FR2962625A1

FR2962625A1 - DEVICE FOR COOLING AT LEAST ONE ELEMENT COMPRISING AT LEAST ONE ELECTRONIC COMPONENT

Info

Publication number: FR2962625A1
Application number: FR1055516A
Authority: FR
Inventors: Lionel Calegari
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-13
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: WO2012004493A1; FR2962625B1

Abstract

L'invention propose un dispositif de refroidissement (18) d'au moins un élément (12) susceptible de produire de la chaleur, comportant au moins une semelle de fixation (16) dudit élément (12) et au moins un série de tubes (30, 34) agencée sous la semelle (16) et destinée à recevoir au moins une partie de la chaleur émise par l'élément (12) pour l'acheminer vers un moyen externe de dissipation de calories (20), caractérisé en ce que ledit dispositif (18) comporte au moins une première série (28) de tubes (30) parcourus par un premier fluide caloporteur et une seconde série (32) de tubes (34) parcourus par un deuxième fluide caloporteur.The invention proposes a cooling device (18) for at least one element (12) capable of producing heat, comprising at least one attachment plate (16) of said element (12) and at least one series of tubes ( 30, 34) arranged under the sole (16) and intended to receive at least a portion of the heat emitted by the element (12) to convey it to an external caloric dissipation means (20), characterized in that said device (18) comprises at least a first series (28) of tubes (30) traversed by a first heat transfer fluid and a second series (32) of tubes (34) traversed by a second heat transfer fluid.

