FR2977121A1

FR2977121A1 - Systeme de gestion thermique a materiau a volume variable

Info

Publication number: FR2977121A1
Application number: FR1155511A
Authority: FR
Inventors: Olivier Dellea; Philippe Coronel; Jerome Gavillet; Emmanuel Ollier; Helga Szambolics
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-28
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: WO2012175627A3; EP2724108A2; WO2012175627A2; FR2977121B1; US20140158334A1

Abstract

Système de gestion thermique destiné à être monté entre une source chaude (SC) et une source froide (SC) comportant un premier (2) et un deuxième (4) conducteur thermique, un commutateur thermique (6) apte à connecter thermiquement ou non les premier (2) et deuxième (4) conducteurs thermiques, ledit commutateur thermique (6) comportant au moins un matériau à changement de phase (12), ledit matériau (12) étant apte à connecter le premier (2) et deuxième (4) conducteur par variation de son volume, ledit commutateur thermique (6) comportant des moyens de commande destinés à apporter l'énergie thermique au matériau (12) à changement de phase pour changer l'état de connexion. La connexion est établie lorsque la source chaude (SC) dépasse une température critique, la connexion permettant l'établissement d'un flux de chaleur entre la source chaude (SC) et la source froide (SF).

Description

1 SYSTEME DE GESTION THERMIQUE A MATERIAU A VOLUME VARIABLE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un système de gestion thermique destiné à contrôler le transfert d'un flux de chaleur d'une source chaude vers une source froide.

Dans le domaine de l'électronique, les évolutions rapides, liées en particulier à l'accroissement des densités de puissances et des vitesses de fonctionnement, font de la gestion thermique, par le biais de la dissipation, un paramètre dimensionnant dans la conception des systèmes électroniques. La contrainte thermique a une influence directe sur les performances, la fiabilité et le coût d'un système électronique. Outre des transistors à petits signaux et des circuits intégrés, on trouve désormais dans les systèmes électroniques aussi des transistors de moyenne puissance dans des boîtiers de type CMS (Composants Montés en Surface) dont les puissances dissipées pour un transistor isolé atteignent le watt. En termes de flux de chaleur, un thyristor peut générer un flux de l'ordre de 100 à 200 W/cm2. Certains composants électroniques de puissance pour applications militaires peuvent fournir des flux de chaleur de l'ordre de 300 W/cm2 et les systèmes employant des diodes laser jusqu'à 500 W/cm2. Une distribution non uniforme de ces 2

flux de chaleur sur une carte électronique peut entrainer la présence de zones comportant un flux de chaleur jusqu'à cinq fois plus élevé que le flux de chaleur moyen présent sur la carte électronique (-30W/cm2). Une récente étude de l'US Air Force a conclu que près de 55% des défaillances dans les systèmes électroniques sont dues à des problèmes thermiques. La gestion et l'évacuation de la chaleur sont donc des problèmes cruciaux pour maintenir la température de chaque élément à sa température nominale de fonctionnement qui varie suivant les domaines d'application Plusieurs techniques existent pour évacuer la chaleur des systèmes électroniques. Il existe les radiateurs passifs formés d'ailettes en matériau conducteur thermique qui transfèrent la chaleur émise par les composants actifs 20 vers l'air ambiant. Il existe également les radiateurs actifs, il s'agit de radiateurs munis de ventilateurs, le ventilateur étant situé au-dessus du radiateur pour faciliter l'extraction de la chaleur. 25 Les ventilateurs sont également couramment utilisés par exemple sur l'ensemble du boîtier du dispositif électronique. L'air est alors mis en convection forcée augmentant de manière importante les coefficients d'échanges thermiques. 30 Une circulation interne d'un fluide par exemple au moyen d'une pompe peut également être 15 3 envisagée. Les matériaux à changement de phase ont également été envisagés pour le refroidissement passif de composants électriques et électroniques. Les caloducs et microcaloducs sont également efficaces. Des microcanaux ont aussi été envisagés pour extraire la chaleur de composants électroniques. Cependant une pompe est utilisée qui peut engendrer des perturbations et des nuisances sonores. La gestion thermique dans le domaine de l'électronique est donc particulièrement critique, d'autant plus que les systèmes embarquent de plus en plus de fonctionnalités dans un volume de plus en plus réduit. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but de la présente invention est d'offrir un système de gestion thermique du flux de chaleur de fonctionnement simple et robuste, apte à guider le flux de chaleur, par exemple en vue de son évacuation.

Le but précédemment énoncé est atteint par un système de gestion thermique comportant des moyens aptes à mettre en communication thermique deux conducteurs thermique ou à interrompre cette communication, ces moyens comportant un matériau à volume variable sous l'effet d'une variation de température. L'échauffement du matériau à volume variable peut être obtenu par exemple soit par l'un des conducteurs soit par un conducteur thermique supplémentaire formant moyens de commande thermique. 4 La gestion du transfert thermique entre les deux conducteurs peut alors se faire de manière automatique et très sûre. Dans un mode de réalisation, le système de gestion thermique selon l'invention peut alors former un interrupteur thermique à base de matériau à dilatation volumique, cet interrupteur assurant dans un état fermé la conduction thermique entre les deux conducteurs. Le flux thermique transmis d'un conducteur à l'autre peut varier de manière progressive. Dans un autre mode de réalisation, le système de gestion thermique peut «piloter» la conduction thermique entre 2 conducteurs par un flux de chaleur provenant d'un troisième conducteur, dans ce cas là, il peut être assimilé à un «transistor thermique». Dans une variante, le matériau à dilatation volumique peut avoir d'autres propriétés physique comme par exemple la conduction électrique, le système de gestion a alors double fonction, thermique et électrique.

