FR2872266A1 - Refroidisseurs a eau perfectionnes procedes pour leur mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

Le refroidisseur (10) est installé à la verticale et représenté en vue de coupe longitudinale. La plaque de dissipation thermique (14), à flux de chaleur élevé, d'un microprocesseur (12), à plafond de température relativement bas, est mise en contact avec la face de couplage (26) d'une chaudière en cuivre (16). Cette chaudière, qui comporte un petit nombre de canaux parallèles étroits, séparés par des ailettes pleines, est appliquée et fixée d'une manière étanche sur une durite (18) en polymère. La partie centrale de cette durite constitue le couvercle (36) de cette chaudière et en délimite les embouchures amont et aval (38-40). Les embouchures externes (50-52) de la durite (18) sont respectivement reliées aux tubulures de connexion (46-48) d'un radiateur (20), entouré par une enveloppe. Ce radiateur (20) est un échangeur thermique formé par un empilement de paires d'ailettes creuses minces (56), séparées par des espaces étroits (58). De préférence, ce radiateur (20) est une pièce monobloc, en polymère ou en métal, réalisée à partir d'une ébauche à soufflets biconvexes, fabriquée par thermosoufflage ou hydroformage. De l'eau circule par thermosiphon dans le circuit bouclé, formé par la chaudière (16) et le radiateur (20). Un ventilateur (24-25) fait passer un courant d'air important dans l'enveloppe. L'eau qui retourne à la chaudière est au plus 30°C plus chaude que l'air ambiant. 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, piles à combustible ou moteurs thermiques.

Description

REFROIDISSEURS AEAU PERFECTIONNES PROCEDES POUR LEUR MISE EN OEUVRE 5

L'invention concerne le refroidissement, par échange thermique eau/air, d'organes les plus divers. Le fonctionnement permanent de nombreux organes leur impose, pour ne pas se détériorer, d'avoir à évacuer une puissance thermique relativement importante, souvent à travers une surface de dissipation réduite. Ce qui a pour effet d'engendrer des densités de flux de chaleur élevées, cependant que l'organe concerné doit être maintenu en dessous d'un plafond de température donné, en général inférieur à 80 C.

Les organes concernés sont inertes ou non. Parmi les premiers, on trouve les piles à combustible et de nombreux appareils électroniques, notamment ceux incorporant un microprocesseur. Quant aux seconds, ce sont des organes mécaniques, et notamment les moteurs à combustion interne.

Un refroidisseur possède une surface de couplage adaptée à épouser la surface de dissipation thermique de l'organe en question. Ce couplage est permanent ou non. Dans le premier cas, ces surfaces sont les deux faces de parois à section droite fermée (cylindres d'un moteur, par exemple). Dans le second, ces surfaces sont des plaques planes, généralement petites (<15 cm2, pour un microprocesseur).

Pour les microprocesseurs, l'augmentation continue de leurs performances, au cours des trois dernières décennies, a eu pour conséquence un accroissement régulier de puissance thermique à évacuer. De nombreux types de refroidisseurs, spécialement destinés à être couplés aux plaques de dissipation thermique des microprocesseurs, existent sur le marché.

Pour mémoire, on fera tout d'abord référence à un refroidisseur à air pour microprocesseurs, couramment utilisé dans de nombreux modèles d'ordinateurs personnels (PC) standards C'est un ensemble radiateurventilateur comportant une plaque de couplage thermique en cuivre ou en aluminium, de forme carrée et une face pourvue d'ailettes radiales de même nature, disposées en couronne autour de l'hélice et du moteur du ventilateur. II donne toute satisfaction lorsque la densité de flux de chaleur demeure inférieure à quelques Watts/cm2.

La technique de refroidissement d'un microprocesseur par échange thermique eau/air est décrite et commentée dans de nombreux articles disponibles sur Internet. Ces refroidisseurs comprennent tous une mini- chaudière, raccordée à un radiateur à ailettes standard, un ventilateur et une pompe pour faire circuler un courant d'eau dans l'enceinte ainsi formée. Dans l'ensemble, les commentaires sur les performances de ces refroidisseurs sont assez réservés, car ces dispositifs sont toujours encombrants et onéreux et souvent bruyants lorsqu'ils sont efficaces. De toutes façons, cette technique possède une limite intrinsèque: en effet, si l'on augmente beaucoup le nombre et la surface totale des ailettes du radiateur ainsi que la puissance du ventilateur, la température des bords externes de ces ailettes se rapproche de plus en plus de celle de l'air ambiant. Ce qui fait que l'efficacité globale du radiateur n'augmente guère.

Une autre technique de refroidissement couramment utilisée dans des ordinateurs portables, fait usage de tubes de transfert de chaleur. Un grand nombre d'articles, disponibles sur Internet, décrivent cette technique. Un tube de transfert de chaleur est un tube en cuivre de quelques millimètres de diamètre, plus ou moins long selon qu'il est utilisé en groupe ou seul, pourvu sur toute sa longueur d'une mèche tubulaire interne. Ces tubes contiennent de l'eau liquide et de la vapeur et ils relient une chaudière, solidaire de la plaque de dissipation thermique du microprocesseur, et un radiateur à ailettes métalliques balayées par un courant d'air produit par un ventilateur. L'eau contenue dans la chaudière s'évapore et la vapeur va se condenser dans le radiateur, cependant que sa chaleur latente est emportée par le courant d'air. L'eau liquide produite à cette occasion est ramenée par la mèche jusqu'à la chaudière, autorisant ainsi le renouvellement du cycle de transfert de chaleur décrit. Cette technique efficace mais chère ne peut convenir aux PC standard, aux prix de vente plusieurs fois inférieurs à ceux de la plupart des portables.