Description

i "Dispositif pour le refroidissement d'au moins un élément comportant au moins un composant électronique" L'invention concerne un agencement pour le refroidisse- ment d'au moins un élément comportant au moins un composant électronique. L'invention concerne plus particulièrement un agencement pour le refroidissement d'au moins un élément comportant au moins un composant électronique, notamment un module de contrôle de puissance d'un système de conversion d'énergie, par io exemple une alimentation d'au moins une machine électrique, d'un véhicule automobile, qui comporte successivement suivant une direction verticale; l'élément, une semelle de fixation de l'élément, et un dispositif de refroidissement, ou refroidisseur, alimentant un moyen externe de dissipation des calories, ou 15 dissipateur. On connaît de nombreux exemples d'agencements de ce type. Il s'agit pour la plupart d'agencements dans lesquels le moyen de refroidissement comporte une unique série de tubes qui 20 sont parcourus par un fluide de refroidissement. Cette conception pose de nombreux problèmes qui sont causés par le choix du fluide de refroidissement utilisé. En effet, l'eau est le fluide présentant la capacité maximale d'extraction de calories. Toutefois, l'eau est limitée à une 25 utilisation dans une plage de températures comprises entre 0°C et 200°C. En effet, dans des conditions de fonctionnement en dessous de 0°C, l'agencement court le risque de voir l'eau gelée être vaporisée quasi-instantanément puis être envoyée vers le 30 moyen de dissipation ou dissipateur où elle se condense à nouveau en gelant, ce qui risque de priver le moyen de refroidissement de son alimentation, et peut donc causer la destruction des composants électroniques de l'élément. 2 Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé de remplacer l'eau par un fluide non aqueux, par exemple du méthanol. Cette conception présente aussi de nombreux problèmes car le méthanol n'est utilisable que dans la plage de températures allant de -120°C à +120°C. Si l'emploi de méthanol résout les problèmes de fonctionnement à froid, il n'en est pas de même à chaud où le méthanol a tendance à se vaporiser, rendant ainsi son pouvoir io caloporteur inopérant. De plus, la capacité maximale d'extraction de calories du méthanol est sensiblement deux fois inférieure à celle de l'eau, ce qui nécessite un doublement de la surface d'échange des circuits. Enfin, on a proposé de faire circuler dans le refroidisseur 15 un mélange d'eau et de fluide caloporteur non aqueux. Ce mélange, qui présente une capacité maximale d'extraction de calories encore une fois inférieure à celle de l'eau, provoque de surcroît une corrosion des conduits internes du refroidisseur. L'invention remédie à cet inconvénient en proposant un 20 dispositif de refroidissement ou refroidisseur muni de deux séries différentes de tubes, chaque série étant parcourue par un fluide différent susceptible de couvrir une partie de la plage de températures selon laquelle le dispositif de refroidissement est sensé être utilisé. 25 Dans ce but, l'invention propose un agencement du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte au moins une première série de tubes longitudinaux parallèles parcourus par un premier fluide caloporteur et une seconde série de tubes longitudinaux 30 parallèles parcourus par un second fluide caloporteur distinct du premier fluide caloporteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention 3 - les tubes de chaque série sont répartis uniformément en regard de la surface de la semelle, - les tubes de la seconde série sont agencés dans un même plan horizontal que ceux de la première série, - les tubes de la première série sont agencés dans un premier plan horizontal agencé à proximité immédiate de la semelle et les tubes de la seconde série sont agencés dans un second plan horizontal distant décalé verticalement par rapport au premier plan, io - les tubes de chaque série sont espacés parallèlement selon un même intervalle et au moins les tubes de la seconde série sont plus larges que ledit intervalle, pour assurer le recouvrement au moins partiel des intervalles des tubes de la première série par les tubes de la seconde série, 15 - chaque tube de la seconde série est centré sur un intervalle séparant deux tubes consécutifs de la première série pour assurer le recouvrement complet des intervalles des tubes de la première série par les tubes de la seconde série, - les tubes sont de section sensiblement oblongue, 20 notamment rectangulaire, - le premier fluide caloporteur est de l'eau et le deuxième fluide caloporteur est un fluide non aqueux, notamment du méthanol, - les tubes sont réalisés dans un matériau choisi par le 25 cuivre ou l'aluminium, L'invention concerne aussi un agencement comportant un dispositif de refroidissement du type décrit précédemment dont la semelle est reliée à au moins un élément comportant au moins un composant électronique, notamment un module de contrôle de 30 puissance d'un système de conversion d'énergie d'un véhicule automobile, et dont les deux séries de tubes sont reliées à un moyen externe de dissipation de calories dit "caloduc" pour évacuer la chaleur produite par ledit élément. 