Par exemple, le matériau mis en oeuvre est un matériau à changement de phase solide-liquide. La présente invention a alors pour objet un système de gestion thermique destiné à être monté entre au moins une source chaude et au moins une source froide, comportant un premier et un deuxième conducteur thermique, un commutateur thermique apte à connecter thermiquement ou non les premier et deuxième conducteurs thermiques, ledit commutateur thermique comportant au moins un matériau conducteur thermique dont le volume varie en fonction d'un apport d'énergie thermique, ledit matériau étant apte à connecter le premier et deuxième conducteur par variation de son volume, ledit commutateur thermique comportant des moyens de commande destinés à apporter l'énergie thermique au matériau à volume variable pour changer 5 l'état de connexion. Le système de gestion thermique peut comporter au moins trois conducteurs thermiques, le commutateur étant apte à mettre en connexion thermiques les au moins trois conducteurs thermiques.

Dans un exemple de réalisation, le système de gestion thermique peut être réparti dans plusieurs plans. Dans un mode de réalisation, les moyens de commande sont formés par le premier conducteur, ledit premier conducteur étant en permanence en contact avec le matériau à volume variable et étant destiné être connecté à la au moins une source chaude. Dans un autre mode de réalisation, les moyens de commande sont formés par un conducteur thermique supplémentaire, le premier et le deuxième conducteur n'étant pas en contact avec le matériau à volume variable dans un état hors connexion. Dans un autre mode de réalisation, les moyens de commande sont formés directement par l'environnement extérieur, l'énergie thermique étant apportée au matériau par convection. Par exemple, les premier et deuxième conducteurs comportent des extrémités destinées à être en contact avec le matériau à volume variable, ladite extrémité du premier et/ou du deuxième conducteur présentant une forme assurant un contact progressif 6 entre ladite extrémité et le matériau à volume variable lors de la variation de volume du matériau à volume variable. De préférence, le système de gestion thermique comporte des moyens pour favoriser le retour du matériau à volume variable dans une zone prédéterminée dans laquelle la déconnexion thermique entre le premier et le deuxième conducteur est assurée, dite zone de déconnexion.

Le système de gestion thermique peut comporter un substrat dans ou sur lequel sont formés les conducteurs thermiques et dans lequel le commutateur comporte une cavité formée dans le substrat et contenant le matériau à volume variable, les conducteurs thermiques pénétrant dans ladite cavité. Par exemple, la cavité comporte au moins une paroi latérale inclinée favorisant le retour du matériau à volume variable dans une zone dite hors connexion, ladite au moins une surface inclinée formant les moyens facilitant le retour du matériau à volume variable vers la zone hors connexion. La cavité peut présenter une forme évasée, par exemple en forme pyramide inversée. Dans un exemple de réalisation, les deux conducteurs thermiques sont formés sur la surface du substrat, l'extrémité du premier conducteur pénétrant dans la cavité plus profondément que le celle du deuxième conducteur (et dans lequel le matériau à volume variable est uniquement en contact avec l'extrémité du premier conducteur dans un état hors connexion. 7 Dans un autre exemple de réalisation, le premier conducteur est situé dans le substrat et son extrémité débouche dans un fond de la cavité et le deuxième conducteur est formé sur le substrat. La cavité peut être fermée de manière étanche par un capot. Dans un exemple préféré, Le matériau à volume variable est un matériau présentant un changement de phase. Le matériau peut présenter un changement de phase solide-liquide dans le domaine température à gérer par le système. De préférence, le matériau présentant un changement de phase comporte des particules améliorant sa conductivité thermique.

Le matériau à volume variable peut être un matériau monophasique, par exemple liquide, par exemple du mercure. Dans une variante, le matériau à volume variable est fonctionnalisé de sorte qu'il présente une conductivité électrique donnée, une sensibilité aux champs magnétiques ou soit le siège un phénomène de photoluminescence. Le substrat peut être en un matériau à faible conductivité thermique. Par exemple, il est un matériau isolant thermique comme un polymère, du verre ou une céramique. Alternativement, le substrat est un matériau conducteur de chaleur isolé en surface comme par exemple un substrat silicium muni d'une couche d'oxyde sur la face, sur laquelle sont formés les premier et deuxième conducteurs thermiques. 8 Par les conducteurs thermiques sont métalliques comme par exemple or, cuivre ou aluminium. La présente invention a également pour objet un ensemble de gestion thermique comportant au moins deux systèmes selon la présente invention, dans lequel le commutateur de l'un des systèmes est commandé par le premier système. La commande peut être fournie par la température du matériau à volume variable du commutateur du premier système, ou celle de la source chaude ou celle de la source froide. Le matériau à volume variable du premier système peut être différent de celui du deuxième système.

La présente invention a également pour objet un dispositif électronique comportant au moins un système de gestion thermique selon la présente invention et/ou au moins un ensemble de gestion thermique selon la présente invention.

