FR3052629A1 - Boitier pour equipement avionique comprenant une paroi en materiau composite et des drains thermiques metalliques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un boîtier pour équipement avionique d'un aéronef comprenant une plaque (10) à la surface de laquelle sont connectés des drains thermiques (20), le boîtier pour équipement étant caractérisé en ce que : - la plaque (10) est en matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, - les drains thermiques (20) sont dans un alliage métallique présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 120 W/m/K, et - les drains thermiques (20) sont assemblés avec la plaque (10) par couture ou tricot à l'aide de fibres d'assemblage (30) en matériau organique ou métallique.
Description
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne de manière générale le domaine des équipements électroniques aéronautiques embarqués, et plus particulièrement les conditionnements de ces équipements dans un objectif d’augmenter l’évacuation des calories produites par l’électronique, tout en diminuant la masse ajoutée des drains thermiques.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Un équipement électronique destiné à être monté dans une zone avionique, par exemple une baie avionique, une zone moteur, une aile d’un aéronef ou encore au niveau des trains d’atterrissage, comprend, dans un conditionnement souvent métallique dit aussi boîtier ou « packaging », un ensemble de cartes électroniques dissipatrices de chaleur. L’évolution des aéronefs actuels a pour effet de soumettre ces boîtiers pour équipement avionique à des environnements thermiques et vibratoires de plus en plus sévères, les cartes électroniques dissipant en outre de plus en plus de chaleur dans un volume de plus en plus réduit. En parallèle, les avionneurs cherchent à diminuer fortement la masse des boîtiers, tout en permettant d’évacuer les calories produites par l’électronique logée dans les boîtiers et en assurant une bonne tenue mécanique. En particulier une tenue vibratoire de l’électronique en transmettant le moins de vibration possible au niveau des cartes électroniques et de leur système d’assemblage.
On cherche donc à évacuer de manière plus efficace la puissance dissipée par les cartes électroniques dans un même volume voire un volume plus restreint, et avec une masse réduite.
RESUME DE L’INVENTION
Un objectif de l’invention est donc de proposer un boîtier pour équipement avionique capable de dissiper suffisamment le flux thermique généré par les équipements avioniques qu’il loge, sans pour autant gêner l’implantation des composants électroniques de l’équipement ni augmenter son encombrement et sa masse.
Pour cela, l’invention propose un boîtier pour équipement avionique d’un aéronef comprenant une plaque à la surface de laquelle sont connectés des drains thermiques, le boîtier pour équipement étant caractérisé en ce que : - la plaque est en matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, - les drains thermiques sont dans un alliage métallique présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 120 W/m/K, et - les drains thermiques sont assemblés avec la plaque par couture ou tricot à l’aide de fibres d’assemblage en matériau organique ou métallique.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du boîtier décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - les drains thermiques sont en tout ou partie surmoulés avec la plaque en matériau composite et les fibres d’assemblage, le renfort fibreux du matériau composite et/ou les fibres d’assemblage présentent une conductibilité thermique supérieure ou égale à 500 W/m/K et comprennent l’un au moins des matériaux suivants : du carbone, un alliage métallique et/ou la matrice polymère comprend un matériau thermodurcissable tel qu’une résine époxyde, bismaléimide ou polyimide, ou encore un matériau thermoplastique, - l’alliage métallique présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 140 W/m/K, - l’alliage métallique comprend un alliage d’aluminium, par exemple un alliage d’aluminium T6061 T6, ou un alliage de cuivre, - une couche de protection conductrice est appliquée sur une surface des drains thermiques qui est en contact avec les fibres d’assemblage pour éviter des phénomènes de corrosion galvanique. - les drains thermiques présentent une base, configurée pour être cousue ou tricotée à l’aide des fibres d’assemblage, et une protubérance s’étendant depuis la base, - la base comprend une pluralité d’orifices traversants configurés pour recevoir des fibres d’assemblage, - les drains thermiques présentent une épaisseur comprise entre 3 et 5 mm, - les drains thermiques présentent une hauteur comprise entre 4 et 20 mm, - la plaque en matériau composite comprend une face interne, s’étendant en regard de l’équipement avionique, et une face externe opposée à la face interne, les drains thermiques étant fixés sur la face interne, et/ou - la plaque en matériau composite comprend une face interne, s’étendant en regard de l’équipement avionique, et une face externe opposée à la face interne, les drains thermiques étant fixés sur la face externe.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 est une vue partielle et en perspective d’un exemple de réalisation d’un boîtier pour équipement avionique,
La figure 2 est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une face d’un boîtier pour équipement avionique conforme à l’invention,
La figure 3 est une vue partielle du dessus d’un exemple de réalisation d’un drain thermique pouvant être utilisé dans un boîtier pour équipement avionique conforme à l’invention, et
La figure 4 est une vue en coupe partielle de la plaque et d’un drain thermique de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION
Un boîtier 1 pour équipement avionique d’un aéronef comprend, de manière connue en soi : - une face de fond 2 configurée pour comporter des premiers moyens de montage d’au moins une carte électronique, - une face supérieure 3, sensiblement parallèle et opposée à la face de fond 2 et configurée pour comporter des deuxièmes moyens de montage d’au moins une carte électronique, et - deux faces latérales 4, s’étendant entre la face supérieure 3 et la face de fond 2.