4 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue générale en coupe d'un agencement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail en coupe d'un dispositif de refroidissement pour l'agencement de la figure 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention ; io - la figure 3 est une vue de détail en coupe d'un dispositif de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue de détail en coupe dispositif de refroidissement selon un troisième mode de réalisation de 15 l'invention. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. On a représenté à la figure 1 un agencement 10 pour le 20 refroidissement d'au moins d'un élément 12 comportant au moins un composant électronique 14. Comme représenté à la figure 1, les composants 14 sont notamment des puces de contrôle de puissance d'un système de conversion d'énergie, par exemple une alimentation d'au moins 25 une machine électrique d'un véhicule automobile (non représenté) à propulsion électrique. De manière connue, l'agencement 10 comporte successive- ment suivant une direction verticale matérialisée par la flèche "V", l'élément 12, une semelle 16 de fixation de l'élément 12, et un 30 moyen 18 de refroidissement alimentant un moyen 20 de dissipation des calories ou qui est agencé de préférence dans un flux d'air du véhicule. Un substrat 22 thermiquement conducteur est interposé entre les composants 14 et la semelle 16, et les composants 14 sont par ailleurs liés par des liaisons thermiques 24 à un boîtier 26 protégeant les composants 14. Conventionnellement, le moyen 20 de dissipation des calories peut comporter un échangeur externe air/air ou. 5 "caloduc". Le moyen 18 de refroidissement peut aussi comporter une unique série de tubes qui sont parcourus par un unique fluide de refroidissement. Cette conception présente l'inconvénient de ne pas couvrir la totalité de la gamme de températures à laquelle les io composants 14 risquent d'être soumis. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose un moyen 18 de refroidissement de type "liquide" qui comporte au moins une première 28 série de tubes 30 parcourus par de l'eau et une seconde série 32 de tubes 34 parcourus par un fluide 15 caloporteur non aqueux, notamment du méthanol. On pourrait envisager d'autres types de fluide caloporteur non aqueux, en fonction des gammes de température à laquelle les composants 14 risquent d'être soumis, par exemple de l'éthanol. Dans les modes de réalisation de l'invention décrits ci-après, les tubes 30 20 sont disposés longitudinalement et parallèlement entre eux, et les tubes 34 également, ce qui a pour avantage d'optimiser leur compacité. Dans cette configuration, une caractéristique de l'invention est que les tubes 30, 34 de chaque série 28, 32 soient répartis de 25 préférence uniformément dans le moyen 28 de refroidissement en regard de toute la surface de la semelle 16. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les tubes 30 ou 34 sont des tubes métalliques dont les extrémités (non représentées) sont reçues dans des parois opposées d'un 30 boîtier formant le moyen 28 de refroidissement. Ces tubes 30 ou 34 peuvent être réalisés en cuivre, ou en variante en un alliage d'aluminium. FIELD OF THE INVENTION The invention relates to an arrangement for cooling at least one element comprising at least one electronic component. The invention relates more particularly to an arrangement for cooling at least one element comprising at least one electronic component, in particular a power control module of an energy conversion system, for example a power supply of at least an electric machine, of a motor vehicle, which comprises successively in a vertical direction; the element, a fastener flange of the element, and a cooling device, or cooler, supplying external heat dissipation means, or dissipator. Many examples of arrangements of this type are known. For the most part, these are arrangements in which the cooling means comprises a single series of tubes which are traversed by a cooling fluid. This design poses many problems that are caused by the choice of the cooling fluid used. Indeed, water is the fluid with the maximum capacity for extracting calories. However, the water is limited to use in a temperature range of 0 ° C to 200 ° C. Indeed, under operating conditions below 0.degree. C., the arrangement runs the risk of the frozen water being vaporized almost instantaneously and then being sent towards the dissipating or dissipating means where it condenses again in freezing, which may deprive the cooling means of its power supply, and may therefore destroy the electronic components of the element. To overcome this disadvantage, it has been proposed to replace the water with a non-aqueous fluid, for example methanol. This design also has many problems because the methanol is usable only in the temperature range of -120 ° C to + 120 ° C. If the use of methanol solves the problems of cold operation, it is not the same hot when the methanol has a tendency to vaporize, thus rendering its heat transfer power inoperative. In addition, the maximum heat extraction capacity of methanol is substantially two times lower than that of water, which requires a doubling of the exchange surface of the circuits. Finally, it has been proposed to circulate in the cooler 15 a mixture of water and non-aqueous heat transfer fluid. This mixture, which has a maximum capacity for extracting calories