Une autre technique de refroidissement à eau des microprocesseurs, développée par la société Cooligy de Californie, est décrite dans la publication de EE Times du 7 octobre 2003. Dans cette nouvelle technique, la chaudière est constituée par des centaines de micro-canaux pratiqués dans une tranche de silicium, maintenue en contact avec l'unité centrale à refroidir, et une pompe particulière (empruntée à la biologie) transfère l'eau dans un radiateur standard associé à un ventilateur. Cette technique présente l'avantage de pouvoir refroidir individuellement les points les plus chauds du microprocesseur. Ce qui présente un grand intérêt. Mais elle est évidemment trop chère pour les PC destinés au grand public.

La nouvelle génération des microprocesseurs à hautes performances modifie complètement le problème de leur refroidissement, notamment dans les nouveaux PC à prix moyens. En effet, les puissances thermiques à évacuer, que ces nouveaux microprocesseurs engendrent, peuvent atteindre et même dépasser 200 Watts, ce qui se traduit dans leurs plaques de dissipation thermique aux dimensions réduites, par des densités de flux de chaleur pouvant atteindre 20 W/cm2.

Dans le cas des moteurs à combustion interne, de nombreux perfectionnements ont été apportés à la technologie des radiateurs, mais le procédé de refroidissement utilisé est demeuré figé depuis plusieurs décennies. Dans ce procédé, une pompe mécanique fait rapidement circuler de l'eau dans des conduits appropriés reliant l'enveloppe des cylindres du moteur à un radiateur. Celui-ci comprend plusieurs tuyaux métalliques parallèles, aux diamètres plus ou moins importants, montés solidaires d'ailettes métalliques pleines, entre lesquelles circule un courant d'air engendré par un ventilateur et/ou le vent relatif du véhicule. Entre l'eau chaude, qui circule en écoulement turbulent dans ces tuyaux, et les parois externes des ailettes, trois résistances thermiques principales sont intercalées, qui au total entraînent une diminution importante de l'écart de température qui existe entre ces parois externes et le courant d'air qui les ventile. L'une, importante, apparaît dans l'épaisseur même de l'eau, une autre relativement faible, dans la paroi de ces tuyaux et une dernière, relativement importante, entre la paroi externe des tuyaux et la surface totale des ailettes. Du fait de l'accumulation de ces pertes thermiques successives, le courant d'air qui balaie les ailettes du radiateur, peut ne disposer que d'une différence de température égale à environ 30% de celle qu'il a avec le courant d'eau qui transfère le flux de chaleur du moteur jusqu'au radiateur. II en est de même pour les radiateurs à ailettes métalliques pleines, associés aux dispositifs refroidisseurs à échange thermique eau/air, destinés aux microprocesseurs. Et cet écart résiduel est pourtant le seul et unique moteur du refroidissement recherché. II est donc impératif de le majorer au mieux.

Les considérations ci-dessus s'expliquent immédiatement par la conductivité thermique des matériaux concernés. Le cuivre a une conductivité thermique de 380 W/m.K, l'aluminium 220 W/m.K et l'eau de 0, 6 à environ 10 W/m.K, pour un écoulement passant de laminaire à turbulent. Pour les polymères, dont il sera question ci-après, la conductivité thermique est particulièrement faible: 0,2 W/m.K. Quant à la capacité calorifique de l'eau, elle est de 4,18 kilojoules par kilogramme et par degré, celle de l'air sec étant de 1 kJ/kg/K.

A titre d'exemple illustrant la situation actuelle des radiateurs à ailettes métalliques pleines, pour constamment évacuer 30 kW thermiques, dans un système de refroidissement à échange eau/air d'un moteur thermique de même puissance, la pompe fait circuler cette eau à 2400 gis, à une température initiale d'environ 80 C, dans un radiateur standard ayant 5 dm3 de volume, 17 dm2 de maître-couple et 10 m2 d'ailettes. Au cours de la traversée de ce radiateur, l'eau perd 3 C environ cependant qu'un courant d'air de 2 kg/s (1,65 m3/s), qui pénètre entre ces ailettes à une température de 25 C, en sort à environ 40 C. La conductance volumique de ce radiateur est d'environ 100 kW/K.m3.

Le premier objet de l'invention est un dispositif refroidisseur, du genre à échange thermique eau/air, qui incorpore un radiateur à ailettes particulier présentant une très haute conductance thermique globale (W/K) et par unité de volume (kW/K.m3).

Le deuxième objet de l'invention est un dispositif refroidisseur, du genre à échange thermique eau/air, qui incorpore un radiateur à ailettes particulier pouvant ne nécessiter ni pompe ni ventilateur.

Le troisième objet de l'invention est un dispositif refroidisseur, du genre à échange thermique eau/air, qui incorpore un radiateur à ailettes particulier, très efficace, bon marché et peu encombrant.

Le quatrième objet de l'invention concerne un système de refroidissement complémentaire pour moteur Diesel.

Le cinquième objet de l'invention concerne différents procédés pour utiliser au mieux un tel dispositif refroidisseur perfectionné, en accord avec l'ensemble des conditions particulières généralement imposées par les industriels concernés.

Selon l'invention un refroidisseur perfectionné, destiné à être couplé à la surface de dissipation thermique d'un organe donné, du genre comprenant: - une chaudière, pourvue de deux collecteurs et d'une surface de couplage, épousant ou adaptée à épouser la surface de dissipation thermique dudit organe; - un radiateur à ailettes, pourvu de deux collecteurs; - des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de la chaudière et du radiateur et ainsi constituer une enceinte étanche; - un liquide caloporteur, notamment de l'eau, dans cette enceinte; est caractérisé en ce que: - ledit radiateur est échangeur thermique constitué par un empilement d'ailettes creuses et minces, branchées sur deux collec-teurs transversaux.

Pour construire un tel radiateur à ailettes creuses et minces, branchées sur deux collecteurs transversaux, deux techniques peuvent être utilisées. Elles concernent toutes deux un élément actif d'échange thermique particulier et son procédé de fabrication. Utilisés à l'unité, ces deux types d'éléments actifs d'échange thermique conviennent en principe à tout dispositif refroidisseur selon l'invention pour organes de petites dimensions et de puissances petites ou moyennes (de 50 Watts à quelques kilowatts). Utilisés en groupe pour former des batteries, de plusieurs dizaines le cas échéant, ils conviennent pour un dispositif refroidisseur d'organes de puissances notablement supérieures.

