange caloporteur formé par un liquide et des bulles de sa vapeur. Une telle efficacité est due au coefficient de dilatation apparent exceptionnellement élevé que possède un tel mélange liquide-vapeur. Pour un flux de chaleur donné, la production de vapeur qui y est associée, engendre une augmentation de volume (donc une diminution de masse volumique) bien supérieure à la dilatation propre du liquide. En effet ce mélange, en réponse à tout nouvel apport de chaleur va voir sa masse volumique varier très rapidement pour de très faibles variations de température. En effet, si l'on avait remplacé un tel mélange liquide-vapeur par un liquide stable au moins jusqu'au plafond de température prévu, la dilatation que subirait un tel liquide stable, en réponse à un flux de chaleur donné, engendrerait des débits circulant par tirage naturel beaucoup plus faibles, ce qui aurait pour conséquence un échauffement du fluide incompatible avec le faible écart de température tolérable entre l'air de refroidissement et la limite supportable par le composant à refroidir. Une pompe serait alors nécessaire pour faire circuler un tel liquide, avec un débit suffisant correspondant à la puissance thermique à évacuer, à travers l'échangeur thermique associé à ce bloc thermique. Ce qui est l'une des solutions universellement adoptées pour refroidir les moteurs thermiques. Mais le fait de pouvoir éviter l'utilisation d'une telle pompe constitue une solution totalement nouvelle et beaucoup plus simple. Cette solution est en grande partie possible parce que la faible épaisseur d'eau dans les ailettes creuses d'échange thermique y autorise un écoulement laminaire, nécessitant très peu d'énergie mécanique.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'une manière plus précise de la description qui va suivre d'un dispositif refroidisseur pour microprocesseur à hautes performances, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé, dans le quel: - la figure 1 est une vue en coupe selon le plan de symétrie longitudinal CC' (représenté figures 2 et 3) 25 d'un tel dispositif; - la figure 2 est une vue selon le plan de coupe M' représenté à la figure 1; - la figure 3 est une vue selon le plan de coupe BB' représenté à la figure 1.

Selon la figure 1, le dispositif refroidisseur 10, selon l'invention, est couplé à un microprocesseur 12, susceptible d'engendrer une puissance thermique de 180 Watts, qui doit être évacuée à travers une plaque thermique carrée 14, de 3,5 cm de côté (12 cm2), de manière que sa température demeure inférieure à 74 C, par exemple. Le dispositif refroidisseur 10 comprend un bloc thermique creux 16, un échangeur thermique pour fluides confinés 18, constitué par un élément actif 20 (de type TET) et une enveloppe 22, et un ventilateur 24.

Le bloc thermique 16 comprend un corps creux en cuivre 26 et deux raccords 28 et 30. Ce corps creux a 7 mm d'épaisseur et une section carrée de 3,5 cm de côté et il comporte onze canaux parallèles 321-11, à section rectangulaire de 2x4 mm, débouchant sur les deux raccords 28-30. Ces canaux 321-11 sont séparés les uns des autres par des cloisons 34i-10 de répartition de chaleur, solidaires de la face d'appui 36 et de la face libre 38 du corps creux 26, ces cloisons et ces faces ont 1 mm d'épaisseur. Le raccord 28 possède deux ouvertures, l'une rectangulaire allongée 40, à partir de laquelle débutent les canaux 32 et l'autre circulaire 42, dans laquelle débouche la tubulure de connexion basse 44 de l'élément actif 20. De même, le raccord 30 possède deux ouvertures, l'une rectangulaire allongée 46, dans laquelle débouchent les canaux 32 et l'autre circulaire 48, reliée à la tubulure haute 50 de l'élément actif 20. Les raccords 28-30 pourront être en cuivre et, dans ce cas, ils seront brasés sur les extrémités du corps creux 26 et fixés étanches, par tout moyen approprié, sur les tubulures 44-50. Ils pourront aussi être en plastique relative-ment rigide (polypropylène) et, dans ce cas, simplement engagés et fixés étanches, par tout moyen approprié, sur les extrémités du corps creux 26 et des tubulures 44-50. La partie supérieure du raccord 30 comporte un bossage 31, pourvu d'une petite ouverture que l'on peut ouvrir ou fermer d'une manière étanche et qui constitue le trou de remplissage en liquide du circuit bouclé.