Le boîtier 1 loge au moins un équipement avionique, typiquement au moins une carte électronique (de préférence plusieurs) et autant de moyens de montage desdites cartes électroniques. Ces moyens de montage sont généralement identiques et peuvent comprendre, de manière connue en soi, des supports porte-glissière avec blocage du type Cardiock (non visible sur les figures). En variante, les cartes électroniques peuvent être directement vissées sur le boîtier 1 ou une partie fixée sur ledit boîtier 1 (par exemple les drains thermiques). L’une au moins des faces latérales 4 du boîtier 1 comprend une plaque 10 à la surface de laquelle sont connectés des drains thermiques 20. Les drains thermiques 20 forment un cadre métallique permettant, d’une part, de récupérer en interne le flux thermique généré par les cartes électroniques, et d’autre part de rigidifier la face latérale du boîtier 1 sur laquelle elles sont fixées.
Afin de réduire la masse du boîtier 1 tout en conservant ses propriétés de dissipation thermique, la plaque 10 est réalisée dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère. Par ailleurs, les drains thermiques 20 sont réalisés dans un alliage métallique présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 120 W/m/K et sont assemblés avec la plaque 10 par couture ou tissage à l’aide de fibres d’assemblage 30 en matériau organique ou métallique.
Dans ce qui suit, l’invention va plus particuliérement être décrite dans le cas de drains thermiques 20 s’étendant depuis une face interne 12 de la plaque 10 (c’est-à-dire la face configurée pour s’étendre à l’intérieur du boîtier 1) afin de récupérer les flux thermiques créés en interne par les composants de la carte électronique et qui se propagent dans le plan de la carte électronique, et de les diriger vers la plaque 10 en matériau composite en vue de leur dissipation dans le milieu ambiant.
Ceci n’est cependant pas limitatif, les drains thermiques 20 pouvant s’étendre depuis l’autre face (c’est-à-dire la face externe 14) de la plaque 10 afin d’améliorer la dissipation thermique du flux thermique vers le milieu ambiant, depuis la plaque 10 en matériau composite, en augmentant la surface d’échange. Le cas échéant, le boîtier 1 comprend à la fois des drains thermiques 20 sur la face interne de la plaque 10 et sur sa face externe 14.
Le renfort fibreux du matériau composite comprend de préférence des fibres organiques ou métalliques présentant une conductivité thermique supérieure ou égale à 500 W/m/K, de préférence supérieure ou égale à 600 W/m/K. Par exemple, le renfort fibreux peut comprendre l’un au moins des matériaux suivants : du carbone, notamment à base de brai (pitch en anglais), ou un alliage métallique (par exemple du cuivre, afin d’éviter tout risque de corrosion galvanique, notamment lorsqu’on couple ces fibres de cuivre avec des fibres de carbone).
La matrice polymère peut comprendre un matériau thermodurcissable tel qu’une résine époxyde, bismaléimide ou polyimide, ou encore un matériau thermoplastique.
Les fibres d’assemblage 30 peuvent comprendre des fibres longues telles que des fibres de carbone à base de brai. En variante, les fibres d’assemblage 30 peuvent comprendre un alliage métallique présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 120 W/m/K. L’alliage métallique présentant de préférence une conductibilité thermique supérieure ou égale à 140 W/m/K. L’alliage métallique peut comprendre à cet effet un alliage d’aluminium, par exemple de la série T6061 T6 ou un alliage de cuivre.
