FR3060939B1 - Systeme de drainage thermique - Google Patents

Abstract

Système de refroidissement d'un ou de plusieurs composants situés dans un équipement caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : • Un capot (3) ayant une géométrie et des dimensions choisies selon un composant (2) à refroidir, ledit capot étant disposé sur ledit composant à refroidir, • Un drain (4) positionné sur ledit capot (3), ledit drain (4) comprenant un ou plusieurs emplacements (43) permettant le passage de moyens de blocage lorsque le drain est en position finale, un premier côté (44) du drain (4) ayant une forme adaptée à assurer un contact quasi parfait avec au moins une paroi interne (11) du châssis (1) afin d'évacuer la chaleur dissipée par le composant (2) et un deuxième côté (45) ayant une forme adaptée à la forme d'un outil de positionnement.

Description

SYSTEME DE DRAINAGE THERMIQUE L’objet de l’invention concerne un système de drainage thermique au moyen d’un drain mis en contact avec au moins une paroi interne d’un équipement comprenant un ou plusieurs composants dissipant de la chaleur.

Elle est notamment utilisée pour refroidir des composants électroniques, tels que des puces, des transistors, des diodes, etc.

Certains équipements sont utilisés dans des conditions qui conduisent à une augmentation de leur température interne et qui peut provoquer en final une dégradation dans leur fonctionnement. Or, l’équipement doit fonctionner correctement tout au long de son cycle d’utilisation et pour cela il faut maintenir une température tolérable par l’ensemble des composants. L’intervalle de température ambiante de fonctionnement varie par exemple de -40°C à +105°C. L’art antérieur décrit plusieurs techniques permettant de refroidir les composants présents dans un équipement.

La solution de type Caloduc permet de porter la chaleur et de l’évacuer.

Les systèmes de refroidissement actifs utilisent une technique qui est basée sur le transfert de chaleur par convection forcée. Ceci nécessite l’utilisation d’une pompe mécanique pour assurer la circulation du fluide caloporteur ainsi qu’un circuit externe afin d’évacuer la chaleur du système vers l’extérieur. Cette technique est difficilement applicable dans des composants disposés dans un espace ou volume restreint.

Les systèmes de refroidissement passifs ne nécessitent pas d’alimentation externe, ce qui diminue le coût énergétique. Un refroidissement passif peut être direct ou indirect selon que le fluide caloporteur est en contact ou non avec les composants électroniques.

On peut aussi mentionner les systèmes de refroidissement à l’air qui sont utilisés pour les éléments électroniques dont la contrainte thermique est faible. Les principaux avantages de ce système de refroidissement sont sa relative simplicité et le faible coût de mise en œuvre technique.

Le refroidissement liquide monophasique est implémenté dans les composants électroniques sous la forme d’une plaque à eau dans laquelle circule un liquide caloporteur, ou d’une canalisation fluidique, accolées aux parois à refroidir. Un système composé principalement d’une pompe et d’un échangeur permet d’évacuer la chaleur contenue dans le liquide caloporteur vers l’extérieur de l’équipement. Ces systèmes sont mieux adaptés pour des équipements de grande taille.

Les échangeurs monophasiques intègrent une structure dans laquelle le passage du fluide de refroidissement est réalisé sans changement d’état. La puissance est évacuée vers l’extérieur par la conduction, la convection et le transport capacitif. Le fluide se charge de la puissance dissipée par l’élément électronique, élevant ainsi la température du fluide.

Il existe aussi des systèmes de convection de type ventilateurs. Ce principe de refroidissement fait uniquement circuler l’air à l’intérieur de l’équipement et ne l’expulse pas vers l’extérieur.

Les techniques de l’art antérieur ne sont généralement pas adaptées pour diminuer la température interne d’un équipement pour lequel l’espace disponible pour recevoir le système de refroidissement est restreint. L’invention concerne un système de refroidissement d’un ou de plusieurs composants situés dans un équipement caractérisé en ce qu’il comporte au moins les éléments suivants : • Un capot ayant une géométrie et des dimensions choisies selon au moins un composant à refroidir, ledit capot étant disposé sur ledit composant à refroidir, • Un drain positionné sur ledit capot, ledit drain comprenant un ou plusieurs emplacements permettant le passage de moyens de blocage lorsque le drain est en position finale, un premier côté du drain ayant une forme adaptée à assurer un contact quasi parfait avec au moins une paroi interne du châssis afin d’évacuer la chaleur dissipée par le composant et un deuxième côté ayant une forme adaptée à la forme d’un outil de positionnement.