La source chaude est par exemple formée par au moins un composant électronique et la au moins source froide est par exemple formée par un échangeur thermiques, par exemple un radiateur et/ou une circulation d'air, et/ou au moins un microcaloduc et/ou un matériau à changement de phase et/ou des microcanaux et/ou des moyens mettant en oeuvre une ébullition convective et/ou des matériaux thermoélectriques. 9 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins sur lesquels : la figure 1A est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système de gestion thermique selon la présente dans un état hors connexion thermique, - la figure 1B est une représentation schématique du système de gestion thermique de la figure 1A dans un état de connexion thermique, la figure 2A est une représentation schématique d'un système de gestion thermique formant une connexion thermique progressive, - les figures 2B à 2E représentent schématiquement des variantes de réalisation de systèmes assurant un transfert thermique variable, la figure 3A est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système de gestion thermique comportant des moyens de commande séparés, dans un état hors connexion thermique, - la figure 3B est une représentation schématique du système de gestion thermique de la figure 3A dans un état de connexion thermique, la figure 4A est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système de gestion thermique par l'environnement extérieur, dans un état hors connexion thermique, - la figure 4B est une représentation schématique du système de gestion thermique de la figure 4A dans un état de connexion thermique, 10 les figures 5A et 5B sont des représentations schématiques de variantes de réalisation du système de gestion thermique selon l'invention, les figures 6A et 6B sont des représentations schématiques d'un système thermique dans plusieurs plans dans un état hors connexion thermique et dans un état de connexion thermique respectivement, - la figure 7 est une représentation schématique d'une architecture comportant plusieurs systèmes de gestion thermiques interconnectés, - la figure 8A est une vue en perspective d'un exemple de réalisation pratique d'un système de gestion thermique selon l'invention, - la figure 8B est une coupe du système de la figure 8A comportant le fluide conducteur thermique, la figure 8C est une vue similaire à celle de la figure 8B muni de moyens d'encapsulation, - la figure 9 est une représentation graphique de la variation de hauteur en pm d'un matériau à changement de phase et de l'écart de température en °C appliqué en fonction de l'accroissement de volume en % du matériau à changement de phase dans le système de la figure 8A, - la figure 10 est une vue en perspective d'une variante de réalisation du système de la figure 8A. 11 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur toutes les figures, les flux de chaleur sont symbolisés par des flèches sous forme de chevrons. Sur les figures 1A et 1B, on peut voir un premier mode de réalisation d'un système de gestion thermique selon l'invention comportant un premier conducteur thermique 2 et un deuxième conducteur thermique 4 aptes à être reliés par un commutateur thermique 6. Le premier conducteur 2 est relié par une première extrémité 2.1 à une source chaude SC et par une deuxième extrémité 2.2 au commutateur 6, et le deuxième conducteur thermique 4 est relié par une première extrémité 4.1 au commutateur 6 et par une deuxième extrémité 4.2 à une source froide SF.

La source chaude SC est par exemple formée par un transistor de puissance, une diode laser, un circuit intégré_, et une source froide SF est par exemple formée par un radiateur passif, un radiateur actif_ Le système est réalisé dans un substrat 8. Les conducteurs thermiques 2, 4 sont par exemple réalisés sous forme de pistes métalliques sur la surface du substrat 8. En variante les conducteurs peuvent être 25 formé par des fils et être enterrés. De préférence le substrat présente une faible conductivité thermique typiquement inférieure à 5 W/°K.m, par exemple en verre ou en polymère. En variante, On peut également envisager d'isoler 30 thermiquement les conducteurs 2, 4 par rapport au substrat en réalisant une couche barrière entre les 12 conducteurs et le substrat. Par exemple, dans le cas d'un substrat en silicium, la couche barrière peut être générée par une oxydation de surface pour obtenir une couche de dioxyde de silicium.

Le commutateur 6 comporte une chambre 10 contenant un matériau 12 dont le volume augmente lorsqu'il est échauffé. Le matériau assure au-delà d'une température donnée, appelée température critique Tc, la connexion thermique entre le premier et le deuxième conducteur. Le matériau caloporteur remplit partiellement la chambre 10, au moins lorsqu'il ne connecte pas thermiquement les deux conducteurs thermiques. Le matériau à volume variable sera désigné "matériau caloporteur" dans la suite de la description. Il peut s'agir d'un matériau monophasique, par exemple d'un matériau liquide quelque soit la température de fonctionnement du système comme le mercure. Dans ce cas, son volume augmente avec la température et devient suffisant, lorsque la température atteint Tc, pour être en contact avec les deux conducteurs. Il peut s'agir d'un matériau diphasique qui est à l'état solide en dessous de la température critique et liquide au dessus de la température critique Tc, par exemple un matériau à changement de phase. Dans ce cas, le volume de ce matériau à l'état liquide est supérieur à celui de l'état solide. Lorsque la température atteint Tc, le matériau entre en fusion et son volume augmente, la connexion thermique entre les conducteurs est alors établie lorsque le volume du matériau est suffisant. Il peut s'agir de matériaux 13 généralement désignés comme « matériaux à changement de phase », mais également tout matériaux présentant une transition solide/liquide peut aussi être utilisé. La deuxième extrémité 2.2 du premier conducteur 2 pénètre dans la chambre 10 et la première extrémité 4.1 du deuxième conducteur 4 pénètre également dans la chambre 10 de sorte que les conducteurs 2, 4 puissent entrer en contact avec le matériau caloporteur 12 et soient effectivement connectés thermiquement entre eux par celui-ci au-delà de la température critique. Des exemples de matériaux pouvant être mis en oeuvre seront détaillés par la suite. De préférence, le commutateur 6 comporte des moyens pour assurer que le matériau caloporteur soit à nouveau uniquement en contact avec la deuxième extrémité du premier conducteur lorsque la température baisse en dessous de la température critique. Ces moyens seront décrits ultérieurement.

Sur la figure 1B sur laquelle les deux conducteurs thermiques 2, 4 ne sont pas connectés, le matériau caloporteur 12 est en contact avec le premier conducteur 2 relié à la source chaude SC, le matériau caloporteur 12 est donc connecté à la source chaude SC et voit toute variation de température de la source chaude SC. Lorsque la température de la source chaude SC dépasse la température critique Tc, le volume du matériau caloporteur 12 est suffisant pour entrer en contact avec la première extrémité 4.1 du deuxième conducteur 4. La connexion thermique entre les deux conducteurs 2, 4 est alors établie (figure 1B), et le 14 flux thermique est transféré de la source chaude SC à la source froide SF. La chaleur est alors évacuée, et la source chaude SC est refroidie. Par exemple, la variation de volume peut être de l'ordre de 10%. La variation de volume requise dépend des propriétés du matériau à volume variable. La taille de la chambre et des dimensions des conducteurs sont choisis en conséquence. De manière inverse, lorsque la température de la source chaude SC diminue et devient inférieure à la température critique Tc, le volume du matériau caloporteur 12 diminue suffisamment pour n'être plus en contact avec le deuxième conducteur 4. Celui-ci reprend sa position initiale uniquement en contact avec le premier conducteur 2, ce qui interrompt la connexion thermique entre les deux connecteurs 2, 4. Le commutateur 6 est donc commandé directement par la chaleur émise par la source chaude SC.