Dans un exemple de réalisation, le renfort fibreux et les fibres d’assemblage 30 peuvent être réalisés dans un même matériau, la matrice composite peut comprendre un matériau thermodurcissable et l’alliage métallique peut comprendre un alliage d’aluminium. L’utilisation d’un matériau composite pour la plaque 10 permet d’augmenter la dissipation thermique dans le plan du boîtier 1 tout en réduisant sa densité. Toutefois, les matériaux composites à forte dissipation thermique ont un coût élevé et sont peu usinables dans la mesure où il est difficile d’obtenir des pièces ayant d’importants rayons de courbure, en particulier lorsque le renfort fibreux comprend des fibres longues et à haut module d’Young. Par ailleurs, la précision de positionnement des raidisseurs et des drains thermiques au niveau de l’interface avec les cartes électroniques nécessite un usinage précis, souvent plus facilement réalisable avec un alliage métallique. C’est pourquoi l’utilisation d’un alliage métallique présentant une telle conductibilité thermique est avantageuse afin de réaliser les drains thermiques 20. La faisabilité des drains et leur précision de fabrication sont en effet bien meilleures avec un alliage métallique qu’avec un matériau composite puisque l’on n’est plus limité en termes de rayon de courbure, tout en assurant une conductibilité thermique isotrope suffisante pour récupérer les calories générées par les cartes électroniques. De plus, les drains thermiques 20 en alliage métallique peuvent jouer un rôle de raidisseur en rigidifiant la face latérale du boîtier 1 et en augmentant ses fréquences vibratoires.
En variante, des raidisseurs peuvent également être rapportés et fixés sur la plaque 10. De tels raidisseurs pourraient alors être réalisés en alliage métallique (faible coût et facilement usinable) ou en matériau composite afin d’éviter tout couplage galvanique avec la plaque 10 (qui peut se produire en présence de métal). Typiquement, le composite pourrait être le même matériau que pour la plaque 10 avec les fibres orientées perpendiculairement à la face interne 12 afin d’orienter le transfert de chaleur vers l’extérieur.
Enfin, l’assemblage (couture ou tricot) des drains thermiques 20 avec la plaque 10 à l’aide de fibres d’assemblage 30 permet d’assurer une conductibilité thermique en transverse tout en minimisant les dissipations thermiques au sein du boîtier 1, afin de permettre une évacuation efficace des calories en dehors du boîtier 1. Les fibres d’assemblage 30 permettent en effet une bonne répartition des flux thermiques récupérés par les drains thermiques 20 dans la plaque 10 en matériau composite, dans les trois directions, en opérant une connexion intime entre les fibres d’assemblage 30 et les fibres du renfort fibreux de la plaque 10 sans résistance thermique notable.
On notera qu’un tel assemblage peut être réalisé à l’échelle industrielle, en cousant ou en tricotant directement les fibres d’assemblage 30 avec le renfort fibreux de la plaque 10.
Les drains thermiques 20 peuvent présenter une section en T.
Plus précisément, chaque drain thermique peut comprendre une base 22 configurée pour être cousue ou tricotée à l’aide des fibres d’assemblage 30 sur le renfort fibreux de la plaque 10, et une protubérance 24 s’étendant depuis la base 22. Ici, les drains thermiques 20 sont symétriques, la protubérance 24 s’étendant depuis une zone centrale de la base 22.
La base 22 comporte une série d’orifices traversants 26 de part et d’autre de la protubérance 24 servant de points d’ancrage des drains thermiques 20 dans la plaque 10 et configurés pour recevoir les fibres d’assemblage 30. Les orifices traversants 26 peuvent être formés dans la base 22 par perçage, ou en variante être obtenus lors du moulage de la base 22. La forme et les dimensions des orifices traversants 26 dépend du type de fibres sélectionné pour l’assemblage des drains thermiques 20 avec la plaque 10. Pour être réalisable par usinage et pour être suffisamment dense, un ordre de grandeur du diamètre des orifices 26 est compris entre 0.5 mm et 1 mm.
De préférence, des orifices traversants 26 sont formés sur toute la longueur des drains thermiques 20 afin d’assurer un contact continu de la base 22 contre la plaque 10.
Cette forme en T pour les drains thermiques 20 permet d’une part un assemblage rapide et industrialisable avec la plaque 10, et d’autre part de rigidifier la plaque 10 en jouant un rôle de raidisseur.
Les drains thermiques 20 forment, de manière connue en soi, un cadre métallique. La forme et les dimensions de ce cadre métallique peuvent être conventionnelles.