La première technique est décrite dans la demande de brevet européen N EP 1 122 505 Al, publiée le 8 août 2001, déposée par la société japonaise EBARA. Cet élément a été développé pour constituer l'évaporateur ou le condenseur d'un appareil de réfrigération à absorption. II est formé par un empilement de plaques creuses, réalisées à partir de deux feuilles métalliques superposées, dans lesquel- les ont été préalablement pratiqués des creux et des bosses, régulièrement alternés, et deux ouvertures à rebords. Pour former une plaque creuse, deux feuilles métalliques ainsi bosselées et percées sont fixées l'une à l'autre par soudures de leurs bords extérieurs ainsi que des crêtes de leurs bossages et des rebords de leurs ouvertures. Deux plaques creuses contiguës sont fixées l'une à l'autre d'une manière semblable, afin d'aménager un espace inter-plaques et de réaliser deux collecteurs transversaux. L'utilisation d'un tel élément est tout à fait possible dans le cadre de la présente invention mais, en pratique, sa technique de fabrication complexe et son risque élevé de fuites, dû au grand nombre de soudures étanches qu'il comporte, entraîneront des rebuts et des coûts élevés de fabrication ainsi que des remplacements, a priori inévitables en exploitation, qui lui interdiront d'être retenu pour la plupart des applications concernées.

La seconde technique est décrite dans la demande de brevet international PCT, déposée par TET, le titulaire de la présente demande de brevet, publiée le 1 juillet 2004 sous le N WO 2004/055462 Al. 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, globalement symétriques et, le cas échéant, obliques, pourvues de deux collecteurs transversaux, prolongés par deux tubulures de raccordement.

Cet élément est fabriqué en trois temps, le dernier étant inutile dans certains cas: - (1) on réalise, par thermosoufflage d'un polymère ou hydroformage d'un métal, une ébauche constituée par un empilement de soufflets globalement biconvexes, comparables à ceux d'un accordéon, ayant des parois minces et des parties centrales allongées, pourvues de raccords d'extrémités, de préférence à surfaces retournables, et de deux tubulures de connexion, centrées sur les axes d'empilement de ces raccords; - (2) on applique 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 empilement de paires d'ailettes creuses, communicantes et globalement symétriques, le cas échéant, bistables et obliques, à épaisseur interne et écartement faibles, sensiblement constants; - (3) si nécessaire, on laisse refroidir la pièce monobloc ainsi réalisée, tout en la maintenant comprimée dans son état final.

Grâce à la caractéristique de base d'un refroidisseur selon l'invention, entraînant la quasi suppression de toute résistance thermique intermédiaire, la différence de température moyenne, qui existe entre la paroi externe des ailettes creuses et minces du radiateur et le courant d'air qui balaiera ces ailettes, rapportée à l'écart initial qui existe entre le courant d'eau chaude et ce courant d'air, sera d'environ 85% dans le cas le moins favorable (ailettes en polymère) et d'environ 95%, dans le cas le plus favorable (ailettes métalliques). Soit, dans les deux cas, environ trois fois mieux qu'avec un radiateur standard à ailettes métalliques pleines.

Pour le système refroidisseur du moteur de 30 kW visé plus haut, cela permet de diviser par trois environ, la surface des ailettes du radiateur (ramenée à 3,5 m2), le maître-couple (réduit à 5 dm2), le débit d'air (limité à 700 g/s) et la puissance du ventilateur. Quant à l'augmentation de la température de l'air, elle sera à peu près triplée et s'élèvera à environ 50 C: Ce qui démontre l'intérêt multiple d'un radiateur à ailettes creuses et minces dans un système refroidisseur pour moteurs à combustion interne. Dans un refroidisseur selon l'invention, adapté aux microprocesseurs, les dimensions des composants sont bien évidemment totalement différentes mais les résultats thermiques obtenus sont quasiment identiques.

Selon un complément de la caractéristique de base de l'invention, exprimée plus haut, l'épaisseur du canal interne des ailettes creuses et minces du radiateur est à peu près comprise entre 0,2 et 1 mm, dans le cas d'ailettes métalliques, et entre 0,5 à 2,5 mm, dans le cas d'ailettes en polymère.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la chaudière est un corps creux relativement plat, à haute conductivité thermique, possédant un fond et des parois latérales pourvues de rebords, un petit nombre d'ailettes minces de répartition thermique, solidaires de ce fond, séparent les uns des autres des canaux internes étroits, et les bords de ces parois sont adaptés à être appliqués et fixés sur une durite rigide possédant une partie centrale de forme appropriée, de manière que soient constitués le couvercle et les embouchures amont et aval de cette chaudière.

Selon une caractéristique complémentaire de la précédente, l'écart entre les embouchures de la chaudière est suffisamment grand (>5 cm, environ) pour permettre une circulation par thermosiphon du liquide caloporteur lorsque cette chaudière est convenablement orientée.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, le liquide caloporteur, notamment de l'eau soumise à une pression basse, est susceptible de subir un changement d'état liquide/vapeur à une température inférieure à la température plafond dudit organe.

Selon l'invention, un système refroidisseur complémentaire pour moteur Diesel, comprenant: une chaudière, pourvue de deux collecteurs un radiateur à ailettes, pourvu de deux collecteurs; - des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de la chaudière et du radiateur et ainsi constituer une enceinte étanche; - un liquide caloporteur, notamment de l'eau, dans cette enceinte; - une pompe pour faire circuler ce liquide en circuit fermé dans cette enceinte; est caractérisé en ce que: - ladite chaudière est un échangeur thermique, constitué par un empilement d'ailettes métalliques, creuses et minces, branchées sur deux collecteurs transversaux, adapté à être installé dans une tubulure d'échap- pement des gaz brûlés d'un tel moteur.