Sur la figure 2A, on peut voir une représentation schématique des différentes étapes de la variation de volume du matériau caloporteur représentées par des traits en pointillés 12.1. La figure 2A montre l'augmentation progressive du volume de matériau caloporteur. Le recouvrement de la première extrémité 4.1 du deuxième conducteur 2 par le matériau caloporteur 12 est donc progressif. Or, le transfert de chaleur étant directement proportionnel à la surface de contact, le flux de chaleur transmis augmente donc également progressivement. Par conséquent le commutateur 6 forme une variation de transfert 15 thermique. Cette progressivité du transfert est fonction notamment de la dimension de la première extrémité 4.1 du deuxième conducteur 4 pénétrant dans la chambre 10 et pouvant être entourée par le matériau caloporteur 12. En effet, plus cette longueur est courte, plus la première extrémité est entièrement rapidement recouverte. Ainsi, il est possible de régler la progressivité de la connexion thermique. Cette progressivité peut permettre un certain niveau de régulation au sein du système. La géométrie et le volume de la chambre et le confinement qu'elle génère, la quantité de matériau à volume variable, la distance entre les conducteurs, le choix du matériau et les états de surface pour définir la mouillabilité de surface et définir la dynamique de progression du front liquide permettent de régler la réactivité du commutateur. Par exemple, en favorisant un faible volume de chambre, une courte distance entre les conducteurs, un état de surface mouillant pour favoriser le transfert thermique et une transition de phase rapide du matériau à changement de phase, il est possible d'obtenir un dispositif réactif. Sur les figures 2B à 2E, on peut voir différentes exemples de réalisation d'une première extrémité 4.1 du deuxième conducteur 4 permettant d'améliorer la progressivité de la connexion thermique. Sur la figure 2B, la première extrémité 4.1 du deuxième conducteur 4 comporte une face en biais 14 par rapport au front d'avancé du matériau caloporteur 12. Ainsi la mise en contact entre le matériau caloporteur 12 et la première extrémité 4.1 se fait 16 progressivement, comme on peut le voir sur la figure 2C. Sur la figure 2D, outre la face en biais, l'extrémité 4.1 du conducteur 4 est munie de doigts 16, ainsi la mise en contact entre le matériau caloporteur 12 et la première extrémité 4.1 est encore plus progressive. Le matériau caloporteur 12 entre tout d'abord en contact avec le doigt le plus long 16.1, puis avec un deuxième doigt 16.2, simultanément il recouvre davantage le premier doigt 16.1 et ainsi de suite jusqu'a recouvrir tous les doigts 16 et atteindre une surface de connexion thermique maximale. Dans l'exemple représenté sur les figures 2B à 2E, la première extrémité du deuxième conducteur présente une section plus grande que le reste du conducteur, mais ceci n'est en aucun cas limitatif. Sur les figures 3A et 3B, on peut voir un autre mode de réalisation d'un système de gestion thermique dans lequel le commutateur est commandé par une source de chaleur autre que la source chaude. Le système comporte un troisième conducteur thermique 18 dont une extrémité pénètre dans la chambre 10 et dont une autre extrémité est reliée à une source de chaleur. En outre, le matériau caloporteur 12 est, lorsque la température est inférieure à la température critique uniquement en contact avec le troisième conducteur 18. Dans l'exemple représenté, le troisième conducteur 18 est situé entre les deux extrémités 2.2, 4.1 des premier 2 et deuxième 4 conducteurs.

Lorsque la température critique Tc est appliquée au troisième conducteur, le volume du 17 matériau caloporteur 12 est suffisant pour mettre en contact les extrémités 2.2, 4.1 des premier 2 et deuxième 4 conducteurs, assurant la connexion thermique entre les deux conducteurs 2, 4. Lorsque la température du troisième conducteur 18 est inférieure à la température critique Tc, le volume du matériau caloporteur 12 est tel qu'il n'est plus en contact avec aucun des premier et deuxième conducteurs. Il reprend sa position initiale, la connexion thermique est interrompue. La variation de volume du matériau caloporteur a lieu dans ce cas dans deux directions opposées. La température du troisième conducteur 18 15 peut être imposée par un autre système de gestion thermique comme nous le verrons par la suite. En variante, le troisième conducteur peut être disposé en face des deux conducteurs thermiques. Sur les figures 4A et 4B, on peut voir un 20 autre mode de réalisation dans lequel la connexion thermique est commandée par la température globale du dispositif sur lequel le système est installé. La chambre 10 est soumise à la température extérieure imposée par l'ensemble du dispositif que l'on souhaite 25 refroidir, les échanges thermiques se font par convection naturelle à travers la paroi de la chambre 10. Lorsque la température est en dessous d'une température critique Tc, le matériau caloporteur est confiné entre les extrémités des deux conducteurs 2, 4 30 sans contact avec eux. Lorsque cette température dépasse la température critique Tc, le volume du 18 matériau caloporteur 12 est suffisant pour connecter thermiquement les deux conducteurs 2, 4. Dans cet exemple, le matériau de la paroi de la chambre 10 est tel qu'il favorise la convection naturelle.

