FR3107157A1 - Ensemble de régulation thermique d’au moins un composant électronique - Google Patents

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Abstract

Dispositif de régulation thermique d’au moins un composant électronique L’invention concerne un ensemble (1) de régulation thermique d’au moins un composant électronique (3) à réguler thermiquement, ledit ensemble (1) comportant un dispositif de refroidissement (11) à travers lequel est destiné à s’écouler un fluide de refroidissement et une interface thermique (15) comportant au moins un matériau conducteur thermique (17) déformable élastiquement, configurée pour être interposée entre le dispositif de refroidissement (11) et ledit au moins un composant électronique (3). Selon l’invention, l’interface thermique (15) comporte au moins un élément chauffant (19) électrique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Ensemble de régulation thermique d’au moins un composant électronique
La présente invention se situe dans le domaine des dispositifs de régulation thermique des composants électroniques, en particulier susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement. En particulier, l’invention concerne la régulation thermique de tels composants qui ont besoin d’être maintenus dans une gamme de température donnée pour obtenir un fonctionnement et une durée de vie optimale. Il peut s’agir de cellules de stockage d’énergie électrique, circuits intégrés, serveurs, centres de données, ou autres, qui nécessitent une régulation thermique afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement.
L’invention peut s’appliquer en particulier dans les véhicules automobiles, notamment pour la régulation thermique des batteries dans les véhicules électriques ou hybrides.
Les centres de données à travers le monde représentent actuellement 10% de la consommation mondial en électricité. La croissance de la technologie de stockage et de transmission d’informations par “chaînes de blocs” (Blockchain en anglais) et l’avènement de la technologie de télécommunication 5G, font que ce pourcentage pourrait augmenter drastiquement dans les prochaines années. La moitié au moins de cette consommation provient de systèmes de refroidissement de ces centres de données. Actuellement la majorité des centres de données sont refroidies par air en refroidissant l’air ambiant des salles de stockage par des dispositifs de climatisation. La température de fonctionnement optimale pour les centres de données est comprise entre 5°C et 40°C, plus particulièrement autour de 27°C.
Dans le domaine automobile par exemple, il est connu de mettre en œuvre des batteries électriques sous forme de modules électroniques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement Chaque module peut comporter une pluralité de cellules électroniques, susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement, reçues dans un boîtier. Les cellules de stockage d’énergie à haute densité telles que les batteries Li-ion ou Li-polymère ont idéalement besoin de fonctionner dans une plage de température entre 20°C et 40°C, et une température trop basse impacte leur autonomie alors qu’une température trop haute impacte leur durée de vie. De façon connue, les différentes cellules de batterie d’un système de stockage électrique peuvent notamment être refroidies au moyen d’une plaque froide à l’intérieur de laquelle est destiné à circuler un fluide de refroidissement, la plaque étant en contact avec les cellules de batterie à refroidir, ce qui permet d’évacuer la chaleur issue des batteries.
À l’inverse, en cas de température environnante trop froide, il convient de réchauffer les composants électroniques afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement optimale.
Ces contraintes de température imposent de prévoir un dispositif de chauffage fournissant de la chaleur et un dispositif de refroidissement permettant de capter la chaleur pour répondre aux différentes conditions.
Cependant, afin d’optimiser les performances thermique notamment de refroidissement, il est difficilement concevable de simplement interposer un dispositif de chauffage entre les composants électroniques et le dispositif de refroidissement comportant tel que la plaque froide à l’intérieur de laquelle est destiné à circuler le fluide de refroidissement.
De même, agencer le dispositif de refroidissement entre un dispositif de chauffage et les composants électroniques à réguler thermiquement rendrait le chauffage compliqué. En effet, dans une telle configuration, le dispositif de chauffage devrait chauffer le dispositif de refroidissement tel que la plaque froide et le fluide de refroidissement qu’elle contient, avant même de pouvoir affecter les composants électroniques à réchauffés.