Dans ce système refroidisseur particulier, un tel échangeur thermique fonctionne non plus en radiateur comme dans les cas précédents, mais en chaudière captant le flux de chaleur véhiculé par les gaz d'échappement d'un moteur Diesel. Et, pour un tel moteur ainsi équipé, la pompe et le radiateur à ailettes du système de refroidissement des cylindres du moteur pourront également être ceux du système complémentaire de refroidissement des gaz d'échappement. Avec un tel échangeur efficace, bon marché et peu encombrant, une telle installation devient techniquement et économiquement possible. Les gaz brûlés très chauds (environ 600 C) qui pénètrent dans cette tubulure d'échappement peuvent être refroidis jusqu'à une température relativement basse, par exemple de 40 à 60 C supérieure à celle de l'air ambiant. Et des gaz brûlés ainsi refroidis peuvent alors être mélangés à l'air injecté dans les cylindres d'un moteur Diesel. Dans ces conditions, la proportion d'oxygène que contient le mélange peut être aisément amenée, notamment à bas régime du moteur, à une valeur suffisamment faible, qui correspond à des proportions stoechiométriques de gazole et d'air appauvri en oxygène. Ce qui empêche alors toute production d'oxydes d'azote (NOX) hautement polluants et permet, pour la première fois, de réaliser dans de bonnes conditions le souhait exprimé depuis longtemps par de nombreux ingénieurs spécialistes du moteur Diesel.

Selon l'invention, un procédé pour utiliser un refroidisseur, afin de refroidir d'une manière optimale un organe donné, installé dans un appareil, une machine ou un véhicule, - ledit organe étant équipé d'une surface de dissipation thermique, soumise à un flux de chaleur élevé, tout en devant fonctionner à une température inférieure à un plafond déterminé, - ledit dispositif ou système refroidisseur comprenant une chaudière, pourvue d'une surface de couplage thermique, et un radiateur à ailettes, connecté à la chaudière, de manière à constituer une enceinte étanche contenant un liquide caloporteur, notamment de l'eau, ; - ledit procédé consistant (1) à coupler au mieux ladite surface de dissipation thermique et la surface de couplage thermique de la chaudière et à maintenir ce couplage, lorsqu'il n'existe pas par construction, (2) à faire circuler en circuit fermé le liquide caloporteur dans la chaudière du refroidisseur et dans les éléments creux du radiateur à ailettes et (3) à faire circuler un courant d'air dans les espaces séparant ces ailettes, est caractérisé en ce que - le radiateur étant un empilement d'ailettes creuses et minces, branchées sur deux collecteurs transversaux, en fonction de la puissance thermique à évacuer et du plafond de température imposé, ce procédé consiste à choisir le matériau, le nombre, la longueur, la largeur, l'épaisseur interne et l'espacement de ces ailettes et, à partir des caractéristiques thermiques respectives du liquide et de l'air, à déterminer les vitesses et les moyens de circulation des courants de liquide et d'air qu'il convient d'établir, en tenant compte de la distance entre ces collecteurs transversaux.

Dans le cas où la chaudière est susceptible d'être installée à la verticale dans l'appareil, la machine ou le véhicule concerné, la circulation du liquide caloporteur et, le cas échéant, de bulles de sa vapeur, se fera par thermosiphon.

Dans le cas où la chaudière est susceptible d'être installée dans une position quelconque dans l'appareil, la machine ou le véhicule, une pompe d'un type approprié, notamment mécanique ou électromécanique, sera utilisée pour y faire circuler le liquide caloporteur et, le cas échéant, de bulles de sa vapeur.

Dans le cas où le radiateur à ailettes creuses et minces est installé à l'intérieur de l'appareil, de la machine ou du véhicule, un ventilateur fait circuler un courant d'air entre ses ailettes, ce radiateur étant, le cas échéant, enfermé dans une enveloppe traversée par ce courant d'air.

Dans le cas où le radiateur à ailettes creuses et minces est installé à l'extérieur de l'appareil ou de la machine, une circulation suffisante de l'air entre ses ailettes peut être assurée par convexion naturelle, lorsque ce radiateur est sensiblement installé à la verticale et que sa surface d'échange est suffisament grande pour que les densités de flux de chaleur qui le traversent soient de l'ordre de 10 W/m2, pour un degré d'écart entre sa température de paroi et la température de l'air dans lequel il baigne.

Grâce à ces diverses caractéristiques, on dispose de toute une palette de possibilités d'utilisation du refroidisseur perfectionné selon l'invention. Et cette palette permet de résoudre, d'une manière beaucoup plus efficace que jusqu'à présent, les problèmes de refroidissement d'organes les plus divers, qui vont d'un microprocesseur à un moteur d'automobile.

Pour illustrer ce propos, on va commenter ce qui se passe avec un microprocesseur et un dispositif refroidisseur court (< 5 cm, par exemple) , selon l'invention, qui constitue une enceinte étanche contenant de l'eau à basse pression (sous 300 hPa, l'eau bout à 60 C). Le radiateur est installé dans une enveloppe traversée par un courant d'air produit par un ventilateur. On applique sur la plaque de dissipation thermique du microprocesseur, une mince couche de pâte thermique, puis la surface de couplage thermique de la chaudière du refroidisseur. Ensuite, on installe sensiblement à la verticale la chaudière et le radiateur. De la sorte, la densité élevée de flux de chaleur émise par cette plaque de dissipation thermique, est efficacement transmise, par la couche de pâte thermique, la face de couplage, les parois et les ailettes pleines de la chaudière, à l'eau contenue dans ses canaux. Cela a pour effet de rapidement réchauffer cette eau et ainsi d'y provoquer l'apparition de bulles de vapeur qui abaissent la densité moyenne du mélange eau-bulles contenu dans la chaudière et l'amènent, par exemple, à 80% de celle de l'eau liquide. Par convection naturelle, ces bulles de vapeur et les tranches de liquide qui les entourent subissent une poussée considérable dans les canaux de la chaudière et dans son collecteur de sortie (correspondant à 20 Pa/cm, par exemple). Ce qui les fait rapidement monter dans ces canaux, ce collecteur supérieur de la chaudière et dans la tubulure haute du radiateur. En traversant de haut en bas et à vitesse réduite (la section totale des ailettes est très supérieure à celle des conduits amont) les ailettes creuses sensiblement verticales de ce radiateur, ces bulles de vapeur et ces tranches de liquide échangent de la chaleur avec le courant d'air, produit par le ventilateur, à travers les parois de ces ailettes.

