FR3113439A1 - Dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau et procédé de fabrication d’un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comporte : - un corps principal (302) comprenant un connecteur d’entrée (304) et un connecteur de sortie (306) d’un liquide de refroidissement, conçus pour être respectivement connectés à une conduite d’entrée et à une conduite de sortie du liquide de refroidissement, et un chemin d’écoulement (308) du liquide de refroidissement s’étendant sur une face du corps principal (302) entre les connecteurs d’entrée (304) et de sortie (306) ; - un capot supérieur (321) conçu pour compléter le chemin d’écoulement (308) afin que le chemin d’écoulement (308) et le capot supérieur (321) délimitent ensemble une boîte à eau fermée en forme de canal reliant le connecteur d’entrée (304) au connecteur de sortie (306) ; et - deux modules électroniques de puissance (110, 112) solidaires du capot supérieur (321) et comportant des composants exothermiques (208) agencés pour être refroidis par le liquide de refroidissement au travers du capot supérieur (321). Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
La présente invention concerne un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau et un procédé de fabrication d’un tel dispositif.
Le brevet japonais publié sous le numéro JP 5 698 310 B2 décrit un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau, conçu pour refroidir deux modules électroniques de puissance. Ce dispositif comporte un corps principal comprenant un connecteur d’entrée et un connecteur de sortie d’un liquide de refroidissement. Le corps principal comporte en outre un chemin d’écoulement du liquide de refroidissement s’étendant entre les connecteurs d’entrée et de sortie. Le chemin d’écoulement présente deux parties, dites supérieures, s’étendant sur une face supérieure du corps principal et réalisées par quatre renfoncements et une partie, dite inférieure, s’étendant sur une face inférieure du corps principal et réalisée par un unique renfoncement. La partie inférieure est reliée aux parties supérieures par des ouvertures ménagées au travers du corps principal. Ce dispositif comporte ainsi un capot inférieur de fermeture de la partie inférieure du chemin d’écoulement (et plus précisément du renfoncement qui la forme) et les deux modules électroniques de puissance sont conçus pour respectivement recouvrir les parties supérieures du chemin d’écoulement (et plus précisément les renfoncements qui les forment). L’ensemble du chemin d’écoulement, du capot inférieur et des modules électroniques de puissance forme alors un canal fermé d’écoulement du liquide de refroidissement reliant le connecteur d’entré au connecteur de sortie.
Un inconvénient de ce dispositif connu est qu’il est compliqué de réaliser un corps principal avec des renfoncements à la fois sur sa face supérieure et sur sa face inférieure. Par exemple, l’obtention du corps principal par moulage nécessiterait un moule complexe et donc coûteux.
En outre, ce dispositif connu nécessite une bonne étanchéité du corps principal avec trois éléments : le capot inférieur et les deux modules électroniques de puissances. Or, il est difficile de s’assurer d’une étanchéité avec un nombre si élevé d’éléments.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau, comportant :
- un corps principal comprenant :
- un connecteur d’entrée et un connecteur de sortie d’un liquide de refroidissement, conçus pour être respectivement connectés à une conduite d’entrée et à une conduite de sortie du liquide de refroidissement, et
- un chemin d’écoulement du liquide de refroidissement s’étendant sur une face du corps principal entre les connecteurs d’entrée et de sortie ; et
- un capot supérieur conçu pour compléter le chemin d’écoulement afin que le chemin d’écoulement et le capot supérieur délimitent ensemble une boîte à eau fermée en forme de canal reliant le connecteur d’entrée au connecteur de sortie ; et
- deux modules électroniques de puissance solidaires du capot supérieur et comportant des composants exothermiques agencés pour être refroidis par le liquide de refroidissement au travers du capot supérieur.
Ainsi, un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau permet de refroidir deux modules électroniques de puissance avec un corps principal simple à fabriquer et avec un seul élément à rapporter dessus de manière étanche.
De façon optionnelle, chaque module électronique de puissance comporte une plaque de base rapportée sur le capot supérieur.
De façon optionnelle également, le capot supérieur forme une plaque de base de chacun des modules électroniques de puissance.
