FR2898668A1 - Echangeur de chaleur destine au refroidissement d'un composant electronique et son procede de fabrication - Google Patents

Echangeur de chaleur destine au refroidissement d'un composant electronique et son procede de fabrication Download PDF

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Abstract

Pour fabriquer un échangeur de chaleur comprenant une embase métallique (11) et des ailettes (12) avec une partie (125) en graphite expansé recomprimé, on encastre (F1) un bord (121) d'au moins une ailette (12) en écrasant, entre deux parties (113) de l'embase (11), une portion déformable (121). Cette portion déformable peut être un bord (121) de l'ailette ou une pièce rapportée au niveau de ce bord.

Description

L'invention a trait à un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur
destiné au refroidissement d'au moins un composant électronique de puissance. L'invention a également trait à un tel échangeur de chaleur.
Des échangeurs de chaleur sont classiquement utilisés pour éviter un échauffement dommageable de composants électroniques de puissance, tels que des circuits IGBT ( Insulated Gate Bipolare Transistor ou Transistor Bipolaire à Gâchette Isolée ) ou des matériels équivalents. Comme prévu dans FR-A-2 777 986, un tel échangeur de chaleur peut comprendre une plaque sur laquelle sont rapportés des tubes de circulation d'un fluide caloporteur. Comme envisagé dans US-A-2004/0000391, un tel échangeur de chaleur peut également comprendre une base métallique sur laquelle sont rapportées des ailettes en graphite, les ailettes étant engagées dans des gorges ménagées dans l'embase. La fixation mécanique de ces ailettes n'est pas pérenne, notamment dans la mesure où les élévations successives de température de l'embase induisent des variations dimensionnelles de celle-ci qui ne correspondent pas aux évolutions des ailettes. Ainsi, le contact thermique entre les ailettes et l'embase a tendance à se détériorer au cours du temps, ce qui nuit à l'efficacité globale de l'échangeur.
Lors de la réalisation d'un échangeur, qui comprend des ailettes, dont la conductivité thermique exprimée en W/m C est élevée, ainsi qu'une embase métallique, un problème se pose en ce qui concerne la liaison entre ces divers éléments de nature différente. L'assemblage des ailettes sur l'embase peut être réalisé mécaniquement, avec les inconvénients mentionnés ci-dessus, par brasage ou par collage. Une liaison par brasage garantit un transfert thermique de bonne qualité, ce qui est souhaitable dans les applications où l'on recherche une efficacité de refroidissement maximale. Toutefois, cette solution présente l'inconvénient de nécessiter l'application préalable sur les pièces à assembler de revêtements souvent coûteux au regard des applications envisagées. En outre, la nature de certains matériaux d'ailettes ne permet pas d'envisager de tels traitements et/ou de supporter l'élévation de température résultant du brasage. Une liaison par collage est quelques fois appliquée. Dans ce cas, le gain thermique apporté par le matériau de l'ailette est pour l'essentiel perdu dans la liaison collée où la conductivité thermique des produits utilisés est très faible. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un procédé de fabrication d'un échangeur qui permet une fixation optimisée, tant en termes mécaniques qu'en termes thermiques, des ailettes sur l'embase. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur destiné au refroidissement d'au moins un composant électronique de puissance, cet échangeur comprenant une embase métallique ainsi que des ailettes comprenant une partie en graphite expansé recomprimé, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à : a) encastrer un bord d'au moins une ailette en écrasant, entre deux parties de l'embase, une portion déformable. Grâce à l'invention, la portion déformable est comprimée entre les deux parties constitutives de l'embase, de telle sorte qu'elle assure une immobilisation mécanique de l'ailette ainsi qu'un contact thermique optimisé entre l'embase et l'ailette.