L'élément actif 20 est représenté avec huit paires d'ailettes obliques creuses 52, en polypropylène, (en fait, il en comprend douze, pour pouvoir évacuer 180 W) qui ensemble ont, sur la fig.3, l'aspect d'une colonne vertébrale de poisson. Ces douze paires d'ailettes ont une longueur totale de 15 cm, une largeur de 5 cm et une épaisseur totale de 6 cm, avec un pas d'empilement de 4 mm, des parois de 0,5 mm en moyenne, une épaisseur interne de 1 mm et une épaisseur des espaces de séparation 54 de 2 mm. Les deux ailettes creuses 52 d'une paire sont reliées l'une à l'autre par une tranche du canal central 56 de l'élément actif 20. La conductance thermique totale d'un tel élément actif 20 en polypropylène, traversé par un liquide, est de 15 W/K, lorsque le débit massique d'air, circulant à contre-courant tout au long de ses ailettes, est suffisant. Avec un élément actif TET en métal, cette conductance est augmentée d'environ 20%.

L'enceinte étanche en forme de circuit bouclé, constituée par le bloc thermique creux 16 et l'élément actif 20, contient de l'eau distillée et de la vapeur d'eau. La pression qui y règne est égale à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température où elle se trouve. L'ensemble est rempli sous vide avant d'être scellé. La pression partielle d'air résiduelle dans l'enceinte est négligeable (elle provient du dégazage des parois). Le niveau optimal 51 de l'eau dans l'enceinte étanche de chaque dispositif refroidisseur particulier en cours de fabrication, sera déterminé à la suite d'essais systématiques.

Les embouchures 58-60 de l'enveloppe 22 sont courtes et larges, avec un diamètre du même ordre que la diagonale de l'élément actif, soit 60 mm. A l'extrémité de l'embouchure basse 58 de cette enveloppe, est installée une couronne 59 qui sert d'appui aux bras de fixation (non représentés) du ventilateur 24 équipé d'une hélice 25. Ce ventilateur 24 est adapté à produire un débit d'air de 10 litres/seconde entre les ailettes de l'élément actif 20.

Grâce aux dispositions adoptées pour la construction du corps thermique creux 26, la surface d'échange thermique de la plaque thermique 14 du microprocesseur 12 et du liquide circulant dans les onze canaux 32 de ce corps creux 26, est en pratique multipliée par trois, du fait des dix cloisons en cuivre 34 qui séparent ces canaux 32 et constituent des ailettes de répartition du flux de chaleur provenant de la plaque thermique 14 et de la face d'appui 36 du corps creux 26, appliquée sur cette plaque thermique.

Dans ces conditions, le flux de chaleur initial de 15 W/cm2 (180 W à travers 12 cm2) est divisé par trois et le flux de chaleur, transmis à l'eau par les cloisons 34 et les parois 36-38, est en moyenne de 5 W/cm2. La chute de température entre les parois de ces cloisons et l'eau est d'environ 5 C, de sorte que si l'air qui sort de l'échangeur après avoir évacué les 180 W est à 50 C (soit 15 K plus chaud qu'il n'est entré, ce qui correspond bien à un débit de 12 gis pour 10 Ils), et sachant que l'échangeur permet d'évacuer 15 W/K, alors l'eau qui entre dans la pièce active en sortant du corps thermique 26 est à 62 C (50 + 12), et par conséquent la plaque thermique est à 67 C. Ce qui est bien sous la barre des 74 C tolérables, indiqués ci-dessus.

Si l'on veut (bien que cela ne soit pas nécessaire) que l'écart de température entre l'entrée haute et la sortie basse de l'élément actif 20 soit sensiblement égal à celui de l'air au cours de sa traversée de bas en haut de l'enveloppe 22, on doit avoir un débit d'eau de 3 g/s. Si l'on considère que dans le corps thermique creux 26, on a 20% de bulles (hypothèse basse), la densité du mélange y est de 800 kg/m3 et il faudra faire en sorte qu'une vitesse de circulation de 5 cm/s puisse s'établir dans les onze canaux étroits 32 de ce corps creux 26 (section totale de 0, 88 cm2), car c'est dans cette partie du circuit de l'eau que se produira l'essentiel de la perte de charge. En effet, les sections des tubulures haute et basse et des ailettes creuses étant beaucoup plus grandes, la perte de charge y sera plus faible. La perte de charge totale dans lecircuit d'eau peut être évaluée à 5 Pa. Quant au gradient de pression différentiel entre la colonne chaude (biphasique) et la colonne froide (monophasique), il sera de 20 Pa/cm du fait de la présence de 20% de bulles dans le premier, de sorte que, pour une hauteur totale du corps creux 26 et de son raccord haut 30 limitée à environ 8 cm, une convection naturelle très largement satisfaisante peut s'installer dans le circuit bouclé. Dans chaque cas particulier, des essais systématiques permettent de déterminer au mieux les dimensions des différents constituants du dispositif refroidisseur selon l'invention.