Ainsi, le cadre métallique peut comprendre une bordure périphérique 27 de forme sensiblement parallélépipède, typiquement rectangulaire, et des barreaux 28 s’étendant à travers la bordure 27 de manière à former des alvéoles A-E, qui peuvent également être parallélépipédiques, par exemple rectangulaires.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 2, le cadre métallique comprend cinq alvéoles A-E formées par trois barreaux 28 et une bordure périphérique 27.
Le choix du nombre de barreaux 28 et des dimensions des drains thermiques 20 est de préférence un compromis entre la surface disponible pour les composants des cartes électroniques (et donc du type de carte électronique logée dans le boîtier 1), la conductibilité thermique nécessaire pour récupérer suffisamment de calories et refroidir les cartes électroniques, et les propriétés mécaniques recherchées pour le boîtier 1 (fonction de raidisseur).
En effet, plus les drains thermiques 20 sont épais (l’épaisseur correspondant ici à la petite dimension du drain thermique suivant une direction parallèle à la surface de la plaque 10, par opposition à la longueur), plus leur encombrement est important, moins il reste d’espace pour les composants électroniques sur la carte électronique et plus on augmente la masse du boîtier 1. Toutefois, une augmentation de l’épaisseur des drains thermiques 20 augmente les capacités de dissipation thermiques, il faut donc trouver un compromis. L’épaisseur des drains thermiques 20 peut par exemple être comprise entre 3 mm et 5 mm.
La hauteur (correspondant ici à la dimension suivant une direction normale à la surface de la plaque 10) des drains thermiques est fonction de la hauteur des composants nécessaires et de l’encombrement total du boîtier 1 qui doit être le moins haut possible. La hauteur des drains thermiques 20 peut être comprise entre 4 mm et 20 mm. Certains composants qui pourraient être plus hauts pourraient être fixés de l’autre côté de la carte électronique, ou bien nécessiter une hauteur encore supérieure des drains thermiques.
Par ailleurs, plus la surface des alvéoles formées par les drains thermiques 20 est faible, plus la dissipation thermique est améliorée (les flux thermiques étant directement évacués au niveau des drains thermiques 20 en traversant le moins de surface de carte possible). De plus, lorsque la surface des alvéoles est faible, les fréquences d’alvéole (fréquences vibratoires de la carte électronique au niveau des alvéoles) sont élevées, ce qui entraîne de faibles taux de déformation au niveau de la carte électronique et risque donc moins d’endommager les brasures des composants électroniques.
Lorsque le renfort fibreux du matériau composite et/ou les fibres d’assemblage 30 comprennent des fibres organiques, notamment en fibres de carbone, une couche de protection conductrice peut être appliquée sur la surface des drains thermiques 20 qui est en contact avec les fibres (typiquement, la base 22 des drains thermiques 20) afin d’éviter les phénomènes de corrosion galvanique qui provoqueraient une dissolution de l’alliage métallique (surtout dans le cas d’un alliage d’aluminium ou de cuivre). Un tel phénomène peut notamment survenir en cas d’infiltration d’eau, en particulier d’eau salée. En variante, pour simplifier l’application de la couche, toute la surface des drains thermiques 20 peut être plaquée.
Par exemple, des anodisations normales ou dures peuvent être appliquées aux drains thermiques 20 afin de former une couche passive d’alumine sur tout ou partie de la surface des drains thermiques 20. La couche d’alumine obtenue est régulière, d’épaisseur constante (entre 25 et 100 microns), adhère parfaitement sur l’alliage d’aluminium, est dure, lisse et très résistante. Cette couche est électro-isolante mais thermoconductrice (environ 26 à 35 W/m/K): elle est donc négligeable et n’affecte pas la résistance thermique entre les fibres (du renfort fibreux et d’assemblage) et les drains thermiques 20.
De manière alternative, un alliage de cuivre peut être/plaqué par céramisation sur tout ou partie de la surface des drains thermiques 20. L’alliage de cuivre présentant une conductibilité thermique importante, il n’affecte pas non plus la résistance thermique entre les fibres et les drains thermiques 20.
En variante, les drains thermiques 20 peuvent être surmoulés avec le renfort fibreux de la plaque 10 et les fibres d’assemblage 30, lors de l’injection de la matrice polymère pour former le matériau composite. La matrice polymère permet ainsi d’isoler l’alliage métallique et les fibres et d’éviter les phénomènes de corrosion galvanique. A cet effet, au cours d’une première étape, les drains métalliques sont tout d’abord positionnés sur l’une des faces du renfort fibreux.