Ce courant d'air, à température initialement basse (25 C, par exemple) circule de bas en haut dans l'enveloppe du radiateur, le long des faces externes des parois de ses ailettes creuses. En sortant de la tubulure basse du radiateur, à la fin de cet échange thermique à contre-courant, la plupart de ces bulles de vapeur ont disparu, dissoutes dans l'eau liquide, ou réduites en volume, du fait de la condensation de la vapeur qui les constituait. De son côté, la chaleur latente de condensation libérée à cette occasion est totalement emportée par le courant d'air, grâce à la bonne conductance thermique du mince filet d'eau et des parois fines des ailettes creuses du radiateur. A la sortie de la tubulure basse du radiateur et à l'entrée des canaux de la chaudière, la température moyenne du mélange d'eau et de bulles de vapeur est supérieure de 10 à 20 C à celle de l'air entrant dans l'enveloppe, sa densité moyenne étant augmentée de 20 % environ. A la sortie de l'enveloppe, c'est-à-dire en haut du dispositif refroidisseur, la température de l'air a beaucoup augmenté pour finalement devenir inférieure d'une dizaine de degrés seulement à la température moyenne du mélange liquide-vapeur à l'entrée du radiateur.

On notera que si la circulation de l'air dans l'enveloppe du radiateur était inversée (de haut en bas au lieu de bas en haut), les échanges thermiques se feraient à co-courants. Ce qui demeure intéressant, du fait de l'augmentation des échanges thermiques alors effectués dans la partie amont du radiateur.

Le liquide caloporteur utilisé est de l'eau distillée lorsque l'enceinte étanche du dispositif refroidisseur est suffisamment rigide pour permettre à la pression d'y être suffisamment basse. D'autres liquides caloporteurs peuvent également être utilisés, lorsque les parois des ailettes creuses du radiateur ont une rigidité insuffisante. Ce sont des liquides dont la température d'ébullition est relativement basse à pression atmosphérique: éther (30 C), méthanol (60 C), éthanol (78 C).

Le dispositif refroidisseur court (< 5 cm) selon l'invention permet l'évacuation efficace de quantités élevées de chaleur, sans faire usage de pompe, à travers la plaque de dissipation thermique de petites dimensions d'un microprocesseur. Cela, 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 en résulte dans le liquide, 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.

Si dans un tel refroidisseur court, installé vertical, on remplace un tel mélange liquide-vapeur par de l'eau à pression atmosphérique, stable bien au-delà du plafond de température généralement imposé, la dilatation que subit cette eau, en réponse à un flux de chaleur donné, engendre des débits circulant par tirage naturel beaucoup plus faibles. Ce qui entraîne une diminution importante de la puissance thermique échangée entre l'eau et l'air, à tout niveau du radiateur. En conséquence, avec de l'eau à pression atmosphérique, des écarts plus importants (>10 cm, par exemple) sont nécessaires, d'une part, entre l'embouchure basse de la chaudière etl'embouchure haute de son collecteur supérieur et, d'autre part, entre les deux collecteurs de ce radiateur. Dans ces conditions, le tirage est augmenté et la vitesse de circulation de l'eau prend alors une valeur suffisante pour que l'amplitude des échanges thermiques effectués redevienne tout à fait conforme à ce que l'on recherche.

Lorsque la chaudière du refroidisseur selon l'invention ne peut être installée sensiblement verticale dans l'appareil incorporant l'organe concerné à refroidir, une pompe est alors nécessaire pour faire circuler le liquide de refroidissement, comme cela se fait avec les radiateurs à ailettes pleines. Mais avec une puissance de pompage bien inférieure. Et, malgré la nécessité d'une telle pompe, il n'en demeure pas moins que dans de nombreux domaines l'encombrement réduit, la grande efficacité, la longévité et le faible coût d'un radiateur à ailettes creuses et minces en polymère, permettent d'en faire un usage intéressant à bien des égards, notamment quant à la liberté d'installation et à la diminution du maîtrecouple dans une automobile, par exemple. Et, dans le cas général, le fait de pouvoir éviter l'utilisation d'une telle pompe, grâce au tirage naturel, constitue une avancée particulièrement intéressante. Cela est la conséquence directe de la faible vitesse de circulation d'eau, permise par la très grande conductance thermique d'un radiateur à ailettes creuses et minces.

De plus, avec une chaudière de dimensions appropriées et un radiateur comportant un grand nombre d'ailettes creuses et minces, branchées sur deux collecteurs transversaux suffisamment distants l'un de l'autre, en installant à la verticale cette chaudière à l'intérieur de l'appareil ou de la machine et ce radiateur à l'extérieur, la circulation d'eau (ou d'un mélange eau-bulles de vapeur) dans les ailettes creuses ainsi que la circulation d'air entre ces ailettes seront toutes deux réalisées par convexion naturelle. De la sorte, des échanges thermiques tout à fait satisfaisants peuvent être obtenus entre l'eau et l'air. Ce qui supprime la pompe et le ventilateur, nécessaires jusqu'à présent, et apporte ainsi au refroidisseur selon l'invention, un avantage complémentaire considérable.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'une manière plus précise de la description qui va suivre d'un 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' d'un tel refroidisseur; - la figure 2 est une vue selon le plan de coupe AA', représenté à la figure 1; - la figure 3 est une vue selon le plan de coupe BB', représenté à la figure 1.