L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation représentée et notamment au type particulier d'échangeur thermique pour fluides confinés décrit, qui incorpore un élément actif TET, enfermé dans une enveloppe. En effet, tout autre élément actif d'échange thermique convient, dès lors qu'il est formé par un empilement de plaques creuses minces, séparées par des espaces inter-plaques étroits et pourvues de deux collecteurs d'alimentation transversaux, reliés à deux tubulures de connexion traversant l'enveloppe. A titre d'exemple, un tel autre élément actif pourra être d'un type particulier connu, utilisé dans différents appareils et systèmes de réfrigération ou de climatisation, qui est formé par un empilement de plaques creuses minces, réalisées à partir de deux feuilles métalliques superposées, dans lesquelles ont été préalablement pratiqués des petits bossages régulièrement disposés, notamment en quinconce, et deux ouvertures à rebords extérieurs. Pour former une plaque creuse mince, deux feuilles métalliques ainsi bosselées et percées sont fixées l'une à l'autre par soudure de leurs bords extérieurs ainsi que des crêtes de leurs bossages et des rebords de leurs ouvertures. Deux plaques creuses minces contiguës sont fixées l'une à l'autre d'une manière semblable, afin d'aménager un espace inter-plaques. Pour être incorporé à un dispositif refroidisseur selon la présente invention, un tel élément actif à plaques creuses minces, empilées et soudées, aura une surface allant de 1 à 100 dm2, en fonction de la valeur de la puissance thermique à évacuer. Quant aux épaisseurs internes de ses plaques creuses minces, elles seront faibles, de l'ordre du millimètre, afin de permettre des échanges thermiques suffisants malgré l'écoulement laminaire du fluide qui les parcourt.

Dans les échangeurs thermiques pour fluides confinés, utilisés dans les dispositifs refroidisseurs selon l'invention, l'un des fluides est un liquide circulant dans les plaques creuses minces de l'élément actif et l'autre, un gaz circulant dans les espaces inter-plaques de cet élément enfermé dans l'enveloppe. En conséquence, l'épaisseur interne des plaques creuses sera nettement plus petite que l'épaisseur des espaces interplaques. Pour reprendre ce qui est dit en commentaire de la figure 1, avec des épaisseurs internes de plaques creuses de 1 à 2 mm, l'épaisseur de leurs espaces de séparation sera d'au moins 2 à 4 mm.

Dans l'exemple de dispositif de refroidissement selon l'invention décrit aux figures 1, 2, 3 un échangeur thermique pour fluides confinés est utilisé qui comprend un élément d'échange thermique enfermé dans une enveloppe. En utilisant un tel élément actif sans son enveloppe et en orientant convenablement le ventilateur, pour qu'une bonne partie de l'important courant d'air qu'il engendre circule dans les espaces de séparation des plaques creuses minces de cet élément actif, un refroidissement satisfaisant de l'organe concerné peut généralement être obtenu. L'emploi d'un élément actif d'échange thermique avec ou sans enveloppe, dans un dispositif refroidisseur selon l'invention, dépend de chaque cas particulier.

Dans l'exemple décrit aux figures 1 et 2, le ventilateur est fixé à une embouchure de l'enveloppe. Cette manière de faire n'est pas unique. En effet, un tuyau de longueur appropriée pourra être installé entre le ventilateur et l'embouchure d'entrée de l'enveloppe, notamment lorsque ce ventilateur doit être installé à l'extérieur de l'appareil qui contient l'organe à refroidir. Un tel tuyau pourra également être installé entre l'embouchure de sortie de l'enveloppe lorsque l'air chaud à évacuer devra être acheminé vers l'extérieur.

Quant au corps thermique creux, il pourra être constitué en tout autre métal que le cuivre dès lors que sa conductivité thermique est satisfaisante. Par ailleurs, il pourra être un parallélépipède métallique peu épais à quatre faces, dans lequel est insérée une pièce perméable à haute porosité, en mousse métallique.

Dans l'exemple décrit, un seul élément actif d'échange thermique enfermé dans une enveloppe est utilisé, pour constituer un dispositif de refroidissement d'un microprocesseur à hautes performances émettant près de 200 W. Pour des organes à refroidir, tels que les piles à combustible, qui émettent des flux de chaleur exprimés en kilowatts et qui comportent des plaques thermiques de grandes dimensions, plusieurs éléments actifs d'échange thermiques TET seront utilisés. Cela, parce que les dimensions maximales de chaque élément actif sont limitées par son mode de fabrication. Ces éléments actifs formeront avec le corps thermique creux de grandes dimensions, en contact avec la plaque thermique de chaque organe, un circuit bouclé unique. Et ces éléments actifs pourront comporter des enveloppes individuelles alimentées par plusieurs conduits raccordés à un ou plusieurs ventilateurs ou au contraire être enfermés dans une enveloppe commune, alimentée par un seul ventilateur. Avec un élément actif formé par un empilement de plaques creuses minces de grandes dimensions (100 dm2), réalisées à partir de feuilles métalliques à bossages réguliers, assemblées et soudées, il en sera de même.