again less than that of water, further causes corrosion of the internal ducts of the cooler. The invention overcomes this disadvantage by providing a cooling device or cooler provided with two different series of tubes, each series being traversed by a different fluid capable of covering a part of the temperature range according to which the cooling device is sensible to be used. For this purpose, the invention proposes an arrangement of the type described above, characterized in that the cooling device comprises at least a first series of parallel longitudinal tubes traversed by a first heat transfer fluid and a second series of parallel longitudinal tubes traversed. by a second heat transfer fluid distinct from the first heat transfer fluid. According to other characteristics of the invention 3 - the tubes of each series are distributed uniformly opposite the surface of the sole, - the tubes of the second series are arranged in the same horizontal plane as those of the first series, - the tubes of the first series are arranged in a first horizontal plane arranged in the immediate vicinity of the soleplate and the tubes of the second series are arranged in a second distant horizontal plane offset vertically with respect to the first plane, the tubes of each series are spaced parallel in the same interval and at least the tubes of the second series are wider than said interval, to ensure at least partial overlap of the intervals of the tubes of the first series by the tubes of the second series, 15 - each tube of the second series is centered on an interval separating two consecutive tubes of the first series to ensure the complete recovery of the intervals s tubes of the first series by the tubes of the second series, - the tubes are substantially oblong section, in particular rectangular, - the first coolant is water and the second heat transfer fluid is a non-aqueous fluid, including The invention also relates to an arrangement comprising a cooling device of the type described above, the sole of which is connected to at least one element comprising at least one element comprising at least one element comprising at least one element comprising at least one element an electronic component, in particular a power control module of an energy conversion system of a motor vehicle, and of which the two series of tubes are connected to an external means of heat dissipation called "heat pipe" to evacuate the heat produced by said element. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which: FIG. 1 is a general sectional view of an arrangement according to the invention; FIG. 2 is a detail sectional view of a cooling device for the arrangement of FIG. 1 according to a first embodiment of the invention; FIG. 3 is a sectional detail view of a cooling device according to a second embodiment of the invention; Figure 4 is a detail sectional view of a cooling device according to a third embodiment of the invention. In the following description, like reference numerals designate like parts or having similar functions. FIG. 1 shows an arrangement 10 for cooling at least one element 12 comprising at least one electronic component 14. As shown in FIG. 1, the components 14 are in particular power control chips. an energy conversion system, for example a power supply of at least one electric machine of a motor vehicle (not shown) with electric propulsion. In known manner, the arrangement 10 comprises successively in a vertical direction embodied by the arrow "V", the element 12, a sole 16 for fixing the element 12, and a cooling means 18 supplying a means 20 dissipation of calories or which is preferably arranged in a vehicle air flow. A thermally conductive substrate 22 is interposed between the components 14 and the soleplate 16, and the components 14 are furthermore linked by thermal bonds 24 to a housing 26 protecting the components 14. Conventionally, the means 20 for dissipating the calories may comprise a external air / air exchanger or. 5 "heat pipe". The cooling means 18 may also comprise a single series of tubes which are traversed by a single cooling fluid. This design has the disadvantage of not covering the entire temperature range to which the components 14 may be subjected. To remedy this drawback, the invention proposes a "liquid" type cooling means 18 which comprises at least a first series of tubes 30 traversed by water and a second series 32 of tubes 34 traversed by a fluid. non-aqueous heat transfer medium, especially methanol. Other types of nonaqueous heat transfer fluid could be envisaged, depending on the temperature ranges to which the components 14 may be subjected, for example ethanol. In the embodiments of the invention described below, the tubes 20 are arranged longitudinally and parallel to each other, and the tubes 34 also, which has the advantage of optimizing their compactness. In this configuration, a feature of the invention is that the tubes 30, 34 of each series 28, 32 are preferably evenly distributed in the cooling means 28 opposite the entire surface of the sole 16. In a preferred embodiment of the invention, the tubes 30 or 34 are metal tubes whose ends (not shown) are received in opposite walls of a housing forming the cooling means 28. These tubes 30 or 34 may be made of copper, or alternatively of an aluminum alloy.