De façon optionnelle également, le corps principal en réalisé en une seul pièce.
De façon optionnelle également, le chemin d’écoulement est formé au moins en partie par des renfoncements ménagés dans une face supérieure du corps principal.
De façon optionnelle également, le capot supérieur comporte une face inférieure dans laquelle est ménagé un renfoncement délimité par des bords conçu pour venir au contact du corps principal, autour du chemin d’écoulement.
De façon optionnelle également, le capot supérieur comporte au moins un plot, plein ou bien taraudé, conçu pour venir au contact du corps principal.
De façon optionnelle également, le canal d’écoulement est en forme de U.
Il est également proposé un procédé de fabrication d’un dispositif selon l’invention, comportant :
- la solidarisation des modules électroniques de puissance au capot supérieur ; et
- la combinaison du chemin d’écoulement avec le capot supérieur avec les modules électroniques de puissance solidarisés.
De façon optionnelle, le procédé comporte en outre, au préalable, le moulage du corps principal en une seule pièce.
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
En référence à la figure 1, un exemple 100 de système électrique mettant en œuvre l’invention va à présent être décrit. Le système électrique 100 est par exemple destiné à être implémenté dans un véhicule automobile (non représenté).
Le système électrique 100 comporte tout d’abord une source de tension continue 102 comportant une borne positive et une borne négative, cette dernière étant généralement connectée à une masse électrique, telle qu’un châssis du véhicule automobile. La source de tension continue 102 est conçue pour fournir une tension d’entrée notée E.
Le système électrique 100 comporte en outre une machine électrique tournante 104 comportant des phases statoriques. Par exemple, la machine électrique tournante 104 fait partie d’un alterno-démarreur couplé à un moteur thermique (non représenté) du véhicule automobile. La machine électrique tournante 104 est ainsi conçue pour fonctionner alternativement en mode moteur dans lequel elle assiste le moteur thermique et en mode alternateur dans lequel elle transforme une partie de l’énergie mécanique générée par le moteur thermique en énergie électrique pour recharger la source de tension continue 102.
Le moteur thermique pourrait être omis. Dans ce cas, la machine électrique tournante 104 pourrait être de forte puissance et capable de servir d’alternateur. Toujours dans le cas d’absence de moteur thermique, la machine électrique tournante 104 pourrait alternativement servir uniquement pour la motricité électrique du véhicule. Dans ce cas, le système électrique 100 pourrait comporter un alternateur distinct de la machine électrique tournante 104. Ainsi, la motricité électrique et la récupération de puissance seraient découplées l’une de l’autre. Alternativement, la machine électrique pourrait être utilisée à la fois pour entrainer les roues du véhicule et transformer l’énergie mécanique générée lors du freinage du véhicule en énergie électrique.
Le système électrique 100 comporte en outre deux convertisseurs de tension 106, 108 connectés chacun, d’une part, aux bornes de la source de tension continue 102 et, d’autre part, à la machine électrique tournante 104.
Chaque convertisseur de tension 106, 108 comporte des bras de commutation respectivement associés aux phases statoriques. Chaque bras de commutation comporte un interrupteur de côté haut connecté à la borne positive de la source de tension continue 102 et un interrupteur de côté bas connecté à la borne négative de la source de tension continue 102. L’interrupteur de côté haut et l’interrupteur de côté bas sont en outre connectés l’un à l’autre en un point milieu connecté à la phase statorique associée.
Chaque bras de commutation est destiné à être commandé pour commuter entre deux configurations. Dans la première, dite configuration haute, l’interrupteur de côté haut est fermé et l’interrupteur de côté bas est ouvert de sorte que la tension d’entrée E est appliquée à la phase statorique associée. Dans la deuxième, dite configuration basse, l’interrupteur de côté haut est ouvert et l’interrupteur de côté bas est fermé de sorte qu’une tension nulle est appliquée à la phase statorique associée.