L’invention a pour objectif d’offrir une alternative de gestion thermique d’au moins un composant électronique en palliant au moins partiellement les problèmes susmentionnés de l’état de la technique, de façon à optimiser la durée de vie ainsi que la performance d’un tel composant électronique. L’invention peut avantageusement être utilisée dans le domaine automobile, par exemple, pour réguler thermiquement un élément d’électronique de puissance ou un élément de stockage d’énergie électrique, ou encore dans le domaine des centres de données pour réguler des serveurs et autres composants électroniques.
À cet effet, l’invention a pour objet un ensemble de régulation thermique d’au moins un composant électronique à réguler thermiquement, ledit ensemble comportant :
  1. un dispositif de refroidissement à travers lequel est destiné à s’écouler un fluide de refroidissement et
  2. une interface thermique comportant au moins un matériau conducteur thermique déformable élastiquement, configurée pour être interposée entre le dispositif de refroidissement et ledit au moins un composant électronique.
Selon l’invention, l’interface thermique comporte au moins un élément chauffant électrique.
L’interface thermique peut être agencée directement en contact avec ledit au moins composant électronique à réguler thermiquement ou avec un support de ce dernier.
Lorsque l’élément chauffant électrique est alimenté, l’interface thermique assure une fonction de chauffage du composant électronique à réguler thermiquement. L’élément chauffant électrique forme alors une source de chaleur, et le matériau conducteur thermique optimise le chauffage.
Au contraire, en l’absence d’alimentation électrique de l’élément chauffant électrique, l’interface thermique améliore la conductivité et le transfert thermique entre le dispositif de refroidissement et le composant électronique à réguler thermiquement.
Par ailleurs, le dispositif de refroidissement forme un support de l’interface thermique et est destiné à maintenir cette interface thermique contre une surface du composant électronique à réguler thermiquement. L’interface thermique vient ainsi combler les microporosités. Lorsque l’ensemble de régulation thermique est monté avec le ou les composants électroniques à réguler thermiquement, par exemple dans un module de batterie pour véhicule automobile, aucune précontrainte de l’interface thermique n’est nécessaire, ni aucun support additionnel spécifique pour l’interface thermique.
L’ensemble de régulation thermique peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes décrites ci-après, prises séparément ou en combinaison.
Selon un mode de réalisation, l’interface thermique comporte au moins deux couches de matériau conducteur thermique.
Ledit au moins un élément chauffant électrique peut être interposé entre les deux couches de matériau conducteur thermique.
Les deux couches de matériau conducteur thermique sont avantageusement identiques.
Ledit au moins un élément chauffant électrique peut être collé entre les deux couches de matériau conducteur thermique.
Ledit au moins un élément chauffant électrique interposé peut être de même longueur et/ou largeur que les couches de matériau conducteur thermique.
Selon un autre mode de réalisation, ledit au moins un élément chauffant électrique est noyé à l’intérieur du matériau conducteur thermique.
Ledit au moins un élément chauffant électrique peut être disposé de façon centrale dans le matériau conducteur thermique ou entre les deux couches de matériau conducteur thermique.
Selon une option, ledit au moins un élément chauffant électrique comporte une encre résistive ou une peinture résistive. L’encre ou la peinture résistive peut être chargée en carbone. L’encre ou la peinture résistive permet d’empêcher la création d’une pellicule d’air entre le matériau conducteur thermique et l’élément chauffant électrique.
Selon une autre option, ledit au moins un élément chauffant électrique comporte au moins un fil chauffant ou un circuit chauffant ou un tissu chauffant.
Ledit au moins un élément chauffant électrique comporte deux électrodes configurées pour être connectées à une source d’alimentation électrique.
De préférence, le matériau conducteur thermique comprend un polymère, notamment chargé en particules métalliques ou de céramique.