Selon des premier et deuxième modes de réalisation qui ont été représentés aux figures 2 et 3, les tubes 30 de la première série 28 sont agencés dans un premier plan "P1" horizontal agencé à proximité immédiate de la semelle 16 et les tubes 34 de la seconde série 32 sont agencés dans un second plan "P2" horizontal distant décalé verticalement par rapport au premier plan "Pl". Selon une première variante (non représentée) les tubes 30 pourraient être superposés aux tubes 34. io Toutefois, afin de garantir une captation optimale de la chaleur émise par les composants 14, les tubes 30, 34 de chaque série 28, 32 sont espacés parallèlement selon un même intervalle ou pas "p" et au moins les tubes 34 de la seconde série 32 sont plus larges que ledit intervalle "p", pour assurer le recouvrement 15 au moins partiel des intervalles des tubes 30 de la première série 28 par les tubes 34 de la seconde série 32. De préférence, chaque tube 32 de la seconde série 34 est centré sur un intervalle séparant deux tubes 30 consécutifs de la première série 28 pour assurer le recouvrement complet des 20 intervalles des tubes 30 de la première série 28 par les tubes 34 de la seconde série 32. Cette conception peut être aisément réalisée de la manière qui a été représentée à la figure 2, qui illustre un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel les tubes 30, 34 sont de 25 section sensiblement oblongue, notamment rectangulaire. En variante, comme représenté sur la figure 3 qui illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention, les tubes pourraient être de section ronde. Dans la configuration qui a été représentée ici, les tubes 30 34 de la seconde série 32 n'assurent qu'un recouvrement partiel des intervalles des tubes 30 de la première série 28 par les tubes 34 de la seconde série 32. Il sera compris qu'il suffit d'utiliser des tubes 34 d'un diamètre supérieur (non représentés) pour parvenir 7 à un recouvrement complet des tubes 30 de la première série 28 par les tubes 34 de la seconde série 32. Enfin, selon un troisième mode de réalisation qui a été représenté à la figure 4, les tubes 34 de la seconde série 32 peuvent être agencés dans un même un même plan horizontal "P" que les tubes 30 de la première série 28, et de préférence en alternance. Cette configuration est plus compacte mais moins efficace en termes de captation de calories. Quel que soit le mode de réalisation envisagé, le io fontionnement de l'agencement est le suivant : En cas de température négative, l'eau contenue dans la première série 28 de tubes 30 est gelée et seule la seconde série 32 de tubes 34, contenant par exemple du méthanol, est opérationnelle. L'alimentation des composants 14 provoque une 15 dissipation d'énergie qui est extraite par les tubes 34 de la deuxième série 32. Ces tubes 34 permettent de réchauffer le refroidisseur et surtout le dissipateur externe. L'échauffement se poursuivant, la première série 28 de tubes 30 redevient opérationnelle et est à même d'évacuer les calories qu'elle reçoit 20 vers le dissipateur sans risque de gel, puisque le dissipateur a été préalablement dégelé par les calories en provenance de la seconde série 32 de tubes 34. En cas de température élevée, l'eau contenue dans la première série 28 de tubes 30 évacue la majorité des calories de 25 sorte que les risques de voir le méthanol contenu dans la seconde série 32 de tubes 34 se vaporiser sont minimisés. L'invention propose donc un agencement à même d'assurer le refroidissement efficace d'un module de contrôle de puissance de l'alimentation d'au moins une machine électrique d'un véhicule 30 automobile selon une large gamme de températures. According to first and second embodiments which have been represented in FIGS. 2 and 3, the tubes 30 of the first series 28 are arranged in a first horizontal plane "P1" arranged in the immediate vicinity of the sole plate 16 and the tubes 34 of the second series 32 are arranged in a second horizontal plane "P2" distant offset vertically relative to the first plane "Pl". According to a first variant (not shown) the tubes 30 could be superimposed on the tubes 34. However, in order to guarantee optimum capture of the heat emitted by the components 14, the tubes 30, 34 of each series 28, 32 are spaced apart according to the same interval or not "p" and at least the tubes 34 of the second series 32 are wider than said interval "p", to ensure the recovery at least 15 of the intervals of the tubes 30 of the first series 28 by the tubes 34 of the second series 32. Preferably, each tube 32 of the second series 34 is centered on an interval separating two consecutive tubes 30 of the first series 28 to ensure complete overlap of the intervals of the tubes 30 of the first series 28 by the tubes 34 of the second series 32. This design can be easily performed in the manner that has been shown in Figure 2, which illustrates a first embodiment of the invention wherein the tubes 30, 34 are of substantially oblong, in particular rectangular, section. Alternatively, as shown in Figure 3 which illustrates a second embodiment of the invention, the tubes could be of round section. In the configuration which has been shown here, the tubes 34 of the second series 32 only partially cover the intervals of the tubes 30 of the first series 28 by the tubes 34 of the second series 32. It will be understood that it is sufficient to use tubes 34 of a larger diameter (not shown) to achieve full coverage of the tubes 30 of the first series 28 by the tubes 34 of the second series 32. Finally, according to a third embodiment of FIG. embodiment which has been shown in Figure 4, the tubes 34 of the second series 32 may be arranged in one and the same horizontal plane "P" as the tubes 30 of the first series 28, and preferably alternately. This configuration is more compact but less efficient in terms of calorie capture. Whatever the embodiment envisaged, the operation of the arrangement is as follows: In the case of a negative temperature, the water contained in the first series of tubes 30 is frozen and only the second series 32 of tubes 34, containing for example methanol, is operational. The supply of the components 14 causes a dissipation of energy which is extracted by the tubes 34 of the second series 32. These tubes 34 allow to heat the cooler and especially the external sink. As the heating continues, the first series 28 of tubes 30 becomes operational again and is able to evacuate the calories it receives to the dissipator without risk of freezing, since the heat sink has been previously thawed by the calories coming from the second series 32 of tubes 34. In case of high temperature, the water contained in the first series 28 of tubes 30 evacuates the majority of the calories so that the risks of seeing the methanol contained in the second series 32 of tubes 34 vaporizing are minimized. The invention therefore proposes an arrangement capable of efficiently cooling a power control module of the power supply of at least one electric machine of a motor vehicle at a wide temperature range.