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - I1 comprend une étape b) préalable à l'étape a) dans laquelle on forme la portion déformable en ménageant le bord de l'ailette avec une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la partie de cette ailette qui est destinée à faire saillie par rapport à l'embase. Au terme de cette étape b), l'épaisseur du pied déformable est avantageusement supérieure de 20 à 40% par rapport à l'épaisseur de la partie de l'ailette qui est destinée à faire saillie par rapport à l'embase. - Il comprend une étape b') préalable à l'étape a) et dans laquelle on forme la portion déformable en tant que pièce indépendante puis on dispose cette pièce au voisinage du bord de l'ailette entre les parties de l'embase. Lors de cette étape b'), on forme avantageusement la portion déformable avec une section globalement en U apte à coiffer le bord de l'ailette. - Au cours de l'étape b) ou b') , on ménage la portion déformable avec une hauteur sensiblement égale à la hauteur d'encastrement de l'ailette entre les parties précitées de l'embase. L'invention concerne également un échangeur de chaleur pouvant être fabriqué grâce au procédé mentionné ci-dessus et, plus spécifiquement, un échangeur qui comprend une embase métallique et des ailettes comprenant une partie en graphite expansé recomprimé et qui est caractérisé en ce que cette embase est formée de plusieurs parties distinctes entre deux desquelles au moins est encastré un bord d'une ailette, une portion étant déformée par écrasement entre ces deux parties, au niveau du bord de l'ailette.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel échangeur peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - La portion déformée est constituée par le bord de 5 l'ailette qui est monobloc avec la partie de l'ailette qui fait saillie par rapport à l'embase ; - La portion déformée est une pièce intercalée entre le bord de l'ailette et l'une au moins des parties de l'embase entre lesquelles il est encastré ; 10 - Les zones de jonction de deux parties adjacentes de l'embase ont des profils avec des créneaux aptes à s'imbriquer les uns dans les autres, la portion déformée étant disposée entre deux zones d'extrémité de ses profils. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à son principe et de son procédé de fabrication, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention équipant deux composants électroniques ; - la figure 2 est une représentation schématique, en vue de côté, de l'échangeur de la figure 1 en cours de 25 fabrication ; - la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 2 ; - la figure 4 est une vue partielle de côté de l'échangeur de la figure 1 ; 30 - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 pour un échangeur conforme à un second mode de réalisation de l'invention et - la figure 6 est une représentation schématique partielle, en vue de côté, de l'échangeur de la figure 5 en cours de fabrication. L'échangeur 1 représenté sur les figures 1 à 4 comprend une embase 11 de forme globalement parallélépipédique sur laquelle sont montées des ailettes 12 permettant de dissiper dans l'atmosphère ambiante des calories transmises à l'embase 11 par deux composants électroniques 2 et 2' montés sur la face 111 de l'embase 11 opposée à la face 112 à partir de laquelle s'étendent les ailettes 12. L'embase 11 est réalisée par l'assemblage d'éléments en aluminium extrudé 113 qui sont identiques, à l'exception des éléments d'extrémité 113A et 113B. En variante, les éléments d'extrémité peuvent être identiques aux autres éléments 113, auquel cas les petites faces d'extrémité 116 et 117 de l'embase 11 sont nervurées. Les côtés des éléments 113 présentent chacun un profil avec des créneaux formés d'une succession de rainures 114 et de nervures 115 qui s'étendent parallèlement aux faces d'extrémité 116 et 117 de l'embase 11 définies respectivement par les éléments 113A et 113B. Les rainures 114 et nervures 115 des différents éléments 113 sont disposées de telle sorte qu'elles peuvent s'imbriquer et se coincer dans les rainures et nervures d'un élément. 113 adjacent lorsque est constituée l'embase 11. En d'autres termes, les profils en créneaux prévus sur les deux côtés d'un même élément 113 sont complémentaires l'un de l'autre sur l'essentiel de la hauteur H113 de chaque élément 113 qui s'étend entre les faces 111 et 112. Au voisinage de la face 112, les profils en créneaux ne sont pas exactement complémentaires, de telle sorte qu'il subsiste, après assemblage de l'embase 11 et entre deux éléments 113 adjacents, un logement 118 de réception d'un pied 121 d'une ailette 12, ce pied constituant le bord de cette ailette qui est immobilisé par encastrement entre les faces en regard 119 et 119' de deux éléments 113 dont les profils en créneaux coopèrent. En d'autres termes, les surfaces 119 et 119' définissent entre elles un logement 118. A l'exception des éléments 113A et 113B, chaque élément 113 est pourvu à la fois d'une surface 119 et d'une surface 119', ces surfaces étant réparties de part et d'autre d'un plan médian P113 de cet élément. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 3, le pied 121 a, avant le montage de l'ailette 12 sur l'embase 11, une épaisseur e121 supérieure à l'épaisseur e122 de la partie 122 de l'ailette 12 qui est prévue pour faire saillie au-delà de la face 112 de l'embase 11 lorsque l'échangeur 1 est monté. Le pied 121 est monobloc avec la partie 122. En pratique, l'épaisseur e121 est supérieure de 20 à 40% par rapport à l'épaisseur e122. Par exemple, l'épaisseur e121 peut être de l'ordre de 2 mm, alors que l'épaisseur e122 est de l'ordre de 1,6 mm. Lors de la fabrication d'une ailette 12, le pied ou bord déformable 121 est conformé avec l'épaisseur e121 sur une hauteur h121 qui est sensiblement égale à la profondeur plie du logement 118 dans lequel il est destiné à être inséré, cette profondeur étant égale à la hauteur de la surface 119' prise perpendiculairement aux faces 111 et 112. Chaque ailette 12 est formée d'une âme 125 réalisée dans une plaque en graphite expansé recomprimé communément dénommé graphite souple , cette âme étant revêtue d'un habillage 123 formé de deux feuillards métalliques en aluminium 123A et 123B disposés contre les faces latérales de l'ailettes 12, ces feuillards conférant à l'ailette, d'une part, une bonne tenue mécanique et, d'autre part, une certaine souplesse permettant sa déformation. La liaison entre l'âme 125 et les feuillards 123A et 123B peut être réalisée par ancrage mécanique et colaminage. Lors de la fabrication de l'échangeur 1, le pied 125 d'une ailette 12 est inséré entre les faces 119 et 119' de chaque paire d'éléments 113 en regard. Ensuite, l'embase 11 est assemblée en exerçant sur les faces 116 et 117 un effort de bridage représenté par les flèches F1 à la figure 2, jusqu'à obtenir un encastrement complet des nervures 115 dans les rainures 114 correspondantes, les logements 118 étant ainsi formés. L'embase 11 est ensuite maintenue dans cette configuration grâce à l'imbrication serrée des créneaux des éléments 113. Du fait du resserrement obtenu grâce à l'effort F1r chaque pied 121 est déformé par écrasement en étant encastré dans le logement 118 correspondant. La profondeur des rainures 114 et la hauteur des nervures 115 sont choisies de telle sorte que la distance d118 entre les faces en regard 119 et 119' d'un logement 118 est sensiblement égale à l'épaisseur e122 Compte tenu de la capacité de l'âme 125 en graphite souple à être comprimée sans casser, le résultat de cet assemblage mécanique entre les ailettes 12 et l'embase 11 au moyen d'un encastrement est un maintien mécanique efficace des différentes ailettes 12 et un contact thermique très satisfaisant entre la base 11 et les ailettes 12. En pratique, selon un aspect de l'invention qui n'est pas représenté, les épaisseurs des nervures 115 et des rainures 114 garantissent, après assemblage des éléments 113 grâce à l'effort F1, un encastrement complet des nervures 115 dans les rainures 114, ce qui confère à l'embase ainsi obtenue une structure mécanique très rigide et indémontable.
Les éléments 113 peuvent être obtenus par extrusion, avec des tolérances de fabrication qui sont rattrapées lors du montage de l'embase 11, par l'encastrement des ailettes 12. Aucun brasage n'est nécessaire pour immobiliser définitivement les ailettes 12 sur l'embase 11, ce qui est tout à fait favorable compte tenu de la nature de l'âme 125 de chaque ailette 12. A titre d'exemple, l'épaisseur e121 peut être de l'ordre de 2 mm, alors que la distance d118 est de l'ordre de 1,6 à 1,9 mm. Dans ce cas, lors de l'encastrement du pied 121, son épaisseur est réduite d'une valeur comprise entre 5 et 20%. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 5 et 6, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Dans ce mode de réalisation, l'embase 11 est formée par assemblage d'éléments 113 en profilé d'aluminium. Les ailettes 12 sont formées d'une âme 125 et d'un habillage en métal 123. Elles ont la même épaisseur sur toute leur hauteur. Des coussinets déformables 124 sont prévus en tant que pièces structurellement indépendantes des parties 11 et 12 de l'échangeur 1 avant assemblage de celui-ci. Ces pièces 124 sont en forme de goulotte, avec une section globalement en U leur permettant de coiffer un bord 121 de chaque ailette 12, les pièces 124 étant insérées dans des logements 118 définis, comme dans le premier mode de réalisation, au voisinage d'une face 112 de la base 11, entre deux faces en regard 119 et 119' appartenant chacune à deux éléments 113 différents.