Sur les figures 5A et 5B, on peut voir des variantes de réalisation le commutateur thermique selon l'invention. Sur la figure 5A, le commutateur permet de connecter quatre conducteurs 2, 4, 4', 4", dans ce cas la connexion est commandée par la source chaude comme pour le système de la figure 1A. Sur la figure 5B, le commutateur permet de connecter trois conducteurs thermiques 2, 4, 4', la commande de connexion se faisant par un conducteur indépendant 18 de la source chaude SC comme dans l'exemple de la figure 5B. Sur les figures 6A et 6B, on peut voir un exemple d'un système de gestion thermique dans plusieurs plans. Le système comporte un premier système similaire à celui de la figure 1A comprenant une source chaude SC, un premier conducteur 402 relié à la source chaude SC, un deuxième conducteur 404 relié à une première source froide SF1 et un commutateur 406 destiné à connecter les deux conducteurs 402, 404, sur lequel est superposé un substrat 408 comportant un conducteur thermique 422 traversant le substrat 408 formant un via thermique, un conducteur 424 déposé sur le substrat 408 et une deuxième source froide SF2. Le via thermique 422 débouchant au dessus du commutateur 406 dans la paroi supérieure comporte une ouverture 19 pour permettre la mise en contact du matériau caloporteur avec le via thermique 422. Le commutateur 406 est commandé directement par la source chaude SC. Lorsque la température dépasse la température critique Tc, le volume du matériau caloporteur assure la connexion thermique entre le premier 402 et le deuxième 404 conducteur et ainsi la source chaud SC avec la première source froide SF1. Lorsque la chaleur accumulée dans le matériau caloporteur augmente, son volume augmente jusqu'à atteindre la paroi supérieure du commutateur 406 et entre en contact avec le via thermique 422. La source chaude SC est alors connectée à la première SF1 et à la deuxième source froide SF2.

La variation de volume se fait dans deux directions orthogonales. Dans cet exemple de réalisation, dans le cas où le matériau à volume variable 12 serait un matériau à changement de phase solide-liquide, la connexion thermique entre la source chaude SC et la première source froide SF1 est établie alors que seule une partie du matériau 12 est passée à l'état liquide. La connexion avec la deuxième source chaude SC2 est établie après qu'une portion supplémentaire du matériau est passée à l'état liquide. Ce système permet avantageusement d'améliorer la sécurité du refroidissement. Si le flux thermique entre la source chaude et la première source froide se révélait insuffisant pour abaisser la température de la source chaude en dessous de la température critique, le commutateur 406 le détecte et 20 assure une connexion avec une deuxième source froide afin d'augmenter le flux thermique extrait de la source chaude. On peut envisager qu'une ou plusieurs sources chaudes soient connectées à plusieurs sources froides au moyen de systèmes selon la présente invention. Sur la figure 7, on peut voir un exemple d'architecture d'un ensemble de systèmes de gestion selon l'invention interconnectés. L'architecture de la figure 7 comporte un système S1 similaire à celui de la figure 1A, un système de gestions S2 similaire à celui de la figure 3A et un troisième système de gestion S3 combinant des systèmes de gestion de figures 1A et 3A. Le premier système S1 comporte un premier conducteur 102 relié à une première source chaude SC1, un deuxième conducteur 104 relié à une première source froide SF1, un commutateur 106 commandé directement par la température de la source chaude SC1. Le deuxième système S2 comporte un premier conducteur 202 relié à une deuxième source chaude SC2, un deuxième conducteur 204 relié à une deuxième source froide SF2, et un commutateur 206. Un troisième conducteur 218 commande la commutation du deuxième connecteur 206, le troisième conducteur 218 étant à la température du premier commutateur 106 et donc à la température critique du premier système S1. Le troisième système S3 comporte un premier conducteur 302 relié à une troisième source chaude SC3 et un deuxième conducteur 304 relié à une troisième 21 source froide SF3au travers du commutateur 306', les premier 302 et le deuxième 304 conducteurs étant aptes à être connectés par un troisième commutateur 306 commandé directement par la température de la source chaude SC3. Le troisième système S3 comporte également un quatrième commutateur 306' commandé par un conducteur 318 relié à la deuxième source froide SF2. Le troisième système comporte également un conducteur 320 reliant le quatrième commutateur 306' à la troisième source froide SF3. Les commutateurs ont des températures critiques différentes telles que : TC106 < TC206 < TC306 < TC306' Ces variations de température critique peuvent être obtenues soient en agissant sur le design du dispositif, soit en agissant sur la composition et la nature du matériau. Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement de cet ensemble.

Lorsque la première source chaude SC1 atteint la température critique Tc, le matériau caloporteur du premier commutateur 206 met en contact les premier et deuxième conducteurs 102, 104, la connexion thermique entre les premières sources chaude et froide est établie. Le troisième conducteur 218 du deuxième système S2 est recouvert par le matériau caloporteur du premier commutateur 106 du premier système S1, celui-ci est alors à la température de critique Tc. Le volume du matériau caloporteur du deuxième commutateur 206 augmente pour établir la connexion thermique entre les 22 deuxièmes sources chaude SC2 et froide SF2. Dans la configuration représentée, le matériau du premier commutateur 106 atteindra le troisième conducteur 218 avant d'atteindre le deuxième conducteur 104.

Concernant le troisième système S3, la connexion thermique entre la troisième source chaude SC3 et la troisième source froide SF3 est commandée par le commutateur 306 qui est commandé directement par la troisième source chaude SC3 et le commutateur 306' qui est commandé par la deuxième source froide SF2. La troisième source chaude SC3 sera dans un premier temps au contact de la deuxième source froide SF2 puis au contact des deuxième et troisième sources froides SF2 et SF3, si le flux de chaleur est suffisant.

Il est à noter que pour déclencher un commutateur, il faut commencer par accumuler la chaleur sensible avant le changement de phase puis la chaleur latente assurant le changement de phase. Le matériau a alors un effet tampon dans le transfert de la chaleur.

Cet effet tampons se traduit par le fait que cette absorption de chaleur sensible avant le changement de phase permet d'absorber des hausses de température très courtes qui ne nécessitent pas de connexion à la source froide. Dans le cas d'une température élevée et persistante, la connexion est effectivement établie après absorption de la chaleur de changement de phase. Ainsi grâce à l'invention, il est possible de réaliser des architectures avec un nombre d'entrées et de sorties ajustables et configurables en dimension, matériau et forme. 23 Chacun des systèmes peut comporter un matériau caloporteur différent des autres systèmes adapté par exemple à la température critique de chaque système.