Ledit ensemble peut être configuré pour réguler thermiquement un module comprenant une pluralité de composants électroniques.
L’interface thermique peut comporter une pluralité d’éléments électriques chauffants respectivement configurés pour être agencés en contact thermique avec un composant électronique associé. En particulier, l’interface thermique comporte au moins un élément chauffant électrique par composant électronique, configuré pour être agencé en contact thermique avec un composant électronique associé.
Chaque élément chauffant électrique peut être de même longueur et/ou largeur qu’un composant électronique associé à réguler thermiquement.
En alternative, l’interface thermique comporte au moins un élément chauffant électrique configuré pour être agencé en contact thermique avec plusieurs composants électroniques.
L’invention concerne par ailleurs un module de batterie pour véhicule automobile, comportant une pluralité de cellules de stockage d’énergie, et un ensemble de régulation thermique tel que défini précédemment, configuré pour réguler thermiquement les cellules de stockage d’énergie.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
montre de façon schématique un module de batteries pour véhicule automobile intégrant un ensemble de régulation thermique selon l’invention comprenant un dispositif de refroidissement et une interface thermique.
est une vue en perspective d’une interface thermique selon un premier mode de réalisation comprenant un élément chauffant électrique noyé dans un matériau conducteur thermique déformable élastiquement.
est une vue éclatée d’une interface thermique selon un deuxième mode de réalisation comprenant un élément chauffant électrique entre deux couches de matériau conducteur thermique déformable élastiquement.
montre partiellement un exemple de réalisation d’un fil chauffant de l’élément chauffant électrique.
montre partiellement un exemple de réalisation d’un circuit chauffant de l’élément chauffant électrique.
montre partiellement un exemple de réalisation d’un tissu chauffant de l’élément chauffant électrique.
Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
Dans la description, on peut indexer certains éléments, comme par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.
En référence à la figure 1, l’invention concerne un ensemble 1 de régulation thermique d’au moins un composant électronique 3. Il peut s’agir par exemple d’un ensemble 1 de régulation thermique permettant la régulation thermique d’au moins un composant électronique 3 dans le véhicule automobile. L’ensemble 1 de régulation thermique peut être configuré pour réguler thermiquement un module comprenant une pluralité de composants électroniques.
De façon non exhaustive, le composant électronique 3 à réguler thermiquement peut être une cellule de stockage d’énergie d’un module de batterie 5 pour un véhicule électrique ou hybride comportant une pluralité de cellules de stockage d’énergie. L’ensemble 1 de régulation thermique peut être agencé dans un boîtier d’un tel module de batterie 5.
La régulation thermique concerne aussi bien le réchauffement ou le refroidissement du composant électronique 3.
L’ensemble 1 de régulation thermique est destiné à être agencé en contact thermique avec le composant 3, par exemple lorsque l’ensemble 1 est monté dans le véhicule automobile. L’ensemble 1 de régulation thermique est avantageusement destiné à être agencé en contact direct avec une surface du composant électronique 3 ou d’un support du composant électronique 3. La représentation de la figure 1 montrant l’ensemble 1 de régulation thermique en-dessous du composant électronique 3 n’est pas restrictive. L’ensemble 1 de régulation thermique peut par exemple être disposé au-dessus du composant électronique 3, voire sur un côté de celui-ci.
L’ensemble 1 de régulation thermique est configuré pour assurer une fonction de refroidissement ou de chauffage du composant électronique 3 selon les besoins.
L’ensemble 1 de régulation thermique comporte un dispositif de refroidissement 11, tel qu’une plaque de refroidissement. Un fluide de refroidissement est destiné à s’écouler à travers le dispositif de refroidissement 11, comme schématisé par les flèches 13 sur la figure 1. Pour ce faire, le dispositif de refroidissement 11 forme au moins en partie un réservoir du fluide de refroidissement.
L’ensemble 1 de régulation thermique comporte également une interface thermique 15. L’interface thermique 15 est destinée à être agencée en contact thermique avec le ou les composants électroniques 3.