Les pièces 124 jouent ici le même rôle que les pieds déformables 121 du premier mode de réalisation en ce sens qu'elles sont prévues pour se déformer par écrasement sous l'effet de l'effort de bridage exercé pour l'assemblage de l'embase 11. Ces pièces 124 assurent à la fois une immobilisation mécanique et un excellent contact thermique entre les ailettes 12 et l'embase 11. Les pièces 124 peuvent être réalisées dans tout matériau adapté à leur fonction, notamment à partir de feuillards métalliques, par exemple en cuivre ou en aluminium. Elles sont de préférence en graphite expansé recomprimé dit graphite souple , comme l'âme 125 des ailettes 12. On note e124 l'épaisseur totale d'une pièce 124 avant son insertion entre deux éléments 113. Cette épaisseur est réduite au cours de la fabrication de l'échangeur du fait de la compression obtenue par l'effort de bridage F1 exercé lors de l'assemblage de l'embase 11. Dans ce cas, la distance d118 séparant les faces en regard 119 et 119' d'un logement 118 n'est pas égale à l'épaisseur e122 d'une ailette 12 dans sa partie 122 qui dépasse de l'embase 11 compte tenu de ce que les branches du U formées par chaque pièce 124 conservent une épaisseur non nulle. La hauteur h124 de chaque pièce 124 est au moins égale 20 à la profondeur p11S des logements 118. Selon une variante non représentée de l'invention, une pièce formant portion déformable peut être disposée sur un seul côté d'une ailette 12 dans le logement 118 correspondant, à savoir soit du côté de la surface 119 soit 25 du côté de la surface 119' du logement 118 correspondant. Selon une autre variante, une pièce peut être disposée de chaque côté de la partie de l'ailette 112 encastrée dans un logement 118, sans que ces deux pièces soient reliées par une partie correspondante au fond de la section en U 30 représenté à la figure 6. Quel que soit le mode de réalisation, l'habillage en feuillards peut être omis, les ailettes étant alors uniquement en graphite.
Selon une autre variante, l'âme 125 ou l'ensemble des ailettes 12 en cas d'absence d'habillage, peut être réalisée dans un mélange comprenant du graphite et un autre matériau, tel qu'un liant.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur (1) destiné au refroidissement d'au moins un composant électronique de puissance (2, 2'), l'échangeur comprenant une embase métallique (11) et des ailettes (12) comprenant une partie (125) en graphite expansé recomprimé, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à : a) encastrer un bord (121) d'au moins une ailette en écrasant (F1), entre deux parties de l'embase, une portion déformable (121 ; 124).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable à l'étape a) dans laquelle : b) on forme la portion déformable en ménageant le bord (121) de l'ailette (12) avec une épaisseur (e121) supérieure à l'épaisseur (e122) de la partie (122) de l'ailette destinée à faire saillie par rapport à l'embase (11).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au terme de l'étape b), l'épaisseur du bord déformable (121) est supérieure de 20 et 40% par rapport à l'épaisseur de la partie (122) de l'ailette destinée à faire saillie par rapport à l'embase (11).
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable à l'étape a) dans laquelle b') on forme la portion déformable en tant que pièce indépendante (124) puis on dispose cette pièce au voisinage du bord (121) de l'ailette, entre les parties (113) de l'embase (11).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lors de l'étape b'), on forme la portion déformable(124) avec une section globalement en U apte à coiffer le bord (121) de l'ailette (12).
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape b) ou b'), on ménage la portion déformable (121 ; 124) avec une hauteur (hlzl ; h124) sensiblement égale à la hauteur d'encastrement (plia) de l'ailette (12) entre les parties (113) de l'embase (11).
7. Echangeur (1) de chaleur destiné au refroidissement d'au moins un composant électronique de puissance (2, 2'), l'échangeur comprenant une embase métallique (11) et des ailettes (12) comprenant une partie (125) en graphite expansé recomprimé, caractérisé en ce que l'embase est formée de plusieurs parties distinctes (113) entre deux desquelles au moins est encastré un bord (121) d'une ailette, une portion (121, 124) étant déformée par écrasement entre ces deux parties de l'embase, au niveau du bord de l'ailette.
8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la portion déformée est constituée par le bord (121) de l'ailette (12) qui est monobloc avec une partie (122) de l'ailette faisant saillie par rapport à l'embase (11).
9. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la portion déformée est une pièce (124) intercalée entre le bord (121) de l'ailette et l'une au moins des parties (113) de l'embase (11) entre lesquelles est encastré ce bord.
10. Echangeur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les zones de jonctions de deux parties adjacentes de l'embase ont des profils avec des créneaux (114, 115) aptes à s'imbriquer les uns dans les autres, la portion déformée (121 ; 124) étant disposée entre deux zones d'extrémité (119, 119') de ces profils.
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