Le deuxième côté du drain comporte, par exemple, un plan coupé adapté à la forme de cône d’un outil de positionnement.

Le matériau du châssis est de la Cire perdue AS7G06, le capot est en alliage aluminium-silicium-cuivre-fer Al SiCuFe et le drain est en cuivre Cw004A.

Le composant à refroidir est un composant électronique, tel qu’une diode ou un transistor. Le capot jouera, par exemple, le rôle de blindage CEM. L’invention concerne aussi un procédé pour la mise en place d’un drain thermique dans un système de refroidissement présentant les caractéristiques précitées. Le procédé est caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes : a) positionner un capot sur un composant à refroidir, b) positionner un drain thermique sur le capot, c) déplacer le drain selon un premier mouvement transversal afin que l’un de ses côtés soit plaqué sur une des parois internes du châssis, assurant ainsi une évacuation de la chaleur dissipée par le ou les composants à refroidir, d) fixer le drain dans sa position finale.

On positionne le drain thermique en le déplaçant vers la paroi interne du châssis au moyen d’un dispositif conique.

On choisit le type de matériau du drain pour évacuer la chaleur du ou des composants soumis à des conditions de fonctionnement dans une gamme de température variant de -40°C à 105°C. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d’exemples de réalisation, donnés à titre illustratif, annexée des figures qui représentent : • Figure 1, une vue en coupe d’un équipement comprenant le système de refroidissement positionné, • Figure 2, une vue de dessus montrant le drain et un outil permettant son positionnement, • Figure 3, le drain dans sa position finale, et • Figure 4, un exemple montrant la mise en place du drain au moyen d’un outil de forme conique.

La description qui suit est donnée à titre illustratif et nullement limitatif en faisant référence à un seul composant à refroidir dans un équipement afin de bien faire comprendre le principe mis en œuvre par l’invention. Les explications peuvent aussi être utilisées pour refroidir plusieurs composants présents dans un équipement, le nombre et les caractéristiques des drains seront alors choisis en conséquence.

La figure 1 décrit un exemple d’équipement pourvu d’un système de refroidissement selon l’invention. L’équipement comprend un châssis 1 comprenant un fond 10 sur lequel sont disposés un ou plusieurs composants 2, une paroi interne 11, un capot 3 venant se positionner sur un composant à refroidir 2. Le capot 3 possède une partie supérieure 31 et une partie inférieure 32, plusieurs bords 33, ainsi que des trous 34 permettant la fixation du drain au moyen de vis, par exemple. Le drain 4 selon l’invention vient se positionner sur le capot. Le drain 4 est composé d’une face supérieure 41, d’une face inférieure 42, de plusieurs orifices 43 permettant le passage de vis de maintien une fois que le drain est positionné en place pour refroidir un composant 2, d’une première partie ou premier côté 44 qui vient s’appuyer sur une paroi interne du châssis et d’une deuxième partie 45 ou deuxième côté opposé au premier côté sur lequel vient se positionner un outil pour la mise en place du drain. Cette mise en appui permet une évacuation de la chaleur dégagée par le composant sans nécessiter l’utilisation d’une pâte thermique dans les conditions normales de fonctionnement du système.

La géométrie et les dimensions du drain sont notamment choisies en fonction de la taille et de la géométrie du composant à refroidir, le drain venant en vis-à-vis du composant à refroidir. La géométrie pourra aussi être adaptée à la place disponible dans l’équipement.

Le drain 4 est composé d’un matériau permettant l’évacuation de la chaleur vers l’extérieur de l’équipement, par la paroi du châssis. Le matériau est aussi choisi pour permettre l’obtention d’un état de surface tel que, le drain une fois positionné soit plaqué sur la paroi interne du châssis, de façon à assurer un contact quasi parfait avec la paroi interne afin de dissiper au maximum la chaleur émise par le composant 2 vers l’extérieur de l’équipement.

La conductivité thermique et le matériau du drain seront notamment choisis en fonction du matériau constituant le châssis afin d’optimiser la conduction thermique entre ces deux éléments. Les procédés de réalisation du châssis, du capot et du drain seront aussi pris en compte dans le choix du triplet (matériau du châssis, matériau du capot, matériau du drain).

Le capot 3 peut jouer un rôle de blindage CEM et il est fabriqué dans un matériau présentant de telles propriétés.

Le tableau ci-dessous regroupe plusieurs exemples possibles pour le matériau et la conductivité thermique pour le châssis, le capot et le drain :

De préférence, pour la réalisation du système de refroidissement, le châssis sera en Cire perdue AS7G06, le capot en alliage aluminium-silicium-cuivre-fer Al SiCuFe et le drain en cuivre Cw004A.