Puis, au cours d’une deuxième étape, les drains métalliques sont assemblés avec le renfort fibreux, soit par couture, soit par tricot, à l’aide des fibres d’assemblage 30, typiquement à l’aide de fibres organiques.
En variante, les drains thermiques 20 peuvent être assemblés avec le renfort fibreux directement pendant la réalisation (tricotage) du renfort fibreux. Dans ce cas, les fibres du renfort fibreux servent à la fois pour la réalisation du renfort et comme fibres d’assemblage 30.
Au cours d’une troisième étape, la matrice est introduite dans le renfort fibreux, par exemple suivant le procédé de moulage par transfert de résine RTM (acronyme anglais de Resin Transfer Molding), par infusion ou encore par injection. De manière optionnelle, la matrice peut être infusée de manière à ne recouvrir que la base 22 des drains thermiques 20.
Afin de renforcer la protection des drains thermiques 20 contre le couplage galvanique, il est possible à la fois d’appliquer une couche de protection conductrice et de surmouler les drains thermiques 20 avec la matrice polymère.
Lorsque les drains thermiques 20 s’étendent depuis la face externe 14 de la plaque 10, lesdits drains peuvent présenter une section en T, comme décrit précédemment, ou en variante une section en U de manière à former des ailettes. A cet effet, chaque ailette en U comprend une base 22 de laquelle s’étendent deux bras. Dans ce cas, les ailettes sont cousues ou tricotées sur la face externe 14 de la plaque 10 au niveau de la base 22, entre les deux bras.
On notera que, dans ce mode de réalisation, les drains thermiques 20 peuvent présenter une hauteur plus importante que lorsqu’ils sont fixés sur la face interne, dans la mesure où ils ne sont pas limités par le type ni la position des composants électroniques fixés sur les cartes électroniques.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Boîtier pour équipement avionique d’un aéronef comprenant une plaque (10) à la surface de laquelle sont connectés des drains thermiques (20), le boîtier pour équipement étant caractérisé en ce que : - la plaque (10) est en matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, - les drains thermiques (20) sont dans un alliage métallique présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 120 W/m/K, et - les drains thermiques (20) sont assemblés avec la plaque (10) par couture ou tricot à l’aide de fibres d’assemblage (30) en matériau organique ou métallique.
- 2. Boîtier selon la revendication 1, dans lequel les drains thermiques (20) sont en tout ou partie surmoulés avec la plaque (10) en matériau composite et les fibres d’assemblage (30).
- 3. Boîtier selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel : - le renfort fibreux du matériau composite et/ou les fibres d’assemblage (30) présentent une conductibilité thermique supérieure ou égale à 500 W/m/K et comprennent l’un au moins des matériaux suivants : du carbone, un alliage métallique et/ou - la matrice polymère comprend un matériau thermodurcissable tel qu’une résine époxyde, bismaléimide ou polyimide, ou encore un matériau thermoplastique.
- 4. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’alliage métallique présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 140 W/m/K.
- 5. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’alliage métallique comprend un alliage d’aluminium, par exemple un alliage d’aluminium T6061 T6, ou un alliage de cuivre.
- 6. Boîtier selon la revendication 5, dans lequel une couche de protection conductrice est appliquée sur une surface des drains thermiques (20) qui est en contact avec les fibres d’assemblage (30) pour éviter des phénomènes de corrosion galvanique.
- 7. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les drains thermiques (20) présentent une base (22), configurée pour être cousue ou tricotée à l’aide des fibres d’assemblage (30), et une protubérance (24) s’étendant depuis la base (22).
- 8. Boîtier selon la revendication 7, dans lequel la base (22) comprend une pluralité d’orifices traversants (26) configurés pour recevoir des fibres d’assemblage (30).
- 9. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel les drains thermiques (20) présentent une épaisseur comprise entre 3 et 5 mm.
- 10. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les drains thermiques (20) présentent une hauteur comprise entre 4 et 20 mm.
- 11. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la plaque (10) en matériau composite comprend une face interne (12), s’étendant en regard de l’équipement avionique, et une face externe (14) opposée à la face interne (12), les drains thermiques (20) étant fixés sur la face interne (12).
- 12. Boîtier selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel la plaque (10) en matériau composite comprend une face interne (12), s’étendant en regard de l’équipement avionique, et une face externe (14) opposée à la face interne (12), les drains thermiques (20) étant fixés sur la face externe (14).
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