Selon ces trois figures, un refroidisseur 10, selon l'invention, est installé à la verticale. Il est couplé et fixé, par tout moyen approprié, à un microprocesseur 12, susceptible d'engendrer une puissance thermique de 180 Watts. Ce flux de chaleur doit être évacué à travers une plaque de dissipation thermique carrée 14, de 35 mm de côté (soit 15 W/cm2), de manière que sa température demeure inférieure à 70 C, par exemple. Le refroidisseur 10 comprend une chaudière 16, une durite rigide 18, un radiateur 20, une enveloppe 22 et un ventilateur 24.

La chaudière 16 est un corps creux en cuivre, de 10 mm d'épaisseur, qui possède une face carrée de couplage thermique 26, de 35 mm de côté, des bords de fixation 28-30 larges de 10 mm, un fond et des parois de 1,5 mm d'épaisseur, onze canaux internes parallèles 32141, de 2 mm de large et de 35 mm de long et 8,5 mm de haut, dans leur partie centrale, ainsi que dix ailettes 34i-10 de répartition thermique bordant ces canaux. Les extrémités de ces cloisons et de ces canaux ont des profils en arcs de cercle et la distance entre leurs extrémités est de 6 cm. La face de couplage 26 du refroidisseur 10 épouse la plaque de dissipation 14 du microprocesseur, au travers d'une fine couche de pâte thermique (non représentée).

Les bords 28-30 de la chaudière 16 sont appliqués et fixés d'une manière étanche sur la durite 18. Cette durite 18 est en polymère et sa partie centrale est suffisamment épaisse pour pouvoir s'appuyer sur les cloisons 341-io et ainsi constituer le couvercle 36 et délimiter les embouchures amont et aval 38-40 de la chaudière 16, situées juste au-dessus des parties courbes des canaux 321-11. Ces embouchures 38-40 sont également les embouchures internes des deux collecteurs 42-44 de la chaudière 16, et ces collecteurs sont eux-mêmes constitués par les parties extrêmes, à section trapézoïdale, de la durite 18. Les collecteurs 42-44 peuvent être reliés aux tubulures 46-48 du radiateur 20, par des conduits plus ou moins longs (non représentés), raccordés aux embouchures externes 50-52 des collecteurs 42-44, aménagées aux deux extrémités 51-53 de la durite 18. L'extrémité 53 comporte un bossage 57, pourvu d'une petite ouverture que l'on peut ouvrir ou fermer d'une manière étanche. Les embouchures externes 50-52 des collecteurs 42-44, leurs conduits de liaison éventuels et les tubulures 46-48 du radiateur 20, sont reliés les uns aux autres par tous moyens appropriés, notamment colliers, collages ou soudures.

Le radiateur 20 est un élément monobloc d'échange thermique TET, en polyéthylène chargé en carbone. Il est représenté avec huit paires d'ailettes creuses 56 séparées par des espaces 58. En fait, le radiateur 20 comprend quinze ailettes, pour pouvoir aisément évacuer 180 W. Ces ailettes sont obliques et, sur la fig.3, elles ont ensemble l'aspect d'une colonne vertébrale de poisson. Ces quinze paires d'ailettes ont une hauteur totale de 15 cm, un écart de 10 cm entre leurs tubulures 46-48, une largeur de 5 cm et une épaisseur totale de 9 cm, avec un pas d'empilement de 6 mm, des parois de 0,5 mm en moyenne, des épaisseurs moyennes de respectivement 1 mm pour les canaux des ailettes et de 4 mm pour les espaces de séparation 58. Le volume de ce radiateur 20 est d'environ 0,6 dm3. On notera que le polyéthylène chargé par un additif approprié est, dans l'extrudeuse utilisée pour fabriquer l'ébauche de ce radiateur, une pâte particulièrement fluide qui permet d'obtenir une grande finesse de parois. Les deux ailettes creuses 561-2 d'une paire sont reliées l'une à l'autre par une tranche du canal central 60 de l'élément monobloc 20. Les extrémités de ce canal central 60 constituent pour les ailettes 56, deux collecteurs transversaux 62-64, prolongés par les tubulures 46-48. La conductance thermique totale d'un tel radiateur 20, traversé par un courant d'eau, à écoulement sensiblement laminaire, est de 18 W/K, pour un courant d'air, circulant à contre-courant tout au long de ses ailettes.

L'enceinte étanche en forme de circuit bouclé, constituée par la chaudière 16, la durite 18 et le radiateur 20, contient de l'eau distillée à pression atmosphérique. Cette eau est introduite dans cette enceinte à travers l'ouverture du bossage 57, son niveau final correspondant à peu près à l'axe de la tubulure haute 48 de raccordement du radiateur 20.

L'enveloppe 22 est formée par deux coquilles, aux bords fixés l'un à l'autre par tout moyen appro- prié (voir la demande PCT concernée). Deux ouvertures sont pratiquées dans l'une de ces coquilles, pour laisser passage et servir d'appui fixe aux deux tubulures de raccordement 46-48 de la chaudière 20. Les parois de l'enveloppe 22 sont proches des extrémités des ailettes creuses 56 du radiateur 20 et ses embouchures 66-68 sont larges. A l'extrémité de l'embouchure basse 66 de cette enveloppe 22, est installée une couronne 70 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 d'au moins 15 litres/seconde.