Dans l’exemple donné à la figure 1, la partie 45 présente un pan coupé 45a correspondant à la paroi 51 d’un outil conique (figure 4) qui va être utilisé pour la mise en place du drain selon l’invention.

La figure 2 représente une vue de dessus de l’équipement avec le drain 4 positionné sur le capot 3 au moyen d’un outil de réglage 5.

La figure 3 schématise une vue de dessus de l’équipement avec le drain 4 en position finale sur le capot et maintenu en place par des vis de maintien 6. L’espace entre la première paroi ou côté du drain qui vient s’appuyer sur la paroi interne du châssis est quasi-nul.

La figure 4 illustre les étapes pour la mise en place du drain selon l’invention avant l’insertion des moyens de fixation.

Le drain 4 est positionné sur le capot 3 disposé au-dessus du composant dont la chaleur est à évacuer. Les orifices 43 du drain sont décalés par rapport aux orifices 34 du capot 3. L’outil de réglage 5 est déplacé de manière verticale provoquant un déplacement en translation T1 du drain 4. A l’aide d’une ou de plusieurs vis on serre la pièce de réglage en direction du capot ce qui donne un mouvement de translation horizontale T2 au drain lui permettant de le plaquer sur une paroi interne du châssis. Le côté du drain 44 est alors plaqué sur la paroi interne 11 du châssis 1 de façon à optimiser le transfert de chaleur vers l’extérieur de l’équipement. Une fois le drain en place, on le verrouille en position avec deux vis ou des moyens de fixation équivalents, 6. L’espace « e » entre le côté du drain et la paroi interne du châssis est quasi-nul, assurant ainsi un transfert optimal de la chaleur.

La chaleur émise par le composant est ainsi transmise du composant au capot, puis du capot au drain et du drain vers le châssis qui la transmet vers l’extérieur de l’équipement. L’outil de réglage et de mise en position finale du drain a une forme permettant une mise en place précise du drain.

Sans sortir du cadre de l’invention, on pourra ajouter au niveau de la paroi interne du châssis positionné à côté du drain un produit optimisant le transfert thermique pour palier à des défauts dans l’état de surface du côté du drain venant au contact de la paroi interne ou ceux de la paroi interne.

Le système selon l’invention est simple et peu coûteux. Il offre une manipulation simple et rapide qui simplifie l’assemblage. L’empilement des éléments capot plus drain amène directement la chaleur émise par un composant électronique sur le châssis qui est en contact avec l’extérieur. Le système tient dans un volume réduit, le drain se trouvant noyé dans le capot ce qui permet une intégration optimale.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS

   1 - Système de refroidissement d’un ou de plusieurs composants situés dans un équipement caractérisé en ce qu’il comporte au moins ies éléments suivants : • Un capot (3) ayant une géométrie et des dimensions choisies selon au moins un composant (2) à refroidir, ledit capot étant disposé sur ledit composant à refroidir, • Un drain (4) positionné sur ledit capot (3), ledit drain (4) comprenant un ou plusieurs emplacements (43) permettant le passage de moyens de blocage lorsque le drain est en position finale, un premier côté (44) du drain (4) ayant une forme adaptée à assurer un contact quasi parfait avec au moins une paroi interne (11) du châssis (1) afin d’évacuer la chaleur dissipée par le composant (2) et un deuxième côté (45) ayant un plan coupé (45a) adapté à la forme de cône d’un outil de positionnement (5).
2. 2 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le châssis est en Cire perdue AS7G06, le capot en alliage aluminium-silicium-cuivre-fer Al SiCuFe et le drain en cuivre Cw004A.
3. 3 - Système selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le composant est un composant électronique, tel qu’une diode ou un transistor.
4. 4 - Système selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le capot (3) est un capot de blindage CEM.
5. 5 - Procédé pour la mise en place d’un drain thermique dans un système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes : a) positionner un capot (3) sur au moins un composant à refroidir (2), b) positionner un drain thermique (4) sur ie capot (3), c) déplacer le drain vers la paroi interne du châssis au moyen d’un dispositif conique et selon un premier mouvement transversal afin que l’un de ses côtés soit plaqué sur une des parois internes du châssis, d) fixer le drain dans sa position finale,
6. 6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l’on choisit le type de matériau du drain afin d’évacuer la chaleur du ou des composants dans une gamme de température variant de -4Q°C à 105°C.