Chaque convertisseur de tension 106, 108 est destiné à être commandé pour faire commuter chaque bras entre ces deux configurations. Dans l’exemple décrit, le convertisseur de tension 106 est commandé en onduleur de manière à fournir de l’énergie électrique à la machine électrique tournante 104 lorsqu’il est souhaité qu’elle fonctionne en mode moteur. Dans ce cas, l’onduleur 108 n’est pas utilisé. En outre, le convertisseur de tension 108 est commandé en redresseur pour fournir de l’énergie électrique à la source de tension continue 102 (par exemple, pour la recharger) lorsqu’il est souhaité que la machine électrique tournante 104 fonctionne en mode alternateur. Dans ce cas, l’onduleur 106 n’est pas utilisé.
L’utilisation de deux convertisseurs de tension est avantageux car la puissance électrique transférée n’est généralement pas la même dans un sens et dans l’autre. Il est ainsi possible de prévoir un convertisseur de tension adapté pour une forte puissance dans le sens de plus haute puissance électrique transférée et un convertisseur de tension adapté pour une faible puissance dans le sens de plus faible puissance électrique transférée.
Dans le cas où la motricité électrique et la récupération de puissance sont découplées l’une de l’autre, l’un des convertisseurs de tension pourrait être utilisé pour piloter la machine électrique tournante 104, tandis que l’autre convertisseur de tension pourrait être utilisé pour piloter l’alternateur.
Les deux convertisseurs de tension 106, 108 peuvent être utilisés ensemble pour piloter la machine électrique 104, soit dans un mode moteur pour par exemple entrainer le véhicule, soit dans un mode alternateur.
Les interrupteurs sont des interrupteurs semi-conducteurs comportant par exemple des transistors. Les interrupteurs sont par exemple des transistors à effet de champ à grille isolée (de l’anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » ou MOSFET) ou bien par exemple des transistors bipolaires à grille isolée (de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor » ou IGBT).
Les convertisseurs de tension 106, 108 sont respectivement intégrés dans deux modules électroniques de puissance 110, 112 refroidis par un dissipateur de chaleur 114.
En référence à la figure 2, dans l’exemple décrit, chaque module électronique de puissance 110, 112 comporte par exemple une plaque de base 202 sur laquelle un substrat 204 est fixé, par exemple par une couche de liaison 206 assurant une fixation mécanique ainsi qu’une haute conductivité thermique. Le substrat 204 est par exemple un substrat à cuivre directement lié (de l’anglais « Direct Bonded Copper » ou DBC), c’est-à-dire par exemple un substrat céramique flanqué de cuivre de part et d’autre. Des composants de puissance 208 exothermiques comportant les interrupteurs semi-conducteurs sont fixés sur le substrat 204, par exemple par une couche de liaison 210 assurant, comme la couche de liaison 206, une fixation mécanique ainsi qu’une haute conductivité thermique. Chaque module électronique de puissance 110, 112 comporte en outre un boîtier 212 isolant électrique entourant le substrat 204 et les composants de puissance 208, en laissant au moins une partie d’une face inférieure de la plaque de base 202 apparente. Le boîtier 212 comporte par exemple de la résine époxy, ou bien par une ceinture plastique remplie de gel isolant électrique.
Dans la suite de la description, les éléments du dispositif 100 seront décrits spatialement en référence à un repère orthogonal comportant une direction verticale V et deux directions horizontales, l’une longitudinale L et l’autre transversale T.
En référence aux figures 3 et 4, le dissipateur de chaleur 114 comporte tout d’abord un corps principal 302 comprenant un connecteur d’entrée 304 et un connecteur de sortie 306 d’un liquide de refroidissement. Ces connecteurs d’entrée 304 et de sortie 306 sont conçus pour être respectivement connectés à une conduite d’entrée et à une conduite de sortie du liquide de refroidissement (non représentées).
Le corps principal 302 comprend en outre un chemin 308 d’écoulement du liquide de refroidissement. De manière générale, le chemin d’écoulement 308 relie le connecteur d’entré 304 au connecteur de sortie 306 et s’étend uniquement sur une face supérieure du corps principal 302. Le chemin d’écoulement 308 est par exemple formé au moins en partie par un ou plusieurs renfoncements dans cette face supérieure et est dépourvu d’ouverture traversante verticale.