Nous allons maintenant décrire un exemple de réalisation pratique d'un système de gestion thermique selon la présente invention. Sur les figures 8A à 8C, on peut voir un vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un système de gestion thermique selon le présent système tel que celui de la figure 1A. Une cavité 26 formant la chambre 10 du commutateur 6 est réalisé dans le substrat 8, et des premier 2 et deuxième 4 conducteurs sont réalisés sur la face supérieure 8.1 du substrat 8.

Le premier conducteur 2 comporte une extrémité 2.2 pénétrant dans la cavité 26 plus profondément que l'extrémité 4.1 du deuxième conducteur 4, de sorte que le premier conducteur 2 soit en contact avec le matériau caloporteur lorsque celui-ci n'est pas dilaté. La cavité 26 présente une forme telle qu'elle favorise le retour du matériau caloporteur à son emplacement hors connexion. La cavité 26 comporte une première partie 26.1 plus profonde en forme de parallélépipède rectangle et une deuxième partie 26.2 débouchant à la surface du substrat 8; la deuxième partie a deux faces opposées inclinées 28 s'ouvrant vers la surface supérieure. Les surfaces de la cavité peuvent avantageusement subir un traitement facilitant le "démouillage" du matériau lors de la réduction du 24 volume du matériau, ce qui permet d'améliorer son retour dans un état de déconnexion du système. La forme parallélépipédique du fond de la cavité n'est en aucun cas limitative et celle-ci pourrait présenter une forme inclinée, cylindrique ou arrondie_ Le premier conducteur 2 s'étend sur toute la longueur d'un côté 28 de la deuxième partie 26.2 tandis le deuxième conducteur 4 s'étend sur une partie seulement d'un côté 28 opposé à celui sur lequel se trouve le premier conducteur 2. Le matériau caloporteur remplit la première partie 26.1 et le fond de la deuxième partie 26.2 de sorte à être en contact avec le premier conducteur 2, comme on peut le voir sur la figure 1C. Le commutateur est commandé directement par la source chaude. Lorsque la température dépasse la température critique Tc, le matériau caloporteur entre en contact avec le deuxième conducteur et assure la connexion thermique. Lorsque la température est à nouveau inférieure à la température critique Tc, le volume du matériau caloporteur a diminué de sorte qu'il ne soit plus en contact avec le deuxième conducteur 4. La forme évasée de la deuxième partie 26.1 de la cavité 26 assure le retour dans sa position de déconnexion du matériau caloporteur. On pourrait prévoir que la cavité présente des parois inclinées sur toute sa hauteur.

En outre, la cavité 26 pourrait avoir une forme tronconique. La forme de la figure 8A présente 25 l'avantage de pouvoir réaliser des conducteurs plans sur les bords de la deuxième partie de la cavité. Sur la figure 10, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un commutateur dans lequel la deuxième partie de la cavité a une forme de pyramide inversée. Dans cet exemple, le premier conducteur 2 est réalisé dans le substrat 8 et débouche dans le fond de la cavité 26 et le deuxième conducteur 4 est similaire à celui de la figure 8A. Il s'étend cependant plus profondément que le deuxième conducteur 4 de la figure 8A, puisque la quantité de matériau caloporteur peut être réduite, le contact avec le premier conducteur 2 étant assuré dans le fond de la cavité 26. De préférence, la cavité 26 comporte au 15 moins un bord incliné. On peut également encapsuler le système comme cela est représenté sur la figure 8C. Le système de la figure 8C présente un capot 30 fermant de manière étanche la cavité 26 rendant ainsi l'utilisation du 20 dispositif très pratique et facile. Le capot 30, par exemple en verre ou en métal, est par exemple fixé de manière étanche sur le substrat 8 par un cordon de colle. Nous allons expliquer le fonctionnement du 25 commutateur de la figure 8A. Nous considérons le cas où un matériau à changement de phase diphasique (solide/liquide) est choisi comme matériau caloporteur. Dans l'exemple représenté sur la figure 8A, la surface du matériau à changement de phase est en 30 contact avec l'air ambiant avec lequel elle échange de la chaleur uniquement par convection naturelle. 26 Lorsque le premier conducteur est à une température supérieure à la température critique Tc, la fusion du matériau à changement de phase débute. Cette fusion absorbe de l'énergie sous forme latente. Des courants de convection naturelle prennent place progressivement dans le matériau à changement de phase liquide. Pour remédier à la faible conductivité thermique des matériaux à changement de phase, nous pouvons considérer un matériau à changement de phase formé d'une cire de paraffine pure et de nanoparticules de graphite très conducteur. Certaines compositions portent la conductivité thermique du matériau à changement de phase à une valeur autour de l'unité (SI) [0]. Après le démarrage de la convection naturelle dans le matériau à changement de phase liquide, le processus de fusion est piloté par la convection naturelle. Le matériau à changement de phase en passant en phase liquide augmente de volume et entre en contact avec le deuxième conducteur 4. A titre d'exemple, on peut calculer la variation de hauteur de la surface du matériau à changement de phase et également l'augmentation de volume du matériau à changement de phase nécessaire pour assurer la connexion thermique. Par exemple, en considérant un matériau à changement de phase chargé en nanoparticules de graphiques dont les caractéristiques sont : - Viscosité dynamique (p) : 5 x 10-3Pa.s, - Masse volumique (p) : 800 kg.m-3, 30 - Conductivité thermique (A) : 1 W.m-1 K-1, - Chaleur spécifique (cp) 2500 J. kg-1K-1, 25 27 - Chaleur latente (L) 200 kJ. kg-1, - Coefficient de dilatation thermique (R) : 10-3 K-1, - Nombre de Prandtl : 12,5, - Température de changement de phase (Tpc) : 20°C.