Grâce aux ailettes de répartition thermique 341-10 de la chaudière 16, la surface effective d'échange thermique entre la plaque de dissipation thermique 14 du microprocesseur 12 et l'eau contenue dans les onze canaux 321-11 de cette chaudière 16, est en pratique multipliée par trois. Dans ces conditions, la densité initiale de flux de chaleur de 15 W/cm2 appliquée à la face de couplage 26 de la chaudière 20, est dans les canaux 321-11 remplis d'eau, ramenée en moyenne à 5 W/cm2 par les ailettes 341-10, le fond et les parois de cette chaudière. L'écart de température entre la plaque de dissipation 14 et l'eau de la chaudière est d'environ 10 C. La dilatation de l'eau consécutive à son élévation de température engendre une poussée par thermosiphon dans l'enceinte en circuit fermé formée par la chaudière 16, la durite 18 et le radiateur 20, qui fait circuler cette eau avec un débit d'environ 4,3 g/s. En traversant le radiateur à ailettes creuses 20, la température de l'eau passe de 60 à 50 C, ce qui correspond à l'évacuation recherchée des 180 W à dissiper. De son côté, le courant d'air ambiant entre dans l'enveloppe 22, à 35 C et il en sort à 50 C (soit 15 C de plus qu'à l'entrée). ce qui correspond bien à un débit d'air de 12 g/s (ou de 10 litres par seconde à 35 C) entre les ailettes creuses d'un radiateur 20 dont la conductance thermique est de 18 W/K.

L'eau entre à WC dans la chaudière 16 et en sort à 60 C, ce qui a pour effet de maintenir la température du bord supérieur de la plaque de dissipation thermique 14 du microprocesseur 12 à une valeur maximale de 70 C, compte-tenu des pertes thermiques existant entre cette plaque et l'eau qui doit la refroidir.

Au cas où, pour une raison d'encombrement maximal autorisé, la hauteur du radiateur à ailettes creuses 20 serait limitée, avec un écart entre ses tubulures 46-48 réduit à 5 cm par exemple, le collecteur haut 44 de la chaudière serait également réduit pour devenir identique au collecteur bas 42. Dans ce cas, la vitesse de circulation par thermosiphon d'eau à pression atmosphérique, dans le refroidisseur, ne serait pas suffisante pour évacuer le flux de chaleur concerné. Pour résoudre ce problème, le radiateur 20 sera réalisé en un métal ou en un polymère approprié, de façon à être notablement plus rigide que celui à parois fines en polyéthylène décrit plus haut. De son côté, l'eau sera introduite sous vide dans l'enceinte constituée par le refroidisseur 10 selon l'invention. de façon que des bulles de vapeur soient engendrées dès qu'un flux de chaleur apparaît sur la face externe de la chaudière. Dans ces conditions, le débit du mélange eau-bulles produit, peut atteindre au moins celui de l'eau liquide précédemment obtenu avec un radiateur ayant 10 cm d'écart entre ses tubulures 46-48. Dans ce cas, les températures initiales et finales de l'eau et de l'air précisées plus haut ne seront guère modifiées et la puissance thermique évacuée demeurera sans changement notable.

Dans le cas où la circulation par thermosiphon de l'eau dans le refroidisseur 10 ne peut être établie par une orientation appropriée de la chaudière 16, une pompe de faible puissance, notamment électromécanique, sera installée dans un conduit reliant le collecteur d'entrée 42 de la chaudière 20 à la tubulure de sortie 46 du radiateur 20. Quant aux conduits reliant les embouchures externes 50 et 52 des collecteurs 42-44 de la chaudière 20, leur longueur sera déterminée par l'éloignement qui devra, dans chaque cas particulier, être établi entre la chaudière 16 et le radiateur 20. II en sera notamment ainsi lorsque le radiateur 20 sera installé, sans enveloppe 22, à l'extérieur de l'appareil concerné et la chaudière 16, à l'intérieur. Et dans ce cas, si la convexion naturelle n'est pas suffisante, un ventilateur 22 pourra être installé au-dessus ou en dessous de ce radiateur. De même si, du fait de la température élevée de l'air ambiant, la conductance thermique importante du radiateur n'est pas suffisante pour permettre l'évacuation du flux de chaleur concerné, une pompe pourra être installée de préférence en amont de la chaudière pour assurer un écoulement turbulent de l'eau chaude dans les ailettes creuses du radiateur et ainsi augmenter le débit et la chute de température de l'eau au cours de son transit dans le radiateur. Une autre solution consistera à utiliser un radiateur 20 à parois rigides, autorisant une pression basse dans l'enceinte du refroidisseur et donc la production d'un mélange eau-vapeur.

Les considérations ci-dessus, afférentes à un refroidisseur selon l'invention pour microprocesseur, s'appliquent, par un simple changement des grandeurs géométriques concernées, au cas des organes d'autres types à refroidir. Lorsque le flux de chaleur à évacuer se chiffre en kilowatts, quelques dizaines de radiateurs à ailettes creuses 20 de 1 dm3 ayant chacun une conductance thermique d'environ 100 W/K seront assemblés en parallèle, pour évacuer les flux de chaleur concernés. Une telle conductance thermique est obtenue avec un radiateur métallique monobloc TET, comportant trente paires d'ailettes creuses ayant 5 cm de large, 10 cm d'écart entre collecteurs, 0,5 mm d'épaisseur interne, 0,3 mm de paroi et un pas de 4 mm. Un tel radiateur à haute conductance volumique sera utilisé dans une voiture automobile, soit pour le circuit de refroidissement usuel des cylindres du moteur soit pour le refroidissement des gaz d'échappement d'un moteur Diesel, destiné à permettre d'appauvrir en oxygène, sans trop le chauffer, le volume d'air introduit dans les cylindres. Le refroidissement usuel des cylindres du moteur pourra, quant à lui, être assuré au moyen d'un ou de deux radiateurs en polymère.