Lorsque l’ensemble 1 de régulation thermique est monté avec le ou les composants électroniques 3 à réguler thermiquement, l’interface thermique 15 est interposée entre le dispositif de refroidissement 11 et le ou les composants électroniques 3. Le dispositif de refroidissement 11 forme un support de l’interface thermique 15. L’interface thermique 15 est ainsi maintenue contre une surface du ou de plusieurs composants électroniques 3 à réguler thermiquement. Aucune précontrainte de l’interface thermique 15 n’est nécessaire, ni aucun autre support additionnel spécifique pour l’interface thermique 15.
L’interface thermique 15 présente une première face 151 destinée à être agencée en contact thermique avec le ou plusieurs composants électroniques 3 à réguler thermiquement et une deuxième face 153 destinée à reposer sur le dispositif de refroidissement 11.
L’ensemble 1 de régulation thermique peut comprendre une seule interface thermique 15 ou plusieurs interfaces thermiques 15.
Les figures 2 et 3 montrent deux modes de réalisation de l’interface thermique 15.
De façon générale, l’interface thermique 15 comporte au moins un matériau conducteur thermique 17 déformable élastiquement. Un tel matériau comprend par exemple un polymère. Le matériau conducteur thermique 17 est avantageusement chargé de particules métalliques ou céramiques, de sorte à augmenter la conductivité thermique. De telles particules sont par exemple «noyées» dans le polymère.
Le matériau conducteur thermique 17 est avantageusement également isolant électriquement.
Lorsque l’interface thermique 15 est plaquée entre le ou les composants électroniques 3 et le dispositif de refroidissement 11, la déformation du matériau conducteur thermique 17 permet de venir combler les microporosités. Cela garantit le contact thermique avec les composants électroniques 3 et permet d’améliorer la conductivité et le transfert thermique entre le dispositif de refroidissement 1 et ces composants électroniques 3.
Selon l’invention, l’interface thermique 15 comporte au moins un élément chauffant 19. Il s’agit plus précisément d’un élément chauffant 19 électrique. Il est destiné à être alimenté par une tension électrique, lorsqu’une fonction de chauffage est désirée.
Selon les modes de réalisation illustrés, l’élément chauffant 19 électrique comporte au moins une couche 21 d’une structure chauffante ou matériau chauffant. La structure chauffante est donc directement intégrée dans l’interface thermique 15.
L’élément chauffant 19 électrique est configuré pour être connecté à au moins une source d’alimentation électrique. À cet effet, l’élément chauffant 19 électrique comprend deux électrodes 23. Les électrodes 23 sont de part et d’autre de la couche 21 de structure chauffante. Les deux électrodes 23 sont configurées pour être connectées à la source d’alimentation électrique. Les électrodes 23 peuvent comprendre du cuivre, du carbone, du graphène, du graphite ou tout polymère conducteur. L’alimentation électrique peut être activée seulement lorsque le ou les composants électroniques 3 doivent être réchauffés.
Lorsque l’élément chauffant 19 électrique est alimenté, l’interface thermique 15 assure une fonction de chauffage du ou des composants électronique 3 à réguler thermiquement. Autrement dit, l’interface thermique 15 assure un rôle actif dans la régulation thermique des composants électroniques 3. L’élément chauffant 19 électrique forme une source de chaleur, et le matériau conducteur thermique 17 optimise le transfert thermique.
Au contraire, en l’absence d’alimentation électrique de l’élément chauffant 19 électrique, l’interface thermique 15 joue un rôle passif. L’élément chauffant 19 électrique ne forme pas de source de chaleur et n’empêche donc pas un refroidissement des composants électroniques 3 si le dispositif de refroidissement 11 est activé. L’interface thermique 15 permet d’améliorer la conductivité et le transfert thermique entre le dispositif de refroidissement 11 et le ou les composants électroniques 3 à réguler thermiquement.