Les moyens à utiliser pour appliquer le bloc thermique creux sur la plaque thermique de l'organe à refroidir et pour l'y maintenir fixé, ne sont pas décrits. Ils pourront être ou non solidaires de ce bloc thermique et, de toute façon, ils dépendront de l'organe particulier concerné et ils seront généralement conformes aux moyens connus universellement utilisés à cet effet.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé perfectionné de refroidissement d'un organe donné, installé dans un appareil, ledit organe étant équipé d'une plaque thermique émettant un flux de chaleur élevé, tout en devant fonctionner à une température inférieure à un plafond déterminé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - réaliser ou choisir un élément actif d'échange thermique, adapté à la puissance thermique à évacuer, formé par un empilement de plaques creuses minces, séparées par des espaces inter-plaques étroits et pourvues de deux collecteurs transversaux, reliés à deux tubulures de connexion; - réaliser un bloc thermique creux, adapté à être efficacement couplé à la plaque thermique dudit organe; - raccorder ledit élément actif audit bloc thermique creux, pour constituer une enceinte étanche relative-15 ment rigide, formant circuit bouclé ; choisir un liquide susceptible, dans une telle enceinte étanche, de subir un changement d'état liquide/vapeur, à des températures inférieures audit plafond; - introduire dans cette enceinte des volumes déterminés dudit liquide et de sa vapeur, tout en évacuant au mieux l'air qu'elle contenait initialement, puis sceller cette enceinte ou la fermer de manière à la maintenir 20 étanche; - installer dans ledit appareil l'ensemble ainsi formé, de telle manière que, d'une part, il soit convenable-ment orienté par rapport à la verticale, pour qu'une circulation par thermosiphon puisse s'y organiser, et que, d'autre part, le bloc thermique creux soit correctement couplé à la plaque thermique de l'organe à refroidir; - faire circuler un débit d'air important dans les espaces séparant les plaques creuses.

2. Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air circule dans une enveloppe enfermant l'élément actif.

3. Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air circule de bas en haut dans les espaces de séparation des plaques creuses.

4. Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air est prélevé à l'extérieur de l'appareil et, après passage dans les espaces inter-plaques, il est, le cas échéant, évacué 35 vers l'extérieur.

5. Dispositif de refroidissement (10), destiné à évacuer le flux élevé de chaleur, produit par un organe déterminé (12), équipé d'une plaque thermique (14), caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps thermique creux (26), à haute conductivité thermique, pourvu de deux raccords (2830) et d'une face (36) adaptée à être appliquée sur toute la plaque thermique (14) de l'organe (12) concerné ; - un élément actif d'échange thermique (20), relativement rigide, formé par un empilement de plaques creuses minces (52), séparées par des espaces inter-plaques étroits (54) et pourvues de deux collecteurs transversaux, reliés à deux tubulures de connexion (44-50) ; - les tubulures de connexion (44-50) de l'élément actif (20) sont reliées aux raccords (28-30) du corps thermique creux (26), pour constituer une enceinte étanche relativement rigide formant un circuit bouclé qui contient des volumes appropriés d'un liquide et de sa vapeur, ce liquide étant susceptible, dans cette enceinte étanche, de s'évaporer à des températures inférieures au plafond autorisé pour la plaque thermique (14) de l'organe concerné (12) à refroidir.

6. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément actif d'échange thermique (20) est enfermé dans une enveloppe (22), pourvue de deux embouchures (58-60), l'ensemble constituant un échangeur thermique pour fluides confinés (18).

7. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un ventilateur (24) 15 est fixé à une couronne (59), solidaire de l'une des embouchures de l'enveloppe (22).

8. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le liquide contenu dans l'enceinte étanche, qui possède une température d'évaporation inférieure au plafond imposé à l'organe à refroidir, lorsque la pression dans cette enceinte le permet, est notamment l'un des suivants: eau distillée, éther, méthanol ou éthanol.

9. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bloc thermique creux (26) est un corps métallique, à haute conductivité thermique, en forme de parallélépipède de faible épaisseur, traversé par des canaux parallèles étroits (321-11), séparés les uns des autres par des cloisons transversales (341-1o) de répartition de la chaleur.

10. Dispositif de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur interne des plaques creuses minces (52) est de l'ordre du millimètre et l'épaisseur de leurs espaces inter-plaques (54), plusieurs fois supérieure à la précédente.