Quant à la chaudière 16,elle peut être incorporée à tout refroidisseur à eau d'un organe donné, quelle que soit la forme creuse ou pleine, affectée aux ailettes du radiateur qui fait partie de ce refroidisseur. 35

Claims (2)

12 REVENDICATIONS

1. Refroidisseur perfectionné (10), destiné à être couplé à la surface (14) de dissipation thermique, plane ou à section droite fermée, d'un organe donné (12), du genre comprenant: - une chaudière (16), comportant une cavité interne (321-11) pourvue de deux collecteurs (42-44) et une surface de couplage (26), adaptée à épouser ladite surface de dissipation thermique (14), lorsque celle-ci est plane, ou épousant par construction cette même surface, lorsqu'elle est à section droite fermée; - un radiateur (20) à ailettes, pourvu de deux collecteurs (46-62 et 48- 64)) ; - des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de la chaudière (20) et du radiateur (16) et ainsi constituer une enceinte étanche; - un liquide caloporteur, notamment de l'eau, dans cette enceinte; - un moyen pour faire circuler, en circuit fermé, ce liquide caloporteur dans cette enceinte; - des moyens (25) pour faire circuler de l'air entre les ailettes du radiateur (20) ; caractérisé en ce que: - ledit radiateur (20) est un échangeur thermique constitué par un empilement d'ailettes creuses et minces (56), branchées sur deux collecteurs transversaux (46-62 et 48-64).

2. Refroidisseur perfectionné selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du canal interne des ailettes creuses et minces (56) du radiateur (20) est à peu près comprise entre 0,2 et 1 mm, dans le cas d'ailettes métalliques, et entre 0,5 à 2,5 mm, dans le cas d'ailettes en polymère.

3. Refroidisseur perfectionné selon la revendication 1 ou 2, pour organes (12) comportant une surface de dissipation thermique plane (14), caractérisé en ce que: - la chaudière (16) est un corps creux relativement plat, à haute conductivité thermique, qui possède une surface plane de couplage (26) et une face opposée également plane, dans laquelle sont creusés des canaux parallèles étroits (321-11), séparés par des ailettes minces (341-12) ; - ladite face opposée est appliquée et fixée (28-30) d'une manière étanche sur une durite rigide (18) ; - la durite (18) comporte deux conduits (42-44), pourvus d'embouchures internes (38-40) et externes (50-52), les embouchures internes (38-40) encadrant les extrémités d'une zone centrale plane (36) ; - la zone centrale (36) de la durite (18) prend appui sur la partie centrale de l'ensemble des sommets des ailettes (341-12) et les embouchures internes (38-40) des conduits (42-44) correspondent aux extrémités des canaux parallèles (321-11), de manière que ces canaux ainsi couverts constituent la cavité interne de la chaudière (16), pourvue de deux collecteurs amont et aval (42-44) . 4. Refroidisseur perfectionné selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen pour faire circuler le liquide caloporteur est la convection naturelle et, à cet effet, l'écart entre les embouchures internes (38-40) de la chaudière (16) est suffisamment grand (>5 cm, environ) pour permettre une circula- tion par thermosiphon du liquide caloporteur, lorsque cette chaudière (16) est convenablement orientée et disposée par rapport au radiateur (20).

5. Refroidisseur perfectionné selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur, notamment de l'eau soumise à une pression basse, est susceptible de subir un changement d'état liquide/vapeur à une température inférieure à la température plafond dudit organe (12).

6. Système refroidisseur complémentaire pour moteur Diesel, destiné à produire une certaine quanti-té de gaz brûlés refroidis, utilisables pour améliorer le fonctionnement de ce type de moteur, comprenant: - une chaudière comportant une cavité interne pourvue de deux collecteurs et une surface de couplage épousant par construction la surface de dissipation thermique à section droite fermée de l'organe à refroidir; - un radiateur à ailettes, pourvu de deux collecteurs; - des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de la chaudière et du radiateur et ainsi constituer une enceinte étanche; - un liquide caloporteur, notamment de l'eau, dans cette enceinte; - une pompe pour faire circuler ce liquide en circuit fermé dans cette enceinte; - des moyens pour faire circuler de l'air entre les ailettes du radiateur; caractérisé en ce que: - la surface de dissipation thermique de l'organe concerné et la surface de couplage de la chaudière sont respectivement les faces externes et internes des parois d'un échangeur thermique, constitué par un empilement d'ailettes métalliques, creuses et minces (56), branchées sur deux collecteurs transversaux (42-62 et 48-64), la cavité interne de la chaudière étant constituée par le volume total délimité par les faces internes de ces ailettes creuses; - cet échangeur thermique est installé dans l'une des tubulures d'échappement des gaz brûlés d'un moteur Diesel, afin que, en sortie de cette tubulure, ces gaz brûlés soient refroidis.

7. Procédé pour utiliser un refroidisseur (10), selon l'une des revendications 1 à 5, afin de refroidir d'une manière optimale un organe donné (12), installé dans un appareil, une machine ou un véhicule, - ledit organe (12) étant équipé d'une surface de dissipation thermique (14), soumise à un flux de chaleur élevé, tout en devant fonctionner à une température inférieure à un plafond déterminé, - ledit refroidisseur (10) comprenant une chaudière (16) pourvue d'une cavité interne (321-11) et d'une surface de couplage thermique (26), et un radiateur (20) à ailettes, raccordé à la chaudière (16), de manière à constituer une enceinte étanche contenant un liquide caloporteur, notamment de l'eau, ; - ledit procédé consistant (1) à coupler au mieux ladite surface de dissipation thermique et la surface de couplage thermique de la chaudière et à maintenir ce couplage, lorsqu'un tel couplage n'existe pas par construction, (2) à faire circuler en circuit fermé le liquide caloporteur dans la chaudière du refroidisseur et dans les éléments creux du radiateur à ailettes et (3) à faire circuler un courant d'air dans les espaces séparant ces ailettes; caractérisé en ce que, en fonction de la puissance thermique à évacuer et du plafond de température imposé, il consiste: - (1) à choisir le matériau, le nombre, la longueur, la largeur, l'épaisseur interne et l'espacement des ailettes creuses et minces (56) du radiateur (20) ainsi que l'écart séparant ses collecteurs transversaux (60-62) ; - (2) à partir des caractéristiques thermiques respectives du liquide et de l'air, à déterminer la pression dans ladite enceinte ainsi que les débits de liquide et d'air qu'il convient d'établir à l'aide de moyens naturels ou mécaniques, en tenant compte des écarts entre les embouchures de la chaudière (16) et entre 5 les collecteurs du radiateur (20).

15 20 25 30 35