L’interface thermique 15 peut comprendre autant d’éléments chauffants électriques 19 que nécessaire.
Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 2, l’élément chauffant 19 électrique est noyé à l’intérieur du matériau conducteur thermique 17.
Lorsqu’un seul élément chauffant 19 électrique, il peut par exemple être disposé de façon centrale. Il peut s’étendre sur toute la largeur ou toute la longueur du matériau conducteur thermique 17.
Selon une variante de réalisation non illustrée, plusieurs éléments chauffants électriques 19 peuvent être noyés à l’intérieur du matériau conducteur thermique 17. Une telle configuration peut être prévue par exemple, lorsque l’ensemble de régulation thermique est destiné à réguler thermiquement une pluralité de composants électroniques. En particulier, l’interface thermique 15 peut comporter au moins un élément chauffant électrique 19 par composant électronique. Les éléments chauffants électriques 19 sont disposés à l’intérieur du matériau conducteur thermique 17 de sorte qu’à l’assemblage avec les composants électroniques, les différents éléments électriques chauffants 19 se trouvent respectivement agencés en contact thermique avec un composant électronique associé. Chaque élément chauffant 19 électrique peut être de même longueur et/ou largeur que le composant électronique associé.
En alternative, l’interface thermique 15 peut comporter un élément chauffant 19 électrique noyé dans le matériau conducteur thermique 17, et disposé de façon être agencé en contact thermique avec plusieurs composants électroniques, voire l’ensemble des composants électroniques.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 3, l’interface thermique 15 est formée par un empilement. Cet empilement comporte au moins deux couches de matériau conducteur thermique 17 et l’élément chauffant 19 électrique. L’élément chauffant 19 électrique est agencé entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17.
Les deux couches de matériau conducteur thermique 17 peuvent être de même longueur et/ou de même largeur et/ou de même épaisseur. En outre, elles peuvent être réalisées dans un même matériau. De préférence, les deux couches de matériau conducteur thermique 17 sont identiques.
Une première couche de matériau conducteur thermique 17 peut former un support de l’élément chauffant 19 électrique. Une deuxième couche de matériau conducteur thermique 17 peut être assemblée sur l’élément chauffant 19 électrique pour terminer l’empilement.
Un seul élément chauffant 19 électrique peut être agencé entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17. Cet élément chauffant 19 électrique interposé peut être de même longueur et/ou largeur que les deux couches de matériau conducteur thermique 17.
Un ou plusieurs éléments électriques chauffants 19 peuvent être agencés entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17. Les éléments électriques chauffants 19 interposés peuvent être soit de même longueur soit de même largeur que les deux couches de matériau conducteur thermique 17, plus précisément avant déformation du matériau conducteur thermique 17.
Une ou plusieurs couches adhésives peuvent être prévues de façon à coller l’élément ou les éléments électriques chauffants 19 entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17.
Selon une variante non illustrée, l’interface thermique 15 peut comporter une pluralité d’éléments électriques 19 chauffants disposés entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17. Une telle configuration peut être prévue lorsque l’ensemble de régulation thermique est configuré pour réguler thermiquement une pluralité de composants électroniques. L’interface thermique 15 comporte par exemple au moins un élément chauffant 19 électrique par composant électronique. Les différents éléments chauffants 19 électriques sont disposés entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17, de façon à être chacun en contact thermique avec un composant électronique associé, lorsque l’ensemble de régulation thermique est assemblé avec les composants électroniques. Chaque élément chauffant électrique peut être de même longueur et/ou largeur que le composant électronique associé.
En alternative, l’interface thermique 15 peut comporter un élément chauffant 19 électrique disposé entre les deux couches de matériau conducteur thermique 17, de façon être en agencé contact thermique avec plusieurs composants électroniques, voire l’ensemble des composants électroniques.