Sur cette base, il est possible de calculer la variation de hauteur de la surface du matériau à changement de phase (h) en fonction de l'augmentation du volume du matériau à changement de phase (exprimé en %). Il est aussi possible d'établir la correspondance entre l'augmentation de volume du matériau à changement de phase et l'écart en température appliqué au matériau (AT) par la relation suivante : OV = R x Vo x OT dans laquelle OV correspond à l'accroissement de volume et Vo est le volume initial. Sur la figure 8C, on peut voir symboliser la variation de hauteur de matériau caloporteur dans la cavité 26. Sur la figure 9, on peut voir la variation de hauteur (en }gym) du matériau à changement de phase et de l'écart de température en (°C) appliqué en fonction de l'accroissement de volume (en %) du matériau à changement de phase. 25 Ces courbes indiquent par exemple que la surface du matériau à changement de phase atteindra le deuxième conducteur 4 connecté à la source froide dès lors que son volume aura augmenté d'environ 6,2 la hauteur étant alors h, = 2100 }gym. En considérant que le 30 matériau a un coefficient de dilatation thermique égal 20 28 à 10-3K-1, cette augmentation de volume correspond à un écart de température d'environ 62°C. Comme décrit précédemment le matériau caloporteur est par exemple un matériau à changement de phase. Les matériaux à changement de phase présentent l'avantage d'être disponibles dans de larges gammes de température. Les matériaux à changement de phase ont pour particularité de pouvoir stocker de l'énergie sous forme de chaleur latente. La chaleur étant absorbée ou restituée lors du passage de l'état solide à l'état liquide et vice versa. On choisit de préférence des matériaux à changement de phase présentant une transition solide-liquide dans le domaine de temperature considéré. Des matériaux à changement de phase présentant une transition solide-liquide dans le domaine de température considéré peuvent être envisagés cependant, la transformation est généralement très lente, ce qui peut être pénalisant pour la réactivité du système. Au-delà d'une certaine température caractéristique de chaque matériau à changement de phase, les matériaux à changement de phase se liquéfient en absorbant la chaleur de l'atmosphère ambiante et la restituent lorsque la température baisse. Cette propriété est liée à son importante énergie de fusion par unité de volume, plus celle-ci sera grande plus les propriétés de stockage/restitution de la chaleur seront intéressantes. 29 On peut par exemple choisir les paraffines, telles que l'eicosane, le docosane and le tricosane ou d'autres matériaux inorganiques tels que les sels, les hydrates de sels ou les hydrures métalliques. Les paraffines présentent l'avantage d'être stables thermiquement et peu onéreuses. En revanche, elles présentent une relativement faible conduction thermique. On peut également utiliser des paraffines associées à des éléments conducteurs de la chaleur capables de transférer efficacement la chaleur dans et hors du matériau. Ces éléments peuvent être des dissipateurs thermiques, des partitionnements, des ailettes, des nanofibres de graphite, des mousses métalliques, des particules conductrices en dispersion, des micro-encapsulations de matériau à changement de phase, des nanotubes de carbone dont la conductivité thermique supposée est très élevée. Concernant le substrat 8, comme indiqué précédemment, celui-ci présente de préférence une faible conductivité thermique afin de limiter les fuites de chaleur à partir des conducteurs thermiques 2, 4. Le substrat peut être réalisé dans un matériau polymère comme de l'Epoxy ou dans une céramique. On peut également envisager le silicium qui est utilisé pour la fabrication des composants électroniques. Compte tenu de sa conductivité thermique relativement élevée, une couche thermique barrière comme par exemple une couche d'oxyde SiO2 sera formée sur la face supérieure du substrat portant les conducteurs.

L'Epoxy présente une conductivité thermique de 0,25 W.m-1.K-1. Les céramiques présentent une 30 conductivité thermique de l'ordre de 0,49 W.m-1.K-1. Le silicium présente une conductivité thermique de 149 W.m-1.K-1 et l'oxyde de silicium présente une conductivité thermique de quelques Watt.m-1.K-1.

La structuration du substrat est obtenue par des techniques largement connues par l'homme du métier moulage, usinage; en ce qui concerne le silicium il s'agit des techniques de la microélectronique: gravure humide, gravure sèche, gravure électrochimique,_ En ce qui concerne la réalisation des conducteurs, elle peut être faite par photolithographie. Les conducteurs sont par exemple réalisés en aluminium de conductivité thermique égale à 237 W.m-1.K-1, en or de conductivité thermique égale à 317W.m-1.K-1 ou en cuivre de conductivité thermique égale à 390.m-1.K-1 On peut envisager de fonctionnaliser le matériau caloporteur pour qu'il présente une certaine conductivité électrique, une sensibilité aux champs magnétiques ou soit le siège un phénomène de photoluminescence. Cette fonctionnalisation peut être obtenue par exemple par l'ajout de nanomatériaux.

Le système peut alors former un interrupteur électrique et/ou optique et/ou magnétique. Le système de gestion thermique selon l'invention forme un commutateur thermique commandant le passage ou non d'un flux de chaleur. La commutation peut s'effectuer automatiquement et assurer une 31 régulation thermique entre la source chaude et la source froide de manière autonome. Il peut former également un régulateur thermique, puisque la variation progressive du volume du matériau caloporteur permet de réguler les transferts de flux thermiques. En combinant plusieurs systèmes selon l'invention, il est possible d'ordonner, d'orienter et de répartir les flux de chaleur. En outre, Les éléments caloporteurs à volume variable stockent la chaleur, ils forment donc un tampon dans la progression du flux thermique. Ils forment ainsi des puits thermiques.15