Claims

REVENDICATIONS1. Cooling device (18) of at least one element (12) capable of producing heat, comprising at least one attachment plate (16) of said element (12) and at least one series of tubes (30, 34) arranged under the sole (16) and intended to receive at least a portion of the heat emitted by the element (12) to convey it to an external heat dissipation means (20), characterized in that said device (18) comprises at least io a first series (28) of tubes (30) traversed by a first coolant and a second series (32) of tubes (34) traversed by a second heat transfer fluid separate from said first heat transfer fluid.

2. Cooling device (18) according to the preceding claim 15, characterized in that the tubes (30, 34) of each series (28, 32) are distributed uniformly facing the surface of the sole (16).

3. Cooling device (18) according to the preceding claim, characterized in that the tubes (34) of the second series (32) are arranged in the same horizontal plane (P) as those of the first series (28).

4. Cooling device (18) according to claim 2, characterized in that the tubes (30) of the first series (28) are arranged in a first horizontal plane (P1) arranged in immediate proximity to the sole (16) and in that the tubes (34) of the second series (32) are arranged in a second horizontal plane (P2) distant offset vertically relative to the first plane (P1).

5. Cooling device (18) according to claim 4, characterized in that the tubes (30, 34) of each series (28, 32) are spaced apart in parallel at the same interval (p) and in that at least tubes (34) of the second series (32) are wider than said gap (p), to ensure at least partial overlap of the intervals (p) of the tubes (30) of the first series (28) by the tubes (34) of the second series (32).

6. Cooling device (18) according to the preceding claim, characterized in that each tube (34) of the second series (32) is centered on an interval (p) separating two consecutive tubes (30) of the first series (28). ) to ensure the complete recovery of the intervals of the tubes 30 of the first series 28 by the tubes 34 of the second series 32.

7. Cooling device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that the tubes (30, 34) are substantially oblong section.

8. Cooling device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat transfer fluid is water and the second heat transfer fluid 15 is a non-aqueous fluid, including methanol.

9. Cooling device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that the tubes (30, 34) are made of a material selected from copper or aluminum. 20

10. Use of a cooling device (18) according to any one of the preceding claims, the sole (16) of which is connected to at least one element (12) comprising at least one electronic component (14), and whose two sets of tubes are connected to an external caloric dissipation means (20) called "heat pipe" for evacuating the heat produced by said element (12).