Par ailleurs, selon l’un ou l’autre des modes de réalisation, l’élément chauffant 19 électrique peut comporter une encre résistive ou une peinture résistive. L’encre ou la peinture résistive peut être chargée en carbone. La couche 21 de structure chauffante est dans ce cas un film support sur lequel est déposé l’encre ou la peinture résistive. L’encre ou la peinture résistive permet d’empêcher la création d’une pellicule d’air entre le matériau conducteur thermique 17 et l’élément chauffant électrique 19.
De façon alternative, l’élément chauffant électrique 19 peut comprendre une structure chauffante 21 sous la forme d’un fil chauffant (figure 4a), ou d’un circuit chauffant (figure 4b) ou d’un tissu chauffant (figure 4c).
Ainsi, l’interface thermique 15 peut être chauffée ou refroidie, selon que l’alimentation de l’élément chauffant 19 électrique est activée ou que le dispositif de refroidissement 11 est activé. En fonction de sa température, l’interface thermique 15 cède ou absorbe de la chaleur du ou des composants 3.
Dans le cas particulier où l’ensemble de régulation thermique 1 est destiné à réguler un module de batterie 5 pour un véhicule électrique ou hybride par exemple, l’intégration de l’élément chauffant 19 électrique dans l’interface thermique 15 en complément du dispositif de refroidissement 11, permet de chauffer les cellules de stockage d’énergie 3 en cas de basse température, ce qui n’est pas possible avec le dispositif de refroidissement seul. La température de la batterie est mieux régulée, ce qui permet d’améliorer la durée de vie de la batterie.

Claims (10)

  1. Ensemble (1) de régulation thermique d’au moins un composant électronique (3) à réguler thermiquement, ledit ensemble (1) comportant:
    • un dispositif de refroidissement (11) à travers lequel est destiné à s’écouler un fluide de refroidissement et
    • une interface thermique (15) comportant au moins un matériau conducteur thermique (17) déformable élastiquement, configurée pour être interposée entre le dispositif de refroidissement (11) et ledit au moins un composant électronique (3),
      caractérisé en ce quel’interface thermique (15) comporte au moins un élément chauffant (19) électrique.
  2. Ensemble (1) selonla revendication 1, dans lequel l’interface thermique (15) comporte au moins deux couches de matériau conducteur thermique (17), et dans lequel ledit au moins un élément chauffant (19) électrique est interposé entre les deux couches de matériau conducteur thermique (17).
  3. Ensemble (1) selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un élément chauffant (19) électrique est noyé à l’intérieur du matériau conducteur thermique (17).
  4. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit au moins un élément chauffant (19) électrique comporte une encre résistive ou une peinture résistive.
  5. Ensemble (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’encre ou la peinture résistive est chargée en carbone.
  6. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit au moins un élément chauffant (19) électrique comporte au moins un fil chauffant ou un circuit chauffant ou un tissu chauffant.
  7. Ensemble (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un élément chauffant (19) électrique comporte deux électrodes (23) configurées pour être connectées à une source d’alimentation électrique.
  8. Ensemble (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau conducteur thermique (17) comprend un polymère.
  9. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 8, configuré pour réguler thermiquement un module (5) comprenant une pluralité de composants électroniques (3), et dans lequel l’interface thermique (15) comporte une pluralité d’éléments électriques (19) chauffants respectivement configurés pour être agencés en contact thermique avec un composant électronique (3) associé.
  10. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 8, configuré pour réguler thermiquement un module (5) comprenant une pluralité de composants électroniques (3), et dans lequel l’interface thermique (15) comporte au moins un élément chauffant (19) électrique configuré pour être agencé en contact thermique avec plusieurs composants électroniques (3).
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EP2343769A1 (fr) * 2009-12-18 2011-07-13 Valeo Klimasysteme GmbH Appareil de chauffage et de refroidissement d'une batterie et sous-ensemble de batteries de traction de véhicule
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