Plus précisément, dans l’exemple décrit, le corps principal 302 comporte une plaque 314 rectangulaire sensiblement horizontale présentant une face supérieure dans laquelle des renfoncements 316a-d sont ménagés, quatre dans l’exemple décrit, agencés en carré : deux paires de renfoncements se suivant dans la direction longitudinale L, et respectivement désignés proximal et distal, les renfoncements de chaque paire étant côté à côté dans la direction transversale T, et respectivement désignés droit et gauche.
Les connecteurs d’entrée 304 et de sortie 306 sont situés sur un même côté proximal de la plaque 314. Le connecteur d’entrée 304 débouche sur le renfoncement proximal droit 316a et le connecteur de sortie 306 débouche sur le renfoncement proximal gauche 316d. Les renfoncements 316a-d sont séparés les uns des autres par des bossages d’appui 318, 320 comportant dans l’exemple décrit un bossage d’appui longitudinal 318 et un bossage d’appui transversal 320.
Le dissipateur de chaleur 114 comporte en outre un capot supérieur 321 conçu pour compléter le chemin d’écoulement 308 en le recouvrant, afin que le chemin d’écoulement 308 et le capot supérieur 321 délimitent ensemble une boîte à eau fermée en forme de canal reliant le connecteur d’entrée 304 au connecteur de sortie 306.
Plus précisément, le capot supérieur 321 comporte une plaque rectangulaire 322 présentant une face inférieure dans laquelle est ménagé un renfoncement 324 délimité par des bords 326. Une cloison longitudinale 328 est prévue dans le renfoncement 324, ayant une première extrémité partant du bord proximal 326 à une autre extrémité s’arrêtant à distance du bord distal 326 opposé, de manière à laisser un espacementeentre la cloison 328 et le bord distal 326. Au moins un plot 330 est en outre prévu dans le renfoncement 324.
Lorsque le capot supérieur 321 ferme le chemin d’écoulement 308, les bords 326 du capot supérieur 321 viennent au contact de la face supérieure de la plaque 314 autour des renfoncements 316a-d de sorte que le capot supérieur 321 recouvre les renfoncements 316a-d.
Dans cette position fermée du capot supérieur 321, la cloison longitudinale 328 vient en appui contre le bossage d’appui longitudinal 318, ce qui permet de délimiter deux couloirs longitudinaux de circulation du liquide de refroidissement, sensiblement parallèles l’un à l’autre et relié l’un à l’autre à leurs extrémités distales par l’espacemente. Des flèches sur la figure 3 indiquent le cheminement du liquide de refroidissement dans le canal d’écoulement. Comme cela est visible, le canal d’écoulement est en forme de U dans l’exemple décrit.
En outre, dans la position fermée du capot supérieur 321, chaque plot 330 vient au contact du corps principal 302, comme le bossage d’appui transversal 320 dans l’exemple décrit. Cela permet de réduire les vibrations mécaniques du capot supérieur 321 qui peuvent être importante du fait de sa grande dimension longitudinale.
Dans d’autres modes de réalisation, au moins un plot 330 peut être taraudé au lieu d’être plein comme dans l’exemple illustré, afin de recevoir une vis permettant de viser le capot supérieur 321 au corps principal 302.
En référence à la figure 5, les modules électroniques de puissance 110, 112 sont fixés au capot supérieur 321 afin d’en être solidaires. Plus précisément, les plaques de base 202 des modules électroniques de puissance 110, 112 sont rapportées sur une face supérieure du capot supérieur 321, opposée au renfoncement 324. Ainsi, les composants de puissance 208 sont refroidis par le liquide de refroidissement au travers du capot supérieur 321.
En référence à la figure 6, dans un autre mode de réalisation, le capot supérieur 321 sert de plaque de base à chacun des modules électroniques de puissance 110, 112, de sorte que le substrat 204 de chaque module électronique de puissance 110, 112 est fixé sur le capot supérieur 321, par exemple par une couche de liaison comme la couche de liaison 206 de la figure 2.