Claims

REVENDICATIONS1. Système de gestion thermique destiné à être monté entre au moins une source chaude (SC) et au moins une source froide (SF), comportant un premier (2) et un deuxième (4) conducteur thermique, un commutateur thermique (6) apte à connecter thermiquement ou non les premier (2) et deuxième (4) conducteurs thermiques, ledit commutateur thermique (6) comportant au moins un matériau conducteur thermique (12) dont le volume varie en fonction d'un apport d'énergie thermique, ledit matériau (12) étant apte à connecter le premier (2) et deuxième (4) conducteur par variation de son volume, ledit commutateur thermique (6) comportant des moyens de commande destinés à apporter l'énergie thermique au matériau (12) à volume variable pour changer l'état de connexion.
2. Système de gestion thermique selon la revendication 1, comportant au moins trois conducteurs thermiques (2, 4, 4', 4", 22, 24), le commutateur étant apte à mettre en connexion thermiques les au moins trois conducteurs thermiques.
3. Système de gestion thermique selon la revendication 1 ou 2, réparti dans plusieurs plans.
4. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de commande sont formés par le premier conducteur (2), ledit premier conducteur (2) étant en permanence en 33 contact avec le matériau à volume variable (12) et étant destiné être connecté à la au moins une source chaude ( SC) .
5. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de commande sont formés par un conducteur thermique supplémentaire (18), le premier (2) et le deuxième (4) conducteur n'étant pas en contact avec le matériau à volume variable (12) dans un état hors connexion.
6. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de commande sont formés directement par l'environnement extérieur, l'énergie thermique étant apportée au matériau par convection.
7. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les premier (2) et deuxième (4) conducteurs comportent des extrémités (2.2, 4.1) destinées à être en contact avec le matériau à volume variable (12), ladite extrémité (2.2, 4.1) du premier (2) et/ou du deuxième (4) conducteur présentant une forme assurant un contact progressif entre ladite extrémité (2.2, 4.1) et le matériau à volume variable (12) lors de la variation de volume du matériau à volume variable.
8. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 7, comportant de moyens pour favoriser le retour du matériau à volume variable r 2977121 34 dans une zone prédéterminée dans laquelle la déconnexion thermique entre le premier et le deuxième conducteur est assurée, dite zone de déconnexion. 5
9. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 8, comportant un substrat (8) dans ou sur lequel sont formés les conducteurs thermiques (2, 4) et dans lequel le commutateur (6) comporte une cavité (26) formée dans le substrat (8) et 10 contenant le matériau à volume variable (12), les conducteurs thermiques (2, 4) pénétrant dans ladite cavité (26).
10. Système de gestion thermique selon la 15 revendication 9, dans lequel la cavité (26) comporte au moins une paroi latérale (28) inclinée favorisant le retour du matériau à volume variable (12) dans une zone dite hors connexion, ladite au moins une surface inclinée (28) formant les moyens facilitant le retour 20 du matériau à volume variable (12) vers la zone hors connexion.
11. Système de gestion thermique selon la revendication 9 ou 10 en combinaison avec la 25 revendication 8, dans lequel la cavité (26) présente une forme évasée, par exemple en forme de pyramide inversée.
12. Système de gestion thermique selon 30 l'une des revendications 9 à 11, dans lequel les deux conducteurs thermiques (2, 4) sont formés sur lasurface du substrat, l'extrémité (2.2) du premier conducteur (2) pénétrant dans la cavité {26) plus profondément que celle (4.1) du deuxième conducteur (4) et dans lequel le matériau à volume variable (12) est uniquement en contact avec l'extrémité (2.2) du premier conducteur (2) dans un état hors connexion.
13. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel le premier conducteur (2) est formé dans le substrat (8) et son extrémité débouche dans un fond de la cavité (26) et le deuxième conducteur (4) est formé sur le substrat (8).
14. Système de gestion thermique selon 15 l'une des revendications 9 à 13, dans lequel la cavité (26) est fermée de manière étanche par un capot (30).
15. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel le 20 matériau à volume variable (12) est un matériau présentant un changement de phase.
16. Système de gestion thermique selon la revendication 15, dans lequel le matériau présente un 25 changement de phase solide-liquide dans le domaine température à gérer par le système.
17. Système de gestion thermique selon la revendication 15 ou 16, dans lequel le matériau 30 présentant un changement de phase comporte des particules augmentant sa conductivité thermique. 36
18. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel le matériau à volume variable (12) est un matériau monophasique, par exemple liquide, par exemple du mercure.
19. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 18, dans lequel le matériau à volume variable (12) est fonctionnalisé de sorte qu'il présente une conductivité électrique donnée, une sensibilité aux champs magnétiques ou soit le siège un phénomène de photoluminescence.
20. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 19, dans lequel le substrat (8) est en un matériau à faible conductivité thermique.
21. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 20, dans lequel le substrat (8) est un matériau isolant thermique comme un polymère, du verre ou une céramique.
22. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 19, dans lequel le substrat (8) est un matériau conducteur de chaleur isolé en surface comme par exemple un substrat silicium muni d'une couche d'oxyde sur la face, sur laquelle sont formés les premier et deuxième conducteurs thermiques. 37
23. Système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 22, dans lequel les conducteurs thermiques (2, 4) sont métalliques comme par exemple or, cuivre ou aluminium.
24. Ensemble de gestion thermique comportant au moins deux systèmes selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le commutateur de l'un des systèmes est commandé par le premier système.
25. Ensemble de gestion thermique selon la revendication précédente, dans lequel la commande est fournie par la température du matériau à volume variable du commutateur du premier système, ou celle de la source chaude ou celle de la source froide.
26. Ensemble de gestion thermique selon la revendication 24 ou 25, dans lequel le matériau à volume variable du premier système est différent de celui du deuxième système.
27. Dispositif électronique comportant au moins un système de gestion thermique selon l'une des revendications 1 à 23 et/ou au moins un ensemble de gestion thermique selon l'une des revendications 24 à 26.
28. Dispositif électronique selon la revendication 27, dans lequel la source chaude est formée par au moins un composant électronique et la au 38 moins source froide est formée par un échangeur thermiques, par exemple un radiateur et/ou une circulation d'air, et/ou au moins un microcaloduc et/ou un matériau à changement de phase et/ou des microcanaux et/ou des moyens mettant en oeuvre une ébullition convective et/ou des matériaux thermoélectriques.