En référence à la figure 7, un exemple 700 de procédé de fabrication d’un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau tel que ceux décrits précédemment peut comporter les étapes suivantes.
Au cours d’une étape 702, le corps principal 302 est obtenu, par moulage en une seule pièce dans l’exemple décrit. Ce moulage est relativement simple du fait de l’absence d’ouverture sous le bossage d’appui transversal 320. Ainsi, le moule pour réaliser le moulage peut être en deux parties (inférieure et supérieure) sans jonction l’une avec l’autre.
Au cours d’une étape 704, les modules électroniques de puissance 110, 112 sont solidarisés au capot supérieur 321.
Au cours d’une étape 706, le capot supérieur 321 avec les modules électroniques de puissance 110, 112 solidarisés est rapporté sur le chemin d’écoulement 308 afin d’être combiné à ce dernier pour délimiter le canal d’écoulement fermé entre les connecteurs d’entrée 304 et de sortie 306.
D’après ce qui précède, un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau tel que ceux décrits précédemment permet de refroidir deux modules électroniques de puissance avec un corps principal simple à fabriquer et avec un seul élément à rapporter dessus de manière étanche.
En outre, un dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau tel que ceux décrits précédemment permet de simplifier le moulage et/ou de simplifier le nombre de fermetures de la veine d’eau (c’est-à-dire les renfoncements 316a-d) et/ou d’autoriser le montage de module électronique de puissance sans contact avec le fluide de refroidissement et/ou d’autoriser d’avoir un module électronique de puissance en contact direct avec le fluide de refroidissement et un autre module électronique de puissance sur une plaque de base.
On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Par exemple, le capot supérieur 321 et/ou les renfoncements 316a-d peuvent être munis de pions de refroidissement (de l’anglais « pin fin »).
Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Claims (10)
- Dispositif électrique à refroidissement par boîte à eau, comportant :
- un corps principal (302) comprenant :
- un connecteur d’entrée (304) et un connecteur de sortie (306) d’un liquide de refroidissement, conçus pour être respectivement connectés à une conduite d’entrée et à une conduite de sortie du liquide de refroidissement, et
- un chemin d’écoulement (308) du liquide de refroidissement s’étendant sur une face du corps principal (302) entre les connecteurs d’entrée (304) et de sortie (306) ; et
- un capot supérieur (321) conçu pour compléter le chemin d’écoulement (308) afin que le chemin d’écoulement (308) et le capot supérieur (321) délimitent ensemble une boîte à eau fermée en forme de canal reliant le connecteur d’entrée (304) au connecteur de sortie (306) ; et
- deux modules électroniques de puissance (110, 112) solidaires du capot supérieur (321) et comportant des composants exothermiques (208) agencés pour être refroidis par le liquide de refroidissement au travers du capot supérieur (321).
- un corps principal (302) comprenant :
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque module électronique de puissance (110, 112) comporte une plaque de base (202) rapportée sur le capot supérieur (321).
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le capot supérieur (321) forme une plaque de base de chacun des modules électroniques de puissance (110, 112).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le corps principal (302) en réalisé en une seul pièce.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le chemin d’écoulement est formé au moins en partie par des renfoncements (316a-d) ménagés dans une face supérieure du corps principal (302).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le capot supérieur (321) comporte une face inférieure dans laquelle est ménagé un renfoncement (324) délimité par des bords (326) conçu pour venir au contact du corps principal (302), autour du chemin d’écoulement (308).
- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le capot supérieur (321) comporte au moins un plot (330), plein ou bien taraudé, conçu pour venir au contact du corps principal (302).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le canal d’écoulement est en forme de U.
- Procédé (700) de fabrication d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant :
- la solidarisation (704) des modules électroniques de puissance (110, 112) au capot supérieur (321) ; et
- la combinaison (706) du chemin d’écoulement (308) avec le capot supérieur (321) avec les modules électroniques de puissance (110, 112) solidarisés.
- Procédé selon la revendication 9, comportant en outre, au préalable, le moulage (702) du corps principal (302) en une seule pièce.
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